河道化系统中地质力学非均质性的影响程度研究——以页岩含量为主导的简化模型有效性验证

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Geomechanical Heterogeneity in channelized systems — How much is enough ?

本研究针对河道化砂岩储层中压实和沉降预测需要详细地质模型的难题，通过合成河道系统的直接数值模拟和统计分析，证实页岩含量是控制砂-页岩序列有效杨氏模量的主要因素，河道几何形态影响不足5%。基于页岩含量的简化模型可提供与详细模型相当的预测精度，显著降低建模复杂度，使地质力学评估得以在油田开发早期阶段实施。

　　

在油气田开发过程中，储层压实和地表沉降的准确预测是确保安全生产和高效开发的关键环节。传统观点认为，要获得可靠的地质力学预测，必须建立详细的地质模型来表征储层的非均质性。然而，这种详细表征往往需要等到油田开发后期，积累了大量的生产数据后才能完成。这就导致了一个矛盾：当详细地质模型可用时，许多影响油田架构、井位布置和设施设计的关键决策早已制定，往往未能充分考虑地质力学因素带来的风险。特别是在河道化沉积体系（如河流相或浊积岩储层）中，河道几何形态的复杂性使得这一问题更加突出。这些系统通常包含不同几何形态的砂岩体，嵌入在细粒物质（如页岩或泥岩）背景中，形成了具有潜在复杂变形行为的复合力学系统。

那么，一个核心问题随之产生：对于河道化储层系统，其有效力学特性（尤其是控制压实的关键参数——杨氏模量）究竟是主要受整体成分参数（如页岩含量）控制，还是受详细的河道几何形态（宽度、厚度、堆叠模式）的显著影响？如果简化模型能够提供可靠的预测，那么就可以在项目早期，即使在没有详细河道表征的情况下，也将地质力学因素纳入油田开发规划，从而优化决策和风险评估。

为了回答这一问题，研究人员在《Geomechanics for Energy and the Environment》上发表了一项研究，系统地探讨了河道化系统中的地质力学非均质性需要详细到何种程度。研究团队通过生成大量具有不同几何形态和相分布的合成河道系统模型，并对其有效力学性质进行直接数值模拟和统计分析，最终通过油田尺度的有限元模拟验证了简化模型的可靠性。

为开展此项研究，作者主要应用了以下几项关键技术方法：首先，利用FluvSim这一基于对象的随机建模软件包生成一系列符合地质实际的合成河道系统三维模型，通过调整河道宽度、厚度和页岩含量等参数来覆盖广泛的可能场景。其次，采用GeoDict软件中的高性能谱方法对每个模型进行直接数值模拟，求解线性弹性力学方程，计算在单轴应变条件下整个复合储层的有效杨氏模量（E_eff）。最后，运用Petrobras内部开发的有限元模拟器GeomecBR进行油田尺度的流固耦合模拟，比较详细地质模型与基于页岩含量均质化模型的压实和沉降预测结果。所有统计分析均基于模拟数据，并使用随机森林等机器学习算法验证变量重要性。

3.1. The FluvSim package — Channel system generation

研究人员使用FluvSim软件生成了100个不同的三维合成河道模型。这些模型的物理尺寸为500米×500米×100米，通过系统性地改变河道宽度（100-200米）、厚度（5-20米）和页岩含量（0.10-0.50），涵盖了从孤立河道到高度合并的河道复合体等多种地质场景。FluvSim采用过程模拟方法，通过定义河道中心线轨迹和横截面几何形态来生成三维河道体，并模拟了河道决口和下切等自然沉积过程，形成了复杂的堆叠模式和连通性。

3.2. Synthetic models — Parameters and geometry

生成的模型展示了不同的河道架构。低砂含量模型表现为分散的河道体；中等砂含量模型显示部分连通的河道；而高砂含量模型则呈现出高度合并的河道体。这些模型为后续分析不同非均质性模式对力学行为的影响提供了基础。

3.3. Channel geometry and seismic signature

通过对选定模型模拟合成地震响应（使用主频25 Hz的Ricker子波），研究发现常规地震勘探由于分辨率限制（垂直分辨率约20-30米），无法清晰分辨详细的河道几何形态，河道边界模糊，较薄的河道无法区分。这凸显了在油田开发早期，详细河道几何信息往往是不确定或不可获得的，从而支持了研究的核心论点：地质力学预测应依赖于可以从现有数据中可靠估计的整体属性（如页岩分数），而不是那些仍然不确定的几何细节。

3.4. Direct numerical simulation of effective moduli

对每个合成模型，研究团队通过求解弹性力学方程来计算其有效杨氏模量。模型中各相（河道砂、河道堤岸、背景页岩）的力学属性基于深水浊积岩系统的典型值设定：河道砂杨氏模量为5 GPa（代表高孔隙度、弱胶结的软砂），背景页岩为20 GPa（代表压实的高刚度岩石），河道堤岸为10 GPa（中间值）。有效杨氏模量（E_eff）定义为在单轴应变加载条件下，体积平均竖向应力与体积平均竖向应变的比值。

3.4.1. Effective Young’s modulus

计算得到的100个模型的有效杨氏模量介于约9 GPa至15.5 GPa之间。应变分布模拟显示，在单轴压缩下，应变主要集中在较软的砂岩体中。统计分析揭示了页岩含量（V_sh）与有效杨氏模量之间存在强烈的正相关关系（R2 = 0.93），即随着刚性页岩相比例的增加，复合体的刚度增加。通过多元线性回归得到了一个预测方程：E_eff(GPa) ≈ 2.809 + 15.64 V_sh- 0.0094 (W - W?) - 0.0354 (T - T?)。随机森林回归分析进一步证实，页岩含量的预测重要性约占95%，而河道宽度和厚度的影响合计不足5%。因此，可以简化为E_eff(GPa) ≈ 2.809 + 15.6 V_sh，其误差对于油田尺度压实研究是可接受的。

3.5. A Lorenz plot for mechanical heterogeneity

研究还引入了力学洛伦兹系数的概念，类比于油藏工程中用于描述流动非均质性的洛伦兹图。通过将累积应变能力（S）与砂体积分数（V_sand）进行对比，发现页岩含量较高的模型通常表现出更高的力学非均质性（洛伦兹系数更大），即应变更集中于相对较少的砂质层段中。

4.1. Geomechanical modeling of a deep-water turbidite

为了验证上述发现的实际意义，研究团队对一个真实的深水浊积岩油田进行了案例研究。他们建立了油田尺度的地质力学模型，模型尺寸为20 km × 20 km。比较了两种建模方法：一种是详细模型，明确表征了河道的几何形态并为每种岩相分配不同的力学属性；另一种是简化模型，整个储层单元用单一的均质相表示，其有效杨氏模量根据页岩含量使用上述回归方程计算。

4.2. Compaction and subsidence — Homogeneous and heterogeneous models

模拟结果表明，基于页岩含量的简化模型预测的压实和沉降场与详细模型的结果非常相似。最大沉降量的平均差异小于5%，局部偏差在岩性对比强烈区域可达约10%。这些差异远小于其他输入参数（如压力衰减幅度）的不确定性范围。这证明，对于油田尺度的压实和沉降预测，复杂的河道几何表征并非必要，基于整体成分的简化方法已足够。

研究结论和讨论部分强调，对于河道化储层系统的油田尺度压实和沉降预测，页岩含量是控制有效杨氏模量的主导因素，详细的河道几何表征并非必要。基于批量页岩含量的简化模型能够提供与详细模型相当的预测精度，同时显著降低了建模和计算复杂度。这一发现具有重要的实际意义，它允许在油田开发早期，即使在没有详细河道表征的情况下，也将地质力学因素纳入规划和风险评估，从而改善决策制定。此外，简化方法使更广泛的情景探索和不确定性分析变得可行。

需要注意的是，本研究基于线弹性本构行为和单轴应变假设，适用于 laterally extensive 的储层。对于表现出显著塑性变形、蠕变或孔隙坍塌（如北海白垩储层）的储层，或涉及井筒稳定性、套管剪切等局部现象时，可能需要更复杂的模型。尽管如此，该简化方法非常适用于油田开发早期阶段，当详细地质模型不可用且需要快速情景评估时，它可以提供压实和沉降的一阶估计，以指导初步设施设计和风险评估，并随着油田表征的成熟用更详细的模型进行细化。