一种基于地质图件的断裂和裂缝预测方法与流程

本发明属于油气勘探开发技术中的断裂和裂缝预测技术，特别涉及一种基于地质图件的断裂和裂缝预测技术。

背景技术：

断裂和裂缝作为石油和天然气的重要运输通道和储存空间，无论是在油气运移还是流体储集方面都起着至关主要的作用。因此，断裂和裂缝研究、尤其是在保存条件至关重要的非常规油气储层中的断裂和裂缝研究，成为优选非常规油气勘探有利区以及制定下步开发方案的一项重要性工作。断裂和裂缝的有效预测是开展区域构造和油气保存条件研究的必要前提，只有建立起一套方便快捷、低成本、可定量或半定量描述的断裂和裂缝预测方案，才能为后期的油气资源评价与生产决策提供正确指导。

现有的断裂和裂缝预测方法中，最常用的是利用地震资料或岩心数据对断裂和裂缝进行有效识别和预测。然而，地震资料采集、处理与解释整个过程周期较长，且预测效果与地震资料品质好坏密切相关，干扰因素较多；岩心数据的获取是建立在新增钻井的基础上，而在尚未启动钻探的新区块中，则无法通过岩心数据对断裂和裂缝进行前期预测。另外，无论是地震解译方法还是岩心识别方法，成本通常均在百万元以上，以此进行断裂和裂缝前期预测，相对而言并不具有经济性。地质图件内其实包含大量的地质信息，如岩性分布、构造展布、地层产状等，其均为构建区域地质模型、深化区块地质认识提供了丰富的数据资源；若能充分并有效地从中提取关键信息，即可从平面地质图件反演立体地质剖面，进一步达到断裂和裂缝预测的目的。同时，尽管地质图件目前仍存在一定保密性，但在油气及相关行业获取图件也并非难事，相对较低的资料成本也为利用地质图件进行断裂和裂缝预测提供了可能，尤其在低勘探程度的新区块中，更能体现这种方法的优越性，相对经济性地满足油气勘探早期的生产需求。

技术实现要素：

为了克服现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种基于地质图件的断裂和裂缝预测方法，基于地质图件分析，确定研究目的层，沿与构造线近垂直方向布设预测基准线，并在基准线附近均匀拾取足量的地质点，读取地质点的坐标和地层产状数据，将其数据投影在基准线上，拟合基准线剖面关系式，绘制基准线剖面形态，计算基准线剖面上的各点曲率，并基于剖面曲率定量-半定量预测剖面断裂和裂缝分布特征，为油气保存条件的横向对比提供重要指示参数。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于地质图件的断裂和裂缝预测方法，包括以下步骤：

步骤一、地质图件分析及目的层确定：有效分析地质图件是进行断裂和裂缝预测的必要前提；在断裂预测之前，首先根据研究需求确定研究区，并厘定区域范围内的主要构造单元、构造线走向及构造分布规律；由于不同层位具有不同的岩性特征，而岩性特征对断裂和裂缝的分布情况存在显著控制作用，因此需提前确定某一研究目的层或岩性相近的某一目的层系，以削弱岩性差异对断裂和裂缝预测的影响。

步骤二、基准线确定：为了更好地预测某研究区断裂和裂缝发育的变化规律，需选择具有代表性的基准线作为断裂和裂缝预测剖面；基准线应为直线，选取时应遵守垂直于主要构造线的基本原则，并切穿区域主要褶皱和断裂，以更好地反映区域地质背景；若构造线方向发生变化，则选取首尾相接、走向差异不大的多条直线作为基准线；同时，为了最大限度获取地质图件的地质信息，在满足上述剖面选取原则的前提下，选择存在较多地质点数据、尤其是目的层地层产状数据的测线作为断裂和裂缝预测的基准线；确定基准线后，读取并记录各段基准线的起始点坐标(xo，yo)和(xd，yd)，进一步计算各段基准线的走向γ(0°-360°)，计算公式为：

步骤三、地质图件数据拾取：地质图件包含大量的地质相关数据，需从中拾取有助于断裂和裂缝预测的有效信息；首先，应以基准线为中心，读取并记录附近地质点的坐标和目的层地层产状数据，同一构造单元两侧各需至少选取一个地质点；所选取的地质点应尽可能靠近基准线和目的层，且在基准线附近尽量均匀分布；在基准线和目的层附近难以获取足量满足条件的地质点时，可适当选取相对较远的地质点，但该地质点所处的地质位置应在垂直基准线方向上沉积-构造变化不大；

步骤四、地质点数据投影：由于部分地质点并未位于所选取的基准线上，或在基准线上的部分地质点倾向并未与基准线走向一致，因此需对此类地质点的数据信息做投影处理；假定基准线起始点坐标和走向与步骤二一致，各地质点的坐标为(xn，yn)，对应的地层产状为(αn，θn)，则其在基准线上的投影坐标(x’n，y’n)应为：

该投影点上的投影产状(α’n，θ’n)为：

经过上述坐标和地层产状数据转换后，所有基准线附近及与基准线走向不一致的地质点数据均投影至基准线上，开展进一步断裂和裂缝预测工作；

步骤五、基准线剖面拟合及绘制：在获取各地质点投影坐标(x’n，y’n)与投影点投影产状(α’n，θ’n)后，则以距基准线初始点(xo，yo)距离l为横坐标、以基准线上地质点投影倾角θ’n对应的地层投影斜率k’n为纵坐标，拟合计算地层投影产状即投影倾角分布曲线；

各投影点距基准线起点距离的计算公式为：

地层投影斜率k’n与地质点投影倾角θ’n的对应关系为：

拟合公式采用二元多项式拟合，拟合项次以不高于n-1次为佳，其中n代表地质点总个数；经过拟合计算，最终得到投影产状即投影倾角分布曲线为：

k＝an-1l^n-1+an-2l^n-2+…+a2l²+a1l+a0(6)

其中，an-1、an-2等代表拟合公式所对应的各项系数；对该拟合公式求解积分，则获得基准线上的近似剖面拟合曲线，并绘制剖面形态图，即：

其中，z代表各投影地质点的相对高程；若地质图件中已绘制了基准线附近且与其近平行的剖面示意图，则将本步骤完成的剖面形态图与之进行对比分析，以增强本拟合剖面的可信程度；

步骤六、基于剖面曲率的断裂和裂缝预测：曲率分析是进行宏观断裂和裂缝预测的一种有效、直观方式；以剖面拟合曲线为基础，对各投影地质点进行曲率计算，计算公式为：

由于断裂和裂缝分布密度与地层曲率间存在明显正比例关系，因此认为断裂和裂缝分布密度(df)为：

df＝cz(9)

其中c为常数，可通过经验值确定，通常为10^-2～10¹不等。

本发明基于地质图件的断裂和裂缝预测方法，将地质图件的平面信息转化为可用于立体剖面建立的相关数据，可相对低成本、方便、快捷地预测区块或区域断裂和裂缝分布特征，能更好地为油气勘探开发、特别是非常规油气新勘探区块的优选提供数据和技术支撑。

本发明方法在国内首次利用地质图件资料对断裂和裂缝系统进行预测，针对目的层段提出了断裂和裂缝预测的新方法，降低了资料成本，缩短了工作周期，简化了预测流程，能够在区块-区域尺度上对断裂和裂缝发育程度进行定量-半定量预测，为油气保存条件的横向对比提供了重要指示参数。

附图说明

图1为本发明中的断裂和裂缝预测方法流程图。

图2为本发明中的地质图件示意图。

图3为本发明中的剖面投影数据-水平距离关系曲线图。其中，图3a为剖面反演曲线图；图3b为投影斜率拟合(一阶导数)曲线图；图3c为二阶导数曲线图；图3d为曲率与断裂和裂缝预测曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种基于地质图件的断裂和裂缝预测方法，包括以下步骤：

步骤一、地质图件分析及目的层确定：有效分析地质图件是进行断裂和裂缝预测的必要前提。在断裂预测之前，首先应根据研究需求确定研究区，并厘定区域范围内的主要构造单元、构造线走向及构造分布规律。由于不同层位具有不同的岩性特征，而岩性特征对断裂和裂缝的分布情况存在显著控制作用，因此需提前确定某一研究目的层或岩性相近的某一目的层系，以削弱岩性差异对断裂和裂缝预测的影响。

步骤二、基准线确定：为了更好地预测某研究区断裂和裂缝发育的变化规律，需选择具有代表性的基准线作为断裂和裂缝预测剖面。通常而言，基准线应为直线，选取时应遵守垂直于主要构造线的基本原则，并切穿区域主要褶皱和断裂，以更好地反映区域地质背景。若构造线方向发生变化，可选取首尾相接、走向差异不大的多条直线作为基准线。同时，为了最大限度获取地质图件的地质信息，应在满足上述剖面选取原则的前提下，选择存在较多地质点数据、尤其是目的层地层产状数据的测线作为断裂和裂缝预测的基准线。确定基准线后，应读取并记录各段基准线的起始点坐标(xo，yo)和(xd，yd)，进一步计算各段基准线的走向γ(0°-360°)，计算公式为：

步骤三、地质图件数据拾取：地质图件包含大量的地质相关数据，需从中拾取有助于断裂和裂缝预测的有效信息。首先，应以基准线为中心，读取并记录附近地质点的坐标和目的层地层产状数据，同一构造单元两侧各需至少选取一个地质点。所选取的地质点应尽可能靠近基准线和目的层，且在基准线附近尽量均匀分布；在基准线和目的层附近难以获取足量满足条件的地质点时，可适当选取相对较远的地质点，但该地质点所处的地质位置应在垂直基准线方向上沉积-构造变化不大。

步骤四、地质点数据投影：由于部分地质点并未位于所选取的基准线上，或在基准线上的部分地质点倾向并未与基准线走向一致，因此需对此类地质点的数据信息做投影处理。假定基准线起始点坐标和走向与步骤二一致，各地质点的坐标为(xn，yn)，对应的地层产状为(αn，θn)，则其在基准线上的投影坐标(x’n，y’n)应为：

该投影点上的投影产状(α’n，θ’n)为：

经过上述坐标和地层产状数据转换后，所有基准线附近及与基准线走向不一致的地质点数据均投影至基准线上，可开展进一步断裂和裂缝预测工作。

步骤五、基准线剖面拟合及绘制：在获取各地质点投影坐标(x’n，y’n)与投影点投影产状(α’n，θ’n)后，可以距基准线初始点(xo，yo)距离l为横坐标、以基准线上地质点投影倾角θ’n对应的地层投影斜率k’n为纵坐标，拟合计算地层投影产状(投影倾角)分布曲线。

各投影点距基准线起点距离的计算公式为：

地层投影斜率k’n与地质点投影倾角θ’n的对应关系为：

拟合公式可采用二元多项式拟合，拟合项次以不高于(n-1)次为佳，其中n代表地质点总个数。经过拟合计算，最终得到投影产状(投影倾角)分布曲线为：

k＝an-1l^n-1+an-2l^n-2+…+a2l²+a1l+a0(6)

其中，an-1、an-2等代表拟合公式所对应的各项系数。对该拟合公式求解积分，可获得基准线上的近似剖面拟合曲线，并绘制剖面形态图，即：

其中，z代表各投影地质点的相对高程。若地质图件中已绘制了基准线附近且与其近平行的剖面示意图，可将本步骤完成的剖面形态图与之进行对比分析，以增强本拟合剖面的可信程度。

步骤六、基于剖面曲率的断裂和裂缝预测：曲率分析是进行宏观断裂和裂缝预测的一种有效、直观方式。以剖面拟合曲线为基础，可对各投影地质点进行曲率计算，计算公式为：

由于断裂和裂缝分布密度与地层曲率间存在明显正比例关系，因此可认为断裂和裂缝分布密度(df)为：

df＝cz(9)

其中c为常数，可通过经验值确定，通常为10^-2～10¹不等。

为了使本领域的普通技术人员可以对本发明专利中的基于地质图的断裂和裂缝预测方法有更深刻的理解，下面将以地区b为例，参照流程图(图1)，对本发明中的断裂和裂缝预测方法做进一步详细介绍。

步骤一、地质图件分析及目的层确定：选取地区b为例，对断裂与裂缝发育情况对页岩气保存条件的控制作用展开研究(图2)。为此，本发明方法选取下志留统龙马溪组目的层为研究层位，对断裂和裂缝系统进行预测。本区构造线(褶皱等)均以ne-sw向为主。

步骤二、基准线确定：由于研究区b内构造线走向基本一致，均为近ne-se向，因此选取近nw-se向的a-a’剖面作为断裂和裂缝预测剖面的基准线。从地质图上读取a点和a’点的坐标，分别为：

a(72.8，118.8)和a’(141.6，60.6)。

利用公式(1)，可计算得到基准线的整体走向γ＝139.8°。

步骤三、地质图件数据拾取：以基准线为中心，在其两侧均匀选取5个地质点进行坐标和地层产状数据的拾取；在拾取时，尽量保证同一向斜或背斜构造单元内至少布设两个地质点(图2)。部分地质点较基准线相对较远，但均控制在同一构造单元内。所拾取的地质点信息如下：

表1地区b地质点主要信息表

步骤四、地质点数据投影：所选取的所有地质点均未位于基准线上，因此需对其进行投影转换。利用公式(2)和(3)，将各地质点的坐标及地层产状数据投影至基准线上。投影后的地质点数据如下：

表2地区b地质点投影坐标及投影地层产状统计表

为了与基准线方向保持一致，所有投影倾向均统一为139.8°，而投影倾角中，正值代表地质点倾向与基准线方向基本一致的投影倾角，而负倾角则代表与基准线方向基本相反的投影倾角(表2)。

步骤五、基准线剖面拟合及绘制：结合公式(4)，可分别计算出各投影点距基准线初始点的距离l’n；同时，利用公式(5)，也可换算出各地质点投影地层斜率k’n，数据如下：

表3投影斜率与距基准线起点距离关系表

同时，由于选取的地质点共5个，因此对上述变量进行不高于地质点个数次数的2元4次多项式拟合，拟合公式为(图3b)：

k＝7.00×10^-5l⁴-1.77×10^-2l³+1.50l²-53.23l+662.08(10)

在此基础上，利用公式(7)，对获得的投影点距基准线起点距离-投影斜率关系式拟合求积分，即可获得相对高程与投影距离的对应关系(表3)，即(图3a)：

z＝1.40×10^-5l⁵-0.443×10^-2l⁴+0.50l³-26.62l²+662.08l(11)

步骤六、基于剖面曲率的断裂和裂缝预测：投影地层曲率的准确计算是对断裂和裂缝进行有效预测的重要前提。基于曲率计算公式，需优先计算相对高程对水平距离的一阶导数和二阶导数，经过计算(图3b和图3c)：

代入曲率计算公式(8)，可得(图3d)：

由于对同一岩性地层而言，断裂和裂缝发育程度与地层曲率间存在明显的正相关关系，因此，可认为断裂和裂缝密度为：

式中，c为常数，可通过经验值确定，通常为10^-2～10¹不等。

本领域的技术人员应当理解，地质图件数据的准确拾取、基准线的有效选择是区域断裂和裂缝预测的重要前提，而实际在拾取数据、选择基准线时，由于受地质背景和地质图件质量差异的影响，均可能因地质数据不足、构造线走向变化较大以及与实际地质情况不一致等因素，造成断裂和裂缝预测结果失真。因此，为了保证该方法的计算结果与实际地质情况可进行有效对比，在执行该方法之前，必须选择合适的研究区、研究目的层和地质图件，预测结果才具有较高的精度与可信度。