謝 瑋，畢臣臣，胡華鋒，馬永強(qiáng)，馬靈偉，姚 銘

(1.中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，南京 211103；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

在塔里木盆地北部地區(qū)，奧陶系碳酸鹽巖地層是重要的勘探層系。在構(gòu)造作用和溶蝕作用下，深大斷裂以及次級(jí)斷裂帶附近的碳酸鹽巖地層，會(huì)形成一定的溶洞和裂縫，為縫洞型油藏提供了重要的油氣儲(chǔ)集空間[1-2]。因此，深大斷裂具有控儲(chǔ)控藏的特征[3]。碳酸鹽巖地層中的縫洞具有形態(tài)多樣性、規(guī)模多尺度性和空間非規(guī)則性，從而使得縫洞體的地震響應(yīng)表現(xiàn)出復(fù)雜的繞射波特征[4]。

對(duì)于縫洞型油藏的地震識(shí)別，主要集中在斷裂、裂縫和溶洞的刻畫(huà)[5-6]。對(duì)于斷裂的識(shí)別，可以基于地層反射信息進(jìn)行相鄰道的相似性計(jì)算，例如相干體屬性、最大似然體屬性等[7]。由于裂縫和溶洞的尺度較小，其產(chǎn)生的弱能量繞射波被淹沒(méi)在強(qiáng)能量反射波中。因此，利用繞射波信息來(lái)識(shí)別裂縫和溶洞，需要將繞射波從強(qiáng)能量反射波中分離出來(lái)[8]。

對(duì)繞射波進(jìn)行分離，首先利用反射波與繞射波的差異，在全波場(chǎng)信息中壓制強(qiáng)能量的反射波，從而分離出裂縫和溶洞等縫洞體產(chǎn)生的繞射波場(chǎng)，然后再進(jìn)行繞射波的成像[9]。根據(jù)反射波和繞射波存在傳播角度的差異，Moser等[10]提出了反穩(wěn)相Kirchhoff偏移成像方法?；诜瓷洳ê屠@射波在傾角域共成像點(diǎn)道集上的差異，Landa等[11]實(shí)現(xiàn)了繞射波的分離。Zhu等[12]利用反射波與繞射波在局部成像矩陣中的差異，提出了基于局部成像矩陣的繞射波疊前偏移成像技術(shù)。朱生旺等[13]基于平面波分解方法，從疊前道集中分離出了繞射波信息。趙驚濤等[14]、徐德奎等[15]結(jié)合平面波破壞濾波與均值濾波，計(jì)算出波形、振幅穩(wěn)定的反射數(shù)據(jù)，然后由地震數(shù)據(jù)減去預(yù)測(cè)出的反射波，實(shí)現(xiàn)了繞射波的提取?，F(xiàn)利用基于平面波破壞濾波和均值濾波的繞射波分離方法，分別對(duì)塔里木盆地北部塔河地區(qū)和順北地區(qū)的實(shí)際地震資料進(jìn)行繞射波分離，然后結(jié)合相干體屬性、最大似然體屬性對(duì)溶洞、斷裂和裂縫進(jìn)行識(shí)別。

1 繞射波分離方法

1.1 平面波破壞濾波基本原理

平面波破壞濾波主要通過(guò)平面波的形式來(lái)分解地震數(shù)據(jù)[15]。局部平面波表示為

(1)

式(1)中：u(x,t)為波場(chǎng)函數(shù)，x為橫向坐標(biāo)，t為時(shí)間；p為連續(xù)時(shí)空域的局部?jī)A角。

對(duì)于離散采樣的地震記錄，可以將空間傾角定義為橫向坐標(biāo)與時(shí)間的函數(shù)，因此可以用函數(shù)來(lái)表示相鄰地震道之間的關(guān)系，對(duì)該函數(shù)進(jìn)行Z變換，即

(2)

V(p,Zx,Zt)U(Zx,Zt)≈0

(3)

式(3)中：V(p,Zx,Zt)為傾角p的函數(shù)。為了獲得地震數(shù)據(jù)的傾角p，采用高斯-牛頓線(xiàn)性迭代法來(lái)求取式(3)的最小二乘解，過(guò)程為

V′(p0)Δpu+V(p0)u≈0

(4)

式(4)中：p0為初始傾角；Δp為傾角增量；V′(p0)為濾波器算子V(p)對(duì)Δp的偏導(dǎo)數(shù)。

1.2 均值濾波與繞射波的提取

在碳酸鹽巖儲(chǔ)層當(dāng)中，大套地層分界面的地震反射特征穩(wěn)定且相關(guān)性較強(qiáng)，而縫洞體具有相關(guān)性較弱的反射特征。因此，沿傾角方向進(jìn)行均值濾波可以從地震數(shù)據(jù)中提取出平面波信息。均值濾波原理如下。

對(duì)于地震數(shù)據(jù)的第j道，求取該道及其兩側(cè)N道的平均值為

(5)

式(5)中：aj(i)、ak(i)分別為第j道和第k道的第i個(gè)樣值點(diǎn)；nt為采樣點(diǎn)數(shù)。利用式(5)對(duì)地震數(shù)據(jù)的每一道進(jìn)行處理，得到沿傾角體均值濾波之后的平面波信息。再?gòu)牡卣饠?shù)據(jù)中減去平面波信息，就可提取出繞射波信息。

2 裂縫和斷裂識(shí)別屬性

2.1 相干體屬性

相干體屬性是一種基于相鄰地震道之間波形相似性的屬性，通常用來(lái)表征地層的橫向非均勻性[16]?；诒菊鹘Y(jié)構(gòu)的相干體屬性，采用多道特征分解技術(shù)對(duì)多道地震協(xié)方差矩陣進(jìn)行分解，得到矩陣的特征值和特征向量。

對(duì)于給定的地震數(shù)據(jù)矩陣：

(6)

式(6)中：d為地震數(shù)據(jù)；j為分析時(shí)窗；N為采樣點(diǎn)數(shù)。式(6)的協(xié)方差矩陣C為

(7)

式(7)中：DT表示矩陣轉(zhuǎn)置?；诒菊鹘Y(jié)構(gòu)的相干值EC為

(8)

式(8)中：λj為特征值；λ1表示最大特征值；rank(C)為協(xié)方差矩陣C的秩。

2.2 最大似然體屬性

最大似然體屬性(likelihood)是一種基于地震相似性Semblance的斷裂增強(qiáng)屬性[7]。Semblance屬性反映了地震道之間反射特征的相似性，數(shù)值范圍為0～1，公式為

(9)

式(9)中：d為地震數(shù)據(jù)；(·)s表示構(gòu)造導(dǎo)向平滑；(·)f表示沿?cái)嗔炎呦蚝蛢A向的濾波，用于穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程。

為了凸顯斷裂的非相似性，Likelihood屬性對(duì)Semblance屬性的相似性進(jìn)行了放大，即

Likelihood=1-Semblance8

(10)

Likelihood屬性表示斷裂發(fā)育的可能性，數(shù)值范圍為0～1。斷裂發(fā)育的地方，相似性Semblance屬性變小，Likelihood屬性變大。

3 實(shí)際資料應(yīng)用

塔里木盆地北部中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖與上奧陶統(tǒng)碎屑巖之間物性差異較大，在地震剖面上表現(xiàn)為T(mén)74強(qiáng)反射界面[17]。中奧陶統(tǒng)內(nèi)幕儲(chǔ)層的溶洞、裂縫儲(chǔ)集體非均質(zhì)性較強(qiáng)，表現(xiàn)為繞射波特征。為此，利用平面波破壞濾波技術(shù)，從全波場(chǎng)數(shù)據(jù)中分離出繞射波，然后利用繞射波進(jìn)行斷裂和縫洞識(shí)別。

3.1 溶洞識(shí)別

選取塔河地區(qū)的實(shí)際資料進(jìn)行基于繞射波的溶洞識(shí)別試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。圖1(a)所示為塔河地區(qū)實(shí)際資料中基于全波場(chǎng)信息的成像結(jié)果。圖中黃色曲線(xiàn)為中奧陶統(tǒng)一間房組頂面T74層位，該層位下的縫洞體具有明顯的繞射波特征，并且弱信號(hào)繞射波被強(qiáng)能量反射波掩蓋。為此，進(jìn)行繞射波與反射波分離。圖1(b)、圖1(c)所示分別為反射波能量保留50%、25%的成像結(jié)果。圖1(d)所示為反射波完全分離之后的繞射波成像結(jié)果。從圖1可以看出，在有效壓制強(qiáng)能量反射波的同時(shí)，有效凸顯出了淹沒(méi)在反射波中的高分辨率繞射波。對(duì)比圖1(a)與圖1(d)可以看出，繞射波剖面能更好地反映溶洞發(fā)育情況，說(shuō)明了繞射波在溶洞刻畫(huà)上的優(yōu)勢(shì)。

圖1 塔河某測(cè)線(xiàn)地震剖面

3.2 裂縫和斷裂識(shí)別

選取順北地區(qū)的實(shí)際資料進(jìn)行基于繞射波的斷裂識(shí)別試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)所示為順北地區(qū)實(shí)際資料的全波場(chǎng)成像結(jié)果，圖中黃色曲線(xiàn)為中奧陶統(tǒng)一間房組頂面T74層位，可以看到T74層位以下雜亂異常反射。對(duì)圖2(a)所示的剖面進(jìn)行繞射波分離，結(jié)果如圖2(b)、圖2(c)所示。其中圖2(b)為反射波能量保留25%的成像結(jié)果，圖2(c)所示為反射波完全分離之后的繞射波成像結(jié)果。從圖2可以看出，T74以及深層5.2 s附近的強(qiáng)能量反射波被壓制后，凸顯出了高分辨率的繞射波。其中，圖2(a)全波場(chǎng)剖面的反射波連續(xù)性較好，主要斷層清晰可見(jiàn)，并且地下河道特征明顯；圖2(c)的繞射成像剖面橫向連續(xù)差，更多地反映細(xì)節(jié)信息；而圖2(b)保留部分反射波信息的繞射剖面能夠兼顧反射波的連續(xù)性和繞射波數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)性。

為了進(jìn)行斷裂的識(shí)別，對(duì)圖2所示的地震剖面提取相干屬性，并將相干屬性與對(duì)應(yīng)的地震剖面進(jìn)行疊合顯示，結(jié)果如圖3所示。圖3(a)中相干屬性能夠很好地反映大尺度斷裂和河道特征。而在圖3(b)、圖3(c)中，相干屬性剖面較為模糊，無(wú)法充分利用繞射波信息來(lái)清晰地反映斷裂特征。因此，相干屬性只起宏觀指導(dǎo)作用。

圖2 順北某測(cè)線(xiàn)地震剖面

圖3 地震剖面與相干體屬性

為了充分利用繞射波信息來(lái)清晰地反映斷裂特征，對(duì)圖2的地震剖面提取了最大似然屬性，結(jié)果如圖4所示。相比于模糊的相干屬性剖面，最大似然屬性剖面更加清晰、干脆。圖4(a)、圖4(b)中最大似然屬性即能夠很好地反映大尺度斷裂和河道特征，也能夠刻畫(huà)出T74層位以下的小斷裂和裂縫，圖4(c)中反映的是小斷裂和裂縫。

通過(guò)以上實(shí)際資料的應(yīng)用表明，繞射波信息能夠反映小尺度的斷裂、裂縫特征。在反射波控制宏觀格局前提下，提取的繞射波和對(duì)應(yīng)的最大似然屬性可以作為一種輔助資料，幫助地質(zhì)人員研究小尺度斷裂和裂縫。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)塔河地區(qū)的實(shí)際資料進(jìn)行繞射波分離，凸顯了淹沒(méi)在強(qiáng)能量反射波之中的高分辨率繞射波信息。繞射波剖面能夠更好地反映溶洞的發(fā)育情況，說(shuō)明了繞射波在溶洞刻畫(huà)方面的優(yōu)勢(shì)。

(2)順北地區(qū)實(shí)際資料的全波場(chǎng)剖面反射波連續(xù)性較好，主要斷層清晰可見(jiàn)，并且地下河道特征明顯；繞射波剖面橫向連續(xù)差，更多地反映細(xì)節(jié)信息；而保留部分反射波信息的繞射波剖面能夠兼顧反射波的連續(xù)性和繞射波數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)性。最大似然屬性能夠充分利用繞射波信息來(lái)清晰地反映小斷裂和裂縫特征。

(3)實(shí)際資料應(yīng)用表明，繞射波信息攜帶高分辨率地質(zhì)信息，能夠突出溶洞、小尺度斷裂和裂縫特征。在反射波控制宏觀格局前提下，提取的繞射波和對(duì)應(yīng)的最大似然屬性可以作為一種輔助資料，幫助地質(zhì)人員研究小尺度斷裂和裂縫。