一种预测塑性地层变形的方法及模拟装置与流程

本发明涉及地层变形趋势预测技术领域，特别涉及一种预测塑性地层变形的方法及模拟装置。

背景技术：

现有的预测塑性地层变形的工作中，采用的是提取地震数据体属性的方法，来预测塑性地层在平面上的变形形态展布。但是，该方法具有以下不足之处：1)该数据体是全频段地震数据体，在提取地震属性后，差异性不明显，预测塑性地层分布区的形态不清晰；2)不同频率反映不同岩性及不同声波传播速度的地层的地震响应是不同的，即塑性地层因其岩性及地震传播速度与周围的围岩不同，只与某一种或某一段频率对应的地震响应是一致的。综上所述，现在使用的常规预测方法，由于未能单独提取这类频率的地震信息，导致预测方法的可靠性不高，预测结果偏差较大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通过提取地震数据中的单频数据体信息进行塑性地层变形趋势进行预测的方法。

本发明的另一目的是提供一种能够模拟地层变形的平面展布形态及剖面样式以及对塑性地层变形机理进行预测的模拟装置。

为此，本发明技术方案如下：

一种预测塑性地层变形的方法，包括如下步骤：

s1、在工作区内激发人工地震，采集地震的声学信息，通过计算机处理，得到时间域下的三维地震数据体；

s2、对经步骤s1得到的时间域下的三维地震数据体进行短时窗离散傅里叶变换公式计算，得到多个频率域下的单频地震数据体；

s3、计算经步骤s2所得的单频数据体峰值振幅和平均振幅的差值，确定计算出差值异常的频段，并通过在工作区平面展布图像上对应勾勒出出现差值异常频段所对应的平面坐标位置，得到差值异常的地震振幅属性的范围，即反映出该地区塑性地层的变形形态。

其中，步骤s1的人工地震激发采集地震的声学信息，即全时间域下的声波信号，通过傅里叶变换即可将声波信号从时间域变化到频率域；但是由于是全时间域下的声波信号进行转换，因此通过傅里叶变换得到的对应为全频率域的声波信号具有“混频效应”，如图3所示，无法对差异值进行提取，因此只有进一步通过对傅里叶变换计算的时间窗口范围限制，才能将全频率域的声波信号拆解为多个频率域下的单频地震数据体，即得到与塑性地层对应的某一段频率的“单频信息”，如图4所示。

步骤s2的具体处理步骤包括：

s201、由于步骤s1的人工地震激发，塑性层变形后会发生对上覆地层或下伏地层的刺穿穿层现象，因此可以从地震剖面图上确定塑性层发生穿层变形的时间范围为a毫秒；

s202、将塑性层穿层变形的时间范围等分为n份，每等份的时间间隔a/n毫秒即作为进行傅里叶变换计算的时间窗口范围限制，即a/n毫秒短时窗；其中，n为整数，且n≥1；

s203、根据经步骤s2选定的a/n毫秒短时窗，对经步骤s1得到的时间域下的三维地震数据体进行傅里叶变换，将时间域地震数据体转换为频率域的地震数据体；

傅里叶变换公式：

其中，i为虚数单位，e^-iωt表示为虚数i逆时针旋转ωt角(即旋转因子)，ω为角速度，t为时间；具体来说，傅里叶变换的实质就是将时间域的函数f(t)乘上旋转因子e^-iωt，然后在经过限制时间窗口范围上积分；这样，通过上述函数运算将声波信号从时间t的函数，变换成角速度ω的函数，对应换算角速度ω为相应频率,即实现了时间域到频率域的变换；

为了进一步使人工地震激发的地震数据体，即声波信号完整的通过函数表示出来，对傅里叶变换公式中的f(t)通过代入傅里叶级数公式进行进一步展开(以余弦公式为例)：

其中，ak为振幅，k为振荡次数，ωt为角度，ω为角速度，t为时间，为相位；至此，傅里叶级数的表达式即进一步转换为与振幅、速度、相位3种参数相关的函数，即与步骤s1得到的声波信号内包含的参数一致的三种参数；通过带入傅里叶变换公式并根据选定的短时窗进行积分运算，最终通过得到多个频率域地震数据体；

当然，由于正弦波和余弦波的区别仅仅是相位上相差因此傅里叶级数也可以以较为复杂的正弦波形式表示并带入傅里叶变换公式。

s204、由于工作地区地层环境不同，即地震波的传播介质差异，在步骤s202中首次选定的时间窗口范围限制可能会导致对全频域分解得到多个单频数据体可能分解“过粗”或“过细”，导致不能完全分解开或过分分解导致失真，因此需要通过进一步计算并验证单频数据体内的多个震动峰峰值振幅和平均振幅的异常差值的大小，确定步骤s203的拆解结果是否符合进一步分析的要求，如图4所示；具体来说，经过步骤s203计算得到的多个单频数据体中，某些频段的单频数据体的多个震动峰的振幅具有明显差异性，可初步认定其为异常频段，当对其峰值振幅和平均振幅的差值进行计算时，如果峰值振幅和平均振幅的异常差值未落在10⁴～10⁶a(a为地震声波振幅单位)范围内时，说明经步骤s203所得的数据体为仍具有混频性质；此时，则返回步骤s202，增大n的取值为n+n(n为整数且n≥1)并以此类推；同时重复步骤s203和s204，直至某一单频数据体的峰值振幅和平均振幅的差值落在10⁴～10⁶a范围内，即说明该次短时窗的傅里叶变换公式计算得到多个单频数据体为能够有效对地层进行分析的多个单频数据体。

进一步地，所述短时窗a/n毫秒的取值范围为6～96ms。

通过上述预测方法，可以有效对塑形地层变形趋势进行合理准确预测，为后续钻井工作进行必要铺垫，以避免钻井区域位于塑性层变形区域内；另外还可以通过对塑形地层变形区域相关的圈闭进行研究，探索与塑性变形区相关的含油气圈闭类型。

本发明还提供了一种预测塑性地层变形的模拟装置，不仅可以用于对塑性地层变形的平面展布形态及剖面样式，即塑形地层的变形趋势进行验证，同时也可以进一步对塑形地层的变形机理进行进一步研究和确认。

具体地，该预测塑性地层变形的模拟装置，包括由水平设置的矩形底板和设置在矩形底板上表面四个边缘处的四块围板围成一个顶部开口的箱体；其中，矩形底板上表面自每组对侧侧边的一侧边缘中部沿径向开设有两条相互平行且延伸至另一侧边缘处的活动轨道；每块围板底面设有与其下方两条平行活动轨道相互配合的轨道连接件，使四块围板能够通过轨道连接件与活动轨道活动连接并沿活动轨道在矩形底板上往复运动；在每组对侧围板的外侧还设置有用于推动围板往复运动的驱动装置。

其中，箱体设置为顶部开口的形式便于从箱体上方观察模拟地层的平面展布形态及后续的形态变化过程。

进一步地，每块围板均包括共平面设置的一块主板和位于主板两侧的两块辅助板，辅助板的高度和厚度与主板一致；构成同一块围板的主板与辅助板之间通过合页活动连接，使辅助板能够相对于箱体外侧翻折，且在两块辅助板外侧壁面相同位置处各设置有一个具有径向通孔的扣环，使活动连接的主板和两块辅助板通过插装在两个扣环上的连杆将二者相对位置锁死。其中，主板宽度固定，而辅助板相应可设计有多种不同宽度，以便于对围栏的整体宽度根据带模拟地层的情况进行适时调整。由于在后期地层受应力影响发生运动时，当一组对侧围板发生相对运动后导致另一组对侧围板运动受阻时，可以通过拆下连杆，恢复主板和辅助板之间原有的活动连接状态，使围板受阻后辅助板翻折改变围板的宽度后，继续在底板上进行相对移动，以模拟受应力后的运动结果。

进一步地，开设在矩形底板上表面的活动轨道上部内径小于下部内径，使活动轨道轴向剖面呈倒t形；轨道连接件设置在主板底面上，其包括两个自每块主板底面沿轴向延伸形成的与倒t形活动轨道相互配合的两个倒t形凸起结构，使轨道连接件只能自活动轨道一端沿径向进入活动轨道内，而对其在轴向方向上的活动进行限制，避免在模拟过程中轨道连接件脱出活动轨道。

进一步地，矩形底板为一块不锈钢矩形板；构成围板的主板和辅助板均由一块有机玻璃板和设置在有机玻璃板顶面和底面的两块不锈钢短板构成；有机玻璃板和两块不锈钢短板共平面设置，且依次连接固定。

在对围板的设计中，采用有机玻璃板并设置在中部为了便于在模拟过程中观察塑性地层在剖面上的变形形态变化；而有机玻璃板上、下两端各拼接固定一块不锈钢短板，是为了便于设置附加构件而不破坏主板和辅助板的结构强度，即连接合页和扣坏均设置在不锈钢短板上。其中，有机玻璃板的面积约占主板或辅助板整体面积的2/3。

其中，有机玻璃板和两端的不锈钢短板可以采用粘结的方式连接固定，也可以采用底板和围板之间的活动连接方式进行活动连接，即在有机玻璃板的上端面和下端面分别加工出t形凸起结构和倒t形凸起结构，而在位于上方的不锈钢短板的下端面上和在位于下方的不锈钢短板的上端面上开设有分别与t形凸起结构和倒t形凸起结构相适应的活动轨道，使三者连接固定且在轴向方向上不易脱出发生分离。

进一步地，在箱体内铺设试验材质，模拟塑性地层及上覆或下伏的围岩地层。具体地，在顶部开口的箱体内铺设有采用含水黄粘土模拟的泥岩层或采用聚酯硅胶模拟的盐岩层，采用白铁皮模拟的断层，以及采用海滩砂、河砂或石英砂模拟的细砂岩围岩层、粗砂岩围岩层和石英砂岩围岩层。

在实际工作中，主要常见塑性地层类型为泥岩与盐岩，因此，为了有效模拟塑性地层，采用黄粘土加水调制与实际地层密度和粘度一致的粘土层来模拟实际泥岩层；采用聚酯硅胶层模拟盐岩模拟实际盐岩层；针对周围围岩情况，则采用海滩砂、河砂和石英砂分别模拟实际地层中的细砂岩、粗砂岩、石英砂岩；而实际地层下的断层则采用白铁皮插入相应试验材质中模拟断层。

进一步为了便于观察，可以对不同性质层、不同种类的围岩进行区别染色，以在模拟地层受力过程中分辨其变形过程中的平面展布形态和剖面样式的变化。

为防止实验材质堵塞活动轨道，活动轨道内设有蜡封。另外，通过在围板内侧壁面上采用整体覆膜的处理方式，以保证连接处不会漏出试验材质。

推动围板往复运动的驱动装置为手动测力计或步进电机，使四个方向上设置的围板的相对移动方式可选择的设置成电动方式或手动方式。当围板移动后，通过有机玻璃围板观察实验材质发生变形，塑性层开始刺穿上覆围岩和下伏围岩；随着不同的断层位置，塑性层在剖面上的变形形态不一致。通过模拟的塑性层变形剖面，可以验证实际地震剖面中的塑性层变形形态的形成过程。

具体地，当驱动装置为步进电机时，在每块围板的主板下侧的不锈钢短板上各设置有一块电磁铁，每组位于对侧的围板通过一台步进电机进行控制；当需要位于两侧的围板相向移动时，可以通过控制步进电机对位于两侧围板的电磁铁的外接线圈通反向直流电，让两组对向电磁铁，产生吸引力；当需要两侧反向移动时，可以对两侧围板的外接线圈通同向直流电，让两组对向电磁铁，产生排斥力。当驱动装置为手动测力计时，可以在分别在四个围板上外接弹簧测力计，然后根据设定的受力需要，挤压或拉伸围板，模拟受应力发生运动的过程。

与现有技术相比，该预测塑性地层变形的方法通过对时间域下的三维地震数据体进行短时窗离散傅里叶变换计算得出单频数据体信息，并通过提取峰值振幅与平均振幅的差值异常，将塑性地层的差异明显区分出来，可靠性高，有效预测塑性地层变形趋势和变形后的形态；此外，借助模拟装置模拟实际塑性地层和上覆、下伏的围岩，根据实际试验结果跟实际地震剖面进行验证比对，验证实际地震剖面中的塑性层变形形态的形成过程和变形趋势。

附图说明

图1为本发明的预测塑性地层变形预测方法的流程图；

图2为本发明的预测塑性地层变形的模拟装置的结构示意图；

图3为传统经傅里叶变换得到的全频率域地震数据体的流程图；

图4为通过本发明的预测塑性地层变形方法得到单频地震数据体的流程图；

图5为本发明实施例的模拟装置内模拟地层的纵向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

根据地震勘探工作的需要，首先采集某工作地区的人工地震数据，并采用地震数据处理算法，获取该工作区时间域下的三维地震数据体。具体预测过程如图1所示。

步骤一、该工作区时间域下的三维地震数据体的获取：

1)对指定工作区进行大地测量，测量该工作区的经纬度，然后根据换算公式，将球面经纬度换算为平面坐标(x,y)，即工作区域内每一个位置均可以通过平面坐标进行表示；

2)激发人工地震；具体地，在工作区内，按行间距为200m、列间距为400m的排布规律，依次在地表钻孔，埋设炸药，作为人工地震的激发端；同时，在埋设炸药点处设置检波器，作为人工地震的接收端；当上述两项工作完成后引爆炸药，由于爆炸产生的声波依照声波传递原理会在不同地层岩性的界面发生反射与折射，因此这些声学信息，会被检波器接收；通过计算机的运算，将每个位置的声学信息与对应位置平面坐标进行整合，得到时间域下的三维地震数据体，即包括位置信息和该位置下的声学信息；

步骤二、对时间域下的地震数据体进行数据处理：

1)通过地震剖面图上确定该地区塑性层发生穿层变形的时间范围为360毫秒；

2)将塑性层穿层变形的时间范围依次等分为6份、7份……60份，即每等份的时间间隔依次从60ms逐渐递减至6ms，作为进行傅里叶变换计算的时间窗口范围限制；

3)以从60ms逐渐递减至6ms毫秒的短时窗依次按照如下公式：

进行傅里叶变换计算，并带入经步骤一获得的时间域下的地震数据体，得到多个频率域下的三维地震数据体；

4)计算每个数据体内的峰值振幅和平均振幅，当短时窗递减为6ms时，所得多个单频数据体的峰值振幅和平均振幅的差值均落在10⁴～10⁶a(地震声波振幅单位)范围内，说明所得的多个频率域下的数据体为能够有效对地层进行分析的多个单频数据体；

步骤三、计算经步骤s2所得的单频数据体峰值振幅和平均振幅的差值，确定计算出振幅差值异常的频段，并通过在工作区平面构造图像上对应勾勒出出现差值异常频段所对应的平面坐标位置，以反映出该地区塑性地层的变形形态。

具体地，从勾勒出的差值异常的地震振幅属性的范围图上可以看出：通过对该地区的在平面上，沿着异常数据值的分布范围勾勒出的工作区塑性层变形后的平面呈不规则破裂团块状；其中，中心的变形破裂强度明显强于周围区域，可以确定该区域为塑性变形中心区，周围区域称为变形外延区，最外侧区域为未变形区域；对应地震剖面图从在剖面上分析，受塑性变形影响，导致上覆地层被刺穿，塑性层在剖面呈“花状”展布，“花心”部分变形扭曲严重，“花瓣”部分变形略轻，最外围地层未见明显变形；

进一步利用该模拟装置来验证上述预测方法得到的塑性地层的变形形态，以进一步确认其结果的可靠性。具体思路为：根据实际工作区的地震数据剖面，以及对工作区内钻井岩心进行岩矿鉴定，对该地区工作区范围内的塑性层岩性及周围围岩岩性进行准确判定，以便于在模拟装置内对进行塑性层岩性及周围围岩的模拟铺设。

如图2所示，该预测塑性地层变形的模拟装置，包括由水平设置的矩形底板1和设置在不锈钢矩形底板1上表面四个边缘处的四块围板围成一个顶部开口的箱体。其中，不锈钢底板1上表面自每组对侧侧边的一侧边缘中部均沿径向开设有两条相互平行且延伸至另一侧边缘处的活动轨道。每块围板均包括共平面设置的一块主板和位于主板两侧的两块辅助板，主板和辅助板的高度和厚度一致；构成围板的主板和辅助板均包括共平面设置且自上而下依次连接固定的第一不锈钢短板3、有机玻璃2和第二不锈钢短板3；有机玻璃2的尺寸占主板或辅助板总面积的2/3；构成同一块围板的主板与辅助板之间通过分别设置在第一不锈钢短板3和第二不锈钢短板3上的合页5活动连接，且在两块辅助板的第一不锈钢短板3的相同位置处各设置有一个具有径向通孔的扣环4，使活动连接的主板和两块辅助板通过插装在两个扣环4上的连杆使活动连接的主板和辅助板的相对位置锁死。开设在不锈钢底板1上表面的每条活动轨道的垂直剖面为倒t形，对应地，轨道连接件设置在主板底面上，其包括两个自每块主板底面沿轴向延伸形成的与倒t形活动轨道相互配合的两个倒t形凸起结构，使四块围板能够通过活动轨道在不锈钢底板1上往复运动。在每组对侧围板中的其中一块围板外侧壁面上设置有用于推动围板往复运动的步进电机。

具体地，根据待模拟地层情况，选择合适尺寸的辅助板与主板连接，组成两块尺寸为80cm×50cm的围板和两块35cm×50cm的围板，并将四块围板通过倒t形轨道连接件卡入不锈钢底板1上表面的倒t形滑动轨道内，如图2所示，使得围板稳定在不锈钢底板1上往复滑动，组装成一个尺寸为80cm×36cm×50cm的顶部开口的箱体。

接着，根据该工作地区的实际塑性地层情况在该模拟装置的箱体内铺设实验材质。具体地，如图5所示，铺设在箱体内的实验材质对应模拟的为泥上围岩层、塑性泥岩层和泥下围岩层，即对该地区塑性泥岩为塑性变形过程进行模拟，而周围围岩为脆性变形。塑性泥岩层的模拟试验材质为密度1.42g/cm³、粘度为109pa.s、抗压强度22g/cm²的染成黑色的含水黄粘土，厚度3cm；泥上围岩层的模拟材质选用密度为2.5g/cm³、内摩擦角为16°的石英砂模拟实际地层中的石英砂岩，将其染成绿色，厚度4cm；泥下围岩的模拟材质为彩色玻璃珠，直径8mm，模拟较为坚硬的泥下基底地层，平铺于装置底部不锈钢台面上，厚度1.6cm。根据地震剖面，在模拟装置的塑性泥岩层内插装三片间隔设置的长×宽×厚为27×62×0.09cm的白铁皮模拟断层，三个断层的同向倾斜，断层倾角依次为37°、39°、37°，可以近似看成是同一组断层，说明地质应力环境单一，是单方向应力场作用于地层上。

根据实际地震剖面，通过对断层断距的恢复，可以确定从没有挤压时的原始地层长度，到挤压后的现在实际长度，地层平面上受挤压影响缩短的距离为18～40km；通过实际地震剖面观察，挤压发生的时间为5.2～5.8ma(1ma为100万年)；根据这两个值可以计算挤压速率为3.5～6.9mm/year。

为了便于观察，将每一次单位时间的挤压，模拟为一年，围板沿滑轨滑动的平均速率5.3mm/year；将模拟装置的两侧围板的距离与实际地震剖面的水平长度进行比例统一，为便于等比例计算压缩长度，将模拟装置围板距离与实际地震剖面的长度比例设置成1:500万，即模拟装置中1cm代表实际工区中的2km。

具体模拟实验过程：开启步进电机，通过控制位于对侧的围板上设置的电磁铁，分6次对单侧围板沿模装置的长轴方向挤压，即沿三个断层的设置方向，每次移动2.6cm，每次间隔为2h，让塑性泥岩和上覆、下伏围岩充分变形。

实验结果：最终围板移动31.2cm，模拟实际地层缩短31.2km。分别自箱体上方观察模拟地层的平面展布形态和通过围板的有机玻璃部分观察剖面形态；通过观察，最终塑性地层的变形与预测方法预测的变形结论及实际地震剖面一致：平面呈不规则破裂团块状；其中，中心的变形破裂强度明显强于周围区域，可以确定该区域为塑性变形中心区，周围区域称为变形外延区，最外侧区域为未变形区域；对应地震剖面图从在剖面上分析，受塑性变形影响，导致上覆地层被刺穿，塑性层在剖面呈“花状”展布，“花心”部分变形扭曲严重，“花瓣”部分变形略轻，而最外围地层未见明显变形。

综上所述，该塑形地层变形的预测方法勾勒的塑性层变形形态分布样式和采用模拟装置实际模拟的塑形地层平面形态的模拟结果一致，模拟实验获得的剖面变形形态，通过四周围板观察，与实际地震剖面展现的剖面变形形态一致，能够有效对塑形地层的变形趋势及受力变形机理进行准确预测。