復(fù)雜斷塊構(gòu)造模型快速建立方法

肖大志，方小宇，郇金來，陳 奎，黃忠明

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.南方海洋科學(xué)與工程實驗室（湛江），廣東湛江 524057

0 引言

構(gòu)造建模是儲層建模的基礎(chǔ)，對于斷層發(fā)育情況復(fù)雜的斷塊油氣藏，它所建立的構(gòu)造模型不僅提高了對復(fù)雜斷塊區(qū)構(gòu)造展布特征描述的精度，同時也為儲層的相建模和儲層參數(shù)建模提供了良好的地層格架模型，從而有利于研究復(fù)雜斷塊油氣藏的分布特征及斷層對其的影響作用[1-6]。同時，復(fù)雜構(gòu)造區(qū)構(gòu)造模型的準(zhǔn)確構(gòu)建也是獲得復(fù)雜斷塊區(qū)準(zhǔn)確速度模型，提高地震成像和反演精度的關(guān)鍵[7-11]。

受算法影響，常規(guī)斷層建模方法在處理復(fù)雜的斷層接觸關(guān)系時受到限制，多級“Y”型、“λ”型斷層建模難度很大。對于斷層較發(fā)育，斷層接觸關(guān)系較復(fù)雜的復(fù)雜斷塊油田，若采用常規(guī)方法建模，斷層間削截關(guān)系處理復(fù)雜，斷層模型搭建需要耗費大量時間，且該類復(fù)雜斷塊區(qū)的構(gòu)造模型常出現(xiàn)網(wǎng)格變形扭曲（圖1a）、網(wǎng)格缺失（圖1b）、模型收斂性差等問題，影響油氣田開發(fā)方案研究。

圖1 Pillar Gridding算法復(fù)雜斷塊構(gòu)造建模網(wǎng)格化效果圖Fig.1 The Gridding Results of Complex Fault Block by Pillar Gridding Algorithm

1 常規(guī)構(gòu)造建模流程及局限性

1.1 Petrel常規(guī)構(gòu)造建模流程

常規(guī)構(gòu)造建模一般包括斷層建模、平面網(wǎng)格化、層面建模、層面插值和垂向網(wǎng)格化5個步驟。構(gòu)造建模的具體方法是首先綜合地震解釋獲得的斷層多邊形或者深度域斷層解釋fault stick與地層對比獲得的斷點數(shù)據(jù)建立能夠反映斷層發(fā)育特征的斷層模型；在斷層模型的基礎(chǔ)上進行平面網(wǎng)格化；再通過井震結(jié)合的方法將地震解釋的關(guān)鍵層面添加進來；對沒有進行地震解釋的層位進行層面插值，生成小層層面，最后通過垂向網(wǎng)格化將整個三維地質(zhì)空間劃分為一個個三維網(wǎng)格，從而搭建起研究區(qū)的地層格架。

1.2 常規(guī)斷層模型的建立方法

1.2.1 斷層模型生成

斷層模型是構(gòu)造模型基礎(chǔ)，斷層模型的質(zhì)量直接影響下一步平面網(wǎng)格化結(jié)果。在Petrel軟件中，采用常規(guī)流程建立斷層模型的主要方法有以下幾種：

（1）根據(jù)斷層與構(gòu)造面的交線（fault polygon）建立斷層

根據(jù)fault polygon建立斷層，必須要根據(jù)相應(yīng)的構(gòu)造層面對這些fault polygon賦深度值。同時要通過polygon建key pillar，每條polygon必須是表示單個斷層。在應(yīng)用前必須完成斷層線賦深度值和斷層線拆分組合。然后根據(jù)多邊形所示的斷層要素，生成斷層模型（圖2a）。此方法的優(yōu)點是，能快速根據(jù)斷層多邊形建立斷層模型，并與構(gòu)造圖中的斷層的走向、傾向和斷層延伸長度保持一致；缺點是，前期處理工作量較大，精細度不夠，當(dāng)斷層產(chǎn)狀變化較大時，則斷層模型將與實際地質(zhì)情況偏差較大。

（2）根據(jù)斷層解釋結(jié)果（fault stick）建立斷層

在應(yīng)用該方法時，首先需要對時間域的fault stick數(shù)據(jù)進行時深轉(zhuǎn)換得到深度域結(jié)果，再選擇相應(yīng)斷層的fault stick數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為斷層模型（圖2b）。當(dāng)一個fault stick文件內(nèi)實際包含了多條斷層時，需要進行拆分處理。同時斷層解釋精度較低，fault stick數(shù)據(jù)顯示的斷面形態(tài)與構(gòu)造層面不匹配時，需要對fault stick進行修改。此方法的優(yōu)點是，可以直接利用斷層解釋結(jié)果快速生成斷層模型，原始數(shù)據(jù)能直觀顯示斷層間三維空間相互關(guān)系，所構(gòu)建的斷層模型具有更準(zhǔn)確的斷層搭接關(guān)系，并且符合實際斷層空間形態(tài)。缺點是，工作量較大，且依賴于一個完善的速度模型，同時在斷層解釋精度較低的情況下，與構(gòu)造層面的匹配程度差，容易產(chǎn)生斷層面扭曲變形等問題，后期手工調(diào)整難度大。

圖2 根據(jù)不同斷層數(shù)據(jù)生成斷層模型效果圖Fig.2 Fault Modeling Results Based on Different Fault Data

（3）手動數(shù)字化生成斷層

Petrel常規(guī)斷層建模模塊提供了手動數(shù)字化建立斷層模型的功能。可以參考構(gòu)造層面、地震剖面上顯示的斷層位置手動數(shù)字化添加斷層。優(yōu)點是操作靈活，可以根據(jù)相關(guān)參考層面或地震剖面快速添加斷層。缺點是手工操作工作量大，且僅對斷層產(chǎn)狀變化較小的規(guī)則斷層有效，對于三維空間上斷層產(chǎn)狀變化較大的斷層，很難通過手工數(shù)字化精確描述斷層三維形態(tài)。

1.2.2 斷層模型處理

斷層模型是三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)，只有建立高質(zhì)量的斷層模型，才能建立較好的網(wǎng)格模型，在此基礎(chǔ)上建立的相模型和屬性模型才是可靠的。如果簡單運用沒有處理的原始狀態(tài)斷層進行網(wǎng)格化，這樣生成的網(wǎng)格就會混亂，無法應(yīng)用。因此，在建立斷層模型時，必須對斷層進行處理。

（1）小斷層處理

工區(qū)內(nèi)的斷層發(fā)育并不一致，有些斷層斷穿整個目的層，而有些小斷層只斷穿幾個層位。對于縱向上沒有斷穿整個模型的小型斷層，在做斷層pillar時，要適當(dāng)延長pillar長度，使它穿透整個模型，使每個斷層的pillar頂?shù)滋幵谕凰矫嫔希苑乐构羌芫W(wǎng)格模型混亂。對于斷距問題，可以在后面的層面模型建立時通過定義小斷層的活動性來加以解決[12]。

（2）斷層pillar方向處理

斷層pillar的方向也是影響網(wǎng)格質(zhì)量的一方面，對區(qū)塊內(nèi)所有的pillar方向要總體把握，即保持模型區(qū)內(nèi)所有斷層pillar方向大致相近，分布均勻，數(shù)量適當(dāng)，能體現(xiàn)出斷面形狀即可。

（3）斷層接觸關(guān)系處理

斷層主要有3種接觸關(guān)系：連接斷層、削截斷層和交叉斷層。連接斷層（Connect fault）即常說的分支斷層，這種接觸關(guān)系比較簡單，只要定義2條斷層的2個pillar相連接即可。比較復(fù)雜的接觸關(guān)系為削截斷層（Y型斷層）和交叉斷層（X型斷層）。圖3列舉了斷層間不同的相互削截情況。根據(jù)不同情況需分別處理：

簡單情況：一條次斷層被主斷層削截（圖3a）。處理方法：定義主斷層，也就是削截別的斷層的較大斷層；調(diào)整2條斷層的key pillar的角度、距離，使2條斷層key pillar對應(yīng)匹配，至少2對；定義削截關(guān)系。

圖3 不同類型斷層削截關(guān)系Fig.3 Different Types of Faults Truncation Relations

復(fù)雜情況：多條斷層被一條主斷層削截（圖4a）。處理方法：先在三維空間對每一條斷層單獨處理，然后在二維窗口內(nèi)使同一方向的2條斷層削截關(guān)系線完全重合（圖4b），如果在二維窗口下同一方向的兩條斷層削截關(guān)系線不重合（圖4c），則會造成斷層網(wǎng)格化的失敗。

圖4 多條斷層削截一條斷層情況下的削截關(guān)系處理Fig.4 Truncation Relationship Processing of Two Secondary Faults Truncated by One Main Fault

實際斷層建模過程中可能存在X型交叉關(guān)系，如果直接進行網(wǎng)格化，網(wǎng)格會出現(xiàn)扭曲。這種接觸關(guān)系必須把其中一條斷層劈分為上下2條斷層，即變成2個Y型斷層。具體實現(xiàn)時，可以把要劈分的斷層復(fù)制出一個斷層，其中一條劈分?jǐn)鄬颖Ａ羯喜浚c未劈分?jǐn)鄬佣x為底削截關(guān)系，另外一條劈分?jǐn)鄬颖Ａ粝虏浚c未劈分定義為頂削截關(guān)系，這樣X型斷層的問題就轉(zhuǎn)變成2個Y型斷層來解決了。

（4）其他特殊處理

定義趨勢線解決網(wǎng)格方向。趨勢線的定義不是必需的，也不是越多越好。可以先不定義趨勢線，觀察網(wǎng)格單元的分布，然后根據(jù)實際情況，對網(wǎng)格扭曲部位進行定義。通過嘗試不同的趨勢線定義，觀察網(wǎng)格化效果，最終得到較好的網(wǎng)格化結(jié)果。

1.3 常規(guī)構(gòu)造建模局限性

常規(guī)構(gòu)造建模流程繁瑣，人工處理工作量大，同時受算法影響，在處理復(fù)雜的斷層接觸關(guān)系時受到限制，多級“Y”型、“λ”型斷層等復(fù)雜情況下，斷層接觸關(guān)系處理較為困難。上述提到的削截斷層處理方法對斷層較為規(guī)則情況尚能處理，但實際斷層削截關(guān)系遠比上文列舉的簡化情形更為復(fù)雜。對于斷層接觸關(guān)系復(fù)雜的斷層，即使花費大量精力進行手工調(diào)整，其斷層模型在網(wǎng)格化時仍可能出現(xiàn)無法完成網(wǎng)格化的情況。同時斷層受Pillar節(jié)點數(shù)的控制，對于鏟狀斷層等情形難以很好的模擬，斷層形態(tài)不能完全符合地質(zhì)實際。另一方面，在Petrel斷層的垂向切深不能自由控制層間小斷層等情況下，需將小斷層上下延伸，貫穿建模層面頂?shù)祝@種處理方式會將斷層間接觸關(guān)系進一步復(fù)雜化。

2 基于深度域斷層解釋的復(fù)雜斷層模型高效建立新技術(shù)

對于斷層發(fā)育較為復(fù)雜，斷層垂向繼承性差、或者斷層空間形態(tài)較為不規(guī)則、斷層間存在較多削截現(xiàn)象的建模區(qū)塊，采用常規(guī)的由各油組斷層polygon組合進行斷層建模的方法很難建立與真實斷層產(chǎn)狀相一致的斷層模型，而地球物理提供的時間域斷層解釋結(jié)果精度較粗，進行時深轉(zhuǎn)換后還容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)換得到的深度域斷層解釋與深度域構(gòu)造面不匹配等問題，很難直接用于斷層模型建立。為此，借鑒地震斷層解釋的思路，對于斷層接觸關(guān)系復(fù)雜、產(chǎn)狀變化較大的斷層，直接在解釋剖面上參考深度域?qū)游唤忉尳Y(jié)果，在控制斷層產(chǎn)狀的關(guān)鍵節(jié)點位置進行深度域斷層解釋（圖5a），進而轉(zhuǎn)換成斷層模型的方法。通過該方法可快速完成接觸關(guān)系復(fù)雜、產(chǎn)狀變化較大的斷層模型的快速建立。如圖5b，通過深度域斷層解釋得到的潿洲A油田多重削截斷層模型很好地體現(xiàn)了工區(qū)各條斷層間復(fù)雜的接觸關(guān)系。采用該方法建立的斷層模型可與深度域構(gòu)造數(shù)據(jù)很好對應(yīng)。同時深度域斷層解釋過程可進一步檢查地球物理構(gòu)造解釋的合理性，對于局部地層厚度變化較大、上下地層不協(xié)調(diào)構(gòu)造解釋可以做局部修改或剔除，保證構(gòu)造框架模型的合理性。

圖5 基于深度域斷層解釋的斷層模型建立示意圖Fig.5 The scheme of fault model construction based on fault interpretation in depth domain

3 Petrel與RMS協(xié)同快速建模技術(shù)

受算法影響，常規(guī)構(gòu)造建模模塊在處理多級“Y”型、“λ”型斷層時受到限制，斷層模型建立費時耗力且很難獲得較好的網(wǎng)格化結(jié)果，模型網(wǎng)格扭曲變形嚴(yán)重。而Petrel基于體的復(fù)雜構(gòu)造建模模塊在建立框架模型時運行速度慢，斷層面的垂向、橫向延伸等難以完成。

RMS在復(fù)雜斷層接觸關(guān)系處理和規(guī)則網(wǎng)格模型生成等方面功能較強，能很好地模擬各種復(fù)雜斷層接觸關(guān)系[13]。其網(wǎng)格階梯化算法能很好地解決多級削截斷層情況下的網(wǎng)格化問題。其缺點在于其對生成斷層模型的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，斷層模型一旦生成，斷層只能進行垂向、橫向的伸縮等修改操作，不能對斷層面的空間位置做側(cè)向移動。因此當(dāng)局部斷層位置與構(gòu)造面顯示的斷層上下盤位置不一致時，很難進行精細的調(diào)整。

結(jié)合RMS處理復(fù)雜斷層效率高，復(fù)雜斷層接觸關(guān)系及網(wǎng)格化質(zhì)量高和petrel軟件斷層數(shù)據(jù)處理靈活的兩方面特點。利用Petrel常規(guī)斷層建模能任意進行斷層Pillar位置調(diào)整的優(yōu)勢，在基于深度域斷層解釋建立斷層模型的基礎(chǔ)上，對斷層進行細致調(diào)整，使斷層與構(gòu)造面在各個層位上完全匹配之后將調(diào)整好的斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RMS軟件完成斷層接觸關(guān)系的快速編輯和模型網(wǎng)格化。如RMS建立的斷層模型質(zhì)量和網(wǎng)格化效果不好，再將RMS建立斷層模型轉(zhuǎn)換成斷層數(shù)據(jù)輸入到petrel軟件進行進一步的精細調(diào)整，再將調(diào)整好的斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RMS軟件完成斷層接觸關(guān)系的快速編輯和模型網(wǎng)格化，直至得到符合構(gòu)造認(rèn)識的構(gòu)造模型。

4 應(yīng)用實例

潿洲A油田內(nèi)部發(fā)育多級“Y”型斷層，斷層間削截關(guān)系處理復(fù)雜，斷層模型搭建需要耗費大量時間，并且常規(guī)網(wǎng)格化效果不理想，構(gòu)造模型出現(xiàn)網(wǎng)格變形扭曲、網(wǎng)格缺失嚴(yán)重、模型收斂性差等問題。充分結(jié)合Petrel在斷層解釋、人機交互和RMS在復(fù)雜構(gòu)造建模方面的優(yōu)勢，將Petrel工區(qū)下調(diào)整好的斷層模型導(dǎo)入RMS，建立的斷層模型（圖6a）與構(gòu)造層面一致，在斷層模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造層面數(shù)據(jù)，首先建立地層框架模型，并在框架模型的基礎(chǔ)上結(jié)合井點小層劃分方案，建立精細地層模型（圖6b），通過該方法成功模擬了潿洲A油田復(fù)雜斷塊多級“Y”型、“λ”型型斷層發(fā)育情況下的精細地層框架，最后采用網(wǎng)格階梯化算法，快速建立了該油田復(fù)雜斷塊區(qū)規(guī)則網(wǎng)格。相較于常規(guī)方法建立的網(wǎng)格模型（圖7a），新方法建立的網(wǎng)格模型（圖7b）完整，較好地反應(yīng)了該油田的斷層發(fā)育狀況和構(gòu)造特征。新方法有效解決了該復(fù)雜斷塊網(wǎng)格扭曲變形、模型收斂性差的問題。

圖6 潿洲A油田構(gòu)造模型Fig.6 Structural model of Weizhou A oilfield

圖7 潿洲A油田網(wǎng)格模型對比Fig.7 Comparison of grid models of Weizhou A oilfield

5 結(jié)論

常規(guī)構(gòu)造建模方法在復(fù)雜斷塊構(gòu)造建模時操作復(fù)雜，效率低，斷層形態(tài)不能完全符合地質(zhì)實際，同時難以解決斷層接觸關(guān)系復(fù)雜引起的網(wǎng)格變形，網(wǎng)格缺失，模型收斂性差的問題。

采用基于深度域斷層解釋的復(fù)雜斷層模型建立技術(shù)可減少斷層模型搭建時間，可快速完成接觸關(guān)系復(fù)雜、產(chǎn)狀變化較大的斷層模型的快速建立，大大提高復(fù)雜斷塊斷層編輯效率。

結(jié)合RMS復(fù)雜斷層接觸關(guān)系處理和規(guī)則網(wǎng)格模型生成功能和petrel斷層編輯操作靈活的特點，Petrel與RMS協(xié)同交互完成復(fù)雜斷塊區(qū)構(gòu)造模型的快速搭建，可大大提高復(fù)雜斷塊區(qū)構(gòu)造建模效率，有效解決該復(fù)雜斷塊網(wǎng)格扭曲變形、模型收斂性差的問題，對復(fù)雜斷塊區(qū)構(gòu)造模型快速高效建立有較好的借鑒意義。