汪 杰,汪 銳

(1.東華理工大學 核工程與地球物理學院，江西 南昌330013;2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037;3.中國海洋石油有限公司 湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

?

基于方差相干體的斷層識別方法

汪 杰1,2,汪 銳3

(1.東華理工大學 核工程與地球物理學院，江西 南昌330013;2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037;3.中國海洋石油有限公司 湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

對斷層和斷裂帶的有效探測和識別是地震資料解釋中的重要環(huán)節(jié)。作為近些年興起的新技術，運用地震數(shù)據(jù)體提取出能反映多種構造信息的屬性體，在構造復雜區(qū)的構造沉積演化、斷裂系統(tǒng)組合研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。為了更加準確和有效地對斷層與裂縫進行識別，在相干和方差算法的基礎上，提出了方差相干體的概念。并以新疆某區(qū)塊實際資料為例，對比了方差和相干的多屬性融合技術與相干屬性體、方差屬性體相的應用效果。結果顯示：方差相干體技術能準確地反映地層構造形態(tài)和斷裂分布情況，對較大斷裂的識別有很好的效果；同時，對原始地震數(shù)據(jù)中的噪聲也具有很好的壓制作用。

地震屬性技術；方差相干體；斷層識別

1 引 言

斷層在油氣的運移過程中既可能起通道作用，也可能起封堵作用。隨著勘探向更深層次發(fā)展，輸導體系的定量研究已成為油氣成藏研究的重要組成部分，其中斷層作為三大輸導體系之一，解釋上存在一定的難度。常規(guī)的斷層解釋方法周期長，難度大，主觀性強，很大程度上依賴于解釋人員的經(jīng)驗和有關地質(zhì)知識的先驗信息。然而，實際解釋中面臨的斷層系統(tǒng)越來越復雜，特別是復雜斷裂系統(tǒng)的平面組合，難度更甚[1,2]。以地震數(shù)據(jù)為基礎，利用地震數(shù)據(jù)體內(nèi)部某些已知的與斷層存在有關的特征信息對斷層進行識別，不僅實現(xiàn)了斷層解釋的半自動化和程序化，而且提高了斷層解釋的精度與效率。

近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展和三維地震勘探技術的廣泛應用，地震屬性技術得到了突飛猛進的發(fā)展，并逐步發(fā)展成為了現(xiàn)代三維地震資料解釋的重要組成部分[3]。許多學者成功地從三維地震數(shù)據(jù)中提取了許多突出斷層信息的不連續(xù)屬性體。如相干體屬性技術、方差體屬性技術、傾角方位角屬性技術和邊緣增強屬性技術等[4-9]。其中相干體、方差體屬性分析技術的提出使得面向巖性的不連續(xù)邊界分析技術提高到了一個嶄新的水平，在斷層的識別中發(fā)揮著重要作用[10]。

斷層附近巖性的變化或不連續(xù)會造成地震響應突變異常，進而造成相干體技術與方差體技術在計算結果上產(chǎn)生差異。利用這些差異就能很好地進行斷層解釋。方差相干體利用相干體和方差體的組合，在相干體的基礎上做方差計算，定量突出相干體中的低相干區(qū)域。本文以新疆某地區(qū)奧陶系地層數(shù)據(jù)為例，比較了方差相干技術與相干技術、方差技術在剖面和切片上的特征，總結了其顯示規(guī)律和特征，探究了該方法在斷層識別中的優(yōu)勢。

2 方差相干體原理與計算方法

相干體技術對連續(xù)均勻地質(zhì)體的地震響應計算數(shù)值較大，而對地質(zhì)體不連續(xù)處的地震響應計算數(shù)值較小?；诖颂攸c，相干算法在尋找地下斷層帶和巖性突變帶具有很好的效果。方差體技術的思想來源于概率中的方差分析，它通過計算滑動窗口內(nèi)地震道各個采樣點與平均值之差得到方差體, 從而突出由地質(zhì)體性質(zhì)的不連續(xù)性或異常性引起的地震反射的異常。方差相干體是一種將方差和相干結合起來的新算法，具體計算是先將地震數(shù)據(jù)體進行相干計算，然后將得到的相干體進行方差計算，從而得到方差相干體。

根據(jù)相干體的C3算法[11,12]，在三維數(shù)據(jù)體中，在分析時間t(單位：ms)的±K的垂直視窗內(nèi)，在由時間t的視傾角p和q(單位：°)決定的平面上，通過數(shù)據(jù)樣點插值，生成的每一個樣點矢量組成一個新的數(shù)據(jù)矩陣的行和列。進行自相關和互相關，可生成協(xié)方差矩陣C[13]。此時，協(xié)方差矩陣的元素Cij可表示為：

(1)

由于該協(xié)方差矩陣是對稱的半正定矩陣，當原始數(shù)據(jù)矩陣元素不全為零時，可以計算出它們的J個非負特征值。可得C3算法的相干值：

(2)

然后將得到的相干數(shù)據(jù)體代入方差算法[14,15]中計算：

(3)

(4)

(5)

這樣就由原始數(shù)據(jù)得到了方差相干數(shù)據(jù)體。

3 實際資料應用與效果分析

本文采用的實際數(shù)據(jù)采集來自新疆某碳酸鹽巖地區(qū)，該地區(qū)奧陶統(tǒng)地層中發(fā)育大量斷層和裂縫，斷層基本以逆斷層為主，分布較為雜亂。在疊前時間偏移剖面中以同向軸錯斷的直立斷層為主，規(guī)模較小。利用人工對該區(qū)域進行構造解釋難度較大，且?guī)в泻軓姷闹饔^性。通過基于方差相干體斷層識別技術試圖快速有效地實現(xiàn)斷層的識別。與常規(guī)剖面解釋結果、方差體和相干體剖面對比分析，驗證了方差相干體技術的有效性和準確性。

3.1 斷層追蹤效果對比

圖1為原始地震剖面，該剖面上部整體以強振幅高連續(xù)平行～亞平行反射結構為主，發(fā)育少量斷層，斷點清晰，斷面可追蹤；中部主要以弱振幅平行或亞平行連續(xù)同向軸為主，反射能量較弱，與上部之間為大范圍的平行不整合面，發(fā)育有大量直立斷層，斷距較小。下方反射能量減弱，分辨率降低，但仍可見少許連續(xù)同向軸，中部連續(xù)性變差，且發(fā)育微小層間斷層。圖中紅色斷層為先驗地質(zhì)信息約束下主觀解釋的斷裂。

圖2為利用C3算法得到的相干體剖面?？梢钥闯稣w剖面的質(zhì)量較好，噪聲和其他雜亂反射的現(xiàn)象較少。圖中的高相干區(qū)域(黃色)與地震剖面中的強反射連續(xù)地層對應情況很好，重點關注的是相干剖面中的欠相干或者不相干區(qū)域(紅色與藍色)，它們與地震剖面上的斷層或者裂縫并不能很好地對應；圖3為經(jīng)過方差算法得到的方差體剖面，將其與地震剖面進行對比發(fā)現(xiàn)，在地震剖面上同向軸較為連續(xù)的強反射區(qū)域在方差剖面上顯示的結果為低值(黃色)，而中部斷層較為發(fā)育的層段，方差剖面上多為藍色點狀或條狀顯示。對比圖2與圖3不難發(fā)現(xiàn)，相干體剖面上顯示的雜亂反射點明顯少于方差體剖面。盡管相干算法對噪聲的壓制強于方差算法，但是方差技術與相干技術在斷層的識別效果上的差異不是很大。剖面中斷層和巖石破碎帶主要沿同相軸分布，與原始剖面中的直立斷層分布規(guī)律并不能很好地對應。

圖1 原始地震剖面Fig.1 Original seismic section (inline)

圖2 相干體剖面Fig.2 Section of coherency cubes attribute

圖4是為方差相干體剖面，即在先做了相干計算之后，在相干的基礎上再做方差，對地震波的平均效應較強。剖面整體顯示為高值，只有在相干結果上出現(xiàn)低值的地方會出現(xiàn)方差高值。剖面連續(xù)性較差，其連續(xù)性取決于相干體的連續(xù)性。這是由方差的算法所決定的，方差是通過計算該點與周圍相鄰地震道的時窗內(nèi)所有樣點平均主值之間的方差，然后再加權歸一化處理后獲得結果。所以方差計算對剖面的連續(xù)性影響不會太大。另外，方差相干剖面中對原始剖面中零散、雜亂的點有很好的過濾作用，對原始數(shù)據(jù)中的噪聲有很好的壓制作用。但同時也過濾了剖面的部分有用信息，造成對某些小斷層或大斷層細節(jié)刻劃的不足。

圖3 方差體剖面Fig.3 Section of variance cubes atribute

圖4 方差相干體剖面Fig.4 Section of variance-coherency cubes attribute cubes

3.2 斷層平面展布分析

圖5、圖6和圖7分別為相干體、方差體和方差相干體3 375ms的等時切片。從切片中都能看出：該區(qū)域發(fā)育大量北西向斷層及少量北東向斷層，斷層總體分布較雜亂，結構較為復雜，這與該區(qū)獲得地質(zhì)和鉆探的先驗信息相一致。按照斷層的分布規(guī)律可以將該區(qū)域的斷層分為A、B和C三個主要區(qū)域。其中，C區(qū)域的斷層發(fā)育程度較高；B區(qū)域相干程度較高，有少量小斷層發(fā)育，地層的連續(xù)性較高；A區(qū)域是介于B區(qū)域和C區(qū)域之間的區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)斷層有所發(fā)育，但程度不高，可見幾條較大的斷層。對比圖5、圖6和圖7，可發(fā)現(xiàn)：由于相干方差體算法的平均效應，切片中零散、雜亂的信號得到很好的壓制，同時也造成對小斷層細節(jié)刻劃得不足，但其對較大的斷裂和巖性差異區(qū)具有很好的突出效果。

圖5 3 375 ms相干體等時切片F(xiàn)ig.5 Time slice of coherency cubes attribute on 3 375 ms

圖6 3 375 ms方差體等時切片F(xiàn)ig.6 Time slice of variance cubes atribute on 3 375 ms

圖7 3 375 ms方差相干等時體切片F(xiàn)ig.7 Time slice of variance-coherency cubes atribute on 3 375 ms

4 結論與展望

本文在相干體和方差體計算的基礎上，提出了方差相干體的概念。運用實際地震數(shù)據(jù)計算，將其對斷層和裂縫的識別效果與原始數(shù)據(jù)剖面、相干體和方差體進行對比分析。得到以下認識：

1)方差相干體屬性技術對斷層的識別結果與常規(guī)剖面解釋和地質(zhì)資料信息相符合，能準確地反映地層構造形態(tài)和斷裂分布情況。

2)方差相干體屬性技術的應用效果較相干體或者方差體來說，對細節(jié)的保留較差。盡管對那些較為細小斷層的細節(jié)顯示不清晰。但方差相干體對差異較大的破碎區(qū)域和斷層具有很好的突出效果。

3)方差相干體的計算結果對噪聲引起的異常具有很好的濾波效果。相比于常規(guī)的相干體或者方差體，剖面上由于噪聲引起的雜亂現(xiàn)象較弱，從而突出了剖面中差異區(qū)域。

4)方差相干體的計算過程具有較強平均效應，這是方差和相干算法的本身性質(zhì)所決定的。所以方差相干體剖面對部分有用信息的過濾后，可能會造成微小斷層和裂縫信息的保留存在不足。尋找某些對細節(jié)保留較好的多種屬性體融合的計算技術將會對微小斷層和裂縫細節(jié)的刻劃更加真實和精確。

[1]嚴哲,顧漢明,蔡成國,等.利用方向約束蟻群算法識別斷層[J].石油地球物理勘探,2011,46(4):614-620.

[2]路遠,朱仕軍,朱鵬宇,等.利用信噪比差異體改進斷層自動識別方法[J].地球物理學進展,2014,29(1):155-158.

[3]王開燕,徐清彥,張桂芳,等.地震屬性分析技術綜述[J].地球物理學進展,2013,28(2):815-823.

[4]Iske A, Randen T. Mathematical Methods and Modelling in Hydrocarbon Exploration and Production[M]. Heidelberg: Springer-Verlag, 2005: 207-211.

[5]Pepper R E F, Van Bemmel P P. Seismic signal processing and apparatus for generating a cube of variance values. U. S. Patent, 2008. EP2000917734[P].

[6]Randen T, Sonneland L, Carrillat A, et al. Preconditioning for optimal 3d stratigraphical and structural inversion[C]//65th EAGE Conference & Exhibition. Norway.2003.

[7]苑書金.地震相干體技術的研究綜述[J].勘探地球物理進展,2007,30(1):7-16.

[8]孫夕平,杜世通.相干體技術算法研究及其在地震資料解釋中的應用[J].石油大學學報(自然科學版),2003,27(2):32-40.

[9]王大偉,劉震,陳小宏,等.地震相干體技術的進展及其在油氣勘探中的應用[J].地質(zhì)科技情報,2005,24(2):71-76.

[10]段云卿,覃天,張聯(lián)盟,等.基于體屬性的地震相干技術[J].石油地球物理勘探,2006,41(4):442-446.

[11]張軍華,王月英,趙勇.C3相干體在斷層和裂縫識別中的應用[J]. 地震學報,2004,26(5):560-564.

[12]劉海燕.C3相干體算法的改進及其在斷層識別中的應用[D].長春:吉林大學,2013.

[13]邱慧.C3相干體算法的改進及在斷層解釋中的應用[D].西安:西安科技大學,2011.

[14]陳鳳云,杭遠,康建林.相干和方差數(shù)據(jù)體的計算研究及應用[J].物探與化探,2006,30(6):250-257.

[15]趙牧華,楊文強,崔輝霞.用方差技術識別小斷層及裂隙發(fā)育帶[J].物探化探計算技術,2006,28(30):216-218.

Fault Identification Method Based on Variance-coherence Cubes

Wang Jie1,2, Wang Rui3

(1.SchoolofNuclearEngineeringandGeophysics,EastChinaInstituteofTechnology,NanchangJiangxi330013,China; 2.InstituteofMineralResourcesChineseAcademyofGeologicalSciences,MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,Beijing100037,China; 3.ZhanjiangFiliale,CNOOCChinaLtd.,ZhanjiangGuangdong524057,China)

Detection and identification of faults and fractured belts are the most important issues in seismic data interpretation. As a new technique in recent years, the using of seismic attributes abstracted from seismic data which reflects many kinds of structural information plays a more and more important role in the structural interpretation. In order to identify the faults and fractures more accurately and effectively, the concept of the variance cohereny cube in the foundation of cohereny and variance algorithm is presented. By taking the actual data of an area in Xinjiang as an example and comparing the application effect with coherency cubes attribute and the variance cubes attribute, the results show that the variance coherency cube technique can accurately reflect the stratigraphic structure and the distribution of the fault. Although the details of small fault are not clear, the variance coherency cube technique can effectively identify the large fault. At the same time, this method has a good effect on the suppression of the noise.

seismic attribute technology; variance-coherency cube; fault identification

1672—7940(2016)01—0046—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.008

國家科技支撐計劃項目(編號：2011BAB04B01)；中國地質(zhì)調(diào)查項目(編號：12120114053301)

汪 杰(1989-)，男，碩士研究生，主要從事地震資料處理與解釋研究工作. E-mail: who_wangjie@163.com

P631.3

A

2015-09-18