陳國(guó)飛， 石穎， 楊會(huì)東， 宋寶權(quán)， 王維紅， 于波， 熊向東

1 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 大慶 163318 2 “陸相頁(yè)巖油氣成藏及高效開(kāi)發(fā)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大慶 163318 3 中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院， 大慶 163712

0 引言

油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入特高含水期后，斷層區(qū)是剩余油的重要富存部位.主要富集形式有：(1)距離大斷層周?chē)?50 m范圍內(nèi)條帶區(qū)域；(2)斷層內(nèi)部未斷失含油地層；(3)斷層控制形成的小型、微型構(gòu)造(韓大匡，2007).圍繞斷層區(qū)開(kāi)展剩余油挖潛，研究斷層刻畫(huà)和識(shí)別方法具有重要意義.目前，地震斷層識(shí)別技術(shù)向多屬性融合化、單一技術(shù)精準(zhǔn)化、井震結(jié)合智能化方向發(fā)展.

地震屬性融合方面，常規(guī)相干體、曲率體、RGB分頻、傾角-方位角體、螞蟻體和最大似然體等地震屬性(Neves et al.，2004；Chopra and Marfurt，2014；Yu，2014)，多解性強(qiáng)、不確定性大.而基于數(shù)學(xué)運(yùn)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和顏色空間等多屬性融合方法，將優(yōu)選的多個(gè)地震屬性融合，擴(kuò)展屬性維度信息，可有效提高斷層等復(fù)雜地質(zhì)體辨識(shí)能力(Liu and Marfurt，2007).近年來(lái)，地震多屬性優(yōu)化、融合等相關(guān)研究得以發(fā)展，有效解決了油田開(kāi)發(fā)中斷裂體系刻畫(huà)問(wèn)題(印興耀，2008；Torabi et al.，2017；Shi et al.，2018；Hussein et al.，2021).其中，Shi等(2018)將地震各向異性信息與多屬性融合技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)致密砂巖儲(chǔ)層斷裂識(shí)別；Hussein等(2021)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明：相比于傳統(tǒng)基于單一屬性的斷裂識(shí)別技術(shù)，基于多種地震屬性優(yōu)化和融合的斷裂刻畫(huà)技術(shù)識(shí)別斷層效果更佳.

單一技術(shù)精準(zhǔn)化方面，各類(lèi)屬性提取算法逐步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，如曲率體屬性提取方法不斷改進(jìn)、發(fā)展，以適應(yīng)不同品質(zhì)地震資料下的斷裂識(shí)別(Roberts，2001；Klein et al.，2008).印興耀等(2014)利用離心窗傾角掃描法獲取傾角信息，進(jìn)而提取曲率屬性，改善了斷裂識(shí)別效果.斷裂識(shí)別中常用的相干體技術(shù)從基于三道地震互相關(guān)計(jì)算的第一代相干算法(Bahorich and Farmer，1995)，發(fā)展到基于本征結(jié)構(gòu)分析、主元素分析的第三代相干算法(Marfurt et al.，1998，1999)，基于以上傳統(tǒng)算法又衍生出多種先進(jìn)相干算法(Lu et al.，2005；張廣智等，2011；蔡涵鵬等，2016；Wu，2017).在斷層識(shí)別技術(shù)方面，蟻群算法等仿生算法被認(rèn)為是最有效的斷裂識(shí)別方法之一(劉財(cái)?shù)龋?016；李婷婷等，2018；Acua-Uribe et al.，2021).

井震結(jié)合方面，聯(lián)合地震與測(cè)井信息的高效智能解釋是地震勘探技術(shù)未來(lái)重要的發(fā)展方向(張春賀等，2011).地震斷層解釋基于地震反射波同相軸錯(cuò)斷特征，可確定斷層在三維空間的分布形態(tài)；測(cè)井?dāng)鄬咏忉尰诘貙尤笔Ф_定斷點(diǎn)位置和斷距，其解釋成果是單井?dāng)帱c(diǎn)信息(李婷婷等，2018).目前，井震結(jié)合斷層解釋方法已在國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用中取得一定效果(Sha et al.，2015；Al-Gawas and Al-Shuhail，2017).此外，深度學(xué)習(xí)與人工智能正成為地球物理技術(shù)創(chuàng)新的大趨勢(shì)(Jia and Ma，2017；Cano et al.，2021；楊晶等，2022).面對(duì)海量斷層解釋和豐富井?dāng)帱c(diǎn)信息，基于深度學(xué)習(xí)的地震解釋技術(shù)打破了人類(lèi)大腦的局限性，減少了人工工作量.利用機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行地震屬性分析，減少了地震解釋的不確定性，推動(dòng)了定量解釋技術(shù)發(fā)展(Araya-Polo et al.，2017；Xiong et al.，2018；Cunha et al.，2020；劉宗杰等，2021)，但智能化地震解釋在地球物理領(lǐng)域仍有泛化性弱等缺陷，其實(shí)際應(yīng)用還有待突破.

上述方法在重建地下斷裂體系，準(zhǔn)確搭建三維構(gòu)造框架，指導(dǎo)斷層區(qū)剩余油挖潛起到了一定支撐作用.但此類(lèi)方法均是基于原始全頻帶地震數(shù)據(jù)提取的常規(guī)屬性，仍存在諸多問(wèn)題.例如大斷層平面延展、斷面歸位不準(zhǔn)，低級(jí)序斷層無(wú)法識(shí)別等.此外，實(shí)際科研及生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用原始全頻帶地震數(shù)據(jù)提取相干體等地震屬性，斷距小于3 m的低級(jí)序斷層和巖性邊界二者屬性特征相似.縱向上，此類(lèi)低級(jí)序斷層可以使上百米厚度地層發(fā)生位移，有兩個(gè)以上地震反射同相軸出現(xiàn)錯(cuò)斷、突變特征.當(dāng)?shù)卣鹳Y料縱向分辨率較高時(shí)，巖性邊界也會(huì)引起局部反射同相軸錯(cuò)斷、凸凹不平等特征.此問(wèn)題說(shuō)明了基于全頻帶地震數(shù)據(jù)斷層識(shí)別方法的不確定性.

為解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步挖掘地震資料識(shí)別斷層的潛力，開(kāi)展以下兩方面研究：其一，利用優(yōu)勢(shì)低頻單頻數(shù)據(jù)以增強(qiáng)小斷層反射特征，剔除巖性邊界響應(yīng)，這一低頻信息即為“優(yōu)勢(shì)”頻率；其二，以地震“子體”為屬性運(yùn)算單元，從優(yōu)勢(shì)頻率數(shù)據(jù)中獲取不同地震屬性進(jìn)行融合，最終達(dá)到去除構(gòu)造類(lèi)噪聲，實(shí)現(xiàn)精確斷層刻畫(huà)的目的.為此，基本框架如下：首先，介紹了頻譜分解技術(shù)及地震優(yōu)勢(shì)頻率的選取方法；其次，介紹了基于地震“子體”的相干、傾角和方位角三種屬性體計(jì)算方法，以及基于HIS(Hue-Intensity-Saturation)三屬性融合方法，得到用于斷層識(shí)別的綜合地震屬性體；再次，設(shè)計(jì)了斷層和巖性邊界地質(zhì)模型，并開(kāi)展地震正演模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)勢(shì)頻率可有效避免巖性邊界響應(yīng)特征對(duì)斷層識(shí)別的干擾，降低斷層識(shí)別的不確定性，從而說(shuō)明了此改進(jìn)斷層識(shí)別方法的正確性.經(jīng)過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終將提出的方法應(yīng)用于L油田開(kāi)展斷層識(shí)別，顯著提高了該油田斷層體系描述精度，有效指導(dǎo)斷層區(qū)剩余油挖潛.

1 優(yōu)勢(shì)頻率選取關(guān)鍵技術(shù)

全頻帶地震數(shù)據(jù)體中涵蓋了有效帶寬內(nèi)連續(xù)的單頻率數(shù)據(jù)信息，整體疊加使有效信息此消彼長(zhǎng)，削弱了地震數(shù)據(jù)的斷層識(shí)別能力，而優(yōu)勢(shì)頻率可有效解決此問(wèn)題.

1.1 地震數(shù)據(jù)分頻處理技術(shù)

頻譜分解可以產(chǎn)生具有單一頻率的系列振幅能量體，用于優(yōu)勢(shì)低頻選取.傳統(tǒng)的快速傅里葉變換、離散傅里葉變換、最大熵等頻譜分解技術(shù)均受時(shí)窗限制，分解得到的單頻數(shù)據(jù)頻譜存在較大失真，且垂向分辨率較低.

匹配追蹤算法可以在考慮地震層序響應(yīng)分布規(guī)律、克服時(shí)窗影響的同時(shí)，提高頻譜分解的穩(wěn)定性.此外，相比于傳統(tǒng)時(shí)間域分解方法，該方法在頻率域?qū)Φ卣鹦盘?hào)進(jìn)行匹配追蹤，可有效提高頻譜分解的計(jì)算精度和成像效果.基于匹配追蹤的頻譜分解方法首先建立基本函數(shù)庫(kù)，將信號(hào)從時(shí)、頻兩域分開(kāi)：

(1)

其中，h為基本函數(shù)庫(kù)；t為地震雙程走時(shí)；m為地震雙程走時(shí)離散化個(gè)數(shù)；lm為選取時(shí)窗長(zhǎng)度；τm為時(shí)窗移動(dòng)距離；ωm為采樣頻率.

基于基本函數(shù)庫(kù)，匹配追蹤算法可分為以下3個(gè)步驟：

(1)從基本函數(shù)庫(kù)中，選出與待分解信號(hào)之間內(nèi)積最大的函數(shù)h0(t)，將f(t)分解：

f(t)=〈f(t),h0(t)〉h0(t)+T1，

(2)

其中，h0(t)為首次匹配基本函數(shù)；T1為首次匹配后的殘余項(xiàng).

(2)對(duì)T1作類(lèi)似匹配，從基本函數(shù)庫(kù)中再次選出與T1之間內(nèi)積最大的函數(shù)h1(t)，同理把T1分解為：

T1=〈T1,h1(t)〉h1(t)+T2，

(3)

其中，h1(t)為二次匹配基本函數(shù)；T2為二次匹配后的殘余項(xiàng).

(3)重復(fù)步驟(2)對(duì)殘余部分不斷匹配，第n次匹配后有：

Tn-1=〈Tn-1,hn-1(t)〉hn-1(t)+Tn，

(4)

其中，n為匹配次數(shù)；hn-1(t)為第n次匹配基本函數(shù)；Tn為第n次匹配后的殘余項(xiàng).把n次匹配結(jié)果依次回代，得到分解公式：

(5)

其中，N為求取匹配殘余值總次數(shù).

基于上述方法對(duì)全頻帶地震信號(hào)進(jìn)行匹配追蹤分頻處理，使用迭代法不斷地尋找其匹配基本函數(shù)，當(dāng)殘余項(xiàng)降低到預(yù)定閾值便停止迭代，得到一系列離散的單頻數(shù)據(jù)體.

1.2 優(yōu)勢(shì)頻率選取

目標(biāo)地震數(shù)據(jù)分頻處理后，得到多套單頻數(shù)據(jù)體.對(duì)各單頻數(shù)據(jù)體分別制作含油層頂面高斯曲率體屬性切片，通過(guò)對(duì)比分析確定目標(biāo)地震數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)頻率.

采用3×3平面網(wǎng)格劃分法，將地震層位解釋獲得的三維構(gòu)造面劃分成若干個(gè)由9個(gè)點(diǎn)組成的小面元.每個(gè)小面元形成的局部空間曲面，利用二元二次方程將其擬合成二元三維趨勢(shì)面，表示為：

S(x,y)=a1x2+a2y2+a3xy+a4x+a5y+a6，

(6)

其中，S(x,y)為三維曲面的高程；a1、a2、a3、a4、a5、a6為待求系數(shù).

對(duì)于單獨(dú)3×3平面網(wǎng)格組成的趨勢(shì)面上，由一階、二階導(dǎo)數(shù)定義推導(dǎo)出公式(6)中的待定系數(shù)a1～a6，將a1～a4代入到高斯曲率公式(7)中，即得到單獨(dú)小面元的高斯曲率值：

(7)

三維構(gòu)造面分為若干個(gè)3×3小面元，三維地震數(shù)據(jù)體由構(gòu)造解釋層位控制可劃分為若干個(gè)面.基于以上逐級(jí)劃分方法，三維地震數(shù)據(jù)體被劃分為若干個(gè)3×3小面元組成的體，每個(gè)小面元均采用公式(7)計(jì)算高斯曲率值，即得到三維高斯曲率體屬性.計(jì)算各個(gè)單頻地震數(shù)據(jù)體相應(yīng)的高斯曲率體，沿地震解釋層位提取各套高斯曲率體切片.通過(guò)切片掃描方法，尋找斷層刻畫(huà)最清晰的單頻數(shù)據(jù)體，從而確定有利于識(shí)別斷層的優(yōu)勢(shì)頻率，用于制作后續(xù)的三屬性融合體.

2 基于優(yōu)勢(shì)頻帶的三屬性融合

將上述獲取的優(yōu)勢(shì)頻帶單頻數(shù)據(jù)作為輸入，以地震子體為運(yùn)算單元，分別制作相干、傾角和方位角屬性體，并基于HIS變換進(jìn)行融合顯示，從而精確實(shí)現(xiàn)斷層刻畫(huà).

2.1 地震子體定義

多數(shù)地質(zhì)目標(biāo)橫向上具有一定延續(xù)性，傳統(tǒng)地震屬性計(jì)算以單道為基礎(chǔ)，忽略了不同地震道之間橫向相關(guān)關(guān)系.以地震子體為對(duì)象進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)統(tǒng)計(jì)意義下地震屬性提取，運(yùn)算時(shí)可兼顧地質(zhì)體橫向連續(xù)性，能夠獲取更好反映地震波形內(nèi)涵的特征參數(shù).

任意選取三維地震數(shù)據(jù)中某一采樣點(diǎn)為中心，向相鄰道及上下擴(kuò)展，組成的小立方體稱為地震子體(圖1).地震子體橫向上包括3、5、7等奇數(shù)道，縱向上(時(shí)間)時(shí)窗長(zhǎng)度可根據(jù)地質(zhì)情況合理選取.子體大小由所選算子類(lèi)型和地質(zhì)任務(wù)決定，通常定義子體越小，計(jì)算速度越快，得出屬性體分辨率越高，但屬性計(jì)算結(jié)果的信噪比較低.因此，應(yīng)根據(jù)地震資料品質(zhì)合理定義時(shí)窗.對(duì)于高信噪比資料，可開(kāi)小時(shí)窗以達(dá)到最大分辨率；對(duì)于低信噪比資料，可適當(dāng)增大時(shí)窗；處理高傾角或近于垂直的斷層時(shí)，需增大垂向時(shí)窗.

圖1 地震子體定義Fig.1 The definition of seismic sub-volume

2.2 基于領(lǐng)域分析地震屬性計(jì)算

利用地震子體計(jì)算屬性前，需將地震子體賦予一定特征值，像素計(jì)算鄰域分析法可實(shí)現(xiàn)子體屬性賦值.已定義三維地震子體所包含的每一個(gè)地震采樣點(diǎn)為一個(gè)像素，鄰域分析計(jì)算是以待計(jì)算地震子體中心像素點(diǎn)，向其周?chē)鷶U(kuò)展到子體邊界范圍，基于這些擴(kuò)展像素特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，得到中心像素點(diǎn)屬性值，即地震子體屬性值.為提高地震數(shù)據(jù)保真度，采用鄰域均值方差積統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算地震子體屬性值.

地震子體中心點(diǎn)的鄰域均值方差積值Mμ σ(xm,ym,zm)，由其周?chē)蓸狱c(diǎn)按照公式(8)—(10)計(jì)算得到：

Mμ σ(xm,ym,zm)=μ(xm,ym,zm)σ2(xm,ym,zm)，

(8)

(9)

zm+n)-μ(xm,ym,zm)]2，

(10)

其中，m表示地震子體的三維鄰域空間半徑；μ(xm,ym,zm)表示三維窗口中所有元素的灰度均值；σ2(xm,ym,zm)表示三維窗口中所有元素的灰度方差；A(x,y,z)表示地震子體內(nèi)某采樣點(diǎn)振幅值.

通過(guò)鄰域分析計(jì)算得到每一個(gè)地震子體屬性值，形成新三維數(shù)據(jù)體.再以地震子體為運(yùn)算對(duì)象，分別提取得到相干、傾角和方位角屬性體.

2.3 基于HIS變換三屬性融合

為了進(jìn)一步提高斷層刻畫(huà)的清晰度，采用圖像處理領(lǐng)域的HIS變換圖像融合技術(shù)，將相干、傾角和方位角三種屬性體融合顯示.常規(guī)色彩顯示通常使用RGB表色系統(tǒng)，如相干體數(shù)據(jù)樣點(diǎn)屬性值用紅色色度表征、傾角體用綠色色度表征、方位角體用藍(lán)色色度表征，此種色彩模式僅能通過(guò)調(diào)整融合顏色的色度來(lái)體現(xiàn)圖像紋理特征.HIS是在彩色空間中用色度(Hue)、亮度(Intensity)和飽和度(Saturation)來(lái)表示的色彩模式，較之RGB色彩模式增加了亮度和飽和度兩個(gè)分量，可以提高融合圖像的空間分辨率，凸顯影像的地物紋理特性.將相干、傾角和方位角體經(jīng)過(guò)HIS融合，可以在融合結(jié)果中準(zhǔn)確刻畫(huà)主干斷層平面形態(tài)及相互間搭接關(guān)系，識(shí)別隱蔽、延伸短、斷距小的斷層.HIS模式融合顯示的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：按照HIS正變換將RGB信號(hào)暫時(shí)變換為假設(shè)的HIS表色系統(tǒng)，調(diào)整最佳亮度和飽和度后，再通過(guò)HIS反變換返回到RGB信號(hào)上進(jìn)行彩色顯示.

RGB顏色空間以三維笛卡爾坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，以R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)三個(gè)基色為坐標(biāo)軸形成的正方體顏色空間(圖2a)，空間坐標(biāo)原點(diǎn)o為三基色色度達(dá)到0時(shí)合成的白色調(diào)，坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)角線頂點(diǎn)o′為三基色色調(diào)達(dá)到1時(shí)合成的黑色，空間內(nèi)任何一點(diǎn)也是三基色按坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)色調(diào)合成的顏色.HIS顏色空間以圓柱坐標(biāo)系為基礎(chǔ)(圖2b)，亮度I沿著軸線從底部點(diǎn)n′黑色變到頂部點(diǎn)n白色，色度H由圓柱底面的角度表示(水平右邊0°為紅色、逆時(shí)針120°為綠色、240°為藍(lán)色，圓周覆蓋了所有可見(jiàn)光譜的彩色)，飽和度S是色度環(huán)的原點(diǎn)o到彩色點(diǎn)半徑的長(zhǎng)度(原點(diǎn)o飽和度為零，圓周上飽和度為1).RGB顏色空間變換到HIS顏色空間，首先是RGB顏色空間o點(diǎn)、o′點(diǎn)與HIS顏色空間的n點(diǎn)、n′點(diǎn)黑白色度對(duì)應(yīng)上；再將RGB空間中色度為1的紅色、綠色和藍(lán)色與HIS空間對(duì)應(yīng)上.整體顏色空間變換遵循公式(11)—(13)的變換矩陣方程和函數(shù)關(guān)系.

圖2 不同顏色空間顯示模式(a) RGB顏色空間模式； (b) HIS顏色空間模式.Fig.2 Spatial display mode of different colors(a) RGB mode； (b) HIS mode.

按照RGB彩色顯示的相干、傾角和方位角體空間中某點(diǎn)T(r,g,b)，到HIS彩色空間T(h,i,s)的正變換按公式(11)—(13)進(jìn)行：

(11)

H=arctan(v1/v2)，

(12)

(13)

其中，I、H、S分別表示HIS彩色空間的亮度、色度和飽和度；R、G、B分別表示RGB彩色空間的紅、綠、藍(lán)色度；v1、v2分別表示HIS彩色空間亮度和飽和度所建立的極坐標(biāo).

從HIS彩色空間返回到RGB彩色空間的反變換按公式(14)—(16)為：

(14)

v1=ScosH，

(15)

v2=SsinH.

(16)

3 理論模型驗(yàn)證

為證明優(yōu)勢(shì)頻帶可有效解決巖性邊界引起疑似斷層響應(yīng)不確定性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了疊置砂體模型與斷層模型，基于褶積模型合成地震記錄，并分析兩套模型不同頻率的地震響應(yīng).

3.1 斷層和巖性邊界地質(zhì)模型

為符合實(shí)際地質(zhì)情況、揭示普遍規(guī)律，本節(jié)制作了3 m斷距的斷層模型和3 m落差的砂體疊置模型，用以進(jìn)行優(yōu)勢(shì)頻帶測(cè)試.模型主體包括波阻抗均勻地層、地層分界面、斷點(diǎn)和巖性尖滅區(qū).3 m斷距斷層模型共斷開(kāi)砂巖組級(jí)地質(zhì)層位8個(gè)，斷面傾角60°(圖3a)；3 m落差砂體疊置模型為兩套不同期次的枝狀砂體切疊，具有典型的似斷層特征(圖3b).兩套對(duì)比模型深度和寬度由實(shí)際油藏剖面比例確定.按照表1所示的地層速度和密度信息，將圖3設(shè)計(jì)的地質(zhì)框架模型轉(zhuǎn)化為波阻抗地質(zhì)模型，用于后續(xù)合成地震記錄.

圖3 斷層和巖性邊界地質(zhì)模型(a) 3 m斷距斷層模型； (b) 3 m落差砂體疊置模型.Fig.3 Geological model about fault and lithologic boundary(a) The 3 m displacement fault model; (b) The 3 m drop sandstone overlay model.

表1 斷層和巖性邊界地質(zhì)模型地層參數(shù)表Table 1 Formation parameters of geological model about fault and lithologic boundary

3.2 地震正演分析

給定不同主頻地震信號(hào)，基于褶積模型對(duì)上述地質(zhì)模型合成疊后地震記錄，以分析不同主頻震源作用下，小斷層和巖性邊界地震響應(yīng)時(shí)間落差的變化規(guī)律，從而確定優(yōu)勢(shì)頻帶.本次實(shí)驗(yàn)中，震源子波為零相位雷克子波，子波長(zhǎng)度150 ms，共設(shè)置20組不同主頻的雷克子波作為激發(fā)震源，其主頻變化范圍為5～100 Hz，頻率間隔為5 Hz，正演后共獲得20組斷層和砂體疊置模型對(duì)應(yīng)的地震正演響應(yīng)時(shí)間落差數(shù)據(jù).

為方便起見(jiàn)，此處首先比較震源主頻為20 Hz與40 Hz的兩組數(shù)據(jù)，合成地震記錄均被加入5%的隨機(jī)噪聲.圖4所示的對(duì)比結(jié)果揭示如下特征：

圖4 斷層和巖性邊界模型地震正演響應(yīng)(a)、(b) 分別為20 Hz、40 Hz的雷克子波激發(fā)地震響應(yīng).左為斷層模型，右為巖性邊界模型.Fig.4 Seismic forward response of fault and lithologic boundary models(a) and (b) are the seismic response stimulated by 20 Hz and 40 Hz Ricker wavelets, respectively. left：the fault model；right：the lithologic boundary model.

(1)主頻20 Hz雷克子波合成的數(shù)據(jù)中，3 m斷距斷層模型存在明顯的同相軸錯(cuò)斷，而切疊型巖性模型地震響應(yīng)無(wú)錯(cuò)斷現(xiàn)象(圖4a)；

(2)主頻40 Hz雷克子波合成的數(shù)據(jù)中，切疊型巖性模型產(chǎn)生了與3斷距斷層模型相似的地震響應(yīng)，難以靠人工區(qū)分巖性邊界與斷層(圖4b).

上述兩組數(shù)據(jù)對(duì)比初步說(shuō)明，優(yōu)勢(shì)低頻信息能夠剔除巖性邊界引起的疑似斷層反射特征.為更加清晰說(shuō)明優(yōu)勢(shì)頻帶作用，將20組正演測(cè)試得到的地震響應(yīng)主頻與時(shí)間落差函數(shù)關(guān)系展示于圖5.分析圖5中兩條曲線變化規(guī)律可知：對(duì)于3 m斷距斷層模型，同相軸時(shí)間落差函數(shù)在0～5 Hz的主頻范圍內(nèi)為零，5 Hz后突增至4 ms，60 Hz后逐漸平穩(wěn)在3 ms；而砂巖疊置模型的落差函數(shù)在0～20 Hz區(qū)間內(nèi)為零，20 Hz后突增，60 Hz之后時(shí)間落差逐漸平穩(wěn)在3 ms.可以發(fā)現(xiàn)，在20 Hz地震數(shù)據(jù)中，斷層反射特征十分清晰，而砂巖邊界反射特征消失.因此，對(duì)于圖3所示的模型，20 Hz是一個(gè)區(qū)分?jǐn)鄬优c巖性邊界的重要頻率分界點(diǎn)，即優(yōu)勢(shì)頻率.該測(cè)試充分說(shuō)明了，地震數(shù)據(jù)中存在優(yōu)勢(shì)低頻帶可以有效區(qū)分?jǐn)嗑? m級(jí)的小斷層，在斷層識(shí)別方面相比于高頻端地震數(shù)據(jù)更具優(yōu)勢(shì).

圖5 不同主頻雷克子波激發(fā)斷層和巖性邊界部位時(shí)間落差Fig.5 Time difference between fault and lithologic boundary stimulated by Ricker wavelets with different optimized frequency

4 應(yīng)用實(shí)例

基于上述理論測(cè)試結(jié)果，將提出的斷層識(shí)別方法應(yīng)用于L油田的斷層識(shí)別.L油田在斷層識(shí)別方面，主要需求是準(zhǔn)確刻畫(huà)主干斷層平面形態(tài)及相互間搭接關(guān)系，識(shí)別隱蔽、延伸短、斷距小的斷層.經(jīng)過(guò)優(yōu)勢(shì)頻率確定、基于地震子體的地震屬性計(jì)算、HIS變換色彩融合等關(guān)鍵步驟，最終實(shí)現(xiàn)該油田的斷層識(shí)別、斷裂系統(tǒng)再認(rèn)識(shí).

4.1 工區(qū)概況

L油田主體為一個(gè)三級(jí)背斜構(gòu)造，軸向北北東向，長(zhǎng)軸11.8 km，短軸2.86 km，西陡東緩.整個(gè)構(gòu)造被兩組北西方向延伸的大斷層切割，分成面積不等的南、中、北三大塊.背斜構(gòu)造斷層以張性斷層為主，均為正斷層，北西向和北北西向延伸，延伸長(zhǎng)度2～4 km.

油藏類(lèi)型為典型陸相非均質(zhì)薄互層型砂巖氣頂油藏，自上而下主要發(fā)育S、P、G共3套油層，油層總厚度達(dá)390 m.沉積上屬于大型陸相淺水湖盆河流-三角洲沉積體系，發(fā)育泛濫平原、分流平原和三角洲前緣相砂體，砂體類(lèi)型包括辮狀河道、曲流點(diǎn)壩、枝狀或枝坨過(guò)渡狀水下分流河道、席狀砂體，厚度2～5 m砂巖占比75%.縱向上呈“砂包泥”層狀交互分布，不同類(lèi)型砂體交錯(cuò)切疊接觸.經(jīng)過(guò)50年開(kāi)發(fā)，L油田已經(jīng)進(jìn)入特高含水開(kāi)發(fā)階段，開(kāi)發(fā)挖潛對(duì)象主要是局部富集的剩余油.

4.2 斷裂體系精細(xì)刻畫(huà)

(1)優(yōu)勢(shì)頻率確定

L油田前期斷裂體系是基于二維地震數(shù)據(jù)及密井網(wǎng)資料逐步建立起來(lái)的.為支撐剩余油描述與挖潛，開(kāi)發(fā)期全油田覆蓋了高密度三維地震，采集面元10×10 m，含油層系地層地震資料主頻45 Hz，頻帶范圍10～75 Hz.有利于通過(guò)分頻技術(shù)提取單頻數(shù)據(jù)體.本次測(cè)試從L油田中選擇面積9 km2地震數(shù)據(jù)，采用匹配追蹤算法進(jìn)行分頻試驗(yàn)，分頻結(jié)果如圖6所示.

首先根據(jù)理論部分所述內(nèi)容，估計(jì)L油田地震數(shù)據(jù)的“優(yōu)勢(shì)”頻率.計(jì)算圖6所示的各個(gè)單頻地震數(shù)據(jù)體對(duì)應(yīng)的高斯曲率體，沿地震解釋S油層頂面層位提取每套單頻地震數(shù)據(jù)的曲率體切片(圖7).經(jīng)過(guò)切片掃描和人工識(shí)別，確定25 Hz單頻數(shù)據(jù)體切片斷層刻畫(huà)最清晰.為此，確定低頻端“25 Hz”為覆蓋L油田三維地震數(shù)據(jù)的“優(yōu)勢(shì)”頻率，用于制作三屬性融合體進(jìn)行斷層識(shí)別.可以發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)際采集地震資料受多種復(fù)雜處理?xiàng)l件影響，其真正“優(yōu)勢(shì)”頻率與理論合成地震記錄“優(yōu)勢(shì)”頻帶可能存在差異.

圖6 L油田試驗(yàn)區(qū)地震數(shù)據(jù)分頻結(jié)果顯示圖Fig.6 Display of frequency division results of seismic data about experiment area in oilfield L

圖7 試驗(yàn)區(qū)不同單頻數(shù)據(jù)體S油層頂面沿層曲率切片F(xiàn)ig.7 The top surface slice of oil layer S along the layer curvature about different single frequency data volume in experiment area

沿層切片圖對(duì)比之后，進(jìn)一步比較主頻45 Hz的原始地震資料(圖8a)與25 Hz優(yōu)勢(shì)頻率單頻地震數(shù)據(jù)(圖8b)在剖面上的差異.相比于全頻帶原始資料，圖8b所示的25 Hz優(yōu)勢(shì)頻率數(shù)據(jù)在剖面上整體構(gòu)造同相軸形態(tài)未產(chǎn)生變化，證明匹配追蹤算法分頻得到的單頻數(shù)據(jù)保真度高，大斷層的地震反射特征及同相軸錯(cuò)斷深度接近，低級(jí)序斷層反射特征差別大.圖8b中小斷層反射特征更加清晰，斷面橫向位置、縱向延伸都更加準(zhǔn)確，部分?jǐn)鄬涌杀蝗斯ぶ苯咏忉?實(shí)際生產(chǎn)中，圖8中5-313井鉆遇斷距3.8 m的斷層，該斷層在原始地震剖面中無(wú)響應(yīng)特征，而在25 Hz單頻數(shù)據(jù)剖面中有明顯斷層反射特征.因此，確定25 Hz為L(zhǎng)油田的優(yōu)勢(shì)頻率是合理的.

圖8 (a) 原始數(shù)據(jù)與(b) 25 Hz單頻數(shù)據(jù)地震剖面對(duì)比圖Fig.8 Comparison of seismic profile between (a) original data and (b) 25 Hz single frequency data

(2)相干-傾角-方位角屬性融合

針對(duì)前面確定的L油田25 Hz優(yōu)勢(shì)頻率數(shù)據(jù)，為適應(yīng)研究區(qū)小斷層識(shí)別，地震子體橫向定義5×5道、縱向時(shí)窗長(zhǎng)度15 ms.以地震子體為基本單元計(jì)算其相干、傾角及方位角屬性體，經(jīng)HIS變換三屬性融合，得到適用于L油田斷裂識(shí)別的屬性融合體.為進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)勢(shì)頻率的作用，此處分別制作原始地震數(shù)據(jù)與25 Hz單頻數(shù)據(jù)S油層頂面地震三屬性融合體切片(圖9).

圖9中斷層識(shí)別的原則為，融合體切片中黑色或部分藍(lán)色強(qiáng)不相干條帶為斷層.據(jù)此原則對(duì)比圖9中兩張切片可以看出，相比于圖9a，圖9b中主干大斷層整體框架更加明晰，主次關(guān)系、搭接關(guān)系更為合理，斷層平面形態(tài)和延伸距離更準(zhǔn)確；低級(jí)序斷層識(shí)別上，發(fā)現(xiàn)了很多微小斷層，斷層刻畫(huà)程度得到實(shí)質(zhì)性進(jìn)步.例如，圖9中紅圈所示位置，圖9b所示的25 Hz單頻融合體切片上新發(fā)現(xiàn)一條北東向延伸2.5 km、斷距5 m左右斷層.

此外，在圖9b中過(guò)A線、B線位置，北西向小斷層刻畫(huà)得更加清楚.圖10a所示為圖9b中A線原始地震剖面、圖10b所示為過(guò)B線原始地震剖面，對(duì)應(yīng)有井鉆遇2.3 m、2.6 m兩個(gè)斷點(diǎn)，原始地震剖面上均沒(méi)有斷層響應(yīng)特征，而圖9b中過(guò)這兩個(gè)斷點(diǎn)的小斷層均被識(shí)別出來(lái).因此，基于25 Hz單頻數(shù)據(jù)獲取的屬性融合體斷層識(shí)別效果明顯優(yōu)于全頻帶地震屬性，優(yōu)勢(shì)低頻帶方法對(duì)于單條小斷層和局部小斷裂系統(tǒng)的刻畫(huà)效果尤為明顯.

圖9 L油田S油層頂面(a)全頻帶、(b)25 Hz單頻數(shù)據(jù)沿層三屬性融合體切片對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of the three attributes fusion slicing of (a) the original data and (b) the 25 Hz single frequency data along the top surface about oil layer S in oilfield L

圖10 原始地震剖面小斷層響應(yīng)特征(a) 井鉆遇2.3 m斷點(diǎn)； (b) 井鉆遇2.6 m斷點(diǎn).Fig.10 Seismic responses of small faults detected in drilling(a) The fault with slip of 2.3 m; (b) The fault with slip of 2.6 m.

(3)斷裂系統(tǒng)再認(rèn)識(shí)

根據(jù)上述基于25 Hz優(yōu)勢(shì)頻帶的斷層識(shí)別成果，對(duì)L油田斷裂體系進(jìn)行刻畫(huà)及再認(rèn)識(shí)研究.將斷層分為2組：第一組斷層橫穿構(gòu)造軸部，以北西走向發(fā)育為主，斷層數(shù)量多，占油田斷層總數(shù)近90%，各級(jí)斷層均發(fā)育；第二組為北東向分布小斷層，斷層數(shù)量少、規(guī)模小，均為新發(fā)現(xiàn)斷層.

對(duì)比S油層頂面識(shí)別前后的新老斷層可發(fā)現(xiàn)(圖11)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)技術(shù)識(shí)別，老斷層的斷層參數(shù)均被更新.大斷層變化體現(xiàn)在延伸均長(zhǎng)度增加、斷層平面形態(tài)彎曲度增加，小斷層以交切關(guān)系、分叉合并變化為主.原認(rèn)識(shí)大小斷層35條，新認(rèn)識(shí)斷層61條，新增斷層數(shù)量達(dá)到29條，新增斷層以小斷層為主.其中，僅新增北東向兩條斷層延伸長(zhǎng)度大，其余新增以延伸長(zhǎng)度小于200 m、斷距小于10 m斷層為主，主要分布在主控大斷層兩側(cè)，呈平行或分叉分布.油田測(cè)井解釋未組合孤立斷點(diǎn)，與新增斷層組合率達(dá)到98%，充分證明新發(fā)現(xiàn)小斷層的準(zhǔn)確性.總體而言，經(jīng)過(guò)改進(jìn)技術(shù)識(shí)別后，不同級(jí)別斷層搭接關(guān)系變化明顯，在平面上更符合應(yīng)力場(chǎng)特征.

圖11 L油田S油層頂面新老斷層對(duì)比圖Fig.11 Comparison diagram of new and old faults on the top about oil layer S in oilfield L

根據(jù)識(shí)別之后的斷層變化，得出關(guān)于L油田應(yīng)力場(chǎng)的新認(rèn)識(shí).發(fā)現(xiàn)北東走向斷層之前，L油田被認(rèn)為主要受北西左旋張扭應(yīng)力作用，形成北西向展布斷層，平面上呈左行雁列式分布.本次研究發(fā)現(xiàn)L油田北東向斷層與北西向斷層正交伴生，且與背斜軸部成45°交角.該發(fā)現(xiàn)足以證明油田整體構(gòu)造實(shí)際受南北向直扭和東西向擠壓雙重應(yīng)力作用，形成平面“X”型交切斷層，北東向斷層因與構(gòu)造軸向一致，斷層相對(duì)不發(fā)育.

(4)指導(dǎo)斷層區(qū)挖潛

為避免斷層邊部目的層斷失、防止井眼套損，油田歷次鉆井均把斷層區(qū)劃為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，盡可能減少井位部署.這樣距離斷層50～200 m范圍內(nèi)井網(wǎng)密度低、井控程度低，剩余油局部高度富集，存在規(guī)模挖潛空間.

以圖11中延伸距離長(zhǎng)、斷距大的37號(hào)斷層為例，說(shuō)明25 Hz優(yōu)勢(shì)頻率斷層識(shí)別結(jié)果指導(dǎo)L油田斷層區(qū)挖潛的效果.傳統(tǒng)方法中，基于井?dāng)帱c(diǎn)刻畫(huà)該斷層，平面上形態(tài)比較平直，延伸長(zhǎng)度3.54 km.基于改進(jìn)方法精細(xì)刻畫(huà)后，該斷層發(fā)育特征為沿北西316°～336°方向延伸，延伸長(zhǎng)度4.33 km，長(zhǎng)度增加0.79 km，以傾角47°～57°向西南方向傾斜，平均斷距為67.1 m.斷層平面形態(tài)彎曲度增加，平面位置整體向北移動(dòng)140 m，最大擺動(dòng)距離近230 m，增加斷控可采儲(chǔ)量面積0.085 km2(圖11).

以上斷層識(shí)別結(jié)果對(duì)于油田產(chǎn)能有極大提升.通過(guò)對(duì)識(shí)別后的斷層區(qū)油層狀況、注采關(guān)系以及剩余油預(yù)測(cè)分析，優(yōu)選出了兩個(gè)挖潛區(qū)塊，對(duì)于L油田斷層區(qū)剩余油挖潛具有重要意義.該油田根據(jù)斷層識(shí)別結(jié)果，在距37號(hào)斷層30 m位置部署了兩口大位移定向井，分別為5-44井和5-55井(圖12).完鉆后5-44井日產(chǎn)油7.0 t，5-55井日產(chǎn)油24 t，產(chǎn)能效果極佳.這從側(cè)面反映了基于優(yōu)勢(shì)低頻帶的斷層識(shí)別方法是有效的.

圖12 37號(hào)斷層區(qū)剩余油挖潛井位部署圖(a) 過(guò)定向井5-44; (b) 過(guò)定向井5-55的地震反演剖面.Fig.12 Deployment map of remaining oil potential tapping wells around fault 37The inversion profile around the directional well (a) 5-44, and (b) 5-55.

5 結(jié)論

本文提出了一種利用地震數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)頻率高精度識(shí)別斷層的方法，包括匹配追蹤頻譜分解技術(shù)、地震優(yōu)勢(shì)頻帶分析方法、基于地震子體的相干-傾角-方位角屬性體制作，以及基于HIS變換的多屬性融合，最終根據(jù)融合結(jié)果實(shí)現(xiàn)高精度斷層識(shí)別.與常規(guī)基于全頻帶地震數(shù)據(jù)的斷層識(shí)別方法對(duì)比測(cè)試表明：優(yōu)勢(shì)低頻帶地震數(shù)據(jù)能夠更好地剔除巖性邊界響應(yīng)特征，突出斷層反射特征，尤其是低級(jí)序斷層.將該方法應(yīng)用于L油田的實(shí)際斷層識(shí)別，通過(guò)對(duì)實(shí)際三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻處理、制作含油目的層曲率體屬性切片等，確定L油田低頻端“25 Hz”為“優(yōu)勢(shì)頻率”，基于此單頻數(shù)據(jù)進(jìn)一步制作相干、傾角和方位角體屬性，基于HIS變換融合，有效重建了L油田斷裂體系，斷層變化以新增小斷層和新發(fā)現(xiàn)北東向斷層為主.主干大斷層框架明晰，斷層平面形態(tài)和延伸長(zhǎng)度刻畫(huà)準(zhǔn)確；新發(fā)現(xiàn)低級(jí)序和北東向斷層，重新認(rèn)識(shí)應(yīng)力為南北向直扭和東西向擠壓雙重作用.在斷層區(qū)剩余油挖潛方面，優(yōu)選兩個(gè)目標(biāo)井區(qū)，部署兩口沿?cái)嗝娲笪灰贫ㄏ蚓?，開(kāi)發(fā)效果顯著.應(yīng)用優(yōu)勢(shì)低頻帶地震數(shù)據(jù)后，各級(jí)序斷層刻畫(huà)能力得到實(shí)質(zhì)性改進(jìn).