CN107844614B - 断层潜在力学活动性预测方法和装置 - Google Patents

断层潜在力学活动性预测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种断层潜在力学活动性预测方法和装置，其中，方法包括：获取断层的三维应力场和三维空间数据模型；三维应力场和三维空间数据模型具有相同的三维坐标系；根据三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息；根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数；潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性。本发明提供的断层潜在力学活动性预测方法，提供了断层潜在力学活动性的定量预测方法，提升了断层潜在力学活动性的预测准确性。

Description

断层潜在力学活动性预测方法和装置
技术领域
本发明涉及地质力学领域，尤其涉及一种断层潜在力学活动性预测方法和装置。
背景技术
断层是岩层或者岩体顺破裂面发生明显位移的构造，断层在地壳中广泛发育，是地壳最重要的构造之一。在石油勘探开发过程中，断层既可以作为油气渗流通道，又可以为油气藏提供圈闭遮挡，因此，预测断层潜在力学活动性的强弱意义重大。
目前，对断层潜在力学活动性的预测有多种方法，例如：将浅层地震勘探、钻孔联合剖面探测以及野外地震地质调查相结合对断层的活动性进行预测；采用构造地质法、地貌法和测年法对断层的活动性进行预测；采用盆地模拟技术对断层的活动性进行预测，等等。
但是，上述方法对断层的活动性预测均属于定性或者半定量评价，无法形成关于对断层潜在力学活动性预测的定量评价标准。
发明内容
本发明提供一种断层潜在力学活动性预测方法和装置，提供了断层潜在力学活动性的定量预测方法，提升了断层潜在力学活动性的预测准确性。
本发明提供的断层潜在力学活动性预测方法，包括：
获取断层的三维应力场和三维空间数据模型；所述三维应力场和所述三维空间数据模型具有相同的三维坐标系；
根据所述三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据所述三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息；
根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数；所述潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性。
本发明提供的断层潜在力学活动性预测装置，包括：
第一获取模块，用于获取断层的三维应力场和三维空间数据模型；所述三维应力场和所述三维空间数据模型具有相同的三维坐标系；
第二获取模块，用于根据所述三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据所述三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息；
确定模块，用于根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数；所述潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性。
本发明提供一种断层潜在力学活动性预测方法和装置，方法包括：获取断层的三维应力场和三维空间数据模型，根据三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息，根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数。本发明提供的断层潜在力学活动性预测方法，通过将断层的现今应力场参数和产状信息相结合获得定量的潜在活动性指数，提供了断层潜在力学活动性的定量预测方法，提升了断层潜在力学活动性的预测准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的断层潜在力学活动性预测方法的流程图；
图2为本发明实施例一提供的断层潜在力学活动性预测结果的三维显示图；
图3为本发明实施例二提供的断层潜在力学活动性预测方法的流程图；
图4为本发明实施例一提供的断层潜在力学活动性预测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的断层潜在力学活动性预测方法的流程图。如图1所示，本实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法，可以包括：
步骤101、获取断层的三维应力场和三维空间数据模型。
其中，三维应力场和三维空间数据模型具有相同的三维坐标系。
具体的，断层的三维应力场是指断层所在空间的现今构造应力场，现今构造应力场是指存在的或者正在活动的构造应力场，可以反映出断层的应变状态随空间点的变化。断层的三维空间数据模型是指可以反映出断层在深部的几何形状的数据模型。
断层的三维应力场与三维空间数据模型具有相同的三维坐标系，因此，断层面上的同一个点在三维应力场中的三维坐标与其在三维空间数据模型中的三维坐标相同。
其中，三维坐标可以包括：横向坐标、纵向坐标和垂向坐标。横向坐标和纵向坐标指示了断层面上每个点在水平坐标平面上的坐标位置，垂向坐标指示了断层面上每个点在垂直方向上的深度。
需要说明的是，断层的三维应力场和断层的三维空间数据模型，可以是现有的任意一种实现形式，本实施例对此不加以限制。
步骤102、根据三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息。
可选的，现今应力场参数可以包括：水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力、孔隙压力和水平最大主应力方位。
可选的，产状信息可以包括：倾角、倾向和走向。
需要说明的是，对于断层面上每个点的现今应力场参数和产状信息，可以采用现有的任意一种实现形式和数据单位进行表示，本实施例对此不加以限制。
下面通过具体示例详细说明本步骤。
表1为根据三维应力场获取到的断层面上每个点的三维坐标和现今应力场参数。参见表1，每个点的三维坐标包括：X坐标(单位为米)、Y坐标(单位为米)和深度(单位为米)。每个点的现今应力场参数包括：水平最小主应力梯度(也表示为Sy_FCT，单位为Mpa/100m)、水平最大主应力梯度(也表示为Sx_FCT，单位为Mpa/100m)、垂向应力梯度(也表示为SV_FCT，单位为Mpa/100m)、孔隙压力系数(也表示为PPR_FCT)和水平最大主应力方位(也表示为AZIM，单位为度)。
表1
Figure BDA0001116079450000041
表2为根据三维空间数据模型获取到的断层面上每个点的三维坐标和产状信息。参见表2，每个点的三维坐标包括：X坐标(单位为米)、Y坐标(单位为米)和深度(单位为米)。每个点的产状信息包括：倾角(单位为度)、倾向(单位为度)和走向(单位为度)。
表2
Figure BDA0001116079450000042
Figure BDA0001116079450000051
步骤103、根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数。
其中，潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性。
具体的，将断层面上每个点的现今应力场参数和产状信息相结合对断层面上各个点的潜在力学活动性进行定量评估，通过每个点的潜在活动性指数定量的表示出断层面上每个点的潜在力学活动性。
可见，本实施例提供的潜在力学活动性预测方法，提供了断层潜在力学活动性的定量预测方法，通过将断层的现今应力场参数和产状信息相结合获得定量的潜在活动性指数，从而可以实现不同构造部位、不同期次、不同产状的断层活动性定量预测，提升了断层潜在力学活动性的预测准确性。
进一步，将本实施例提供的断层潜在力学活动性定量预测结果应用在石油勘探开发过程中的区带评价、圈闭评价、井点部署、储层改造、防底水锥进等工作中，可以提高单井产量和钻井成功率。将本实施例提供的断层潜在力学活动性定量预测结果应用在水利设施中，可以进行辅助选址，从而避免人类活动诱发地震，造成大型水利工程毁坏或地震引起的人身及财产损失。
可选的，本实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法，还可以包括：
根据预设分类标准将断层面上所有点的潜在活动性指数进行分类，获得分类结果。
将分类结果进行三维空间显示。
其中，预设分类标准根据需要进行设置，本实施例不做特别限制。
例如：断层面上每个点的潜在活动性指数的取值范围为大于等于0且小于等于1时，预设分类标准可以为：若潜在活动性指数大于等于0.8且小于1，则断层潜在力学活动性强；若潜在活动性指数大于等于0.5且小于0.8，则断层潜在力学活动性中等；若潜在活动性指数大于0且小于0.5，则断层潜在力学活动性弱。
其中，将分类结果进行三维空间显示，具体的显示规则根据需要进行设置，本实施例不做特别限制。
例如：显示规则可以为：将不同的分类用不同的颜色进行三维显示。假设采用上述的分类标准，则潜在活动性指数大于等于0.8且小于1可以用红色显示，潜在活动性指数大于等于0.5且小于0.8可以用蓝色显示，潜在活动性指数大于0且小于0.5可以用绿色表示。
又例如：显示规则可以为：将不同的分类用同一种颜色的不同灰度进行三维显示。假设采用上述的分类标准，可以采用黑色进行三维显示，且潜在活动性指数由0变化到1的过程，黑色的灰度逐渐增强，具体参见图2，图2为本发明实施例一提供的断层潜在力学活动性预测结果的三维显示图。
又例如：显示规则可以为：将不同的分类用不同的显示图案进行三维显示。
本实施例提供了一种断层潜在力学活动性预测方法，包括：获取断层的三维应力场和三维空间数据模型，根据三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息，根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数。本实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法，通过将断层的现今应力场参数和产状信息相结合获得定量的潜在活动性指数，提供了断层潜在力学活动性的定量预测方法，提升了断层潜在力学活动性的预测准确性。
图3为本发明实施例二提供的断层潜在力学活动性预测方法的流程图，本实施例在实施例一的基础上，提供了断层潜在力学活动性预测方法的另一种实现方式，尤其提供了实施例一中步骤103的一种具体实现方式。如图3所示，本实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法，步骤103，根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数，可以包括：
步骤201、根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的剪应力和正应力。
需要说明的是，在本步骤中，根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的剪应力和正应力，可以采用现有的任意一种算法实现，本实施例对此不做特别限制。
下面通过具体的公式，提供一种具体的实现方式，具体通过张量变换确定断层面上每个点的剪应力和正应力。
步骤A：通过公式(1)获取断层某一深部的应力。
Figure BDA0001116079450000071
其中，S1、S2、S3分别代表水平最大主应力、垂向应力、水平最小主应力中的最大应力、中间应力和最小应力。
步骤B：通过公式(2)和公式(3)得到地理坐标系中的应力。
Sg＝R'1SR1 (2)
Figure BDA0001116079450000072
其中，a、b和c为根据地理坐标定义的应力坐标的欧拉角，a为S1的走向，b为S1的俯冲角，c为S2的倾角。
如果S1是垂直应力，则a为SHmax的方向与π/2之差，b为S1的方向，c＝0。
步骤C：使用公式(4)和公式(5)，通过地理坐标系将应力张量投影在任意方向断层面上，再次利用张量变换计算断层面坐标系中的应力张量。
Sf＝R2SgR'2 (4)
Figure BDA0001116079450000073
其中，str为断层面上每个点的走向，dip为断层面上每个点的倾角，Sg()为地理坐标系应力矩阵。
步骤D：使用公式(6)计算断层面上每个点的剪应力τ，使用公式(7)计算断层面上每个点的正应力Sn。
τ＝Sr(3,1) (6)
Sn＝Sf(3,3) (7)
其中，
Sr＝R3SfR'3 (8)
Figure BDA0001116079450000081
其中，rake为旋转后应力张量中滑动矢量的倾斜度，Sf()、Sr()为断层面坐标系应力矩阵。
如果Sf(3，2)>0且Sf(3，1)>0或Sf(3，2)>0且Sf(3，1)<0，则上式中rake为：
Figure BDA0001116079450000082
如果Sf(3，2)<0且Sf(3，1)>0，则：
Figure BDA0001116079450000083
如果Sf(3，2)<0且Sf(3，1)<0，则：
Figure BDA0001116079450000084
步骤202、根据公式
Figure BDA0001116079450000085
确定断层面上每个点的临界开启压力。
其中，Sn为断层面上每个点的正应力，τ为断层面上每个点的剪应力，μ为断层裂缝面的滑动摩擦系数，Pc为断层面上每个点的临界开启压力。
其中，断层裂缝面的滑动摩擦系数根据需要进行设置，例如为0.6。
步骤203、根据公式
Figure BDA0001116079450000086
确定断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值。
其中，Pp为断层面上每个点的孔隙压力，Rτσn为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值。
步骤204、根据公式
Figure BDA0001116079450000091
确定断层面上每个点的潜在活动性指数。
其中，Rτσnmax为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最大值，Rτσnmin为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最小值，Pcmax为断层面上所有点的临界开启压力中的最大值，Pcmin为断层面上所有点的临界开启压力中的最小值，ζ1为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值的权重系数，ζ2为断层面上每个点的临界开启压力的权重系数，ζ1+ζ2＝1，FPAI为断层面上每个点的潜在活动性指数。
其中，ζ1和ζ2根据需要进行设置，只要满足ζ1+ζ2＝1即可，本实施例不做特别限制。
下面以具体数值为例详细说明，例如使用实施例一中的具体示例为例。参见表3，表3示出了本实施例计算获得的断层面上每个点的潜在活动性指数。其中，临界开启压力的单位为泥浆密度当量g/cm3。
表3
Figure BDA0001116079450000092
本实施例提供了一种断层潜在力学活动性预测方法，具体提供了一种确定断层面上每个点的潜在活动性指数的具体实施方式。本实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法，提供了断层潜在力学活动性的定量预测方法，提升了断层潜在力学活动性的预测准确性。
图4为本发明实施例一提供的断层潜在力学活动性预测装置的结构示意图，本实施例提供的断层潜在力学活动性预测装置，用于执行图1～图3任意实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法。如图4所示，本实施例提供的断层潜在力学活动性预测装置，可以包括：
第一获取模块11，用于获取断层的三维应力场和三维空间数据模型。三维应力场和三维空间数据模型具有相同的三维坐标系。
第二获取模块12，用于根据三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息。
确定模块13，用于根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数。潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性。
可选的，本实施例提供的断层潜在力学活动性预测装置还可以包括：分类模块和显示模块。
分类模块，用于根据预设分类标准将断层面上所有点的潜在活动性指数进行分类，获得分类结果。
显示模块，用于将分类结果进行三维空间显示。
可选的，确定模块13具体用于：
根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的剪应力和正应力。
根据公式
Figure BDA0001116079450000101
确定断层面上每个点的临界开启压力。其中，Sn为断层面上每个点的正应力，τ为断层面上每个点的剪应力，μ为断层裂缝面的滑动摩擦系数，Pc为断层面上每个点的临界开启压力。
根据公式
Figure BDA0001116079450000102
确定断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值。其中，Pp为断层面上每个点的孔隙压力，Rτσn为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值。
根据公式
Figure BDA0001116079450000103
确定断层面上每个点的潜在活动性指数。其中，Rτσnmax为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最大值，Rτσnmin为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最小值，Pcmax为断层面上所有点的临界开启压力中的最大值，Pcmin为断层面上所有点的临界开启压力中的最小值，ζ1为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值的权重系数，ζ2为断层面上每个点的临界开启压力的权重系数，ζ1+ζ2＝1。FPAI为断层面上每个点的潜在活动性指数。
可选的，现今应力场参数可以包括：水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力、孔隙压力和水平最大主应力方位。
可选的，产状信息可以包括：倾角、倾向和走向。
本实施例提供的断层潜在力学活动性预测装置，用于执行图1～图3任一方法实施例提供的断层潜在力学活动性预测方法，其技术原理和技术效果类似，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种断层潜在力学活动性预测方法，其特征在于，包括：
获取断层的三维应力场和三维空间数据模型；所述三维应力场和所述三维空间数据模型具有相同的三维坐标系；
根据所述三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据所述三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息；
根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数；所述潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性；
所述根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数，包括：
根据断层面上每个点的所述三维坐标、所述现今应力场参数和所述产状信息，确定断层面上每个点的剪应力和正应力；
根据公式
Figure FDA0002794479370000011
确定断层面上每个点的临界开启压力；其中，Sn为断层面上每个点的正应力，τ为断层面上每个点的剪应力，μ为断层裂缝面的滑动摩擦系数，Pc为断层面上每个点的临界开启压力；
根据公式
Figure FDA0002794479370000012
确定断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值；其中，Pp为断层面上每个点的孔隙压力，Rτσn为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值；
根据公式
Figure FDA0002794479370000013
确定断层面上每个点的所述潜在活动性指数；其中，Rτσnmax为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最大值，Rτσnmin为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最小值，Pcmax为断层面上所有点的临界开启压力中的最大值，Pcmin为断层面上所有点的临界开启压力中的最小值，ζ1为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值的权重系数，ζ2为断层面上每个点的临界开启压力的权重系数，ζ1+ζ2＝1；FPAI为断层面上每个点的所述潜在活动性指数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据预设分类标准将断层面上所有点的潜在活动性指数进行分类，获得分类结果；
将所述分类结果进行三维空间显示。
3.根据权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于，所述现今应力场参数包括：水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力、孔隙压力和水平最大主应力方位。
4.根据权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于，所述产状信息包括：倾角、倾向和走向。
5.一种断层潜在力学活动性预测装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取断层的三维应力场和三维空间数据模型；所述三维应力场和所述三维空间数据模型具有相同的三维坐标系；
第二获取模块，用于根据所述三维应力场获取断层面上每个点的现今应力场参数，以及根据所述三维空间数据模型获取断层面上每个点的产状信息；
确定模块，用于根据断层面上每个点的三维坐标、现今应力场参数和产状信息，确定断层面上每个点的潜在活动性指数；所述潜在活动性指数用于定量表示断层面上每个点的潜在力学活动性；
所述确定模块具体用于：
根据断层面上每个点的所述三维坐标、所述现今应力场参数和所述产状信息，确定断层面上每个点的剪应力和正应力；
根据公式
Figure FDA0002794479370000021
确定断层面上每个点的临界开启压力；其中，Sn为断层面上每个点的正应力，τ为断层面上每个点的剪应力，μ为断层裂缝面的滑动摩擦系数，Pc为断层面上每个点的临界开启压力；
根据公式
Figure FDA0002794479370000022
确定断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值；其中，Pp为断层面上每个点的孔隙压力，Rτσn为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值；
根据公式
Figure FDA0002794479370000023
确定断层面上每个点的所述潜在活动性指数；其中，Rτσnmax为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最大值，Rτσnmin为断层面上所有点的剪应力与有效正应力比值中的最小值，Pcmax为断层面上所有点的临界开启压力中的最大值，Pcmin为断层面上所有点的临界开启压力中的最小值，ζ1为断层面上每个点的剪应力与有效正应力比值的权重系数，ζ2为断层面上每个点的临界开启压力的权重系数，ζ1+ζ2＝1；FPAI为断层面上每个点的所述潜在活动性指数。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：分类模块和显示模块；
所述分类模块，用于根据预设分类标准将断层面上所有点的潜在活动性指数进行分类，获得分类结果；
所述显示模块，用于将所述分类结果进行三维空间显示。
7.根据权利要求5或6任一项所述的装置，其特征在于，所述现今应力场参数包括：水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力、孔隙压力和水平最大主应力方位。
8.根据权利要求5或6任一项所述的装置，其特征在于，所述产状信息包括：倾角、倾向和走向。
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