一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法和装置，其中，该方法包括：获取工区内断层的法向应力和切向应力；按照预设的要求将断层网格化划分为多个体元，根据法向应力和切向应力，计算多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力；根据各个节点的最小主应力和最大主应力，计算多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势；根据多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断断层的伴生裂缝发育程度。在本发明实施例中，根据各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断断层伴生裂缝发育程度，解决了断层伴生裂缝发育程度的确定精度较低的问题，为断层伴生裂缝发育程度的预测提供定量的方法，提高了油气勘探开发的效率。
【专利说明】
一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法 和装置。
【背景技术】
[0002] 断层是油气勘探开发中常见的构造，其伴生发育的裂缝深刻影响着油气的分布与 开采。石力学实验研究已经证明，岩石中发育有大量的微裂隙，在一定的应力条件下，这些 微裂隙尖端会发生应力集中，导致微裂隙发生扩展，形成裂缝。由岩石组成的地质体中存在 有大量的微裂隙，断层产生时，其会扩展生长，转变为裂缝。
[0003] 然而，目前对于断层伴生裂缝发育程度的确定方法仅仅是基于露头裂缝统计或构 造物理模拟的半定量分析，精度较低，不确定性较强。
[0004] 针对上述断层伴生裂缝发育程度的确定精度较低的问题，目前尚未提出有效的解 决方案。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例提供了一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法和装置，以解决现有 技术中断层伴生裂缝发育程度的确定精度较低的问题。
[0006] 本发明实施例提供了一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法，包括:根据断层的 产生条件以及地应力环境，获取工区内断层的法向应力和切向应力；按照预设的要求将所 述断层网格化划分为多个体元，根据所述法向应力和切向应力，计算所述多个体元中各个 节点的最小主应力和最大主应力;根据所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应 力，计算所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势;根据所述多个体元中各 个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断所述断层的伴生裂缝发育程度。
[0007]在一个实施例中，根据所述法向应力和切向应力，计算所述多个体元中各个节点 的最小主应力和最大主应力，包括:根据所述法向应力和切向应力，按照有限元法计算所述 多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力。
[0008] 在一个实施例中，按照以下公式计算所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发 育的密度势：
[0009] Ψ = lg[(0i-o3)2-80t(0i+o3)]
[0010] 其中，Ψ表示所述断层伴生裂缝发育的密度势，〇1表示所述断层的周边地层所受 的最大主应力，〇3表示所述断层的周边地层所受的最小主应力，表示所述断层的周边地层 的抗拉强度。
[0011] 在一个实施例中，所述断层包括以下至少之一:正断层、逆断层和走滑断层。
[0012] 在一个实施例中，按照以下公式计算所述正断层的法向应力和切向应力：
[0015] 其中，〇nf表示所述正断层的断层面上的法向应力，Tnf表示所述正断层的断层面上 的切向应力，σ ν表示所述正断层的垂向地应力，oh表示所述正断层的水平最小主地应力，α表 示所述正断层的断层倾角。
[0016] 在一个实施例中，按照以下公式计算所述逆断层的法向应力和切向应力：
[0019]其中，〇nf表示所述逆断层的断层面上的法向应力，Trf表示所述逆断层的断层面上 的切向应力，σΗ表示所述逆断层的水平最大主地应力，〇v表示所述逆断层的垂向地应力，α表 示所述逆断层的断层倾角。
[0020]在一个实施例中，按照以下公式计算所述走滑断层的法向应力和切向应力：
[0023] 其中，〇sf表示所述走滑断层的断层面上的法向应力，Tsf表示所述走滑断层的断层 面上的切向应力，表示所述走滑断层的水平最大主地应力，〇h表示所述走滑断层的水平最 小主地应力，α表示所述走滑断层的水平最大主地应力与断层面的夹角。
[0024] 本发明实施例还提供了一种断层伴生裂缝发育程度的确定装置，该装置包括:应 力获取单元，用于根据断层的产生条件以及地应力环境，获取工区内断层的法向应力和切 向应力;主应力计算单元，用于按照预设的要求将所述断层网格化划分为多个体元，根据所 述法向应力和切向应力，计算所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力;密度 势计算单元，用于根据所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，计算所述多 个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势;裂缝发育程度判断单元，用于根据所述 多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断所述断层的伴生裂缝发育程度。 [00 25]在一个实施例中，所述主应力计算单元根据所述法向应力和切向应力，计算所述 多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，包括:所述主应力计算单元根据所述法 向应力和切向应力，按照有限元法计算所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应 力。
[0026] 在一个实施例中，所述密度势计算单元具体用于按照以下公式计算所述多个体元 中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势：
[0027] Ψ = lg[(0i-o3)2-80t(0i+o3)]
[0028] 其中，Ψ表示所述断层伴生裂缝发育的密度势，〇1表示所述断层的周边地层所受 的最大主应力，〇3表示所述断层的周边地层所受的最小主应力，表示所述断层的周边地层 的抗拉强度。
[0029] 在本发明实施例中，根据工区内断层的产生条件以及地应力环境，获取网格化划 分为多个体元的各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，并根据多个体元中各个节点的断 层伴生裂缝发育的密度势，判断断层伴生裂缝发育程度，解决了断层伴生裂缝发育程度的 确定精度较低的问题，为断层伴生裂缝发育程度的预测提供定量的方法，提高了油气勘探 开发的效率。
【附图说明】
[0030] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：
[0031] 图1是本发明实施例的一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法的流程图；
[0032]图2是本发明实施例的某地区立体的断层受力示意图；
[0033]图3是本发明实施例的正断层的受力示意图；
[0034]图4是本发明实施例的逆断层的受力示意图；
[0035]图5是本发明实施例的走滑断层的受力示意图；
[0036] 图6(a)是本发明实施例的某地区断层上盘主应力计算数值模型示意图；
[0037] 图6(b)是本发明实施例的某地区断层下盘主应力计算数值模型示意图；
[0038] 图7(a)是本发明实施例的某地区断层上盘密度势函数等值线分布示意图；
[0039] 图7(b)是本发明实施例的某地区断层下盘密度势函数等值线分布示意图；
[0040] 图8是本发明实施例的一种断层伴生裂缝发育程度的确定装置的一种结构框图。
【具体实施方式】
[0041] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对 本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并 不作为对本发明的限定。
[0042] 考虑到现有技术中断层伴生裂缝发育程度的确定精度较低的问题，发明人提出了 在获取工区内断层的法向应力和切向应力的基础上，将断层进行网格化划分为多个体元， 计算划分为多个体元的各个节点的断层所对应的断层伴生裂缝发育的密度势，最后，根据 各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断断层的伴生裂缝发育程度。具体地，如图1所 示，可以包括以下步骤：
[0043]步骤101:根据断层的产生条件以及地应力环境，获取工区内断层的法向应力和切 向应力；
[0044] 断层指的是地壳受力发生断裂，沿破裂面两侧岩块发生显著相对位移的构造。断 层的规模大小不等，大者沿走向延长可达上千千米，向下可切穿地壳，通常由许多断层组成 的，称为断裂带;小者长以厘米计，可见于岩石标本中。
[0045] -般情况下，按照断层的位移性质可以将断层分为:正断层、逆断层和走滑断层。 在实际应用中，断层也有其他分类方法，本申请对此不作限定。如图2所示为某地区立体的 断层受力示意图，其中，OH表示水平最大主地应力，〇 h表示水平最小主地应力，σν表示垂向地 应力，α表示断层倾角。〇H、 〇0P〇V这三个地应力在不同的大小关系下可以生成不同类型的断 层。具体地，当〇v>〇H>〇h时表示的是正断层；当〇H>O h>Ov时表示的是逆断层；当〇H>〇v>〇h 时表示的是走滑断层。
[0046]下面分别介绍正断层、逆断层和走滑断层以及相应的法向应力和切向应力。
[0047] 1)正断层具体指的是上盘相对下降，下盘相对上升的断层，它主要是受到拉张力 和重力作用形成的。正断层产状较陡，通常在45°以上。即： 〇v>〇H>〇h。
[0048] 如图3所示为正断层的受力示意图，根据断层的产生条件以及地应力环境，结合图 3进行分析可以得到正断层的法向应力和切向应力：
[005?]其中，〇nf表示正断层的断层面上的法向应力，Tnf表示正断层的断层面上的切向应 力，σν表示正断层的垂向地应力，oh表示正断层的水平最小主地应力，α表示正断层的断层倾 角。
[0052] 2)逆断层具体指的是上盘相对上升，下盘相对下降，两盘在垂直及水平面上的投 影呈重叠状态的断层。即：〇H>〇h>〇v。
[0053]如图4所示为逆断层的受力示意图，根据断层的产生条件以及地应力环境，结合图 4进行分析可以得到逆断层的法向应力和切向应力：
[0056] 其中，〇nf表示逆断层的断层面上的法向应力，Trf表示逆断层的断层面上的切向应 力，σ Η表示逆断层的水平最大主地应力，〇v表示逆断层的垂向地应力，α表示逆断层的断层倾 角。
[0057] 3)走滑断层具体指的是左盘和右盘没有相对升降，只在水平方向有相对移动，同 时，左盘、右盘升降位移量相对于水平位移量小很多的断层。走滑断层倾角一般较大，甚至 直立，断层线也常呈直线，它是在挤压应力作用下沿直立的剪裂面产生的。即：σ Η>〇v>〇h。
[0058] 如图5所示为走滑断层的受力示意图，根据断层的产生条件以及地应力环境，结合 图5进行分析可以得到走滑断层的法向应力和切向应力：
[0061] 其中，〇sf表示走滑断层的断层面上的法向应力，Tsf表示走滑断层的断层面上的切 向应力，表示走滑断层的水平最大主地应力，〇h表示走滑断层的水平最小主地应力，α表示 走滑断层的水平最大主地应力与断层面的夹角。
[0062] 步骤102:按照预设的要求将所述断层网格化划分为多个体元，根据所述法向应力 和切向应力，计算所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力；
[0063]在得到断层的法向应力和切向应力后，可以将断层进行网格化划分为多个体元， 并按照有限元法计算多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力。具体地，可以对断 层进行多次网格化划分，分别按照有限元法求取每次划分后的各个节点的最小主应力和最 大主应力，当相同节点处的最大主应力和最小主应力在不同的网格划分情况下趋于一致 时，选取此时的网格化划分情况作为最终的面元划分的结果。当然，也可以采用其他方法计 算多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，本申请对此不作限定。
[0064] 如图6(a)所示为某地区断层上盘主应力计算数值模型，如图6(b)所示为某地区断 层下盘主应力计算数值模型，其中，斜面为断层面，垂直于断层面上的作用力为法向应力， 平行于断层面上的作用力为切向应力。具体来说，图6(a)中的模型截面为梯形，上底长度为 1000m，下底长度为2000m，高边长度为1000m，模型在y轴方向长度为1000m;图6(b)中的模型 截面为梯形，上底长度为l〇〇〇m，下底长度为2000m，高边长度为1000m，模型在y轴方向长度 为1000m。分别将图6(a)以及图6(b)中的截面模型进行网格化划分，按照有限元法求取每次 划分后的各个节点的最小主应力和最大主应力，当断层的相同节点处的最大主应力和最小 主应力在不同的网格划分情况下趋于一致时，选取此时的网格化划分情况作为最终的结 果。在确定网格化划分情况之后，所对应的最大主应力和最小主应力也就确定了。
[0065] 步骤103:根据所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，计算所述多 个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势；
[0066]在本实施例中，在得到各个节点的最小主应力和最大主应力后，可以按照以下公 式计算多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势：
[0067] Ψ = lg[(0i-o3)2-80t(0i+o3)] (3)
[0068] 其中，Ψ表示断层伴生裂缝发育的密度势，〇1表示断层的周边地层所受的最大主 应力，σ3表示断层的周边地层所受的最小主应力， 〇t表示断层的周边地层的抗拉强度。
[0069] 仍以上述地区为例，该地区的水平最大主地应力〇H = 30MPa、水平最小主地应力〇h = 20MPa、垂向地应力〇v = 36MPa，即该地区为正断层。首先，根据公式（1)、公式(2)计算断层 上的法向应力和切向应力，再根据有限元法计算得到各个节点的最小主应力和最大主应 力，并使用密度势函数，即公式(3)计算出断层周边地层伴生裂缝发育密度，表示为密度势 函数等值线分布图，如图7(a)以及7(b)所示。
[0070] 步骤104:根据所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断所述 断层的伴生裂缝发育程度。
[0071] 在本实施例中，根据多个体元中各个节点的密度势大小来判断断层的伴生裂缝发 育程度，具体来说，g卩：断层伴生裂缝发育的密度势越大，所对应的断层伴生裂缝越发育，反 之，密度势越小，所对应的断层伴生裂缝发育越迟缓。
[0072] 基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种断层伴生裂缝发育程度的确定 装置，如下面的实施例所述。由于断层伴生裂缝发育程度的确定装置解决问题的原理与断 层伴生裂缝发育程度的确定方法相似，因此断层伴生裂缝发育程度的确定装置的实施可以 参见断层伴生裂缝发育程度的确定方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语 "单元"或者"模块"可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的 装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。 图8是本发明实施例的断层伴生裂缝发育程度的确定装置的一种结构框图，如图8所示，包 括:应力获取单元801、主应力计算单元802、密度势计算单元803、裂缝发育程度判断单元 804,下面对该结构进行说明。
[0073]应力获取单元801，用于根据断层的产生条件以及地应力环境，获取工区内断层的 法向应力和切向应力；
[0074]主应力计算单元802,用于按照预设的要求将所述断层网格化划分为多个体元，根 据法向应力和切向应力，计算多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力；
[0075]密度势计算单元803,用于根据多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力， 计算多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势；
[0076] 裂缝发育程度判断单元804,用于根据多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育 的密度势，判断断层的伴生裂缝发育程度。
[0077] 在一个实施例中，主应力计算单元根据法向应力和切向应力，计算所述多个体元 中各个节点的最小主应力和最大主应力，包括:主应力计算单元可以根据所述法向应力和 切向应力，按照有限元法计算多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力。
[0078] 在一个实施例中，密度势计算单元具体可以用于按照以下公式计算多个体元中各 个节点的断层伴生裂缝发育的密度势：
[0079] Ψ = lg[(0i-o3)2-80t(0i+o3)]
[0080] 其中，Ψ表示断层伴生裂缝发育的密度势，σι表示断层的周边地层所受的最大主 应力，σ3表示断层的周边地层所受的最小主应力， 〇t表示断层的周边地层的抗拉强度。
[0081] 在一个实施例中，断层可以包括但不限于以下至少之一:正断层、逆断层和走滑断 层。
[0082] 在一个实施例中，应力获取单元具体可以用于按照以下公式计算正断层的法向应 力和切向应力：
[0085] 其中，〇nf表示正断层的断层面上的法向应力，Tnf表示正断层的断层面上的切向应 力，σν表示正断层的垂向地应力，oh表示正断层的水平最小主地应力，α表示正断层的断层倾 角。
[0086]在一个实施例中，应力获取单元具体可以用于按照以下公式计算逆断层的法向应 力和切向应力：
[0089] 其中，〇nf表示逆断层的断层面上的法向应力，Trf表示逆断层的断层面上的切向应 力，σ Η表示逆断层的水平最大主地应力，〇v表示逆断层的垂向地应力，α表示逆断层的断层倾 角。
[0090] 在一个实施例中，应力获取单元具体可以用于按照以下公式计算走滑断层的法向 应力和切向应力：
[0093] 其中，〇sf表示走滑断层的断层面上的法向应力，Tsf表示走滑断层的断层面上的切 向应力，表示走滑断层的水平最大主地应力，〇h表示走滑断层的水平最小主地应力，α表示 走滑断层的水平最大主地应力与断层面的夹角。
[0094] 从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果:根据工区内断层 的产生条件以及地应力环境，获取网格化划分为多个体元的各个节点的断层伴生裂缝发育 的密度势，并根据多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断断层伴生裂缝 发育程度，解决了断层伴生裂缝发育程度的确定精度较低的问题，为断层伴生裂缝发育程 度的预测提供定量的方法，提高了油气勘探开发的效率。
[0095] 显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以 用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置 所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它 们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执 行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个 模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬 件和软件结合。
[0096] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种断层伴生裂缝发育程度的确定方法，其特征在于，包括： 根据断层的产生条件W及地应力环境，获取工区内断层的法向应力和切向应力； 按照预设的要求将所述断层网格化划分为多个体元，根据所述法向应力和切向应力， 计算所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力； 根据所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，计算所述多个体元中各个 节点的断层伴生裂缝发育的密度势； 根据所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势，判断所述断层的伴生裂 缝发育程度。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述法向应力和切向应力，计算所述多 个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，包括： 根据所述法向应力和切向应力，按照有限元法计算所述多个体元中各个节点的最小主 应力和最大主应力。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照W下公式计算所述多个体元中各个节点 的断层伴生裂缝发育的密度势：其中，Ψ表示所述断层伴生裂缝发育的密度势，σι表示所述断层的周边地层所受的最大 主应力，03表示所述断层的周边地层所受的最小主应力，〇t表示所述断层的周边地层的抗拉 强度。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述断层包括W下至少之一：正断层、逆断层 和走滑断层。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照W下公式计算所述正断层的法向应力和 切向应力：其中，Onf表示所述正断层的断层面上的法向应力，Tnf表示所述正断层的断层面上的切 向应力，Ον表示所述正断层的垂向地应力，Oh表示所述正断层的水平最小主地应力，α表示所 述正断层的断层倾角。6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照W下公式计算所述逆断层的法向应力和 切向应力：其中，Onf表示所述逆断层的断层面上的法向应力，Trf表示所述逆断层的断层面上的切 向应力，0H表示所述逆断层的水平最大主地应力，Ον表示所述逆断层的垂向地应力，α表示所 述逆断层的断层倾角。7. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照W下公式计算所述走滑断层的法向应力 和切向应力：其中，Osf表示所述走滑断层的断层面上的法向应力，Tsf表示所述走滑断层的断层面上 的切向应力，0H表示所述走滑断层的水平最大主地应力，Oh表示所述走滑断层的水平最小主 地应力，α表示所述走滑断层的水平最大主地应力与断层面的夹角。8. -种断层伴生裂缝发育程度的确定装置，其特征在于，包括： 应力获取单元，用于根据断层的产生条件W及地应力环境，获取工区内断层的法向应 力和切向应力； 主应力计算单元，用于按照预设的要求将所述断层网格化划分为多个体元，根据所述 法向应力和切向应力，计算所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力； 密度势计算单元，用于根据所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，计 算所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势； 裂缝发育程度判断单元，用于根据所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密 度势，判断所述断层的伴生裂缝发育程度。9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述主应力计算单元根据所述法向应力和切 向应力，计算所述多个体元中各个节点的最小主应力和最大主应力，包括： 所述主应力计算单元根据所述法向应力和切向应力，按照有限元法计算所述多个体元 中各个节点的最小主应力和最大主应力。10. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述密度势计算单元具体用于按照W下公 式计算所述多个体元中各个节点的断层伴生裂缝发育的密度势： W = lg[(〇 广 〇3)2-8〇t(〇l+〇3)] 其中，Ψ表示所述断层伴生裂缝发育的密度势，σι表示所述断层的周边地层所受的最大 主应力，03表示所述断层的周边地层所受的最小主应力，〇t表示所述断层的周边地层的抗拉 强度。
【文档编号】G06Q50/02GK106097134SQ201610564849
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】朱光有
【申请人】中国石油天然气股份有限公司