CN107230252A - 基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田开发储层建模技术领域，具体地讲是一种基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法，主要包括：首先构建曲流环形态数据库；然后网格化待模拟河道带的平面分布范围，在网格属性和指定规则的约束下模拟曲流环平面分布；最后建立三维点坝模型。本发明的方法实现河道带内点坝的自动模拟，提高了储层表征精度和效率，以服务油田开发生产。

Description

基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法

技术领域

本发明属于油田开发储层建模技术领域，具体地讲是一种基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法。

背景技术

地下储层的不可确知性通常导致建立的地质模型的高度不确定性。但石油工业，采矿工业仍然需要可靠的地质模型以评估储量、生产潜能。这些模型是评估体系对转移函数的响应。本发明有关石油储层模拟，其转移函数是流动模拟，而响应变量则是流动速率和采收率。在储层建模方面，有许多可用的信息。地震数据能提供体信息，但垂向分辨率明显不足。测井和岩心能提供精确的信息，但只能提供点、线信息。在大部分情况下，根据少量地质资料建立确定性模型不能反映地下数据缺乏而导致的不确定性，在反映小尺度非均质性方面更是如此。由于可用的信息在数量、质量和分辨率方面有限制，阻止了将小尺度地下非均质性信息可靠地融入确定性模型。而在最终的地质模型中忽略小尺度地下特征会使得响应变量发生偏差。而解决这一问题，就需要使用随机模拟方法去综合多种信息到模型中。已有的随机模拟方法可以构建多个等概率储层模型反映地质认识的不确定性，但通常难以构建具有真实形态特征的地质模型，缺少灵活性去充分综合地质信息，同时难以反映复杂地质环境下的空间特征。产生问题的原始在于当前随机模型一般基于地质统计学或者简单的参数对象模型，因此最终的模拟结果虽然能忠实统计量如变差函数或直方图，但难以刻画地质对象复杂的几何形态和它们之间的空间结构。当前地质统计学已有的建模算法的主要优点是再现统计量，反映不确定性和高计算效率，但其模拟结果与地下储层真实形态具有较大差距。因此，需要更好的方法来综合定量地质信息到地质模型中。点坝型储层是河流相储层中一种重要的开发目标，储层厚度往往很大，物性好，一般是多条河道长期迁移、演化、多期废弃及相互截断形成的。点坝在曲流带内分布具有鳞片状特征。已有的数学函数和储层建模算法难以对点坝的平面分布特征进行描述，更难以对点坝型储层空间进行三维定量表征。因此，开发新的建模方法提升随机地质模型的真实度，特别是更准确地刻画点坝储层内部各点坝要素的三维形态和空间结构有助于提高模型的可靠性，提高油藏数值模拟精度，提高储层剩余油预测质量。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法，这一方法首先构建曲流环形态数据库记录点坝要素的真实平面几何形态，随后对待模拟河道带的平面分布范围进行网格化，并在网格中存储储层厚度、点坝侧积方向方位角、相类型和网格模拟状态4类属性值，在网格属性限制下在网格化区域内确定的曲流环的平面分布，并建立三维点坝模型，实现河道带内点坝的自动模拟。

本发明的技术方案是一种基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法，包括如下步骤：

1)构建曲流环形态数据库；

2)网格化待模拟河道带的平面分布范围，在网格属性和指定规则的约束下模拟曲流环平面分布；

3)建立三维点坝模型。

所述步骤(1)具体包括曲流形态演化模拟和曲流环自动分割两部分：所述曲流形态演化模拟是基于水动力学河道迁移公式进行河道形态演化模拟，获得演化结束后的高弯曲度曲流河形态曲线，每条河道曲线由一系列密集的离散控制点组成；

所述曲流环自动分割是根据曲流河中线上各控制点的曲率值对各中线进行分割，相邻控制点曲率正、负符号相同时，划归为一独立的曲流环；每个曲流环对应的初始河道中线定义为内边界，末期河道中线定义为外边界，这两条线组成了曲流环的包络；所有曲流环构成了曲流环形态数据库。

所述步骤(2)模拟曲流环平面分布，从上述步骤(1)构建的曲流环形态数据库中随机选择曲流环放置于模拟区的网格平面内，并通过网格属性对放置过程进行约束，约束的指定规则体现在以下4个方面：

1)曲流环依次放置于模拟区域内，储层厚度大的网格具有较大的曲流环放置概率；

2)相属性对曲流环的放置具有优先控制作用；

3)模拟时放置的曲流环外边界不能与网格中事先存储的点坝相有重合部分，若有重合部分则从数据库中重新提取新的曲流环放置；

4)后模拟的曲流环在空间上可与先模拟的曲流环有一定比例的重合，但重合比例不能超过预先指定的比例上限值k，k值的范围为0-0.3。

所述步骤(2)网格化待模拟河道带的平面分布范围，在网格中存储储层厚度、点坝侧积方向方位角、相类型和网格模拟状态4类属性值。

所述步骤(3)具体包括:

1)定义由步骤(2)模拟曲流环平面分布中获得的曲流环平面几何形态的轮廓线为点坝顶面的轮廓线，为所述点坝顶面的轮廓线赋予河道砂体顶部界面的高程值，所述点坝顶面的轮廓线形成的面为点坝的顶部界面；

2)定义点坝底面的轮廓线为所述点坝顶面的轮廓线沿着其曲率半径正方向外延伸半个河道宽度0.5×w，为所述点坝底面的轮廓线赋予河道砂体底部界面的高程值；其中：w为河道宽度；

3)以所述点坝顶面的轮廓线和点坝底面的轮廓线为条件数据，利用三次样条插值方法，在所述点坝顶面的轮廓线和点坝底面的轮廓线之间插值形成点坝侧面三维界面；

4)点坝顶部界面和点坝侧面界面共同形成了点坝三维界面模型。

所述点坝的顶部界面形态与河道带内砂体顶部界面一致，所述点坝的底面界面形态与河道带内砂体底部界面形态一致；所述点坝的顶部界面的平面范围与曲流环包络一致，所述点坝的底面界面的平面范围是曲流环包络向外延伸半个河道宽度；以所述点坝顶、底界面为条件数据，生成点坝三维包络面。

本发明的有益效果在于：

1、本发明基于河道迁移公式建立具有海量信息的曲流环形态信息数据库，为模拟提供具有真实几何形态的曲流环；对待模拟河道带的平面分布范围进行网格化，并基于储层厚度、点坝侧积方向方位角、相类型和网格模拟状态4类属性值和指定的地质规则限定曲流环在模拟区域内的平面分布，最后建立三维点坝模型，实现河道带内点坝的自动模拟，提高了储层研究精度和效率，以服务油田开发生产。

2、本发明将真实的曲流环形态这一地质信息融入了地质模型中，建立起具有真实几何形态的点坝模型。

3、本发明在网格属性的约束下，能够有效模拟点坝在曲流带内的平面分布特征，模拟的点坝之间的结构关系符合地质认识，模拟结果忠实于井数据，可靠的评估地下储层情况。

4、本发明属于随机模拟方法，可有效地评估储层认识的不确定性。

附图说明

图1初始河道中线示意图；

图2河道侧向迁移计算过程示意图；

图3基于曲率的曲流环分割过程示意图:

(a)弯曲的河道曲线示意图；(b)尺度因子σ＝7时沿着河道轨迹计算的曲率半径分割弯曲河道曲线示意图；

图4曲流环内点坝平面分布模拟过程示意图；

图5三维点坝界面模型构建过程示意图：

(a)为点坝顶、底面轮廓线平面示意图；(b)为点坝顶、底面轮廓线剖面示意图；

图6单个三维点坝界面模型示意图；

图7曲流带内点坝自动模拟结果示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

本发明基于曲流环形态数据库的点坝储层自动模拟方法的核心是曲流环形态数据库的建立和曲流带内点坝的自动模拟，再现真实地理环境中曲流带内点坝的“鱼鳞片”状分布特征，包括以下步骤：

步骤1：构建曲流环形态数据库：

1)、基于水动力学河道迁移公式进行河道形态演化模拟，获得演化结束的高弯曲度河道曲线，每条河道曲线由一系列密集的离散控制点组成。

2)、根据曲流河中线上各控制点的曲率值对各中线进行分割，相邻控制点曲率正、负符号相同时，划归为一独立的曲流环。每个曲流环对应的初始河道中线定义为内边界，末期河道中线定义为外边界，这两条线组成了曲流环的包络。所有包络构成了曲流环形态数据库。

步骤2：网格化待模拟河道带的平面分布范围，模拟曲流环平面分布：

1)、给定待模拟的河道带的顶、底界面，确定其平面分布范围，并对这一平面分布范围网格化。在网格各单元存储储层厚度、点坝侧积方向方位角、相类型以及网格模拟状态4个属性值。其中储层厚度是河道带顶面深度减去底面深度得到的差值；点坝侧积方向方位角指示了曲流环形成过程中河道的总体迁移方向和砂体的总体加积方向，是通过岩心、测井分析等方法确定的；相类型指示了河道带不同位置处的沉积相，是通过测井解释、岩心分析、地震属性研究综合确定的。限于资料采集有限，除储层厚度属性外，点坝侧积方向方位角和相类型属性仅在一部分网格中有记录，未定义点坝侧积方向方位角属性的网格将在模拟中给定一个随机值，未定义相类型属性的网格在模拟中不起相约束作用。网格模拟状态属性指示该网格是否已模拟了点坝。

2)、模拟点坝在曲流带内的平面分布。对河道带平面分布范围进行网格化，确定点坝沉积区(模拟区)和非沉积区(非模拟区)。从曲流环形态数据库中随机选择一个曲流环，从曲流环的外边界随机选择一个控制点作为模拟点。将以该模拟点为基础将曲流环放置于模拟网格区域内。在放置过程中，相属性具有约束作用，一是模拟点放置的具体网格位置是在储层厚度属性约束下随机抽样确定的，厚度值大的网格具有较大的放置概率。二是相属性对曲流环的放置具有优先控制作用；若网格中存在废弃河道相，那么优先放置曲流环使其外边界拟合废弃河道相；此外，曲流环的外边界不能与网格中的点坝相有重合部分，若有重合部分则从数据库中重新提取新的曲流环放置；三是模拟时放置的曲流环外边界不能与网格中事先存储的点坝相有重合部分，若有重合部分则从数据库中重新提取新的曲流环放置。四是后模拟的曲流环在空间上可以与先模拟的曲流环有一定比例的重合，但重合比例不能超过预先指定的比例上限值。

步骤3：建立三维点坝界面模型，完成河道带内点坝的自动模拟：

点坝顶部界面形态与河道带内砂体顶部界面一致，底面形态与河道带内砂体底部界面形态一致。点坝顶部界面的平面范围与曲流环包络一致，底部界面的平面范围是曲流环包络向外延伸半个河道宽度。

在上述步骤中，步骤一和二是核心部分。总体来说，本发明的方法主要分为3个步骤，包括曲流环形态数据库构建、曲流环平面分布模拟和三维点坝模型构建。下面就各个部分的实现进行详细说明。

1、构建曲流环形态数据库，记录点坝要素的真实平面几何形态：

曲流河的形态具有多样性和不确定性，传统上是通过人工绘制河道曲线形态来建立河道模型，但具有较大的任意性，缺乏定量关系。通过提取照片上的河道图像可以获得真实的河道曲线，但是限于拍摄得到的图片质量，准确提取图片中的曲流河形态信息十分困难，手工提取难以建立海量信息库。因此本发明提出了利用水动力学中的曲流演化模拟的方式，模拟得到高弯曲度曲流河，同时对其进行曲流环分割获取单个曲流环形态数据。

1)曲流形态演化模拟

在自然界中，曲流河从初始顺直形态会逐渐演化成高弯曲度河道。这一演化过程可以通过河道迁移公式(1)描述：

dist(s,t)＝E×u(s,t) (1)

其中：dist(s,t)表示t时刻河道弧长s位置处的河道侧向迁移距离(m)；E表示侵蚀系数，反映了河道侧向侵蚀的能力；u(s,t)表示t时刻河道弧长s处的近岸速度增量(m/s)，该值越大表示水流对河岸的冲刷作用越强烈，迁移也越迅速。u(s,t)可通过以下方程式(2)计算：

其中：h₀是河道平均深度(m)，可通过压实校正后的点坝砂体厚度确定；b为河道宽度的一半，可通过地震切片或与河道深度有关的经验公式获得(m)；g是重力加速度(m/s²)；A是冲刷因子，无量纲常数；f是摩擦系数，无量纲常数；I是河道比降，无量纲常数。该参数反映了河流沉积时期的古地貌坡降，对于曲流河发育的下游平原而言，该值一般较小，但对于地下储层难以确定，因此可结合现代地貌考察给一个大致的数值范围，以反映参数认识的不确定性；C(s,t)表示t时刻时河道弧长s位置处的曲率；S表示河道总弧长。

在基于公式(1)、方程式(2)进行曲流演化模拟前，还需要先给定演化初始的河道中线。演化初始时期的河道中线可以根据下述周期扰动公式(3)给定：

其中：θ，h表示阻尼系数，阻尼越大，衰减得越快，不规则性越强，弯曲度越小；阻尼越小，衰减地慢，规则性越强，弯曲度越高。

k表示尺度系统，s表示河道弧长s处对应的位置，ε(s)表示扰动值。

这一公式能够模拟自然界中河道弯曲的周期性和不规则性。根据这一公式生成的一些形态比较真实的河道作为模拟初始的河道中线如图1所示。

这里对曲流形态演化的具体实现方法进行说明。图2中的实线表示初始河道中线，其由多个控制点组成，每个控制点的坐标记为(x₁,y₁)。根据式(1)、方程式(2)计算各个控制点处的侧向迁移距离u(s,t)，向迁移方向(曲率半径方向)移动，获得迁移后各个控制点的坐标(x₂,y₂)，最后使用三次样条曲线平滑地连接迁移后的控制点，便可以得到该次迁移计算后的河道中线，完成一次迁移模拟计算。重复上述计算过程，便可以进行连续的演化模拟，最终得到高弯曲度的曲流河形态中线。

2)曲流环自动分割

在模拟得到完整的高弯曲度河道中线后，还需要根据曲流河中线上控制点曲率值对中线进行分割，相邻控制点曲率正、负符号相同时，则分为独立一组，属于同一曲流环。这些曲流环的轮廓，即平面点集，将被记录下来建立曲流环形态数据库。具体的曲率计算方法将在下面阐述。

曲线的曲率在数学上定义为沿弧长，单位弧长的弧度改变量。若曲线的参数方程为x＝x(t),y＝y(t),曲率方程为：

其中：x和y是曲线的直角坐标，t是曲线插值参数。φ是正切角，s是弧长。从公式(4)可以看出，曲率的正负符号可以判别切线方位角的改变是沿顺时针还是沿逆时针。

对于样条曲线产生的参数曲线，曲率方程可以表示为x、y相对于t的一阶和二阶导数，如公式(5)所示：

对于减少曲率计算过程中，曲线微小变化引起的计算噪音，对于公式5中导数计算，进行了如下尺度变化：

σ表示尺度因子，其值越小表征被平滑的越少，相应的尺度也就越小。大尺度因子值对应曲线的整体弯曲特征，小尺度因子值对应于局部细节特征。*表示卷积运算，g(t；σ)是标准化高斯正态分布函数，如下式：

在通过式(5)计算获得曲率后，可以通过倒数计算曲率半径：

这里的曲率半径保留了曲率的正负符号，其绝对值对应河道曲线各处密切圆的半径。

如图3所示，图(a)给出了一条弯曲的河道曲线，河道在流动过程中，由于水量枯竭，常会出现中断和分段的特征，但依然是一条河流，本图反映了这一特征，图(b)给出了尺度因子σ＝7时沿着河道轨迹计算的曲率半径，可以看到，通过曲率半径，高弯曲度河道曲线被很好地分割为一个个曲流环，与人眼分割结果是一致的。而如果不采用尺度变换，则可能将河道中线中的一些小的弯曲也分割为一个曲流环。

2、曲流环平面分布及模拟

首先确定储层的分布范围，对其平面分布范围进行网格化。在网格中存储储层厚度、点坝侧积方向方位角、相类型以及网格模拟状态4个属性值。其中储层厚度属性是双精度类型变量，是通过储层顶、底界面深度值相减得到的，每个网格都存储储层厚度值，厚度越大的网格被模拟的概率越大；点坝侧积方向方位角属性是整型变量，其值分布范围是[0°,360°]。通过岩心、测井分析等方法确定的，由于这一资料的采集往往在油田十分有限，因此仅有少数网格能在模拟前给定条件值。其他无给定条件值的网格将在模拟过程中随机给定；相类型属性是整型变量属性，其一般通过测井解释确定的，随油田开发进行，钻井数增加，该条件值逐渐增多，而无对应条件值的网格将定义为空。网格模拟状态属性为一整型变量，其值为{0,1}，指示该网格是否已经模拟了点坝。值为0时说明该网格尚未进行模拟，可以在该处放置新生成的曲流环；值为1时说明该网格已被模拟，不能在该处放置新生成的曲流环。

模拟点坝的平面分布位置。以图4为例，从曲流环数据库中随机选择一个曲流环，从曲流环外边界的一系列控制点中随机选择一个控制点作为模拟点，模拟点处的法向向量方向定义为该曲流环的正向方向。

在放置过程中，网络属性控制曲流环在平面上的分布位置。如图4所示，

1)相类型属性具有最强的约束作用。相类型包括废弃河道相，点坝相，其中的废弃河道相有最大控制优先级。以模拟点为基础将曲流环放置于模拟区域内使其首先匹配废弃河道相，曲流环正方向受点坝侧积方向方位角属性控制。同时，检查曲流环外边界是否与网格中预先存储的点坝相有重合部分，若有重合部分则以模拟点为支点旋转曲流环一定的角度使其与点坝相不重合。在多次旋转后仍然与点坝相有相交，则从数据库中重新提取新的曲流环放置。

2)模拟点放置的具体网格位置是在厚度属性约束下通过随机抽样确定的，厚度值大的网格具有较大的放置概率。当在网格上放置完一个点坝后，其覆盖的平面网格的模拟状态属性将从未模拟更改为已模拟，即从0变为1。

3)曲流环是依次放置到模拟平面内的，后放置的曲流环在空间上可以与先放置的曲流环有一定比例的重合，这反映了河道点坝砂体之间的侵蚀和接触关系，但重合比例不能超过预先指定的上限值k，k值一般以0-0.3为宜。

3、构建三维点坝模型

点坝顶部界面三维形态(高程)与河道带顶部界面一致，底面三维形态与河道带底部界面形态一致。如图5所示曲流环平面分布模拟中获得了曲流环平面几何形态的轮廓线，这一轮廓线就是点坝顶面的轮廓线，给这一轮廓线赋予河道砂体顶部界面的高程值，轮廓线形成的面就是点坝的顶部界面。点坝底面的轮廓线是点坝的顶面轮廓线沿着其曲率半径正方向外延伸半个河道宽度0.5*w，其中w为河道宽度。给点坝底面轮廓线赋予河道砂体底部界面的高程值。以点坝顶面轮廓线和底面轮廓线为条件数据，利用三次样条插值方法，可以在顶面轮廓线和底面轮廓线之间插值形成点坝侧面三维界面。点坝顶部界面和点坝侧面界面共同形成了点坝三维界面模型，如图6所示。如图7给出了自动模拟得到的曲流带内的多个点坝三维模型。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围.

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.基于曲流环形态数据库的点坝储层自动建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建曲流环形态数据库；

2)网格化待模拟河道带的平面分布范围，在网格属性和指定规则的约束下模拟曲流环平面分布；

3)建立三维点坝模型。

2.根据权利要求1所述的点坝储层自动建模方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括曲流形态演化模拟和曲流环自动分割两部分：

所述曲流形态演化模拟是基于水动力学河道迁移公式进行河道形态演化模拟，获得演化结束后的高弯曲度曲流河形态曲线，每条河道曲线由一系列密集的离散控制点组成；

所述曲流环自动分割是根据曲流河中线上各控制点的曲率值对各中线进行分割，相邻控制点曲率正、负符号相同时，划归为一独立的曲流环；每个曲流环对应的初始河道中线定义为内边界，末期河道中线定义为外边界，这两条线组成了曲流环的包络；所有曲流环构成了曲流环形态数据库。

3.根据权利要求1所述的点坝储层自动建模方法，其特征在于，所述步骤(2)模拟曲流环平面分布，从上述步骤(1)构建的曲流环形态数据库中随机选择曲流环放置于模拟区的网格平面内，并通过网格属性对放置过程进行约束，约束的指定规则体现在以下4个方面：

1)曲流环依次放置于模拟区域内，储层厚度大的网格具有较大的曲流环放置概率；

2)相属性对曲流环的放置具有优先控制作用；

3)模拟时放置的曲流环外边界不能与网格中事先存储的点坝相有重合部分，若有重合部分则从数据库中重新提取新的曲流环放置；

4)后模拟的曲流环在空间上可与先模拟的曲流环有一定比例的重合，但重合比例不能超过预先指定的比例上限值k，k值的范围为0-0.3。

4.根据权利要求1所述的点坝储层自动建模方法，其特征在于，所述步骤(2)网格化待模拟河道带的平面分布范围，在网格中存储储层厚度、点坝侧积方向方位角、相类型和网格模拟状态4类属性值。

5.根据权利要求1所述的点坝储层自动建模方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括:

1)定义由步骤(2)模拟曲流环平面分布中获得的曲流环平面几何形态的轮廓线为点坝顶面的轮廓线，为所述点坝顶面的轮廓线赋予河道砂体顶部界面的高程值，所述点坝顶面的轮廓线形成的面为点坝的顶部界面；

2)定义点坝底面的轮廓线为所述点坝顶面的轮廓线沿着其曲率半径正方向外延伸半个河道宽度0.5×w，为所述点坝底面的轮廓线赋予河道砂体底部界面的高程值；其中：w为河道宽度；

3)以所述点坝顶面的轮廓线和点坝底面的轮廓线为条件数据，利用三次样条插值方法，在所述点坝顶面的轮廓线和点坝底面的轮廓线之间插值形成点坝侧面三维界面；

4)点坝顶部界面和点坝侧面界面共同形成了点坝三维界面模型。

6.根据权利要求5所述的点坝储层自动建模方法，其特征在于，所述点坝的顶部界面形态与河道带内砂体顶部界面一致，所述点坝的底面界面形态与河道带内砂体底部界面形态一致；所述点坝的顶部界面的平面范围与曲流环包络一致，所述点坝的底面界面的平面范围是曲流环包络向外延伸半个河道宽度；以所述点坝顶、底界面为条件数据，生成点坝三维包络面。