基于体元构造建模方法的复杂断层封堵性研究

朱睿哲，王改革，严曙梅，孙 莉，金 璨，吕 鹏

（1.中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120；2.斯伦贝谢创新工场，北京 100016；3.昆仑数智科技有限责任公司，北京 100007）

断层封堵性是断层对地下流体的封闭能力，空间上包括断层的侧向封闭性和垂向封闭性。经过多年的发展，断层封堵性研究已经实现了定量描述[1]，主要研究内容包括断层几何特征分析 （断距、倾角与倾向）、断层两盘岩性对接关系分析（Allen图以及Knipe图等）、断面应力分析、断层岩泥质含量评价以及多参数综合评价等[2-4]。目前，断层封堵性的研究还只是停留在单一构造剖面分析以及典型的某几条断层分析的阶段，常常会对原始数据进行大量简化，并且分析流程复杂，工作量大，视角比较局限，分析结果也不准确。与此同时，随着油气勘探与开采难度的增大，越来越多的复杂构造油气藏需要进行断层封堵性分析，对研究精度的要求也在不断提高。虽然常规的角点网格建模方法可以通过建立较简单的地质模型来进行断层封堵性分析[5]，但是对复杂断块油气藏的断层封堵性评价还不能实现。复杂断块油气藏主要是指断层切割关系复杂的研究区块，常见的有Y、X、λ以及低角度逆断层等。这些断层的存在，会影响地震处理偏移归位的准确性，如果地震资料品质差，常常会导致地震解释质量较低。应用解释质量不高的断层和层位来构建各个断层之间的切割关系复杂的三维构造模型，其三维地质模型网格结果质量必然受到很大的影响，从而很难对全区的断层封堵性进行定量评价。基于体元的复杂构造地质建模技术就能够很好地解决三维网格质量问题，该方法的最大优点是不受限于地震解释成果的品质高低，且能够最大限度地与解释数据匹配，可有效满足油气田开发阶段的断层描述精度要求。

1 基于体元的复杂构造建模

断层封堵性研究的关键是构造模型，能否精确地反映断层在三维空间中的形态和接触关系决定了断层封堵性研究的准确与否。Allen图和Knipe图本质也是一种简化了断层细节的构造建模，因此这两种图件只能反映研究对象的断层封堵的理论模型和模式，并不能反映断层的局部细节。而被简化的断层细节特征，往往对开发阶段的油气田断层封堵性研究，具有极其重要的意义。

近年来，随着计算机技术的迅猛发展，诞生了基于体元的构造建模技术。基于体元的构造建模技术所使用的网格是非结构化的四面体网格，不同于角点网格技术所使用的六面体网格[6]。在模拟复杂物体外观方面，非结构化的四面体网格要比六面体更具有灵活性[7]。对于复杂断块油气藏构造建模来说，无论后期构造活动如何复杂，断层两盘同一地质历史时期形成的地质沉积体，其地层真厚度应该是统一的。针对这个特点，基于体元建模的基本理念是直接对沉积体的厚度空间变化特征进行建模。这个理念不同于传统的建模方法，传统的方法是对沉积层面进行建模。基于体元的构造建模方法的三大核心技术包括：创建三维Delaunay四面体网格、隐式方程建模以及地层层面提取[8]。

1.1 创建三维Delaunay四面体网格

根据已有的断层、地质层面以及地质分层等约束条件，使用受边界控制的三维 Delaunay 四面体网格算法得到非结构化的四面体网格。在断层和层面等输入数据附近使用高密度小尺寸网格，远离输入数据的部位使用尺寸较粗的网格。建模结果不仅能以最大的自由度接近真实的原始数据，表现出各向异性，还可以减少四面体网格密度，提高运算效率，除此之外，还可以辅助捕捉模型中地层厚度的变化规律，提高隐式方程插值效果 （图1(a)）；

1.2 隐式方程建模

图1 基于体元的构造建模原理示意图Fig.1 The basic theory of volume based structural modeling

首先建立隐式地层方程，根据输入数据得到输入数据处的反映等时地层空间相关性的隐式方程。然后在没有输入数据约束处，将隐式方程进行插值。插值所用的方法是线性最小二乘法，可以减小输入数据与插值结果的不匹配现象，并且也可以减少沉积地层厚度与倾角的局部突变。隐式建模的插值结果会存放在每个四面体网格中，因此，属于同一沉积时期的四面体网格，都会具有相同的隐式方程参数网格属性（图1(b)）。

1.3 地层层面提取

经过隐式方程建模以后，每个四面体子网格所对应的隐式方程的参数值都是已知的，每个等时沉积地层都可以被当做在隐式方程中的一段固定数值区间。因此只要知道每个网格所对应的隐式方程的数值区间，就可以知道该网格对应哪个沉积地层。将属于同一沉积时期的四面体网格的空间坐标都提取出来，形成地层层面。

该方法的优点是确保了在数据解释缺失的地区，也就是复杂构造地层断失的部位，地层建模结果一样连续。同时很好地解决复杂构造建模问题，真实地反映断层和地层的接触关系。从而为复杂构造模型断层封堵性分析奠定了重要的基础。

2 复杂断层封堵性研究

本次研究以北部湾盆地涠西南凹陷涠洲油田作为样本，对已探明的开发阶段复杂断块油气田进行断层封堵性研究的探索。研究区三维地震解释面积约100 km2，目的层最深处可达1 700 ms （2 200 m）。主要油气储层是古近系渐新统涠洲组地层的三角洲平原-前缘相砂岩沉积。整体上表现为隆凹相间、北断南超、垒堑共存的构造格局，研究目的层普遍发育正断层，局部由于地层后期隆升出现断层落差变小，由正变逆的现象。断层之间交切关系复杂，Y、X、λ类型断层交错关系十分普遍（图2）[9]。在研究区目的层一共解释了25条断距明显的断层以及8套主要的地质界面。根据这些数据，应用基于体元的构造建模方法，成功地建立了能够真实反应工区构造特征的三维构造模型，为断层封堵性研究提供了三维模型基础。

图2 研究区三维地震剖面Fig.2 The section of 3D seismic-profile in study area

2.1 断层面几何属性分析

断层面几何属性主要包括断层局部的倾角与倾向，是断层的重要特征。我们通常所说的断层倾角与倾向都是指每条断层整体的倾角与倾向，但是实际断层并非一个简单的斜面，断层面的每个部位局部产状都是不同的。通常规模比较大的断层，例如控圈断层或者区域性大断层常常表现为局部的断层倾角与倾向差异很大。这些异常区域，对于断层封堵性分析具有很重要的意义[10]。用三维断层模型来计算断层局部的倾角与倾向，不仅可以分析工区断层发育的期次与组系，还可以辅助验证断层解释的合理性。应用构造模型建模的成果计算得到的断层面局部倾角属性（图3），可以观察到近似垂直的断层面内部丰富的细节变化。研究区断层的中上部局部倾角较大，随着深度的增加，断面倾角呈现出逐渐变小的趋势。同一断层不同深度的局部倾角差异可达40°。

图3 断层面倾角计算结果三维显示Fig.3 The calculation results of the dip of faults in 3D

应用断层局部的倾角与倾向的计算结果，还可以分析断层面的受力分布。根据区域最大应力和最小主应力的大小、方向以及断层局部倾角计算结果，可以计算出断面局部的应力莫尔圆。再根据库仑破裂线，可以计算出每个网格应力莫尔圆与岩石破裂线最短距离。根据库伦破裂准则推测[11]，如果断层局部受力应力莫尔圆与库仑破裂线还有一定破裂距离，那么断层不活动（图4）；然而如果某些断层局部应力莫尔圆与库仑破裂线有交点，则可以判断该断层很可能处于活动状态。根据这个原理推测研究区浅层的断层再次活动的可能性不大，但是断层中部由于破裂距离较短，再次活动的可能性较大（图5）。

图4 破裂距离计算原理示意图Fig.4 Basic theory of distance to failure

2.2 断层面粗糙程度分析

大量野外实际地质考察证实断层面常常不是简单的斜面或者曲面，并且空间较小，平面长约0～1.0 km，高约1～100 m。而应用真实三维地震数据体解释的断层，通常在地表 1 000 m以下，高度普遍大于100 m，平面延伸长度普遍大于1.0 km。因此可以推测，断层面上普遍发育起伏不平的粗糙部位。

国外学者对断层面局部粗糙部位对封堵性的影响有研究（Knipe 1985）[12-14]。断面小规模的起伏和断面的弯曲程度直接影响到围岩的变形程度，另一方面，还可能由于地质历史时期断层的重复活动，地层反复受到延展和压缩，在断层局部凹凸的部位受到的应力集中，会导致在围岩中形成新的裂缝组系。总之，断层局部几何特征突变的部位，可以被看做是裂缝产生的部位。

应用基于体元的建模方法建立的三维构造模型可以真实地再现断层的形态，并且提供丰富的描述断层面粗糙程度的方法，常用的方法包括断层面曲率和断层边缘检测。断层面曲率是根据曲率计算公式，算出断层面上每个网格所对应的曲率，曲率值高的部位也就是断层面局部不光滑部位；另外一种描述方法是断层边缘检测[14]，该方法类似于断层面曲率属性，但是着重于反映断层产状在宏观上的变化，而曲率属性反映的是断层面产状细节的变化。断层面局部产状发生拐折的部位，容易产生裂缝，从而很可能是断层开启的部位（图6、图7）。

图5 破裂距离计算结果三维显示Fig.5 The calculation results of the distance to failure in 3D

2.3 断层与地层接触关系分析

断层面与两侧地层的接触关系是断层封堵性研究的重要内容，利用断层和层位统一网格化的三维构造建模技术所形成高精度网格，可以精确地计算断层与地层的接触关系。断层与地层接触关系研究内容包括断距分析、断层两侧地层厚度变化分析（生长断层或者走滑断层分析）以及断层反转趋势分析等。

断距分析包括垂直断距分析、视断距分析以及平错距分析。根据模型生成每条断层的断距与断层平面延伸长度的交汇图。根据这样的交汇图，研究人员不仅可以分析断层断距的变化情况，而且可以将一条断层的不同层位的断距进行组合，进而分析断层在不同层位的活动情况。应用模型得到的断距分析的最大优势是可以将细微的断距变化体现出来。研究区的断层M2的每一条曲线均是指断距随着断层平面的变化的规律，不同颜色的曲线是同一断层不同层位的断距变化（图8）。

图7 断层面边缘检测（上）与曲率计算结果（下）对比Fig.7 The comparison between the edge detection (up) and max curvature (down) in 3D

对于生长断层，在地层沉积时期，断层处于活动状态，导致同一时期形成的地层，断层两侧地层厚度差异较大，并且断层上升盘与下降盘的相对活动速率越高，断层两侧地层厚度差异越大；除此之外，对于走滑断层而言，由于断层发生了水平方向的移动，也可能造成在同一条垂直剖面上，断层两侧地层厚度变化剧烈的现象。三维构造模型可以计算得到断层两侧地层厚度的变化。图9展示的工区某断层两侧地层厚度的变化情况，同一条断层不同深度断层两盘岩石相对活动方向不同。

图8 单断层垂直断距与断层延伸长度交汇图Fig.8 The cross plot of throw and extend distance of a single fault

图9 断层两侧地层厚度变化计算结果三维显示Fig.9 The calculation results of cross-fault thickness change in 3D

2.4 断层两侧岩性对接分析

岩性对接封闭的研究是绘制断层面各个单元的岩性对接关系。传统断层两侧岩性对接分析方法是绘制单一断层的Allen图（断面岩性对接图）与Knipe图（传统单井三角图），两者结合即可定量分析断层两侧岩性对接的封闭性。随着地震反演技术的日益成熟，常规的砂泥岩地层的地震反演已经可以很好地预测出井间未知区砂泥岩的分布情况。将地震反演的结果采样到三维构造模型网格内，应用岩相建模的各种算法计算得到岩相模型，再对每条断层的岩性对接关系进行分析，就可以提高断层两侧岩性对接的分析精度（图10）。

图10 断层两侧岩性对接计算结果三维显示Fig.10 The calculation results of juxtaposition of faults in 3D

2.5 断层岩封堵能力分析

断层两盘地层在储层与储层对接的情况下有时依然是封闭的，这是由于断层岩的泥质含量较高。断层岩形成是在地层发生错动以后，地层的矿物颗粒被带入断层带内，在地层水的影响下，重新压实和胶结成岩。因此，断层岩的性质是不同于断层两侧的地层岩性的。由于断距的不同以及断层两侧岩性的差异，所形成的断层岩的泥质含量也有差异，诸多学者认为可支撑烃柱的高度与断层岩泥质含量有密切的关系（Yelding 1997，Freeman 1998）[15]。常用的描述断层岩泥质含量的指标包括断层泥比率（SGR）（Yelding1997）[16]、断层涂抹势及断层涂抹因子等Lindsay ( 1993)[17]。

封堵性分析的第一阶段是用Allen图来识别断层面上不同岩性对接的部位。第二阶段是评价断层岩是否能支撑两侧的压力差。本文的实际例子中，使用了断层泥比率和涂抹因子来描述断层岩的封堵能力。断层泥比率是泥岩层厚度与垂直断距的比值。泥岩涂抹因子是断距与泥岩层厚度比值。不同的断层都有不同的断层泥比率与断层涂抹因子。应用这两个参数可辅助评价断层是否封闭。如果我们从井上已经得知断层上下盘属于不同的压力系统，那么我们就必须应用井信息对这些封堵性参数进行校正。在三维地质岩相模型的约束下[18]，建立高精度的泥质含量模型，可以计算断层泥比率和断层泥质涂抹因子（图11、图12）。

泥岩涂抹使断层在侧向上形成封闭时，在垂向上未必能形成封闭[19]。断层在垂向上的封闭性取决于断裂填充物的封闭性。如果断裂填充物以泥岩为主或经过后期成岩作用，如压实作用、胶结作用以及氧化作用等，会形成孔渗性差、排替压力高的致密带，对油气垂向运移形成遮挡。相反，如果断裂填充物以砂质为主，后期又未经过成岩作用使其变成低孔低渗的致密带，那么它就不能成为油气垂向运移的遮挡物，因而不具有垂向封闭性。Bretan2003研究全球多个断块油气藏断层两侧流体压力数据后，总结出一套断层封闭能力与烃柱高度关系经验公式。根据断层岩泥质含量参数，再应用实验室的毛管力与泥质含量的函数关系进行转换，将泥质含量参数转换为断层岩的毛管力，从而计算出断层封闭烃柱高度[20]。

2.6 断层封闭能力综合评价

断层封堵性的好坏，仅仅依靠某一个单一指标来评估，是不全面的。应用三维地质模型可以以统一的尺度来从复杂构造断层的断层面几何特征、断层面粗糙程度、断层与地层接触关系、断层两侧岩性对接以及断层岩特征等方面对断层封堵性能进行研究。例如储层与储层岩性对接的情况下，断层看似是开启的，但是如果此处的断层泥比率很高，也有可能形成封堵。研究区在断层封堵性各项评价指标基础之上，应用神经网络算法可以进行分类，对断层封堵性进行综合分类评价。

图11 断层泥质涂抹因子计算结果三维显示Fig.11 The calculation results of the fault clay prediction in 3D

图12 断层SGR计算结果三维显示Fig.12 The calculation results of SGR in 3D

在本文的例子里，以一条断层的各类断层封堵性计算结果为例，选择了断层面局部倾角、断层边缘检测、断层泥比率以及泥质涂抹因子等 （图13(a)～图13(e)）结果来对断层封堵性进行综合评价。通过神经网络进行分类，可以将断层面不同部位的封堵性分为三类（图13(f)）。再将神经网络分类结果与各项评价指标进行交汇分析 （图14），可以总结出该不同的断层三类封堵能力分别有以下特征（表1）。该断层的1类封堵性具有低倾角、断层粗糙程度强、高断层泥比率和断层涂抹因子的特点；2类封堵性具有类封堵性具有高倾角、断层粗糙程度强、低断层泥比率和断层涂抹因子的特点；3类封堵性具有类封堵性具有低倾角、断层粗糙程度弱、低断层泥比率和断层涂抹因子的特点。不同类的封堵能力的强弱，还需要利用井的地下流体测压资料进行进一步的标定。

图13 单一断层面各项参数与神经网络分类结果展示Fig.13 The displays of each index and neural net classification results of a single fault

图14 神经网络分类结果与各项评价指标交汇图Fig.14 The intersections of each index with neural net classification results

表1 断层封堵性神经网络分类特征Table1 Classification features of the sealing capability of the fault with neural net classification results

3 结论

针对开发阶段对复杂断块油气藏精细化描述的研究难点，本文应用基于体元的构造建模方法，建立了一套反映研究区地质实际的高精度三维地质模型用于研究断层封堵性，比传统方法取得更直观更真实的研究结果。此方法一方面可以实现定量化地研究断层几何外观、断层面粗糙程度、断层与两侧地层的接触关系、断层两侧岩性对接关系以及断层岩封堵性等参数；另一方面，应用三维地质模型可以将所有的断层封堵性参数统一存储到断层网格中这个优点，可以进一步对各类断层封堵性的评价指标进行神经网络聚类分析，对断层面局部的封堵性进行分类，并且根据各项封堵性指标之间的交汇图总结不同分类的特征。为后续油气田开发的精细部署与调整提供了进一步的支撑。需要指出，各类封堵性的强弱还需用研究区的油水界面与地层测压资料进行校正。