勘探前期斷層封閉性三維定量評價及軟件研發

景紫巖， 楊兆平， 李國斌， 孟令東， 袁曉宇， 鄭長龍

(1. 中國石油勘探開發研究院 西北分院，甘肅 蘭州 730000； 2. 中國石油集團油藏描述重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 3. 東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 4. 黑龍江省飛譜思能源科技有限公司，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

裂谷盆地斷層在油氣成藏中具有雙重作用，既可作為油氣運移輸導通道，又可為油氣聚集成藏提供遮擋封堵條件[1]。人們研究斷層封閉性及其評價方法。KINPLE R J采用三角圖方法進行巖性并置分析斷層封堵性[2]。YIELDING G等采用斷層泥比率SGR定量評價斷層封閉性[3]。FREEMAN B等對SGR方法進行驗證和應用[4]。沈禮等采用邏輯信息法、模糊評判法及灰色關聯等方法，作為評價斷層封閉性的多因素綜合方法[5]。劉哲等分析斷裂帶SGR與斷裂側向封閉油柱高度函數關系,研究貝爾凹陷斷層側向封閉能力[6]。呂延防等利用對接概率模擬和斷面壓力計算組合判斷斷層的綜合封閉能力，具有半定量特點[7]。付曉飛等提出利用斷面壓力、斷層泥含量和塑性強度、后期成巖程度綜合判定不同性質斷層垂向封閉性評價方法，克拉2構造F1斷層垂向封閉性評價結果與實際吻合[8]。張文彪等提出斷層連通度概念,對研究區斷層連通度進行計算和分析,以定量化指標合理表征斷層傳導能力[9]。

有關研究大多基于成熟探區和井震資料豐富的前提。對于勘探前期無井區或少井區的圈閉有效性評價，必須已知斷裂斷距、泥巖層數和厚度、構造形態、斷裂帶和地層交接關系。對于勘探程度較低、探井較少或無井的地區，難以獲得這些資料，缺乏有效的評價方法。在常規斷層封閉性評價的基礎上，為實現少井區或未鉆井區定量評價圈閉有效性，提高評價的準確度，提出一套基于三維構造模型構建基礎上的斷層封閉性多因素定量評價技術，編制相應的評價軟件。

1 三維定量評價技術

1.1 評價方法

側向和垂向斷層封閉機理是斷裂帶與儲層之間存在明顯的排替壓差，即毛細管壓力差封閉[10]。斷裂變形及其后期變化是決定斷層封閉的主因，現今的應力狀態決定斷層的穩定性[11]。根據不同區域、不同斷裂特征，建立適合區塊特征的綜合評價方法更趨近于真實[12]。近年來，地震資料越來越多應用于斷層封閉性研究，特別在斷層封閉性定量評價中的作用越來越重要[13]。根據斷裂控藏學和斷裂地震學，采用三維動態構造物理模擬實驗技術，確定斷裂帶變形特征及泥巖涂抹規律[14]，借助高精度三維地震信息、物理模擬實驗，實現無井和少井區斷層定量化三維空間表征與評價。

斷層地質研究、斷層物理模擬實驗和評價方法優選、斷層地震地質三維建模及網格化、斷層綜合定量評價預測是勘探前期斷層封閉性三維精細評價研究的主要步驟[15](見圖1)。首先，根據研究區地質背景、地震解釋的層位和斷層等數據，建立目標斷層地質模型。其次，根據地質模型特征、地層和斷距組合關系，按照一定的相似比建立砂箱模型并開展斷層物理模擬實驗，分析地層和斷距組合關系下的泥巖涂抹特征，通過優選建立適合的封閉性定量評價方法。再次，進行斷層地震地質三維建模及網格化，利用斷層數據建立斷面模型，利用井上分層數據進行約束建立構造模型。為獲得準確的巖性序列，利用目標斷塊或相鄰斷塊的巖性數據，進行屬性建模獲得隨構造和儲層特征變化的巖性序列模型，為封閉性評價提供精確的地質和屬性數據。最后，在三維地質模型網格中，利用優選的評價方法對目標斷層進行定量計算和評價，對待鉆圈閉有效性做出預測，以降低勘探風險。

圖1 勘探前期斷層封閉性三維定量評價研究Fig.1 3D quantitative evaluation method of fault sealing for exploration earlier days

1.2 關鍵技術

為表征斷層封閉因素，人們將三角圖、Allan圖方法用于分析斷層兩盤巖性對接情況，將SGR、SSF方法等用于評價斷層巖本身的封閉能力[16-18]。在斷層封閉性定量評價中，區域斷裂特征和特定地質條件對封閉性評價有重要影響，其中不同地區、不同巖性組合關系對封閉性計算方式和結果影響較大[19]。描述斷裂基本特征、區域構造特征及與斷裂匹配關系，準確求取斷距及評價封閉性等，是描述斷塊油氣藏及分析圈閉有效性的基礎。在斷塊圈閉成藏特征及封閉機理的基礎上，結合勘探生產實踐經驗，對于陸相碎屑巖斷塊油氣藏，主要基于斷層巖性并置封閉機理及斷層巖封閉機理，利用三角圖、Allan圖方法及涂抹因數進行封閉性量化評價，主要包括五方面關鍵技術。

1.2.1 斷層物理模擬實驗技術

主要包括斷裂特征模擬、斷層泥巖涂抹規律分析、封閉性實驗和數值模擬，是溝通地震、地質和測井等參數的關鍵[20]。根據區域地震斷裂和地層組合特征，建立物理模擬實驗模型。結合地質特征和測井巖性數據，借助工業CT動態數據采集，將物理模型轉換為三維數字模型，采用數字分析技術進行泥巖涂抹規律分析，利用灰度特征區分巖性、構造變形特征等，建立合理的區域封閉性數學模型。

1.2.2 斷面屬性交匯技術

主要包括地層—斷層交接關系處理、斷面屬性投影。根據地層和斷層的接觸關系，通過構造形態約束，將巖性、斷距、封閉性評價參數等屬性信息投影到斷面上，進行交匯顯示和分析。建立斷面三維網格，通過斷面網格點上屬性的計算和顯示，得到各項封閉性指標的三維分布特征，進而通過定量指標分層、分塊分析斷層的封閉性、可封閉的烴柱高度等。

1.2.3 三維地質建模技術

以地震精細解釋數據、測井數據為基礎，構建三維地質模型和巖性序列模型，包括斷層建模、骨架網格剖分、層面建模、地層格架建模、垂向網格劃分等。引入小層建模技術，將鉆井測井資料和地質小層作為約束條件建立精細地質模型，綜合利用地震數據、井點數據、斷層數據，在多約束條件下構造層面建模，建立高精度斷層、地層模型，有效提高地質模型的精度。

1.2.4 封閉性定量評價技術

結合區域地質特征，考慮斷層封閉性，分析影響斷層封閉性的地質因素和評價封閉性的主觀因素，建立地質模型和數學模型；根據三維地質建模成果和斷面屬性交匯技術，計算斷層封閉性評價指標參數，在斷面上進行交匯顯示，分析三維空間各點的斷層封閉性。泥巖涂抹因數法是一種定量確定斷層封閉性的有效方法，斷層的封閉與否與斷裂帶中充填物的性質有密切關系，在泥巖涂抹時，斷裂帶中普遍存在地質現象。當斷裂帶內充填物泥質含量高時，可在斷裂帶內形成高的排驅壓力，有效封堵油氣；當泥質含量低于一定值時，斷裂帶以砂巖為主，流體可通過斷層移動或沿斷層向上運移，封堵油氣效果差[21]。

1.2.5 三維可視化建模技術

在石油勘探開發的應用中可以在很大程度上提高工作效率[22-23],尤其是在地質勘探領域中可以大幅提高對數據的分析能力[24-25]，能夠提供地質模型和斷面三維各點封閉性的全三維展示，實現斷層封閉性研究從二維Allan圖、三角圖等向三維斷面空間分析轉變。

1.3 數學模型

斷層帶的斷層泥質含量為砂泥互層斷層封閉能力的主要控制因素[26-27]，泥巖涂抹斷層封閉性主要受斷距和泥質含量影響，用斷層泥比率作為封閉性評價參數，默認地層泥質含量為均勻的且參與涂抹的泥質是均勻的。在真實地質狀況中，泥巖涂抹存在明顯的不均勻性和非連續性。在物理模擬過程中，泥巖涂抹存在薄厚不均勻和不連續的現象，涂抹失去連續性的部位即斷層封閉性最薄弱乃至失效的部位，真正對封閉性有貢獻的為泥巖連續有效涂抹的部位，二者之間相差一個泥巖貢獻率[28-30]。借助物理模擬實驗，分析海拉爾盆地烏爾遜凹陷目的斷層在同等斷距、同等泥質含量下的涂抹規律，在斷層SGR數學模型基礎上，采用工業CT掃描及數據重建，提取斷裂帶屬性數據，分析特定地層泥地比、巖性組合、泥巖涂抹非均質性等情況下斷層封堵的有效性，在不破壞斷裂帶結構的前提下，沿斷裂帶主方向切取17 cm×15 cm×14 cm的模型進行三維數據掃描采集和體模型重建(見圖2)，其中黃色部分為砂巖，灰色部分為泥巖，砂泥巖中部形成泥巖涂抹帶，通過模型灰度分析區分砂泥巖的灰度特征值為358，統計斷裂帶三維體的泥巖分布、斷距和泥巖厚度等特征參數。

圖2 泥巖涂抹參數三維數據掃描和體模型重建Fig.2 3D datum scanning of shale smear parameters and model rebuilding

常規方法與物理模擬實驗SGR關系見圖3，按照常規方法即地層泥巖厚度和斷距之比計算的SGR，與按照物理模擬實驗統計的真實斷裂帶泥巖厚度與斷距之比得到的SGR相差較大，原因是物理模擬實驗統計的斷面數據更加真實反映參與的斷裂帶泥巖涂抹的真實泥巖厚度。

圖3 研究區常規方法與物理模擬實驗SGR關系Fig.3 SGR relation between convention method and physical simulation experiment in the study area

考慮區域地質特征影響，即不同區域地質條件下泥巖實際連續涂抹的部分和貢獻率，以及泥巖涂抹的有效性和非均質性，建立烏爾遜凹陷區域封閉性評價斷層泥比率SGR模型：

(1)

式中：A、B為區域特征因數，為連續涂抹的泥巖貢獻率，更加接近真實的地下地質特征，烏爾遜凹陷A為0.530，B為0.006，由實驗測得；D為垂直斷距；Ti為單層泥巖厚度；vsh為泥質含量；i為泥巖層采樣點個數。

2 軟件研發

對于陸相碎屑巖斷塊油氣藏，采用斷層封閉性三維定量評價技術，結合斷層封閉性評價模型，研發一套斷層封閉性三維定量評價軟件(見圖4)?；赪indowsXP平臺，采用C++語言開發，可安裝于Windows7、Windows8/8.1平臺，主要分為數據管理、三維可視化、構造建模、斷層封閉性和圈閉評價等功能模塊，可以評估現今地質條件下斷層封閉性對斷塊圈閉資源潛力的影響。

圖4 斷層封閉性三維定量評價軟件Fig.4 Software system for 3D quantitative evaluation of fault sealing

數據管理功能模塊包括分類管理各類靜態地質數據及斷層、點、線、面等參考數據；提供可定制的數據導入、導出接口；支持文本數據、各種特定格式數據。

三維可視化功能模塊能夠把各類原始數據和模型成果數據進行三維顯示，可以查看數據及模型在三維空間的展布和變化。

構造建模功能模塊可以建立各個層面的構造模型，設置層面接觸關系，處理地層剝蝕等；使用地震解釋或其他軟件的成果數據做為約束條件。等值線可以自定義設置間隔、顏色。根據層面構造模型建立地層格架模型，生成地層體模型，在關鍵層面的約束下建立小層的構造模型；將各個小層根據需要進行垂向網格細分，對地層格架模型進行三維顯示，對不同地層設置顯示顏色和網格線，建立構造剖面。

斷層封閉性評價功能模塊包括斷層顯示、斷面SGR及SSF等屬性計算。Allan圖是以斷面為鏡面，將斷層兩盤砂泥巖的幾何形態投影到斷面上，展現上下盤砂泥巖層沿斷面垂向和走向的接觸關系，確定有效的并置窗口，模擬巖性并置類型的斷層封閉性；屬于斷層兩盤巖性對接的分析方法，適用于評價斷層的側向封閉性。

圈閉評價功能模塊利用地震、鉆井資料結合區域地質，對圈閉的落實程度、類型、面積、幅度、目的層深度，以及生儲蓋、油氣顯示、含油可能性等條件進行評價，綜合確定圈閉等級，提供預探優選方案。

3 應用實例

以海拉爾盆地中部烏爾遜凹陷為例，利用勘探前期斷層封閉性三維定量評價軟件，對少井區圈閉有效性進行評價，指導勘探部署實踐。

3.1 區域地質特征

烏爾遜凹陷是海拉爾盆地中部斷陷帶規模較大的凹陷，是典型的碎屑巖斷塊油氣田，整體呈現東高西低的構造格局，受區域構造應力作用的影響，北北東向及北東東向斷層相互切割，在構造帶內部形成一系列反向斷塊。烏60斷塊是受F1、F2兩條斷層控制形成的圈閉，其中F1斷層性質為北東東向正斷層，在目的層銅缽廟組反射層的延伸距離為1.5 km，傾向北北西向，斷距為30～80 m； F2斷層性質為北北東向正斷層，在銅缽廟組反射層的延伸距離為2.3 km，傾向近東向，斷距為20～60 m。斷層相交構成復雜的斷塊圈閉，控制構造高部位的兩組斷層的封閉性直接影響圈閉有效性(見圖5)。烏爾遜凹陷南屯組廣泛發育半深湖—深湖相沉積，暗色泥巖發育，為主要的烴源巖。南屯組有機碳平均質量分數為2.319%，S1+S2為2.52～7.82 mg/g，生油門限深度為1.5 km，排烴門限深度為1.8 km，有機質豐富，轉化程度高，生油潛力大，為油藏提供充足的油源。構造演化研究表明，該地區烏60斷塊圈閉形成時間早于生排烴時間，有利于圈閉內油氣富集。

圖5 海拉爾盆地烏爾遜凹陷烏60斷塊圈閉Fig.5 Trap map of Wu60 Fault Block in Wuerxun Depression, Hailar Basin

盡管目標井距離主生油洼槽較近，延伸至洼槽內成熟源巖分布區的北東向晚期活動斷層可以作為油氣疏導斷裂，但是斷裂與近南北走向的斷裂相交后構成復雜的斷塊圈閉，兩組斷層的封閉性直接影響圈閉有效性。該地區有3口探井，評價斷層的封閉性是斷塊圈閉勘探的關鍵。

3.2 三維地質模型

在三維地震資料精細解釋的基礎上，采用斷層封閉性三維定量評價軟件，建立三維地質模型(見圖6)。根據地層信息，利用井點分層數據、地震解釋層面數據等，通過3D網格模型插值生成關鍵層面。為提高建模精度，根據井點分層數據進行層位約束，厘清構造特征和斷面交匯形成的層面—斷面交接關系。利用鉆井測井信息，在構造約束下進行巖性序列模型預測(見圖7)，井點巖性信息隨構造、儲層特征及相邊界控制約束變化，更接近真實的斷層帶附近巖性信息，對復雜斷塊油氣藏的巖性信息進行表征，預測巖性序列及非均質性等，為斷層封閉性評價提供斷層兩盤的巖性參數信息。

圖6 烏60斷塊斷層模型Fig.6 Fault model of Wu60 Fault Block

圖7 烏60斷塊斷面多井約束下巖性序列模型Fig.7 Lithologic sequence model constrained by multiple wells in Wu60 Fault Block

3.3 斷層封閉能力評價

以烏爾遜凹陷烏南烏60斷塊為例，建立鉆前定量預測、鉆后解剖分析、未鉆圈閉預測的斷層封閉性三維定量評價方法，以勘探實效檢驗可靠性。

3.3.1 鉆前定量預測

利用斷塊鄰井——烏38-5井巖性模型，建立巖性序列，對斷面屬性的斷距進行計算和預測。該地區目的層段與上部大套泥巖對接封閉，斷層封閉涂抹因數SGR大于38.0%，能夠形成有效的側向封堵，油氣聚集成藏的可能性大。烏38-5井SGR在上下盤分布規律基本一致(見圖8)，銅缽廟組上部砂巖受南屯組泥質含量較高泥巖涂抹并側向對接，SGR高于26.0%，封閉性較好；下部泥質層減少，泥質含量減少，泥巖涂抹程度減少，導致SGR逐漸減少，封閉能力不及上部目標層段。由于研究區相鄰斷塊具有相似的地質特征，預測烏60井在目標層段封閉性良好。

圖8 烏38-5斷塊斷面SGR屬性交匯Fig.8 SGR attribute intersection of section in Wu38-5 Fault Block

3.3.2 鉆后解剖分析

烏60井在銅缽廟組上部層段鉆遇46 m純油層，取得工業油流。根據烏60井SGR解剖圖版劃分的油藏分帶特征(見圖9)，油層SGR高于31.0%，油水層SGR介于26.2%～31.0%，水層SGR小于26.2%，解剖圖版解釋深度與試油深度一致，計算油水界面深度為1 277 m。由于解剖圖版基于已鉆油井的實際數據，具有一定代表性，可以作為構造帶斷塊封閉性評價標準圖版。

圖9 烏60斷塊斷層SGR與油藏分帶特征Fig.9 SGR and reservoir zoning characteristics in Wu60 Fault Block

3.3.3 未鉆圈閉預測

主控斷層斷面上，銅缽廟組上部砂巖層受上覆南屯組的泥巖蓋層涂抹而封閉，烏60斷塊相鄰斷塊圈閉主要目的層段——銅缽廟組上部SGR大于28.0%，超過油氣封閉SGR下限，封閉性良好，具有良好成藏條件和勘探部署前景。與烏60斷塊相鄰的東部斷塊受類似于烏60斷塊的兩條斷層控制，兩條斷層封閉性是斷塊油氣成藏的關鍵。根據已鉆烏60井對相鄰斷塊進行封閉性預測，上部目的層SGR呈橫向帶狀穩定分布，目的層及斷面交匯處SGR大于26.2%，預測斷塊側向封閉性良好，具有較好的油氣成藏條件。預測該斷塊油水界面深度為1 258 m(見圖10)，預測可封閉含油氣高度109 m，建議進行鉆探(見圖10)。

圖10 烏60斷塊相鄰斷塊建議井位Fig.10 Recommended well location of adjacent fault blocks in Wu60 Fault Block

4 結論

(1)借助高精度三維地震信息、物理模擬實驗獲取區域特征參數的評價方法，可以快速有效建立無井或少井區的斷層封閉性評價數學模型，解決無井和少井區斷層定量化三維空間表征與評價。

(2)基于地震、地質、測井等資料，采用物理模擬和地震資料相結合的方法，建立無井或少井區斷層封閉性定量評價體系和評價數學模型，開發相應的軟件評價系統。

(3)在海拉爾裂谷盆地斷塊油氣藏勘探取得較好的應用效果，為該類型斷塊油氣藏勘探部署及開發方案研究提供指導。