复杂断块构造模型快速建立方法

肖大志，方小宇，郇金来，陈 奎，黄忠明

1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；2.南方海洋科学与工程实验室（湛江），广东湛江 524057

0 引言

构造建模是储层建模的基础，对于断层发育情况复杂的断块油气藏，它所建立的构造模型不仅提高了对复杂断块区构造展布特征描述的精度，同时也为储层的相建模和储层参数建模提供了良好的地层格架模型，从而有利于研究复杂断块油气藏的分布特征及断层对其的影响作用[1-6]。同时，复杂构造区构造模型的准确构建也是获得复杂断块区准确速度模型，提高地震成像和反演精度的关键[7-11]。

受算法影响，常规断层建模方法在处理复杂的断层接触关系时受到限制，多级“Y”型、“λ”型断层建模难度很大。对于断层较发育，断层接触关系较复杂的复杂断块油田，若采用常规方法建模，断层间削截关系处理复杂，断层模型搭建需要耗费大量时间，且该类复杂断块区的构造模型常出现网格变形扭曲（图1a）、网格缺失（图1b）、模型收敛性差等问题，影响油气田开发方案研究。

图1 Pillar Gridding算法复杂断块构造建模网格化效果图Fig.1 The Gridding Results of Complex Fault Block by Pillar Gridding Algorithm

1 常规构造建模流程及局限性

1.1 Petrel常规构造建模流程

常规构造建模一般包括断层建模、平面网格化、层面建模、层面插值和垂向网格化5个步骤。构造建模的具体方法是首先综合地震解释获得的断层多边形或者深度域断层解释fault stick与地层对比获得的断点数据建立能够反映断层发育特征的断层模型；在断层模型的基础上进行平面网格化；再通过井震结合的方法将地震解释的关键层面添加进来；对没有进行地震解释的层位进行层面插值，生成小层层面，最后通过垂向网格化将整个三维地质空间划分为一个个三维网格，从而搭建起研究区的地层格架。

1.2 常规断层模型的建立方法

1.2.1 断层模型生成

断层模型是构造模型基础，断层模型的质量直接影响下一步平面网格化结果。在Petrel软件中，采用常规流程建立断层模型的主要方法有以下几种：

（1）根据断层与构造面的交线（fault polygon）建立断层

根据fault polygon建立断层，必须要根据相应的构造层面对这些fault polygon赋深度值。同时要通过polygon建key pillar，每条polygon必须是表示单个断层。在应用前必须完成断层线赋深度值和断层线拆分组合。然后根据多边形所示的断层要素，生成断层模型（图2a）。此方法的优点是，能快速根据断层多边形建立断层模型，并与构造图中的断层的走向、倾向和断层延伸长度保持一致；缺点是，前期处理工作量较大，精细度不够，当断层产状变化较大时，则断层模型将与实际地质情况偏差较大。

（2）根据断层解释结果（fault stick）建立断层

在应用该方法时，首先需要对时间域的fault stick数据进行时深转换得到深度域结果，再选择相应断层的fault stick数据转化为断层模型（图2b）。当一个fault stick文件内实际包含了多条断层时，需要进行拆分处理。同时断层解释精度较低，fault stick数据显示的断面形态与构造层面不匹配时，需要对fault stick进行修改。此方法的优点是，可以直接利用断层解释结果快速生成断层模型，原始数据能直观显示断层间三维空间相互关系，所构建的断层模型具有更准确的断层搭接关系，并且符合实际断层空间形态。缺点是，工作量较大，且依赖于一个完善的速度模型，同时在断层解释精度较低的情况下，与构造层面的匹配程度差，容易产生断层面扭曲变形等问题，后期手工调整难度大。

图2 根据不同断层数据生成断层模型效果图Fig.2 Fault Modeling Results Based on Different Fault Data

（3）手动数字化生成断层

Petrel常规断层建模模块提供了手动数字化建立断层模型的功能。可以参考构造层面、地震剖面上显示的断层位置手动数字化添加断层。优点是操作灵活，可以根据相关参考层面或地震剖面快速添加断层。缺点是手工操作工作量大，且仅对断层产状变化较小的规则断层有效，对于三维空间上断层产状变化较大的断层，很难通过手工数字化精确描述断层三维形态。

1.2.2 断层模型处理

断层模型是三维地质模型的基础，只有建立高质量的断层模型，才能建立较好的网格模型，在此基础上建立的相模型和属性模型才是可靠的。如果简单运用没有处理的原始状态断层进行网格化，这样生成的网格就会混乱，无法应用。因此，在建立断层模型时，必须对断层进行处理。

（1）小断层处理

工区内的断层发育并不一致，有些断层断穿整个目的层，而有些小断层只断穿几个层位。对于纵向上没有断穿整个模型的小型断层，在做断层pillar时，要适当延长pillar长度，使它穿透整个模型，使每个断层的pillar顶底处在同一水平面上，以防止骨架网格模型混乱。对于断距问题，可以在后面的层面模型建立时通过定义小断层的活动性来加以解决[12]。

（2）断层pillar方向处理

断层pillar的方向也是影响网格质量的一方面，对区块内所有的pillar方向要总体把握，即保持模型区内所有断层pillar方向大致相近，分布均匀，数量适当，能体现出断面形状即可。

（3）断层接触关系处理

断层主要有3种接触关系：连接断层、削截断层和交叉断层。连接断层（Connect fault）即常说的分支断层，这种接触关系比较简单，只要定义2条断层的2个pillar相连接即可。比较复杂的接触关系为削截断层（Y型断层）和交叉断层（X型断层）。图3列举了断层间不同的相互削截情况。根据不同情况需分别处理：

简单情况：一条次断层被主断层削截（图3a）。处理方法：定义主断层，也就是削截别的断层的较大断层；调整2条断层的key pillar的角度、距离，使2条断层key pillar对应匹配，至少2对；定义削截关系。

图3 不同类型断层削截关系Fig.3 Different Types of Faults Truncation Relations

复杂情况：多条断层被一条主断层削截（图4a）。处理方法：先在三维空间对每一条断层单独处理，然后在二维窗口内使同一方向的2条断层削截关系线完全重合（图4b），如果在二维窗口下同一方向的两条断层削截关系线不重合（图4c），则会造成断层网格化的失败。

图4 多条断层削截一条断层情况下的削截关系处理Fig.4 Truncation Relationship Processing of Two Secondary Faults Truncated by One Main Fault

实际断层建模过程中可能存在X型交叉关系，如果直接进行网格化，网格会出现扭曲。这种接触关系必须把其中一条断层劈分为上下2条断层，即变成2个Y型断层。具体实现时，可以把要劈分的断层复制出一个断层，其中一条劈分断层保留上部，与未劈分断层定义为底削截关系，另外一条劈分断层保留下部，与未劈分定义为顶削截关系，这样X型断层的问题就转变成2个Y型断层来解决了。

（4）其他特殊处理

定义趋势线解决网格方向。趋势线的定义不是必需的，也不是越多越好。可以先不定义趋势线，观察网格单元的分布，然后根据实际情况，对网格扭曲部位进行定义。通过尝试不同的趋势线定义，观察网格化效果，最终得到较好的网格化结果。

1.3 常规构造建模局限性

常规构造建模流程繁琐，人工处理工作量大，同时受算法影响，在处理复杂的断层接触关系时受到限制，多级“Y”型、“λ”型断层等复杂情况下，断层接触关系处理较为困难。上述提到的削截断层处理方法对断层较为规则情况尚能处理，但实际断层削截关系远比上文列举的简化情形更为复杂。对于断层接触关系复杂的断层，即使花费大量精力进行手工调整，其断层模型在网格化时仍可能出现无法完成网格化的情况。同时断层受Pillar节点数的控制，对于铲状断层等情形难以很好的模拟，断层形态不能完全符合地质实际。另一方面，在Petrel断层的垂向切深不能自由控制层间小断层等情况下，需将小断层上下延伸，贯穿建模层面顶底，这种处理方式会将断层间接触关系进一步复杂化。

2 基于深度域断层解释的复杂断层模型高效建立新技术

对于断层发育较为复杂，断层垂向继承性差、或者断层空间形态较为不规则、断层间存在较多削截现象的建模区块，采用常规的由各油组断层polygon组合进行断层建模的方法很难建立与真实断层产状相一致的断层模型，而地球物理提供的时间域断层解释结果精度较粗，进行时深转换后还容易出现转换得到的深度域断层解释与深度域构造面不匹配等问题，很难直接用于断层模型建立。为此，借鉴地震断层解释的思路，对于断层接触关系复杂、产状变化较大的断层，直接在解释剖面上参考深度域层位解释结果，在控制断层产状的关键节点位置进行深度域断层解释（图5a），进而转换成断层模型的方法。通过该方法可快速完成接触关系复杂、产状变化较大的断层模型的快速建立。如图5b，通过深度域断层解释得到的涠洲A油田多重削截断层模型很好地体现了工区各条断层间复杂的接触关系。采用该方法建立的断层模型可与深度域构造数据很好对应。同时深度域断层解释过程可进一步检查地球物理构造解释的合理性，对于局部地层厚度变化较大、上下地层不协调构造解释可以做局部修改或剔除，保证构造框架模型的合理性。

图5 基于深度域断层解释的断层模型建立示意图Fig.5 The scheme of fault model construction based on fault interpretation in depth domain

3 Petrel与RMS协同快速建模技术

受算法影响，常规构造建模模块在处理多级“Y”型、“λ”型断层时受到限制，断层模型建立费时耗力且很难获得较好的网格化结果，模型网格扭曲变形严重。而Petrel基于体的复杂构造建模模块在建立框架模型时运行速度慢，断层面的垂向、横向延伸等难以完成。

RMS在复杂断层接触关系处理和规则网格模型生成等方面功能较强，能很好地模拟各种复杂断层接触关系[13]。其网格阶梯化算法能很好地解决多级削截断层情况下的网格化问题。其缺点在于其对生成断层模型的原始数据质量要求较高，断层模型一旦生成，断层只能进行垂向、横向的伸缩等修改操作，不能对断层面的空间位置做侧向移动。因此当局部断层位置与构造面显示的断层上下盘位置不一致时，很难进行精细的调整。

结合RMS处理复杂断层效率高，复杂断层接触关系及网格化质量高和petrel软件断层数据处理灵活的两方面特点。利用Petrel常规断层建模能任意进行断层Pillar位置调整的优势，在基于深度域断层解释建立断层模型的基础上，对断层进行细致调整，使断层与构造面在各个层位上完全匹配之后将调整好的断层数据导入到RMS软件完成断层接触关系的快速编辑和模型网格化。如RMS建立的断层模型质量和网格化效果不好，再将RMS建立断层模型转换成断层数据输入到petrel软件进行进一步的精细调整，再将调整好的断层数据导入到RMS软件完成断层接触关系的快速编辑和模型网格化，直至得到符合构造认识的构造模型。

4 应用实例

涠洲A油田内部发育多级“Y”型断层，断层间削截关系处理复杂，断层模型搭建需要耗费大量时间，并且常规网格化效果不理想，构造模型出现网格变形扭曲、网格缺失严重、模型收敛性差等问题。充分结合Petrel在断层解释、人机交互和RMS在复杂构造建模方面的优势，将Petrel工区下调整好的断层模型导入RMS，建立的断层模型（图6a）与构造层面一致，在断层模型的基础上，结合构造层面数据，首先建立地层框架模型，并在框架模型的基础上结合井点小层划分方案，建立精细地层模型（图6b），通过该方法成功模拟了涠洲A油田复杂断块多级“Y”型、“λ”型型断层发育情况下的精细地层框架，最后采用网格阶梯化算法，快速建立了该油田复杂断块区规则网格。相较于常规方法建立的网格模型（图7a），新方法建立的网格模型（图7b）完整，较好地反应了该油田的断层发育状况和构造特征。新方法有效解决了该复杂断块网格扭曲变形、模型收敛性差的问题。

图6 涠洲A油田构造模型Fig.6 Structural model of Weizhou A oilfield

图7 涠洲A油田网格模型对比Fig.7 Comparison of grid models of Weizhou A oilfield

5 结论

常规构造建模方法在复杂断块构造建模时操作复杂，效率低，断层形态不能完全符合地质实际，同时难以解决断层接触关系复杂引起的网格变形，网格缺失，模型收敛性差的问题。

采用基于深度域断层解释的复杂断层模型建立技术可减少断层模型搭建时间，可快速完成接触关系复杂、产状变化较大的断层模型的快速建立，大大提高复杂断块断层编辑效率。

结合RMS复杂断层接触关系处理和规则网格模型生成功能和petrel断层编辑操作灵活的特点，Petrel与RMS协同交互完成复杂断块区构造模型的快速搭建，可大大提高复杂断块区构造建模效率，有效解决该复杂断块网格扭曲变形、模型收敛性差的问题，对复杂断块区构造模型快速高效建立有较好的借鉴意义。