CN108343430A - 断层封闭性模糊数学综合定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种断层封闭性模糊数学综合定量评价方法。包括以下步骤：（1）单因素选取及定量计算；（2）单因素权重系数和隶属度；（3）优化的模糊评价矩阵，采用连续分级隶属函数构建的单因素评价矩阵；（4）模糊评价结果及其分析，采用离散函数法对单因素隶属度评价矩阵直接赋值。有益效果是：改进后的评价结果既反映目标层段整体封闭性，又能表征可能的局部封闭性。这体现了断层封闭的非均一性，更能胜任复杂情况下的断层封闭性评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种油气田地质勘探，特别涉及一种断层封闭性模糊数学综合定量评价方法。
背景技术
断层对油气运聚起着非常重要的作用，大型断层通常可以成为油气田的边界，控制着油气的聚集，小型断层常对油气起到局部分隔的作用，其在一定程度上增大了油气勘探的难度，并在开发过程中增加了布井密度。因此，断层封闭性的研究成为了油气勘探开发领域极为重要的内容之一。
断层的封闭性研究是从圈闭理论发展而来，并通过研究断层对烃类的封闭机理、断层两侧物性参数等逐步发展而来。目前对断层封闭性的研究主要是通过不同的数学原理和模型，考虑可能导致断层封闭的多种封闭机理和单因素，对断层是否封闭进行定量识别和预测。随着石油地质理论体系的不断完善，国内外学者逐渐认识到断层封闭性问题不仅仅受控于一个或两个因素，而是同时受多个因素的共同控制。对断层封闭性单因素定量化研究的逐渐深入，促使人们尝试了许多数学理论方法来综合定量评价断层封闭性，主要有非线性映射法、灰色关联法、逻辑信息法、断层连通概率法、模糊综合评价法。然而，这些方法中部分关键参数难以取得问题，而且具有较强的区域性，常引入人为因素进行赋值或调整。因此，学者们尝试多种数学方法逐步优化，使得这些参数趋于合理。其中，模糊综合评价法系统性强，结果清晰，被众多学者接受并不断改进。本次研究在模糊综合评价原理的基础上，通过动态聚类法建立单因素隶属度，利用连续分级函数构建单因素评价矩阵，以优化模糊综合评价法中评价级的概率分布。之后，以XX盆地西北缘车排子凸起上的一条断层为例，对该断层垂向上和走向上的封闭性进行了优化评价，并将结果与油气勘探成果进行了对比、检验。
影响断层封闭性的原理包括主应力封闭模式、岩性配置封闭模式、泥岩滑抹封闭模式、时间配置封闭模式、产状配置封闭模式等（刘泽荣，1998）；单因素包括断层性质、断面压力、岩性配置、断层倾角、泥岩涂抹、断层活动时期等。因此，断层封闭性面对众多影响因素表现出非常强的复杂性和随机性。而模糊数学评价法可以考虑影响断层封闭性的多种单因素，利用模糊变换和最大隶属度原则进行综合评价，通过该数学方法的模糊性有效识别断层的封闭性。该数学方法的流程如下：首先，依据区域地质概况及断层发育情况，选取影响断层封闭性的单因素并量化，即可得到单因素量化矩阵Un×1（n为单因素数量）；然后，根据断层封闭性评价的一般划分，以及研究区的要求，划分评价级的数量（m）；之后，依据评价级数量和工区油气勘探成果建立单因素隶属度矩阵V1×m，并以V1×m为标准评价Un×1，构建模糊评价矩阵Rn×m=Un×1•V1×m；各单因素对断层封闭性的重要性或贡献不相同，当给出各单因素的权重矩阵W1×n后，即可得模糊评价矩阵B1×m=W1×n•Rn×m；最终，模糊评价矩阵B1×m中最大值即为其对应的评价级。
然而，上述流程中众多参数的获取方法众多，前人研究也经历了定性到定量，并不断优化的过程。其中，影响断层封闭性的单因素众多，但前人研究总会包括断层性质、断面压力、断层两侧岩性配置、泥岩涂抹这几项。评价级可以根据研究需要进行三级、四级，甚至五级划分，基本为好、较好、中等、较差和差。单因素隶属度获取的方法包括离散函数法和连续函数法两种，前者适用于定性化的单因素隶属度，如断层性质；后者适用于定量化的单因素隶属度，如断面压力值。权重系数获取的方法包括专家调查法、层次分析法、德尔菲法、权重矩阵法等。单因素的权重系数越大，则表明该单因素对断层封闭性的影响越大。模糊综合评价的数学模型包括加权平均型、主因素突出型、主因素决定型等。加权平均型可以考虑多种单因素，避免信息丢失；主因素凸出型和主因素决定型强调主控因素，防止干扰因素；在断层封闭性评价中，众多学者常采用加权平均型。然而，上述参数的确定一定要结合研究区实际油气地质条件，并与该区专家讨论、修正，才能有效预测断层封闭性，降低勘探风险。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种断层封闭性模糊数学综合定量评价方法。
本发明提到的一种断层封闭性模糊数学综合定量评价方法，包括以下步骤：
（1）单因素选取及定量计算
选取断层F1为研究对象分析垂向、走向上的封闭性差异，故只选取具有对比意义的断面正应力（σ）、断层性质、砂地比（N/G）和断裂带充填物泥质含量（Rm）四个单因素，同时，选取了垂直于F1断层的4条地震剖面，通过时深转换，得到4条地质剖面；并在此基础上，利用测井资料恢复岩性剖面，以此获得上述单因素的定量和定性值；
（2）单因素权重系数和隶属度
单因素权重系数在不同地区差异性较大，即具有区域性强的特点，故本发明采用专家调查法确定了断面正应力（w 1）、断层性质（w 2）、砂地比（w 3）、断裂带充填物泥质含量（w 4）4个单因素的权重系数；利用动态聚类法将上述四个单因素的值分为好、较好、较差、差4个分类，并将各分类中最大值和最小值作为隶属度的边界值；
（3）优化的模糊评价矩阵
采用连续分级隶属函数构建的单因素评价矩阵；
（4）模糊评价结果及其分析
采用离散函数法对单因素隶属度评价矩阵直接赋值，当评价级的赋值R=（好 较好 较差 差）=（1 0.66 0.33 0）。
上述步骤3中，连续分级隶属函数构建，其计算过程如下：首先，根据N/G的隶属度确定S(i)，即S(1)=0.3，S(2)=0.55，S(3)=0.8，然后，计算各相邻评价级别的界限值，即分级代表值e(i)。
本发明的有益效果是：断层封闭性评价是关乎油气勘探开发的重要环节之一，而模糊综合评价是在综合众多单因素评价基础上建立的一种系统性较强的断层封闭性评价方法。由于传统方法在建立单因素隶属度中人为因素较大，构建单因素评价矩阵中对评价级采用赋值法，使得模糊评价值单一，导致评价结果仅能反映目标层段。笔者引入动态聚类法确定单因素隶属度，利用连续分级函数构建单因素评价矩阵，从而确定出最优的综合评价矩阵，进行断层封闭性模糊评价。对比改进前后模糊评价和评价结果，并对照目前油气的分布规律，认为两者评价结果发生了较大变化。对于绝对“好”或“差”层段的断层封闭性，其评价结果较为统一。对于“较好”或“较差”层段的断层封闭性，改进前评价结果与油气显示一致性差；而改进后的评价结果既反映目标层段整体封闭性，又能表征可能的局部封闭性。这体现了断层封闭的非均一性，更能胜任复杂情况下的断层封闭性评价。
附图说明
附图1是本发明的研究区构造位置及岩性剖面选择线示意图；
附图2是III剖面的断层封闭性评价及油气成藏示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本发明提到的一种断层封闭性模糊数学综合定量评价方法，包括以下步骤：
（1）单因素选取及定量计算
选取断层F1为研究对象分析垂向、走向上的封闭性差异，故只选取具有对比意义的断面正应力（σ）、断层性质、砂地比（N/G）和断裂带充填物泥质含量（Rm）四个单因素，同时，选取了垂直于F1断层的4条地震剖面，通过时深转换，得到4条地质剖面；并在此基础上，利用测井资料恢复岩性剖面，以此获得上述单因素的定量和定性值；
（2）单因素权重系数和隶属度
单因素权重系数在不同地区差异性较大，即具有区域性强的特点，故本发明采用专家调查法确定了断面正应力（w 1）、断层性质（w 2）、砂地比（w 3）、断裂带充填物泥质含量（w 4）4个单因素的权重系数；利用动态聚类法将上述四个单因素的值分为好、较好、较差、差4个分类，并将各分类中最大值和最小值作为隶属度的边界值；
（3）优化的模糊评价矩阵
采用连续分级隶属函数构建的单因素评价矩阵；
（4）模糊评价结果及其分析
采用离散函数法对单因素隶属度评价矩阵直接赋值，当评价级的赋值R=（好 较好 较差 差）=（1 0.66 0.33 0）。
上述步骤3中，连续分级隶属函数构建，其计算过程如下：首先，根据N/G的隶属度确定S(i)，即S(1)=0.3，S(2)=0.55，S(3)=0.8，然后，计算各相邻评价级别的界限值，即分级代表值e(i)。
实施例2，以车排子凸起东北部F1断层为例进行阐述：
车排子凸起东北部F1断层为例（图1），应用上述改进前与改进后方法对主要目的层断层封闭性进行了评价，以便充分说明改进后断层封闭性综合评价方法较改进之前更加合理。车排子凸起位于准噶尔盆地西北缘的南端，是隶属于准噶尔盆地西部隆起的次一级构造单元，东临昌吉凹陷和中拐凸起，南临四棵树凹陷，西北依扎伊尔山（图1）。车排子凸起优越的油源条件和有利的油气运聚趋势，使得该区成为油气聚集的良好场所，且油气层主要集中在白垩系（K）、新近系沙一段（N1s1）。其中，发育在其东北部的北东向延伸的F1断层是一条非常重要的控油断层，其封闭性能直接影响了该区油气成藏。该断层NNE走向，经历了燕山期近EW向挤压和喜山期NWW向伸展。剖面上，断层在白垩系及基底中为逆断，在新生界为正断，整体表现为负反转构造。
（1）单因素选取及定量计算
由于研究区经历多期构造演化，其内发育多类型、多产状的断层，而每一条断层的构造演化差异造成影响其封闭性的单因素众多，且单因素的权重系数亦不同。但是，本文只选取断层F1为研究对象分析垂向、走向上的封闭性差异，故只选取具有对比意义的断面正应力（σ）、断层性质、砂地比（N/G）和断裂带充填物泥质含量（Rm）四个单因素。同时，选取了垂直于F1断层的4条地震剖面（位置见图1），通过时深转换，得到4条地质剖面；并在此基础上，利用测井资料恢复岩性剖面，以此获得上述单因素的定量和定性值（表1）。
断面正应力是表征断层开启程度的重要表征参数，是断层封闭性的关键性因素。通常，其值是上覆地层的重力和区域主压应力的矢量和，且包含断层倾角的影响因素。断层F1剖面呈铲式，断面正应力自上而下逐渐增大，断层封闭性逐渐变好。但是，车排子凸起处于前陆盆地的斜坡带，整体埋藏较浅，断面压力整体较小。
一般来说，在压性、剪性和压剪性应力中形成的断层封闭性均较好，张性、张剪性断层封闭性较差。断层F1为负反转断层，且在新近纪为张性。但是，断层产状上陡下缓，变化明显。即区域张应力水平，可以使新近系段“陡”断层表现为张性，但不能完全使白垩系段“缓”断层完全表现为张性。这种变化亦体现在白垩系段断面压力明显大于新近系段。而且，断层白垩系段经历过挤压变形，其断层结构、泥岩涂抹等产生的封闭性还是要优于张性断层。因此，断层在新近系段赋值为“张性”，在白垩系段赋值“压性”。
砂泥岩对置是油气侧向封堵的一种重要方式。在断层错动中，若某一段砂泥对置，则断层在该段封闭；若某一段砂砂对接，则断层该段不封闭。而表征砂泥岩对置可能性的参数为砂地比，即某套地层中砂岩与该地层的厚度比，亦称净毛比。当砂地比大时，砂砂对接的可能性大，断层封闭性差；反之，断层封闭性好。但是，该单因素不考虑断层滑动产生的断距因素，故增加如下单因素。
断层在位移、错动过程会形成断裂带，当断裂填充物以泥质为主时，其更易塑性流动并压实成岩，能够侧向封堵油气；当断裂带充填物以砂岩为主时，其致密程度差且孔渗条件好，易成为油气运移通道。据此，付广等（2012）改造由G. Yielding等（1997）提出的断层泥比率（SGR），并以断层带泥岩厚度与断距和断移地层厚度之和的比值，即断裂带充填物泥质含量（Rm）以表征断层封闭性。由于断层F1负反转，白垩系段的泥岩存在反复涂抹断面的过程。因此，白垩系段断裂带充填物泥质含量是挤压和伸展两期的和。挤压和伸展两期的断距由构造剖面恢复获得。
表1 F1断层单因素定量计算值
（2）单因素权重系数和隶属度
单因素权重系数在不同地区差异性较大，即具有区域性强的特点。而且确定该系数的众多方法皆以专家调查法为基础，故本发明采用了专家调查法确定了断面正应力（w 1）、断层性质（w 2）、砂地比（w 3）、断裂带充填物泥质含量（w 4）4个单因素的权重系数（表2）。值得一提，该区油气发现井的地层压力异常，而空井或水井正常，即压力对油气成藏敏感，故断面正应力的权重系数最大。
表2 车排子东北部地区断层封闭性单因素权重系数
本次研究共统计了F1断层附近85口钻井的测井数据及其对应的油气显示情况，并计算了所有井的四个单因素的值。以此为样本，利用动态聚类法将上述四个单因素的值分为好、较好、较差、差4个分类，并将各分类中最大值和最小值作为隶属度的边界值。之后，通过与油田专家讨论，对隶属度做出微调，最终结果见表3。
表3 研究区单因素隶属度表
（3）优化的模糊评价矩阵
由于本发明动态聚类方法在断层封闭性综合评价中的最大优势就是建立单因素评价矩阵，为了说明改进前和改进后单因素评价矩阵建立的过程，本文以I剖面的沙湾组一段为例建立单因素矩阵为例进行分析说明。
改进之前，通常采用离散函数法和连续函数法对单因素隶属度评价矩阵直接赋单一值。如当沙湾组一段的N/G为0.56时，最大隶属度评级为“较差”，离散函数法则可能在该级别直接赋值0.5，而连续函数法则经过某公式得到0.3，二者的单因素隶属度评价矩阵分别为RN/G =（0.5）或（0.3）。然而，0.56虽然评级为“较差”，但亦接近评级“较好”，即0.56应在“较好”的评级中有概率评价。而改进之前的单因素隶属度评价矩阵未体现这种过渡类型中的程度。
连续分级隶属函数构建的单因素评价矩阵可以解决上述问题，改进之后的计算过程如下：首先，根据N/G的隶属度确定S(i)，即S(1)=0.3，S(2)=0.55，S(3)=0.8。然后，计算各相邻评价级别的界限值，即分级代表值e(i)：
最后，当沙湾组一段的N/G 为0.56时，计算单因素评价矩阵：e(2)<0.56<e(3)，
改进之后，沙湾组一段的砂地比评价矩阵为
RN/G =（0 0.46 0.54 0）
沙湾组一段的四因素综合评价矩阵为：
（4）模糊评价结果及其分析
采用上述改进后的模糊评价方法，对F1断层垂向上和走向上的封闭性进行了评价，结果见表4。其中，I、II、III、IV剖面是沿断层走向上自南而北的过井剖面，白垩系（K）、沙湾组一段（N1s1）、沙湾二段（N1s2）和沙湾组三段（N1s3）为断层垂向上自下而上的层段。评价结果显示，白垩系段断层的评价结果均为“好”，但概率最大仅为0.58，指示油气运移至下盘后能够封闭油气，但上盘仍具含油的可能。沙湾组一段的评价结果为“较差”或“差”，且评价级的概率较为分散，表现出上、下盘均含油的模糊性。沙湾组二段的评价结果均为“好”，且区域调查显示该段为稳定分布的泥岩层，即该层段为区域盖层。沙湾组三段的评价结果均为“差”，而录井显示该段为砂砾岩段，且研究区内亦未在该层段发现油气显示。
表4 F1断层封闭性评价
注：表中“-”为无钻井测试数据或井未钻遇该层位。
为对比改进前后模糊评价的变化及对评价结果的影响，本文采用离散函数法对单因素隶属度评价矩阵直接赋值。当评价级的赋值R=（好 较好 较差 差）=（1 0.66 0.330），模糊评价及其评价结果见表4。对比可以看出，白垩系、沙湾组二段和沙湾组一段的模糊评价值变化较大，但评价结果一致。这表明，采用不同方法评价绝对“好”或“差”层段的断层封闭性，其评价结果基本不变。但是，沙湾组一段的模糊评价值和评价结果在改进前后相差较大，且改进前的评价结果与上、下盘的油气显示结果并不匹配。比如III剖面的N1s1段，改进前的评价结果为较差，但上、下盘都含油；而改进后，评价级的概率分布比较分散，指示油气运移至下盘后可能在局部封堵段成藏，在局部开启段则运移至上盘成藏（图2）。上述分析表明，对于断层封闭的模糊性较强，勘探风险性较大的层段，改进后的方法更具优势。
本次研究采用动态聚类方法建立各单因素的隶属度。该方法的原理是依据大样本数据，先粗略地进行预分类，再逐步调整，直到获得合理分类；之后，各分类中的最大值和最小值即为隶属度的范围值。对于断层封闭性研究而言，其单因素隶属度建立的方法如下：首先，建立该工区某一单因素的大容量样本及其对应的油气显示；然后，以油气显示的好、较好、较差、差为标准，确定对应断层泥比率隶属度的范围值，即将该区断层泥比率这个单因素进行聚类。聚类中，最大值和最小值即为隶属度的范围界限值。而所谓动态聚类，即利用动态聚类原理逐步调整到合理的过程。该方法的优点是以研究区油气地质为样本，具有区域特征值，与研究区断层封闭性更具相关性，且具有一定预测性。
通过动态聚类法确定单因素隶属度后，需对实例单因素值进行全评价级的评价，以建立单因素评价矩阵。因为，单因素隶属度的划分S(i)只给出了单因素对封闭性好、差的区间，而未将单因素的值针对各区间进行概率评价。比如“好”和“差”的范围分别为（1-0.5）、（0.5-0），若单因素值为0.7则不能单纯的认为是“好”，而需概率评价，即“好”占70%，“差”占30%。而e(i)则是再次进行概率评价的边界值。具体方法如下：首先，单因素对断层封闭性好坏的划分一般确立一个数值范围S(i)；然后，确定单因素对断层封闭性的评价必须确定各相邻类别的界限值，即分级代表值e(i)，该值按如下原则确定（赵和平，2001）：
断层性质、断层泥比率等与断层封闭性不一定成线性关系。但是，结合单因素隶属度分析认为，其具有分段函数关系。根据牛顿迭代原理，可以假定单因素评价标准r(x)为线性分段函数，逐次逼近求解。那么，采用如下方法确定单因素对断层评价标准的模糊子集：
将N个单因素评价指标得到的模糊子集构成模糊集：
本发明的有益效果是：断层封闭性评价是关乎油气勘探开发的重要环节之一，而模糊综合评价是在综合众多单因素评价基础上建立的一种系统性较强的断层封闭性评价方法。由于传统方法在建立单因素隶属度中人为因素较大，构建单因素评价矩阵中对评价级采用赋值法，使得模糊评价值单一，导致评价结果仅能反映目标层段。笔者引入动态聚类法确定单因素隶属度，利用连续分级函数构建单因素评价矩阵，从而确定出最优的综合评价矩阵，进行断层封闭性模糊评价。对比改进前后模糊评价和评价结果，并对照目前油气的分布规律，认为两者评价结果发生了较大变化。对于绝对“好”或“差”层段的断层封闭性，其评价结果较为统一。对于“较好”或“较差”层段的断层封闭性，改进前评价结果与油气显示一致性差；而改进后的评价结果既反映目标层段整体封闭性，又能表征可能的局部封闭性。这体现了断层封闭的非均一性，更能胜任复杂情况下的断层封闭性评价。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种断层封闭性模糊数学综合定量评价方法，其特征是包括以下步骤：
（1）单因素选取及定量计算
选取断层F1为研究对象分析垂向、走向上的封闭性差异，故只选取具有对比意义的断面正应力（σ）、断层性质、砂地比（N/G）和断裂带充填物泥质含量（Rm）四个单因素，同时，选取了垂直于F1断层的4条地震剖面，通过时深转换，得到4条地质剖面；并在此基础上，利用测井资料恢复岩性剖面，以此获得上述单因素的定量和定性值；
（2）单因素权重系数和隶属度
单因素权重系数在不同地区差异性较大，即具有区域性强的特点，故本发明采用专家调查法确定了断面正应力（w 1）、断层性质（w 2）、砂地比（w 3）、断裂带充填物泥质含量（w 4）4个单因素的权重系数；利用动态聚类法将上述四个单因素的值分为好、较好、较差、差4个分类，并将各分类中最大值和最小值作为隶属度的边界值；
（3）优化的模糊评价矩阵
采用连续分级隶属函数构建的单因素评价矩阵；
（4）模糊评价结果及其分析
采用离散函数法对单因素隶属度评价矩阵直接赋值，当评价级的赋值R=（好 较好 较差 差）=（1 0.66 0.33 0）。
2.根据权利要求1所述的断层封闭性模糊数学综合定量评价方法，其特征是：步骤3中，连续分级隶属函数构建，其计算过程如下：首先，根据N/G的隶属度确定S(i)，即S(1)=0.3，S(2)=0.55，S(3)=0.8，然后，计算各相邻评价级别的界限值，即分级代表值e(i)。
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