勘探前期断层封闭性三维定量评价及软件研发

2021-09-13景紫岩杨兆平李国斌孟令东袁晓宇郑长龙

东北石油大学学报 2021年4期

景紫岩，杨兆平，李国斌，孟令东，袁晓宇，郑长龙

(1. 中国石油勘探开发研究院西北分院，甘肃兰州 730000； 2. 中国石油集团油藏描述重点实验室，甘肃兰州 730000； 3. 东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318； 4. 黑龙江省飞谱思能源科技有限公司，黑龙江大庆 163318 )

0 引言

裂谷盆地断层在油气成藏中具有双重作用，既可作为油气运移输导通道，又可为油气聚集成藏提供遮挡封堵条件[1]。人们研究断层封闭性及其评价方法。KINPLE R J采用三角图方法进行岩性并置分析断层封堵性[2]。YIELDING G等采用断层泥比率SGR定量评价断层封闭性[3]。FREEMAN B等对SGR方法进行验证和应用[4]。沈礼等采用逻辑信息法、模糊评判法及灰色关联等方法，作为评价断层封闭性的多因素综合方法[5]。刘哲等分析断裂带SGR与断裂侧向封闭油柱高度函数关系,研究贝尔凹陷断层侧向封闭能力[6]。吕延防等利用对接概率模拟和断面压力计算组合判断断层的综合封闭能力，具有半定量特点[7]。付晓飞等提出利用断面压力、断层泥含量和塑性强度、后期成岩程度综合判定不同性质断层垂向封闭性评价方法，克拉2构造F1断层垂向封闭性评价结果与实际吻合[8]。张文彪等提出断层连通度概念,对研究区断层连通度进行计算和分析,以定量化指标合理表征断层传导能力[9]。

有关研究大多基于成熟探区和井震资料丰富的前提。对于勘探前期无井区或少井区的圈闭有效性评价，必须已知断裂断距、泥岩层数和厚度、构造形态、断裂带和地层交接关系。对于勘探程度较低、探井较少或无井的地区，难以获得这些资料，缺乏有效的评价方法。在常规断层封闭性评价的基础上，为实现少井区或未钻井区定量评价圈闭有效性，提高评价的准确度，提出一套基于三维构造模型构建基础上的断层封闭性多因素定量评价技术，编制相应的评价软件。

1 三维定量评价技术

1.1 评价方法

侧向和垂向断层封闭机理是断裂带与储层之间存在明显的排替压差，即毛细管压力差封闭[10]。断裂变形及其后期变化是决定断层封闭的主因，现今的应力状态决定断层的稳定性[11]。根据不同区域、不同断裂特征，建立适合区块特征的综合评价方法更趋近于真实[12]。近年来，地震资料越来越多应用于断层封闭性研究，特别在断层封闭性定量评价中的作用越来越重要[13]。根据断裂控藏学和断裂地震学，采用三维动态构造物理模拟实验技术，确定断裂带变形特征及泥岩涂抹规律[14]，借助高精度三维地震信息、物理模拟实验，实现无井和少井区断层定量化三维空间表征与评价。

断层地质研究、断层物理模拟实验和评价方法优选、断层地震地质三维建模及网格化、断层综合定量评价预测是勘探前期断层封闭性三维精细评价研究的主要步骤[15](见图1)。首先，根据研究区地质背景、地震解释的层位和断层等数据，建立目标断层地质模型。其次，根据地质模型特征、地层和断距组合关系，按照一定的相似比建立砂箱模型并开展断层物理模拟实验，分析地层和断距组合关系下的泥岩涂抹特征，通过优选建立适合的封闭性定量评价方法。再次，进行断层地震地质三维建模及网格化，利用断层数据建立断面模型，利用井上分层数据进行约束建立构造模型。为获得准确的岩性序列，利用目标断块或相邻断块的岩性数据，进行属性建模获得随构造和储层特征变化的岩性序列模型，为封闭性评价提供精确的地质和属性数据。最后，在三维地质模型网格中，利用优选的评价方法对目标断层进行定量计算和评价，对待钻圈闭有效性做出预测，以降低勘探风险。

图1 勘探前期断层封闭性三维定量评价研究Fig.1 3D quantitative evaluation method of fault sealing for exploration earlier days

1.2 关键技术

为表征断层封闭因素，人们将三角图、Allan图方法用于分析断层两盘岩性对接情况，将SGR、SSF方法等用于评价断层岩本身的封闭能力[16-18]。在断层封闭性定量评价中，区域断裂特征和特定地质条件对封闭性评价有重要影响，其中不同地区、不同岩性组合关系对封闭性计算方式和结果影响较大[19]。描述断裂基本特征、区域构造特征及与断裂匹配关系，准确求取断距及评价封闭性等，是描述断块油气藏及分析圈闭有效性的基础。在断块圈闭成藏特征及封闭机理的基础上，结合勘探生产实践经验，对于陆相碎屑岩断块油气藏，主要基于断层岩性并置封闭机理及断层岩封闭机理，利用三角图、Allan图方法及涂抹因数进行封闭性量化评价，主要包括五方面关键技术。

1.2.1 断层物理模拟实验技术

主要包括断裂特征模拟、断层泥岩涂抹规律分析、封闭性实验和数值模拟，是沟通地震、地质和测井等参数的关键[20]。根据区域地震断裂和地层组合特征，建立物理模拟实验模型。结合地质特征和测井岩性数据，借助工业CT动态数据采集，将物理模型转换为三维数字模型，采用数字分析技术进行泥岩涂抹规律分析，利用灰度特征区分岩性、构造变形特征等，建立合理的区域封闭性数学模型。

1.2.2 断面属性交汇技术

主要包括地层—断层交接关系处理、断面属性投影。根据地层和断层的接触关系，通过构造形态约束，将岩性、断距、封闭性评价参数等属性信息投影到断面上，进行交汇显示和分析。建立断面三维网格，通过断面网格点上属性的计算和显示，得到各项封闭性指标的三维分布特征，进而通过定量指标分层、分块分析断层的封闭性、可封闭的烃柱高度等。

1.2.3 三维地质建模技术

以地震精细解释数据、测井数据为基础，构建三维地质模型和岩性序列模型，包括断层建模、骨架网格剖分、层面建模、地层格架建模、垂向网格划分等。引入小层建模技术，将钻井测井资料和地质小层作为约束条件建立精细地质模型，综合利用地震数据、井点数据、断层数据，在多约束条件下构造层面建模，建立高精度断层、地层模型，有效提高地质模型的精度。

1.2.4 封闭性定量评价技术

结合区域地质特征，考虑断层封闭性，分析影响断层封闭性的地质因素和评价封闭性的主观因素，建立地质模型和数学模型；根据三维地质建模成果和断面属性交汇技术，计算断层封闭性评价指标参数，在断面上进行交汇显示，分析三维空间各点的断层封闭性。泥岩涂抹因数法是一种定量确定断层封闭性的有效方法，断层的封闭与否与断裂带中充填物的性质有密切关系，在泥岩涂抹时，断裂带中普遍存在地质现象。当断裂带内充填物泥质含量高时，可在断裂带内形成高的排驱压力，有效封堵油气；当泥质含量低于一定值时，断裂带以砂岩为主，流体可通过断层移动或沿断层向上运移，封堵油气效果差[21]。

1.2.5 三维可视化建模技术

在石油勘探开发的应用中可以在很大程度上提高工作效率[22-23],尤其是在地质勘探领域中可以大幅提高对数据的分析能力[24-25]，能够提供地质模型和断面三维各点封闭性的全三维展示，实现断层封闭性研究从二维Allan图、三角图等向三维断面空间分析转变。

1.3 数学模型

断层带的断层泥质含量为砂泥互层断层封闭能力的主要控制因素[26-27]，泥岩涂抹断层封闭性主要受断距和泥质含量影响，用断层泥比率作为封闭性评价参数，默认地层泥质含量为均匀的且参与涂抹的泥质是均匀的。在真实地质状况中，泥岩涂抹存在明显的不均匀性和非连续性。在物理模拟过程中，泥岩涂抹存在薄厚不均匀和不连续的现象，涂抹失去连续性的部位即断层封闭性最薄弱乃至失效的部位，真正对封闭性有贡献的为泥岩连续有效涂抹的部位，二者之间相差一个泥岩贡献率[28-30]。借助物理模拟实验，分析海拉尔盆地乌尔逊凹陷目的断层在同等断距、同等泥质含量下的涂抹规律，在断层SGR数学模型基础上，采用工业CT扫描及数据重建，提取断裂带属性数据，分析特定地层泥地比、岩性组合、泥岩涂抹非均质性等情况下断层封堵的有效性，在不破坏断裂带结构的前提下，沿断裂带主方向切取17 cm×15 cm×14 cm的模型进行三维数据扫描采集和体模型重建(见图2)，其中黄色部分为砂岩，灰色部分为泥岩，砂泥岩中部形成泥岩涂抹带，通过模型灰度分析区分砂泥岩的灰度特征值为358，统计断裂带三维体的泥岩分布、断距和泥岩厚度等特征参数。

图2 泥岩涂抹参数三维数据扫描和体模型重建Fig.2 3D datum scanning of shale smear parameters and model rebuilding

常规方法与物理模拟实验SGR关系见图3，按照常规方法即地层泥岩厚度和断距之比计算的SGR，与按照物理模拟实验统计的真实断裂带泥岩厚度与断距之比得到的SGR相差较大，原因是物理模拟实验统计的断面数据更加真实反映参与的断裂带泥岩涂抹的真实泥岩厚度。

图3 研究区常规方法与物理模拟实验SGR关系Fig.3 SGR relation between convention method and physical simulation experiment in the study area

考虑区域地质特征影响，即不同区域地质条件下泥岩实际连续涂抹的部分和贡献率，以及泥岩涂抹的有效性和非均质性，建立乌尔逊凹陷区域封闭性评价断层泥比率SGR模型：

(1)

式中：A、B为区域特征因数，为连续涂抹的泥岩贡献率，更加接近真实的地下地质特征，乌尔逊凹陷A为0.530，B为0.006，由实验测得；D为垂直断距；Ti为单层泥岩厚度；vsh为泥质含量；i为泥岩层采样点个数。

2 软件研发

对于陆相碎屑岩断块油气藏，采用断层封闭性三维定量评价技术，结合断层封闭性评价模型，研发一套断层封闭性三维定量评价软件(见图4)。基于WindowsXP平台，采用C++语言开发，可安装于Windows7、Windows8/8.1平台，主要分为数据管理、三维可视化、构造建模、断层封闭性和圈闭评价等功能模块，可以评估现今地质条件下断层封闭性对断块圈闭资源潜力的影响。

图4 断层封闭性三维定量评价软件Fig.4 Software system for 3D quantitative evaluation of fault sealing

数据管理功能模块包括分类管理各类静态地质数据及断层、点、线、面等参考数据；提供可定制的数据导入、导出接口；支持文本数据、各种特定格式数据。

三维可视化功能模块能够把各类原始数据和模型成果数据进行三维显示，可以查看数据及模型在三维空间的展布和变化。

构造建模功能模块可以建立各个层面的构造模型，设置层面接触关系，处理地层剥蚀等；使用地震解释或其他软件的成果数据做为约束条件。等值线可以自定义设置间隔、颜色。根据层面构造模型建立地层格架模型，生成地层体模型，在关键层面的约束下建立小层的构造模型；将各个小层根据需要进行垂向网格细分，对地层格架模型进行三维显示，对不同地层设置显示颜色和网格线，建立构造剖面。

断层封闭性评价功能模块包括断层显示、断面SGR及SSF等属性计算。Allan图是以断面为镜面，将断层两盘砂泥岩的几何形态投影到断面上，展现上下盘砂泥岩层沿断面垂向和走向的接触关系，确定有效的并置窗口，模拟岩性并置类型的断层封闭性；属于断层两盘岩性对接的分析方法，适用于评价断层的侧向封闭性。

圈闭评价功能模块利用地震、钻井资料结合区域地质，对圈闭的落实程度、类型、面积、幅度、目的层深度，以及生储盖、油气显示、含油可能性等条件进行评价，综合确定圈闭等级，提供预探优选方案。

3 应用实例

以海拉尔盆地中部乌尔逊凹陷为例，利用勘探前期断层封闭性三维定量评价软件，对少井区圈闭有效性进行评价，指导勘探部署实践。

3.1 区域地质特征

乌尔逊凹陷是海拉尔盆地中部断陷带规模较大的凹陷，是典型的碎屑岩断块油气田，整体呈现东高西低的构造格局，受区域构造应力作用的影响，北北东向及北东东向断层相互切割，在构造带内部形成一系列反向断块。乌60断块是受F1、F2两条断层控制形成的圈闭，其中F1断层性质为北东东向正断层，在目的层铜钵庙组反射层的延伸距离为1.5 km，倾向北北西向，断距为30～80 m； F2断层性质为北北东向正断层，在铜钵庙组反射层的延伸距离为2.3 km，倾向近东向，断距为20～60 m。断层相交构成复杂的断块圈闭，控制构造高部位的两组断层的封闭性直接影响圈闭有效性(见图5)。乌尔逊凹陷南屯组广泛发育半深湖—深湖相沉积，暗色泥岩发育，为主要的烃源岩。南屯组有机碳平均质量分数为2.319%，S1+S2为2.52～7.82 mg/g，生油门限深度为1.5 km，排烃门限深度为1.8 km，有机质丰富，转化程度高，生油潜力大，为油藏提供充足的油源。构造演化研究表明，该地区乌60断块圈闭形成时间早于生排烃时间，有利于圈闭内油气富集。

图5 海拉尔盆地乌尔逊凹陷乌60断块圈闭Fig.5 Trap map of Wu60 Fault Block in Wuerxun Depression, Hailar Basin

尽管目标井距离主生油洼槽较近，延伸至洼槽内成熟源岩分布区的北东向晚期活动断层可以作为油气疏导断裂，但是断裂与近南北走向的断裂相交后构成复杂的断块圈闭，两组断层的封闭性直接影响圈闭有效性。该地区有3口探井，评价断层的封闭性是断块圈闭勘探的关键。

3.2 三维地质模型

在三维地震资料精细解释的基础上，采用断层封闭性三维定量评价软件，建立三维地质模型(见图6)。根据地层信息，利用井点分层数据、地震解释层面数据等，通过3D网格模型插值生成关键层面。为提高建模精度，根据井点分层数据进行层位约束，厘清构造特征和断面交汇形成的层面—断面交接关系。利用钻井测井信息，在构造约束下进行岩性序列模型预测(见图7)，井点岩性信息随构造、储层特征及相边界控制约束变化，更接近真实的断层带附近岩性信息，对复杂断块油气藏的岩性信息进行表征，预测岩性序列及非均质性等，为断层封闭性评价提供断层两盘的岩性参数信息。

图6 乌60断块断层模型Fig.6 Fault model of Wu60 Fault Block

图7 乌60断块断面多井约束下岩性序列模型Fig.7 Lithologic sequence model constrained by multiple wells in Wu60 Fault Block

3.3 断层封闭能力评价

以乌尔逊凹陷乌南乌60断块为例，建立钻前定量预测、钻后解剖分析、未钻圈闭预测的断层封闭性三维定量评价方法，以勘探实效检验可靠性。

3.3.1 钻前定量预测

利用断块邻井——乌38-5井岩性模型，建立岩性序列，对断面属性的断距进行计算和预测。该地区目的层段与上部大套泥岩对接封闭，断层封闭涂抹因数SGR大于38.0%，能够形成有效的侧向封堵，油气聚集成藏的可能性大。乌38-5井SGR在上下盘分布规律基本一致(见图8)，铜钵庙组上部砂岩受南屯组泥质含量较高泥岩涂抹并侧向对接，SGR高于26.0%，封闭性较好；下部泥质层减少，泥质含量减少，泥岩涂抹程度减少，导致SGR逐渐减少，封闭能力不及上部目标层段。由于研究区相邻断块具有相似的地质特征，预测乌60井在目标层段封闭性良好。

图8 乌38-5断块断面SGR属性交汇Fig.8 SGR attribute intersection of section in Wu38-5 Fault Block

3.3.2 钻后解剖分析

乌60井在铜钵庙组上部层段钻遇46 m纯油层，取得工业油流。根据乌60井SGR解剖图版划分的油藏分带特征(见图9)，油层SGR高于31.0%，油水层SGR介于26.2%～31.0%，水层SGR小于26.2%，解剖图版解释深度与试油深度一致，计算油水界面深度为1 277 m。由于解剖图版基于已钻油井的实际数据，具有一定代表性，可以作为构造带断块封闭性评价标准图版。

图9 乌60断块断层SGR与油藏分带特征Fig.9 SGR and reservoir zoning characteristics in Wu60 Fault Block

3.3.3 未钻圈闭预测

主控断层断面上，铜钵庙组上部砂岩层受上覆南屯组的泥岩盖层涂抹而封闭，乌60断块相邻断块圈闭主要目的层段——铜钵庙组上部SGR大于28.0%，超过油气封闭SGR下限，封闭性良好，具有良好成藏条件和勘探部署前景。与乌60断块相邻的东部断块受类似于乌60断块的两条断层控制，两条断层封闭性是断块油气成藏的关键。根据已钻乌60井对相邻断块进行封闭性预测，上部目的层SGR呈横向带状稳定分布，目的层及断面交汇处SGR大于26.2%，预测断块侧向封闭性良好，具有较好的油气成藏条件。预测该断块油水界面深度为1 258 m(见图10)，预测可封闭含油气高度109 m，建议进行钻探(见图10)。