韓 磊，張 宏，王勁松，朱建峰，王 瑞

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130062)

分頻相干技術(shù)在復(fù)雜斷裂解釋中的應(yīng)用

韓 磊1，張 宏1，王勁松1，朱建峰2，王 瑞1

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130062)

伏龍泉斷陷區(qū)域構(gòu)造比較復(fù)雜，斷裂極為發(fā)育，由于受到地震分辨率的限制，很難對(duì)較小的斷層進(jìn)行準(zhǔn)確的解釋。針對(duì)這些問題，嘗試使用分頻相干的方法來解決。將地震數(shù)據(jù)分解為一系列單頻體，對(duì)每一個(gè)單頻體進(jìn)行相干計(jì)算，挑選對(duì)斷層刻畫較為清楚的單頻體進(jìn)行斷層的剖面解釋；然后提取目的層段的多個(gè)單頻平面相干屬性，并使用RGB融合技術(shù)將不同單頻相干屬性融合起來進(jìn)行斷層平面解釋。結(jié)果表明，分頻相干技術(shù)在復(fù)雜構(gòu)造的斷裂解釋上有著良好的應(yīng)用效果。

分頻相干 RGB融合 斷裂解釋

Bahorich在1995年提出把地震相干作為一種獨(dú)立的屬性進(jìn)行地震解釋時(shí)，曾引起很大反響，其后，相干技術(shù)飛速地發(fā)展。Bahorich提出的第一代相干算法(簡稱C1算法)基于互相關(guān)，該算法對(duì)噪聲的抗干擾能力不是很強(qiáng)[1]；Marfurt等提出的第二代相關(guān)算法(簡稱C2)是沿傾角、方位角進(jìn)行不連續(xù)性計(jì)算，該算法雖有較強(qiáng)的抗噪能力，但分辨率較低[2]；Gersztenkorn提出的第三代相干算法(簡稱C3算法)是基于特征結(jié)構(gòu)的運(yùn)算，具有較好的橫向分辨率，但對(duì)大傾角不敏感[3]。2002年，王西文等將小波變換引入到相干計(jì)算中，利用小波域分頻方法計(jì)算地震數(shù)據(jù)各個(gè)頻帶內(nèi)的瞬時(shí)特征參數(shù)，應(yīng)用C1相干算法計(jì)算各個(gè)頻帶內(nèi)的地震相干數(shù)據(jù)體[4]。其后，相干和時(shí)頻分析技術(shù)以及兩者的結(jié)合被應(yīng)用到地震資料處理、解釋和儲(chǔ)層預(yù)測等各個(gè)油氣勘探領(lǐng)域中[5-15]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將多尺度小波分析技術(shù)和相干技術(shù)結(jié)合，使用先進(jìn)的C3算法計(jì)算不同頻帶的地震數(shù)據(jù)相干體，對(duì)不同頻帶的地質(zhì)異常信息進(jìn)行RGB圖像融合，最終得到更為豐富的地質(zhì)細(xì)節(jié)信息，識(shí)別常規(guī)方法容易被忽略的地質(zhì)體。

1 方法原理

1.1 第三代相干算法

地震相干是指相鄰地震道之間地震屬性的相似程度的測量。一般情況下，常規(guī)的相干都是基于振幅的計(jì)算，它的前提假設(shè)是地層是連續(xù)的、地震波是漸變的，因此相鄰線、道之間是相似的。當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)性遭到破壞時(shí)，如斷層、尖滅、侵入、變形等，會(huì)導(dǎo)致地震道之間波形特征發(fā)生變化，進(jìn)而使局部道與道之間的相關(guān)性表現(xiàn)邊緣相似性的突變，最終得到地層邊界、特殊巖性體等的低相關(guān)值輪廓。由前言敘述可知，相干技術(shù)從1995年提出至今，一直在不斷的發(fā)展完善中。本文使用的是算法較為先進(jìn)的第三代相干算法(C3算法)，該算法是通過計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值來得到相干屬性的方法。

假設(shè)以t=nΔt為中心的一對(duì)視傾角(p，q)的2M+1個(gè)采樣點(diǎn)，這2M+1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)J×J的協(xié)方差矩陣：

(1)

式中，ujm=uj(mΔt-pxj-qyj)，表示地震道沿著視傾角在t-mΔt-pxj-qyj處的內(nèi)插值。視傾角(p，q)中p和q分別為x方向和y方向上的地震道之間的時(shí)移量。

(2)

其中，λj(j=1,2,…，J)是協(xié)方差矩陣C(p，q)的第j個(gè)特征值，λ1是其最大特征值。

1.2 小波變換

小波變換方法在二十世紀(jì)八十年代興起，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)分析、圖像識(shí)別等方面的研究應(yīng)用都取得了有價(jià)值的成果并在地震勘探領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用。小波的概念是由法國的地球物理學(xué)家Morlet于1984年提出的，他在分析地震波的時(shí)頻局部特征時(shí)，希望使用在高頻處時(shí)窗變窄，低頻處頻窗變窄的自適應(yīng)變化。但Fourier變換難以滿足這一要求，隨后他引入了高斯余弦調(diào)制函數(shù)，并將其伸縮和平移得到一組函數(shù)系，此函數(shù)系后來被稱之為“Morlet小波基”。該小波分析方法是一種窗口大小(即窗口面積)固定但形狀可變，時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率。正是這種特性，使小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性。本文使用的是一種改進(jìn)的Morlet小波變化方法。

Morlet小波的定義為：

(3)

改進(jìn)的Morlet小波定義為：

(4)

設(shè)地震信號(hào)S(t)的小波變換為：

(5)

=SR(b,a)+iSL(b,a)

式中，b是時(shí)間因子，a是尺度因子，SR(b,a)為小波變換的實(shí)部，SL(b,a)為小波變換的虛部，g*(t)為式4中的小波函數(shù)g(t)的復(fù)共軛。如果小波函數(shù)滿足：

g(t)∈L1(R,dt)∩L2(R,dt)

Cg≠0

則：

(6)

這里的S(b，a)由式5定義，H[s(b)]表示s(b)的Hilbert變換。利用解析小波把信號(hào)變換到時(shí)間尺度域之后，S(t，a)(a>0)為一解析信號(hào)，因此，在每一尺度下可以計(jì)算瞬時(shí)參數(shù)，這為我們進(jìn)行分頻計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

1.3 分頻相干技術(shù)

常規(guī)相干對(duì)控制構(gòu)造格局的大斷裂刻畫比較準(zhǔn)確，但隨著勘探程度的深入，需要研究小斷裂、小裂縫等較小尺度的地質(zhì)體。由于地震不同頻帶可以反映不同的地質(zhì)現(xiàn)象，低頻體主要描述大斷裂的信息;高頻體則突出反映受大斷裂控制的小斷裂的信息。因此，我們將相干算法和小波變換兩種技術(shù)結(jié)合起來，使用小波函數(shù)對(duì)原始三維地震數(shù)據(jù)作小波變換，得到各自通道的不同分辨率的地震記錄，分別對(duì)具有不同分辨率的三維地震記錄體作C3相干算法。在計(jì)算過程中，通過對(duì)不同品質(zhì)的地震資料選取適當(dāng)?shù)男〔▍?shù)及相干處理參數(shù)，得到不同通道的相干體，對(duì)相干體提取切片得到不同通道的切片圖像。通過不同尺度的切片對(duì)比，在突出大斷裂的同時(shí)顯示小斷裂信息，提高解釋的精度，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常體的精細(xì)解釋，使不同層次地質(zhì)異常體都能清晰的展示出來。

小波變換公式5中，a為尺度參數(shù)，b為傳播參數(shù)(時(shí)間或空間值)。小波變換的分辨率隨尺度(縮放因子)a變化，即隨著尺度的變小，其時(shí)間分辨率變得越來越精細(xì)。

假設(shè)C3(b,a)是尺度因子為ai(i=0，…N-1，其中N為小波變換尺度數(shù))、采樣點(diǎn)為b處的分頻相干值。按C3相干運(yùn)算公式2，則尺度為ai的C3相干算法的實(shí)現(xiàn)可以寫成：

(7)

當(dāng)尺度因子ai變換時(shí)，小波變換實(shí)部即為一系列具有不同分辨率的地震記錄。

1.4 時(shí)頻三原色分析技術(shù)

對(duì)地震數(shù)據(jù)做分頻相干之后，不同頻帶的相干體可以反映不同尺度的斷層，為了將不同側(cè)面的斷層信息綜合顯示出來，使用時(shí)頻三原色技術(shù)將不同頻帶數(shù)據(jù)融合顯示。

原色是指不能通過其他顏色的混合調(diào)配而得到的“基本色”，將不同比例原色混合，可以產(chǎn)生出其他的新顏色。為了有效利用地震頻率信息，合理顯示每個(gè)樣點(diǎn)的優(yōu)勢頻率，使用紅、綠、藍(lán)三種原色，分別表示低、中、高分頻信息，然后按分頻能量比較結(jié)果做色彩疊加顯示。

RGB融合的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示，對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行小波分頻處理，得到低、中、高三個(gè)不同頻帶的信號(hào)后，將每個(gè)采樣點(diǎn)的三個(gè)分頻信號(hào)分別用紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)表示，最后紅、綠、藍(lán)三原色合成為該采樣點(diǎn)的顏色值，其基本原理可以表示成下式：

Cout(x,y,z)=C(IR(x,y,z),IG(x,y,z),IB(x,y,z))

(8)

這里Cout(x,y,z)是輸出數(shù)據(jù)體在點(diǎn)(x,y,z)賦予的顏色值；IR(x,y,z)、IG(x,y,z)和IB(x,y,z)分別是點(diǎn)(x,y,z)的像數(shù)值，分別用來控制紅、綠、藍(lán)的貢獻(xiàn)。

圖1 時(shí)頻三原色分析流程

2 方法步驟及參數(shù)選取

2.1 方法步驟

將地震數(shù)據(jù)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域，利用頻率域某些特定頻率范圍對(duì)不同地質(zhì)體有不同響應(yīng)的特性，可以識(shí)別出一些常規(guī)全頻帶數(shù)據(jù)難以表現(xiàn)的地質(zhì)細(xì)節(jié)信息。本文研究過程中，主要分為以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)分頻相干對(duì)復(fù)雜構(gòu)造的解釋。

(1)使用小波變換的方法將地震數(shù)據(jù)變換到頻率域，在地震有效頻帶范圍內(nèi)，生成一系列單頻地震數(shù)據(jù)體。通過對(duì)不同單頻體的比較，找到能對(duì)研究區(qū)斷裂進(jìn)行最清晰刻畫的一個(gè)單頻體，然后在這個(gè)單頻體上進(jìn)行斷裂的剖面解釋。

(2)對(duì)上述生成的一系列單頻體，使用第三代相干算法得到相應(yīng)的單頻相干數(shù)據(jù)體。針對(duì)某一特定目的層，分別提取上述一系列相干數(shù)據(jù)體的平面屬性，再和斷裂的剖面特征進(jìn)行對(duì)比分析，找到對(duì)斷裂特征刻畫較為準(zhǔn)確的一組單頻體，分析不同單頻平面屬性所對(duì)應(yīng)的不同尺度斷裂特征。

(3)使用RGB融合的方法將不同頻帶的單頻屬性融合得到更為精細(xì)、豐富的斷裂信息，然后在融合屬性上進(jìn)行斷裂的進(jìn)一步精細(xì)解釋。

2.2 參數(shù)的選取

相干數(shù)據(jù)體計(jì)算效果主要受參與相干計(jì)算的地震道數(shù)和選取的時(shí)窗大小兩個(gè)參數(shù)影響。比較大的斷層常產(chǎn)生多個(gè)相位的不連續(xù)，而小斷層、地層邊界引起的不連續(xù)一般較小，只涉及2～3個(gè)相位。適當(dāng)控制這兩個(gè)參數(shù)，可提高相干對(duì)地質(zhì)解釋的精度。

2.2.1 地震道數(shù)及空間組合方式

從斷層成像清晰度和隨機(jī)噪聲壓制程度看，參與相干計(jì)算的道數(shù)越多，平均效應(yīng)越大，對(duì)斷層的分辨率越低，這時(shí)突出的主要是大斷層；而相干道數(shù)少，平均效應(yīng)小，會(huì)提高對(duì)小斷層的分辨率，但同時(shí)可能會(huì)損失一定的信噪比。所以在計(jì)算地震相干性時(shí)要根據(jù)研究地質(zhì)目的的不同來選擇參與計(jì)算的相干道數(shù)。本次研究中重點(diǎn)是對(duì)小斷層的刻畫，最小的斷層平面展布只有100 m左右，而工區(qū)的道間距為20 m，因此，使用五道矩陣形式。使用該組合方式其一不會(huì)對(duì)信噪比造成大的損失，其二可以保證對(duì)研究區(qū)小斷層的刻畫精度。

2.2.2 相關(guān)時(shí)移和相干時(shí)窗的選擇分析

設(shè)置相關(guān)時(shí)移的目的是按層的走勢找到最大相關(guān)值，相關(guān)時(shí)移取決于工區(qū)的最大傾角。相干時(shí)窗大小的選擇，受地震數(shù)據(jù)體的最高頻率制約，一般由地震剖面上反射波視周期T決定，通常取T/2到3T/2。當(dāng)相干時(shí)窗大于3T/2時(shí)，由于視野較寬，可見多個(gè)同相軸，據(jù)此計(jì)算出的不相干數(shù)據(jù)帶可能反映的是波組的不連續(xù)性，均衡了許多細(xì)小的變化，不是反映斷層；當(dāng)相干時(shí)窗小于T/2時(shí)，因?yàn)橐曇罢?，看不到一個(gè)完整的波峰或波谷，據(jù)此計(jì)算出的不相干數(shù)據(jù)帶可能反映噪聲，而不只是反映小斷層。所以時(shí)窗過大或過小都會(huì)降低對(duì)斷層的分辨率。當(dāng)相干時(shí)窗接近于T，斷層和地層邊界成像效果最好。本研究區(qū)的地震記錄主頻大概為35 Hz，則其視周期T=1/35=0.028，因此，我們選取的相干時(shí)窗為28ms，這樣能得到較好的斷層成像效果。

3 應(yīng)用效果

本文的研究區(qū)域位于吉林省西北部，它是受伏龍泉斷裂控制的東斷西超箕狀斷陷。在該盆地的構(gòu)造演化過程中，先后經(jīng)歷了斷陷期同生斷層、坳陷期伸展斷層、褶皺期斷層和反轉(zhuǎn)斷層等構(gòu)造演化活動(dòng)，形成了大量褶皺和斷裂。斷裂在平面上多以辮狀或正逆相接組合形式出現(xiàn)，剖面上多為斷面直立、走滑構(gòu)造。由于在該區(qū)域存在大量的小斷裂，使用常規(guī)的有限頻帶地震數(shù)據(jù)很難對(duì)小斷裂進(jìn)行精細(xì)刻畫，且常規(guī)相干方法在平面上對(duì)小斷裂的識(shí)別效果較差，本文嘗試使用分頻相干技術(shù)解決這個(gè)問題。

根據(jù)研究區(qū)地震數(shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果(圖2)，其主頻為35 Hz，有效頻帶范圍為10～80 Hz。本文將地震數(shù)據(jù)分解成了20 Hz、40 HZ、60 Hz三個(gè)單頻體。圖3為原始全頻帶和三個(gè)不同單頻的地震剖面，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，不同單頻的數(shù)據(jù)能反映不同側(cè)面的地震數(shù)據(jù)信息。20 Hz單頻體反映的主要是大套的地層信息，一些小的地層細(xì)節(jié)被忽略了；60 Hz的單頻體視覺分辨率似乎比原始數(shù)據(jù)高一些，但對(duì)于斷層的識(shí)別精度并沒有得到明顯的改善，這是由于在過度提高頻率的同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致信噪比有所下降；40 Hz的單頻體明顯提高了對(duì)斷層的識(shí)別精度，圖中箭頭標(biāo)注的幾個(gè)相對(duì)較大的斷層斷點(diǎn)更準(zhǔn)確，右上角橢圓標(biāo)注的區(qū)域在原始剖面上是一片雜亂反射，基本上看不到斷裂的特征，而在40 Hz分頻體上，幾個(gè)小斷層展布特征非常明顯，這為我們解釋這種小斷裂提供了極大的幫助。

圖2 地震數(shù)據(jù)頻譜分析

上述3個(gè)單頻數(shù)據(jù)體，使用C3算法計(jì)算每一個(gè)單頻相干體。在地震層位解釋基礎(chǔ)上，針對(duì)主要研究目的層，分別提取各單頻相干體沿層切片，在三維范圍內(nèi)分頻帶分析研究區(qū)斷層。圖4為營城組頂面全頻帶相干切片及三個(gè)不同單頻的相干切片平面。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同頻帶的相干和常規(guī)相干所表現(xiàn)的斷層平面展布總體特征比較相似，但各自有不同細(xì)節(jié)特征。20 Hz單頻屬性展現(xiàn)的主要是一些較大的、延伸長度較長的斷層；40 Hz單頻屬性由于和原始地震數(shù)據(jù)主頻接近，二者較為相似，主要反映中等尺度的斷裂；60 Hz單頻屬性反映更豐富的斷裂發(fā)育特征，對(duì)較小尺度斷層的細(xì)節(jié)刻畫更清楚。

針對(duì)不同單頻相干屬性對(duì)斷層的多尺度分辨率特征，為了有效利用地震頻率信息，合理顯示每個(gè)樣點(diǎn)的優(yōu)勢頻率，用紅、綠、藍(lán)三種顏色，分別表示20 Hz、40 Hz、60 Hz的分頻相干信息，按分頻能量比較結(jié)果做色彩疊加顯示。

圖3 不同頻帶地震剖面

(a)全頻帶地震；(b)20Hz地震；(c)40Hz地震；(d)60Hz地震

圖4 全頻帶相干和單頻相干切片

(a)全頻帶數(shù)據(jù)相干；(b)20 Hz相干；(c)40 Hz相干；(d)60 Hz相干

圖5為使用RGB融合技術(shù)將不同單頻相干體融合之后的屬性平面圖，根據(jù)顏色合成原理：紅色+綠色=黃色，綠色+藍(lán)色=青色，紅色+藍(lán)色=品紅，紅色+綠色+藍(lán)色=白色，圖中黃色是低、中頻融合的結(jié)果，由于低頻反映是較為大尺度的信息，而本研究區(qū)斷裂普遍斷距不大，因此黃色分布范圍較為局限；品紅色是低、高頻融合的結(jié)果，它反映的即有斷距較大的早期斷層，又有后期次生的斷距較小的斷層；圖中青色是中、高頻融合的結(jié)果，反映的是斷距較小的、較晚期次的斷裂或者裂縫，刻畫的小斷層在常規(guī)相干屬性上幾乎看不到，說明較高頻帶分頻相干能顯著提高對(duì)小斷層的識(shí)別效果。總體上，不同頻帶相干屬性融合之后整合了各個(gè)單頻屬性對(duì)斷層刻畫的優(yōu)勢，反映的斷層數(shù)目更多、細(xì)節(jié)更豐富，此外，其不同顏色代表不同的地質(zhì)意義。圖6為在分頻融合相干屬性平面圖基礎(chǔ)上結(jié)合單頻剖面體所做的斷裂解釋，可以看到，斷層的解釋比較精細(xì)，并識(shí)別了一些在常規(guī)相干體上不能發(fā)現(xiàn)的小斷裂。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)該區(qū)小斷層的識(shí)別、重點(diǎn)區(qū)塊的精細(xì)構(gòu)造解釋起到了關(guān)鍵作用。

4 結(jié)論

研究探索了利用分頻相干技術(shù)對(duì)復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)進(jìn)行斷裂解釋的方法。結(jié)果表明，不同頻段相干體能刻畫不同尺度的斷層，將不同單頻體進(jìn)行RGB融合后的數(shù)據(jù)能提供更豐富的斷裂發(fā)育細(xì)節(jié)，且不同顏色能反映不同尺度、不同發(fā)育期次的斷層，使用該技術(shù)能識(shí)別一些原始有限帶寬數(shù)據(jù)難以發(fā)現(xiàn)的小尺度斷裂，且對(duì)斷層的細(xì)節(jié)刻畫更清楚、豐富。該系列分頻相干技術(shù)方法對(duì)復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的斷裂解釋有一定參考意義，也可以推廣應(yīng)用于碳酸鹽巖、非常規(guī)儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測中。

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(編輯 吳一華)

Discrete frequency coherency technology for interpreting complicated faults and its application

Han Lei1，Zhang Hong1，Wang Jinsong1，Zhu Jianfeng2，Wang Rui1

(1.OilExplorationandDevelopmentResearchInstituteofSINOPEC,Beijing100083,China;2.OilExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDongbeiOilfield,SINOPEC,Changchun130062,China)

Fulongquan Faulted Sag has complicated structures,in which faults were well developed.Due to the limits of seismic resolution,it is difficult to precisely describe smaller faults.To resolve this problem,it was proposed the discrete frequency coherency technology.Firstly,the seismic data were decomposed into a series of mono-frequency cubes,and the coherency of each mono-frequency cube was calculated.And then the mono-frequency cubes clearly describing faults were selected to interpret the fault section.Secondly,several plane coherent properties of mono-frequency were extracted from target intervals.And then using RGB fusion technology,various coherent properties of mono-frequency were combined to interpret the fault plane.Results showed that the discrete frequency coherency technology has a good application effect on interpreting complex structure faults.

discrete frequency coherency；RGB fusion;fault interpretation

2016-08-31；改回日期：2016-09-20。

韓磊(1984—)，工程師，現(xiàn)從事地震資料解釋與儲(chǔ)層預(yù)測研究工作。電話：15001322095，E-mail：hanlei.syky@sinopec.com。

國家科技重大專項(xiàng)“中西部地區(qū)碎屑巖領(lǐng)域勘探關(guān)鍵技術(shù)”(2016ZX05002-005)。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.04.004

TE122

A