CN106291755A - 一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法。本发明在地震解释的基础上，通过获取油藏开发的构造图，在油藏构造解析以及地质力学建模等相关实验的基础上，结合地震资料识别局部隆升范围，进而建立地质力学模型进行应力场模拟，利用主应力方向分析，量化潜在的两组低级序断层的倾向，利用平面或剖面的岩石周向力学实验，进而确定低级序断层的倾向。本发明解决了传统的地震解释难以准确识别低级序断层的难题，实现了油藏低级序断层的准确定量预测。

Description

一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法。

背景技术

在低级序断层预测中，低级序断层展布影响油气开发、剩余油分布，也是困扰油区进一步开发的难点。戴俊生等提出通过应力场模拟方法定性预测低级序断层的分布规律，利用平面剪应力预测低级序断层的走向，利用剖面剪应力预测低级序断层的倾向，但该方法只能定性的分析低级序断层的展布，并且采用剪应力预测低级序断层的倾向缺乏理论支撑，其原理也有待进一步落实。张昕等在2012年提出密井网条件下井震联合低级序断层识别方法，但该方法对油田的资料丰富程度、品质提出很高的要求；另外还有很多学者在地震解释的基础上，二次处理地震资料进而识别低级序断层，该方法对地震资料的品质提出了很高的要求，并且预测结果往往具有多解性。本发明专利在地震解释的基础上，通过获取油藏开发的构造图，在油藏构造解析以及地质力学建模等相关实验的基础上，结合地震资料识别局部隆升范围，进而建立地质力学模型进行应力场模拟，利用主应力方向分析，量化潜在的两组低级序断层的倾向，利用平面或剖面的岩石周向力学实验，确定低级序断层的倾向。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法，它实现了油藏低级序断层发育规律的定量预测。

本发明的技术方案为：一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法，具体步骤如下：第一步获取油藏开发的构造图，初步分析低级序断层是否为下部地层上拱成因。

利用地震精细解释软件以及钻井资料，在进行岩心归位标定，油藏的实际开发过程中油水的关系、动态开发资料分析基础上，获取油藏的构造图，通过断层的构造样式分析，初步判定低级序断层是否为上拱成因。

第二步油藏构造解析以及地质力学建模相关的实验。

通过油藏的构造解析，分析研究区的构造演化、断层活动性，确定主断层的形成时间、形成次序以及低级序断层的形成时间；结合岩石声发射等实验确定低级序断层的形成时间以及对应的古应力大小；通过岩石力学实验或测井曲线解释确定储层的力学参数，为建立地质力学模型提供基础数据。

第三步地震资料识别局部隆升范围。

通过地震资料精细解释，在地震剖面解释的基础上，识别小层、断层以及构造起伏，通过逐次切取地震的水平切片，精确划定油藏的上拱区域。

第四步建立研究区的地质力学模型。

在确定低级序断层形成时间的基础上，建立早期存在的断层模型，并在模型中的对应位置建立上拱区域，结合岩石力学实验结果，建立对应的力学模型。

第五步低级序断层形成时的等效古应力场模拟。

等效古应力场的方向主要以该时期活动断层的走向确定，在满足有限元分析计算要求情况下，以先存的高级序断裂带内的剪应力旋向为宏观最优约束条件，通过不断地调整施加应力的大小，达到最优拟合结果，确定低级序断层发育的应力场。

第六步应变能计算，预测低级序断层的发育区。

根据弹性力学有关理论，固体变形时在其内部积聚应变能，固体内部的应变能大小可用应变能密度来衡量，即：

公式(1)中，σ₁、σ₂、σ₃为单元内的三个主应力，ε₁、ε₂、ε₃分别为主应力方向所对应的应变，理论和实验都已证明砂岩、粉细砂岩以及含钙质的粉细砂岩和砂岩都表现出强烈的脆性特征，脆性岩石断裂的最大应变能准则认为：当其内部积累的弹性应变能释放率等于产生单位面积断裂体表面所需要的能量时，该脆性材料即发生断裂。依据能量守恒原理提出假设：

公式(2)中，为用于新增断裂表面积的应变能密度，单位N/m²；V为表征单元体的体积，单位m³；S为新增断裂的表面积，单位m²；J为产生单位面积断裂所需要能量，即断裂表面能，单位为J/m²。在应变能高值区，岩石发生破裂的概率要更大；反之，岩石破裂的概率小。

第七步主应力方向分析，量化潜在的两组低级序断层的倾向。

在低级序断层倾向定量预测时，依据主应力状态分为三种情况：第一种应力状态——三向主应力均为挤压应力，且最大主应力为水平，最小主应力为垂向时；第二种应力状态——最小主应力为水平拉张时；第三种应力状态——三向主应力均为挤压应力，最大主应力为水平，最小主应力也是水平时；前两种情况采用主应力方向直接定量预测低级序断层的倾向，第③中情况，采用最大主应力方向并结合共轭角预测潜在的两组断层倾向。

所述的采用主应力方向直接定量预测的低级序断层倾向，具体算法为：在应力场坐标系中产生的两组裂缝面的单位法向矢量可表示为：

矢量n′在大地坐标系中3个分量可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n^{\′}}_x\\ {n^{\′}}_y\\ {n^{\′}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\α}}_{11}& {\mathrm{cos\α}}_{21}& {\mathrm{cos\α}}_{31}\\ {\mathrm{cos\α}}_{12}& {\mathrm{cos\α}}_{22}& {\mathrm{cos\α}}_{32}\\ {\mathrm{cos\α}}_{13}& {\mathrm{cos\α}}_{23}& {\mathrm{cos\α}}_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{n^{\′\′}}_x\\ {n^{\′\′}}_y\\ {n^{\′\′}}_z\end{array}\right]---\left(4\right)$

裂缝形成时的倾向γ′需分象限进行讨论：

①n′_x≥0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为北东向，此时：

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{{n^{\′}}_x}{{n^{\′}}_y}\right)---\left(5\right)$

②n′_x≤0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为东南向，此时：

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{{n^{\′}}_x}{{n^{\′}}_y}\right)+\mathrm{\π}---\left(6\right)$

③n′_x<0且n′_y≤0，裂缝形成时的倾向为西南向，此时：

${\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}=\arctan \left(\frac{{n^{\&prime;}}_x}{{n^{\&prime;}}_y}\right)+\mathrm{\&pi;}---\left(7\right)$

④n′_x≥0且n′_y<0，裂缝形成时的倾向为北西向，此时：

${\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}=\arctan \left(\frac{{n^{\&prime;}}_x}{{n^{\&prime;}}_y}\right)+2\mathrm{\&pi;}---\left(8\right)$

由得到的低级序断层的倾向，可以转换为低级序断层的走向。

第八步通过岩心的平面-周向力学参数实验或者剖面-周向力学参数实验，配合古地磁定向技术，确定储层的周向力学参数的差异性，确定潜在的两组低级序断层的倾向。

在利用古地磁对岩心定向后，所述的第①中情况的应力状态，选取对应的岩心最大古主应力、最小古主应力剖面，钻取不同方向的小岩样进行力学实验，确定岩石的力学参数(图2)；所述的第②、③中情况的应力状态，选取岩心的最大主应力、最小主应力所在的平面，钻取不同方向的小岩样进行力学实验(图3)。通过岩石周向力学实验，确定储层力学薄弱方向，认为该方向为潜在的两组低级序断层的最优发育方向(图4)，从而实现低级序断层的定量预测。

本发明的有益效果是：本发明专利在地震解释的基础上，通过获取油藏开发的构造图，在油藏构造解析以及地质力学建模等相关实验的基础上，结合地震资料识别局部隆升范围，进而建立地质力学模型进行应力场模拟，利用主应力方向分析，量化潜在的两组低级序断层的倾向，利用平面或剖面的岩石周向力学实验，确定低级序断层的倾向。本发明在隆升区低级序断层分布规律定量预测方面具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，可以大量减少人力、财力的支出，对油田勘探开发的实用性强。

附图说明

图1为一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法的流程图。

图2为岩心的最大古主应力、最小古主应力剖面取小岩样示意图。

图3为岩心的最大古主应力、最小古主应力平面取小岩样示意图。

图4为周向力学参数的差异性导致潜在的力学薄弱面。

图5为马35断块构造位置图。

图6为马35断块戴一段油藏构造图。

图7为马35断块等时切片。

图8为马35断块三垛期古应力场模拟地质模型。

图9为马35断块三垛期古最小主应力分布图。

图10为马35断块三垛期古最大主应力分布图。

图11为马35断块三垛期应变能与低级序断层发育程度图。

图12为马35断块戴一段低级序断层走向预测图。

图4中，箭头代表力学参数造成的潜在的力学薄弱面。图8中，1.断层，2.加力外框，3.上拱区，4.戴一段地层。图9、图10中，负值代表挤压应力，正值代表拉张应力，单位：Pa。图11中应变能单位为N/m²。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

以高邮凹陷韦庄马家嘴地区的汉留断裂带附近的马35断块为例说明本发明的具体实施方式，马35断块构造上位于高邮凹陷西南部，汉留断层与真②断层西缘，邵伯次凹西边，大部分地区位于深凹带内。马家嘴构造位于汉留断层的下降盘，区域上是地层整体向西北抬升的单斜构造，南北分别受真②断层和汉留断层夹持。韦庄构造位于汉留断层上升盘，属于高邮凹陷北斜坡的南缘，构造活动主要受汉留断裂的影响。韦马地区内沉积岩系发育，生油环境好，油气藏类型多，富集程度高，是勘探程度较高的含油气区之一。马35断块位于马家嘴地区中部，位于汉留断裂带与次级断裂的交叉位置，形成该区复杂的断裂系统(图5)。

第1步利用地震精细解释软件以及钻井资料，在进行岩心归位标定，油藏的实际开发过程中油水的关系、动态开发资料分析基础上，获取油藏的构造图，通过断层的构造样式分析，马35断块戴一段。

第2步通过对马家嘴地区断层活动性分析，确定三垛期是研究区低级序断层的重要发育期，通过三轴压缩实验，确定研究区的力学参数(表1)。

第3步通过选取地震资料中马35断块的水平切片(图6)，依据不同反射层形态特征，精确确定该油藏的上拱区域为近东西向的条带状上拱(图7)。

第4步在确定低级序断层形成时间的基础上，根据戴一段顶面构造图，对模型进行简化，选取先存的高级序断层，建立马35断块地质模型(图8)；不同构造单元力学性质不同，一般断裂带较正常沉积地层强度弱，凹陷区时代新的地层较凸起区时代老的地层强度大。根据断裂带的实际情况，经简化抽象，断层赋予一个力学参数，其余整个沉积地层赋予统一地层力学参数值，力学参数的大小参照部分实验测试(表1)。在加载力学参数的基础上，采用solid45单元进行网格划分，共划分出31955个单元，参与运算的节点共11145个。

表1 马35断块三垛期构造应力场模拟力学参数

	泊松比μ	弹性模量E/GPa	密度ρ/kg.m-3
				地层	0.15	28	2210
断层	0.20	22	2200

第5步等效古应力场模拟

以三垛期先存的高级序断层平面旋向为宏观约束条件，满足有限元分析计算要求情况下在模型南北边界施加4.5MPa拉张应力，东西施加2MPa的拉张应力，局部施加上拱应力，模型的NW-SE边界施加东西向线性约束，得到三垛期的等效古应力场，利用ANSYS软件，求解后得到研究区的最大主应力分布图、最小主应力分布图(图9-图10)。最小主应力在上拱区表现为高值，出现应力集中现象；在上拱区的两侧，最小主应力为低值。最大主应力主要由垂向重力应力产生，平面变化不大，在断层内部区域为低值，在上拱区为高值。

第6步应变能计算，预测低级序断层的发育区，如图11所示，应变能在上拱区域表现为高值，上拱区南北两侧应变能数值稍有下降。应变能高值区，岩石发生破裂的概率要更大；反之，岩石破裂的概率小。

第7步主应力方向分析，结合岩石周向力学参数量化低级序断层的倾向，利用公式(3)-公式(8)的原理，对马35断块上拱区的断层走向预测可以得到该区的低级序断层走向发育规律(图12)，分析后认为在上拱区中部可以发育近东西走向的连接断层，平面上呈放射状展布。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法，步骤如下：

1)利用地震精细解释软件以及钻井资料，在进行岩心归位标定，油藏的实际开发过程中油水的关系、动态开发资料分析基础上，获取油藏的构造图，通过断层的构造样式分析，初步判定低级序断层是否为上拱成因；

2)通过油藏的构造解析，分析研究区的构造演化、断层活动性，确定主断层的形成时间、形成次序以及低级序断层的形成时间；结合岩石声发射等实验确定低级序断层的形成时间以及对应的古应力大小；通过岩石力学实验或测井曲线解释确定储层的力学参数；

3)通过地震资料精细解释，在地震剖面解释的基础上，识别小层、断层以及构造起伏，通过逐次切取地震的水平切片，精确划定油藏的上拱区域；

4)在确定低级序断层、主断层形成时间的基础上，建立低级序断层预测模型，并在模型中的对应位置建立上拱区域，结合岩石力学实验结果，建立对应的力学模型；

5)低级序断层形成时的等效古应力场模拟，等效古应力场的方向主要以该时期活动的断层的走向确定，在满足有限元分析计算要求情况下，以先存的高级序断裂带内的剪应力旋向为宏观最优约束条件，通过不断地调整施加应力的大小，达到最优拟合结果，确定低级序断层发育的应力场；

6)应变能计算，预测低级序断层的发育区；根据弹性力学有关理论，固体变形时在其内部积聚应变能，固体内部的应变能大小可用应变能密度来衡量，即：

公式中，σ₁、σ₂、σ₃为单元内的三个主应力，ε₁、ε₂、ε₃分别为主应力方向所对应的应变；在应变能高值区，岩石发生破裂的概率要更大；反之，岩石破裂的概率小；

7)主应力方向分析，量化潜在的两组低级序断层的倾向；

8)通过岩心的平面-周向力学参数实验或者剖面-周向力学参数实验，配合古地磁定向技术，确定储层的周向力学参数的差异性，确定潜在的两组低级序断层倾向。

2.根据权利要求1所述的一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法，其特征在于：

所述的主应力方向分析，量化潜在的两组低级序断层的倾向，依据主应力状态分为三种情况：第一种情况应力状态——三向主应力均为挤压应力，且最大主应力为水平，最小主应力为垂向时；第二种情况应力状态——最小主应力为水平拉张时；第三种情况应力状态——三向主应力均为挤压应力，最大主应力为水平，最小主应力也是水平时；前两种情况采用主应力方向直接定量预测低级序断层的倾向，第三种情况应力状态，采用最大主应力方向并结合共轭角预测潜在的两组断层倾向；所述的采用主应力方向直接定量预测的低级序断层走向，具体算法为：在应力场坐标系中产生的两组裂缝面的单位法向矢量可表示为：

矢量n′在大地坐标系中3个分量可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n^{\&prime;}}_x\\ {n^{\&prime;}}_y\\ {n^{\&prime;}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\&alpha;}}_{11}& {\mathrm{cos\&alpha;}}_{21}& {\mathrm{cos\&alpha;}}_{31}\\ {\mathrm{cos\&alpha;}}_{12}& {\mathrm{cos\&alpha;}}_{22}& {\mathrm{cos\&alpha;}}_{32}\\ {\mathrm{cos\&alpha;}}_{13}& {\mathrm{cos\&alpha;}}_{23}& {\mathrm{cos\&alpha;}}_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{n^{\&prime;\&prime;}}_x\\ {n^{\&prime;\&prime;}}_y\\ {n^{\&prime;\&prime;}}_z\end{array}\right]---\left(4\right)$

裂缝形成时的倾向γ′需分象限进行讨论：

①n′_x≥0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为北东向，此时：

${\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}=arctan\left(\frac{{n^{\&prime;}}_x}{{n^{\&prime;}}_y}\right)---\left(5\right)$

②n′_x≤0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为东南向，此时：

${\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}=arctan\left(\frac{{n^{\&prime;}}_x}{{n^{\&prime;}}_y}\right)+\mathrm{\&pi;}---\left(6\right)$

③n′_x<0且n′_y≤0，裂缝形成时的倾向为西南向，此时：

${\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}=arctan\left(\frac{{n^{\&prime;}}_x}{{n^{\&prime;}}_y}\right)+\mathrm{\&pi;}---\left(7\right)$

④n′_x≥0且n′_y<0，裂缝形成时的倾向为北西向，此时：

${\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}=arctan\left(\frac{{n^{\&prime;}}_x}{{n^{\&prime;}}_y}\right)+2\mathrm{\&pi;}---\left(8\right)$

由得到的低级序断层的倾向，可以转换得到低级序断层的走向。

3.根据权利要求1所述的一种隆升区低级序断层发育规律定量预测方法，其特征在于：

所述的通过分析储层的周向力学参数的差异性，确定潜在的两组低级序断层的倾向是指在利用古地磁对岩心定向后，所述的第一种情况的应力状态，选取对应的岩心最大古主应力、最小古主应力剖面，钻取不同方向的小岩样进行力学实验，确定岩石的力学参数；所述的第二、三种情况的应力状态，选取岩心的最大主应力、最小主应力所在的平面，钻取不同方向的小岩样进行力学实验；通过岩石周向力学实验，确定储层力学薄弱方向，认为该方向为潜在的低级序断层的最优发育方向；从而实现低级序断层的走向定量预测。