謝清惠，蔣立偉，趙春段，王仲達，唐協(xié)華，羅瑀峰

(1.斯倫貝謝中國公司，北京 100015； 2.中國石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310023)

0 引言

目前，隨著油氣勘探的發(fā)展，斷層和裂縫預(yù)測技術(shù)也在不斷地革新，針對于大、中型尺度的斷層識別方法多且較為成熟，但小尺度的斷層和裂縫預(yù)測技術(shù)仍然是地球物理勘探領(lǐng)域的難點[1-2]。裂縫的地震預(yù)測技術(shù)包括疊前預(yù)測和疊后預(yù)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(yù)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(shù)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(yù)測，其中很多振幅類、頻率類和相位類的屬性已被廣泛應(yīng)用，而較為精細(xì)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，例如相干分析和螞蟻追蹤等邊界強化探測技術(shù)[3-5]。

對于中、小尺度的斷層和裂縫預(yù)測，常用到螞蟻追蹤技術(shù)。螞蟻追蹤技術(shù)是基于螞蟻算法的仿生物學(xué)技術(shù)，意大利學(xué)者Dorigo等提出螞蟻算法[6]，其根據(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)體中尋找裂縫痕跡，直到完成斷層的追蹤和識別[7-8]。這種追蹤技術(shù)能突出地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，強化斷裂特征的新屬性，提高斷裂預(yù)測精度,并充實地質(zhì)構(gòu)造細(xì)節(jié)[9-11]。目前該技術(shù)已經(jīng)集成到商業(yè)軟件Petrel中，得到了廣泛的應(yīng)用。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(zhì)直接影響到螞蟻追蹤屬性結(jié)果，包括地震資料的反射強度、連續(xù)性變化、反射界面輕微抬升等都會在螞蟻追蹤屬性中得到體現(xiàn)[12]。

研究區(qū)四川盆地外YS1井區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化，發(fā)育多旋回沉積。由于歷次構(gòu)造運動疊加，區(qū)內(nèi)斷裂復(fù)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(shù)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。針對研究區(qū)實際情況，利用常規(guī)的地震解釋方法，較難達到精細(xì)刻畫斷層的要求，也難以捋清斷裂期次和展布；故引進螞蟻追蹤技術(shù)，但若僅使用常規(guī)的螞蟻追蹤流程，存在對中、小裂縫預(yù)測精度不夠的問題。因此，急需研究一套適用于本區(qū)的高精度螞蟻追蹤流程，提高裂縫預(yù)測精度，捋清裂縫發(fā)育特征并查明井漏原因，為下一步井位部署提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文正是針對研究區(qū)的地質(zhì)特點，結(jié)合現(xiàn)有資料條件，圍繞如何提高裂縫預(yù)測精度進行探討，最終通過提高分辨率、降噪、增強連續(xù)性、突出斷層邊界、剔除假構(gòu)造等手段提高精度，并在實際應(yīng)用中取得良好效果。

1 方法流程簡介

常規(guī)螞蟻追蹤主要包括以下幾個步驟：

1)構(gòu)造平滑：對原始地震數(shù)據(jù)體進行構(gòu)造平滑、降低噪聲影響，增強地震有效反射的連續(xù)性；

2)不連續(xù)性檢測：對地震數(shù)據(jù)不連續(xù)點進行探測，并對這一不連續(xù)進行強化；

3)螞蟻追蹤參數(shù)設(shè)置：螞蟻追蹤的效果受控于螞蟻追蹤參數(shù)設(shè)置，主要有6個參數(shù)，包括初始螞蟻邊界、追蹤偏差、搜索步長、允許的非法步長、必須合法步長以及搜索中的門檻值等。

4)螞蟻追蹤：得到裂縫預(yù)測結(jié)果。

針對研究區(qū)面臨的問題，為了提高裂縫預(yù)測精度，依托Petrel軟件，筆者探索出一套適用于研究區(qū)的螞蟻追蹤技術(shù)流程(圖1)。首先，對資料進行構(gòu)造導(dǎo)向濾波，取代了常規(guī)螞蟻追蹤第一步中的構(gòu)造平滑，目的是提高信噪比，增強不連續(xù)性；第二步，分別進行了最大曲率、混沌體以及方差體屬性計算，對比并分析了3種地震屬性的不連續(xù)性識別能力，選擇最優(yōu)的不連續(xù)性探測方法；第三步，通過對比并優(yōu)選一套適用于研究區(qū)的螞蟻追蹤參數(shù)得到初始的螞蟻追蹤結(jié)果；與常規(guī)螞蟻追蹤對比，為了剔除虛假構(gòu)造，本文增加了第四步中的產(chǎn)狀控制下的螞蟻追蹤，并將不同走向的斷層分離開，便于下一步的構(gòu)造期次分析。

圖1 優(yōu)化的螞蟻追蹤流程Fig.1 Optimized ant tracking workflow

1.1 構(gòu)造導(dǎo)向濾波

構(gòu)造導(dǎo)向濾波技術(shù)是有效利用地質(zhì)目標(biāo)體的傾角和方位角信息提高屬性預(yù)測精確性和目標(biāo)探測能力的重要方法,其在提高地震數(shù)據(jù)體信噪比、保持原地震信號基本狀態(tài)不變的前提下,更加突出同相軸的不連續(xù)性,提供更強的斷層、裂縫影像效果,有助于微小斷層的識別[14-16]。圖2為研究區(qū)構(gòu)造導(dǎo)向濾波效果，二者對比可以看出,原始地震數(shù)據(jù)中的隨機噪聲得到壓制,地震同相軸更加連續(xù),虛線框內(nèi)的斷層邊界更加突出了。

a—原始地震剖面；b—構(gòu)造導(dǎo)向濾波之后的地震剖面a—original seismic profile；b—seismic profile after structure-oriented filtering圖2 YS1井區(qū)構(gòu)造導(dǎo)向濾波效果Fig.2 Structure-oriented filtering maps in YS1 area

1.2 不連續(xù)性檢測

在構(gòu)造導(dǎo)向濾波之后，斷層的分辨率和清晰度得到了一定的改善，但一些斷層依然存在邊界不清晰、連續(xù)性不強等問題，因此接下來將使用不連續(xù)性檢測技術(shù)來增強斷裂的連續(xù)性，以突出斷層邊界。目前常用的方法種類繁多，針對不同研究區(qū)的適用性不同，效果也是良莠不齊。其中，較為廣泛適用且效果較好的斷層邊界識別方法有方差體屬性、曲率屬性、混沌體屬性等。方差體技術(shù)是一種基于概率方差分析的地層不連續(xù)性檢測，其通過計算相鄰地震道之間的方差來表示各個地震道反射特征的差異，從而達到識別斷層的作用。早期的面曲率分析技術(shù)主要用于宏觀的斷裂描述和應(yīng)力場分析[17-18]，近期出來的最大正曲率和最小負(fù)曲率大幅提高了曲率研究精度，也常被用于裂縫預(yù)測中?；煦鐚傩詣t是通過對地震數(shù)據(jù)體中層間地震反射波傾角相似性計算，描述地層內(nèi)地震反射波的反射特征及反射結(jié)構(gòu)的連續(xù)性變化，可有效突出特殊地質(zhì)體的邊界,較好地刻畫特殊巖性體和小尺度斷層[19-20]。

圖3a、3b和3c分別為方差體、最大曲率以及混沌體的沿目的層切片。相比之下，方差體切片僅為較大尺度的NE向斷層；最大曲率屬性切片比方差體切片多了近SN向斷層；而混沌體切片對近SN向斷裂刻畫得更為清晰。經(jīng)過對比，認(rèn)為混沌體屬性能更有效地識別YS1井區(qū)的斷層邊界。

a—方差體切片；b—最大曲率切片；c—混沌體切片a—variance slice；b—max curvature slice；c—chaos slice圖3 YS1井區(qū)地震屬性沿層切片F(xiàn)ig.3 Seismic attributes slices in YS1 area

1.3 受參數(shù)控制的螞蟻追蹤

螞蟻追蹤的效果受控于螞蟻追蹤參數(shù)設(shè)置，主要有6個參數(shù)，各參數(shù)含義和特點見表1。在實際應(yīng)用中，若對各參數(shù)進行分別試驗、對比和優(yōu)選，可能會組合出成千上萬種參數(shù)組合結(jié)果，需要耗費大量的人力和時間。根據(jù)試驗對比和經(jīng)驗設(shè)置，Petrel軟件中已為解釋人員提供了兩種默認(rèn)的追蹤參數(shù)組合模式：Aggressive主動模式和Passive被動模式，具體參數(shù)設(shè)置見表1，二者的區(qū)別主要在于初始螞蟻邊界和搜索中的門檻值。主動模式的初始螞蟻邊界較小，而搜索中的門檻值較大，因此，主動螞蟻追蹤算法類似“勤勞的螞蟻”，更善于挖掘斷層，但由于其“主動性”較強,致使噪聲較清晰。被動模式的初始螞蟻邊界較大，而搜索中的門檻值較小，因此被動螞蟻追蹤算法即“懶惰的螞蟻”，其傾向于追蹤極強信號，放棄較弱信號，因此有助于壓制噪聲，體現(xiàn)大斷層趨勢，但是易導(dǎo)致局部不清晰的低級別小斷層呈斷續(xù)特征，進而破壞其連續(xù)性[12]。

表1 螞蟻追蹤方法的參數(shù)設(shè)置及含義

圖4a和4b分別為Aggressive主動螞蟻追蹤和Passive被動螞蟻追蹤結(jié)果的沿目的層切片。相比之下，被動螞蟻追蹤可以識別大、中型斷裂；而主動模式更善于追蹤中、小型裂縫，其沿層切片斷裂數(shù)量大增，甚至對于裂縫細(xì)節(jié)刻畫得更為清晰。因此選取Aggressive主動螞蟻追蹤算法為研究區(qū)裂縫預(yù)測的優(yōu)選方法。

a—被動螞蟻追蹤結(jié)果；b—主動螞蟻追蹤結(jié)果；c—產(chǎn)狀控制下的主動螞蟻追蹤結(jié)果a—passive ant tracking；b—aggressive ant tracking；c—occurrence-controlled aggressive ant tracking圖4 YS1井區(qū)螞蟻追蹤結(jié)果沿層切片F(xiàn)ig.4 Ant tracking slices in YS1 area

1.4 產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤

在優(yōu)選了螞蟻追蹤的最終參數(shù)組合之后，進行初步的螞蟻追蹤。此時的螞蟻追蹤結(jié)果搜索到了全方位的裂縫，而實際工區(qū)的斷裂發(fā)育并非在全方位都發(fā)育，因此往往存在虛假斷裂。產(chǎn)狀控制的螞蟻追蹤正是去掉虛假斷裂信息的手段。具體做法是：根據(jù)生成的地震屬性以及初始螞蟻結(jié)果，結(jié)合前人研究成果，統(tǒng)計出大斷層走向、傾向和傾角等產(chǎn)狀參數(shù)信息，得到裂縫發(fā)育空間展布形態(tài)，確定過濾原則。同時考慮層位痕跡一般為低傾角響應(yīng)，因此需濾去較小的傾角。實際開展螞蟻追蹤時，通過Petrel軟件內(nèi)的赤平投影圖來控制螞蟻追蹤的搜索方向(圖5)：將要過濾掉的斷裂傾角和方位選為灰色，則該部分?jǐn)嗔褜⒉粫晃浵佔粉櫧Y(jié)果記錄到；反之，白色部分則為螞蟻追蹤結(jié)果所追蹤和記錄的。

圖5 Petrel內(nèi)用于產(chǎn)狀控制的赤平投影Fig.5 Stereonet map using by occurrence controlled in Petrel

根據(jù)前人研究表明，研究區(qū)早期受到近SN向擠壓，主要形成NE向斷層；晚期受到NE向擠壓，主要形成近SN向斷層。從圖3的幾個地震屬性中可以看出，研究區(qū)發(fā)育有NE向和近SN向斷層，但初步的螞蟻追蹤結(jié)果存在其他走向的斷層(圖4b)，因此需要對此進行虛假構(gòu)造的剔除，提高裂縫預(yù)測精度。結(jié)合YS1井區(qū)實際地質(zhì)情況，設(shè)定參與計算的斷層傾角為45°～90°(區(qū)域內(nèi)發(fā)育走滑斷層，近乎垂直，選取最大傾角為90°)。對于方位角設(shè)置，僅將NE向和近SN向的斷裂留下參與計算。具體參數(shù)設(shè)置見如圖4c中的赤平投影圖，計算得到的沿層切片見如4c,與圖4b螞蟻追蹤切片相比，NW向斷裂被剔除，基本只保留了NE向和近SN向斷裂，更符合研究區(qū)斷裂發(fā)育的實際情況。但是，此時得到的結(jié)果是各時期斷裂全部交雜在一起。為了捋清各期次的斷裂發(fā)育特征和展布規(guī)律，可將兩個不同走向斷裂分離開，便于接下來的斷裂期次發(fā)育分析。圖6a為NE向斷裂為主的沿層切片，在YS1井區(qū)中南部發(fā)育幾條平行排列的大斷層，北部以短、小斷裂發(fā)育為主。圖6b為近SN向斷裂為主的沿層切片，發(fā)育中、小尺度裂縫為主，集中在YS1井區(qū)西北部。

圖6 YS1井區(qū)分走向螞蟻追蹤沿層切片F(xiàn)ig.6 Ant tracking slices with different trends in YS1 area

2 應(yīng)用效果

在地震解釋工作中，常用到方差體輔助斷層解釋，其雖然能反映整體大構(gòu)造趨勢，但不能反映中、小尺度構(gòu)造以及構(gòu)造內(nèi)部的復(fù)雜關(guān)系。圖7為基于方差體的斷層解釋多邊形，可識別到的斷層寥寥無幾(圖7a)。而在同一塊區(qū)域內(nèi)，基于螞蟻追蹤計算結(jié)果的斷層解釋則精細(xì)了許多，它不僅為原來方差體預(yù)測到的幾根斷層補充了細(xì)節(jié)(圖7內(nèi)的①、②、③、④號斷層)，而且預(yù)測到了許多方差體未識別到的斷層，幫助我們認(rèn)識到Y(jié)S1井區(qū)北部發(fā)育了因近SN向擠壓而形成的一系列平行排列的NE向斷層。

圖8為過YS1-3水平井段拉取的剖面，圖上可見水平井段上的螞蟻追蹤結(jié)果與泥漿漏失點對應(yīng)關(guān)系良好，說明了裂縫發(fā)育是泥漿漏失的主要原因，接下來的水平井部署應(yīng)避開裂縫發(fā)育帶。

a—與方差體的疊合圖；b—與螞蟻追蹤結(jié)果的疊合體a—overlapping map with variance；b—overlapping map with ant tracking圖7 YS1井區(qū)斷層解釋多邊形與地震屬性的疊合Fig.7 Overlapping maps of fault polygons with seismic attributes

3 結(jié)論

1)不同于常規(guī)的螞蟻追蹤流程，本文方法用構(gòu)造導(dǎo)向濾波取代了普通的構(gòu)造平滑，意在增強斷層不連續(xù)性。除此之外，還增加了產(chǎn)狀控制下的螞蟻追蹤，不僅從整體上對追蹤結(jié)果進行產(chǎn)狀控制、剔除虛假構(gòu)造，還將不同走向的斷層分離開進行計算。該方法尤其適用于發(fā)育多期次、多走向的復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)。

2)該方法通過降低噪聲、增強連續(xù)性、突出斷層邊界、剔除虛假構(gòu)造等方面提高裂縫預(yù)測精度，使得裂縫刻畫更加精細(xì)，斷層解釋更為準(zhǔn)確，并且定位了泥漿漏失的主要原因。這不僅為地震解釋提供參考，也能為構(gòu)造期次分析提供依據(jù)，還能為接下來的水平井部署提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，減小鉆井風(fēng)險。

3)螞蟻追蹤結(jié)果受控于螞蟻追蹤參數(shù)設(shè)置，但參數(shù)數(shù)量甚多，不同的解釋員進行不同的參數(shù)設(shè)置會產(chǎn)生成千上萬個結(jié)果，因此需謹(jǐn)慎選擇參數(shù)。軟件中常設(shè)置有主動螞蟻追蹤和被動追蹤兩種不同的參數(shù)組合模式，主動追蹤善于挖掘裂縫，大、小裂縫信息都豐富；被動模式善于追蹤較強信號，主要預(yù)測大斷層。主動追蹤適用于精細(xì)裂縫預(yù)測，被動追蹤可用于預(yù)測大斷層以輔助斷層解釋。