劉慧楠，李婷婷，張幸興，杜岳峰

(1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 前 言

蘇德?tīng)柼赜吞镂挥趦?nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市新巴爾虎右旗貝爾蘇木(鄉(xiāng))境內(nèi)，構(gòu)造上位于海拉爾盆地貝爾湖坳陷貝爾凹陷蘇德?tīng)柼貥?gòu)造帶，該構(gòu)造帶位于貝西和貝中生油洼槽之間，呈北東向展布。蘇德?tīng)柼貥?gòu)造帶所處的貝爾凹陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，主要為早白堊世初期發(fā)生的北東向右旋張扭走滑—斷陷作用，早白堊世中后期盆地進(jìn)入快速沉降的坳陷式發(fā)育階段，晚白堊世盆地進(jìn)入坳陷式萎縮消亡發(fā)育階段[1]，這使得蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)的斷裂系統(tǒng)極為復(fù)雜。

眾所周知，斷裂構(gòu)造的發(fā)育情況既影響著油氣的運(yùn)移和成藏，又影響后期開(kāi)發(fā)的注采效果，所以能否搞清斷裂發(fā)育情況是直接影響油田勘探開(kāi)發(fā)的重要因素之一，也是油藏描述工作中的重點(diǎn)。但是利用常規(guī)地震解釋手段進(jìn)行地震解釋耗時(shí)較長(zhǎng)，解釋結(jié)果受人為因素影響很大。同時(shí)，常規(guī)地震解釋手段受地震資料分辨率的制約，對(duì)一些構(gòu)造規(guī)模較小的斷裂往往很難準(zhǔn)確的描述其空間展布。因此，可否有一種能夠又快又準(zhǔn)進(jìn)行斷裂解釋的方法，一直都是每一個(gè)石油勘探人員最為關(guān)心的問(wèn)題。而近年來(lái)出現(xiàn)的螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)，則為石油勘探人員提供了一種全新的斷裂解釋途徑。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)較之常規(guī)的人工地震解釋方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)能快速的了解區(qū)域內(nèi)斷層發(fā)育和平面展布，克服了解釋人員的主觀性，有效提高了斷層解釋精度，大幅縮減了人工解釋時(shí)間；第二，對(duì)于在地震剖面上肉眼難以識(shí)別的微小斷裂，螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)能在各項(xiàng)參數(shù)的控制下，自動(dòng)追蹤地震數(shù)據(jù)體中的不連續(xù)性信息，對(duì)微小斷裂的各項(xiàng)產(chǎn)狀和斷裂間的空間接觸關(guān)系進(jìn)行精細(xì)的描述。

1 技術(shù)原理

螞蟻算法最先是由意大利科學(xué)家Dorigo M等人于1991年提出的[2-3]，是一種基于模擬自然界中螞蟻覓食行為而提出的一基于種群的啟發(fā)式仿生進(jìn)化算法[4]。在此，我們引用Dorigo M的例子來(lái)說(shuō)明螞蟻算法的實(shí)現(xiàn)原理[2]。如圖1所示，假設(shè)有一群正要覓食的螞蟻的蟻穴在A處，而E處則是食物，螞蟻需要在A、E兩處之間往返，并留下信息素來(lái)影響接下來(lái)螞蟻對(duì)路徑的選擇。而在，覓食路徑之間有HC障礙物，螞蟻需選擇繞行C路線，或是選擇繞行H路線，但是BDH的路程是BCH路程的2倍。假設(shè)每隔一定時(shí)間Δt=1便有30只螞蟻從A出發(fā)，同時(shí)也有30螞蟻從E出發(fā)，每只螞蟻在沿途留下信息素1。當(dāng)t=0時(shí)，第1批開(kāi)始行動(dòng)的螞蟻到了B、D兩點(diǎn)開(kāi)始選擇行進(jìn)路線。此時(shí)無(wú)論哪一條路徑上的信息素都是0，由于螞蟻選擇路線是完全隨機(jī)的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律我們認(rèn)為，有15只螞蟻選擇了B路線，有15只螞蟻選擇了H路線。當(dāng)t=1時(shí)，選擇C路線的螞蟻已經(jīng)走完了自己的路程(從B出發(fā)的螞蟻經(jīng)由C走到了D，從D出發(fā)的螞蟻經(jīng)由C走到了B)，在整個(gè)BCD路線上的信息素濃度為30；而此時(shí)選擇H路線的螞蟻只走了一半(從B出發(fā)的螞蟻和從D出發(fā)的螞蟻都只走到了H)，除了H點(diǎn)外BHD路線上的信息素濃度為15。與此同時(shí)第2批覓食的螞蟻開(kāi)始選擇路線，此時(shí)H路線和C路線的信息素濃度比為1∶2，因此，此時(shí)只有10只螞蟻選擇了H路線，而20只螞蟻選擇了C路線。根據(jù)此原理，螞蟻選擇最優(yōu)路徑的幾率越來(lái)越大，而其他路徑被選擇的幾率則越來(lái)越小，直至廢棄。

圖1 螞蟻體算法原理

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)就是基于螞蟻算法來(lái)實(shí)現(xiàn)三維地震資料中斷裂系統(tǒng)自動(dòng)解釋的技術(shù)方法，又稱(chēng)斷裂系統(tǒng)自動(dòng)追蹤技術(shù)[5]。其原理是在地震數(shù)據(jù)體中設(shè)定大量的電子“螞蟻”，并讓每個(gè)“螞蟻”沿著可能的斷層面向前移動(dòng)，同時(shí)發(fā)出“信息素”。這種“信息素”會(huì)召集其他的“螞蟻”集中在該斷裂附近對(duì)其進(jìn)行追蹤，并完成該斷裂的追蹤識(shí)別。而對(duì)不可能是斷層的那些面將不做標(biāo)記或只做不太明顯的標(biāo)記。最終獲得一個(gè)低噪音、具有清晰斷裂痕跡的數(shù)據(jù)體[6-7]。

斯倫貝謝公司的Petrel軟件中的Ant-Tracking模塊就是基于螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)研發(fā)的。利用該模塊與其他模塊協(xié)同操作，即可完成對(duì)地震數(shù)據(jù)體的螞蟻?zhàn)粉櫣ぷ鳌Ｆ浠竟ぷ髁鞒倘缦拢?/p>

1)對(duì)原始地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行構(gòu)造平滑處理。這一操作目的是在進(jìn)行螞蟻體運(yùn)算之前對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，旨在利用中值濾波算法，減弱或消除地震數(shù)據(jù)隨機(jī)噪音干，增加反射軸的連續(xù)性，突出斷點(diǎn)反射。

2)在已經(jīng)對(duì)地震數(shù)據(jù)體做完構(gòu)造平滑處理的基礎(chǔ)上，計(jì)算方差體或相干體。此操作為的是在計(jì)算螞蟻體屬性之前對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對(duì)不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)，尋找邊界異常。

3)對(duì)螞蟻體屬性的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，優(yōu)選出適合研究區(qū)的參數(shù)設(shè)定，計(jì)算螞蟻體屬性。

4)以螞蟻體為依據(jù)，結(jié)合常規(guī)解釋手段，交互解釋?zhuān)_定斷裂發(fā)育集中區(qū)域及斷裂空間展布。

2 關(guān)鍵參數(shù)意義

1)螞蟻分布邊界(1～30)：定義螞蟻分布邊界即是定義初始的種子點(diǎn)數(shù)。這個(gè)參數(shù)決定了一個(gè)螞蟻在一次覓食中所能涉及到的范圍。顯然，邊界范圍越小地震數(shù)據(jù)體中螞蟻的分布就越多，種子點(diǎn)就越密集。但是種子點(diǎn)過(guò)于密集會(huì)影響運(yùn)算的速度，同時(shí)也會(huì)強(qiáng)調(diào)一些無(wú)關(guān)信息，降低信噪比。通過(guò)參數(shù)對(duì)比認(rèn)為，一般來(lái)說(shuō)設(shè)置在3～7之間比較合適。同時(shí)，如果某一區(qū)域內(nèi)的螞蟻沒(méi)有搜索到食物，該區(qū)域的斷層信息素就會(huì)逐漸消失，螞蟻就不會(huì)在此區(qū)域聚集[8]。

2)覓食路線的偏移度(0～3)：此參數(shù)用來(lái)限定螞蟻在覓食過(guò)程中覓食方向的范圍，每只螞蟻只能在15(°)搜索范圍內(nèi)搜索食物，搜到食物，釋放信息素，繼續(xù)搜索。同時(shí)，如果食物所在的位置超出該螞蟻的搜尋范圍，但在設(shè)置的偏移度(0～3)允許范圍之內(nèi)，那么認(rèn)為這追蹤結(jié)果也是合法的，否則這個(gè)螞蟻就不能追蹤這個(gè)食物。對(duì)于實(shí)際情況允許的偏移度越大，螞蟻對(duì)斷裂的追蹤就越密集、連續(xù)。

3)螞蟻搜索的步長(zhǎng)(2～10)：此參數(shù)代表螞蟻在搜索食物時(shí)，一次能夠搜索的最大范圍(幾個(gè)地震網(wǎng)格)。增加該值將使每只螞蟻搜索得更遠(yuǎn)，但會(huì)降低精度。

4)允許非法步數(shù)(0～3)：該參數(shù)為允許多少個(gè)螞蟻步長(zhǎng)內(nèi)搜索不到極大值。如果螞蟻向前搜索一步，但并沒(méi)有搜索到斷裂信息，那么記該步為一個(gè)非法步。若設(shè)置非法步數(shù)為0，那么該螞蟻的追蹤即刻種植；若設(shè)置的非法步數(shù)為1～3，那么螞蟻可以再預(yù)估位置上繼續(xù)前進(jìn)相應(yīng)步，若在允許的非法步數(shù)限制內(nèi)搜索到了食物，那么軟件將會(huì)記錄下有效位置和非法位置，斷裂追蹤有效；若螞蟻在允許的非法步數(shù)限制內(nèi)沒(méi)有搜索到食物，那么該螞蟻將被淘汰，不會(huì)繼續(xù)追蹤斷裂。 通過(guò)對(duì)參數(shù)的對(duì)比分析可知，允許的非法步數(shù)越大，螞蟻?zhàn)粉櫵茏R(shí)別的斷裂就越密集。此項(xiàng)參數(shù)要與必要合法步數(shù)配合使用。

5)必須合法步數(shù)(0～3)：該參數(shù)意義為每只螞蟻搜索路徑中必須包含的合法步數(shù)。設(shè)置必須合法步數(shù)控制搜索結(jié)果的非法間隙是否連接，該參數(shù)需與上述允許非法步數(shù)結(jié)合使用。若螞蟻連續(xù)追蹤到的合法步數(shù)小于所設(shè)定的必須合法步數(shù)，那么該斷裂追蹤會(huì)被視為無(wú)效的追蹤。對(duì)于該參數(shù)值，設(shè)定越小，螞蟻?zhàn)粉櫴莿e的斷裂就越連續(xù)。

6)終止條件(0～50%)：該參數(shù)為每只螞蟻在追蹤過(guò)程中允許非法步數(shù)占總步數(shù)的百分比。若非法步數(shù)占比高于終止條件是，則該螞蟻停止追蹤。對(duì)于該參數(shù)值，設(shè)定越大，螞蟻?zhàn)粉櫨驮矫芗?/p>

3 螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)在蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)的應(yīng)用

基于前期對(duì)蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)區(qū)域斷裂構(gòu)造的研究，認(rèn)為研究區(qū)受早白堊早期區(qū)域北西—南東向拉伸作用影響，在目的層興安嶺油層組主要發(fā)育北東向斷裂，并且斷裂傾角主要分布在30(°)～80(°)之間(見(jiàn)圖2)。

圖2 蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)

通過(guò)利用產(chǎn)狀控制玫瑰花圖對(duì)產(chǎn)狀控制，濾掉北西—南東方向上的斷裂，并濾掉北東—南西向上小于30(°)傾角的斷裂。經(jīng)產(chǎn)狀控制后，能在極大程度上壓制具有低傾角特性的層位對(duì)螞蟻體屬性的影響。同時(shí)需注意，地震道的Inline線方向與正北方向大約成39(°)，故在控制斷裂產(chǎn)狀是，選擇保留走向在320(°)～50(°)和140(°)～230(°)之間且傾角大于30(°)的斷裂。如圖3所示，陰影部分為被過(guò)濾掉的斷裂產(chǎn)狀。通過(guò)反復(fù)的參數(shù)試驗(yàn)，確定適用于蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)的參數(shù)設(shè)置分別為：①螞蟻分布邊界為5；②覓食路線偏移度為2；③螞蟻搜索步長(zhǎng)為3；④允許非法步數(shù)為1；⑤必須合法步數(shù)為3；⑥終止條件為10。

圖3 螞蟻體產(chǎn)狀控制玫瑰花圖

由于蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)構(gòu)造復(fù)雜，地震剖面同相軸連續(xù)性極差，使得前期斷裂解釋存在著極大的難度，這也導(dǎo)致部分區(qū)域的斷層解釋并不十分確定。本次研究過(guò)程中，在觀察1 464 ms左右的螞蟻體時(shí)間切片時(shí)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)間深度基本位于興安嶺I油組(XI)的頂面。如圖4虛框所示位置，螞蟻體表征斷裂痕跡明顯，并且與XI層早期構(gòu)造解釋的斷層組合不同。

(a)1 464 ms螞蟻體屬性切片；(b)修改前XI油組頂層斷層Polygon與屬性切片疊合圖

圖4 螞蟻體屬性切片

為驗(yàn)證螞蟻體切片指示的新的斷層組合是否正確，如圖5所示，仔細(xì)研判連續(xù)多個(gè)地震剖面，尋找此斷裂是否存在?？梢栽诘卣鹌拭?見(jiàn)圖6)上看出，在螞蟻體屬性指出的位置，地震同相軸確實(shí)出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)動(dòng)，認(rèn)為螞蟻體追蹤出來(lái)的斷裂構(gòu)造真實(shí)存在。

圖5 原始斷層組合(細(xì)線)、擬修改斷層組合(粗線)及地震剖面平面位置

圖6 螞蟻體校正后地震剖面

根據(jù)螞蟻體屬性切片對(duì)斷層空間展布的指導(dǎo)，結(jié)合地震剖面交互解釋?zhuān)瓿闪藢?duì)蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)興安嶺I油組頂面構(gòu)造圖的局部修改，效果良好。

4 結(jié) 論

1)由于螞蟻體技術(shù)的原理是尋找地震體重的不連續(xù)信息，用來(lái)提取螞蟻體屬性的數(shù)據(jù)對(duì)于結(jié)果有很大的影響。因此，在提取螞蟻體屬性之前，必須對(duì)原始地震體進(jìn)行構(gòu)造平滑、計(jì)算方差體等處理。

2)在螞蟻體屬性參數(shù)的選擇過(guò)程中，需要依據(jù)實(shí)際情況，在“Passvie ants”(消極螞蟻)與“Aggressive ants”(積極螞蟻)兩種螞蟻參數(shù)間反復(fù)調(diào)試，進(jìn)而確定適用于研究區(qū)的螞蟻體參數(shù)。

3)在螞蟻體屬性提取過(guò)程中，需要利用產(chǎn)狀控制，來(lái)消除與區(qū)域應(yīng)力作用方向不一致的追蹤結(jié)果，同時(shí)消除低傾角的地震層位痕跡的影響。

4)實(shí)際研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于構(gòu)造變化劇烈，如蘇德?tīng)柼氐貐^(qū)很多區(qū)域?qū)游粌A角很大，甚至大于30(°)，地震資料主頻不高等原因的限制，可能會(huì)出現(xiàn)螞蟻體刻畫(huà)的小斷層或微裂縫與實(shí)際并不相符的情況。因此，在利用螞蟻體技術(shù)解釋斷裂構(gòu)造時(shí)，必須對(duì)照地震剖面進(jìn)行交互對(duì)比解釋?zhuān)岣呖煽啃浴?/p>

5)螞蟻體屬性在識(shí)別小斷層，指導(dǎo)斷層平面展布和空間組合上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。