阅读说明：本技术 基于动力学平衡原理的走滑断层垂向启闭性评价方法 (Dynamic balance principle-based vertical opening and closing performance evaluation method for strike-slip fault ) 是由 秦峰 宫亚军 王千军 曹忠祥 曾治平 刘慧� 刘华夏 陈雪 范婕 高剑雄 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明属于油田勘探技术领域,涉及一种基于动力学平衡原理的走滑断层垂向启闭性评价方法。所述方法包括：对研究区走滑断层的启闭性进行动力学表征；依据表征结果对所述走滑断层启闭性建立评价模型,并给出启闭性判识标准。本发明从断层结构强度、有效应力及流体动力三个主要方面剖析了启闭作用,并明确了动力学意义及量化表征,建立评价模型。本发明方法可适用于不同地质条件下的走滑断层的垂向启闭性评价；同时也适用于断层活动期与静止期启闭性的评价。适用范围广,评价准确性提高。(The invention belongs to the technical field of oilfield exploration, and relates to a method for evaluating vertical opening and closing performance of a slip fault based on a dynamic balance principle. The method comprises the following steps: performing dynamic characterization on the opening and closing performance of the walk-slip fault of the research area; and establishing an evaluation model for the opening and closing performance of the walk-slip fault according to the characterization result, and giving an opening and closing performance judgment standard. The method analyzes the opening and closing action from three main aspects of fault structure strength, effective stress and fluid power, determines the dynamic significance and quantitative representation, and establishes an evaluation model. The method can be suitable for evaluating the vertical opening and closing performance of the strike-slip fault under different geological conditions; meanwhile, the method is also suitable for evaluating the opening and closing performance of the fault in the active period and the static period. The application range is wide, and the evaluation accuracy is improved.)

基于动力学平衡原理的走滑断层垂向启闭性评价方法

技术领域

本发明属于油田勘探技术领域，涉及一种基于动力学平衡原理的走滑断层垂向启闭性评价方法。

背景技术

断层为油气运聚成藏的重要纽带，一般认为具有输导与遮挡作用双重性，断裂活动期输导作用，而静止期则起封闭作用，研究的核心问题是阐明输导和遮挡作用的时空界限，针对这一问题，前人开展了关于断层的输导性和封堵性研究，分析了断层输导与封堵性的影响因素，提出具有代表性的“浮力”驱动的达西渗流机制、“地震泵”抽吸机制及“断-压”双控的幕式输导机制和断层岩性对接封闭与泥岩涂抹封闭的地质模型，并建立了相应的输导性或者封堵性的评价模型，在此基础上，以期实现断层优势运移通道刻画、油气藏定位及预测。

中国专利CN106680891B公开了一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，该方法包括以下步骤：选取研究区内已探明区的多个断层作为样本点，制作垂直于断层走向的纵向地质剖面，根据断层上、下两盘油气分布特征对样本点断层的垂向启闭性进行判断；计算样本点的断层启闭系数S，统计样本点断层垂向启闭性与其对应的断层启闭系数S之间的相关关系，建立判识门限；计算研究区内未探明区断层对应的断层启闭系数S，当断层对应的断层启闭系数S大于判识门限，断层垂向封闭；反之，断层垂向开启。该方法适用于岩性盖层段评价。

中国专利CN106772675B公开了一种基于断层断裂结构评价断层启闭性的方法，该方法包括如下步骤：明确目标区域各种类断层的断裂结构特征；根据所述断裂结构特征获取不同断层结构部位的渗透率；利用所述断层结构不同部位的渗透率计算相应部位的启闭概率，然后利用所述相应部位的启闭概率计算对应层段断层的启闭概率，再通过不同层段断层的启闭概率评价所述目标区域的断层的启闭性。该方法考虑了多种地质因素，可广泛适用于油气资源地质勘探及发开评价技术领域。

目前研究主要针对张性正断层、逆冲断层展开，但上述两类断层都具有较大的垂向断距，而走滑断层的垂向断距不明显，主要以水平位移为主，故目前基于正断层或逆断层的评价方法在走滑断层中的应用效果不佳，制约了油气勘探中有利目标的评价优选。另外，近年来，在断层结构及流体动力学研究的推动下，逐步认识到了断层是具有断层核与破碎带二分结构，各结构单元的渗透性具有显著的差异性，诱导裂缝带渗透性显著高于断层核，断裂带内流体动力学特征差异性使得断层输导行为更为复杂。断裂带流体输导作用本质上是流体动力学行为，但现有评价模型中几乎没有考虑这一重要要素。因此，现有评价模型的准确性仍需进一步改进、提高。

发明内容

针对以上所述问题，本发明提供了一种适用于走滑断层的评价方法，该方法通过构建基于动力学平衡的评价模型，为断层活动期与静止期走滑断层输导性统一评价奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于动力学平衡原理的走滑断层垂向启闭性评价方法，所述方法包括：

步骤1、对研究区走滑断层的启闭性进行动力学表征；

步骤2、依据表征结果对所述走滑断层启闭性建立评价模型，并给出启闭性判识标准。

优选地，步骤1中，从断层结构强度、有效应力和/或流体动力对断层的启闭性进行动力学表征。

优选地，选择泥岩塑性作为断层结构强度的动力学表征；优选地，以泥岩塑性变形极限压力作为断层结构强度的动力学表征。

进一步优选地，建立泥岩塑性变形极限压力与断点埋深的关系模型，所述模型为线性关系或非线性关系模型。

优选地，选择断面正压力作为有效应力的动力学表征。

进一步优选地，建立断面正压力与断点埋深、断层倾角、上覆地层水密度及上覆地层岩石密度之间的关系模型。

优选地，选择流体压力作为流体动力的动力学表征。

进一步优选地，根据研究区实测压力数据，拟合建立流体压力与断点埋深之间的关系模型。

优选地，在步骤2中，依据步骤1表征结果及基本动力学平衡原理，利用流动动力与流动阻力比值来表征断层的输导能力，进行启闭性评价；

优选地，根据有效应力、断层结构强度及流体动力在地质中发挥的作用，分别确定泥岩塑性强度、流体剩余压力和断面正压力是流动动力还是流动阻力。

优选地，启闭性判识标准为：

流动动力与流动阻力比值>1，断层开启；流体动力与流动阻力比值<1，断层封堵；流动动力与流动阻力比值＝1，为断层启闭性临界值。

本发明从断层结构强度、有效应力及流体动力三个主要方面剖析了启闭作用，并明确了动力学意义及量化表征，建立评价模型。与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)断层均具有输导性与封堵性的双层作用，本发明选择的断层结构强度、有效应力及流体动力三个评价要素在不同地质条件下既可以是动力作用，也可以是阻力作用，具有输导与封堵双层作用，基于动力平衡原理建立的评价模型可适用于不同地质条件下的走滑断层的垂向启闭性评价；同时也适用于断层活动期与静止期启闭性的评价，适用范围广。

(2)本发明通过有效应力、断层结构强度及流体动力三方面地质要素启闭作用的系统分析，明确了启闭要素的动力学作用以及及其量化表征，建立启闭性评价模型和判识标准，评价准确性提高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明具体实施例所述准中腹部南北向地震解释剖面图；

图2为本发明具体实施例所述准中腹部断层中1区块断层垂向输导性评价图版。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例 基于动力学平衡原理的走滑断层垂向启闭性评价方法

所述评价方法包括：

步骤1、对研究区走滑断层的启闭性进行动力学表征：从断层结构强度、有效应力、流体动力三方面对断层结构的启闭性进行动力学表征。选择泥岩塑性作为断层结构强度的动力学表征；建立泥岩塑性变形极限压力与断点埋深的关系模型，所述模型为线性关系或非线性关系模型。选择断面正压力作为有效应力的动力学表征，建立断面正压力与断点埋深、断层倾角、上覆地层水密度及上覆地层岩石密度之间的关系模型。选择流体压力作为流体动力的动力学表征，根据研究区实测压力数据，拟合建立流体压力与断点埋深之间的关系模型。

步骤2、依据表征结果对所述走滑断层启闭性建立评价模型，并给出启闭性判识标准：依据步骤1表征结果及基本动力学平衡原理，利用流动动力与流动阻力比值来表征断层的输导能力，进行启闭性评价；

根据有效应力、断层结构强度及流体强度在地质中发挥的作用，分别确定泥岩塑性强度、流体剩余压力和断面正压力是流动动力还是流动阻力。

启闭性判识标准为：

流动动力与流动阻力比值>1，断层开启；流动动力与流动阻力比值<1，断层封堵；流动动力与流动阻力比值＝1，为断层启闭性临界值。

应用例

采用实施例所述评价方法对准中压扭性走滑断裂体系进行评价分析.

准噶尔盆地腹部具凹凸相间的构造格局，各个二级正负构造单元的转换带多发育大型走滑断裂体系，断裂规模相对较大，横向延伸长，纵向断开层位多，主要从石炭系基地断至侏罗系或白垩系底部。腹部的油气基本沿上述断裂带分布。平面上，断层整体上呈平行式、雁列式、帚状、多字形等展布，平面上具有一定平移走滑分量，走滑距离在120～750m之间，显示平移走滑特征。古应力研究表明，该断裂体系具有明显的压扭性应力学背景，在剖面上，该套断裂体系在形态上表现为下部为单条断层，向上逐渐撒开，成正花状，即花状断层由主断层和多条伴生断层组成，与理想走滑模型相吻合(图1)。总体而言，在压扭性应力场条件下，准噶尔盆地腹部二级构造单元转化带发育压扭性走滑断裂体系，该套断裂体系直接沟通深部二叠系油源，藏源纵向分离背景下，断层的垂向油气输导作用备受关注。

1.启闭作用及动力学表征

(1)断层结构强度

建立拟合泥岩塑性极限变形压力随深度线性变化模型，具体如下式(1)所示：

P_{变形极限压力}＝0.003571×H (公式1)

其中，0.00357为泥岩塑性变形与深度的曲线斜率；H为断点埋深，m。

不同深度泥岩极限变形压力大小是断层开启程度的良好表征参数，可作为表征断层的启闭性重要指标之一，值越大，开启程度越大。

(2)有效应力

断面正压力大小受断点埋深、断层倾角、上覆地层水密度及上覆岩石密度等因素的影响，建立断面正压力与断点埋深、断层倾角、上覆地层水密度及上覆岩石密度关系模型，如下式(2)所示

P_{断面正压力}＝H×(ρ_r-ρ_w)×0.009876cosθ (公式2)

其中：P_{断面正压力}为断面正压力，Mpa；θ为断层倾角，°；ρr为上覆地层密度，g/cm³；ρw为上覆地层水密度，g/cm³；H为断点埋深，m。

(3)流体动力

研究区实测压力数据反映地层压力纵向分布具有“两段式”特征，埋深4200m以上为静水压力，随深度呈线性关系，相关系数为0.9992(公式3)，该深度之下出现超压，根据实测流体压力拟合，随埋深增加，流体压力随深度呈三次函数曲线关系，相关系数达0.9558(公式4)，相应的压力系数在1.1～1.9之间，剩余压力(ΔP)在0～50Mpa之间。流体压力的增大，水力作用使裂缝重性开启或形成新的微裂缝，起输导作用，即，剩余压力越大，断层输导性能越好，受剩余流体压力驱动，油气沿断裂垂向运移。

所述流体动力通过P_流体压力表征，所述P_流体压力的公式为：

当H≤4200m时，P_流体压力＝0.01×H+5×10^-13 (公式3)

当H＞4200时，P_流体压力＝1.7×10^-9×H³-4.109×10^-5×H²+0.3301×H-750.42(公式4)

其中：P_流体压力为地层流体压力，MPa；H为断点埋深，m；R²为相关系数。

油气在断层介质中运移的动力源有超压水头(剩余压力)、常压水头及浮力，不同输导方式下动力构成不同。在较浅的常压体系中，源自盆缘的常压水头压差使腹部断层作为流体“越流”的通道，与浮力构成一起常压体系油气运移的动力源，而超压体系中，以超压水头与浮力为动力源。按照目前超压幅度计算，腹部地区剩余流体压力梯度达到2.6MPa/100m，常压水头一般来自主要来自周缘露头区，其水动力梯度一般在0.2m/100m～3.5m/100m之间，相当于0.02MPa/100m～0.35MPa/100m之间，根据工区油气平均密度0.76g/cm3，水密度1.02g/cm³计算，油气浮力梯度0.25MPa/100m。总体而言，剩余压力梯度较常压水头梯度与浮力梯度大1～2个数量级以上，因此，在腹部的超压体系中，剩余压力是油气的主要动力源，其大小可有效表征输导动力大小。

2.垂向启闭性评价

评价模型建立

断层结构强度、有效应力及流体动力共同决定断层输导能力，泥岩塑性变形强度、断面正压力及剩余压力分别是其启闭作用的动力学表征，其中，断面正压力起阻力作用；泥岩塑性变形强度起动力作用；剩余压力是输导主要动力，即泥岩变形压力和流体剩余压力相加可有效表征输导动力大小，而断面正压力可有效表征阻力大小。断层是否输导取决输导作用是否强于阻力作用，断层输导过程是流体在断层介质内的流动动力学行为，遵循基本力学平衡原理，即在数学表达上表现为动力是否大于阻力，故可利用流体动力与阻力比值来表征断层的输导能力，进行启闭性评价，建立压扭性走滑断裂的评价模型(K_f)，并给出启闭性判识标准。评价模型如下式5所示：

K_f＝(ΔP+P_{变形极限压力})/(P_{断面正压力}) (公式5)

＝(ΔP+0.003571H)/(H×(ρ_r-ρ_w)×0.009876cosθ)

其中，K_f为断层垂向封闭系数，无量纲；ΔP是流体剩余压力，Mpa；P_{变形极限压力}为泥岩塑性变形极限压力，Mpa；P_{断面正压力}为断面正压力，Mpa；θ为断层倾角，°；ρr为上覆地层密度，g/cm³；ρw为上覆地层水密度，g/cm³；H为断点埋深，m。

启闭性系数的计算需要大量的测试及计算数据，计算的精确度对数据质量有较高的要求。断面埋藏深度(H)及断层倾角(θ)，由地震剖面读取并进行时深转换得到；上覆地层的密度(ρr)，由断层附近井的密度测井资料得到，本文实例中取2.4102g/cm³，地层水密度(ρw)全区均取1.02g/cm³；断面正压力、泥岩塑性变形强度及流体压力，依据不同地区的实测数据与相应公式计算得到；并最终得到准中走滑断裂体系的启闭系数。

判识图版及标准

本次研究对包括准中莫西庄等地区的2条典型走滑体系进行系统评价，分别求出了断裂的主断层与分支断层等对应的流动动力及流体阻力表征参数值，进而评价走滑断裂的启闭性。如图2所示，左纵坐标为断点埋深，右纵坐标为相应深度的泥岩塑性变形强度，横坐标为断层倾角。

根据公式所代表的动力学意义，K_f>1，流动动力大于流动阻力，断层开启，利于油气输导；K_f<1，流动动力小于流动阻力，断层封堵，K_f＝1为断层启闭性临界值，依据公式6得到相应的启闭临界角。

cosθ＝(P_{变形极限压力}+ΔP)/(H×(ρr-ρw)×0.009876) 公式(6)

θ＝acos((0.00357×H+ΔP)/(H×0.00987(ρr-ρw))

其中：P_{变形极限压力}：泥岩塑性变形极限压力；θ：断层倾角，°；ρr：上覆地层平均密度，g/cm³；ρw：上覆地层水密度，g/cm³；H：断点埋深，m。

如图2所示，以K_f＝1为界限，启闭界限左上部分为封堵区间，划分出常压和超压两个封堵区间，启闭界限右下部分为开启区间，可划分出常压和超压两个开启区间。如图2所示，超压体系中，断层启闭临界角随深度增大而减小(BC段)，当剩余压力增幅减小时，临界角趋于平直(AB段)；常压体系中，流体剩余压力为零，启闭临界角约为75°(CD段)，其地质意义是K_f≥1，泥岩塑性变形强度始终大于断面正压力，泥岩未发生塑性流变，断层输导；而当断点埋藏较浅时，断裂的主应力发生转化，有效应力增大使泥岩重新塑性变形，且在低围压条件下，泥岩更容易发生塑性变形，故走滑断裂浅部层封堵性增大，启闭临界角变大(DE段)。上述常压体系中泥岩塑性强度原理，也被用来确定正断层等封堵深度，并取得较好效果，在本文的模型中，则是启闭性判识的一个特例。

整体评价来看，第一，对于具体断层而言，启闭系数随断层倾角、流体压力梯度、泥岩塑性变形强度等地质条件而异；第二，启闭性具有垂向分段性，压力过度界面为第一个封堵段(BC段)，浅层应力转换带为第二封堵段(DE段)；第三，深层断层启闭性对流体压力更敏感，中浅层则对断面正压力更敏感，而浅层对泥岩塑性变形强度更敏感；第四，同一断层，启闭系数从0.4-1.8，主断层相对分支断层倾角较大，但流体压力及泥岩变形压力相同，故主断裂开启程度高，表明主断裂是流体主要的通道，当断层倾角大于75°时，断层断至层位即含油气层位，距离主断裂越近，油气显示活跃，油浸厚度越大，且油气主要富集于主断层断至的第一封堵段(BC段)的侏罗系储层中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。