復雜斷塊構造模型快速建立方法

肖大志，方小宇，郇金來，陳 奎，黃忠明

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.南方海洋科學與工程實驗室（湛江），廣東湛江 524057

0 引言

構造建模是儲層建模的基礎，對于斷層發育情況復雜的斷塊油氣藏，它所建立的構造模型不僅提高了對復雜斷塊區構造展布特征描述的精度，同時也為儲層的相建模和儲層參數建模提供了良好的地層格架模型，從而有利于研究復雜斷塊油氣藏的分布特征及斷層對其的影響作用[1-6]。同時，復雜構造區構造模型的準確構建也是獲得復雜斷塊區準確速度模型，提高地震成像和反演精度的關鍵[7-11]。

受算法影響，常規斷層建模方法在處理復雜的斷層接觸關系時受到限制，多級“Y”型、“λ”型斷層建模難度很大。對于斷層較發育，斷層接觸關系較復雜的復雜斷塊油田，若采用常規方法建模，斷層間削截關系處理復雜，斷層模型搭建需要耗費大量時間，且該類復雜斷塊區的構造模型常出現網格變形扭曲（圖1a）、網格缺失（圖1b）、模型收斂性差等問題，影響油氣田開發方案研究。

圖1 Pillar Gridding算法復雜斷塊構造建模網格化效果圖Fig.1 The Gridding Results of Complex Fault Block by Pillar Gridding Algorithm

1 常規構造建模流程及局限性

1.1 Petrel常規構造建模流程

常規構造建模一般包括斷層建模、平面網格化、層面建模、層面插值和垂向網格化5個步驟。構造建模的具體方法是首先綜合地震解釋獲得的斷層多邊形或者深度域斷層解釋fault stick與地層對比獲得的斷點數據建立能夠反映斷層發育特征的斷層模型；在斷層模型的基礎上進行平面網格化；再通過井震結合的方法將地震解釋的關鍵層面添加進來；對沒有進行地震解釋的層位進行層面插值，生成小層層面，最后通過垂向網格化將整個三維地質空間劃分為一個個三維網格，從而搭建起研究區的地層格架。

1.2 常規斷層模型的建立方法

1.2.1 斷層模型生成

斷層模型是構造模型基礎，斷層模型的質量直接影響下一步平面網格化結果。在Petrel軟件中，采用常規流程建立斷層模型的主要方法有以下幾種：

（1）根據斷層與構造面的交線（fault polygon）建立斷層

根據fault polygon建立斷層，必須要根據相應的構造層面對這些fault polygon賦深度值。同時要通過polygon建key pillar，每條polygon必須是表示單個斷層。在應用前必須完成斷層線賦深度值和斷層線拆分組合。然后根據多邊形所示的斷層要素，生成斷層模型（圖2a）。此方法的優點是，能快速根據斷層多邊形建立斷層模型，并與構造圖中的斷層的走向、傾向和斷層延伸長度保持一致；缺點是，前期處理工作量較大，精細度不夠，當斷層產狀變化較大時，則斷層模型將與實際地質情況偏差較大。

（2）根據斷層解釋結果（fault stick）建立斷層

在應用該方法時，首先需要對時間域的fault stick數據進行時深轉換得到深度域結果，再選擇相應斷層的fault stick數據轉化為斷層模型（圖2b）。當一個fault stick文件內實際包含了多條斷層時，需要進行拆分處理。同時斷層解釋精度較低，fault stick數據顯示的斷面形態與構造層面不匹配時，需要對fault stick進行修改。此方法的優點是，可以直接利用斷層解釋結果快速生成斷層模型，原始數據能直觀顯示斷層間三維空間相互關系，所構建的斷層模型具有更準確的斷層搭接關系，并且符合實際斷層空間形態。缺點是，工作量較大，且依賴于一個完善的速度模型，同時在斷層解釋精度較低的情況下，與構造層面的匹配程度差，容易產生斷層面扭曲變形等問題，后期手工調整難度大。

圖2 根據不同斷層數據生成斷層模型效果圖Fig.2 Fault Modeling Results Based on Different Fault Data

（3）手動數字化生成斷層

Petrel常規斷層建模模塊提供了手動數字化建立斷層模型的功能?？梢詤⒖紭嬙鞂用?、地震剖面上顯示的斷層位置手動數字化添加斷層。優點是操作靈活，可以根據相關參考層面或地震剖面快速添加斷層。缺點是手工操作工作量大，且僅對斷層產狀變化較小的規則斷層有效，對于三維空間上斷層產狀變化較大的斷層，很難通過手工數字化精確描述斷層三維形態。

1.2.2 斷層模型處理

斷層模型是三維地質模型的基礎，只有建立高質量的斷層模型，才能建立較好的網格模型，在此基礎上建立的相模型和屬性模型才是可靠的。如果簡單運用沒有處理的原始狀態斷層進行網格化，這樣生成的網格就會混亂，無法應用。因此，在建立斷層模型時，必須對斷層進行處理。

（1）小斷層處理

工區內的斷層發育并不一致，有些斷層斷穿整個目的層，而有些小斷層只斷穿幾個層位。對于縱向上沒有斷穿整個模型的小型斷層，在做斷層pillar時，要適當延長pillar長度，使它穿透整個模型，使每個斷層的pillar頂底處在同一水平面上，以防止骨架網格模型混亂。對于斷距問題，可以在后面的層面模型建立時通過定義小斷層的活動性來加以解決[12]。

（2）斷層pillar方向處理

斷層pillar的方向也是影響網格質量的一方面，對區塊內所有的pillar方向要總體把握，即保持模型區內所有斷層pillar方向大致相近，分布均勻，數量適當，能體現出斷面形狀即可。

（3）斷層接觸關系處理

斷層主要有3種接觸關系：連接斷層、削截斷層和交叉斷層。連接斷層（Connect fault）即常說的分支斷層，這種接觸關系比較簡單，只要定義2條斷層的2個pillar相連接即可。比較復雜的接觸關系為削截斷層（Y型斷層）和交叉斷層（X型斷層）。圖3列舉了斷層間不同的相互削截情況。根據不同情況需分別處理：

簡單情況：一條次斷層被主斷層削截（圖3a）。處理方法：定義主斷層，也就是削截別的斷層的較大斷層；調整2條斷層的key pillar的角度、距離，使2條斷層key pillar對應匹配，至少2對；定義削截關系。

圖3 不同類型斷層削截關系Fig.3 Different Types of Faults Truncation Relations

復雜情況：多條斷層被一條主斷層削截（圖4a）。處理方法：先在三維空間對每一條斷層單獨處理，然后在二維窗口內使同一方向的2條斷層削截關系線完全重合（圖4b），如果在二維窗口下同一方向的兩條斷層削截關系線不重合（圖4c），則會造成斷層網格化的失敗。

圖4 多條斷層削截一條斷層情況下的削截關系處理Fig.4 Truncation Relationship Processing of Two Secondary Faults Truncated by One Main Fault

實際斷層建模過程中可能存在X型交叉關系，如果直接進行網格化，網格會出現扭曲。這種接觸關系必須把其中一條斷層劈分為上下2條斷層，即變成2個Y型斷層。具體實現時，可以把要劈分的斷層復制出一個斷層，其中一條劈分斷層保留上部，與未劈分斷層定義為底削截關系，另外一條劈分斷層保留下部，與未劈分定義為頂削截關系，這樣X型斷層的問題就轉變成2個Y型斷層來解決了。

（4）其他特殊處理

定義趨勢線解決網格方向。趨勢線的定義不是必需的，也不是越多越好。可以先不定義趨勢線，觀察網格單元的分布，然后根據實際情況，對網格扭曲部位進行定義。通過嘗試不同的趨勢線定義，觀察網格化效果，最終得到較好的網格化結果。

1.3 常規構造建模局限性

常規構造建模流程繁瑣，人工處理工作量大，同時受算法影響，在處理復雜的斷層接觸關系時受到限制，多級“Y”型、“λ”型斷層等復雜情況下，斷層接觸關系處理較為困難。上述提到的削截斷層處理方法對斷層較為規則情況尚能處理，但實際斷層削截關系遠比上文列舉的簡化情形更為復雜。對于斷層接觸關系復雜的斷層，即使花費大量精力進行手工調整，其斷層模型在網格化時仍可能出現無法完成網格化的情況。同時斷層受Pillar節點數的控制，對于鏟狀斷層等情形難以很好的模擬，斷層形態不能完全符合地質實際。另一方面，在Petrel斷層的垂向切深不能自由控制層間小斷層等情況下，需將小斷層上下延伸，貫穿建模層面頂底，這種處理方式會將斷層間接觸關系進一步復雜化。

2 基于深度域斷層解釋的復雜斷層模型高效建立新技術

對于斷層發育較為復雜，斷層垂向繼承性差、或者斷層空間形態較為不規則、斷層間存在較多削截現象的建模區塊，采用常規的由各油組斷層polygon組合進行斷層建模的方法很難建立與真實斷層產狀相一致的斷層模型，而地球物理提供的時間域斷層解釋結果精度較粗，進行時深轉換后還容易出現轉換得到的深度域斷層解釋與深度域構造面不匹配等問題，很難直接用于斷層模型建立。為此，借鑒地震斷層解釋的思路，對于斷層接觸關系復雜、產狀變化較大的斷層，直接在解釋剖面上參考深度域層位解釋結果，在控制斷層產狀的關鍵節點位置進行深度域斷層解釋（圖5a），進而轉換成斷層模型的方法。通過該方法可快速完成接觸關系復雜、產狀變化較大的斷層模型的快速建立。如圖5b，通過深度域斷層解釋得到的潿洲A油田多重削截斷層模型很好地體現了工區各條斷層間復雜的接觸關系。采用該方法建立的斷層模型可與深度域構造數據很好對應。同時深度域斷層解釋過程可進一步檢查地球物理構造解釋的合理性，對于局部地層厚度變化較大、上下地層不協調構造解釋可以做局部修改或剔除，保證構造框架模型的合理性。

圖5 基于深度域斷層解釋的斷層模型建立示意圖Fig.5 The scheme of fault model construction based on fault interpretation in depth domain

3 Petrel與RMS協同快速建模技術

受算法影響，常規構造建模模塊在處理多級“Y”型、“λ”型斷層時受到限制，斷層模型建立費時耗力且很難獲得較好的網格化結果，模型網格扭曲變形嚴重。而Petrel基于體的復雜構造建模模塊在建立框架模型時運行速度慢，斷層面的垂向、橫向延伸等難以完成。

RMS在復雜斷層接觸關系處理和規則網格模型生成等方面功能較強，能很好地模擬各種復雜斷層接觸關系[13]。其網格階梯化算法能很好地解決多級削截斷層情況下的網格化問題。其缺點在于其對生成斷層模型的原始數據質量要求較高，斷層模型一旦生成，斷層只能進行垂向、橫向的伸縮等修改操作，不能對斷層面的空間位置做側向移動。因此當局部斷層位置與構造面顯示的斷層上下盤位置不一致時，很難進行精細的調整。

結合RMS處理復雜斷層效率高，復雜斷層接觸關系及網格化質量高和petrel軟件斷層數據處理靈活的兩方面特點。利用Petrel常規斷層建模能任意進行斷層Pillar位置調整的優勢，在基于深度域斷層解釋建立斷層模型的基礎上，對斷層進行細致調整，使斷層與構造面在各個層位上完全匹配之后將調整好的斷層數據導入到RMS軟件完成斷層接觸關系的快速編輯和模型網格化。如RMS建立的斷層模型質量和網格化效果不好，再將RMS建立斷層模型轉換成斷層數據輸入到petrel軟件進行進一步的精細調整，再將調整好的斷層數據導入到RMS軟件完成斷層接觸關系的快速編輯和模型網格化，直至得到符合構造認識的構造模型。

4 應用實例

潿洲A油田內部發育多級“Y”型斷層，斷層間削截關系處理復雜，斷層模型搭建需要耗費大量時間，并且常規網格化效果不理想，構造模型出現網格變形扭曲、網格缺失嚴重、模型收斂性差等問題。充分結合Petrel在斷層解釋、人機交互和RMS在復雜構造建模方面的優勢，將Petrel工區下調整好的斷層模型導入RMS，建立的斷層模型（圖6a）與構造層面一致，在斷層模型的基礎上，結合構造層面數據，首先建立地層框架模型，并在框架模型的基礎上結合井點小層劃分方案，建立精細地層模型（圖6b），通過該方法成功模擬了潿洲A油田復雜斷塊多級“Y”型、“λ”型型斷層發育情況下的精細地層框架，最后采用網格階梯化算法，快速建立了該油田復雜斷塊區規則網格。相較于常規方法建立的網格模型（圖7a），新方法建立的網格模型（圖7b）完整，較好地反應了該油田的斷層發育狀況和構造特征。新方法有效解決了該復雜斷塊網格扭曲變形、模型收斂性差的問題。

圖6 潿洲A油田構造模型Fig.6 Structural model of Weizhou A oilfield

圖7 潿洲A油田網格模型對比Fig.7 Comparison of grid models of Weizhou A oilfield

5 結論

常規構造建模方法在復雜斷塊構造建模時操作復雜，效率低，斷層形態不能完全符合地質實際，同時難以解決斷層接觸關系復雜引起的網格變形，網格缺失，模型收斂性差的問題。

采用基于深度域斷層解釋的復雜斷層模型建立技術可減少斷層模型搭建時間，可快速完成接觸關系復雜、產狀變化較大的斷層模型的快速建立，大大提高復雜斷塊斷層編輯效率。

結合RMS復雜斷層接觸關系處理和規則網格模型生成功能和petrel斷層編輯操作靈活的特點，Petrel與RMS協同交互完成復雜斷塊區構造模型的快速搭建，可大大提高復雜斷塊區構造建模效率，有效解決該復雜斷塊網格扭曲變形、模型收斂性差的問題，對復雜斷塊區構造模型快速高效建立有較好的借鑒意義。