CN111856573A - 一种古应力反演方法及石油地质勘探设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种古应力反演方法及石油地质勘探设备，所述方法包括：数据采集步骤、通过地震数据精细解释、获取断层几何参数，对断裂分级进行活动性质分析、断层滑动趋势计算、偏差计算和循环查找得到最优古应力方位和相对大小，其中古应力恢复步骤为选定一个初始应力状态进行滑动趋势计算，计算此应力状态下滑动趋势与断距分布的偏差值，通过应力循环查找得到具有最小偏差值的古应力状态，即为所求古应力。本发明在油气工业领域普遍适用，其利用地震解释得到的断层断距数据，而不用知道断层滑动方向信息即可进行古应力反演；本发明的所得到的数据在油气工业领域很容易获取，本发明操作简单，可靠性高，具有很好的可实施性。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘测技术领域，具体涉及一种古应力反演方法及石油地质勘探设备。
背景技术
地应力是引起各种地下变形和破坏的根本作用力，其相关理论被广泛运用于油气勘探开发的各个环节之中。地应力包括地质历史时期的地应力(称为古地应力)和现今地应力。在油气工业领域，油气运移和聚集成藏多发生在古地质时期，因此古应力的预测对油气勘探开发具有重要意义。
例如中国专利申请CN201711383904.7公开了一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法，其通过不同地区储层矿物含量、TOC含量以及岩石力学参数测定，分析矿物含量与岩石力学参数的相关性，进而确定三维岩石力学参数分布，建立有限元非均质地质力学模型，进行古应力释放率模拟，利用建立的裂缝密度计算模型，实现裂缝密度三维分布预测。
在另外的一篇专利(专利申请号NO20110444A1，申请日2011年3月24日，发明人“MAERTEN FRANTZ、MAERTEN LAURENT”)中，公开了一种系统模拟地下地球体积的线性独立远场应力模型，基于独立应力张量的叠加计算应力，应变和位移值；其基于预先计算的值，当用户改变远场应力值时，该系统产生地下体积中任意点的古应力值或应力，应变和位移参数的实时恢复；所述系统使用断层几何学、井筒数据(裂缝定向和次级断层平面数据)、GPS、InSAR、褶皱和断层层位、倾斜仪，滑动和断层线来恢复一个或多个构造事件，或由主量值和相关定向的比率表示的应力张量；所述系统使用来自地震解释，井筒读数和现场观测的不同地质数据来提供许多结果，例如基于扰动应力场的预测裂缝传播。
目前古应力反演应用较多的如地震震源机制、古应力标志及微地震等多种方法，这些方法对野外地质露头、岩心数据有严格的要求，需要知道应力作用下的断层滑动方向，但是断层滑动方向数据获取比较困难，尤其在油气工业领域中，断层数据都是通过地震数据解释获得，地震解释过程中可以很容易获得断层产状和断距等几何信息，但对于其滑动方向无法直接获取，所以基于断层滑动方向数据的古应力反演方法在油气工业领域难以应用。
基于上述情况，亟需一种能够利用地震解释等常规地球物理数据建立反演古地应力的方法及设备。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提供一种古应力反演方法及石油地质勘探设备，本发明利用地震解释得到的断层断距数据，利用最小二乘法循环查找，得到能使计算的断层滑动趋势值与断距值的达到最佳匹配的古应力状态，即为古应力反演方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种古应力反演方法，其步骤如下：
a、地震数据精细解释；
b、断层几何参数获取；
c、断裂分级与活动性质分析；
d、断层滑动趋势计算；
e、偏差计算；
f、循环查找得到最优古应力方位和相对大小。
进一步地，所述步骤a的具体方法是：利用三维地震资料，对地层和断层进行精细解释，绘制断层平面分布图，利用水平叠加时间剖面的层位解释绘制等T0构造图，经过空间校正转换为深度构造图。
进一步地，所述步骤b的具体方法是：对目的断层的断层走向、倾向、倾角、断距和延伸长度进行统计，当沿着走向断层展布有发生变化的区段，进行分段统计。
进一步地，所述步骤c的具体方法是：根据步骤b中统计得到的断层断距，绘制断层面断距等值图，系统剖析断裂再活动规律，恢复断裂生长演化史，明确目的层活动和不活动的断裂，通过构造解析划分不同的构造期，根据断层展布方位初步判定构造伸展方向，对断层断距进行分级归类，记录断层数据中最大的断距值，分级后的断裂分别根据断层产状在赤平投影图上进行投影。
进一步地，所述所述步骤d的具体方法是：
首先假定一个初始应力状态(σ1、σ2、σ3的方位和相对大小)，根据公式(1)计算目的层位各断层的滑动趋势，并对各断层的滑动趋势计算值进行记录，同时记录数据中滑动趋势值的最大值和最小值。
(1)式中，σ1为垂向最大主应力、σ2为水平最大主应力和σ3为水平最小主应力，k1＝σ2/σ1，k2＝σ3/σ1，δ为断层面法线的倾伏角，λ为断层面倾向与σ3的倾伏向的夹角。
进一步地，所述所述步骤e的具体方法是：
按照公式(2)和(3)将各断层的断距和滑动趋势值进行归一化处理，以实现滑动趋势与断距两类数据的直接对比，
NTh＝Throw/Throw max (2)
NTs＝(Ts-Tsmin)/(Tsmax-Tsmin) (3)
式中，NTh为归一化后的断距，NTs为归一化后的滑动趋势，Throw为断层断距，Throw max为最大断距，Tsmin为最小滑动趋势，Tsmax为最大滑动趋势，
将归一化后的各断层滑动趋势与断层断距大小进行比对，根据公式(4)开展偏差计算，此偏差函数设定了两个限定条件:(a)如果断层断距很大而滑动趋势值较小，则偏差较大；(b)如果断距小，滑动趋势值较大，则偏差较小，
进一步地，给定某一应力状态下，可以求得一个区域内N条断层的滑动趋势值，将这N个滑动趋势大小分布与对应的断层断距进行比对，每条断层都有一个偏差，将这N个数据点的偏差平方和记为ψ，则有：
ψ＝∑ε2 (5)。
进一步地，所述步骤f的具体方法是：重新选取一个应力状态，重复偏差计算，找到具有最小的ψ值的对应应力状态，即为所求古应力。
本发明还公开了一种石油地质勘探设备，包括支撑板，所述支撑板的四个边角处均铰接有支撑杆，所述支撑杆上均连接有连接杆，所述连接杆内设有内螺纹孔且两个内螺纹孔旋向相反，相对的两根连接杆之间设有连接螺杆，所述连接螺杆的两端分别与相对的两根连接杆的内螺纹孔螺纹连接，所述连接螺杆的中部固定有转动手柄，所述支撑板上固定有地质勘探仪和测量组件。
进一步地，每根所述支撑杆上设有滑动孔，所述滑动孔内插接有滑杆，所述滑杆的下端设置为锥形，所述支撑杆的侧壁上螺纹连接有限位螺栓。
本发明方法就是利用地震解释数据，通过评价一个给定应力状态下，断层的滑动趋势值与断距值的匹配程度；计算一个给定应力状态对应的偏差值，之后随着应力状态的变化重复进行偏差计算，然后寻找具有最小偏差对应的应力状态；多种非线性回归方法可以用来实现最小误差值的计算；另外，石油地质勘探设备中通过转动转动手柄可以带动连接螺杆转动，连接螺杆通过连接杆可以带动支撑杆转动，从而可以调节支撑杆与支撑板的角度，不使用时可以将支撑杆转动到竖直状态，便于收纳。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的目标层位的断裂构造图；
图2是不同级次断距断裂的赤平投影图；
图3是对应图2断裂数据的应力反演结果及最终应力状态下的滑动趋势赤平投影图；
图4为本发明一实施例的流程图；
图5为本发明保密实验案例中古应力状态下的断面滑动趋势图；
图6为本发明保密实验案例中应用实例验证及未钻探区预测；
图7为一种石油地质勘探设备的结构示意图。
附图标记：1、转动手柄；2、连接螺杆；3、连接杆；4、内螺纹孔；5、支撑杆；6、滑杆；7、限位螺栓；8、测量组件；9、地质勘探仪；10、支撑板。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明公开了一种古应力反演方法及石油地质勘探设备，所述方法包括：数据采集步骤、通过地震数据精细解释、获取断层几何参数、，对断裂分级进行活动性质分析、断层滑动趋势计算、偏差计算和循环查找得到最优古应力方位和相对大小，其中古应力恢复步骤为选定一个初始应力状态进行滑动趋势计算，计算此应力状态下滑动趋势与断距分布的偏差值，通过应力循环查找得到具有最小偏差值的古应力状态，即为所求古应力。本发明在油气工业领域普遍适用，其利用地震解释得到的断层断距数据，而不用知道断层滑动方向信息即可进行古应力反演；本发明的所得到的数据在油气工业领域很容易获取，本方法操作简单，可靠性高，具有很好的可实施性。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1示出了根据地震解释数据，经过地层和断层精细解释，对地层和断层进行精细解释，绘制断层平面分布图，利用水平叠加时间剖面的层位解释绘制等T0构造图，经过空间校正转换为深度构造图；在三维地震精细解释的基础上，对目的层断层几何学特征参数进行统计包括断层走向、倾向、倾角、断距、延伸长度；对于沿着走向断层展布有发生变化的区段，这些参数要分段统计。根据统计得到的断层断距，绘制断层面断距等值图，系统剖析断裂再活动规律，恢复断裂生长演化史，明确目的层活动和不活动的断裂，通过构造解析划分不同的构造期，根据断层展布方位初步判定构造伸展方向，对断层断距进行分级归类，记录断层数据中最大的断距值，分级后的断裂分别根据断层产状在赤平投影图上进行投影。
图2为不同级次断距断裂的赤平投影图，从图1中可以看出断距大于50米的断层总体呈NW向分布，断距小于50m的断层NWW向展布与高断距断裂方位存在明显分区，断距越大断层在赤平投影图上的分布越靠近圆心，说明高角度断层活动性强，易于活动积累了较大的断距。
在本发明实施过程中，先假定一个初始应力状态(σ1、σ2、σ3的方位和相对大小)，包括应力的方位和相对大小，然后计算此应力状态下的断层滑动趋势Ts。按照下述公式(1)，经过坐标转换，可以得到地理坐标系统中断层的滑动趋势。
将目的层位各断层的滑动趋势计算出来之后，对各断层的滑动趋势计算值进行记录，同时记录数据中滑动趋势值的最大值和最小值。
公式(1)中，σ1为垂向最大主应力、σ2为水平最大主应力和σ3为水平最小主应力，k1＝σ2/σ1，k2＝σ3/σ1，δ为断层面法线的倾伏角，λ为断层面倾向与σ3的倾伏向的夹角。
NTh＝Throw/Throw max (2)
NTs＝(Ts-Tsmin)/(Tsmax-Tsmin) (3)
公式(2)、公式(3)中，NTh为归一化后的断距，NTs为归一化后的滑动趋势，Throw为断层断距，Throw max为最大断距，Tsmin为最小滑动趋势，Tsmax为最大滑动趋势。
按照前述公式(2)和公式(3)将各断层的断距和滑动趋势值进行归一化处理，归一化意味着数值从0-1，以实现滑动趋势与断距两类数据在数学上的直接对比。
将归一化后的各断层滑动趋势与断层断距大小进行比对，根据前述公式(4)开展偏差计算，此偏差函数设定了两个限定条件:(a)如果断层断距很大而滑动趋势值较小，则偏差较大；(b)如果断距小，滑动趋势值较大，则偏差较小。
ψ＝∑ε2 (5)
给定某一应力状态下，可以求得一个区域内N条断层的滑动趋势值，将这N个滑动趋势大小分布与对应的断层断距进行比对，每条断层都有一个偏差，按照前述公式(5)，将这N个数据点的偏差平方和记为ψ。
重新选取一个应力状态，重复偏差计算，设定X(正整数)次后结束，随着应力状态的变化重复进行偏差计算，然后寻找最小偏差对应的应力状态，返回次数设置为X后，找到具有最小的ψ值的对应应力状态，即为所求古应力。古应力反演算法就是根据上述最小二乘法计算与实际断裂断距分布最匹配的滑动趋势，确定对应的应力状态，换而言之即是找到具有最小的ψ值的对应应力状态。
图3展示了对应图2中收集的断裂几何数据的应力反演结果，及在此应力状态下计算的滑动趋势赤平投影图。经过计算获得σ3方位N140o，σ2方位N50o，此方位与北东向断裂展布是匹配的，也验证了计算结果的准确性。
依据图4所示框图，通过地震数据精细解释，获取断层几何参数，根据断层断距大小和分布特征，对断层进行分级归类，同时分析断裂生长活动规律，选定一个初始应力状态进行滑动趋势计算，计算此应力状态下滑动趋势与断距分布的偏差值，通过应力循环查找得到具有最小偏差值的古应力状态，即为所求古应力。
古应力恢复有助于预测地层中的裂缝分布，解释断层活动性质，分析断裂对流体流动的控制作用。因此，本发明对指导油田钻前圈闭风险性评价具有重要的意义，可以更准确的指导有利区勘探。
采用本发明进行保密性实验，在实际断层型油气藏钻探之前利用本发明对圈闭保存的完整性进行了评价，预测结果也得到了钻探证实。具体保密性实验如下：
保密实验的案例为“渤海湾盆地束鹿凹陷Jx区块圈闭保存条件评价”。案例涉及的区块位于渤海湾盆地束鹿凹陷西部斜坡上，是一个顺向断层控制的断鼻构造，构造形态清晰，圈闭落实，构造位置位于有效源岩范围之内，是油气勘探的重点靶区。区域上，沙三段暗色泥岩为本区油气成藏的主力烃源岩，油气成藏期为东营组末期至馆陶组早期，油气从源岩生成后向储层运聚过程中，断裂对油气的聚集和调整具有重要作用，成藏期活动且沟通源储的断层可以作为油气向储层运移的输导通道，但如果断裂在成藏期之后再活动可能就会造成油气藏的破坏，油气发生渗漏。
Jx区块控制圈闭的边界断裂为长期活动断裂，该断裂于东营组沉积后(成藏期之后)在构造应力作用下被重新激活，发生再活动，断裂向上生长延伸，切割了上覆馆陶组地层，为了评价圈闭的完整性，在古应力反演的基础上开展断层活动性定量表征，预测油藏得以保存或渗漏的部位，指导油气勘探。
实验过程：
(1)地震解释及断层几何参数获取
对评价区地层和断层精细解释，对地层和断层进行精细解释，编制馆陶组底部构造图，在此基础上，对区域断层几何学特征参数进行统计包括断层走向、倾向、倾角、断距等。
(2)断层规模分级与滑动趋势计算
本断裂断距在30-120m范围，以10m为一个区间，对断裂进行分级，统计并区分高断距与低断距断裂的展布方向的差异。
在滑动趋势计算实施过程中，先假定一个初始应力状态，由于σ1为垂直地表方向保持不变，而σ2与σ3互余，因此只需不断变换σ2一个方位参数，σ3的方位可以用过换算求得。初始状态下假定σ2从方位角00开始，以0.5度为步长，顺时针循环。应力相对大小从0-1，以0.1为步长参与循环计算，计算并记录各断裂对应不同应力状态下的滑动趋势，同时记录数据中滑动趋势值的最大值和最小值。
(3)偏差计算与应力反演结果
按照前述发明内容中的公式(5)，计算对应各应力状态下滑动趋势与断裂断距分布的偏差，记得到所求古应力。经过上述方法计算得到评价区油气成藏期后的古应力状态为：σ2方位N50o，σ3方位N140o，σ2方位N50o，应力相对大小的应力比为0.38。
(4)古应力状态下的控圈断裂滑动趋势评价
Jx区块控圈断裂在油气成藏期后发生再活动，为了明确断裂活动对油藏保存的控制作用，在古应力反演的基础上，计算了对应应力状态下的断面滑动趋势，结果如图5所示，由于断层面往往是不规则的形态，所以对于单条断层来说不同部位滑动趋势值分布是不均匀的。滑动趋势越大，代表断层越容易活动，油藏被破坏的可能性越大。
(5)模型验证及未钻探区预测
在滑动趋势计算的基础上，对该区Es32层圈闭完整性进行了评价。边界断裂的控圈区段具有滑动趋势分布的差别，表明断层活动性质存在差异。将滑动趋势值沿着断层走向投影到断裂的控圈区段上，如图6所示，可以看出圈闭两端对应断层滑动趋势高，中间存在一个滑动趋势低值带。岩石的摩擦系数一般在0.6-0.8范围内，所以滑动趋势大于0.8的区域认为是断层的强活动区域，圈闭渗透风险性高，而中部滑动趋势一般在0.4-0.8，滑动趋势值相对较低，断层活动弱，圈闭保存条件好。据此如图6所示，，在平面上对圈闭的钻探有利区域和不利于钻探的风险区进行了预测。后期油田部署了两口校验井，其中J69井位于不利区域内钻井证实Es32段储层为水层，J105-39井位于钻探预测有利区内，钻井证实Es32段储层为工业油层，实际钻探结果与预测结果一致。
本发明还公开了一种石油地质勘探设备，如图7所示，其包括支撑板，支撑板的四个边角处均铰接有支撑杆，支撑杆上均连接有连接杆，连接杆内设有内螺纹孔且两个内螺纹孔旋向相反，相对的两根连接杆之间设有连接螺杆，连接螺杆的两端分别与相对的两根连接杆的内螺纹孔螺纹连接，连接螺杆的中部固定有转动手柄，支撑板上固定有地质勘探仪和测量组件；通过转动转动手柄可以带动连接螺杆转动，连接螺杆通过连接杆可以带动支撑杆转动，从而可以调节支撑杆与支撑板的角度，不使用时可以将支撑杆转动到竖直状态，便于收纳；地质勘探仪和测量组件用于检测地质；由于支撑杆设置有四根，相对的两根支撑杆之间的连接螺杆之间错开。
为了使地质勘探仪能够稳固的放置在较为松软的地方，每根支撑杆上设有滑动孔，滑动孔内插接有滑杆，滑杆的下端设置为锥形，支撑杆的侧壁上螺纹连接有限位螺栓，将滑杆的锥形部位移出滑槽，此时可以通过锥形部位将滑杆插入到较为松软的泥地，使地质勘探仪放置更加的稳固。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种古应力反演方法，其特征在于：步骤如下：
a、地震数据精细解释；
b、断层几何参数获取；
c、断裂分级与活动性质分析；
d、断层滑动趋势计算；
e、偏差计算；
f、循环查找得到最优古应力方位和相对大小。
2.根据权利要求1所述的一种古应力反演方法，其特征在于：所述步骤a的具体方法是：利用三维地震资料，对地层和断层进行精细解释，绘制断层平面分布图，利用水平叠加时间剖面的层位解释绘制等T0构造图，经过空间校正转换为深度构造图。
3.根据权利要求1所述的一种古应力反演方法，其特征在于：所述步骤b的具体方法是：对目的断层的断层走向、倾向、倾角、断距和延伸长度进行统计，当沿着走向断层展布有发生变化的区段，进行分段统计。
4.根据权利要求3所述的一种古应力反演方法，其特征在于：所述步骤c的具体方法是：根据步骤b中统计得到的断层断距，绘制断层面断距等值图，系统剖析断裂再活动规律，恢复断裂生长演化史，明确目的层活动和不活动的断裂，通过构造解析划分不同的构造期，根据断层展布方位初步判定构造伸展方向，对断层断距进行分级归类，记录断层数据中最大的断距值，分级后的断裂分别根据断层产状在赤平投影图上进行投影。
5.根据权利要求4所述的一种古应力反演方法，其特征在于：所述所述步骤d的具体方法是：
首先假定一个初始应力状态，计算σ1、σ2、σ3的方位和相对大小；根据公式(1)计算目的层位各断层的滑动趋势，并对各断层的滑动趋势计算值进行记录，同时记录数据中滑动趋势值的最大值和最小值，
公式(1)中，σ1为垂向最大主应力、σ2为水平最大主应力和σ3为水平最小主应力，k1＝σ2/σ1，k2＝σ3/σ1，δ为断层面法线的倾伏角，λ为断层面倾向与σ3的倾伏向的夹角。
6.根据权利要求5所述的一种古应力反演方法，其特征在于：所述所述步骤e的具体方法是：
按照公式(2)和公式(3)将各断层的断距和滑动趋势值进行归一化处理，以实现滑动趋势与断距两类数据的直接对比，
NTh＝Throw/Throw max (2)
NTs＝(Ts-Tsmin)/(Tsmax-Tsmin) (3)
式中，NTh为归一化后的断距，NTs为归一化后的滑动趋势，Throw为断层断距，Throw max为最大断距，Tsmin为最小滑动趋势，Tsmax为最大滑动趋势，
将归一化后的各断层滑动趋势与断层断距大小进行比对，根据公式(4)开展偏差计算，此偏差函数设定了两个限定条件:(a)如果断层断距很大而滑动趋势值较小，则偏差较大；(b)如果断距小，滑动趋势值较大，则偏差较小，
7.根据权利要求6所述的一种古应力反演方法，其特征在于：给定某一应力状态下，可以求得一个区域内N条断层的滑动趋势值，将这N个滑动趋势大小分布与对应的断层断距进行比对，每条断层都有一个偏差，将这N个数据点的偏差平方和记为ψ，则有：
ψ＝∑ε2 (5)。
8.根据权利要求7所述的一种古应力反演方法，其特征在于：所述步骤f的具体方法是：重新选取一个应力状态，重复偏差计算，找到具有最小的ψ值的对应应力状态，即为所求古应力。
9.一种石油地质勘探设备，其特征在于：包括支撑板，所述支撑板的四个边角处均铰接有支撑杆，所述支撑杆上均连接有连接杆，所述连接杆内设有内螺纹孔且两个内螺纹孔旋向相反，相对的两根连接杆之间设有连接螺杆，所述连接螺杆的两端分别与相对的两根连接杆的内螺纹孔螺纹连接，所述连接螺杆的中部固定有转动手柄，所述支撑板上固定有地质勘探仪和测量组件。
10.根据权利要求9所述的一种石油地质勘探设备，其特征在于：每根所述支撑杆上设有滑动孔，所述滑动孔内插接有滑杆，所述滑杆的下端设置为锥形，所述支撑杆的侧壁上螺纹连接有限位螺栓。
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