◇勝利油田物探研究院油藏地球物理研究室 李進(jìn)

針對復(fù)雜斷塊低序級斷層識別難、斷裂系統(tǒng)刻畫難的問題，形成了以地震資料解釋性處理和復(fù)值模量相干螞蟻追蹤為核心的復(fù)雜斷塊斷裂系統(tǒng)精細(xì)描述技術(shù)。該技術(shù)首先通過高頻諧波補充地震資料高、低頻信息，提升低序級斷層上下盤對應(yīng)關(guān)系；進(jìn)一步基于非線性擴(kuò)散濾波增強斷面的清晰度；最后通過復(fù)值模量相干螞蟻追蹤提高斷層識別能力，實現(xiàn)低序級斷層的準(zhǔn)確刻畫。該技術(shù)在東辛油田營26塊通過提高分辨率處理和非線性擴(kuò)散濾波，提高地震資料主頻15Hz，實現(xiàn)8米斷距低序級斷層的識別，進(jìn)一步通過復(fù)值模量相干螞蟻最終實現(xiàn)6米斷距斷層的合理組合及刻畫。

1 引言

斷塊油藏是我國油田的主要油藏類型之一，其中勝利油田動用儲量、產(chǎn)量均占30%左右，是增儲上產(chǎn)的重要陣地。制約復(fù)雜斷塊油藏開發(fā)效果的重要因素為構(gòu)造落實難度大、低序級斷層識別、組合難等問題，尤其以東辛、臨盤等復(fù)雜斷塊區(qū)油藏最為典型。本文提出的地震資料解釋性處理技術(shù)（包括高頻諧波疊后提高分辨率技術(shù)、非線性擴(kuò)散濾波斷層增強技術(shù)）可有效改善地震資料品質(zhì)，提高地震資料低序級斷層識別能力，進(jìn)一步基于復(fù)值模量相干體的螞蟻追蹤技術(shù)，實現(xiàn)低序級斷層的刻畫與組合，為復(fù)雜斷塊油藏高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 高頻諧波提高分辨率技術(shù)

反褶積等疊后分辨率技術(shù)是國內(nèi)外學(xué)者常用的處理手段，受噪聲等諸多因素影響，這些算法只能在有效的頻帶內(nèi)將地震資料頻譜拓寬，兩側(cè)白噪聲中的地震信息無法有效恢復(fù)，對分辨率的提高能力有限。同時傳統(tǒng)褶積模型未考慮大地對地震波的吸收衰減作用，認(rèn)為地震子波在地下傳播過程中固定不變，影響提高分辨率結(jié)果的保真度。

針對以上問題，利用小波域信號極值恢復(fù)求取原始信號諧波的提高分辨率方法，利用諧波特性預(yù)測地震數(shù)據(jù)低頻、高頻部分，突破傳統(tǒng)褶積模型的限制，無需估算地震子波及假設(shè)地層反射系數(shù)稀疏條件。按照諧頻分析思路，對原始地震記錄應(yīng)用連續(xù)小波變換（CWT）時間序列分析，將地震信號分解到連續(xù)小波域，提取不同頻段地震子波的諧波信息，并將高頻諧波信息引入到原始地震記錄中，補償因地震波隨著深度加大而衰減的高頻部分，最終達(dá)到恢復(fù)地震資料高分辨率特征，實現(xiàn)地震資料高保真拓頻。

2.1 方法原理

諧波的基礎(chǔ)理論主要利用升頻掃描信號，此升頻信號為線性，該理論基于利（1995）、謝里夫（1970）等人。該信號可表示為以下表達(dá)式：

表達(dá)式中，sf為起始頻率，tf為終止頻率,if為瞬時頻率，ae為amplitude envelop，t(s)為掃描時間。相應(yīng)的各次諧波信號表達(dá)式為：

參考信號和一組同系列的諧波信號相互組合，可組成掃描諧波畸變信號，當(dāng)s(t)定義為參考信號，初始m的值為1。定義諧波畸變掃描信號（Harmonic distortion scanning signal簡稱HDSS）為：

從上式中可得出結(jié)論，時間域中是不可能將全部階次的諧波信號s(t) 和基波信號完全分開。但是上式中，某次諧波的的if（瞬時頻率）在一定頻率區(qū)間內(nèi)的變化可以表示為線性公式（該頻率區(qū)間為sf(m+1)≤f(t)≤tf（m+1））：

因而通過計算可以得出：

從上式中可以得出對于某一個瞬時頻率，若該瞬時頻率固定不變時，第N-1次諧波到達(dá)這個頻率的時間比第N次諧波到達(dá)所用時長要短，而基波需要更大的時長才可到達(dá)這個頻率。

地震資料野外采集，炮點激發(fā)的地震波，在地下巖石介質(zhì)中傳播時，地震波中高頻部分的信號更容易被大地吸收，所以相對于低頻部分的信號，其衰變的更快，隨著地震波傳播的時間增長，地震信號會呈現(xiàn)主頻逐漸變低、帶寬逐漸變窄的特點。

若將地震信號波轉(zhuǎn)化至連續(xù)小波域，則小尺度高頻部分的信號小波系數(shù)的能量，較低頻部分的信號會相對較弱。假設(shè)高分辨率的寬頻地震波信號，其振幅譜的能量為水平，通過連續(xù)小波域來補償?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|(zhì)傳播時而衰減的高頻部分信號。從而對地震資料的高頻部分進(jìn)行恢復(fù)。

以下為應(yīng)用連續(xù)小波變換擴(kuò)展單道地震資料頻寬步驟（圖1）。

圖1 諧波提頻流程示意

主要步驟如下：①對原始地震記錄開展連續(xù)小波變換，將地震信號從時間域變換到小波時頻域；②通過優(yōu)勢能量分析，確定地震信號優(yōu)勢時頻域信號；③計算優(yōu)勢信號對應(yīng)的小波域極值；④基于小波域極值信號構(gòu)建地震信號高頻及低頻拓展信號（分別用極值信號與“二分之一尺度小波”和“兩倍尺度小波”褶積，并做反小波變換）；⑤在時間域?qū)⒃嫉卣鹩涗浥c拓展的高低頻地震記錄進(jìn)行疊加，提高地震資料分辨率。

該方法相對于傳統(tǒng)的反褶積提高分辨率方法具有明顯的優(yōu)勢：①小波變換通過對小波進(jìn)行壓縮和時間移動來擬合地震記錄的時域變化，相比于傅里葉變換對地震信號的表征更準(zhǔn)確，該方法利用小波變換進(jìn)行能量的提取與分析，對于地震資料優(yōu)勢能量的獲取更精準(zhǔn)；②地震資料的高低頻信號信噪比較低，常規(guī)提高分辨率方法會進(jìn)一步放大地震資料的噪音信息，大幅降低地震資料信噪比，該方法以地震優(yōu)勢頻帶為基礎(chǔ)開展能量的擴(kuò)展，提高分辨率后地震資料信噪比更高；③該方法通過在低頻域和高頻域進(jìn)行能量補償，實現(xiàn)了地震資料能量的雙向拓展，既可以拓展低頻能量，實現(xiàn)大的地質(zhì)目標(biāo)的保真度刻畫，又可以提升高頻能量，提高地震資料對于小目標(biāo)的分辨能力。

2.2 工區(qū)應(yīng)用效果

圖2為營26井區(qū)諧波提頻前后地震剖面對比，整體上看諧波提頻后地震主頻由27Hz提高到39Hz，提頻前地震同相軸粘連，斷面模糊，斷距不明顯，提頻后同相軸在斷層處有明顯突變，斷面干脆。在黃色斷層位置，原始地震分辨率低、同相軸多為虛軸，難以準(zhǔn)確識別低序級斷層，拓頻后紅色邊框內(nèi)的地震同相軸變的連續(xù)，斷層識別度加強。

圖2 研究區(qū)諧波提頻前后地震剖面圖對比圖

通過提頻后，圖3拓頻前后地震剖面，地質(zhì)對比發(fā)現(xiàn)4-102井鉆遇8米低序級斷層，原始地震剖面中斷點難以識別（剖面中黃色標(biāo)記處），縱向延伸不明確，經(jīng)過提頻處理后，對小斷層縱向延伸長度識別能力增強，該低序級斷層剖面顯示明顯。

圖3 提頻前后地震剖面及井上斷點分析

如圖4所示，提高分辨率處理后空白反射軸增強，連續(xù)性更好，軸對應(yīng)關(guān)系更強。原始剖面由于分辨率較低，低序級斷層下盤同相軸確實，斷層描述難度大；提高分辨率處理后地震復(fù)波有效分離，上下盤對應(yīng)關(guān)系合理，實現(xiàn)10米斷層的有效識別。

圖4 研究區(qū)提頻前后地震剖面圖

3 非線性擴(kuò)散濾波斷層增強技術(shù)

非線性擴(kuò)散濾波以偏微分方程式為核心，能在剔除無效信號噪聲，又能有效的保正信號的邊緣和細(xì)節(jié)信息。針對疊后地震資料斷面不清晰、低序級斷層難以識別的問題，在非線性擴(kuò)散濾波理論研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)推導(dǎo)了基于擴(kuò)散張量的各向異性非線性擴(kuò)散方程，利用數(shù)據(jù)的擴(kuò)散張量來突出斷層信息，從三個方向進(jìn)行傾角約束構(gòu)造導(dǎo)向濾波。既濾除了剖面的背景及高頻噪聲，又突出了斷層、裂縫發(fā)育帶及其它不連續(xù)性邊界特征，從而提高地震剖面中不同級別斷層的視分辨率，突出斷層識別度。

3.1 方法原理

各向異性擴(kuò)散濾波的計算公式如下：

根據(jù)數(shù)學(xué)矩陣特征對該結(jié)構(gòu)張量矩陣開展數(shù)學(xué)分解：

目前，大多數(shù)黨員干部理想信念是堅定的，政治上是可靠的，但也有少數(shù)人對共產(chǎn)主義心存懷疑。他們不信馬列信“鬼神”，不信馬列信“迷信”，不信組織信“大師”。習(xí)近平總書記尖銳地指出，在一些黨員、干部包括高級干部中，理想信念不堅定，對黨不忠誠，他們出了問題首先是因為理想信念垮掉了?！袄硐胄拍顒訐u是最危險的動搖，理想信念滑坡是最危險的滑坡?！雹帱h員干部一旦理想信念產(chǎn)生動搖，精神支柱遲早會坍塌。因此，在思想建黨的過程中，首要任務(wù)就是解決廣大黨員干部的理想信念問題。抓住這一問題，就等于擰住了“總開關(guān)”，牽住了“牛鼻子”。

這兩個特征值所對應(yīng)的特征向量分別為：

為了增強擴(kuò)散濾波的強度，可以把擴(kuò)散張量的特征值設(shè)計為：

可以求得D的每個分量分別為：

將上式二維各向異性擴(kuò)散濾波推算至三維的構(gòu)造結(jié)構(gòu)張量及三維的各向異性擴(kuò)散濾波方程式：

這樣，三維結(jié)構(gòu)張量矩陣進(jìn)行矩陣特征分解為：

非線性擴(kuò)散濾波能避開連續(xù)性差的地質(zhì)邊界，對數(shù)據(jù)處理時，融入地層傾角作為約束，能有效的提升地震信號質(zhì)量，利用經(jīng)過處理后的地震資料進(jìn)行多種邊緣檢測體（如相干體、方差體、似然體等）計算時，有效突出斷層、河道砂體發(fā)育變化以及其他一些不連續(xù)性邊界特征。

3.2 工區(qū)應(yīng)用效果

以諧波拓頻數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開展非線性擴(kuò)散濾波斷層增強，圖5中（a）、（b）、（c）分別為原始地震剖面、諧波拓頻地震剖面和擴(kuò)散濾波斷層增強地震剖面。圖中可以看出，拓頻后的地震數(shù)據(jù)不僅增強了薄層的分辨率（圖5（b）中橢圓形圈），而且增強了斷層的斷點信息和不連續(xù)性邊界效果（圖5（b）中圓形圈）；非線性擴(kuò)散濾波后的地震數(shù)據(jù)消除了噪音的干擾，同時突出了斷層斷面和不連續(xù)性邊界信息（圖5（c）中圓形圈）。

圖5 工區(qū)地震剖面數(shù)據(jù)

4 復(fù)值模量相干體螞蟻追蹤技術(shù)

傳統(tǒng)螞蟻追蹤存在邊緣異常不突出、抗噪性較弱等問題，本文提出了“分頻+復(fù)值模量相干+多次迭代螞蟻追蹤”組合追蹤方法。首先通過地震信號多尺度分解得到分頻地震數(shù)據(jù)，利用構(gòu)造導(dǎo)向濾波突出構(gòu)造異常，進(jìn)一步研發(fā)局部復(fù)值模量相干體算法，多道運算提高了應(yīng)用相關(guān)系數(shù)屬性檢測信息邊緣異常的能力。以復(fù)值模量相干體結(jié)果作為螞蟻追蹤的初始條件，對多尺度分頻數(shù)據(jù)體進(jìn)行不同頻段的改進(jìn)型蟻群算法追蹤，多次迭代達(dá)到終止條件后，低頻螞蟻體保持了大斷層構(gòu)造走向，高頻螞蟻體突出了小斷層、小尺度裂縫，高、低頻聯(lián)合實現(xiàn)了大斷裂系統(tǒng)和低序級斷層的精細(xì)刻畫。

4.1 方法原理

螞蟻追蹤算法模仿自然界中螞蟻覓食的原理，能突顯地震資料的不連續(xù)性，可識別斷裂中的更多的細(xì)節(jié)，能準(zhǔn)確、客觀反映斷裂的發(fā)育情況。

基于地震信號數(shù)據(jù)中的高頻成分對低序級的小層斷層反應(yīng)更為敏感，基于頻譜分解開展螞蟻追蹤裂縫檢測能有效追蹤全頻帶地震信號數(shù)據(jù)中難以識別的小斷層，主要步驟見圖6。

圖6 基于頻譜分解的螞蟻追蹤檢測技術(shù)流程

首先對全頻帶地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行頻譜分解得到各個頻率區(qū)間的兩項地震數(shù)據(jù)體，即振幅譜數(shù)據(jù)體和相位譜地震數(shù)據(jù)體（圖7）。

圖7 Marr小波瞬時譜與分頻剖面

其次，將螞蟻體裂縫追蹤算法應(yīng)用于各個頻率的地震數(shù)據(jù)體，即可計算出離散頻率螞蟻數(shù)據(jù)體（圖8）。圖中可以看出不同頻率的螞蟻體能追蹤不同尺度斷層。低頻數(shù)據(jù)螞蟻體對大尺度斷裂發(fā)育響應(yīng)更為明顯，高頻螞蟻體對小尺度斷層響應(yīng)十分明顯，可以作為微小斷裂檢測識別的依據(jù)，重構(gòu)螞蟻體斷層檢測信息相對完整、平衡，可以作為微小斷裂解釋的參考。利用實鉆資料（巖心、薄片、地層傾角測井及成像測井等資料）反映的信息進(jìn)行對將螞蟻體識別出的斷裂進(jìn)行佐證，篩選出與各個尺度斷層識別效果最好的高、低頻數(shù)據(jù)體，并進(jìn)行疊加合并，重新構(gòu)建一個新的螞蟻體。

圖8 Marr小波分頻螞蟻體剖面

4.2 工區(qū)應(yīng)用效果

圖9 地層對比剖面圖

營26工區(qū)數(shù)據(jù)體經(jīng)過高頻諧波提頻及非線性擴(kuò)散濾波斷層增強的基礎(chǔ)上，在平面上將復(fù)值相干體螞蟻體與傳統(tǒng)相干螞蟻體算法進(jìn)行對比。圖10和圖11為營26井區(qū)原始數(shù)據(jù)相干螞蟻體與復(fù)值相干螞蟻體平面圖對比?？梢园l(fā)現(xiàn)復(fù)值相干螞蟻體等時切片對地層信息過濾效果較好，對各級別斷裂軌跡刻畫均更為直觀，對斷裂走向反映更清晰。利用工區(qū)內(nèi)實鉆測井資料進(jìn)行地層對比，發(fā)現(xiàn)3-192井鉆遇6米斷層，該斷層在復(fù)值相干螞蟻體平面圖清晰度更高。

圖10 傳統(tǒng)螞蟻體等時切片

圖11 復(fù)值相干螞蟻體 等時切片

5 結(jié)論與認(rèn)識

（1）諧波提頻后地震資料在剖面波組特征、構(gòu)造形態(tài)、信噪比保持不變基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)復(fù)波分離，低序級斷層上下盤對應(yīng)關(guān)系有效提升。

（2）非線性擴(kuò)散濾波以地震相干體為控制，提高了薄層邊界和不連續(xù)性斷點的識別能力，低序級斷層斷面得到有效凸顯。

（3）復(fù)值相干算法可有效突出地震資料同相軸的不連續(xù)性，結(jié)合螞蟻追蹤算法大幅提高低序級斷層的刻畫組合能力。

（4）本文提出的復(fù)雜斷塊描述方法實現(xiàn)東辛油田營26塊6米低序級斷層的識別和刻畫，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。