德国东部北海地区下沃尔普里豪森（Lower Volpriehausen）单元的3D水库水质估算：一种统计与随机建模方法

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：3D reservoir quality estimation of the Lower Volpriehausen Unit in the Eastern German North Sea: A statistic and stochastic modelling approach

本文基于德国北海西施莱威格块14口井的测井数据，构建了三叠纪Lower Volpriehausen Unit的3D地质模型，通过地统计学方法（简单克里金和序贯高斯模拟）分析储层参数（页岩含量、有效孔隙度）的空间分布，发现储层具有良好横向连续性，平均有效孔隙度21%（12%-28%），但局部因高页岩含量和成岩胶结导致孔隙度降低，影响储层质量。研究结果为区域二氧化碳存储潜力评估提供了地质参数基础。

　　碳捕集与封存（CCS）技术被认为是减少工业领域难以削减的温室气体排放的重要手段，对于实现《巴黎气候协定》的目标至关重要。在德国北海上，近期的政治倡议推动了对深部盐水层进行二氧化碳封存潜力的研究。然而，由于该区域早期的石油和天然气勘探并未发现油气资源，数据有限且缺乏废弃油田，因此二氧化碳封存的探索重点放在了深部盐水层。已有研究指出，中侏罗世（Middle Buntsandstein）亚组在该地区具有巨大的封存潜力，并且这一潜力在德国北海上其他区域也有所体现。

在德国北海上，西施莱斯维希区块（West Schleswig Block）因其地质条件而成为最具前景的封存区域之一。该区块内有14个潜在的二氧化碳封存点，位于深度1.5公里至2公里之间的盐水层中，这些封存点具有横向开放的背斜圈闭结构，且整体封存容量估计为约10亿吨。尽管这些区域的封存潜力已被初步评估，但为了提高封存容量的准确性，需要依赖高分辨率的三维动态储层模型。这些模型对于评估封存容量随时间的变化、优化注入策略、设计井位以及评估封存安全性参数（如最大注入压力）至关重要。然而，由于在德国北海上，中侏罗世（Middle Buntsandstein）亚组的储层参数数据非常有限，这限制了对高分辨率三维模型的准确参数化和对储层尺度的详细研究。

本研究针对西施莱斯维希区块的中侏罗世（Middle Buntsandstein）亚组的下部弗尔普里埃豪森（Lower Volpriehausen）单元进行深入分析，使用14口井的地质录井数据来推导储层参数，包括泥质含量、有效孔隙度和渗透率。这些参数被用于构建区域趋势图，从而评估该储层的储层质量和空间分布。通过比较和讨论与邻近区域的钻井数据，我们得以更深入地理解这些参数的空间分布、相关性及异质性。此外，为了提高模型的稳健性，我们还纳入了两口位于专属经济区外的陆上钻井数据（WSTL-1和WHEV-2T），以增强对模型区域东部数据不足部分的分析。

中侏罗世（Middle Buntsandstein）亚组沉积于南方二叠纪盆地，这一盆地覆盖了欧洲的大部分地区。该盆地的形成与二叠纪晚期和三叠纪早期的构造运动有关，这一时期的构造活动导致了盆地的形成。在沉积过程中，盆地经历了广泛的火山活动、热穹隆和地壳侵蚀，随后由热沉降主导。三叠纪期间，盆地受到东-西向裂谷作用的影响，加速了盆地的沉降。特别是在赫尔德格森（Hardegsen）断陷和格吕克施塔特（Glückstadt）断陷区域，沉积厚度显著增加。随后，盐的运动导致了盐丘的形成，这在侏罗纪和新生代期间尤为明显。然而，在西施莱斯维希区块，盐构造的影响主要局限于早期的盐丘结构。

在西施莱斯维希区块，中侏罗世（Middle Buntsandstein）亚组的沉积环境主要为半干旱气候，这一气候条件导致了风成和河流沉积物的广泛分布。沉积物主要来源于北侧的中北海高地（Mid North Sea High）和南侧的环科宾-菲恩高地（Ringk?bing-Fyn High），并由河流系统在湿润期输送，而在干旱期被风成作用重新改造。通常情况下，这些沉积物在盆地边缘和局部凹陷区形成了具有良好储层特性的风成砂岩，而在盆地中心则沉积了细粒的蒸发岩、红色泥岩和黏土沉积物，这些细粒沉积物成为该区域潜在二氧化碳封存点的重要封闭层。

本研究中，我们利用了西施莱斯维希区块的14口井的地质录井数据，包括伽马射线（GR）和P波速度（SONIC）数据，以及沉积地层标志物，来计算下部弗尔普里埃豪森（Lower Volpriehausen）单元的泥质含量和有效孔隙度。由于缺乏详细的岩心数据，我们主要依赖于从邻近区域（如荷兰和丹麦）获取的沉积特征和储层参数。尽管如此，我们仍然能够通过统计和随机方法，对西施莱斯维希区块的储层质量进行合理的估算。

在西施莱斯维希区块，下部弗尔普里埃豪森单元的总厚度从24米（WSTL-1）到54米（J4–1），平均厚度为39米。泥质含量在该区域通常较低，平均为7%，但在某些井段，泥质含量显著增加，特别是在单元底部，这通常与低孔隙度有关，表明储层质量较差。此外，一些井段的孔隙度降低，但泥质含量并未相应增加，这可能是由于广泛存在的胶结作用，如石膏、方解石或白云石的胶结。这种胶结作用通常与沉积环境和埋藏历史有关，特别是在靠近盐构造的区域，盐的胶结作用可能对储层质量产生重要影响。

我们使用了两种方法来推导储层参数：简单克里金法（Simple Kriging）和序贯高斯模拟（Sequential Gaussian Simulation, SGS）。简单克里金法用于生成一个光滑的储层参数分布，而SGS则用于模拟多个可能的储层参数场景，以保留储层的自然异质性。通过分析这些方法的结果，我们发现尽管简单克里金法在空间上表现出一定的连续性，但SGS方法更能反映储层的随机性和异质性。这些结果对于评估储层的封存潜力和设计封存方案具有重要意义。

为了评估储层的封存潜力，我们构建了储层参数的三维模型，包括孔隙度和泥质含量的空间分布。通过将这些参数投影到单元顶部的地层面上，我们能够更直观地理解储层的质量分布。此外，我们还计算了孔隙度与渗透率之间的关系，以进一步评估储层的动态特性。孔隙度与渗透率的关系表明，风成沙丘和河流沙席等沉积相通常具有较好的储层质量，而泥质含量高的区域则可能影响储层的封存能力。

本研究的结果表明，西施莱斯维希区块的下部弗尔普里埃豪森单元具有良好的横向连续性，其平均孔隙度为21%，范围在12%至28%之间。然而，局部区域由于高泥质含量和胶结作用导致孔隙度较低，这表明储层质量存在显著的异质性。这些发现对于未来对西施莱斯维希区块进行二氧化碳封存勘探具有重要意义，因为储层质量的差异需要在选址过程中予以考虑。此外，本研究提供的三维储层模型可以作为未来封存潜力评估的基础，特别是在德国北海上进行区域和局部筛选时。

尽管本研究的储层模型具有一定的实用性，但其也存在一定的不确定性。这些不确定性主要来自于所使用的统计方法和地质数据的有限性。因此，未来的研究需要更多的钻井数据和三维地震数据，以提高模型的精度和可靠性。此外，结合地质约束和先验信息，如沉积相模型和储层特征，可以进一步优化模型的应用效果。

本研究的成果为德国北海上二氧化碳封存潜力的评估提供了重要的基础，同时支持了对潜在封存点的初步筛选。通过更精确的储层参数，我们可以更好地理解储层的质量分布，从而优化封存策略。尽管本研究的数据和方法存在一定的局限性，但其仍为未来的封存项目提供了有价值的信息，有助于推动封存技术的发展和应用。