一种基于断裂自相似理论的低级序断层发育规律预测方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发、矿产评价预测领域，尤其是一种基于断裂自相似理论的低级序断层发育规律预测方法。

背景技术

断裂“自相似”现象是自然界的一种普遍现象，指事物的一部分与其整体的相似性，断裂构造也不例外。人们早已注意到断裂构造的相似性，即规模大小不同、性质不尽相同而外形相似的物质结构体系，在受到相同方向的作用力下所产生的构造相似的现象(张文佑，1984)，并根据这一构造相似原理，进行了广泛的模拟实验，建立了许多构造模型(或型式)。然而在自然界中，一些不同规模(或不同等级)的相似构造常构成某种特殊的对应关系。如在一些地区，常发育几组不同等级的断裂，它们将所在地区切割成规模大小不同而形态相似的地质块体，它们在一定方向构造应力场作用下，变形先受低级别断裂控制，形成某种低级别断裂组合。随变形发展，变形逐步受到同方向高级别断裂控制，形成同种高级别断裂组合。或是某一级别断裂组合的构造成分，在演化过程中形成低序次(亦为低级别)的同种断裂组合。这样，低级别(或低序次)断裂组合作为同种高级别(或高序次)断裂组合的组成部分。

(1)自相似现象是自然界的一种很普遍的现象，如海岸线植物、动物(斑马)的斑纹等都可表现出自相似性。

(2)断裂组合自相似性是断裂构造的基本属性之一，在一定方向构造应力作用下，其变形受不同等级断裂控制，并由低等级向高等级发展或派生出低序次断裂，都可形成自相似断裂组合。而自然界不同等级断裂共存是一种普遍现象，构造变形也必然有一个演化的过程，因此，自相似断裂组合是一种普遍的现象，自相似性是断裂构造的基本属性。

在低级序断层预测中，低级序断层的展布影响油气开发、剩余油分布，是困扰油区进一步开发的难点。传统的地震解释很难准确识别该尺度的断裂，由于低级序断层的规模小，隐蔽性强，地震识别困难等特点，严重影响了低级序断层解释的精确性。目前主要应用井间地震技术、精细相干分析技术及地震属性技术等一些开发地震新技术来实现对低级序断层的识别描述。在识别描述的基础上，主要应用构造背景法、断层组合分析法、构造应力场分析法、构造物理模拟法及岩层曲率法等方法对低级序断层的发育规律进行预测，进而指导局部构造的落实。本发明专利在地震解释的基础上，设定断裂自相似性发育规律量化参数，并进行断裂自相似性参数检验，结合油藏开发断裂图，以高级序断层为约束，建立低级序断层发育规律预测模型，进而提出低级序断层二次解释方案，最后通过应力场模拟对解释方案对比验证。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种基于断裂自相似理论的低级序断层发育规律预测方法，它实现了油藏低级序断层发育规律预测。

本发明的技术方案为：一种基于断裂自相似理论的低级序断层发育规律预测方法，具体步骤如下：

第一步 通过三维地震精细解释，获取断层平面展布图、地震剖面图

利用地震解释相关软件，通过精心地震解释获得工区的断层平面展布图，得到研究区的断层平面展布、地震剖面图。

第二步 设定断裂自相似性发育规律量化参数

断裂系统在几何形态、构造演化以及成因动力上具有统计意义的自相似性；断裂具有统计意义的自相似性，可以用断裂信息维表示，容量维没有反映研究对象的非均匀性，仅考虑不同边长(ε)的栅格内是否落入数据点，因此引入信息维D的概念：

$D\left(F\right)=-\underset{ϵ\to 0}{\lim }\frac{I\left(ϵ\right)}{ln\left(ϵ\right)}---\left(1\right)$

公式(1)中，P_i是每个信息点落入第i个小栅格的概率；ε为栅格的边长。

为了更为具体的表示断裂的这种自相似性，定义了两个参数：

信息维差△D：

△D＝D₂-D₁(2)

相似性差△R²：

△R²＝R²₂-R²₁(3)

公式(2)、公式(3)中，D₁、D₂分别低级序断层增加前后，断裂的信息维数值；R²₁、R²₂分别为低级序断层增加前后，断裂的相似度数值；即△D、△R²为增加某条小断层后，某一单元内，断层的信息维、相似性变化之差。

第三步 断裂自相似性参数检验

以已经落实的断裂系统为例，共计n条断裂，选取其中的m条低级序断层做统计分析，其余n-m条为控制断裂(高级序断层)设计两个方案：

方案A：在n-m条高级序断层的控制下，逐条增加低级序断层的条数，判断△R²、△D的变化。

方案B：在n条作为整体，逐条删增每条断层，判断每条断层的△R²、△D的变化。

所述的方案A是指逐条增加低级序断层的条数，判断△R²、△D的变化；通过对m余条低级序断层的信息维统计规律分析，从统计意义分析低级序断层是否有向信息维D更大、相似度R²更高的发展趋势；所述的方案B以及逐条判别法是指在断裂系统中，逐条增删每条断层，从统计意义判断每条断层删减前后的△R²、△D是否增大；从方案A、方案B验证运用断裂自相似性预测低级序断层的可行性。

第四步 获取油藏开发断裂图

在地震解释的基础上，通过油藏的实际开发过程中油水的变化以及动态资料分析，获取油藏的断裂图。

第五步 建立低级序断层发育规律预测模型

在获取油藏的断裂展布图的基础上，建立低级序断层发育规律预测模型。

所述的低级序断层发育规律预测模型是指建立以高级序断层为骨架，利用确定的低级序断层对模型补充、完善，建立断裂自相似的构造模型，以此预测其它不确定断层的合理解释方案。

第六步 模拟确定低级序断层的二次解释方案

采用逐条判别的方法，分析每条断层删除后的两个参数——信息维差△D、相似性差△R²的变化；即增减某条小断层后，某一单元内，断层的信息维、相似性变化之差。筛选其中断裂信息维差△D、相似性差△R²减小的断裂进行修改、调试，使断裂信息维差△D、相似性差△R²总体朝着增大的方向发展。

第七步 断层调整后方案与应力场模拟结果的对比验证

低级序断层是局部构造应力场下的产物，局部构造应力场是在区域构造应力场的背景上派生的，可以由一条或者几条高级序断层派生形成，也可以由岩层弯曲变形派生形成。低级序断层的发育主要受控于古最小主应力及剪应力的分布。最小主应力高值区低级序断层优势发育；平面剪应力控制了低级序断层的平面展布；剖面剪应力控制了低级序断层的倾向：根据库仑破裂准则，两组剪切破裂面具有共轭性，其钝夹角平分线方向即为最小主应力方向。在平面应变椭圆中，两组共轭剪切破裂线代表两组断层的走向线。受平面剪应力分布的控制，两组断层的发育程度通常不同，在左旋平面剪应力环境中具有左旋性质的一组断层发育程度高，在右旋平面剪应力环境中具有右旋性质的一组断层发育程度高，因此可以根据剖面剪应力的性质来解释断层的倾向。

在确定断层形成的古构造应力场的基础上，可以从地质力学的角度分析低级序断层的发育规律，并与断裂自相似性确定的断层解释方案对比、验证。

本发明的有益效果是：本发明专利在地震解释的基础上，设定断裂自相似性发育规律量化参数，并进行断裂自相似性参数检验，结合油藏开发断裂图，以高级序断层为约束，建立低级序断层发育规律的预测模型，进而提出低级序断层二次解释方案，最后通过应力场模拟对解释方案对比验证。本发明对于低级序断层的分布规律预测、剩余油分布、二次开发方案调整等多个方面具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，大量减少人力、财力的支出，对油田勘探开发的实用性强。

附图说明

图1为一种基于断裂自相似理论的低级序断层发育规律预测方法的流程图。

图2为高邮凹陷构造位置以及区划图。

图3为马35断块构造位置图。

图4为高邮凹陷断裂系统图。

图5为逐条增加低级序断层的条数与D、R²关系。

图6为逐条判别每条低级序断层与R²关系。

图7为逐条判别每条低级序断层与D关系。

图8为马35断块油藏开发断裂图。

图9为马35断块低级序断层发育规律预测模型。

图10为断层①修改示意图。

图11为断层①修改前后△D、△R²变化。

图12为断层②修改示意图。

图13为断层②修改前后△D、△R²变化。

图14为断层③修改示意图。

图15为断层③修改前后△D、△R²变化。

图16为断层④修改示意图。

图17为断层④修改前后△D、△R²变化。

图18基于应力场数值模拟的马35断块低级序断层走向预测。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

研究区为韦庄马家嘴地区汉留断裂带附近的马35断块，构造上位于高邮凹陷西南部，汉留断层与真②断层西缘，邵伯次凹西边，大部分地区位于深凹带内。马家嘴构造位于汉留断层的下降盘，区域上是地层整体向西北抬升的单斜构造，南北分别受真②断层和汉留断层夹持。韦庄构造位于汉留断层上升盘，属于高邮凹陷北斜坡的南缘，构造活动主要受汉留断裂的影响。韦马地区内沉积岩系发育，生油环境好，油气藏类型多，富集程度高，是勘探程度较高的含油气区之一(图2-图3)。

第1步 利用地震解释相关软件，通过精心地震解释获得高邮凹陷的断层平面展布图(图4)。

第2步 通过方案A、方案B验证了运用断裂自相似性预测低级序断层的可行性，，其中落实金湖凹陷阜二段各类断裂815条，以其中300条大断裂为控制断裂，515条为模拟的低级序断裂，具体方案如下：

(1)方案A——逐条增加低级序断层的条数，判断△R²、△D的变化。

如图5所示，515余条低级序断层的信息维统计规律分析，受高级序断层影响和控制，从统计意义得出，低级序断层有向信息维D更大、相似度R²更高的发展趋势，基于此原理，可以尝试分析低级序断层平面、剖面组合规律的合理性。

(2)方案B——断裂系统中，逐条增删每条断层，判断每条断层删减前后的△R²、△D的变化。

由图6得到，通过逐条判别，515条低级序断层中，86.2％的断层的△R²是增大的；仅有13.8％的断层△R²是减小的。由图7得到，通过逐条判别，515条低级序断层中，92.2％的断层的△D是增大的；7.8％的断层△D是减小的。

由图5-图7可以得出在一个断裂系统中，受高级序断层影响，在不同的统计尺度上(r)，低级序断层在统计意义上，总是朝相似程度更高方向发展(△R²、△D增大)，从而验证了运用断裂自相似性预测低级序断层的可行性。

第3步 在地震解释的基础上，通过油藏的实际开发过程中油水的变化以及动态资料分析，获取马35断块油藏的断裂图(图8)。

第4步 在获取油藏的断裂展布图的基础上，建立以高级序断层为骨架，结合确定的低级序断层对模型补充、完善，建立马35断块断裂自相似的构造模型(图9)，以此预测其它不确定断层的合理解释方案。

第5步 采用逐条判别的方法，分析每条断层删除后的两个参数——信息维差△D、相似性差△R²的变化；即增加某条小断层后，某一单元内，断层的信息维、相似性变化之差。筛选其中断裂信息维差△D、相似性差△R²减小的断裂进行修改、调试，使断裂信息维差△D、相似性差△R²朝着增大的方向发展。

(1)断层①修改

图10、图11表示断裂修改前后，断裂信息维差△D、相似性差△R²的前后变化，修改前后不同尺度的断裂信息维差△D、相似性差△R²的总体朝着更大的方向发展。

(2)断层②修改

图12、图13表示断裂②修改前后，断裂信息维差△D、相似性差△R²的前后变化，修改前后不同尺度的断裂信息维差△D、相似性差△R²的总体朝着更大的方向发展。

(3)断层③修改

图14、图15表示断裂③修改前后，断裂信息维差△D、相似性差△R²的前后变化，修改前后不同尺度的断裂信息维差△D、相似性差△R²的总体朝着更大的方向发展。

(4)断层④修改

图16、图17表示断裂④修改前后，断裂信息维差△D、相似性差△R²的前后变化，修改前后不同尺度的断裂信息维差△D、相似性差△R²的总体朝着更大的方向发展。

第6步 如图18所示，在确定断层形成的古构造应力场的基础上，可以分析低级序断层走向分布规律，对比图18与图16可知，基于断裂自相似理论的低级序断层发育规律预测结果与应力场模拟预测裂缝的发育规律基本一致，从而验证了本方法的可靠性。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。