張介輝,謝清惠,張東濤,趙春段,姚秋昌,李清山

(1.中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司,浙江杭州310023;2.斯倫貝謝中國公司,北京100015)

目前,與油氣藏勘探開發(fā)生產(chǎn)相關的裂縫常被分為大尺度裂縫、中尺度裂縫及小尺度裂縫。大尺度斷裂發(fā)育帶延伸長度一般從幾百米到幾十千米甚至上百千米不等,通?？稍诘卣鹌拭嫔线M行人工解釋,常規(guī)的地震屬性(如振幅變化率、邊緣檢測、相干等屬性)均有不同程度的反映。中尺度裂縫常常由區(qū)域構造運動或褶皺、斷層作用產(chǎn)生,走向延伸長度為幾十米至上百米,通常需要利用邊界探測、螞蟻追蹤等技術來預測。小尺度裂縫一般由褶皺、斷層、沉積或成巖作用產(chǎn)生,走向延伸長度一般為幾米到幾十米,通常依靠巖心、成像測井和常規(guī)測井等資料識別。此外,疊前各向異性反演方法也可對小尺度裂縫進行定量預測[1-3]。因此,斷裂的地震預測技術可歸納為疊前預測和疊后預測兩大類,前者主要是利用快、慢橫波的差異或縱波的方位各向異性來預測裂縫的方位、發(fā)育程度甚至有效性,該方法要求有昂貴的三維地震采集和處理技術相配套,例如多波多分量地震采集與處理、高密度寬方位地震采集與處理等。后者主要利用疊后三維地震屬性對裂縫進行識別和預測,其中很多振幅類、頻率類和相位類的屬性已被廣泛應用,而較為精細的裂縫地震屬性分析則主要是圍繞地震反射波形的突變(不連續(xù)性)來開展,例如相干分析、曲率和螞蟻追蹤等邊界強化探測技術[3-5]。受采集環(huán)境和采集成本等因素的限制,地震數(shù)據(jù)多為窄方位角采集。而在窄方位角下無法實現(xiàn)橢圓擬合,難以展開基于分方位角的疊前裂縫預測。

螞蟻追蹤技術是基于螞蟻算法的仿生物學技術,意大利學者DORIGO等[6]提出螞蟻算法。該算法根據(jù)蟻群利用分泌物盡快找到食物源的原理,在地震數(shù)據(jù)體中發(fā)現(xiàn)裂縫痕跡,直到完成斷層的追蹤和識別[7-8]。這種追蹤技術能突出地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性,螞蟻追蹤體屬性是一種強化斷裂特征的新屬性,能提高斷裂預測精度,并刻畫地質構造細節(jié)[9-11]。螞蟻追蹤屬性對地震資料的變化非常敏感,因此地震資料品質直接影響到螞蟻追蹤屬性結果,包括地震資料的反射強度、連續(xù)性變化、反射同相軸輕微抬升等都會在螞蟻追蹤屬性中得到體現(xiàn)[12]。而傳統(tǒng)的螞蟻追蹤方法多基于疊后地震數(shù)據(jù),普遍存在分辨率低的問題。

研究區(qū)四川盆地Y1井區(qū)經(jīng)歷了多期構造演化,發(fā)育多旋回沉積。由于歷次構造運動疊加,區(qū)內斷裂復雜多樣,具有多期次、多尺度、多類型、多走向等特征[13]。目的層存在著可鉆性差、井壁穩(wěn)定性差、井漏、固井難度大等鉆、完井技術難點,在施工過程中頻繁發(fā)生井塌、井漏等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。利用常規(guī)疊后地震數(shù)據(jù)體進行螞蟻追蹤裂縫預測,不易實現(xiàn)精細描述中、小尺度裂縫的目標,造成對斷裂期次和展布規(guī)律認識不足。因此,急需尋求一種新的途徑進行精細裂縫預測并試圖查明井漏原因,為下一步井位部署提供數(shù)據(jù)基礎。

我們針對研究區(qū)的地質特點,結合現(xiàn)有資料條件,探索出一套優(yōu)化的螞蟻追蹤技術以提高裂縫預測精度,主要是通過提高分辨率、降噪、增強連續(xù)性、突出斷層邊界、剔除假構造等手段提高裂縫的預測精度。本文首先簡要闡述了理論依據(jù)和方法流程,然后針對研究區(qū)的具體資料介紹了實際的應用過程并分析了應用效果,認為該方法在實際應用中得到了較好的效果。

1 理論依據(jù)和方法簡介

1.1 入射角對地震分辨率的影響

地震分辨率分為垂向分辨率和水平分辨率,地震垂向分辨率是指要被分辨的地層的最小厚度。Rayleigh準則[14]認為,來自薄層頂、底界面反射波的λ/2(λ為波長)的波程差為垂向分辨率極限,相當于λ/4的薄層厚度。俞壽朋[15]指出分辨率隨炮檢距增大而降低,但是未考慮到目的層深度和分辨率的關系。李蒙等[16]認為入射角包含了炮檢距與深度的相對關系信息,是控制地震資料分辨率更核心的因素,其推導的地層厚度可近似簡化為:

(1)

式中:h為地層厚度;v為地層速度;f為頻率;θ為地震波入射角。由公式(1)可知,分辨極限地層厚度隨入射角增大而增大,即地層厚度的分辨率隨著入射角的增大而降低,具體來說,當入射角為零時,分辨率達到最大;當入射角接近90°時,地震信號無法分辨任何厚度的地層。另一方面,大入射角地震波傳播過程中經(jīng)歷了更長的路徑,導致其高頻成分經(jīng)歷了更多的衰減,進一步降低了其主頻與分辨率;而且,在疊前處理過程中大炮檢距地震反射信號會因動校正拉伸而發(fā)生畸變[17],進一步導致了地震資料分辨率降低。

1.2 產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤

基于疊后地震數(shù)據(jù)的常規(guī)螞蟻追蹤主要包括以下幾個步驟(圖1虛線框)。

1) 構造平滑:對原始疊后地震數(shù)據(jù)體進行構造平滑,降低噪聲影響,增強地震有效反射的連續(xù)性。

2) 邊界探測:對地震數(shù)據(jù)不連續(xù)點進行探測,并對這一不連續(xù)性進行強化。

3) 參數(shù)設置:主要包括6個參數(shù),參數(shù)含義和特點見表1。

4) 螞蟻追蹤:得到裂縫預測結果。

圖1 優(yōu)化的螞蟻追蹤流程

表1 螞蟻追蹤方法的參數(shù)設置以及含義

以上步驟得到的初始螞蟻追蹤結果是全方位的裂縫搜索結果,而實際的斷裂并非全方位都發(fā)育,往往存在虛假構造。產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤正是去掉虛假斷裂信息的手段,該算法在前述4個步驟的基礎上增加了產(chǎn)狀控制這一項,具體做法是:根據(jù)生成的地震屬性以及初始螞蟻追蹤結果,結合前人研究成果,統(tǒng)計出區(qū)內主要斷層的走向、傾向和傾角等產(chǎn)狀參數(shù)信息,確定過濾原則。同時考慮層位痕跡一般為低傾角響應,因此需濾去較小的傾角。實際開展螞蟻追蹤時,采用玫瑰花圖工具來控制螞蟻追蹤的搜索方向(圖2):將要過濾掉的斷裂傾角和方位選為灰色,則該部分斷裂將不會被螞蟻追蹤結果記錄;反之,白色部分則為螞蟻追蹤結果所追蹤和記錄。

1.3 優(yōu)化的螞蟻追蹤方法簡介

針對研究區(qū)面臨的問題,我們探索出一套優(yōu)化的螞蟻追蹤方法(圖1),該方法與常規(guī)螞蟻追蹤方法的主要區(qū)別在于以下幾方面。

圖2 用于產(chǎn)狀控制的玫瑰花圖(灰色部分為過濾掉的產(chǎn)狀參數(shù))

1) 基于疊前部分角道集疊加數(shù)據(jù):為提高螞蟻追蹤精度,將疊前部分角道集疊加數(shù)據(jù)作為螞蟻追蹤輸入數(shù)據(jù)。首先,對偏移后的疊前道集進行去噪、拉平和振幅均衡等預處理,然后,綜合考慮分辨率和信噪比等對疊前道集進行部分角道集疊加。

2) 輸入數(shù)據(jù)優(yōu)選:得到各部分角道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果之后,從地層切片、屬性剖面以及井震標定方面進行對比和優(yōu)選最終的道集疊加數(shù)據(jù)。

3) 產(chǎn)狀控制螞蟻追蹤:確定產(chǎn)狀過濾原則,進行產(chǎn)狀控制下的螞蟻追蹤計算。

2 實際應用及效果

2.1 常規(guī)地震屬性分析

通過多屬性提取和分析來確定研究區(qū)內大尺度斷層的發(fā)育特征,確立對區(qū)域斷裂發(fā)育特征的宏觀認識。研究中分別對微構造、方差、最小曲率、最大曲率、混沌體等多種屬性進行對比分析,認為方差屬性能更好地展示研究區(qū)的大尺度斷層。圖3為沿Y1井區(qū)目的層五峰組頂部提取的方差數(shù)據(jù)體切片,可以看出,Y1區(qū)塊發(fā)育的斷層以北西、北東和近南北向為主,較大規(guī)模的斷層集中在Y1井區(qū)的南部,但傳統(tǒng)的地震屬性對于中、小尺度裂縫的描述能力較為有限。

圖3 Y1井區(qū)方差數(shù)據(jù)體地震屬性沿層切片

圖4為疊后螞蟻追蹤屬性的沿層切片。相比于方差數(shù)據(jù)體屬性,疊后螞蟻追蹤結果可以得到更多小斷層及裂縫信息,斷裂組合特征更加明顯,但部分斷裂和斷裂組合依然缺失細節(jié),如:1號區(qū)域斷層存在似斷非斷的連接關系,無法判斷其是一條大規(guī)模斷層還是一系列小斷層組合;2號區(qū)域隱約看到平行排列的幾條斷層,但部分斷層信號很弱,斷層之間夾雜過多小裂縫信息,會引起解釋困擾。因此需要研究一套優(yōu)化的螞蟻追蹤方法來解決以上困擾。

圖4 Y1井區(qū)疊后螞蟻追蹤屬性沿層切片

2.2 優(yōu)選輸入地震數(shù)據(jù)

通過實驗對比,剔除低信噪比的0～3°道集,再綜合考慮遠角度的低分辨率,最終保留了4°～44°道集。為了分析不同部分角道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果的差別,基于均分原則,將疊前道集以8°為間隔,分別對4°～12°,12°～20°,20°～28°,28°～36°和36°～44°角道集進行疊加,得到5組不同的部分角道集疊加數(shù)據(jù)體。為了提高Y1井區(qū)內的小斷裂識別能力,采用Aggressive主動追蹤方法,設置螞蟻追蹤參數(shù)如下:初始螞蟻邊界為5,追蹤偏差為2,搜索步長為3,允許的非法步長為2,合法步長為2,搜索中的門檻值為10。在此基礎上,對各個數(shù)據(jù)體進行螞蟻追蹤計算,得到不同的螞蟻追蹤結果。通過沿層切片、屬性剖面以及井震對比,分析并優(yōu)選出最終的輸入數(shù)據(jù)。

首先,對比各組沿層切片上的螞蟻追蹤響應(圖5)可以直觀地看到,相對于疊后螞蟻追蹤屬性,基于疊前部分角道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果對裂縫預測的分辨率有了顯著的提高,如刻畫出了1號區(qū)域(位置見圖4)的雁列特征以及2號區(qū)域(位置見圖4)的平行構造,但各部分角道集疊加數(shù)據(jù)的追蹤結果得到的細節(jié)不盡相同。

圖5 基于疊前部分角道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤沿層切片a 12°～20°; b 4°～12°; c 20°～28°; d 28°～36°; e 36°～44°

1) 由圖5a可以看出,斷裂在平面上連續(xù)性好,刻畫斷裂精細。在1號區(qū)域(位置見圖4),12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)螞蟻追蹤結果刻畫出了幾個斷層首尾相接的細節(jié),表現(xiàn)出了井區(qū)內發(fā)育的雁列構造特征,而非一條大規(guī)模斷層;2號區(qū)域(位置見圖4)中清楚刻畫出若干平行排列斷層的展布形態(tài),且排除了小裂縫的干擾,體現(xiàn)出區(qū)域內的平行式構造組合特征(圖5a)。

2) 4°～12°和20°～28°這兩組道集疊加數(shù)據(jù)與12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)相鄰,基本斷裂組合特征與12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)相似。但是,與圖5a相比,在圖5b中,2號區(qū)域內存在較多雜亂無章的螞蟻干擾,信號差,平行構造中的斷層響應顯示不夠全面;在圖5c 中,1號區(qū)域內缺失首尾相接的細節(jié),2號區(qū)域內平行斷層延伸距離較圖5a 中的短,且響應較弱。

3) 在圖5d和圖5e中雖然依然能看到斷裂組合的輪廓,但與圖5a相比,整體上信號變弱許多,部分斷裂則沒有被預測出來。

為了測試基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤數(shù)據(jù)體的可靠度,將其與基于全疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果和方差數(shù)據(jù)體進行對比,并用井資料進行驗證。圖6為垂直于2號區(qū)域平行式斷裂組合截取的地震剖面和屬性剖面(剖面線位置見圖4,圖中紅線為目的層解釋層位)。圖6a為全疊加數(shù)據(jù)體地震剖面,在該剖面上肉眼可見多處地震反射軸扭動。圖6b 為基于全疊加數(shù)據(jù)體的螞蟻追蹤結果,圖6c為基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤剖面,可見,這兩個螞蟻追蹤結果不僅對5和6處較大扭動的斷層有理想的指示,對1、2和3處較小扭動的斷裂有響應;兩者相比,圖6c的斷裂線性化和連續(xù)性強得多,更能清晰刻畫斷裂展布。圖6d為基于全疊加數(shù)據(jù)的方差數(shù)據(jù)體剖面,可以看出,該剖面較難反映較小尺度的斷層。圖7為過Y1水平井段抽取的螞蟻追蹤屬性剖面,可見,螞蟻追蹤結果與泥漿漏失點對應關系良好,說明了裂縫發(fā)育是泥漿漏失主要原因,在水平井部署時應避開裂縫發(fā)育帶。

綜上所述,基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果不但能清晰刻畫出斷裂的組合特征,同時可以極大地提高小尺度斷裂的預測精度,因此可確定12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)為螞蟻追蹤輸入數(shù)據(jù)的最佳選擇。

2.3 產(chǎn)狀控制螞蟻追蹤

結合Y1井區(qū)實際地質情況,設定參與計算的斷層傾角為30°～90°(區(qū)域內發(fā)育走滑斷層,近乎垂直,選取最大傾角為90°)。對于方位角的設定,本次研究根據(jù)相關的地震屬性(圖3,圖4)以及初步的螞蟻追蹤結果(圖5)得到,斷層的主要走向有4個,分別是北西向(NW)、北東向(NE)、近東西向(EW)和近南北向(SN),因此在玫瑰花圖上方位角分別設置如下:①北西向斷層的方位角設置為290°～320°;②北東向斷層的方位角設置為35°～65°;③近南北向斷層的方位角設置為75°～105°;④近東西向斷層的方位角設置為345°～15°?；趦?yōu)選的12°～20°道集疊加數(shù)據(jù),利用主動追蹤方法,得到4個不同走向的螞蟻追蹤結果。

圖6 垂直于2號區(qū)域平行式斷裂組合截取的地震剖面和屬性剖面a 全疊加地震數(shù)據(jù)體地震剖面; b 基于全疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤剖面; c 基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤剖面; d 基于全疊加數(shù)據(jù)的方差數(shù)據(jù)體剖面

圖7 過Y1井水平井段的基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤屬性剖面

沿五峰組頂部切取沿層切片來展示不同走向的斷裂展布。圖8為基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)產(chǎn)狀控制螞蟻追蹤沿層切片,可見,通過產(chǎn)狀控制螞蟻追蹤,能夠更清楚地顯示出不同地質時期的斷裂發(fā)育特征和展布規(guī)律:①區(qū)內以北東走向斷層為主,且大多斷層規(guī)模較大,螞蟻追蹤響應強,如1號區(qū)域內平行排列的一組北東向斷層;②北西向斷層的螞蟻追蹤響應中等,偶見較大規(guī)模的斷層分布;③近東西向斷層以小尺度、弱響應為主,僅在2號區(qū)域發(fā)育有一組雁列斷層,其規(guī)模較大且螞蟻追蹤響應強;④近南北向發(fā)育的斷層稀少,規(guī)模較小,螞蟻追蹤響應較弱。

圖8 基于12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)的產(chǎn)狀控制螞蟻追蹤沿層切片a 北東走向斷層; b 北西走向斷層; c 近東西走向斷層; d 近南北走向斷層

3 結論

1) 與常規(guī)螞蟻追蹤方法不同,本文方法基于疊前部分角道集疊加數(shù)據(jù)進行產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤,極大提高了裂縫預測精度。本文方法尤其適用于構造多期次、多走向的地區(qū)。

2) 綜合考慮信噪比和分辨率因素,保留了中、小角度的4°～44°疊前道集,并進行5等分疊加進行螞蟻體追蹤計算。小角度4°～12°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果顯示信號雜亂,推測其因小角度道集信噪比低造成;而中角度20°～44°道集疊加數(shù)據(jù)的螞蟻追蹤結果顯示斷裂信號弱,是因為分辨率降低的原因。最終選取12°～20°道集疊加數(shù)據(jù)為最佳輸入數(shù)據(jù)。本次研究僅限于5等分的對比,可以進一步研究分析不同等分所帶來的裂縫預測能力上的差異。

3) 產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤可以剔除虛假構造,不僅能更加客觀地反映斷裂的真實發(fā)育情況,而且能更清楚地展示出不同地質時期斷裂發(fā)育的構造形態(tài),提高對斷裂發(fā)育特征和展布規(guī)律的認識,為后期斷裂發(fā)育期次分析提供數(shù)據(jù)支撐。

4) 進行產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤之前,關于具體分角度疊加參數(shù)、斷層傾角和方位角的選取和過濾需要十分謹慎,應結合已有的研究成果以及區(qū)域應力場等資料進行分析。