断层和裂缝尺度识别方法探讨
断层带与裂缝关系研究进展
断层带与裂缝关系研究进展陈霞飞;桑晓彤【摘要】通过对近年来众多学者对断层带与裂缝形成机制、特征、油气运移等方面大量的文献调研得出:断层带两盘裂缝发育程度存在差异,不同力学性质的断裂带两盘裂缝发育相差较大,不同岩性的断层带裂缝发育程度不同,断层带产状对裂缝发育程度也有影响.近年来的研究成果主要在定性的基础上对断层带和裂缝关系进行研究,但对两者的关联性的定量研究相对比较薄弱,随着数值模拟和物理模拟的不断完善,多种手段综合运用将会是断层带与裂缝今后研究的一个趋势.%Fault zone and fracture correlation played a very important role in oil and gas migration and accumulation.The paper drew a conclusion in recent years through many scholars for fault zone and the crack formation mechanism,characteristics,oil and gas migration aspects,such as a large number of literature study.We found between the side crack development degree existed differences,the mechanical properties of different fault zone two side crack growth was a large distinct.Different lithologic fault zone of the crack development degree were different.Fault occurrence of fracture development degree would also be affected.In recent years,the research mainly based on qualitative research of the relationship between fault and fracture.But for both of the relevance of quantitative research was relatively weak.With the constant improvement of numerical simulation and physical simulation,we found integrated use would be one of the fault zone and cracks of the future research trend.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2017(035)006【总页数】8页(P951-958)【关键词】断层带;不同力学性质;断层两盘裂缝;裂缝发育程度【作者】陈霞飞;桑晓彤【作者单位】中国石油大学华东地球科学与技术学院,山东青岛266580;中国石油大学华东地球科学与技术学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】P618.130.2+5断层是地质体沿着破裂面发生了明显位移［1］，而与断层有着密切关系的裂缝是岩石受力发生破裂，且两侧的岩石沿破裂面未发生明显位移［2］，断层和裂缝最主要的区别在于位移规模的大小.断层带是断层两侧一定宽度、长度、高度的三维地质体，具有复杂的内部结构［3-5］.对于断裂带内部结构，不同学者具有不同分类方案，Caine在研究断层对流体疏导、阻碍等水文地质条件时，把断层带划分为断层核、破碎带和围岩，其中断层核包括滑动面、断层角砾岩、碎裂岩和断层泥等断层岩充填的部分，其渗透率较小；破碎带是断层核外侧断层从属构造，如裂缝、断层褶皱发育带等，其孔渗率较高；围岩为破碎带外侧的正常岩层，其孔渗性介于两者之间［3］.也有学者根据渗透性高低划分为滑动破碎带和诱导裂缝带［4］.付晓飞把断层核定义为由不同类型的断层岩和后期胶结物组成，具有分选差、黏土含量高、颗粒粒径小、岩石比较致密等特征，具有比围岩更低的孔渗性；破碎带同围岩相比发育大量的裂缝，裂缝的密度随着离断层核距离的增大而逐渐减小，孔渗较高［5］.虽然不同学者对断层带内部结构分类方案存在差异，但其划分的本质是根据断层内部结构带对油气输导能力，即断层带内部结构渗透性高低，也反映出断层带裂缝发育程度.断层带与裂缝形成机制、特征及油气运移是断层带与裂缝研究的侧重点，断层带性质与裂缝性质及发育方位密切相关［6］；张性正断层控制的裂缝主要是与主断裂平行的张裂缝和剪裂缝，而走滑断裂控制的裂缝是与其斜交的多组剪裂缝、一组张裂缝和一组与其平行剪裂缝［7-9］，而逆断层控制裂缝主要是垂直于逆断层走向的最大主应力方向形成的张裂缝、一组产状与断层面相同的和另一组与断层面在剖面上呈一定角度相交的剪裂缝［10］.断层带两盘可根据裂缝发育程度分为主动盘和被动盘［11，4］.通常正断层的产状比较陡，大多数在45°以上，以60°左右较为常见，正断层上盘在自身重力作用和最大主应力共同作用下易沿着高角度断层面向下滑动，相对运动强烈，裂缝较为发育，有利于油气运移、储集.逆断层上盘在最大主应力的作用下沿低角度断层面向上运动，上升盘相对运动较为强烈，更容易形成裂缝.也有学者对碳酸盐岩地区走滑断层周围的裂缝与距断裂距离的定量关系进行统计分析，得出两者之间呈指数关系，即随着断裂距离的增大，裂缝发育程度减弱［12］，但对于走滑断层两盘裂缝差异性，在现有的研究成果中未取得很大进展.本文就从断层带与裂缝的形成机制、断层带与裂缝的关系、断层带周围裂缝的特征等对近年来国内外学者的研究成果进行归纳，以方便学者更加快速了解近年来研究成果，并提出了一些自己关于断层带与裂缝研究的见解，为学者对断层带与裂缝进一步研究奠定良好的基础.沉积物在沉积过程中受物源距离、矿物成分、环境等因素的影响，形成地层碎屑矿物的分选性和磨圆度存在差异性.矿物颗粒内部或矿物颗粒及集合体之间存在微小的弱面以及孔隙，这也在本质上影响了岩石的强度，制约了断裂发生的难易程度，影响了断裂带裂缝发育的密度.有学者通过实验来探索裂缝形成过程，把岩石变形至破裂过程分为4个阶段（见图1）：第一个阶段为裂缝紧闭，岩石中原有的孔隙和裂缝由于受压而逐渐紧闭；第二个阶段为线弹性阶段，裂缝完全闭合，由于裂缝面上摩擦力阻碍了相对滑动，纵向应变、横向应变以及体积应变都与应力呈线性关系，在方位最不利的裂缝两端出现拉应力集中，当拉应力超过岩石的抗拉强度时，会在裂缝端部形成张裂缝扩展，先存裂缝会因受到剪应力值超过摩擦力值而开始滑动；第三个阶段为裂缝稳定扩展阶段，应力与应变不再呈线性关系，新扩展的裂缝面随应力值逐渐与最大主应力平行，随着裂缝扩展和转向，其端部的应力集中趋于缓慢，要延伸需要更大的应力，随着应力值的增大，其他方向裂缝也发生延伸和滑动，到新产生的裂缝不足以吸收因裂缝延伸而释放的应变能时，裂缝延伸会重新加速；第四个阶段为裂缝不稳定扩展阶段，裂缝快速发展、交叉且联合成宏观的断裂面，最后块体间进行滑移［13］.Byerlee研究表明，断层滑动发生在内摩擦系数一定范围内的岩层中，在地壳浅部，内摩擦系数f大致可取0.85，在地壳深部时，f大致可取0.6［14］，因此有学者认为可以通过Byerlee定律来评价断裂发生的难易度，进而评价裂缝发育程度.就断层而言，断层面一旦开始滑动，破碎的岩石会充填断层拉开的空间形成破碎带.由于碎裂作用、黏性流动、研磨作用及胶结作用，导致破碎带内的岩石发生变质，形成断层岩，围岩由于应力集中产生大量的裂缝［15］，对于断裂带来说，断裂带的形成受到多种因素的互相影响，研究时不能局限在某单一因素，应在多种因素共同考虑的基础上，去综合研究断裂带裂缝存在规律性.断裂发育程度与岩石的力学性质密切相关，Anderson分析了应力状态，认为形成主应力轴趋于垂直平面，断裂面为一个剪裂面，最大主应力（σ1）指向断裂面的锐角平分线方向，而最小主应力（σ3）指向钝角平分线方向.遵循此种模式对应形成正断层的应力状态为最大主应力直立（σ1）、中间主应力（σ2）和最小主应力水平（σ3）［16］，引起正断层有利条件是：最大主应力（σ1）在铅直方向逐渐增大或者最小主应力在水平方向逐渐缩小（图2a）［17］.逆断层的应力状态和莫尔圆表明，有利于逆断层的形成条件为σ1在水平方向逐渐增大或者是最小主应力σ3在垂直方向逐渐减少见图2b［17］.但也有学者在野外地质勘查也发现了在某些情况下共轭剪切角为钝角，即最大主应力为钝角的角平分线［18-19］.吕洪波详细地论述了造成这种现象的原因：①前人的破裂实验都是在干样品在地表围压下进行的，而原始的沉积过程岩石与干样品的物性差异性很大；②最初沉积过程最大主应力在锐角角平分线上，但随着水平挤压继续进行，主压应力方向地壳发生了水平缩短，而相应地在与之垂直的水平方向则可发生拉伸，发生象限反转，最大主应力变为后来钝角所在的象限（见图3）.也有学者通过实验验证了在塑性或韧性剪切带的情况下共轭角大于45°［20］.对于岩石破裂过程中最大主应力方向是钝角角平分线还是锐角角平线，应根据具体的实际情况而定，而不是简单地搬用一些现成的模式.走滑断层早期造成两组相交的共轭破裂，其中一组R剪切面与主扭带走滑成低角度，为右行剪切，产生左阶步破裂.另一组R′剪切面与主纽带走向成高角度，为左行剪切，产生右阶步破裂（见图4），P剪切破裂和R剪切面与主扭断层带夹角一般为10°左右，是在扭动过程中晚期形成的［21］.断裂发生的最本质的原因是有力源，而构造运动是这个力源的诱导者，构造应力场为这个力源传播的媒介，构造应力是裂缝形成与分布的外界条件，它主要控制了储层裂缝形成的空间分布和力学性质［22-23］.孔隙流体压力也影响着裂缝的发育，当孔隙流体压力累积到超过断裂开启时，断裂及裂缝开启，断裂附近应力得到释放，引起岩石体积膨胀，脆性增大，容易发育裂缝，形成油气运移储集场所［24］.对构造应力和孔隙流体压力来说，构造应力可以通过作用于孔隙中的流体，促使孔隙流体压力增大，使岩石体积膨胀，脆性增大，容易形成裂缝，进而成为油气运移、储集场所.成分相同的岩石，随着其粒度和孔隙度减少变得致密，岩石强度增加，岩石在经过弹性变形后，在应变能较小时表现出破裂变形的性质，更加有利于岩石中裂缝的形成.温度对岩石力学性质有显著的影响，在地表的多数岩石表现为脆性；随着深度的增加，温度升高，到一定深度就会从脆性向塑性过渡.脆性地层受力变形后颗粒间发生较小晶间位移，结构面失稳需要较小的能量，有利于形成裂缝.对塑性地层受力变形时而言，组成岩体颗粒的变形方式为晶间会发生较大的位移滑动，消耗能量多，剩余能量少，滑动结束后结构无破坏，无明显破裂产生，也不易形成裂缝［11］，因此脆性地层比韧性地层更容易形成裂缝.层面相交的构造裂缝可能有两种成因：第一种，裂缝是在层间剪切作用下在地层中形成的新构造裂缝（见图5）［25-26］；第二种，裂缝可能是早期存在的微破面的基础上发生层面滑动，对于地层间滑动作用下活动的早期裂缝以及新形成的裂缝来说，早期存在微裂缝也大多与地层面斜交，新构造裂缝形成所需要应力大于早期裂缝活动所需要应力［27］，对于层面相交的构造裂缝成因的作用力与微破裂的先后顺序是相对于各自所占的比重大小，当作用力大时，力主导了构造裂缝形成，当微破裂较为发育时，微破裂在构造裂缝形成中占了主导作用.对于地层厚度与裂缝之间相关性，不同学者有不同的认识，有部分学者认为裂缝系统随着地层厚度增加而减少［11］，也有学者研究发现，在滑动量较大的厚地层中，裂缝也较为发育［28］.总而言之，对于地层厚度和裂缝关系，在岩性，构造应力差异值较小的情况下，岩层厚度越大裂缝越不发育，但在滑动量较大的厚地层中裂缝也有可能发育.地层岩性的脆性对构造裂缝影响重大，通常砂岩脆性最大，含泥质砂岩次之，泥岩脆性最小，在特定的构造应力背景下，地层脆性控制了构造裂缝发育，当地层岩性脆性度大于某一极限值时更易发育高角度裂缝，而低于极限值时更易发育中低角度裂缝［29］，对地层与裂缝之间的关联性，需要综合多种因素，如地层厚度、岩性、古构造应力来综合分析，探索它们内在规律性，从而更好地服务于油田生产.综上所述，断层带与裂缝的形成机制主要受岩石力学性质、构造应力、组成矿物颗粒的大小、孔隙流体压力、地层厚度等多种因素的影响，就岩石力学性质而言，脆性岩石破裂所需要的应力低于韧性岩石破裂的应力，因此，一般来说脆性岩石易于破裂，而岩石温度高低直接影响其力学性质，温度越高岩石韧性越高，越不利于岩层形成裂缝，而饱和的孔隙流体压力能够增加岩石的脆性，构造应力与岩石破裂的应力差值越大越有利于岩石破裂，就地层厚度而言，一般来说越厚越不利于形成裂缝，但在滑动量较大的厚地层也有利于裂缝形成.断层带裂缝直接影响着油气运移、聚集成藏，对于油田勘探开发具有重大意义.国内外学者针对不同力学性质断层（正断层、逆断层、走滑断层）断裂带的裂缝特征进行了大量研究，主要通过野外露头观察、岩心及薄片描述、EMI成像测井、物理模拟试验手段，而野外露头观察是最直接、最直观研究断层带裂缝的手段.研究表明，裂缝发育方位与断裂发育方位关系紧密，断裂发育程度直接决定裂缝的发育程度［30］，而断裂（空间分布）与裂缝发育密度密切相关，断裂活动性越强，断裂穿层越多，裂缝发育规模越大［31］.一般来说，大规模断裂随着与其距离的逐步增大，周围围岩所受到的应力逐渐变小，岩石越不容易破裂形成裂缝，裂缝密度越来越小（见图6）［12，32-34］.也有学者研究得出断层带存在一个临界宽度与影响裂缝发育密度密切相关，在临界宽度以内，裂缝发育密度与距断层距离成反比［35］，即越靠近断层带裂缝越密集，越有利于油气运移、储集.正断层既可以是张应力下形成的张破裂，也可以是由剪应力作用下形成的剪破裂，但受围压环境的影响，形成正断层更多是剪破裂而不是张破裂［36］，由于正断层面较陡，因此，可能形成高角度或垂直张裂缝以及平行断层和断层共轭的剪裂缝.也有学者研究认为，断层带张裂缝的平面走向平行于正断层面，发育的共轭剪裂缝面与最大主应力夹角小于45°，大多数情况下为30°［10］.但对于多期构造运动形成的断裂，断裂带周围的裂缝特征会更加复杂化.对正断层而言上盘通常为主动盘，而下盘为被动盘，在岩性相差不大的两盘，上盘裂缝更为发育，在断距超过10 m的断层，上盘裂缝发育宽度比下盘更大，越靠近断层核部位变形强度越大，裂缝规模和密度越大［24］.随着远离断层核变形程度减弱，上盘裂缝密度逐渐减小，相比之下，下盘裂缝密度更复杂，无明显减小规律［37］.对断层相关褶皱而言，位于断层转折端附近的构造裂缝要比两翼的构造裂缝发育；其次，构造裂缝密度与距断层距离之间有明显的指数关系（见图7）［38］.但是断层带两盘裂缝内充填矿物影响着裂缝的有效性，全充填或半充填矿物对两盘裂缝影响如何，没有一个较为详细的定性或定量评价.而对于裂缝形成期次来说，一般切穿矿物裂缝形成时期晚于矿物形成时期，要定性判断切穿裂缝的形成期次，需要对所切穿的矿物进行测定形成时间，但要更精确确定裂缝形成期次，可以通过岩石声发射实验进行确定，也可以通过包裹体测温来确定裂缝期次，主要依据不同期次裂缝充填物中含不同均一温度包裹体.一般情况下，正断层倾角越大，断裂发生时所需要的时间幅度越小，产生的应变能也较小，两盘裂缝越不发育；正断层倾角越平缓，由于两盘相互作用幅度大，作用时间越长，越有利于形成裂缝.逆断层在不同控制因素下两盘裂缝发育特征存在差异性，由逆断层产生的构造裂缝，主要由张裂缝和剪裂缝组成.在断层附近，由于断层活动造成的应力扰动作用，沿断裂带具有明显的应力集中现象，裂缝发育程度大［39］.越靠近断层带，构造裂缝面发育程度越高；反之，越低.就岩性方面而言，岩石脆性越大，逆断层带裂缝越容易发育.也有学者通过数值模拟在施加水平力一定时，改变断层倾角，断层区域具有不同的应力和应变分布，当逆断层角度改变为20°时，应力、应变值最大，裂缝发育程度高（见图8）.但是现场实际情况与模拟结果的吻合度并没有得到充分的验证.就现今数值模拟来说，主要是对单一变量进行模拟，在现有的技术手段下对多种变量进行数值模拟仍然不能进行，也制约了断层带裂缝特征的研究，如何在多种变量下进行数值模拟，将会是今后研究所要攻破的关键问题点.对逆断层而言，有学者研究发现，靠近断层带附近发育两组共轭剪性缝：一组平行于断层面的低角度裂缝，另一组则与断层面有一定角度斜交.远离断层面时，主要以高角度裂缝为主，包括张性缝和剪性缝［40］，也有学者认为张裂缝是垂直于逆断层走向的最大主应力方向形成的，平面上走向与断层面走向垂直，剖面上也近垂直产状［10］.通常情况下，逆断层是在挤压环境下形成的，当岩层受到挤压应力作用时，岩石在出现破裂之前应力在连续地质体内部传递；岩石破碎之后，随着破裂面出现，一大部分应力会消耗在断层上盘，因此，传递给断层下盘应力减少，导致断层上盘裂缝比断层下盘裂缝更发育的现象.而断裂活动时产生的诱导作用，可以使逆断层带内部的裂缝发生扩张，体积膨胀，可以形成空腔［41］，是断裂活动时油气运移主要运输通道.断裂静止裂缝未充填前期，裂缝具有较高的孔渗性，油气通过裂缝带运移，裂缝充填后，破碎带主要为油气运移的主要通道［42］，因此，油气运移时间与断层活动时间、裂缝充填顺序密切相关，在研究时需要综合考虑多种因素，以便取得更大突破.剪切作用形成的走滑断层带两侧的裂缝是断层带油气运移、聚集的路径之一，研究其周围断层带两侧裂缝特征在油田探勘开发中具有重要意义.走滑断层内部结构可分为断层核和破碎带［43］，就断层核而言由于受到挤压、研磨断层泥异常发育，塑性较大，不利于发育裂缝，有学者根据破碎带在断层核内和围绕断层核分布分为端部破碎带、围岩破碎带和连接破碎带［33］：端部破碎带为应力集中区，一般发育羽状裂缝、马尾状裂缝为特征，而羽状裂缝具有厚、短、羽状开启等特征；马尾状裂缝具有长、薄、分叉等特点，围岩破碎带的裂缝密度随着远离断层核距离而减小［44］.连接破碎带内发育高角度裂缝是有效的油气运移、储集的场所.研究表明，走滑断层带控制的构造裂缝与断裂距离存在一种指数关系，随着与断裂带距离增加，裂缝密度呈指数下降，并且存在一个裂缝密度逐渐减少的范围，此范围以外区域控制的裂缝带，裂缝密度变化缓慢，相对稳定.研究发现，走滑断层可以在拉张力和挤压力环境下形成，因此，有学者就从张性和压性来研究裂缝发育情况：压性走滑断裂带控制的构造裂缝带远比张性断裂控制的构造裂缝宽，压性走滑断裂附近的构造裂缝相对比较发育，前者约为后者的10倍［12］，因此压性走滑断层带裂缝发育规模更大更加有利于油气聚集.走滑断层破碎带范围较大，由走滑断层应力状态所决定，走滑断层两盘，其裂缝基本同等发育，平面上断层带与裂缝呈锐角相交，剖面上近于垂直［10］.不同学者对走滑断层带裂缝特征研究侧重点有所不同，但总的研究成果表明，破碎带为裂缝最发育的部位，也是油气最有利运移、聚集的场所.但是现在研究走滑断层带与裂缝关系特征都是建立在野外露头的直接观察上，在野外实际观察中受各种条件的限制，研究只局限于露头比较发育的极少一部分区域，对埋藏于覆盖区的走滑断层并不能进行系统研究，因此，在研究时注重野外调查的基础上，同时结合室内物理模拟和数值模拟，才能使走滑断层带与裂缝关系特征的研究从定性到定量的过渡，从而在走滑断层带与裂缝关系中取得较大的突破.随着油田勘探难度日益增大，从定性到定量研究已成为断层带与裂缝研究的一种趋势.综上所述，不同性质断层带裂缝特征存在异同点，其共性为随着距断层带距离的增大，裂缝密度逐渐减少；对正逆断层而言存在主动盘和被动盘，主动盘裂缝密度大于被动盘，但对走滑断层而言主动盘与被动盘难以界定，因而难以去比较断层带两盘的裂缝发育程度，但可以通过借助走滑断层力学性质进行定性评价.断层带倾角对裂缝发育程度影响也存在差异性，当前对于正断层和走滑断层的研究并未取得较好的成果，这可能会成为今后研究的一个创新点.但对于逆断层，有学者通过数值模拟发现，断层倾角为20°裂缝最为发育，但在现场实际情况也没有得到验证.在现今的研究水平下，远不能满足油田勘探开发，因此，今后我们需要综合多种手段，全方位地来研究断层带与裂缝关系，定量去评价断层带裂缝及油气运移、聚集关联性这必将是一种研究趋势.同时，需要把理论研究与油田生产紧密联系起来，才能在油田勘探、开发技术方面取得更大突破，进而推动断层带裂缝特征研究取得更大突破.但断层带裂缝形成期次对油气来说至关重要，一般来说，定性的基础上很难取得较为详细的判断，但流体包裹体的测温花费较大，测试周期长，怎样在低廉的基础上去测定形成时较为精准的期次，也是我们在研究断层带裂缝特征中需要考虑的一个问题.在现有研究水平下，断层带裂缝研究更多局限于构造裂缝，但就其断层带构造裂缝而言本身规模小，在后期成岩作用下很容易闭合，对油气运移来说是断续的、幕式的［45］.从应力方位来说，平行于最大主应力方向，即与最小主应力垂直方位的构造裂缝连通性最好，是油气运移主选方位；与最大水平主应力方位小于45°相交的前期断层带裂缝为油气运移优选方位［46］，因此，可以通过断裂主应力方位对油气在某个方向运移难易程度进行一个定性评价.随着研究不断深入，一些定量方法也逐渐应用到了油气运移的评价中.断层带与裂缝具有相辅相成的关系，即断层带是裂缝进一步延伸的产物，断层带和裂缝的形成受到多重因素的影响，而古构造应力和岩性在其形成过程中具有非常重要的作用.就其断层带裂缝特征而言，不同力学性质断层带裂缝特征存在差异性.一般来说，距断层带距离越远，裂缝密度越小.主动盘裂缝密度大于被动盘，但对于走滑断层而言不易界定主动盘与被动盘，压性走滑断层比张性走滑断层裂缝更为发育，断层带与裂缝研究主要存在以下问题.1）现有的研究断层带与裂缝关系都是建立在断层带与构造裂缝研究中，对次生裂缝研究较少，次生裂缝与断裂带关联性如何，对油气运移、聚集影响因子如何也许会是我们在具体研究过程中需要注意的一个问题.2）对于断层带与裂缝研究大多依靠野外露头进行直接的描述，然后用统计学方法寻找其规律，其偶然性大，基本停留在定性的研究之中，即使现今也有学者用数值模拟手段进行研究，但仍然是控制多种变量不变，而只改变其中单一变量，模拟的。
多尺度边缘检测技术在断层识别及裂缝发育带预测中的应用——以车排子地区排691井区为例
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油气地质与采收率
2021 年 3 月
检查方法对于断层识别与裂缝发育带预测，特别是 地震资料品质较差条件下的识别表现出极大的不 适应性［3］。为此，需要根据不同的地质体选择特定 的方法来检测其边缘特征，最大限度利用地震数据 及其衍生出的多种信息识别其不同的地质现象，提 高对复杂地质体的精准描述能力。前期的边缘检 测算法仅根据地震数据，提取相关属性参数，如索 伯算子、Canny 算子、Prewitt 算子等，基本没有考虑 地质体的多尺度的性质。近年来又有学者根据不 同地质体多尺度边缘响应特征提出了小波变换多 尺度边缘检测方法［4］，在实际应用中取得了较好的 效 果 ，但 是 这 些 方 法 仅 局 限 于 二 维 地 震 剖 面 的 识 别，而且需要进行层位解释的约束，应用范围具有 一 定 的 局 限 性 。 针 对 上 述 难 点 ，研 发 三 维 检 测 算 子，建立三维地震数据边缘检测方法，即三参数小 波变换与结构导向梯度联合约束的多尺度边缘检 测算法，该算法同时考虑了倾角和方位角导向下沿 层检测。选取准噶尔盆地西缘车排子地区排 691 井 区作为方法应用的靶区，研究区的三维全覆盖面积 接近 350 km2，主要勘探目的层为新近系沙湾组及石 炭系，沙湾组多为断块圈闭油气藏，石炭系为裂缝 型油气藏，而研究区石炭系顶面构造也可以作为沙 湾组底面构造，因此在实际研究中，选取石炭系顶 面作为标准层上下开时窗进行属性分析，利用所提 出的方法开展沙湾组断层识别及石炭系裂缝发育 带预测，预测效果良好。
多尺度边缘检测技术在断层识别及 裂缝发育带预测中的应用
——以车排子地区排 691 井区为例
马承杰
（中国石化胜利油田分公司 信息化管理中心，山东 东营 257000）
裂缝的识别[指南]
![裂缝的识别[指南]](https://img.taocdn.com/s3/m/602cb021ef06eff9aef8941ea76e58fafbb04551.png)
裂缝的识别裂缝是指岩石的断裂，即岩石中因失去岩石内聚力而发生的各种破裂或断裂面，但岩石通常是那些两个未表现出相对移动的断裂面。
其成因归纳为：（1）形成褶皱和断层的构造作用；（2）通过岩层弱面形成的反差作用；（3）页岩和泥质砂岩由于失水引起的体积收缩；（4）火成岩在温度变化时的收缩。
从FMI图像上，我们可以总结出裂缝的类型：（1）高角度缝：裂缝面与井轴的夹角为0~15度；（2）低角度缝：裂缝面与井轴的夹角为70~90度；（3）斜交缝：裂缝面与井轴的夹角为15~70度。
在某些特定的地区，我们可以从FMI图像上观察出网状缝，弥合缝和一些小断层。
第一节地层真假裂缝的识别方法在微电阻率扫描成像测井图FMI上，与裂缝相似的地质事件有许多，但它们与裂缝有本质的区别。
一、层界面与裂缝前者常常表现为一组相互平行或接近平行的高电导率异常，且异常宽度窄而均匀；但裂缝由于总是与构造运动和溶蚀相伴生，因而高电导率异常一般既不平行，又不规则。
二、缝合线与裂缝缝合线是压溶作用的结果，因而一般平行于层界面，但两侧有近垂直的细微的高电导率异常，通常它们不具有渗透性。
裂缝主要受构造运动压溶作用的影响，因此与缝合线的形状不一样，并且与裂缝也不相关。
三、断层面与裂缝断层面处总是有地层的错动，使裂缝易于鉴别。
四、泥质条带与裂缝泥质条带的高电导率异常一般平行于层面且较规则，仅当构造运动强烈而发生柔性变形才出现剧烈弯曲，但宽窄变化仍不会很大；而裂缝则不然，其中总常有溶蚀孔洞串在一起，使电导率异常宽窄变化较大。
五、黄铁矿条带与裂缝黄铁矿条带成像测井特征与泥质条带的特征混相似，但其密度明显增大，可作为鉴别特征。
总之，如图3—1所示，除断层面以外，其他地质现象基本平行于层理面，而裂缝的产状各异。
无论怎样弯曲变形，相似的这些地质现象的导电截面的宽度却相对稳定，相反裂缝的宽度通常因岩溶与充填作用变化较大。
第二节地层中天然裂缝和诱导裂缝的鉴别方法要鉴别天然裂缝和诱导裂缝，就须搞清诱导缝产生的机理和相应的特征。
断层、裂缝识别属性
断层、裂缝识别属性地震相干、倾角和方位角相干体技术是通过三维数据体来比较局部地震波形、相位的相似性。
当地层岩性、特征等地质因素横向发生变化时，必然导致地震波发生变化，从而进一步引起地震波的各种属性变化。
反之，作为一种属性应用，地震波横向变化时，根据地震道相干性计算的数值必然发生变化，且变化敏感，相干值低的点与地质不连续性(如断层、地层、特殊岩性体边界)密切相关。
因此，相干体切片包含了断层、微断裂的信息，它可直观地显示微断裂的相对发育程度。
通常，长度较大的线状或大曲率半经的曲线为断层的显示，长度较短的则为微断裂的显示，微断裂的显示越密集，则预示微断裂越发育。
层倾角和方位角图也有类似的功能，只是各有所长。
图片上较长的线性条带显示，一般也是断层的体现，其中短促的线性条带通常是微断裂的体现；而断层之间，方位角的线状或大小(色彩)变化现象则体现了裂缝的发育状况，通常线状显示越密集、色彩越丰富，则预示裂缝越发育。
通过地震相干、倾角和方位角的叠合显示，可更加清晰地描述地质体产状的细微变化，有利于分析构造的变形程度和裂缝的发育程度，从而有助于分析储层物性的相对优劣。
SMT中该类属性应用SMT中所有高级属性都集成在一个模块RSA中，因此要计算该类属性首先从project中找到RSA模块，打开进入属性选取窗口。
RSA模块中相干属性名称为Similarity，这里翻译过来实际上是相似性，意为相似性越差，越不相干，反映横向的不连续性，指示断层、裂缝或者特殊岩性体的存在；相似性越好，越相干，反映横向上地层具有连续性。
在实际应用中利用该属性silimarity来检测尺度较大的断层，当然有时候也对小断层有用。
在similarity属性下方为silimarity variance，翻译为相似性的方差。
数学上，方差是各个数据与平均数之差的平方的平均数。
通俗点讲，就是和中心偏离的程度，用来衡量一批数据的波动大小（即这批数据偏离平均数的大小）。
裂缝识别与评价
三、岩心裂缝观测与分析
1．岩心裂缝几何参数的相关分析 裂缝几何参数：裂缝长度、宽度(即张开度)、倾 角和方位 )，从岩心裂缝观测研究裂缝的发育特征，
裂缝性灰岩成像测井响应特征
成像测井： FMS 图像显示为高
导暗色正弦曲线，倾向 155o ，
倾 角 88 o ， ARI 图 像 显 示 缝 呈 NE-SW异常反映裂缝沿 NE—SW方 向延伸较远， DSI 图像有“斜” 条纹及斯通利波能衰减，表明
裂缝连通较好。
取心观察：岩心严重破碎，在裂缝密度较小处(4500—4505m)， 取心相对完整，见一条直劈裂缝
四、基本概念 1．裂缝孔隙度：裂缝孔隙体积/岩石总体积； 2．基质孔隙度：岩石基质孔隙/岩石基块体符号 基块孔隙度：岩石基块孔隙/岩石总体积 3．总孔隙度：总孔隙体积/岩石总体积 4．裂缝孔隙度分布指数（基块孔隙度分布指数） （1）A型孔隙度分布（Vf =10-15%）：裂缝孔隙储藏能力低，而原 生的基块孔隙储油能力高，总它的储量大，产量高，产量不降慢， 稳产时间长，但采收率较低。 （ 2 ） B 型孔隙度分布（ Vf= 40%-50% ）：裂缝孔隙储藏能力与基块 储藏能力相当，储量大，产量高，产量下降较慢稳产时间较长， 采收率高。 (3) C 型孔隙度分布（ Vf =95-100% ）：油气全部储存在裂缝孔隙 中，原生的基块孔隙小储藏油气，储藏能力较小，储量小，在短 时间内，油气产量特别高，采收率最高，但油气产量下降快，稳 产时间短。 华北A、B型之间Vf =33% 四川：B、C型之间
如何识别断层
如何识别及描述断层断层：断层与节理同属断裂构造，而断层往往是节理的进一步发育所致。
或者说，当节理发生位移，两壁有所错动时，即称为断层。
断层是野外常见的一种重要地质现象。
野外地质填图时遇到断层，应如何研究呢?首先要确定断层的几何要素,其内容包括下列各点：1、断层面.所谓断层面,就是两部分岩块沿着滑动方向所产生的破裂面。
断层面的空间位置也像地层的层面一样，是由其走向和倾向而确定的。
但断层面并非一个平整的面,往往是一个曲面，特别是向地下沿伸的那一部分,产状可以有较大的变化.此外,断层面不是单独存在的，往往是有好几个平行地排列着，构成所谓断层带，又由于断层带上两壁岩层的位移错动，使岩石发生破碎，因此又称为断层破碎带.其宽度达几米、甚至几十米.一般情况下，断层的规模愈大，断层带的宽度也愈大.2、断盘。
断层面两侧相对移动的岩块称为断盘.由于断层面两壁发生相对移动，所以断盘就有上升盘和下降盘之分.在野外识别时，按其位于断层面之上者称上盘 ;位于断层面之下者称下盘。
当断层面垂直时,就无上盘或下盘之分。
3、断层线。
断层面与地面相交之线，称断层线。
4、位移。
这是断层面两侧岩块相对移动的泛称。
在野外观察断层时，位移的方向是必须当场解决的问题之一。
特别遇到开矿时，一旦遇到矿脉(或矿层）中断，往往是断层位移所致，需要立即追查。
追查的办法是运用两侧岩层的层序关系来判断或抚摸断层面上的擦痕等来确定.在野外地质填图时，如何注意断层？怎样研究断层？观察什么内容？此类问题必须熟练掌握，现分述如下：先讨论断层的标志及两盘相对位移问题。
（1)构造(线）不连续.各种地质体，诸如地层、矿层、矿脉、侵入体与围岩的接触界线等都有一定的形状和分布方向.一旦断层发生，它们就会突然中断、错开，即造成构造(线）的不连续现象,这是判断断层现象的直接标志。
(2）地层的重复或缺失。
这是很重要的断层证据。
虽然褶皱构造也有地层的重复现象，但它是对称性的重复；而断层的地层重复却是单向性的.至于地层的缺失，凡沉积间断或不整合构造也可造成，但这两类地层缺失都是区域性的，而断层造成的地层缺失则是局部性的。
如何进行地质断层的测量与分析
如何进行地质断层的测量与分析地质断层是地壳中的裂隙，是地球表面上地层失稳运动的产物。
对于地质断层的测量与分析是地质学中的重要研究方向之一，因为它可以帮助我们理解地壳运动的规律，预测地震等自然灾害的发生概率，从而保障人类的生命财产安全。
本文将介绍如何进行地质断层的测量与分析。
1. 断层的测量方法1.1 遥感技术遥感技术是指通过卫星、飞机等航天器以及地面遥感设备获取地表信息的技术手段。
对于地质断层的测量，遥感技术可通过高分辨率遥感影像来识别和定位断层线ament，进而提供断层分布和发展方向的信息。
1.2 地震传感器地震传感器是用于测量地震波传播的仪器。
地震波在地质断层附近会发生折射和反射，地震传感器可以记录下地震波传播的路径和速度，从而揭示地质断层的位置和属性。
1.3 地质调查地质调查是通过实地勘探、采样与分析等方法获取地质断层相关信息的手段。
地质调查可以包括地质剖面观测、岩石化学分析、地球物理探测等，通过综合研究不同地质断层的特征和性质，揭示其形成演化的机制和过程。
2. 断层的分析方法2.1 断层形态分析断层形态分析通过观察地质断层的形貌、裂隙结构和变形特征，研究其活动性、滑动方式和运动方向。
常用的断层形态分析方法包括断层矢量图解、断层平面剖面分析和断层遗迹的测量。
2.2 断层活动性分析断层活动性分析通过观察地质断层上的断裂构造、断层滑动面和系统断裂等特征，判断断层的运动历史和可能的活动性。
常用的断层活动性分析方法包括软土层的变形分析、地质构造测量和年代测定技术等。
2.3 断层应力场分析断层应力场分析是研究地质断层周围应力分布和变化的方法。
它通过测量和分析应力张量、断层滑动面和附近地质构造的相互关系，揭示断层运动的驱动力和途径。
常用的断层应力场分析方法包括应力张量分析、断层测量和地震应力张量反演等。
3. 断层测量与分析的应用3.1 地质灾害风险评估地质断层活动可能引发地质灾害，如地震、滑坡和地面沉降等。
5.五裂缝识别
图5 剪切力分布图
图6 二元变形网格图
图7 铜锣峡构造长兴组岩石破坏接近程度等值线图
岩地层的破坏接近程度值的相对大小，可将研 究区划分为不同的岩石破坏区或裂缝发育区。 1）在断层和断层附近地区，其破坏接近程度值很 高，属地层破碎区。 2）在铜锣峡主构造区，其破坏接近程度值大于 1.248，岩石破坏程度比较高，属破裂发育区。 3）在铜锣峡构造西北边平缓带及东南边部分高陡 地带, 破坏接近程度值在1.142～1.248之间，为破 裂临界发育区。 4）在东南边部分高陡地带, 破坏接近程度值在 0.99～1.142之间，为欠发育区。 5）小于0.99为破裂不发育区。
2
F
W W x y
2 2
W G 1 y
2
W W 1 y x
2
W xy
2
W W 1 y x W W 1 y x
g ( x, h ) 1 Z ( x) Z ( x h)2 2
根据样品点计算的变差函数叫做实验变差函教， 其计算公式为：
1 N (h) Z ( xi ) Z ( xi h)2 r (h) 2 N (h) i 1
i
式中：xi—为第个观测点的坐标； Z(i)、Z(xi+h)—分别为xi及xi+h两点处的 观测值； h—为两观测点间的距离; N(h)—为相距h数据对数目； r(h)—为实验变差函数的值。
前处理主要有作图、识别分析域、约束条件设定、 荷载条件的设定、网格生成、材料参数的设定等功 能，作图窗口用于定义分析对象的形状、材料范围、 挖掘断面等几何信息。识别分析域的功能用于区分 不同材料（地层），并指定各区域材料。约束条件 设定是设定所选择边界约束，载荷条件的设定用于 设定所选择边界或点的载荷。网格生成根据所设定 的网格分割数自动生成有限元计算网格。材料参数 设定通过填写参数设定对话框来完成材料参数的设 定。通过前处理，得到有限元分析所需要的所有数 据后，便可进行分析计算。
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断层和裂缝尺度识别方法探讨
在断裂性油气藏中，断层和裂缝起到了至关重要的作用。
它们不仅影响了油气储层的非均质性，还决定着油气的运移、储集和保存等条件。
因而，断层和裂缝的识别和预测是油气勘探中的关键领域。
标签：断层；尺度；地球物理方法
断层和裂缝识别的地球物理方法很多，各种方法都有其特色，且在断层和裂缝识别上也具有适用性和合理性。
在断层识别上，应用地震手段是完全可以进行的。
在裂缝识别上，情况则复杂得多，也是研究的难点所在。
1、不同尺度断层的识别方法
通常在地震剖面上进行断层解释，会发现一些同向轴的形态和展布不易分辨和识别。
这其中除了前期采集处理过程中带来的问题外，就是断层本身在地震响应上的具体表现。
依据不同尺度的断层形态和标志，可采用相应的方法来进行。
1.1大断层的识别方法
大断层由于错断距离很大，在地震剖面和水平时间切片上可以用肉眼就能明显地识别和辨认出来。
因此通过在地震剖面和水平时间切片上找准断层标志就可以对大断层进行解释和刻画。
地震剖面上断层反映纵向上的变化，常见的断层标志主要有反射同向轴突然减小、波组和波系错断、反射层产状突变、狭长的波形杂乱带以及断面波的出现等；而水平时间切片上断层反映横向上的变化，主要有同向轴错断、同向轴走向和宽度突变等断层特征。
1.2小断层的识别方法
断层解释中，经常会碰到解释层位段同向轴发生分叉、合并、扭曲、强相位转换现象。
产生这些现象的根本原因，除了由地表条件变化或地层岩性变化以及波的干涉造成的外，就是由小断层的存在而引起。
因此，在标准反射波同向轴上发生的分叉、合并、扭曲、强相位现象就可视作为小断层的标志。
然而，实际的解释剖面上出现的分叉扭曲等现象往往很复杂，不能简单地就识别为小断层。
为了更好地识别研究区域里断层的发育情况，通常可采用相干分析技术来实现。
地震相干分析技术在地震资料解释和储层预测中已被广泛应用。
就其基本原理主要是通过计算多地震道之间或不同地震道与标准道间的相似系数，运用多道相似性原则找出波形特征变化与相似系数的关系，并根据相似系数的变化规律来识别和描述引起地震道间波形特征变化的断层(或岩性变化带)、裂缝等地质因素。
2、不同尺度裂缝的识别方法
断层在横向或垂向上的错断距离和张开度要远远超过裂缝的发育情况。
这就决定了其在地球物理相应上的巨大差异。
因而，识别裂缝所要采用的方法就要比识别断层的方法在精度上要求得高些，进而裂缝的识别也存在尺度分析的需要。
2.1大尺度裂缝的识别方法
针对地震相干分析对裂缝识别上的缺陷，国内外近些年也发展起来一些相适应的地球物理方法，主要包括基于新算法的相干分析、P波方位各项异性(多方位A VO和速度各向异性)、多波多分量、多属性参数裂缝预测等，这其中以多方位A VO裂缝识别方法最为典型，其发展迅速，效果甚佳。
下面主要介绍多方位A VO的基本原理。
在砂泥岩、碳酸盐岩的沉积地层中，裂缝的不均匀分布是造成地层方位各向异性的主要原因。
当地震波在裂缝性地层中传播时，以不同的方位入射的地震波在速度上将表现出明显的方向性差异。
多方位A VO裂缝预测方法正是利用这一规律来对裂缝走向和裂缝密度进行识别和预测。
2.2微小裂缝的识别方法
对于微小裂缝来说，由于其发育规模和尺度相比较小，采用地震方法不容易对其进行有效的识别。
这是由于地震的垂向分辨率都在十几米到几十米以上，就决定了识别的精度。
而测井的分辨率高，则可以弥补地震在垂向分辨率上的缺陷。
综合起来，最好就是采用井震结合方法来对微小裂缝进行识别和预测，现阶段要做到这一步很难。
然而在井点周围处发育的微小裂缝，可先采用测井方法对其进行识别，其中以成像测井的效果明显。
微电阻率成像测井是根据裂缝发育处的电阻率与围岩的差异来识别裂缝。
具体地说，在钻井时地下处于开启状态的有效缝容易被钻井液侵入。
除泥岩外，由于其它岩类的电阻率(尤其是碳酸盐岩和花岗岩等结晶岩)都比钻井液的电阻率大得多，这样在有效裂缝发育处的电阻率就相对较低，表现为黑色，可以清晰地在电阻率井壁图像上反映出来。
而且井壁岩石和钻井液电阻率的差异越大，裂缝就越容易识别。
实际测井输出的电阻率图像是沿井壁正北方向向右的展开图，完整的平直有效缝在电阻率图像上是一个波长的黑色正弦曲线。
根据正弦曲线的特征和分布，可以确定有效裂缝的方位和倾角。
这样，在成像测井测试的井段内，可以获得井孔范围内裂缝的三维分布特征。
3、结语
测井方法尤其是成像测井技术可直接来探测裂缝，虽然其费用昂贵，且在实际操作中易受井壁泥浆等井眼条件的影响，但由于其探测精度和分辨率高，而在微小裂缝识别上很占优势。
地震方法则不能对微小裂缝进行有效的识别，只能得到区域上裂缝发育的大体部位。
具体到各种方法上，也存在不同的识别精准度，因而也有必要探讨不同尺度断层和裂缝的典型识别方法。
这样就能直接地认识到
各种地球物理方法在不同尺度断层和裂缝识别中的优点和局限性，以便对研究方法进行进一步整合和改进。
参考文献：
[1]王彦辉，王欢，李纲，小断层的识别方法[A]，大庆石油地质与开发，2000。