超深碳酸盐岩水库质量评估的方法与应用：以中国塔里木盆地富满油田X井区为例

《Journal of Natural Gas Geoscience》：Method and application for ultra-deep carbonate reservoir quality evaluation: A case study of the Well X area in the Fuman Oilfield, Tarim Basin, China

超深层碳酸盐储层地质建模与地物力学参数评价研究表明，塔里木盆地断控裂缝溶腔储层因多期构造活动导致强非均质性，传统基于孔隙度的物理性质评价方法存在显著不确定性。本研究创新性地整合现代地应力场、弹性模量、天然裂缝密度等三维地质模型参数，构建了包含4项评价指标（σh, Δσ, E, FD）的熵权法综合评价体系。通过实例验证发现：储层质量与断层结构呈显著正相关，弹性模量在断层带附近呈现梯度递减特征，天然裂缝密度与σh呈负相关，其中断层发育区裂缝密度可达13条/m，弹性模量下降30%-50%，导致储层物性显著改善。该评价方法已成功指导F物探区X井区勘探，揭示了断层分段控制储层质量的空间分布规律，为超深层碳酸盐储层高效开发提供了地质工程一体化解决方案。

　　在塔里木盆地的奥陶纪超深碳酸盐岩储层中，蕴藏着丰富的油气资源。然而，由于经历了多期构造活动的影响，这些储层的分布呈现出显著的异质性。在以断层控制的裂缝-溶洞型储层区域，传统基于岩石物理性质参数的储层质量评估方法存在较大的不确定性。相较之下，引入地质力学参数的方法则展现出明显的优势。本研究对地质力学参数，如现今地应力、弹性模量和天然裂缝密度进行了定量表征，并构建了碳酸盐岩裂缝-溶洞系统的地质模型，定义并计算了一个储层质量评估因子，从而实现了对超深碳酸盐岩储层质量的定量评估。研究结果表明：（1）在断层控制的裂缝-溶洞型超深碳酸盐岩储层中，地质力学参数的空间分布具有高度的异质性，并且受到断层结构的显著影响。这种分布沿着断层延伸方向呈现出分段特征。弹性模量和天然裂缝密度在断层带附近呈现出较高的数值，而现今地应力则相对较低。（2）储层的地质力学参数对断层控制的裂缝-溶洞型碳酸盐岩油气储层的结构和地质特征具有高度的响应性。所提出的评估方法在储层质量评估中表现出良好的效果，并为断层控制的裂缝-溶洞型超深碳酸盐岩储层的高效勘探与经济开发提供了有价值的地质参考和支撑。

中国拥有丰富的深部和超深部油气资源，其勘探潜力巨大。这些资源主要集中在塔里木盆地、四川盆地等大型盆地中。近年来，随着中国油气勘探开发向超深领域推进，一系列大型至超大型油气田被发现，如元坝、顺北、富满和克深等。全球范围内，约47.5%的剩余可采油气储量（约200亿吨）来源于碳酸盐岩。在中国，海相碳酸盐岩主要分布于塔里木盆地等叠加盆地的下部构造层中，经历了多期构造演化。这些岩石具有深埋和强烈成岩改造的特征，给油气勘探开发带来了显著的挑战。截至2020年底，塔里木油田超深层已探明的油气地质储量占油田总已探明储量的55%。同时，超深层油气产量迅速增长，达到了每年1440万吨。超深碳酸盐岩油气储层是中国塔里木盆地油气勘探开发的关键领域。值得注意的是，位于塔里木盆地北部坳陷的富满油田，已证实的油气储量达到6.25亿吨，识别出的油气资源超过15亿吨，使其成为中国目前最大的超深油气田。

传统的碳酸盐岩储层质量评估方法主要依赖于岩石物理性质参数，如孔隙度和渗透率。例如，罗等人提出了一种基于有效含油气孔隙度、气体法孔隙度与变异系数的乘积以及气体法孔隙度与其均值比值的评估方法。王等人则通过四个指标（渗透率、有效孔隙度、裂缝宽度和中值喉道宽度）将碳酸盐岩储层质量分为四个等级。曾等人随后将位移压力纳入评估体系。然而，对于塔里木盆地的断层控制型裂缝-溶洞碳酸盐岩储层而言，其独特的地质条件和渗流特性使得仅依赖地质参数的传统评估指标显得不足，因为这些方法往往忽略了诸如现今地应力场和天然裂缝等关键地质力学因素。这种忽略导致评估结果存在一定的偏差。超深碳酸盐岩储层中岩石力学性质的强烈异质性显著影响现今地应力场，进而控制天然裂缝的有效性。同时，天然裂缝的存在也反过来影响储层的岩石力学性质和地应力场。这些复杂的耦合关系对断层控制型裂缝-溶洞碳酸盐岩储层的质量产生了重要影响。

因此，本研究选择现今地应力、岩石力学性质和天然裂缝等关键地质力学参数进行优化表征。以富满油田的X井区为例，采用三维地质建模方法对碳酸盐岩裂缝-溶洞系统进行建模。基于该模型，定义并计算了关键的储层质量评估因子，从而实现了对超深碳酸盐岩储层质量的更准确评估。通过综合分析地质体形态、结构、岩性及构造特征，将复杂的地质信息转化为数字三维模型，是定量评估储层质量的重要组成部分。在研究过程中，主要采用了确定性和随机性方法对断层和裂缝进行建模，结合地震解释数据和可能性属性体积进行约束。对于溶洞和孔隙系统，采用了岩性约束的声波阻抗反演技术，并结合地震结构张量属性进行有效边界划分。为了预测天然裂缝的发育程度和分布，主要采用离散裂缝网络（DFN）方法，其核心在于确定裂缝发育密度和不同位置的几何参数。通过定量统计分析从成像测井数据中提取的天然裂缝参数，实现了在相关地震属性（如追踪和最大可能性属性）约束下的裂缝发育和分布的空间尺度预测。

岩石力学参数在矿产资源的勘探与开发中具有重要作用，是评估脆性和可裂性的重要指标，并对储层质量产生显著影响。传统方法构建岩石力学性质场主要包括以下步骤：1）通过岩石力学实验获取静态参数，通过测井数据计算动态参数；2）建立静态与动态参数之间的数学转换模型以生成岩石力学剖面；3）在三维地质模型中，通过插值方法结合地震数据构建岩石力学性质场。在断层控制型碳酸盐岩储层中，由于溶洞和多尺度裂缝的充分发育，有必要通过裂缝-溶洞样品实验或数值模拟来量化溶洞尺寸和数量、裂缝尺寸和密度等参数对岩石力学性质的影响。为了应对这些影响，应在多因素耦合条件下建立定量计算模型，并将其整合到三维地质模型中。这种方法确保了裂缝、溶洞等地质特征在岩石力学性质场构建中的准确反映。

现今地应力场的分析主要采用主流的有限元数值模拟技术。通过定义适当的边界条件，并应用节点机械平衡原理，建立包含节点位移的方程组。这些方程组利用模型的全局刚度矩阵进行构建。求解该方程组可获得节点位移信息，从而计算出每个有限元内的应力和应变分布。在三维空间中，应力和应变张量可以通过向量表示，其计算结果反映了地应力场的分布特征。通过相关软件实现地质模型与有限元模型的无缝集成，本研究准确且客观地获取了塔里木盆地X井区的现今地应力场。

为了对超深碳酸盐岩储层进行更全面的评估，本研究采用熵权法来确定所有评估参数的权重系数。熵权法是一种多属性决策分析技术，利用信息熵的概念来量化多因素在综合评估中的相对重要性。与传统的主观权重方法不同，这种方法考虑了指标之间的相互作用，减少了人为偏见的影响。以往的研究已经证实了其在评估储层异质性方面的有效性。该方法包括以下步骤：1）定义储层质量评估的参数集；2）确定指标因子集：在本研究中，所选的指标包括弹性模量（E）、裂缝密度（FD）、水平最小主应力（σh）和主应力差（Δσ = σH?σh）。其中，E和FD与储层质量呈正相关，而σh和Δσ则呈负相关；3）数据标准化：每个指标被标准化为无量纲尺度，考虑到其正负相关性，以构建标准化的指标矩阵；4）权重计算和质量因子构建：在使用熵权法计算出权重后，定义并构建了储层质量评估因子（Q）。根据这一理论框架，塔里木盆地X井区超深碳酸盐岩储层的计算权重系数如下：岩石弹性模量（0.21）、裂缝密度（0.35）、水平最小主应力（0.28）和水平主应力差（0.16）。因此，研究区域的评估模型构建如下：Q = 0.28×σh* + 0.16×Δσ* + 0.21×E* + 0.35×Fd*，其中σh*代表标准化的水平最小主应力，Δσ*代表标准化的水平主应力差，E*代表标准化的岩石弹性模量，Fd*代表标准化的裂缝密度。

在本研究中，以塔里木盆地富满油田X井区的超深碳酸盐岩储层为例，构建了基于断层和层序特征的三维地质模型。建模结果揭示了储层空间分布的高度异质性，包括裂缝、溶洞和孔隙等。断层带对储层空间的发育具有显著的控制作用，裂缝、溶洞和孔隙在断层附近更为发育。通过精确的地质力学参数表征和三维地质建模，本研究能够更全面地理解储层的空间分布特征，并为后续的开发方案设计提供科学依据。

通过上述方法，塔里木盆地X井区超深碳酸盐岩储层的弹性模量主要分布在31至43 GPa之间，表现出明显的异质性。弹性模量在断层附近呈现出低值区域。天然裂缝主要集中在断层附近，裂缝密度范围在1至13条/米之间。在断层邻近区域，裂缝密度显著增加。此外，通过有限元数值模拟，塔里木盆地X井区超深碳酸盐岩储层的水平最小主应力范围在125至155 MPa之间，而水平主应力差则在14至29 MPa之间。在主要断层的走向方向上，水平最小主应力（σh）和水平主应力差（Δσ）呈现出分段变化的特征，表明局部构造活动对这些参数的影响。

利用上述模型，对塔里木盆地X井区的超深碳酸盐岩储层质量进行了评估。结果显示，储层质量评估因子（Q）的范围在0.22至0.82之间，高值区域主要集中在断层带及其附近。特别是X3井附近的高值区域非常广泛。对收集的生产数据进行分析表明，在Q值较高的区域，单井的油气产量显著增加。这表明，基于地质力学参数的储层质量评估方法能够有效反映储层的生产能力，并为后续的井位设计、压裂方案优化以及注水操作提供重要的参考依据。

在超深碳酸盐岩储层的勘探与开发过程中，资源富集和高产通常需要满足三个特征：资源甜点、物理性质甜点和工程甜点，因此需要进行综合评估。与传统的中浅层油气储层相比，超深碳酸盐岩储层表现出更强的异质性，这对勘探和开发带来了更大的挑战。基于地质力学参数的储层质量评估方法体现了地质力学与工程的融合理念，建立了地质认识与工程技术之间的桥梁，为后续的井位设计和开发方案优化提供了支持。通过引入地质力学参数，可以更准确地识别储层的有利区域，提高勘探开发的效率和经济效益。这种评估方法不仅有助于理解储层的地质特征，还能为实际开发中的工程决策提供科学依据，从而推动超深碳酸盐岩储层的高效勘探和可持续开发。