一种碎屑岩地层中断层封闭性的定量评价方法与流程

1.本发明属于油气资源地质勘探评价领域及生态环境领域，具体涉及一种碎屑岩地层中断 层封闭性的定量评价方法。


背景技术：

2.断层是地应力作用下形成的分割地层的构造。在不同地质历史时期及不同地质条件下， 断层可具有封闭地层流体与输导地层流体两种不同的状态。具有较好封闭性的断层对于断层 油气藏的形成至关重要。此外，废弃油气田中具有强封闭能力的断层圈闭也是危险废弃物处 理以及二氧化碳捕获与封存的重要靶区。正确评价断层封闭性除具有重要经济价值外也具有 显著的社会价值。
3.随着人们对断层认识的加深，影响断层封闭能力的因素及评价方法也不断变化。早期认 为断层是一个剪切面，低渗透层与储层对接是导致断层封闭的主要原因，利用三角图解模拟 断面两侧地层接触特征是断层封闭性的主要研究、评价方法。随着研究的深入，人们意识到 断层不仅是一个简单平面，而是一个包含断层核和破碎带的二维结构，断面空间形态(倾向、 倾角、埋深)、规模、地层岩性、地层流体压力、地应力均对断层封闭性造成影响。评价对象 逐渐变为断裂带岩性、断面应力等要素。诸如ssf、sgr、断面正应力、断-储排替压力差等 参数逐渐被用来评价断层的封闭性。
4.然而，目前主要的评价模型大多将重点放在断层岩岩性及断面正应力特征(断面紧闭性)， 忽略沿断层方向的稳定性对封闭性的影响。普遍认为处于沿断面滑动状态的断层对流体起输 导作用(不具有封闭性)，趋于滑动(即不稳定)的断层封闭封闭性也弱。断层的稳定性缺乏 有效表征。另外，在多个参数均影响断层封闭性的背景下，明确各参数对断层封闭性的影响， 建立定量评价指标，对于准确认识断层封闭性具有重要意义。


技术实现要素：

5.基于以上分析可以看出，现阶段缺乏基于断面岩性、稳定性及断面紧性综合评价断层封 闭性的方法，本发明公开一种碎屑岩地层中断层封闭性的定量评价方法。
6.具体实现技术方案如下：
7.(1)构建断面、层位模型：
8.主要基于三维地震数据体，对目标断层及地层进行精细解释，刻画断层面在空间不同位 置处的走向、倾向、倾角及断层断距特征；
9.上述步骤(1)中，利用地震解释软件，对三维地震数据体以3～5道为间隔进行解释，实 现对研究区断层、地层的高精度刻画，从而重点获得地层的空间分布，断层的走向、倾向、 倾角、断距。其中，地震数据解释间隔可根据三维数据体精度及断层发育规模进行调整，地 震采样间距大时减小解释间隔，断层规模小时也需减小地震数据解释间隔，反之，可增大解 释间隔。总体目标为以较高效率对目标断层、地层的展布特征进行刻画，构建三维地质模型。
10.(2)地层泥质含量模型：
11.利用测井中反映泥质含量的gr曲线，对地层泥质含量进行计算，获得单井的泥质分布 特征，通过插值的方法，对三维空间的泥质含量特征进行刻画；
12.上述步骤(2)中，首先利用测井曲线对单井泥质含量的分布进行计算，泥质含量计算主 要用公式：
[0013]vsh
＝0.083
×
(23.7
×igr-1)(第三系地层)
ꢀꢀ
(公式1)
[0014]vsh
＝0.33
×
(22.1
×igr-1)(前第三系地层)
ꢀꢀ
(公式2)
[0015][0016]
式中：gr
log
为伽马测井读数，单位api；gr
max
为纯泥岩时的伽马测井读数，单位api； gr
min
为纯砂岩时的伽马测井读数，单位api；i
gr
为计算泥质含量，小数；v
sh
为实际泥质含 量，小数。
[0017]
针对不同时代地层，选择公式1或公式2进行计算。计算时，纯泥岩和纯砂岩gr的获 取，根据厚层纯泥岩、纯砂岩的平均值计算得到。在获得单井泥质含量的基础上，以步骤1 中的地层解释结果为约束，进行三维空间插值，实现对地层中泥质含量的刻画。
[0018]
(3)地应力场与地层流体压力模型：
[0019]
通过实际测试或测井资料计算地应力场特征，包括水平最大、最小主应力的大小和方向 及变化梯度、垂向应力的变化梯度与地层流体压力。
[0020]
上述步骤(3)中，水平最大主应力方向利用偶极子声波测井中的快横波方向进行表征， 不同井之间显示出的水平最大主应力方向可能存在一定差异，通过取平均值的方法获得研究 区水平最大主应力方向。水平最小主应力与水平最大主应力角度差为90
°
。
[0021]
由于密度测井资料通常十分全面，几乎包含了全部井段。因此，垂向主应力大小通过对 岩石密度的积分获得，计算公式为：
[0022][0023]
式中：p为目的深度的垂向应力，单位mpa；ρ(z)为岩层密度，由密度测井资料获得，单 位kg/m3；g为重力加速度，9.8n/kg；h为目的层深度，单位m。
[0024]
水平最大与最小主应力主要依靠偶极子声波测井值计算获得，计算公式为：
[0025][0026][0027][0028]
式中：σh为水平最大主应力，单位mpa；σh为水平最小主应力，单位mpa；βh和βh分 别为水平最大应力和最小应力方向上的构造系数，无量纲；v和α分别为岩石的泊松比和biot 系数，无量纲；φ为岩石孔隙度，此处使用测井解释孔隙度，单位％；φc为临界孔隙度(一 般取40)。
[0029]
由于成本导致偶极子声波测井通常针对特定层位，研究层位可能无相关数据。对此，在 有数据层段计算水平最大、最小主应力后，结合深度拟合垂向上变化梯度，从而获得不同深 度水平最大、最小主应力值。(除此方法外，在样品充裕的情况下，也可通过岩石破
裂法、声 发射法、油田现场井壁崩落资料、储层压裂改造资料获得水平最大与最小主应力数据。)
[0030]
地层流体压力计算主要针对地层中存在的超压，利用等效法进行计算，公式为：
[0031]
pz＝γwze γr(z-ze)＝ρrgz-(ρ
τ-ρw)gzeꢀꢀ
(公式8)
[0032][0033][0034]
式中，pz为欠压实泥岩的地层流体压力，单位mpa；γw为等效深度的静水压力梯度，单 位mpa/m；ze为欠压实泥岩所对应的等效深度，单位m；γr为埋藏深度与等效深度间的静岩 压力梯度，单位mpa/m；z为欠压实泥岩的埋深，单位m；ρr为埋藏深度与等效深度间的岩 层平均密度，单位kg/m3；g为重力加速度，取9.8n/kg；ρw为地层水密度，取1000kg/m3； δt为欠压实泥岩的声波时差，单位μs/m；δt0为地表的原始声波时差，单位μs/m；c为正 常压实泥岩的压实系数，单位m-1
。
[0035]
通过以上计算，获得水平最大、最小主应力大小及方向，垂向应力变化梯度以及地层流 体压力特征。
[0036]
(4)断面参数刻画
[0037]
上述步骤(4)中需要计算的参数包括断面泥质含量(sgr)、滑动趋势(st)和膨胀趋 势(dt)。其中，断面泥质含量用来表征断层的岩性特征，滑动趋势和膨胀趋势用来表征断 面的应力特征。断面泥质含量为沿断层滑过计算点的累计泥质含量，泥质含量越高，则认为 断层岩泥质含量越高，封闭性越强，反之越弱。滑动趋势用来描述断层两盘沿断面滑动可能 性的大小，滑动趋势越大，断层越趋于滑动，趋于不稳定，封闭能力越弱，反之，断层趋于 稳定，封闭能力强。膨胀趋势用来表征断面的紧闭程度，膨胀趋势越大，断层趋于张开，封 闭性越弱，反之，断层越紧闭，趋于封闭。
[0038]
断面泥质含量计算公式为：
[0039][0040]
式中，sgr为计算点的断面泥质含量，小数；n为划过目的点的砂泥岩层层数；δzi为滑 过目的点的第i层岩层厚度，单位m；v
shi
为滑过目的点的第i层岩层泥质含量，h为断层断 距，单位m。v
shi
为步骤(2)中空间插值得到的紧邻断层地层中不同深度的泥质含量，断距 h由步骤(1)的解释结果获得。
[0041]
滑动趋势及膨胀趋势的计算公式为：
[0042]
st＝τ/(δ
n-pz)
ꢀꢀ
(公式12)
[0043][0044]
σn＝σhcos2αn σhcos2βn σvcos2γnꢀꢀ
(公式14)
[0045][0046]
式中，st为断面滑动趋势，小数；dt为膨胀趋势，小数；τ为作用于断面上的剪应力， 单位mpa；δn为作用在断面上的正应力，单位mpa；pz为孔隙流体压力，单位mpa，利用公 式8计
算。其中，δh为水平最大主应力，mpa；δh为水平最小主应力，mpa；σv为垂向主应 力，mpa；αn为断面法线与σh的夹角，单位
°
；βn为断面法线与σh的夹角，单位
°
；γn为断面 法线与σv的夹角，单位
°
。
[0047]
(5)评价参数提取
[0048]
根据勘探实际情况，对典型断层型油气藏及不含油气的断层圈闭进行精细解剖，确定封 闭断层与不封闭断层发育范围，提取断面参数信息。其中，对于典型油气藏，基于测井解释、 试油分析明确油气分布层位，通过地震属性刻画油气空间范围，特别是油气藏与断层相接触 的范围。对比分析断面封闭油气藏范围及储层范围，确定封闭断面范围及不封闭断面范围， 进而提取封闭断层与不封闭断层断面参数。对于不含油气的断层圈闭，首先通过成藏条件分 析，明确储层发育特征、下部烃源岩的供烃能力以及顶部盖层封闭能力。选取发育储层、下 部烃源岩具有供烃能力、顶部盖层具有较强封闭能力，油气未成藏主要由于断层封闭性弱， 提取断面与储层相交范围内的断面参数作为不封闭断层参数特征。在参数提取过程中，以断 面和储层相交区域为参数提取范围，根据实际情况(工区大小及地震道间隔)每隔数个地震 道，提取断层的断面泥质含量、滑动趋势、膨胀趋势参数。
[0049]
(6)断面封闭模型建立
[0050]
在明确封闭断层和不封闭断层各参数的基础上，通过费希尔(fisher)判别分析，建立基 于三参数的概率判别函数。函数建立过程中，随机抽取80％数据用于构建判别方程，剩余20％ 数据用于验证判别方程可靠性。
[0051]
本发明技术方案在操作过程中通过利用断面泥质含量、滑动趋势、膨胀趋势三个参数建 立综合评价模型，综合考虑地层泥质含量、断层空间发育特征(走向、倾向、倾角、断距)、 地应力以及地层流体压力对断层封闭性的控制作用。对于全面、正确理解断层封闭主控因素、 预测潜在断层封闭性具有重要帮助。
附图说明
[0052]
图1本发明方法的步骤框图；
[0053]
图2a为本发明方法步骤的水平最大主应力(σh)拟合示意图；
[0054]
图2b为本发明方法步骤的水平最小主应力(σh)拟合示意图；
[0055]
图3为本发明方法步骤的断面上某点泥质含量计算示意图；
[0056]
图4为本发明方法步骤的σn和τn计算时的各参数空间示意图；
[0057]
图5a为本发明方法步骤的研究区(胜利油田)某断层的断面泥质含量三维展布；
[0058]
图5b为本发明方法步骤的研究区(胜利油田)某断层的断面滑动趋势三维展布；
[0059]
图5c为本发明方法步骤的研究区(胜利油田)某断层的断面膨胀趋势三维展布；
[0060]
图6a为本发明方法步骤的研究区某断层附近含气储层通过测井解释示意图；
[0061]
图6b为本发明方法步骤的研究区某断层附近过含气储层的地震剖面图；
[0062]
图6c为本发明方法步骤的研究区某断层附近过含气储层的均方根振幅属性图(与6b为 同一剖面，提取均方根振幅属性后得到)；
[0063]
图6d为本发明方法步骤的研究区某断层附近含气储层通过均方根振幅属性数据及体雕 刻刻画气藏三维空间分布特征示意图；
[0064]
图7a为本发明方法步骤的研究区某断层上封闭断层范围示意图；
[0065]
图7b为本发明方法步骤的研究区某断层下盘储层在断层上的投影示意图。
具体实施方式
[0066]
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解 释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0067]
下面结合附图与实例对本发明作进一步的详细说明；可以理解的是，此处所叙述的具体 实例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定；另外还需要说明的是，为了便于描述，附 图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0068]
实施例选取济阳坳陷三合村油田内的断层进行说明。
[0069]
如图1所示，碎屑岩地层中断层封闭性的定量评价方法，所述方法包括以下步骤：
[0070]
(1)构建断面、层位模型：
[0071]
主要基于三维地震数据体，对目标断层及地层进行精细解释，刻画断层在空间不同位置 处的走向、倾向、倾角及断层断距特征；
[0072]
上述步骤(1)中，利用地震解释软件，对三维地震数据体以3～5道为间隔进行解释，实 现对研究区断层、地层的高精度刻画，从而重点获得地层的空间分布，断层的走向、倾向、 倾角、断距。其中，地震数据解释间隔可根据三维数据体精度及断层发育规模进行调整，地 震采样间距大时减小解释间隔，断层规模小时也需减小地震数据解释间隔，反之，可增大解 释间隔。总体目标为以较高效率完成对目标断层、地层的展布特征进行刻画，构建三维地质 模型。
[0073]
(2)地层泥质含量模型：
[0074]
利用测井中反映泥质含量的gr曲线，对地层泥质含量进行计算，获得单井的泥质分布 特征，通过插值的方法，对三维空间的泥质含量特征进行刻画，为后续断面泥质含量刻画做 准备；
[0075]
上述步骤(2)中，首先利用测井曲线对单井泥质含量的分布进行计算，泥质含量计算主 要用公式：
[0076]vsh
＝0.083
×
(23.7
×igr-1)(第三系地层)
ꢀꢀ
(公式1)
[0077]vsh
＝0.33
×
(22.1
×igr-1)(前第三系地层)
ꢀꢀ
(公式2)
[0078][0079]
式中：gr
log
为伽马测井读数，单位api；gr
max
为纯泥岩时的伽马测井读数，单位api；gr
min
为纯砂岩时的伽马测井读数，单位api；i
gr
为计算泥质含量，小数；v
sh
为实际泥质含 量，小数。
[0080]
针对不同时代地层，选择公式1或公式2进行计算。计算时，纯泥岩和纯砂岩gr的获 取，根据厚层纯泥岩、纯砂岩的平均值计算得到。在获得单井泥质含量的基础上，以步骤1 中的地层解释结果为约束，进行三维空间插值，实现对地层中泥质含量的刻画。
[0081]
(3)地应力场与地层流体压力模型：
[0082]
通过实际测试或测井资料计算地应力场特征，包括水平最大、最小主应力的大小和方向 及变化梯度、垂向应力的变化梯度。
[0083]
上述步骤(3)中，水平最大主应力方向利用偶极子声波测井中的快横波方向进行
面的应力特征。断面泥质含量为沿断层滑过计算点的累计泥质含量，泥质含量越高，则认为 断层岩泥质含量越高，封闭性越强，反之越弱。滑动趋势用来描述断层两盘沿断面滑动可能 性的大小，滑动趋势越大，断层越趋于滑动，趋于不稳定，封闭能力越弱，反之，断层趋于 稳定，封闭能力强。膨胀趋势用来表征断面的紧闭程度，膨胀趋势越大，断层趋于张开，封 闭性越弱，反之，断层越紧闭，趋于封闭。
[0101]
断面泥质含量原理如图3，计算公式为：
[0102][0103]
式中，sgr为计算点的断面泥质含量，小数；n为划过目的点的砂泥岩层层数；δzi为滑 过目的点的第i层岩层厚度，单位m；v
shi
为滑过目的点的第i层岩层泥质含量，h为断层断 距，单位m。v
shi
为步骤(2)中空间插值得到的紧邻断层地层中不同深度的泥质含量，断距h由步骤(1)的解释结果获得。
[0104]
滑动趋势及膨胀趋势的计算公式为：
[0105]
st＝τ/(δ
n-pz)
ꢀꢀ
(公式12)
[0106][0107]
σn＝σhcos2αn σhcos2βn σvcos2γnꢀꢀ
(公式14)
[0108][0109]
式中，st为断面滑动趋势，小数；dt为膨胀趋势，小数；τ为作用于断面上的剪应力， 单位mpa；δn为作用在断面上的正应力，单位mpa；pz为孔隙流体压力，单位mpa，利用公 式8计算。其中，δh为水平最大主应力，mpa；δh为水平最小主应力，mpa；σv为垂向主应 力，mpa；αn为断面法线与σh的夹角，单位
°
；βn为断面法线与σh的夹角，单位
°
；γn为断面 法线与σv的夹角，单位
°
。各参数空间意义见图4。以渤海湾盆地济阳坳陷三合村洼陷内的垦 116断层为例对各参数进行刻画，图5a到图5c为对该断面泥质含量、滑动趋势及膨胀趋势的 空间刻画结果。
[0110]
(5)评价参数提取
[0111]
根据勘探实际情况，对典型断层型油气藏及不含油气的断层圈闭进行精细解剖，确定封 闭断层与不封闭断层发育范围，提取断面参数信息。其中，对于典型油气藏，基于测井解释、 试油分析明确油气分布层位，通过地震属性刻画油气空间范围，特别是油气藏与断层相接触 的范围。对比分析断面封闭油气藏范围及储层范围，确定封闭断面范围及不封闭断面范围， 进而提取封闭断层与不封闭断层断面参数。对于不含油气的断层圈闭，首先通过成藏条件分 析，明确储层发育特征、下部烃源岩的供烃能力以及顶部盖层封闭能力。选取发育储层、下 部烃源岩具有供烃能力、顶部盖层具有较强封闭能力，油气未成藏主要由于断层封闭性弱的 断层，提取断面与储层相交范围内的断面参数作为不封闭断层参数特征。在参数提取过程中， 以断面和储层相交区域为范围，根据实际情况(工区大小及地震道间隔)每隔数个地震道， 提取断层的断面泥质含量、滑动趋势、膨胀趋势参数。
[0112]
以渤海湾盆地济阳坳陷内的垦116断层及其附近气藏为例对提取方法进行说明。通过测 井解释与试油资料确定含气储层深度(图6a)。由地震剖面及地震均方根振幅属性
(rms) 剖面可知，气藏上倾方向被断层遮挡(图6b)。由地震rms属性强度在断层外明显降低(不 含气)可知断层起封闭作用(图6c)。根据含气储层具有高rms属性的特征应用体雕刻技术 对气藏形态进行刻画(图6d)获得气藏的空间展布特征。将气藏空间分布范围与断层空间分 布范围叠加可以明显看出具有封闭能力的断层的范围(图7a)。由断层下盘地层在断面投影 可以看出，气藏所在的砂体储层空间上连续稳定(图7b虚线范围内地层泥质含量均小于0.4)， 由此可确定断层上具有封闭能力和不具有封闭能力断层的范围。结合断面上泥质含量、滑动 趋势及膨胀趋势的三维分布特征(图5a到图5c)，可获得具有封闭能力和不具有封闭能力的 断层的断面参数特征。对于只发育断层圈闭而未发育油气藏的情况，同样选取砂体在断面上 的投影作为提取参数的范围，只是该范围内所有数据均为不封闭断层的参数。
[0113]
(6)断面封闭模型建立
[0114]
在明确封闭断层和不封闭断层各参数的基础上，通过费希尔(fisher)判别分析，建立基 于三参数的概率判别函数。函数建立过程中，随机抽取80％数据用于构建判别方程，剩余20％ 数据用于验证判别方程可靠性。
[0115]
以渤海湾盆地济阳坳陷三合村油田为例进行说明。通过方法(5)共获得封闭断层与不封 闭断层断面参数255组，其中封闭断层数据170组，不封闭断层85组。选取其中202组数据 (80％)构建分类函数，分类函数系数见表1。将构建的分类函数分析剩余20％数据并将判 别结果与实际结果进行对比可以看出，正确率达到了94％(表2)。由此可看出通过建立断面 泥质含量、膨胀趋势及滑动趋势三维模型，综合地质分析提取断面参数，建立封闭判别模型 能够有效对碎屑岩地层中断层的封闭性进行准确评价。
[0116]
表1封闭断层与不封闭断层判别方程系数表
[0117] 不封闭封闭sgr(断面泥质含量)73.08993.566st(滑动趋势)173.572237.193dt(膨胀趋势)19.6028.693常数-38.614-55.901
[0118]
表2断层封闭预测结果与实际结果对比
[0119] 预测封闭预测不封闭实际封闭341实际不封闭215
[0120]
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公 开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述 研究区具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的 意义。