基于體元構(gòu)造建模方法的復(fù)雜斷層封堵性研究

朱睿哲，王改革，嚴(yán)曙梅，孫 莉，金 璨，呂 鵬

（1.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120；2.斯倫貝謝創(chuàng)新工場，北京 100016；3.昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京 100007）

斷層封堵性是斷層對地下流體的封閉能力，空間上包括斷層的側(cè)向封閉性和垂向封閉性。經(jīng)過多年的發(fā)展，斷層封堵性研究已經(jīng)實現(xiàn)了定量描述[1]，主要研究內(nèi)容包括斷層幾何特征分析 （斷距、傾角與傾向）、斷層兩盤巖性對接關(guān)系分析（Allen圖以及Knipe圖等）、斷面應(yīng)力分析、斷層巖泥質(zhì)含量評價以及多參數(shù)綜合評價等[2-4]。目前，斷層封堵性的研究還只是停留在單一構(gòu)造剖面分析以及典型的某幾條斷層分析的階段，常常會對原始數(shù)據(jù)進行大量簡化，并且分析流程復(fù)雜，工作量大，視角比較局限，分析結(jié)果也不準(zhǔn)確。與此同時，隨著油氣勘探與開采難度的增大，越來越多的復(fù)雜構(gòu)造油氣藏需要進行斷層封堵性分析，對研究精度的要求也在不斷提高。雖然常規(guī)的角點網(wǎng)格建模方法可以通過建立較簡單的地質(zhì)模型來進行斷層封堵性分析[5]，但是對復(fù)雜斷塊油氣藏的斷層封堵性評價還不能實現(xiàn)。復(fù)雜斷塊油氣藏主要是指斷層切割關(guān)系復(fù)雜的研究區(qū)塊，常見的有Y、X、λ以及低角度逆斷層等。這些斷層的存在，會影響地震處理偏移歸位的準(zhǔn)確性，如果地震資料品質(zhì)差，常常會導(dǎo)致地震解釋質(zhì)量較低。應(yīng)用解釋質(zhì)量不高的斷層和層位來構(gòu)建各個斷層之間的切割關(guān)系復(fù)雜的三維構(gòu)造模型，其三維地質(zhì)模型網(wǎng)格結(jié)果質(zhì)量必然受到很大的影響，從而很難對全區(qū)的斷層封堵性進行定量評價?；隗w元的復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)建模技術(shù)就能夠很好地解決三維網(wǎng)格質(zhì)量問題，該方法的最大優(yōu)點是不受限于地震解釋成果的品質(zhì)高低，且能夠最大限度地與解釋數(shù)據(jù)匹配，可有效滿足油氣田開發(fā)階段的斷層描述精度要求。

1 基于體元的復(fù)雜構(gòu)造建模

斷層封堵性研究的關(guān)鍵是構(gòu)造模型，能否精確地反映斷層在三維空間中的形態(tài)和接觸關(guān)系決定了斷層封堵性研究的準(zhǔn)確與否。Allen圖和Knipe圖本質(zhì)也是一種簡化了斷層細節(jié)的構(gòu)造建模，因此這兩種圖件只能反映研究對象的斷層封堵的理論模型和模式，并不能反映斷層的局部細節(jié)。而被簡化的斷層細節(jié)特征，往往對開發(fā)階段的油氣田斷層封堵性研究，具有極其重要的意義。

近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，誕生了基于體元的構(gòu)造建模技術(shù)?；隗w元的構(gòu)造建模技術(shù)所使用的網(wǎng)格是非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，不同于角點網(wǎng)格技術(shù)所使用的六面體網(wǎng)格[6]。在模擬復(fù)雜物體外觀方面，非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格要比六面體更具有靈活性[7]。對于復(fù)雜斷塊油氣藏構(gòu)造建模來說，無論后期構(gòu)造活動如何復(fù)雜，斷層兩盤同一地質(zhì)歷史時期形成的地質(zhì)沉積體，其地層真厚度應(yīng)該是統(tǒng)一的。針對這個特點，基于體元建模的基本理念是直接對沉積體的厚度空間變化特征進行建模。這個理念不同于傳統(tǒng)的建模方法，傳統(tǒng)的方法是對沉積層面進行建模?；隗w元的構(gòu)造建模方法的三大核心技術(shù)包括：創(chuàng)建三維Delaunay四面體網(wǎng)格、隱式方程建模以及地層層面提取[8]。

1.1 創(chuàng)建三維Delaunay四面體網(wǎng)格

根據(jù)已有的斷層、地質(zhì)層面以及地質(zhì)分層等約束條件，使用受邊界控制的三維 Delaunay 四面體網(wǎng)格算法得到非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。在斷層和層面等輸入數(shù)據(jù)附近使用高密度小尺寸網(wǎng)格，遠離輸入數(shù)據(jù)的部位使用尺寸較粗的網(wǎng)格。建模結(jié)果不僅能以最大的自由度接近真實的原始數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出各向異性，還可以減少四面體網(wǎng)格密度，提高運算效率，除此之外，還可以輔助捕捉模型中地層厚度的變化規(guī)律，提高隱式方程插值效果 （圖1(a)）；

1.2 隱式方程建模

圖1 基于體元的構(gòu)造建模原理示意圖Fig.1 The basic theory of volume based structural modeling

首先建立隱式地層方程，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)得到輸入數(shù)據(jù)處的反映等時地層空間相關(guān)性的隱式方程。然后在沒有輸入數(shù)據(jù)約束處，將隱式方程進行插值。插值所用的方法是線性最小二乘法，可以減小輸入數(shù)據(jù)與插值結(jié)果的不匹配現(xiàn)象，并且也可以減少沉積地層厚度與傾角的局部突變。隱式建模的插值結(jié)果會存放在每個四面體網(wǎng)格中，因此，屬于同一沉積時期的四面體網(wǎng)格，都會具有相同的隱式方程參數(shù)網(wǎng)格屬性（圖1(b)）。

1.3 地層層面提取

經(jīng)過隱式方程建模以后，每個四面體子網(wǎng)格所對應(yīng)的隱式方程的參數(shù)值都是已知的，每個等時沉積地層都可以被當(dāng)做在隱式方程中的一段固定數(shù)值區(qū)間。因此只要知道每個網(wǎng)格所對應(yīng)的隱式方程的數(shù)值區(qū)間，就可以知道該網(wǎng)格對應(yīng)哪個沉積地層。將屬于同一沉積時期的四面體網(wǎng)格的空間坐標(biāo)都提取出來，形成地層層面。

該方法的優(yōu)點是確保了在數(shù)據(jù)解釋缺失的地區(qū)，也就是復(fù)雜構(gòu)造地層斷失的部位，地層建模結(jié)果一樣連續(xù)。同時很好地解決復(fù)雜構(gòu)造建模問題，真實地反映斷層和地層的接觸關(guān)系。從而為復(fù)雜構(gòu)造模型斷層封堵性分析奠定了重要的基礎(chǔ)。

2 復(fù)雜斷層封堵性研究

本次研究以北部灣盆地潿西南凹陷潿洲油田作為樣本，對已探明的開發(fā)階段復(fù)雜斷塊油氣田進行斷層封堵性研究的探索。研究區(qū)三維地震解釋面積約100 km2，目的層最深處可達1 700 ms （2 200 m）。主要油氣儲層是古近系漸新統(tǒng)潿洲組地層的三角洲平原-前緣相砂巖沉積。整體上表現(xiàn)為隆凹相間、北斷南超、壘塹共存的構(gòu)造格局，研究目的層普遍發(fā)育正斷層，局部由于地層后期隆升出現(xiàn)斷層落差變小，由正變逆的現(xiàn)象。斷層之間交切關(guān)系復(fù)雜，Y、X、λ類型斷層交錯關(guān)系十分普遍（圖2）[9]。在研究區(qū)目的層一共解釋了25條斷距明顯的斷層以及8套主要的地質(zhì)界面。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于體元的構(gòu)造建模方法，成功地建立了能夠真實反應(yīng)工區(qū)構(gòu)造特征的三維構(gòu)造模型，為斷層封堵性研究提供了三維模型基礎(chǔ)。

圖2 研究區(qū)三維地震剖面Fig.2 The section of 3D seismic-profile in study area

2.1 斷層面幾何屬性分析

斷層面幾何屬性主要包括斷層局部的傾角與傾向，是斷層的重要特征。我們通常所說的斷層傾角與傾向都是指每條斷層整體的傾角與傾向，但是實際斷層并非一個簡單的斜面，斷層面的每個部位局部產(chǎn)狀都是不同的。通常規(guī)模比較大的斷層，例如控圈斷層或者區(qū)域性大斷層常常表現(xiàn)為局部的斷層傾角與傾向差異很大。這些異常區(qū)域，對于斷層封堵性分析具有很重要的意義[10]。用三維斷層模型來計算斷層局部的傾角與傾向，不僅可以分析工區(qū)斷層發(fā)育的期次與組系，還可以輔助驗證斷層解釋的合理性。應(yīng)用構(gòu)造模型建模的成果計算得到的斷層面局部傾角屬性（圖3），可以觀察到近似垂直的斷層面內(nèi)部豐富的細節(jié)變化。研究區(qū)斷層的中上部局部傾角較大，隨著深度的增加，斷面傾角呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢。同一斷層不同深度的局部傾角差異可達40°。

圖3 斷層面傾角計算結(jié)果三維顯示Fig.3 The calculation results of the dip of faults in 3D

應(yīng)用斷層局部的傾角與傾向的計算結(jié)果，還可以分析斷層面的受力分布。根據(jù)區(qū)域最大應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小、方向以及斷層局部傾角計算結(jié)果，可以計算出斷面局部的應(yīng)力莫爾圓。再根據(jù)庫侖破裂線，可以計算出每個網(wǎng)格應(yīng)力莫爾圓與巖石破裂線最短距離。根據(jù)庫倫破裂準(zhǔn)則推測[11]，如果斷層局部受力應(yīng)力莫爾圓與庫侖破裂線還有一定破裂距離，那么斷層不活動（圖4）；然而如果某些斷層局部應(yīng)力莫爾圓與庫侖破裂線有交點，則可以判斷該斷層很可能處于活動狀態(tài)。根據(jù)這個原理推測研究區(qū)淺層的斷層再次活動的可能性不大，但是斷層中部由于破裂距離較短，再次活動的可能性較大（圖5）。

圖4 破裂距離計算原理示意圖Fig.4 Basic theory of distance to failure

2.2 斷層面粗糙程度分析

大量野外實際地質(zhì)考察證實斷層面常常不是簡單的斜面或者曲面，并且空間較小，平面長約0～1.0 km，高約1～100 m。而應(yīng)用真實三維地震數(shù)據(jù)體解釋的斷層，通常在地表 1 000 m以下，高度普遍大于100 m，平面延伸長度普遍大于1.0 km。因此可以推測，斷層面上普遍發(fā)育起伏不平的粗糙部位。

國外學(xué)者對斷層面局部粗糙部位對封堵性的影響有研究（Knipe 1985）[12-14]。斷面小規(guī)模的起伏和斷面的彎曲程度直接影響到圍巖的變形程度，另一方面，還可能由于地質(zhì)歷史時期斷層的重復(fù)活動，地層反復(fù)受到延展和壓縮，在斷層局部凹凸的部位受到的應(yīng)力集中，會導(dǎo)致在圍巖中形成新的裂縫組系?？傊?，斷層局部幾何特征突變的部位，可以被看做是裂縫產(chǎn)生的部位。

應(yīng)用基于體元的建模方法建立的三維構(gòu)造模型可以真實地再現(xiàn)斷層的形態(tài)，并且提供豐富的描述斷層面粗糙程度的方法，常用的方法包括斷層面曲率和斷層邊緣檢測。斷層面曲率是根據(jù)曲率計算公式，算出斷層面上每個網(wǎng)格所對應(yīng)的曲率，曲率值高的部位也就是斷層面局部不光滑部位；另外一種描述方法是斷層邊緣檢測[14]，該方法類似于斷層面曲率屬性，但是著重于反映斷層產(chǎn)狀在宏觀上的變化，而曲率屬性反映的是斷層面產(chǎn)狀細節(jié)的變化。斷層面局部產(chǎn)狀發(fā)生拐折的部位，容易產(chǎn)生裂縫，從而很可能是斷層開啟的部位（圖6、圖7）。

圖5 破裂距離計算結(jié)果三維顯示Fig.5 The calculation results of the distance to failure in 3D

2.3 斷層與地層接觸關(guān)系分析

斷層面與兩側(cè)地層的接觸關(guān)系是斷層封堵性研究的重要內(nèi)容，利用斷層和層位統(tǒng)一網(wǎng)格化的三維構(gòu)造建模技術(shù)所形成高精度網(wǎng)格，可以精確地計算斷層與地層的接觸關(guān)系。斷層與地層接觸關(guān)系研究內(nèi)容包括斷距分析、斷層兩側(cè)地層厚度變化分析（生長斷層或者走滑斷層分析）以及斷層反轉(zhuǎn)趨勢分析等。

斷距分析包括垂直斷距分析、視斷距分析以及平錯距分析。根據(jù)模型生成每條斷層的斷距與斷層平面延伸長度的交匯圖。根據(jù)這樣的交匯圖，研究人員不僅可以分析斷層斷距的變化情況，而且可以將一條斷層的不同層位的斷距進行組合，進而分析斷層在不同層位的活動情況。應(yīng)用模型得到的斷距分析的最大優(yōu)勢是可以將細微的斷距變化體現(xiàn)出來。研究區(qū)的斷層M2的每一條曲線均是指斷距隨著斷層平面的變化的規(guī)律，不同顏色的曲線是同一斷層不同層位的斷距變化（圖8）。

圖7 斷層面邊緣檢測（上）與曲率計算結(jié)果（下）對比Fig.7 The comparison between the edge detection (up) and max curvature (down) in 3D

對于生長斷層，在地層沉積時期，斷層處于活動狀態(tài)，導(dǎo)致同一時期形成的地層，斷層兩側(cè)地層厚度差異較大，并且斷層上升盤與下降盤的相對活動速率越高，斷層兩側(cè)地層厚度差異越大；除此之外，對于走滑斷層而言，由于斷層發(fā)生了水平方向的移動，也可能造成在同一條垂直剖面上，斷層兩側(cè)地層厚度變化劇烈的現(xiàn)象。三維構(gòu)造模型可以計算得到斷層兩側(cè)地層厚度的變化。圖9展示的工區(qū)某斷層兩側(cè)地層厚度的變化情況，同一條斷層不同深度斷層兩盤巖石相對活動方向不同。

圖8 單斷層垂直斷距與斷層延伸長度交匯圖Fig.8 The cross plot of throw and extend distance of a single fault

圖9 斷層兩側(cè)地層厚度變化計算結(jié)果三維顯示Fig.9 The calculation results of cross-fault thickness change in 3D

2.4 斷層兩側(cè)巖性對接分析

巖性對接封閉的研究是繪制斷層面各個單元的巖性對接關(guān)系。傳統(tǒng)斷層兩側(cè)巖性對接分析方法是繪制單一斷層的Allen圖（斷面巖性對接圖）與Knipe圖（傳統(tǒng)單井三角圖），兩者結(jié)合即可定量分析斷層兩側(cè)巖性對接的封閉性。隨著地震反演技術(shù)的日益成熟，常規(guī)的砂泥巖地層的地震反演已經(jīng)可以很好地預(yù)測出井間未知區(qū)砂泥巖的分布情況。將地震反演的結(jié)果采樣到三維構(gòu)造模型網(wǎng)格內(nèi)，應(yīng)用巖相建模的各種算法計算得到巖相模型，再對每條斷層的巖性對接關(guān)系進行分析，就可以提高斷層兩側(cè)巖性對接的分析精度（圖10）。

圖10 斷層兩側(cè)巖性對接計算結(jié)果三維顯示Fig.10 The calculation results of juxtaposition of faults in 3D

2.5 斷層巖封堵能力分析

斷層兩盤地層在儲層與儲層對接的情況下有時依然是封閉的，這是由于斷層巖的泥質(zhì)含量較高。斷層巖形成是在地層發(fā)生錯動以后，地層的礦物顆粒被帶入斷層帶內(nèi)，在地層水的影響下，重新壓實和膠結(jié)成巖。因此，斷層巖的性質(zhì)是不同于斷層兩側(cè)的地層巖性的。由于斷距的不同以及斷層兩側(cè)巖性的差異，所形成的斷層巖的泥質(zhì)含量也有差異，諸多學(xué)者認為可支撐烴柱的高度與斷層巖泥質(zhì)含量有密切的關(guān)系（Yelding 1997，F(xiàn)reeman 1998）[15]。常用的描述斷層巖泥質(zhì)含量的指標(biāo)包括斷層泥比率（SGR）（Yelding1997）[16]、斷層涂抹勢及斷層涂抹因子等Lindsay ( 1993)[17]。

封堵性分析的第一階段是用Allen圖來識別斷層面上不同巖性對接的部位。第二階段是評價斷層巖是否能支撐兩側(cè)的壓力差。本文的實際例子中，使用了斷層泥比率和涂抹因子來描述斷層巖的封堵能力。斷層泥比率是泥巖層厚度與垂直斷距的比值。泥巖涂抹因子是斷距與泥巖層厚度比值。不同的斷層都有不同的斷層泥比率與斷層涂抹因子。應(yīng)用這兩個參數(shù)可輔助評價斷層是否封閉。如果我們從井上已經(jīng)得知斷層上下盤屬于不同的壓力系統(tǒng)，那么我們就必須應(yīng)用井信息對這些封堵性參數(shù)進行校正。在三維地質(zhì)巖相模型的約束下[18]，建立高精度的泥質(zhì)含量模型，可以計算斷層泥比率和斷層泥質(zhì)涂抹因子（圖11、圖12）。

泥巖涂抹使斷層在側(cè)向上形成封閉時，在垂向上未必能形成封閉[19]。斷層在垂向上的封閉性取決于斷裂填充物的封閉性。如果斷裂填充物以泥巖為主或經(jīng)過后期成巖作用，如壓實作用、膠結(jié)作用以及氧化作用等，會形成孔滲性差、排替壓力高的致密帶，對油氣垂向運移形成遮擋。相反，如果斷裂填充物以砂質(zhì)為主，后期又未經(jīng)過成巖作用使其變成低孔低滲的致密帶，那么它就不能成為油氣垂向運移的遮擋物，因而不具有垂向封閉性。Bretan2003研究全球多個斷塊油氣藏斷層兩側(cè)流體壓力數(shù)據(jù)后，總結(jié)出一套斷層封閉能力與烴柱高度關(guān)系經(jīng)驗公式。根據(jù)斷層巖泥質(zhì)含量參數(shù)，再應(yīng)用實驗室的毛管力與泥質(zhì)含量的函數(shù)關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，將泥質(zhì)含量參數(shù)轉(zhuǎn)換為斷層巖的毛管力，從而計算出斷層封閉烴柱高度[20]。

2.6 斷層封閉能力綜合評價

斷層封堵性的好壞，僅僅依靠某一個單一指標(biāo)來評估，是不全面的。應(yīng)用三維地質(zhì)模型可以以統(tǒng)一的尺度來從復(fù)雜構(gòu)造斷層的斷層面幾何特征、斷層面粗糙程度、斷層與地層接觸關(guān)系、斷層兩側(cè)巖性對接以及斷層巖特征等方面對斷層封堵性能進行研究。例如儲層與儲層巖性對接的情況下，斷層看似是開啟的，但是如果此處的斷層泥比率很高，也有可能形成封堵。研究區(qū)在斷層封堵性各項評價指標(biāo)基礎(chǔ)之上，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以進行分類，對斷層封堵性進行綜合分類評價。

圖11 斷層泥質(zhì)涂抹因子計算結(jié)果三維顯示Fig.11 The calculation results of the fault clay prediction in 3D

圖12 斷層SGR計算結(jié)果三維顯示Fig.12 The calculation results of SGR in 3D

在本文的例子里，以一條斷層的各類斷層封堵性計算結(jié)果為例，選擇了斷層面局部傾角、斷層邊緣檢測、斷層泥比率以及泥質(zhì)涂抹因子等 （圖13(a)～圖13(e)）結(jié)果來對斷層封堵性進行綜合評價。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分類，可以將斷層面不同部位的封堵性分為三類（圖13(f)）。再將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果與各項評價指標(biāo)進行交匯分析 （圖14），可以總結(jié)出該不同的斷層三類封堵能力分別有以下特征（表1）。該斷層的1類封堵性具有低傾角、斷層粗糙程度強、高斷層泥比率和斷層涂抹因子的特點；2類封堵性具有類封堵性具有高傾角、斷層粗糙程度強、低斷層泥比率和斷層涂抹因子的特點；3類封堵性具有類封堵性具有低傾角、斷層粗糙程度弱、低斷層泥比率和斷層涂抹因子的特點。不同類的封堵能力的強弱，還需要利用井的地下流體測壓資料進行進一步的標(biāo)定。

圖13 單一斷層面各項參數(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果展示Fig.13 The displays of each index and neural net classification results of a single fault

圖14 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果與各項評價指標(biāo)交匯圖Fig.14 The intersections of each index with neural net classification results

表1 斷層封堵性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類特征Table1 Classification features of the sealing capability of the fault with neural net classification results

3 結(jié)論

針對開發(fā)階段對復(fù)雜斷塊油氣藏精細化描述的研究難點，本文應(yīng)用基于體元的構(gòu)造建模方法，建立了一套反映研究區(qū)地質(zhì)實際的高精度三維地質(zhì)模型用于研究斷層封堵性，比傳統(tǒng)方法取得更直觀更真實的研究結(jié)果。此方法一方面可以實現(xiàn)定量化地研究斷層幾何外觀、斷層面粗糙程度、斷層與兩側(cè)地層的接觸關(guān)系、斷層兩側(cè)巖性對接關(guān)系以及斷層巖封堵性等參數(shù)；另一方面，應(yīng)用三維地質(zhì)模型可以將所有的斷層封堵性參數(shù)統(tǒng)一存儲到斷層網(wǎng)格中這個優(yōu)點，可以進一步對各類斷層封堵性的評價指標(biāo)進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類分析，對斷層面局部的封堵性進行分類，并且根據(jù)各項封堵性指標(biāo)之間的交匯圖總結(jié)不同分類的特征。為后續(xù)油氣田開發(fā)的精細部署與調(diào)整提供了進一步的支撐。需要指出，各類封堵性的強弱還需用研究區(qū)的油水界面與地層測壓資料進行校正。