灰聚類在火山巖裂縫預(yù)測中的應(yīng)用

王 丹 賈躍瑋

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 前言

火山巖裂縫形成受構(gòu)造應(yīng)力和巖漿活動等多重作用控制[1]，發(fā)育不同成因類型裂縫包括構(gòu)造成因縫、冷凝收縮縫和炸裂縫等。不同地球物理裂縫預(yù)測方法各有優(yōu)勢，但是存在一定的局限性，常規(guī)單一地球物理方法進行火山巖儲層裂縫預(yù)測往往與實際吻合較差。

該文針對松南地區(qū)營城組火山巖氣藏裂縫發(fā)育特點，根據(jù)應(yīng)力場、構(gòu)造形變、各向異性強度分析裂縫發(fā)育強度，通過不同地球物理方法識別和預(yù)測以上3 種裂縫類型和分布特征，建立其分類評價標準，采用灰色聚類判別方法，對研究區(qū)斷裂和裂縫的發(fā)育情況進行綜合評價，結(jié)合鉆井資料分析，實現(xiàn)對研究區(qū)火山巖氣藏斷裂和裂縫的分級劃片，為氣藏井位部署和開發(fā)方案制定提供了重要依據(jù)。

1 方法原理及思路

1.1 裂縫評價的指標體系

在裂縫發(fā)育程度評價中， 評價區(qū)構(gòu)成聚類對象集I（I1，I2，…，In），與裂縫發(fā)育程度有關(guān)的評價指標構(gòu)成特征聚類指標集J， 所劃分的裂縫發(fā)育級別構(gòu)成聚類分析的灰類集K[2-4]。

火山巖裂縫發(fā)育程度由應(yīng)力場、各向異性和構(gòu)造形變等參數(shù)，即利用3 個關(guān)聯(lián)性差的方法共同評價裂縫發(fā)育程度，降低裂縫預(yù)測的多解性問題。因此，確定應(yīng)力場、方位各向異性和構(gòu)造形變?yōu)榛揖垲惙治龅闹饕笜?。首先，定義聚類指標集J 為：j1，應(yīng)力場；j2，曲率，即構(gòu)造形變程度；j3，方位各向異性強度。

定義裂縫發(fā)育程度灰類集K 的4 個灰類級別為：K1，“強”；K2，“較強”；K3，“中”；K4，“弱”，分別表示裂縫發(fā)育程度強、較強、中、弱，即對應(yīng)于斷裂發(fā)育區(qū)、斷裂與裂縫伴生區(qū)、裂縫發(fā)育區(qū)以及裂縫不發(fā)育區(qū)。因此，3 個聚類指標和4 個灰類組成12 個指標灰類。其中，斷裂與裂縫伴生區(qū)和裂縫發(fā)育區(qū)是裂縫預(yù)測的重點目標。

1.2 灰色聚類的白化權(quán)函數(shù)

將j 指標子類第k 個灰類的白化權(quán)函數(shù)記為fjk（·）。白化權(quán)函數(shù)用于描述特征指標對于臨界值的靠近程度，采用分段函數(shù)表示，其函數(shù)值越大，則對應(yīng)的特征指標屬于某一灰類的概率越大[5]。在裂縫評價中，使用了4 種白化權(quán)函數(shù)，分別對應(yīng)于“斷裂區(qū)”、“斷裂與裂縫伴生區(qū)”、“裂縫發(fā)育區(qū)”和“裂縫不發(fā)育區(qū)”4 個灰類，4 個灰類的白化權(quán)函數(shù)分別如公式（1）～（4）和圖1 所示，其中xjk（·）為j 指標第k 個灰類白化權(quán)函數(shù)的門檻值：

當k=1 時，

當k=2 時，

當k=3 時，

當k=4 時，

1.3 聚類權(quán)計算和類別判定

由于該文中各個裂縫發(fā)育指標量綱不同，數(shù)值上差異大，因此灰色聚類前需要對各個指標的樣本門檻值進行無量綱化處理。設(shè)xij 為對象i 關(guān)于指標j 的標本，fjk為j 指標k 子類白化權(quán)函數(shù)、xjk（·）為j 指標第k 個灰類白化權(quán)函數(shù)的門檻值、ηjk（·）為j 指標關(guān)于k 子類的權(quán)，且3 個指標的均值化算子分別為aj，則有

式中：m 代表指標個數(shù)。

對象i 屬于k 灰類的灰色聚類系數(shù)為：

2 灰色聚類法在裂縫預(yù)測中的應(yīng)用

2.1 松南火山巖裂縫特征

研究區(qū)內(nèi)深層斷陷地層的營城組火山巖是優(yōu)質(zhì)天然氣儲層，為多期次火山巖相互疊置的復(fù)雜氣藏。由于研究區(qū)緊鄰達爾罕斷裂，且在營城組沉積時期沿該斷裂發(fā)生了多次大規(guī)?；鹕搅严妒絿姲l(fā)，加上后期區(qū)域及局部構(gòu)造作用，導致沿火山巖形成的中央古隆起帶上發(fā)育大量斷裂和裂縫。

研究認為松南火山巖裂縫形成主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和巖漿作用雙重控制。同時通過巖心觀察認為，該區(qū)主要發(fā)育3 種成因類型的裂縫：構(gòu)造成因裂縫（69.1%）、冷凝收縮裂縫（27.4%）和炸裂縫（3.5%）。構(gòu)造裂縫最發(fā)育，規(guī)模不等，開啟和閉合情況均有發(fā)現(xiàn)；冷凝收縮縫又可稱為收縮節(jié)理縫，在該區(qū)也較為發(fā)育，它是由于熱力的散失，導致火山巖體冷卻收縮并產(chǎn)生張應(yīng)力，使巖體破裂而形成的一系列冷凝節(jié)理，冷凝收縮縫在研究區(qū)有不同程度的開啟，屬于有效裂縫；而由炸裂作用形成的角礫間裂縫只在局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)，并且裂縫被巖漿完全充填，屬于無效裂縫。

因此裂縫識別的重點對象是構(gòu)造成因縫和冷凝收縮縫。疊后曲率等方法僅能識別構(gòu)造成因縫，對于火山巖冷凝收縮縫仍需借助疊前方位各向異性技術(shù)；而難以有效區(qū)分裂縫各向異性和橫向巖性差異造成的各向異性?？傊疑垲惙椒▌t能實現(xiàn)裂縫定量分級劃片，為火山巖裂縫預(yù)測提供一個新手段。

2.2 裂縫識別方法方法

2.2.1 應(yīng)力場數(shù)值模擬

在研究區(qū)主體構(gòu)造帶，構(gòu)造變形是斷裂和裂縫產(chǎn)生的直接原因。構(gòu)造作用在地層內(nèi)部引起了一系列的應(yīng)力重新分布，伴隨出現(xiàn)了各種不同的斷裂體系。由于斷裂和構(gòu)造縫的成因與構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系密切，因此可以通過應(yīng)力場模擬技術(shù)來預(yù)測斷裂和構(gòu)造縫分布范圍及發(fā)育情況。

2.2.2 曲率法

通過對取芯層段儲層裂縫的類型、產(chǎn)狀、成因、期次及發(fā)育特征的分析，確認研究區(qū)普遍發(fā)育受區(qū)域構(gòu)造作用控制的高角度張裂縫和晚期火山噴發(fā)對早期固結(jié)成巖形成的放射狀張裂縫。因此，可以推斷區(qū)域和局部構(gòu)造運動是儲層形成一定規(guī)模裂縫的主要作用過程。根據(jù)構(gòu)造的最終變形結(jié)果，應(yīng)用曲率分析方法反推裂縫分布規(guī)律是可行的。

2.2.3 疊前方位各向異性分析

由于曲率屬性只能反映構(gòu)造裂縫的分布特征，難以識別巖漿作用形成的冷凝收縮縫等。因此，在曲率法構(gòu)造裂縫識別的基礎(chǔ)上，進一步開展疊前方位各向異性分析來識別冷凝收縮縫。該方法主要通過分析疊前地震振幅和衰減等屬性隨方位角的變化，以及該變化與裂縫之間的關(guān)系，進而為裂縫解釋提供地球物理依據(jù)。

2.3 基于灰色聚類的裂縫綜合預(yù)測

引入灰色聚類判別方法，對研究區(qū)斷裂和裂縫的發(fā)育情況進行綜合評價，可以有效實現(xiàn)火山巖氣藏斷裂和裂縫的定量分級劃片。

灰色聚類的關(guān)鍵步驟在于建立指標分級標準。將各指標值與井上裂縫密度進行標定，確定每個指標的分級標準,見表1。此外，各個指標量綱不同，數(shù)值差異大，需要按照公式（5），對樣本門檻值無量綱化后再計算聚類權(quán)，進而實現(xiàn)灰色聚類分析。

表1 裂縫綜合評價指標分級標準

圖1 是應(yīng)力場、曲率和方位各向異性3個指標的灰色聚類結(jié)果三維顯示。在4 個相帶中，藍色主要為斷裂分布區(qū)，黃色為微斷裂和裂縫伴生區(qū)，棕色為裂縫發(fā)育區(qū)，背景色則為非裂縫發(fā)育區(qū)。在井位部署時，力求避開藍色斷裂區(qū)和黃色裂縫-斷裂伴生區(qū)，僅有棕色的裂縫發(fā)育區(qū)才是有利目標區(qū)。

圖1 火山巖裂縫綜合評價結(jié)果

分析結(jié)果表明：研究區(qū)斷裂發(fā)育，構(gòu)造裂縫發(fā)育帶及方向與斷裂體系具有較高的相關(guān)性；裂縫主要分布在構(gòu)造高部位YS1 井、YP7 井和YP4 井附近，體現(xiàn)了在火山隆起部位及斜坡帶上裂縫發(fā)育密度較大的特點，其中工區(qū)中部的YS1 井區(qū)裂縫最發(fā)育。而測試結(jié)果顯示：YS1 井的無阻流量為195×104m3/d，YP7 井的無阻流量為166×104m3/d，即預(yù)測結(jié)果與實鉆井吻合較好。

3 結(jié)論

應(yīng)力場、曲率等方法不能直接反映火山巖所有類型裂縫的信息。通過灰色聚類分析方法，可以根據(jù)多種裂縫屬性對裂縫進行定量分級，實現(xiàn)綜合評價，提高火山巖裂縫預(yù)測的準確度。相比于常規(guī)聚類方法，灰色聚類方法可以通過調(diào)節(jié)白化函數(shù)門檻值實現(xiàn)裂縫定量分級，更適合對斷裂和裂縫的同時評價。松南氣田營城組火山巖裂縫主要分布在構(gòu)造高部位YS1 井、YP4 井和YP7 井附近，即火山隆起部位及斜坡帶上裂縫發(fā)育密度較大，其中工區(qū)中部的YS1 井區(qū)裂縫最發(fā)育；裂縫方向為近東西和近南北，且以近東西向為主要裂縫走向。