基于改进模糊综合评判法的断层封堵性综合评价

Comprehensive Evaluation of Fault Sealing Based on Improved Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

摘要

断层封堵评价分为垂向封堵评价和侧向封堵评价.前人多采取综合模糊评价法综合评价断层封堵性，模糊综合评判法的评价结果受评价分值和权重系数影响，传统综合评判法的各参数评价分值通过最大隶属度原则获取，忽视了同一类评价标准的内部差异，精度较低，且权重系数采取经验赋值或同等权重赋值，与实际区域地质环境有所出入.本次研究综合考虑断层力学背景、岩性对置关系、断储配置关系等定性参数，结合断层岩泥质含量、断面正压力、断储排替压力及断层应力特征等定量参数的影响，实现了参数的评价标准定量化分值表示；且基于区域各项参数统计分析，各项参数权重系数的确定通过层次分析法予以改进，权重系数更符合区域规律.选择涠西南凹陷二号断裂带A块潜力目标作为靶区，运用该方法进行评价，取得了较好效果；与前人研究方法对比，精度存在显著提高.

关键词

垂向‒侧向断层封堵性 / 综合定量评价 / 层次分析法 / 二号断裂带 / 储层评价 / 石油地质

Key words

vertical-lateral fault plugging / comprehensive quantitative evaluation / analytic hierarchy process / No.2 fracture zone / reservoir evaluation / petroleum geology

前人的研究表明，断裂对油气既起封堵作用，又起运移作用（Smith，1966；张丹凤等，2021）.Downey（1984）将断层封堵分为垂向封堵和侧向封堵，断层垂向封堵性评价方法包括断层岩排替压力法和断层面压力法（吕延防等，2013；胡欣蕾等，2019）.断层侧向封堵性评价方法发又可分为3类（金崇泰等，2012；胡欣蕾和吕延防，2019）：（1）Allan图解法（Allan，1989）或Knipe图解法（Knipe，1997），该方法主要用于评价仅发育断层面或断裂带与围岩具有相似孔渗特征的断层封闭性，断层能否形成封闭取决于两盘岩性的并置情况（金崇泰等，2012）；（2）断层岩泥质含量法，通过计算断层岩泥质含量评价断层封堵性（吕延防等，2016），该方法评价过程中成岩程度对断层封闭性的影响仅用深度形式考虑，可能对评价结果起到误判；（3）断储排替压力差法，从断层封闭机理出发，当断层岩排替压力大于等于储层岩石排替压力时才可形成侧向封堵（付广等，2013），但排替压力多是利用沉积岩石实测数据建立的拟合关系来推算，而断层岩样品较难获取，可能导致评价结果与实际不符.

涠西南二号断裂带是涠西南凹陷油气最为富集的区带，90%油藏受断裂控制，前人分析认为断裂发育是该区油气富集的一个必要条件（陈奎等，2019），但目前断层封堵油气藏能力研究的精度不足.单因素评价断层封闭性各有局限性，为综合考虑影响断层封堵性的各种因素，提高预测精度，邓俊国等（1999）提出用模糊综合评判法进行断层封堵性研究.孙国强等（2011）利用模糊综合评价法进行琼东南盆地二号断裂带断层封闭性预测.王新新等（2013）采取模糊综合评判法评价了金湖凹陷石港断裂带封闭性.吕延防等（2013）采取模糊综合评判法研究了南堡凹陷断层圈闭有效性.综合模糊评判法中各因素评价分值采取最大隶属原则获取（邱贻博等，2007；孙国强等，2011，吕延防等，2013；王新新等，2013），研究精度为定性‒半定量，无法考虑同一评价参数内部差异，各评价因素权重采取经验赋值（王东晔等，2006；邱贻博等，2007；王新新等，2013）或同等权重赋值（孙国强等，2011），经验赋值权重系数对于本研究区不一定适用，且本文所选取的参数不一定与前人一致，而同等权重赋值默认各评价因素对断层封堵性影响相同，误差较大.故本次研究中基于研究区垂向和侧向断层封堵性相关参数的规律统计，采取层次分析法进行各因素权重求取，对于提高研究区断层封堵性分析精度，为开发评价井提供技术支持具有重大意义.

1 区域地质概况

涠西南凹陷位于北部湾盆地西北部（周子强等，2022），整体呈近东西向展布，具有北断南超、北陡南缓的构造格局.凹陷北部一号断裂带与粤桂隆起相邻，南部与企西隆起、涠西南低凸起相邻.凹陷内部发育一条雁列式的二号断裂带，将涠西南凹陷分为A洼、B洼和C洼3个次级洼陷（图1）.

涠西南凹陷古近纪以来先后经历裂陷期和裂后热沉降期（姜平等，2020；刘一鸣等，2021）.古近纪裂陷期沉积地层先后发育古新世长流组、始新世流沙港组、渐新世涠洲组.新近纪裂后热沉降期地层依次发育中新世下洋组、角尾组、灯楼角组，晚新世望楼港组（图2）.

涠西南凹陷二号断裂带地区的成藏模式为 “源‒断‒脊‒砂‒圈”模式（图3），烃源岩成熟后油气在排替压力差驱动下，通过沟源断裂等运移通道垂向运移，再通过构造脊、不整合面及砂岩侧向运移至圈闭目的层段聚集.涠西南凹陷二号断裂带“坡坪式”断裂体系中，油气沿主干断裂沟源垂向运移，油气能否成藏取决于次级断裂的封堵性，油气一般在次断裂遮挡的圈闭高点聚集成藏（陈奎等，2019）.

2 模糊综合评价法

2.1　模糊综合评价法原理

断层封堵性控制因素分析表明，断层封堵既受断储配置关系、岩性对置关系、断层力学背景等定性因素影响，也受泥岩涂抹系数、断面正压力、断储排替压力差等定量因素影响.为综合考虑定性因素和定量因素的影响，本文采取模糊综合评判法定量评价断层封堵性.模糊综合评判法应用最大隶属度原则和模糊数学方法（裴发根等，2023），能同时考虑断层封堵性的定性因素和定量因素，综合评价断层封堵性（邓俊国等，1999）.在整个评判过程中，通过对不同影响因素赋予正确的权重系数，建立单因素评价标准矩阵，评价结果（B）与权重系数（W）及评价分值（R）之间的数学模型为：

B = W R , (1)

\left[b_{\mathrm{1}},b_{\mathrm{2}},\dots ,b_i,\dots ,b_n\right] = \left[w_{\mathrm{1}},w_{\mathrm{2}},\dots ,w_i,\dots ,w_m\right] \times {\left[r_{ij}\right]}_{mn} (2)

2.2　改进方法

前人在采用综合模糊评判法时，权重系数依据经验予以常数赋值，但此方法存在较大弊端，没有考虑到不同研究区的实际情况.本次研究，以区域规律为基础，采取层次分析法，从客观的角度进行不同因素的权重系数赋值.

层次分析法（analytic hierarchy process，简称AHP）是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法.能对非定量事件进行定量分析，根据具有层次网络的总目标、子目标、约束条件等，采用两两比较的方法，确定各要素的相对重要性，通过计算判断矩阵，得出各目标的相对重要性次序（张驰等，2020）.

有待解决问题A受因素｛A ₁，A ₂，…，A_n ｝影响，判断矩阵为：

\begin{array}{c}A=\left[\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{11}}& a_{\mathrm{12}}\\ a_{\mathrm{21}}& a_{\mathrm{22}}\end{array}& \begin{array}{cc}\dots & a_{\mathrm{1}n}\\ \dots & a_{\mathrm{2}n}\end{array}\\ \begin{array}{cc}\dots & \dots \\ a_{n\mathrm{1}}& a_{n\mathrm{2}}\end{array}& \begin{array}{cc}\dots & \dots \\ \dots & a_{nn}\end{array}\end{array}\right],\end{array} (3)

式中a_ij （i、j=1，2，…，n）为因素A_i 与因素A_j 相比较时，前者比后者重要性的程度，a_ij 越大，A_i 就比A_j 越重要，见表1.

其基本步骤如下：（1）建立要解决问题的层次结构模型.要解决的问题放在最上层，是最上层的一个因素.以下各层就是最上层的相关因素.（2）确定各层因素的相对重要性.将某一个层上的与上一层有关系的各因素进行成对比较.成对比较的结果值一般取1/9，1/8，…，1/2，1，2，…，8，9等.通过上面的步骤，得到各层的成对比较矩阵，从而计算出各层因素的权重.第i层因素的权重A _i 为：

A_i = {\sum }_{j=\mathrm{1}}^n a_{ij} , (4)

（3）计算出各因素对这个要解决的问题的权重，即对不同因素的权重进行归一化处理，从而得到决策方案.不同因素权重B_i 为：

B_i = \frac{A_i}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{A}_i} . (5)

2.3　模糊综合评判法评价流程

2.3.1　分析断层封堵性不同控制因素之间的关系，建立层次结构模型

本次研究，以二号断裂带实际地质情况为基础，统计已钻断块油藏的相关参数（断储配置关系、断距、断层倾角、断层岩泥质含量（SGR）、断面正压力、断储排替压力差等），结合前人研究，主要从断层力学背景、岩性对置关系（Allan图）、断储配置关系、SGR、断面正压力、断储排替压力差、断层应力特征（滑动趋势）这7个方面进行论述.

（1）断层力学背景：走滑断层封堵性最好，压性断层较好，张性断层次之.

（2）岩性对置关系：大部分砂泥对接封堵性最好，砂砂对接占比小于50%较好，砂砂对接占比大于50%较差.

（3）断储配置关系：正断层中，目标圈闭位于断层下盘时，断层对油气的封堵作用更好.

（4）断层岩泥质含量：表征断层的侧向封堵能力.根据SGR-断储排替压力差（图4），当SGR≥35%，且断储排替压力差值≥0.01 MPa时，样本点以封堵断层为主，阴影区间内的封堵断层样本点数占封堵断层总样本点数的56.39%，且此区间内的不封堵断层样本点数占不封堵断层总样本点数的2.86%，因此在此区间内，断层能对油气进行有效封堵.因此SGR≥35%时，断层封堵作用较好.

（5）断面正压力：影响断层的垂向封堵能力.根据二号断裂带断块油藏封堵断层统计分析结果（图5），断面正压力值主要分布范围为19~31 MPa，所占比例51.88%.因此当断面正压力≥19 MPa时，断层封堵作用较好.

（6）断储排替压力差：决定了断层是否能对储层中的油气产生封堵作用，根据

SGR-断层排替压力图版（图4），当断储排替压力差值≥0.01 MPa时，断层封堵作用较好.

（7）断层应力特征：应力条件的改变会使断层发生再活动（Indrevær et al.， 2014），当滑动趋势≤0.6时（Blanpied et al.， 1995），断层较为稳定，不易发生滑动，垂向封堵作用较好（Morris et al.， 1996）.

2.3.2　计算不同断层主控因素的权重

（1）构建A~B（断层封堵评价‒主控因素）矩阵.B层中有断层力学背景（B ₁）、岩性对置关系（B ₂）、断储配置关系（B ₃）、泥岩涂抹系数（B ₄）、断面正压力（B ₅）、断储排替压力差（B ₆）、断层应力特征（B ₇）.研究区内断层均属于同一应力场环境，选择断层力学背景作为基准.研究区内已钻油藏断层封堵性与Allan图存在一定吻合率，岩性对置（Allan图）比断层力学背景明显重要；断‒储配置关系与断层力学背景同等重要；研究区SGR统计结果显示，SGR能较好对断层封堵性进行定性‒半定量识别，SGR比断层力学背景重要性介于明显重要与强烈重要之间；断面正压力与断层垂向封堵性密切相关，且研究区断面正压力能较好对断层封堵性进行定性识别（吕延防等，2013），断面正压力与断层力学背景同等重要；研究区断储排替压力差能较好对断层封堵性进行定性‒半定量识别，且断层能否在侧向上形成封堵取决于断储排替压力差（吕延防等，2013），断储排替压力差比断层力学背景强烈重要；研究区内滑动趋势差异较小，滑动趋势比断层力学背景稍微重要.据此建立判断矩阵如表2所示.

（2）计算不同因素的权重：

A_i = {\sum }_{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{7}} a_{ij} , (6)

即可求得，A ₁=3.04；A ₂=15.53；A ₃=3.04； A ₄=23；A ₅=15.83；A ₆=27；A ₇=8.16.

（3）计算不同因素权重的归一化处理：

B_i = \frac{A_i}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{7}}{A}_i} , (7)

力学背景（B ₁）的权重为0.03、岩性对置关系（B ₂）为0.16、断储配置关系（B ₃）为0.03、泥岩涂抹系数（B ₄）为0.24、断面正压力（B ₅）为0.17、断储排替压力差（B ₆）为0.28、断层应力特征（B ₇）为0.09.

2.3.3　断层封堵性评价综合指数计算

断层封堵性评价综合指数计算如表3所示，断层力学背景、岩性对置、断储配置关系等定性因素的评价分值通过对应评价特征获取，断层岩泥质含量、断面正压力、断储排替压力差及断层应力特征等定量因素的评价分值通过计算求取，并进行归一化处理，单一评价因素的封堵性评价指数为其评价分值与对应权重系数之积，各项评价因素的封堵性评价指数之和为断层封堵性综合评价指数.

结合二号断裂带已钻断块油藏断层相关参数统计结果，在断层力学背景为张性断层、岩性对置关系为砂砂对接大于50%、断储配置关系为顺向断层、SGR值为35%、断面正压力为19 MPa、断储排替压力差为0.01 MPa、滑动趋势为0.6的条件下，得到断层的封堵性评价综合指数临界值为0.317 5（表4）.大于此临界值，断层则具有较好的油气封堵能力，小于此临界值，则断层封堵能力较差.

2.4　本次研究与传统方法对比

传统模糊综合评判法中权重系数多采取经验赋值和同等权重赋值.经验赋值法从断储配置关系、岩性对置关系、砂岩含量、断层力学性质、断层的活动时间、泥岩涂抹系数、断面正压力这7个方面（刘玉瑞，2009；宋守德，2009；王新新等，2013）评价断层封堵性（表5）.

同等权重赋值方法中，各因素所占权重为1/7，所得到的评价综合指数临界值为0.196.针对不具封堵作用的断层进行分析，本方法预测结果与实际结果吻合率为85.71%；经验赋值法的吻合率为57.14%；同等权重赋值法的吻合率为0%.

针对断控圈闭的断层进行分析，本方法的预测结果与实际结果吻合率为93.1%；经验赋值法的吻合率为79.3%；同等权重赋值法的吻合率为89.67%.本次研究与前人方法预测断控圈闭的断层封堵性，预测吻合率都较高；但预测断层不封堵圈闭的断层封堵性，经验赋值法和同等权重赋值法的吻合率远低于本文方法.

3 实例应用

3.1　靶区研究背景

A块靶区位于涠洲X油田，处于拉张应力场环境，发育正断层，涠三段下层序发育辫状河三角洲前缘沉积，岩性以箱型或钟型水下河道砂岩为主，储层类型以中孔中低渗、中孔特低渗储层为主.A块靶区目的层段包括W₃VIII、W₃IX两套油组.不同油组的构造图显示，F3断层位于低部位（图6），因此不控制潜力目标成藏.W-A1井在W₃VIII、W₃IX油组无油气显示，因此W₃VIII、W₃IX油组目标为断鼻构造控制下的圈闭（图6），其受主控断层F1的控制.

3.2　靶区断层封堵性评价

在目标断层等间距选取若干点，统计不同点各项主控因素的值，计算所取点的断层封堵性评价综合指数.被选取点的断层封堵性评价综合指数的平均值，即为该断层的封堵性评价综合指数.

3.2.1　W₃VIII油组断层封堵性综合评价

目标圈闭为F1断层上升盘.F1断层的Allan图显示，W₃VIII油组F1断层为砂泥对接（图7）.F1断层的SGR图显示，W₃VIII油组F1断层的SGR范围为50%~60%（图8）.F1断层的滑动趋势图显示，W₃VIII油组F1断层的滑动趋势范围为0.20~0.23（图9）.据此求得W₃VIII油组F1断层的封堵性评价综合指数为0.661 9.

3.2.2　W₃IX油组断层封堵性综合评价

目标圈闭为F1断层上升盘.F1断层的Allan图显示，W₃IX油组F1断层主体为砂泥对接，高部位存在砂砂对接（图8）.F1断层的SGR图显示，W₃IX油组F1断层的SGR范围为55%~60%（图9）.F1断层的滑动趋势图显示，W₃IX油组F1断层的滑动趋势范围为0.20~0.23（图10）.

因此求得W₃IX油组F1断层的封堵性评价综合指数为0.582 5.

3.3　靶区断层封堵性评价结果

W₃VIII油组，F1断层的封堵性评价综合指数为0.661 9；W₃IX油组，F1断层的封堵性评价综合指数为0.582 5，因此F1断层W₃VIII油组对油气的封堵能力优于W₃IX油组.F1断层在W₃VIII油组和W₃IX油组的封堵性评价综合指数均大于临界值0.317 5，表明两个油组断层均能对油气起到较好的封堵作用.

4 结论

不同的单因素断层侧向封堵性评价方法均有一定局限性，采用模糊综合评判法综合考虑断层力学背景、岩性对置关系、断储配置关系等定性参数，结合泥岩涂抹系数、断面正压力、断储排替压力差及断层应力特征等定量参数的影响，进行垂向‒侧向断层封堵性综合定量评价，采取层次分析法获取不同参数的权重系数，并得到断层封堵性评价综合指数.在二号断裂带不同级次断层与油气运聚的关系规律之上，系统研究封堵控制因素的分布规律，获取研究区断层的不同控制参数权重系数，并得到封堵性评价综合指数临界值.本次研究方法与前人方法对比，预测不起封堵作用的断层封堵性时，精度存在显著提高.选取A块潜力目标作为靶区，对靶区控制断层进行断层封堵性综合评价，得到了不同圈闭的断层封堵能力排序，效果较好.

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基金资助

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