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断缝体是以断层和裂缝的伴生发育为主要特征的地质体，对于构建致密砂岩油气储层的地质发育模式具有重要的价值，是油气勘探开发领域的研究热点（刘振峰等，2021；邓雨薇等，2024）。以鄂尔多斯盆地南缘地区为例，过去主要以沉积相分析等“地层—岩性”油气藏勘探方法为主（李士祥等，2010），而致密油气藏井油气产量低，导致产能受限。究其原因，黄土堆叠沟壑限制地震资料分辨率，从而制约了地震解释对于断裂构造的认识。随着勘探技术的不断发展，何发岐等（2020）提出的断缝体油气藏的概念，大力推动了构造特征的认识，有效推进了油气勘探开发的进展。目前，已在鄂尔多斯盆地南缘地区发现多个高产油藏，断缝体油藏成为鄂南地区增储上产的关键依据（何发岐等，2024）。
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断层与裂缝相伴而生。断层是岩体沿断裂面发生明显位移的地质构造现象（胡张明等，2024）。裂缝是在岩石中形成的没有明显位移的不连续面，按成因可分为构造裂缝、风化裂缝、成岩裂缝等，其中构造裂缝是在构造变形作用下形成的，是岩体中最为常见、分布范围最广的裂缝类型。构造裂缝与断层发育之间有着密切的共生关系，由于断层、褶皱等地质构造过程破坏了岩层的连续性和完整性，在岩体构造应力的作用下，不同部位、不同性质的岩石发生不同程度的碎裂，形成不同大小、不同产状的各式裂缝，在不同地层呈现出不同的聚集模式和空间配置关系，其中呈现网状不规则分布、孔渗性能较好、展布规模较大的“断层—裂缝”地质单元即为断缝体（刘振峰等，2021）。
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断缝体具有连通性和储集性能，是致密砂岩储层油气聚集的有利部位（孙同文等，2012；杨桂林等，2022；屈童等，2023）。裂缝是致密油气藏“甜点”形成的关键要素，对于致密—低渗储层而言，一定规模的断裂、裂缝的发育能够更有效地沟通油源，形成油气运移的通道，沿断裂垂向或侧向运移进入高渗的断缝体，在上覆油页岩、泥岩等盖层封堵及泥岩、致密砂岩的侧向围挡下，形成优质的油气储集空间。识别断缝体发育区有助于致密砂岩储层油气勘探，在此基础上，精细解释断缝体裂缝聚集模式和空间配置关系，可有助于精准预测油气储量，提升钻井开发效率（王朝等，2024；尹帅等，2024）。
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目前，常用的断缝体识别和描述主要有地层对比、岩芯观察、测井曲线、成像测井、钻井施工、地震勘探和露头解释等方法（何发岐等，2022）。①地层对比通过建立各级地层格架单元，对比分析识别断缝体的地质构造发育模式，难以获得裂缝单元的精细描述。②岩芯观察可有效识别孔隙型微小裂缝，描述裂缝形态、产状、物性，甚至发育机理等，但受限于取样分布，难以获得大范围的展布规律。③常规测井曲线可有效探测裂缝中的填充物，不同成分的填充物具有不同的电阻和声阻特征，但由于裂缝形态、产状、分布各异，难以探测全面。④直井的常规测井曲线上难以准确探测高角度、小尺度的裂缝，通常与成像测井技术相结合，利用裂缝与围岩在电阻率上的差异，高精度、高分辨率的裂缝断面成像呈现出连续或间断的条带，可有效识别小尺度裂缝。⑤钻井施工遇到断裂、裂缝时通常会出现井漏、井涌、井喷、井壁垮塌、钻速变化等情况，表现为一系列的钻井参数异常现象，以此为依据可有效识别大尺度、中尺度的裂缝，但对小尺度裂缝显示不明显。⑥地震勘探技术利用断裂在地震剖面上的局部波形变化，可有效探测断裂发育的走向、倾向、规模等宏观特征，以相邻地震道之间的相干系数为依据的沿层相干属性方法可有效识别较大尺度的裂缝，结合曲率、方位等属性的频谱分解技术将原始地震数据分解成不同频段的单频地震信号，其中的高频地震信号可有效检测微小断裂和裂缝特征（何发岐等，2023）。⑦地质露头解释技术依托野外露头的三维数字标本模型，利用图像分析方法解译高清的地质剖面，可有效识别、刻画并表征各种尺度的断裂和裂缝，直接获取裂缝的形态、产状和分布信息，可为断缝体的识别和描述提供丰富的数据标本（吴应值等，2023；徐琪等，2023）。
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王威和凡睿（2019）利用钻井、录井、测井及地球物理资料，对四川盆地北部马路背地区上三叠统须家河组天然气储集体进行了深入研究，识别出一种不沿层状分布的规模网状缝孔储渗体，由断层、褶皱伴生破裂缝叠合基质孔而形成断缝体结构，为该类致密砂岩资源的有效开发提供了积极的信息支撑。刘忠群等（2020）进一步以四川盆地川西坳陷新场构造带须家河组二段气藏为研究对象，综合利用古构造恢复和构造演化分析等方法剖析了该地天然气的成藏模式和富集规律，并结合该地断裂、裂缝等地质参数的统计关系，为该地气藏的高效勘探开发提供决策依据。刘振峰等（2021）以四川盆地川西坳陷新场地区须家河组二段致密砂岩气藏为例，基于地震资料解释结果，系统分析断缝体的构造发育模式，并利用分析结果确定相应的建模参数阈值，模型预测结果与实际情况吻合度较高，表明断缝体地质模式在油气勘探实践中具有重要的应用价值。何发岐等（2020，2024）以鄂尔多斯盆地南部彬长地区的断裂构造为研究对象，结合断缝体的概念和表征方法，利用三维地震资料解释结果，系统分析了断裂构造的几何学和运动学特征，深入探讨了断裂构造对油气成藏的作用机制，为鄂南盆地断缝体油藏的勘探开发提供了理论和技术参考。胡张明等（2024）以准噶尔盆地玛湖坳陷玛东地区百口泉组为例，综合利用地震、岩芯、成像测井等分析资料，从不同尺度精细刻画了断缝体储层发育模式，并通过钻井资料和压裂资料分析，验证了断缝体地质发育模式解释结果，为该区油气藏开发部署提供了可靠的支撑。
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断裂、裂缝的识别是断缝体描述的关键，对于盆缘构造带致密低渗油藏的勘探开发具有十分重要的指导意义。常用的断裂、裂缝识别方法在明确区域构造应力特征和断裂发育特征的基础上，利用地层、钻井、岩芯、地震、测井等资料进行综合判断，从而获得裂缝的空间发育特征。王朝等（2024）利用属性分析结合测井、岩芯及野外露头资料研究，识别了鄂尔多斯盆地西南部的断缝体分布，王威等（2019）利用钻井、录井、测井及地球物理资料识别了四川盆地北部的断缝体特征，然而，现有地质研究偏重断裂构造的经验描述和定性判断，缺乏针对断缝体的精细化、定量化、拓扑化的描述和刻画，不利于油气运移和富集规律的准确预测（孙同文等，2012；李凤磊等，2024）。因此，笔者等致力于构建一套断缝体露头地质知识库，基于野外露头的解释结果，对断裂结构、裂缝单元的产状、规模、分布等参数化特征进行结构化管理，实现了一套较为完整的断缝体露头地质知识库的构建方法，可为断缝体油藏的三维储层建模和勘探开发提供参考依据（张文彪等，2015；Liang et al.，2023）。
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1 结构化断缝体知识库构建方法
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野外地质露头是相似沉积环境、相近沉积模式地下油气田的地上反映，露头能直接观察到储层的类型及各类储层的沉积特征，为研究者呈现一个完整砂体的大小、规模、形态、空间展布、和围岩接触关系等信息，可以按特定需要和目的在任意尺度上研究砂体成因、空间特征和参数场的变化（徐琪等，2023）。
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图1 断缝体地质露头解释结果示意图
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Fig.1 Digital outcrop model of fault—fractured outcrops
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1.1 地质露头解释思路
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数字露头模型技术是利用三维可视化技术虚拟露头表面，建立由一系列结构多边形构成的初步模型体，进而在模型体上叠加露头剖面所有数字化地质信息，包括三维地面激光雷达数据、遥感图像、高精度灰度照片、探地雷达数据等露头地质剖面所有地质学信息数字化数据，实现多种地质特征综合解释和测量的数字露头模型技术，已在野外露头剖面上沉积体系三维储层建模、岩性分类、构造断裂精细解译等方面研究发挥作用（Viana et al.，2016; 廖阿托，2023）。
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枣林河A剖面（108°17′40″E，35°0′44″N）位于陕西省咸阳市旬邑县枣林河地区，地处鄂尔多斯盆地南部，属三叠系延长组，出露在河滩之上，为正花状构造断缝体。如图1所示，根据地质解释结果，将该露头剖面被划分成7个地层，各个地层厚度不一，岩性各异，出露岩体上分布有不同大小、不同产状、不同聚集程度的裂缝面。通常情况下，一个断缝体地质体由单个或多个断层结构及其附带产生的多个裂缝带、破碎带组成，以图1所示的剖面为例，红色竖线示意断层结构，黄色横线示意地层分界线，其间分布的黄色填充多边形即为裂缝单元在露头表面的截面，通常将断层核附近裂缝较发育的局部识别为破碎带，而将外围裂缝较稀疏的局部识别为裂缝带。
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1.2 断缝体地质要素结构化设计
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针对地质露头解释结果，笔者等提出了一种“体—带—段—缝”层次结构对断缝体地质要素进行结构化管理。地质露头是局部、单个或多个断缝体单元的剖面呈现，每个断缝体单元以断裂结构为核心，每处断裂结构以一条或多条断层线为中心，在断层线附近，裂缝较发育的地带为破碎带，断层线外围裂缝较稀疏的地带为裂缝带，裂缝单元以各自不同的姿态展布在破碎带或裂缝带中，裂缝单元受不同的应力作用排列成束、组合成系，因而在“带”与“缝”之间保留了“裂缝段”的实体设计（图2）。
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裂缝是岩体中的体状孔隙结构，笔者等以裂缝（裂缝孔隙体在地质露头上的截面）的几何中心线为描述单元，以裂缝中心线的中心点作为裂缝单元的指示点位（图2）。裂缝体有可能完整落入单个地层之内，也有可能穿插在相邻地层之间，落入各个地层中的裂缝部分被描述为裂缝子段，可用于量化分析不同地层的裂缝发育状况。
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图2 断缝体露头地质数据库概念模型
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Fig.2 Conceptual model of geological database on fault—fractured outcrops
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1.3 断缝体知识数据库设计
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笔者等针对断缝体实体设计了“体—带—段—缝”四级实体（图3），断缝体是第一级实体，数据库以断缝体实体为单位进行数据组织和管理。破碎带和裂缝带是第二级实体，是断缝体的组成部分，是裂缝发育的局部地带。裂缝段是介于“带”和裂缝单元之间的第三级实体，是裂缝按照成因机制聚集成组系的结果，反映了不同驱动条件下的裂缝团簇，裂缝是第四级实体，裂缝的空间位置由裂缝面的几何中心点确定，裂缝的产状、规模和开启程度等地质参数均可由地质资料分析获得。此外，地层实体是独立于断缝体的地质实体，通过对露头剖面进行地层划分后得到，裂缝所贯穿的地层由多值属性记录。
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图3 断缝体露头地质数据库逻辑模型
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Fig.3 Logical model of geological database on fault—fractured outcrops
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图4 断缝体破碎带和裂缝带示意图
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Fig.4 Schematic map of crushed zone or fissure zone in fault—fractured outcrops
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根据上述逻辑模型，断缝体露头知识库以结构化的关系数据表记录了断缝体（体）、破碎带和裂缝带（带）、裂缝段（段）和裂缝单元（缝）四级实体，以及相对独立的地层（层）的描述参数，实体属性及其与其他实体的关系如图3所示，其中“体—带—段—缝”四级实体按“一对多”的对应关系组织，裂缝单元与地层之间按实际的空间配置关系记录。
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断缝体露头知识库以结构化的参数表征地质体，分别设计了断缝体数据表、断缝体破碎带和裂缝带数据表、断缝体裂缝段数据表、断缝体裂缝单元数据表，以及与之相配套的地层数据表。针对第一层级的断缝体实体（表1），断缝体数据表唯一标识符（aID）以6位顺序编码（A00003），并以此作为破碎带和裂缝带、裂缝段、裂缝等实体的外键，描述数据项均来自地质资料综合解释结果，主要包括地理经纬度、剖面名称、断裂类型和样式等描述信息。
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针对第二层级的破碎带和裂缝带区域（图4），以红色实线表示断裂结构的断层中心线，破碎带和裂缝带分布在断层线两侧，以地质露头剖面上的四边形表示相应的空间范围。
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如表2所示，破碎带和裂缝带数据表的主键为bID，按4位顺序编号，附加在所属的断缝体实体编号后（A00003B001），保证实体编号的唯一性。为了支持裂缝单元几何关系的分析，数据表以坐标序列的方式详细记录了断层中心线、破碎带和裂缝带的几何信息，并记录了地质解释结果中关于断层的详细信息，包括裂带类型、断层产状、断距等。
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缝体裂缝段实体数据表唯一标识符（cID）以4位顺序编码（表3），断附在所属的断缝体及裂缝带后（A00003B001C002），同样以四边形表示裂缝段在露头剖面上的空间分布范围。另外，裂缝段类型、规模、整体走向等描述信息以保留字段记录在数据表中。
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断缝体裂缝数据表唯一标识符（dID）以6位顺序编码（表4），依次附在所属断缝体编号、裂缝带编号，及裂缝段编号之后，数据表中详细记录了裂缝的空间位置、产状姿态、规模大小、填充状况，以及所在地层编号等描述信息。
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地质露头地层数据表唯一标识符（eID）以4位顺序编码，附在对应的断缝体编号之后（A00003E005），数据表中记录了每个地层所对应的层次序号、地层厚度、岩性类型，以及沉积相等描述信息（表5）。
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2 定量化应用分析初探
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基于上述结构化、定量化的地质参数数据库，断缝体露头地质知识库可用于处理、分析和展示露头相关的地质参数，构建了断缝体资料汇总、定量分析的一体化平台，笔者等分别从断缝体结构参数分布和裂缝空间分布两个角度，初步探索了断缝体露头地质知识库在油气领域的应用，以期可为断缝体油藏的勘探开发、储量计算及三维地质建模等提供可靠的理论和信息参考。
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2.1 断缝体参数分布分析应用
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断缝体知识库汇集了断缝体描述有关的地质参数，可按照“体—带—段—缝”的层次结构对相关的描述参数进行定量分析，从而可获得可靠的参数统计结果，进而作为约束条件参与三维地质建模。以枣林河A剖面上的612个裂缝为分析对象（图5），统计了裂缝穿切长度的频数分布情况。从频数直方图可见，最短裂缝为0.14 m，最长裂缝为13.82 m，平均穿切长度为1.63 m，裂缝穿切长度的中位数为0.97 m，表明该处以中小裂缝为主。
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对于角度类地质参数，通常以极坐标形式展示统计结果。图6以极坐标水平 0~360°（事实上倾角仅分布在0~90°，即第一象限）展示倾角角度分布，再以各个角度分组上的频数统计值作为放射长度，依次连接各长度端点，实际上是上述频数分布直方图的变形。从玫瑰花图中可以看出，枣林河A剖面上的裂缝以垂直裂缝为主，最大倾角为89.93°，最小倾角为30.31°，平均倾角为80.05°，中位倾角为82.47°。
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2.2 断缝体空间分布分析应用
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断缝体地质露头知识库汇集了不同来源的描述参数，为多个地质参数之间的定量关系分析提供了数据基础。以裂缝密度为例，作为地质学上重要的统计参数，该指标旨在量化分析一定范围内的裂缝聚集程度，传统分析方法常以裂缝间距作为参考指标，通过量测每个裂缝距离邻近裂缝之间的远近程度，来间接反映该处裂缝的聚集程度。在断缝体地质露头知识库的支持下，详尽的资料汇总为更精确的密度计算提供了基础（图7），笔者等归纳了一种系统性的裂缝密度计算方法，用以表征单位展布空间内裂缝的分布体量，更加准确地表示裂缝单元在地质露头剖面上的密集程度，为三维地质建模提供更全面的参数约束条件。
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根据裂缝单元统计的展布空间类型，将裂缝密度分为线密度、面密度和体密度三种（表6），其中，①线密度是沿某条指示线（通常为断层中心线）看，统计裂缝在该指示线段上投影后的频数分布，按单位长度内的裂缝条数统计，其度量单位记作“个/米”。②面密度是以露头剖面上的某个空间范围为展布空间，统计裂缝在该区域范围内的二维密度，按单位面积内的裂缝条数统计，其度量单位记作“个/平方米”。③体密度是从岩体空间来看，统计一定体量的地质体内的裂缝条数，按单位体积内的裂缝条数统计，其度量单位记作“个/立方米”。此外，为了更准确把握裂缝规模对裂缝密度的影响，可在计算裂缝条数的基础上，按每条裂缝的穿切长度进行加权累加，从而得到相应的几何密度，即得到相应的几何线密度（“米/米”）、几何面密度（“米/平方米”）、几何体密度（“米/立方米”），精细表征裂缝在不同展布空间内的聚集程度。
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图5 咸阳市旬邑县枣林河A剖面裂缝穿切长度频数分布直方图
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Fig.5 Frequency distribution histogram of fissurecutting lengths in the Zaolin River， Xunyi County, Xianyang
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图6 咸阳市旬邑县枣林河A剖面裂缝产状倾角分段占比玫瑰花图
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Fig.6 Rose diagram of fissure inclination angles in the Zaolin River， Xunyi County, Xianyang
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图7 断缝体裂缝密度计算示意图：（a）以断层中心线为参照;（b）以断层中心面为参照;（c）以断层中心柱为参照
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Fig.7 Schematic map of fissure density in fault—fractured outcrop: (a) Using the fault centerline as a reference; (b) using the fault centerline as a reference; (c) using the fault central column as a reference
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3 结论
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断缝体的识别和描述长期依赖地质专家的经验判别和定性解释，多源异构的地质解释成果缺乏有效的组织和管理，一定程度上限制了断缝体油藏精细建模和储能预测的应用水平。地质地理大数据和机器学习算法为地球科学研究带来了新的机遇（周永章等，2018；周永章，肖凡，2024），笔者等提出了一种面向地质实体对象的断缝体地质露头知识库构建方法，基于野外地质露头剖面的解释成果，按照“体—带—段—缝”的层次结构对断缝体构造的组成要素进行结构化、参数化、定量化的统一管理，并以此为基础进一步探索了断缝体知识库辅助地质知识挖掘的应用方法，可为断缝体油藏的勘探开发、储量计算及地质建模提供有效的技术支持。
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断缝体地质露头知识库是实现地质资料一体化管理的有效方法，笔者等提出的知识库构建方法致力于实现野外露头剖面资料解释成果的结构化管理，一方面，地质参数依赖于地质资料解释的数据填充，另一方面，基于知识库的进一步数据挖掘，也有待地质建模和储量计算等应用目标的需求牵引。此外，现阶段知识库的数据组织偏重量化参数的结构化管理，缺少对裂缝单元空间配置关系的拓扑分析，对于裂缝排布模式及裂缝网络的连通关系探究不深。因此，未来可以从空间数据组织和管理的角度，进一步优化断缝体地质露头知识库，丰富地质资料的兼容范围，提升地质单元的空间化层次，拓展知识挖掘结果的应用水平。
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摘要
识别断缝体规模与成因，描述裂缝单元的发育展布及其空间配置关系，对于致密—低渗油藏的勘探开发具有重要的指导意义。由于断层与裂缝之间复杂的伴生关系，断缝体的识别与描述长期依赖地质专家的经验判别与解释，地质解释成果缺乏有效的组织和管理，一定程度上限制了断缝体油藏精细建模与储能预测水平。笔者等提出了一种面向对象的知识库建设框架，针对断缝体实体特有的多重复合结构，提出了一种“体—带—段—缝”层次结构，以参数化、定量化的描述对断缝体地质实体及其组成要素进行精细刻画，对断缝体露头剖面上的裂缝带和裂缝单元解释结果进行结构化组织和管理，设计并开发软件系统进行参数计算与统计制图，实现了一套较为完整的断缝体露头地质知识库服务平台。笔者等提出的知识库建设方案可有效提高断缝体油藏的统计分析效率，为断缝体油藏储层建模和智能油气勘探开发提供工具支持。
Abstract
Objectives: Fractures are a key factor in the formation of tight oil and gas reservoirs. The identification and description of fault bodies are of great significance for the exploration and development of tight-low permeability oil reservoirs. As the southern margin of the Ordos Basin has complex reservoir conditions and diverse enclosure type, the identification of fault bodies and fractures are the key to opening the oil reservoirs. However, due to the complex coexistence relationship between faults and fractures, the identification and description of fault bodies have long relied on the manual judgment and interpretation of geological experts. The geological interpretation results and knowledge lack effective organization and management, to some extent limiting the application level of geological knowledge of fault bodies. This study aims to constructing a framework for a geological object-oriented knowledge database of the fault—fracture body reservoirs.
Methods: This study focuses on the geological outcrops of fault—fracture body reservoirs. Focusing on the geological outcrop in the southern area of the Ordos Basin, this study characterizes the fracture units on the outcrop profiles, divides the outcrop into different fracture zones according to the geological laws of fault structures. By combining with the results of stratigraphic division, different fracture segments are identified. An outcrop geological knowledge base is designed and developed to organize and manage the fault—fracture body reservoirs.
Based on structured organization of geological interpretation results of fault—fractured outcrops, data mining methods are involved to explore quantitative parameters for geological modeling.
Results: This study proposes a multi-level structure of “body—zone—segment—fracture” elements on fault—fracture outcrops, which realizes the standardized description and structured management of fault—fracture geological bodies and their related constituent elements. This study implements a novel knowledge database system for geological outcrop interpretation. It achieves interactive statistical analysis and mapping of fracture parameters and outputs quantitative analysis reports on outcrop data of fault—fracture body reservoirs.
Conclusions: The application results show that the designed system can effectively realize the structured management and visual analysis of fault—fractured outcrops. It is expected to provide decision support for reservoir modeling and oil exploration.
