摘要
低渗油藏储层非均质性强、孔渗物性差，油气开采效果不佳，通过地质-工程甜点选区可以为油气高效开发提供基础。本文从地质-工程一体化角度，构建包含多个地质与工程参数的甜点评价指标体系，基于实验、测井、地震等资料，利用随机、确定性建模方法及有限元数值模拟方法在Petrel平台内建立储层基质、天然裂缝、岩石力学和地质应力三维非均质模型，采用熵权-优劣解距离法分析评价了渤中某油田沙三段的地质-工程甜点区。研究结果表明，该低渗油藏地质-工程甜点的各评价指标权重差异很小，油气开发需要综合兼顾储层基质孔渗、天然裂缝、岩石力学性质和地质应力特征；地质-工程甜点区主要位于该油藏砂岩储层的西部和东北部，是油气资源开发的有利区。
Abstract
Low permeability oil reservoirs with abundant resources, strong heterogeneity and poor porosity have poor resource extraction efficiency, however, geological engineering sweet spot selection can provide a foundation for efficient oil and gas development of such reservoirs. Geological engineering sweet spot selection can providea foundation for efficient oil and gas development. From a geology-engineering integration perspective, this paper constructs a sweet spot evaluation index system that includes multiple geological and engineering parameters. Based on experimental, logging and seismic data, we utilize stochastic and deterministic modeling methods along with finite element simulations within the Petrel platform to build three-dimensional heterogeneous models of reservoir matrix, fractures, rock mechanics, and geological stress. An evaluation method of entropy weight-technique for order preference by similarity to ideal solution (EWM-TOPSIS), which is not subject to subjective interference, is employed to evaluate the geological-engineering sweet spots in the Es3 reservoir. The research results indicate that there is little difference in the weight of various evaluation indicators for the geological-engineering sweet spot of this low-permeability reservoir. Oil and gas development requires a comprehensive consideration of matrix porosity and permeability, natural fractures, rock mechanical properties, and geological stress characteristics for the reservoir. The geological engineering sweet spot area is mainly located in the western and northeastern parts of the sandstone reservoir, which is a favorable area for oil and gas resource development.
0 引言
渤中某油田位于渤海湾盆地内，是中国海洋石油集团在渤海的一个非常重要的油气开发区块。区块内的新近系沙河街组沙三段是该油田的一个重要的富油层段，为扇三角洲沉积体系，储层岩性主要为岩屑长石砂岩（杨玉卿等，2010）。该油田沙三段厚度差异大，纵向上共划分 10 个小层，砂泥岩互层严重，非均质性强、物性差（孙海涛等，2014； Guo et al.，2024），常规开采方法很难获得较好的产能。利用准确的多维准则评价方法划分出油藏的地质-工程甜点，圈定开发有利区，是该油田获得较好油气开发效果的基础。
当前，针对储层甜点的评价主要集中于煤层、页岩和致密砂岩等非常规储层，通过甜点区预测为非常规油气的开发提供指导（Liu et al.，2022；杜焕福等，2023；汪超等，2023）。李伟等（2023）以地应力、含气性、储层物性、煤体结构等参数指标为基础，使用多层次模糊数学评价法预测了沁水盆地深部煤层气开发甜点区。王红岩等（2023）利用层次分析法从有机质、含气性、物性等角度对昭通地区的页岩储气层甜点区进行了预测。魏志鹏等 （2021）基于孔隙度、含气性、天然裂缝和脆性指数，利用模糊数学方法预测了鄂尔多斯盆地某致密砂岩气储层的甜点区。刘文俊等（2022）基于三维岩石力学建模，提出了可压裂性指数公式，优选了山西省某致密储层压裂甜点。这些储层甜点评价工作或从地质角度或从开发角度开展，未能全面考虑影响油气资源开发的各项因素；且大多基于层次分析、多级模糊综合等方法开展，评价指标赋权具有很大的人为主观性，导致甜点区预测结果具有很大的不确定性。
与主观分析评价方法不同，不受人为干扰的客观分析评价方法能够准确地对甜点区进行评价分析。熵权-优劣解距离（Entropy Weight Method and Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，EWM-TOPSIS）方法是一种客观的分析评价方法，非常适用于指标为确定性数据的相关评价优选工作，广泛应用于各个研究领域（钱振东等， 2023；张帆等，2024）。例如，张宝文等（2023）基于多个量化指标，利用 EWM-TOPSIS 方法评价了 4 个直辖市的农机社会化服务水平。Guo et al（.2024）基于二氧化碳排放相关参数，使用EWM-TOPSIS评估了中国西南地区的绿色发展状况，为该地区的高质量经济发展提供指导。在临床调查领域，EWMTOPSIS用于选择临时医院，为管理人员在流行病期间隔离和治疗传染病患者提供准确的决策。在洪水预测方面，EWM-TOPSIS 可以准确评估城市中容易发生洪水风险的区域，以促进早期救援措施的确定（Ji and Wang，2023；Li et al.，2024；Luo et al.， 2024）。此外，该方法还应用于农业生产、边坡地质灾害和船舶航行等领域，均取得了良好的效果（He et al.，2023；Zhang et al.，2024；Zhuang et al.，2024）。然而，受地质勘探程度低及地质资料不完善等因素的影响，当前EWM-TOPSIS方法在油气选区评价领域应用较少。
本文针对渤中某油田沙三段低孔低渗储层油气开发效果差的问题，从地质-工程一体化角度，以钻井、室内实验、测井与地震解释数据为基础，使用确定性、随机建模方法和有限元数值模拟方法，构建地层的三维基质、裂缝、岩石力学和地质应力非均质模型，利用熵权-优劣解距离法定量预测了砂岩储层地质-工程甜点区。文中首先介绍了熵权法、优劣解距离法的原理与计算流程，其次从地质工程一体化角度构建了甜点评价指标体系，然后基于 Petrel 平台建立了该油田沙三段地层的地质、岩石力学与地质应力模型，最后利用熵权-优劣解距离法对沙三段储层的地质-工程甜点区进行了预测与分析，以期为该油田后续的井位部署和开发技术确定提供指导。
1 评价方法
1.1 评价方法确定
油藏地质建模与地应力数值模拟技术能够较为准确地刻画地层在三维空间上的非均质特征，其结果多以地质网格的形式呈现，为从地质-工程一体化角度开展甜点区客观评价提供了基础。考虑到渤中某油田沙三段储层地质及工程资料较为详实，本文将熵权-优劣解距离法作为该研究区地质工程甜点评价方法，其具体评价流程如图1所示。
图1熵权-优劣解距离方法评价流程图
1.2 熵权法赋权
熵权法（EWM）是多维准则决策下的一种客观赋权方法。基于信息熵原理，它根据评价指标的变异程度求取各评价指标的熵权值，并利用熵权修正评价指标的权重，从而使评价指标拥有客观的权重。一般情况下，信息熵较大表明评价指标蕴含较多的信息量且指标变动程度较大，在评价中需被赋予较大的权重。在三维非均质模型的基础上，利用
（1）评价指标比重计算：
(1)
式（1）中，Pij、Fij分别为第 i个网格的第 j个评价指标的比重与数值。
（2）熵值计算：
(2)
式（2）中，ej为第j个评价指标的熵值，表征评价指标的不确定性。其数值越大表示评价指标的不确定性越大，信息量越大。
（3）权重计算：
(3)
式（3）中，wj为第j个评价指标的权重。
1.3 优劣解距离法排序
优劣解距离法（TOPSIS）是一种能充分利用评价指标原始信息、精确反应评价对象差距的客观评价方法。该方法对数据分布及样本数量没有严格限制，计算过程清晰简洁，广泛应用于各类评价排序研究中。应用TOPSIS对评价对象进行排序时，首先，需将评价指标的原始数据正向化处理以获得正向化矩阵；其次，应对正向化矩阵进行标准化处理以消除量纲、数值尺度的影响；然后，基于乘法运算求取加权规范化决策矩阵，并根据矩阵找到表征最优和最劣的正、负理想解；最后，分别计算各评价对象与正、负理想解的距离，求得评价对象与最优方案的相对接近程度，对评价对象进行排序（刘健等， 2019；姜德娟等，2024；梁玉凯等，2024）。
（1）评价指标正向化与标准化
在低渗储层地质-工程甜点选区评价中，参评指标对甜点的贡献存在正向与反向两种作用。例如，基质属性中的孔隙度反映了流体在储层内的赋存空间，孔隙度越大表明流体的储存空间越大，故而孔隙度为正向指标；地质应力中的差应力系数反映了地层中水平最大、最小主应力的差异程度，数值越小，储层在压裂时越容易形成复杂的水力缝网，故而差应力系数是反向指标。为了方便研究，需要对负向指标进行正向化处理，以便所有评价指标都为正向指标。此外，还需要对评价指标进行标准化处理，以消除量纲的影响。为了简化工作流程，将评价指标正向化与标准化工作联合开展。
令 A = max（Fij）、B = min（Fij ）分别表示评价指标的最大、最小值，则对于正向、负向评价指标分别有：
(4)
式（4）中，sij 为正向化与标准化处理后的第 i个网格的第j个指标数值。
（2）加权规范化矩阵与理想解建立
基于 EWM 获得的评价指标权重 wj与标准化后求得的评价指标值，通过乘法运算获得加权规范化矩阵Z：
(5)
从而确定正、负理想解：
(6)
式（6）中，Z+与Z-分别为评价指标的正、负理想解，表征储层地质网格加权规范化矩阵的最优、最劣目标值。
（3）欧氏距离与贴近度计算
评价指标与理想解的距离反映了研究对象与最优、最劣目标值的差异程度，定义为：
(7)
式（7）中分别为所有评价指标与正、负理想解的欧氏距离。
贴近度反映了研究目标的相对好坏程度，可以表征为：
(8)
式（8）中，Cij ∈ [ 0，1]为低渗储层模型中第i个网格的贴近度；Cij值越接近于1，表示网格所在位置储层的地质与工程条件越好。
2 评价指标
2.1 指标确定
低渗油藏地质-工程甜点是地质条件与工程条件的综合体现。当储层的地质甜点与工程甜点相互重叠时，该区的油气开发效果较好，是理想的油田开发区。然而，现有研究表明储层的地质甜点与工程甜点在空间上的一致性很差（朱海燕等， 2023），因此需要联合影响油气开采的各地质与工程因素对储层进行综合评价，以探寻到良好的油气开发甜点区。考虑到基质物性和天然裂缝对储层油气赋存与运移起主要控制作用，岩石力学性质与地质应力特征对储层压裂效果有很大影响，针对低渗油藏地质-工程甜点区评价时，选取的地质评价指标分别为基质综合评价指数和裂缝渗透率，选取的工程评价指标分别为岩石脆性指数和水平差应力系数（图2）。
图2低渗储层地质-工程甜点评价指标体系
2.2 地质评价指标
（1）基质综合评价指数
丰富的资源量和良好的渗流能力是储层油气能够高效开发的基本保证，油气资源量的大小与储层孔隙度密切相关，绝大部分流体都赋存于储层的基质孔隙内。对于低渗储层，尽管储层的渗透率较低，但同一区块或同一储层内相对高渗的位置仍然是油气开发的有利区。因此，选区评价时需要考虑储层基质孔隙度和渗透率，并基于此建立基质综合评价指数（Mr），作为储层基质地质评价指标，表示为：
(9)
式（9）中分别为储层基质的孔隙度和最大孔隙度分别为储层基质的渗透率的最大渗透率。
（2）天然裂缝渗透率
受地质构造以及储层发育的影响，低渗储层内会发育一些天然裂缝，这些裂缝的存在对储层流体的运移及储层改造效果具有重要的影响。考虑到评价过程中以网格为基本单元，本文重点关注粗化后的裂缝参数。经过网格化处理后，天然裂缝可被量化为 3 个表征参数，分别为孔隙度、渗透率和 Sigma 因子。其中，渗透率表征网格内天然裂缝中流体的运移渗流能力，宜作为天然裂缝的评价指标。
2.3 工程评价指标
（1）岩石力学脆性指数
岩石力学性质对水力压裂（或其他介质压裂） 改造储层渗流特性具有重要的影响。压裂的本质是通过向储层内注入流体增加储层孔隙压力，促使储层产生拉伸或剪切破裂形成人工裂缝，改善储层的渗流能力（江锚等，2024）。一般情况下，人工裂缝网络越复杂，储层改造体积越大，储层增渗效果越显著。岩石的脆性程度与储层水力压裂效果息息相关，脆性越强，越利于复杂缝网的形成。岩石的脆性程度常用脆性指数进行表征，基于杨氏模量和泊松比的Rickman方程可以表示为：
(10)
式（10）中，BIr 为岩石的脆性指数；Es、vs 为归一化后的岩石杨氏模量和泊松比。
（2）地质应力差应力系数
原位地应力分布特征与低渗储层压裂过程中裂缝的扩展、渗流能力的提升密切相关。根据 An‐derson 理论，该油田沙三段储层处于正断层应力状态（σV ≥ σH ≥ σh ），压裂过程中裂缝常沿垂向与最大水平主应力方向扩展。以往研究表明正断层应力状态下的储层在水平应力差异较大时不利于形成复杂裂缝网络。因此，考虑到研究区储层主要为正断层应力状态、开发井主要为垂直和定向井，选取水平主应力差系数作为工程评价的地质应力属性指标，定义为：
(11)
式（11）中，σH、σh 分别为最大、最小水平主应力。
3 评价指标获取
3.1 基质综合评价指数与天然裂缝渗透率
（1）构造建模与沉积相建模
三维构造建模与沉积相建模的主要目的是为基质属性、天然裂缝、岩石力学和地质力学建模提供载体。对于构造模型中的地层，以岩心录井、测井解释为约束，以地震资料解释的层位为基础逐层刻画每个地层的顶面和底面；对于断层，以地震解释的断层柱和地层层面为基础，通过一系列的连接、修饰及布尔操作，建立断层面模型。根据研究区的工区尺度、地质特征和评价所需的精度，对构建的构造模型进行垂向和水平向网格划分（水平方向网格大小为50 m×50 m），并检查网格质量是否满足建模要求；当网格质量不满足后续建模要求时，通过微调地层面、断层面及网格尺寸以获得较高的网格质量，最终生成准确精细的储层三维构造模型 （图3a）。对于沉积相建模，以测井解释成果为基础，分析储层的物源方向，结合地震反演结果将该区沙三段岩性划分为砂岩与泥岩（图3b）。
图3沙三段地层构造模型（a）与沉积相图（b）
（2）基质综合评价指数与天然裂缝渗透率计算
储层基质属性建模主要分确定和随机两种建模方法，由于地质属性的不确定性，随机方法在储层基质属性建模中广泛应用。对于该油田沙三段储层，以测井解释和室内实验结果为基础，结合沉积特征进行基质属性建模。利用序贯高斯模拟方法，以沉积相模型为约束建立孔隙度模型，以沉积相和孔隙度模型为约束构建渗透率模型，最后根据式（9）计算基质综合评价指数（图4a、b）。
天然裂缝建模主要分为 3 部分，分别为井间地层裂缝、断层带裂缝和断层裂缝。井间地层裂缝是指各井间的储层内天然裂缝，需依托测井成像解释的裂缝结果，结合三维地震属性资料，利用随机裂缝建模方法进行构建。断层带裂缝是指由于断层构造的产生及活动在断层附近形成的构造裂缝，发育程度主要受控于断层的规模及储层与断层之间的距离，需结合断层距离属性体利用随机建模方法进行构建。断层本身在地质模型内也相当于一套裂缝，可以通过确定性的方法将断层构造量化为裂缝模型。裂缝模型构建完成后，通过粗化和ODA算法将裂缝模型离散进网格，获得网格化的天然裂缝渗透率（图4b）。
图4沙三段岩石物性特征与地质评价指标
a—沙三段地层基质物性；b—基质综合评价指数与天然裂缝渗透率
3.2 脆性指数与差应力系数
基于室内静态岩石力学测试、动态岩石力学测井解释和地震资料反演方法，能够获得储层的三维岩石力学参数，进而求得岩石脆性指数。首先，基于钻井获得的岩心开展室内声波、密度、杨氏模量、泊松比等参数的测试结果，求得岩石力学参数的动静态转化模型。其次，基于简化的 Zoeppritz 方程对地震资料进行叠前反演，计算地层的波阻抗。然后，以波阻抗数据为基础，结合岩石力学动静态转化模型采用确定性建模方法构建沙三段地层的三维非均质岩石杨氏模量和泊松比模型（图5a）。
对于地层地质应力的计算，采用数值模拟求解方法。首先，根据构建的三维地质模型尺度，对模型的前、后、左、右、上、下面进行扩展，以减少地质力学模拟过程中的边界力学效应。其次，对扩展的部分赋予杨氏模量、泊松比等岩石力学属性，并通过地质调查获得的地应力大小及方向对模型施加力学边界条件。然后，以井点地应力拟合误差小于 5% 为基准，利用 VISAGE 软件开展地应力反演模拟，获得地层水平最大、最小主应力的数值（图5b）。
最后，基于岩石的杨氏模量和泊松比，根据式 （10）计算岩石的脆性指数；基于反演结果获得地层最大、最小水平主应力，利用式（11）计算差应力系数（图5c）。
图5沙三段地层岩石力学与地质应力属性分布
a—岩石力学属性；b—最大、最小水平主应力；c—脆性指数与差应力系数
4 地质-工程甜点评价与分析
4.1 评价指标的熵值与权重
表1展示了该油田沙三段油藏储层评价指标的熵值与权重情况。各评价指标熵值由大到小的顺序依次为天然裂缝渗透率、岩石力学脆性指数、地质应力差应力系数、基质综合评价指数，对应数值分别为 147268.19、 139594.72、 137966.23、 137744.77，相互之间差异较小。天然裂缝渗透率的熵值最大表明该油田沙三段油藏的天然裂缝渗透率在地质-工程甜点评价中的不确定性最大，携带的信息量最大；各评价指标熵值差异不大表明基质综合评价指数、天然裂缝渗透率、岩石力学脆性指数、地质应力差应力系数在地质-工程甜点评价中均很重要。与评价指标熵值相对应，各指标权重由大到小的顺序也依次为天然裂缝渗透率、岩石力学脆性指数、地质应力差应力系数、基质综合评价指数，数值分别为 0.2618、0.2482、0.2452、0.2448。由基质综合评价指数与天然裂缝渗透率组成的地质评价指标权重合计占比50.66%，略高于石力学脆性指数、地质应力差应力系数组成的工程评价指标合计权重，说明该油田沙三段油气的开发应以较好的地质条件为基础，并通过适当的储层改造措施提高油气的采收率。
表1沙三段油藏储层评价指标熵值与权重
4.2 地质-工程甜点评价结果
利用熵权-优劣解距离法计算的贴近度值从地质与工程角度反映了油藏储层开发去区域的优劣程度，贴近度值越高，其所处位置的地质-工程开发条件越好。图6展示了以沉积相为约束的利用熵权-优劣解距离方法求得的沙三段各储层贴近度值分布情况。根据贴近度值分布特征，可以将整个沙三段地层分为零值区和非零值区。零值区为泥岩分布区，没有油气开发价值；非零值区主要位于油田西部及西北部，为砂岩区，贴近度值呈非均质分布，介于0～0.50。
图6沙三段储层贴近度分布
根据砂岩分布范围，截取该油田沙三段地层西部地区进行地质-工程甜点区评价（图7）。地层中砂岩储层的贴近度值呈非均匀分布，且非均质性较强。储层贴近度值主要介于 0.30～0.40，高贴近度值 0.40～0.50 区域在砂岩储层内仅有小范围分布，且中间夹杂少量低贴近度区域。此外，S1～S10 各层位之间的贴近度值也存在一定差异。相对而言， S1、S2砂岩储层贴近度值较高，而S8、S9、S10砂岩储层贴近度值较低。
由于贴近度值的大小反应油藏储层地质-工程开发条件的好坏，为了优选出利于油气开发的区域，定义贴近度值总体在 0.40～0.50 范围内的储层区块为地质-工程甜点区。根据在这一划分标准，该油田沙三段砂岩储层共划分出19个地质-工程甜点区（图7）。其中，S1、S2、S5、S7 层各有 3 个甜点区，S3、S6各有2个甜点区，S4、S8、S10各有1个甜点区，S9层无甜点区。总体而言，储层的地质-工程甜点区主要集中在油藏砂岩储层的西部及东北部地区。S1、S2、S4、S5、S7 层内西部的甜点共同组成了该油藏砂岩储层的西部地质-工程甜点区，S1、S2、 S6、S7层砂岩东北部的甜点共同组成了该油藏砂岩储层的东北部地质-工程甜点区。
图7沙三段各层位砂岩储层甜点分布
5 结论与建议
（1）本文从地质-工程一体化角度，将熵权法与优劣解距离法结合在一起，组成基于客观评价的多准则决策方法，以低渗油藏基质、裂缝、岩石力学和地质应力属性为基础，构建了包含基质综合评价指数、天然裂缝渗透率、岩石力学脆性指数、地质应力差应力系数的低渗储层地质-工程甜点评价指标体系。
（2）渤中某油田沙三段油藏的地质评价指标权重与工程评价指标权重差异不大，在油气开发时应综合考虑地质与工程因素。油藏储层贴近度值的非均质性非常强，垂向各层位的贴近度值差异非常大，共在 10 个层位中划分出 19 个地质-工程甜点，主要位于该油田砂岩储层的西部区域与东北部区域，建议优先开发该油田这两个区域的油气资源。
