CN110390175A - 基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气勘探技术领域，公开了基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，在一次建模有限元分析结果中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，将被充注的浅层低地应力区分割出来，建立二次模型，按一次建模分析流程分析，查看浅断裂模型地应力低值位置，该位置为油气富集区，一般处于该位置为高产油气井。因此，本发明提供的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，能够精确预测油气富集区带和具体的成藏部位。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探技术领域，尤其是涉及一种基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法。
背景技术
自有石油地质学以来，学者们便认识到构造对油气藏的控制作用，形成了典型的背斜控油理论、断块控油理论等体系，成功地指导了油气勘探。地质构造之所以能控藏，很大程度上由于不同构造位置上的地应力大小所致，与周围的围岩相比，处于地应力相对低的部位易富集成油气藏，因此可通过对现今地应力分析来预测油气成藏部位。
地应力分析有很多种分析方法，应用最为广泛的是根据构造形态及断层的接触关系所做的几何物理学分析方法，但这种方法精度太低，能解释宏观上构造与背景因素的地应力关系，但不能精确地显示某一个具体的位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其能够精确预测油气富集区带和具体的成藏部位。
本发明公开的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，包括以下步骤：
S1：获取被测区块的断层、层位数据以及测井数据；
S2：根据断层、层位数据以及测井数据建立三维地质实体模型为一次建模；
S3：将一次建模建立的实体模型导入到有限元软件中，并添加岩石动态物理参数；
S4：添加边界条件、划分网格，并在位移矢量云图中添加位移矢量箭头，其中位移矢量箭头的方向就是断块运动的方向；
S5：在每层的构造图高程对比：位移矢量箭头在坐标系Z轴上正方向的投影与构造图高程高的地方相符，位移矢量箭头在坐标系Z轴上负方向的投影与构造图高程低的地方相符，则表示分析结果准确，进入步骤S6，否则回到步骤S1；
S6：压应力作为地应力，输出地应力云图，在地应力云图中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，将被充注的浅层低地应力区分割出来，作为建立二次模型的依据；
S7：二次建模，按S3-S5的分析流程分析；
S8：压应力作为地应力，输出地应力云图，其中浅断裂模型地应力低值位置为油气富集区。
通过采用上述技术方案，深部流体做地质构造动力来源，将深断裂作为一个约束条件，作为一次建模的基础，深断裂是深部流体的来源通道，在一次建模有限元分析结果中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，然后将被充注的浅层低地应力区分割出来，建立二次模型；
二次建模按一次建模分析流程分析，二次建模查看浅断裂模型地应力低值位置，该位置为油气富集区，一般处于该位置为高产油气井。
在一些实施方式中，一次建模范围上至地表下至莫霍面，二次建模范围上至地表下至结晶基底。
在一些实施方式中，S1中断层、层位数据通过地震解释、重、磁、电数据解释断层及地层数据获取，测井数据为被测区块所有解释过的井头、井轨迹、测井数据。
通过采用上述技术方案，本发明提供的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，将深部流体做地质构造动力来源，将深断裂作为一个约束条件，作为建模的基础，深断裂是深部流体的来源通道。
在一些实施方式中，S2具体为：将S1得到的被测区块的断层、层位数据导入地质建模软件，生成断层面和地层面，反复清除异常点后加入测井数据，生成地质构造图；将形成的地质构造图通过地质建模软件转换为DXF格式，通过人机交互导入三维实体建模软件形成特征小平面，再通过逆向设计建立三维地质实体模型。
在一些实施方式中，S3中所述岩石动态物理参数为垂深、密度、泊松比、杨氏模量，岩石动态物理参数数据的来源于测井数据。
在一些实施方式中，S3还包括：
S31：采用测井数据和纵波时差计算横波时差Δts；
S32：通过纵波时差及横波时差计算泊松比μ；
S33：通过测井数据中、纵波时差及横波时差计算杨氏模量E；
S34：线性回归，将被测区块中各井的垂深对应的岩石动态物理参数做两个自变量和一个因变量的线性回归，两个自变量为井坐标，一个因变量为岩石动态物理参数，将回归公式整理在相应的垂深后，该数据作为有限元分析三维地质模型的岩石动态物理参数。
在一些实施方式中，S31中横波计算公式如下：
式中：
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
ρ为岩石密度，来源于测井数据；
e为是自然对数的底数，值为e＝2.718281828459。
在一些实施方式中，S32中泊松比计算公式如下：
式中：
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
Δts为岩石横波时差。
在一些实施方式中，S33中杨氏模量计算公式如下：
式中：
ρ为岩石密度，来源于测井数据；
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
Δts为岩石横波时差。
在一些实施方式中，S4中边界条件包括：模型低层垂向位移为零，水平位移自由、模型地面施加上覆岩层压力、断层为相互接触以及四周面水平位移为零，垂向自由
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法的有益技术效果为：
1.利用三维地质数据进行中两次建模。一次建模为建立深断裂和浅断裂一体化模型，二次建模为浅断裂模型，在一次建模有限元分析结果中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，然后将被充注的浅层低地应力区分割出来，建立二次模型；二次建模按一次建模分析流程分析，二次建模查看浅断裂模型地应力低值位置，该位置为油气富集区，一般处于该位置为高产油气井；
2.通过提出应力圈闭的概念，不同于以往的地层圈闭、构造圈闭、岩性圈闭等以某层岩性标志或岩石几何学形态标志作为圈闭标志，应力圈闭以地应力值的大小为圈闭标志，地应力值高区(正值区)为圈闭边界，地应力值低区(负值区)为圈闭内含油气范围。
附图说明
图1本发明提供的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
有限元分析法是一种可以精确的计算很小范围内地应力的量化分析方法。有限元方法是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元分析法把地质模型离散成有限个单元，地质模型的单元是各种形状(如三角形、四边形、六面体等)的单元体，每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数，根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散代数方程组就得到有限元分析法的数值解，该数值解就是地应力分布状态。
通过有限元法对地应力进行研究进而预测油气成藏部位是20世纪90年代以来国际石油地质学界的前沿研究课题，中国石油地质学界在1997年前后对此展开过攻关研究，当时的研究者们应用有限元法对辽河油田冷124井区进行地应力预测，预测分析的准确率高达90％以上。充分证明了有限元法分析地应力来预测油气藏有利部位的有效性。
在此以后，中国对这方面的研究停滞不前，究其原因，一是当时的计算机计算能力远不如现在计算机，有限元地应力分析软件太少，导致无法做大数据的运算，影响计算精度；第二是基础地质理论对地应力理解仅限于小范围的地质体的地应力关系，尚未从根本上认识构造成因及地应力作用过程与分布原理的地球动力学概念，因此对于大范围的地质体的地应力关系，缺乏统一的理论基础。
2013年以来，计算机技术取得了飞跃的发展，进入了云计算时代，运算能力大幅度的提升，也产生了数十种有限元分析工具软件，为地应力的分析提供了全新的技术基础；同时地球科学也发生了革命性的进展，出现了以幔汁(HACONS)辐射学说为代表新的地球动力学。该学说对深部构造与浅部构造形成了统一的系统建模，对构造成因与成藏过程统一解释，使成藏过程学与成藏地应力学有了统一的理论基础。
幔汁即地幔中高挥发性流体，其主要成分为H(氢元素、卤族元素)、A(碱金属，钠、钾等)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、S(硫元素)组成的超临界流体，不断地从地核通过地幔向上辐射，下地幔主要为氢型幔汁，中地幔为碱型幔汁，进入地壳为氧型幔汁。高温高压的幔汁是构造运动的重要动力，其作用后造成地幔岩石圈与地壳的溃变，地幔和地壳中大体形成六个溃变层，自深向浅依次为：
(1)上地幔溃变层底辟体顶界面，控制岩石圈的构造；
(2)莫霍溃变面，底板垫托面，控制大陆漂移；
(3)下地壳流动层或溃变塑变面，控制造山、造陆、造盆；
(4)中地壳韧性剪切带，伸展或拆离构造的滑脱溃变面，控制厚皮构造；
(5)上地壳铲状断裂溃变面，控制薄皮构造；
(6)表层构造蚀变溃变面，陡立者较多，是热液作用形成矿的主要构造。
幔汁不仅控制了地壳构造运动，其中的H和A(碱元素)还是地壳各类岩石中微裂缝和次生孔隙重要的成因，因此，也是控制油气储集物性的重要因素。在幔汁地质作用的理论基础之上，可建立从地层深部到浅部的统一的地应力系统，为应用有限元方法预测油气富集区带和具体的成藏部位提供了全新的理论基础。
本发明提供的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法就是以幔汁辐射理论为基础，依托已有的有限元分析软件为工具，创建的一种全新的油气勘探方法，如图1所示，其步骤包括：
S1：识别深断裂：获取被测区块的断层、层位数据以及测井数据，断层、层位数据通过地震解释、重、磁、电数据解释断层及地层数据获取，测井数据为被测区块所有解释过的井头、井轨迹、测井数据。
S2：根据断层、层位数据以及测井数据建立三维地质实体模型为一次建模，一次建模为建立深断裂和浅断裂一体化模型，其具体步骤为：
一次建模范围上至地表下至莫霍面，将S1得到的被测区块的断层、层位数据导入地质建模软件，生成断层面和地层面，反复清除异常点后加入测井数据，生成地质构造图；将形成的地质构造图通过地质建模软件转换为DXF格式，通过人机交互导入三维实体建模软件形成特征小平面，再通过逆向设计建立三维地质实体模型。三维地质实体模型整体呈规则的长方体，方便在有限元软件中定位坐标系，添加岩石动态物理参数。
S3：将一次建模建立的实体模型导入到有限元软件中，移动坐标系至规则的三维地质实体模型位置，方便添加岩石动态物理参数。有限元分析方法中添加三维地质实体模型的岩石物理参数来源于测井数据，测井数据来源于该区块所有解释过的井头、井轨迹、测井数据整理，主要用测井数据中的垂深、密度和纵波声波时差代入下面公式中计算得到岩石动态参数，生成带平滑线的散点图，然后检测异常点并删除，作为有限元中实体模型岩石动态物理参数数据。另外模型添加线弹性材料的本构关系为泊松比与杨氏模量，因此，获取数据需要得到岩石动态参数为垂深、密度、泊松比、杨氏模量。
具体的，S3包括：
S31：采用测井数据和纵波时差计算横波时差Δts，
横波计算公式如下：
式中：
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据，由于测井数据中列项数量多，生成带平滑线的散点图便于检测异常点，并与校正后的测井解释成果图反复对比，清除异常点尤为重要。处理完成后，将数据整理在表格中；
ρ为岩石密度，来源于测井数据，清除异常点，由于测井数据中列项数量多，生成带平滑线的散点图便于检测异常点，反复清除异常点，查看平滑线的散点图，直到与实际相符，处理完成后，将数据整理在表格中；
e为是自然对数的底数，直接在EXCL表格中的公式计算整理e，表格默认数值为2.718281828459；
Δts是横波时差，用上面的公式在表格中整理计算得到，由于测井数据中列项数量多，生成带平滑线的散点图便于检测异常点，反复查看异常点与平滑线的散点图，找出异常点的原因是公式整理的问题还是参数公式参数出现错误，直到与实际相符。处理完成后，将数据整理在表格中。
S32：通过纵波时差及横波时差计算泊松比μ，
泊松比计算公式如下：
式中：
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
Δts为岩石横波时差；
μ是岩石的泊松比，根据上面的公式计算得到，由于测井数据中列项数量多，生成带平滑线的散点图便于检测异常点，反复查看异常点与平滑线的散点图，找出异常点的原因是公式整理的问题还是参数公式参数出现错误，直到与实际相符，处理完成后，将数据整理在表格中。
S33：通过测井数据中、纵波时差及横波时差计算杨氏模量E，
杨氏模量计算公式如下：
式中：
ρ为岩石密度，来源于测井数据；
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
Δts为岩石横波时差；
E是杨氏模量，根据上面的公式计算得到，由于测井数据中列项数量多，生成带平滑线的散点图便于检测异常点，反复查看异常点与平滑线的散点图，找出异常点的原因是公式整理的问题还是参数公式参数出现错误，直到与实际相符。处理完成后，将数据整理在表格中。
S34：线性回归，
将被测区块中所有井通过上面的公式计算得到岩石物理动态参数，在构造图上仔细标定并检查其坐标是否正确，将数据在表格中整理完成后保存，将被测区块中各井的垂深对应的岩石动态物理参数放在相应的工作表，做两个自变量和一个因变量的线性回归，两个自变量为井坐标，一个因变量为岩石动态物理参数，将回归公式整理在相应的垂深后，该数据作为有限元分析三维地质模型的岩石动态物理参数。将整理的表格中岩石动态物理参数垂深、密度、泊松比、杨氏模量在有限元软件中分段插值，将线性回归公式加载于三维实体地质模型上。
值得注意的是，通过测井数据代入上述公式计算的岩石动态参数不能满足建模时，从岩样实验或者查询岩石物理参数获取岩石动态参数。
S4：添加边界条件、划分网格，并在位移矢量云图中添加位移矢量箭头，其中位移矢量箭头的方向就是断块运动的方向，其具体包括：
S41：边界条件，具体依据实体模型的实际情添加的条件如下：
(1)模型低层垂向位移为零，水平位移自由；
(2)模型地面施加上覆岩层压力；
(3)断层为相互接触；
(4)四周面水平位移为零，垂向自由；
S42：划分网格
地质实体模型在断裂周围控制网格分布更为规则和密集，通过查看网格雅克比，确保矩阵计算过程中结果收敛；
S43：后处理
在计算结果中，替换表达式，并添加绘图组，在位移矢量云图添加体箭头。得出位移矢量图和地应力云图及地应力栅状图。
S5：验证结果：位移矢量体箭头就是断块运动的方向，与已知层的构造图高程进行对比：位移矢量箭头在坐标系Z轴上正方向的投影与构造图高程高的地方相符，位移矢量箭头在坐标系Z轴上负方向的投影与构造图高程低的地方相符，则表示分析结果准确，进入步骤S6，否则回到步骤S1。
S6：浅层低地应力区预测：压应力作为地应力，输出地应力云图，携带油气的深部流体在深断裂脉冲式充注过程中发生构造运动和岩石变形，岩石的变形产生体积变化，使岩层的原始地应力增加或减少。在地应力云图中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，将被充注的浅层低地应力区分割出来，作为建立二次模型的依据。
S7：二次建模，按S3-S5的分析流程分析，(二次建模范围上至地表下至结晶基底，将沉积层建立三维地质实体模型)；
S8：预测油气富集区：压应力作为地应力，输出地应力云图，其中浅断裂模型地应力低值位置为油气富集区。
地应力是油气聚集的主要动力，尤其是成藏期地应力场直接控制油气聚集和分布，携带油气的深部流体在深断裂脉冲式充注过程中，发生构造运动和岩石变形，岩石的变形产生体积变化，使岩层的原始地应力增加或减少，本发明提供的可以精确的计算很小范围内地应力的量化分析方法，在一次建模有限元分析结果中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，然后将被充注的浅层低地应力区分割出来，建立二次模型，二次模型按一次建模分析流程分析，查看浅断裂模型地应力低值位置，该位置为油气富集区，一般处于该位置为高产油气井。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取被测区块的断层、层位数据以及测井数据；
S2：根据断层、层位数据以及测井数据建立三维地质实体模型为一次建模；
S3：将一次建模建立的实体模型导入到有限元软件中，并添加岩石动态物理参数；
S4：添加边界条件、划分网格，并在位移矢量云图中添加位移矢量箭头，其中位移矢量箭头的方向就是断块运动的方向；
S5：在每层的构造图高程对比：位移矢量箭头在坐标系Z轴上正方向的投影与构造图高程高的地方相符，位移矢量箭头在坐标系Z轴上负方向的投影与构造图高程低的地方相符，则表示分析结果准确，进入步骤S6，否则回到步骤S1；
S6：压应力作为地应力，输出地应力云图，在地应力云图中，深部流体充注沿着深断裂地应力低值区脉冲式充注，将被充注的浅层低地应力区分割出来，作为建立二次模型的依据；
S7：二次建模，按S3-S5的分析流程分析；
S8：压应力作为地应力，输出地应力云图，其中浅断裂模型地应力低值位置为油气富集区。
2.根据权利要求1所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，一次建模范围上至地表下至莫霍面，二次建模范围上至地表下至结晶基底。
3.根据权利要求1所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S1中断层、层位数据通过地震解释、重、磁、电数据解释断层及地层数据获取，测井数据为被测区块所有解释过的井头、井轨迹、测井数据。
4.根据权利要求3所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S2具体为：将S1得到的被测区块的断层、层位数据导入地质建模软件，生成断层面和地层面，反复清除异常点后加入测井数据，生成地质构造图；将形成的地质构造图通过地质建模软件转换为DXF格式，通过人机交互导入三维实体建模软件形成特征小平面，再通过逆向设计建立三维地质实体模型。
5.根据权利要求3所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S3中所述岩石动态物理参数为垂深、密度、泊松比、杨氏模量，岩石动态物理参数数据的来源于测井数据。
6.根据权利要求5所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S3还包括：
S31：采用测井数据和纵波时差计算横波时差Δts；
S32：通过纵波时差及横波时差计算泊松比μ；
S33：通过测井数据中、纵波时差及横波时差计算杨氏模量E；
S34：线性回归，将被测区块中各井的垂深对应的岩石动态物理参数做两个自变量和一个因变量的线性回归，两个自变量为井坐标，一个因变量为岩石动态物理参数，将回归公式整理在相应的垂深后，该数据作为有限元分析三维地质模型的岩石动态物理参数。
7.根据权利要求6所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S31中横波计算公式如下：
式中：
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
ρ为岩石密度，来源于测井数据；
e为是自然对数的底数，值为e＝2.718281828459。
8.根据权利要求6所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S32中泊松比计算公式如下：
式中：
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
Δts为岩石横波时差。
9.根据权利要求6所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S33中杨氏模量计算公式如下：
式中：
ρ为岩石密度，来源于测井数据；
Δtp为岩石的纵波时差，来源校正后的解释测井数据；
Δts为岩石横波时差。
10.根据权利要求1所述的基于地应力有限元的幔源油气富集区分析预测方法，其特征在于，S4中边界条件包括：模型低层垂向位移为零，水平位移自由、模型地面施加上覆岩层压力、断层为相互接触以及四周面水平位移为零，垂向自由。
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