螞蟻體屬性斷裂解釋技術及在蘇德爾特地區(qū)的應用

劉慧楠，李婷婷，張幸興，杜岳峰

(1. 東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 前 言

蘇德爾特油田位于內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市新巴爾虎右旗貝爾蘇木(鄉(xiāng))境內，構造上位于海拉爾盆地貝爾湖坳陷貝爾凹陷蘇德爾特構造帶，該構造帶位于貝西和貝中生油洼槽之間，呈北東向展布。蘇德爾特構造帶所處的貝爾凹陷經歷了多期構造運動，主要為早白堊世初期發(fā)生的北東向右旋張扭走滑—斷陷作用，早白堊世中后期盆地進入快速沉降的坳陷式發(fā)育階段，晚白堊世盆地進入坳陷式萎縮消亡發(fā)育階段[1]，這使得蘇德爾特地區(qū)的斷裂系統(tǒng)極為復雜。

眾所周知，斷裂構造的發(fā)育情況既影響著油氣的運移和成藏，又影響后期開發(fā)的注采效果，所以能否搞清斷裂發(fā)育情況是直接影響油田勘探開發(fā)的重要因素之一，也是油藏描述工作中的重點。但是利用常規(guī)地震解釋手段進行地震解釋耗時較長，解釋結果受人為因素影響很大。同時，常規(guī)地震解釋手段受地震資料分辨率的制約，對一些構造規(guī)模較小的斷裂往往很難準確的描述其空間展布。因此，可否有一種能夠又快又準進行斷裂解釋的方法，一直都是每一個石油勘探人員最為關心的問題。而近年來出現的螞蟻追蹤技術，則為石油勘探人員提供了一種全新的斷裂解釋途徑。螞蟻追蹤技術較之常規(guī)的人工地震解釋方法有兩個優(yōu)點：第一，螞蟻追蹤技術能快速的了解區(qū)域內斷層發(fā)育和平面展布，克服了解釋人員的主觀性，有效提高了斷層解釋精度，大幅縮減了人工解釋時間；第二，對于在地震剖面上肉眼難以識別的微小斷裂，螞蟻追蹤技術能在各項參數的控制下，自動追蹤地震數據體中的不連續(xù)性信息，對微小斷裂的各項產狀和斷裂間的空間接觸關系進行精細的描述。

1 技術原理

螞蟻算法最先是由意大利科學家Dorigo M等人于1991年提出的[2-3]，是一種基于模擬自然界中螞蟻覓食行為而提出的一基于種群的啟發(fā)式仿生進化算法[4]。在此，我們引用Dorigo M的例子來說明螞蟻算法的實現原理[2]。如圖1所示，假設有一群正要覓食的螞蟻的蟻穴在A處，而E處則是食物，螞蟻需要在A、E兩處之間往返，并留下信息素來影響接下來螞蟻對路徑的選擇。而在，覓食路徑之間有HC障礙物，螞蟻需選擇繞行C路線，或是選擇繞行H路線，但是BDH的路程是BCH路程的2倍。假設每隔一定時間Δt=1便有30只螞蟻從A出發(fā)，同時也有30螞蟻從E出發(fā)，每只螞蟻在沿途留下信息素1。當t=0時，第1批開始行動的螞蟻到了B、D兩點開始選擇行進路線。此時無論哪一條路徑上的信息素都是0，由于螞蟻選擇路線是完全隨機的，根據統(tǒng)計學規(guī)律我們認為，有15只螞蟻選擇了B路線，有15只螞蟻選擇了H路線。當t=1時，選擇C路線的螞蟻已經走完了自己的路程(從B出發(fā)的螞蟻經由C走到了D，從D出發(fā)的螞蟻經由C走到了B)，在整個BCD路線上的信息素濃度為30；而此時選擇H路線的螞蟻只走了一半(從B出發(fā)的螞蟻和從D出發(fā)的螞蟻都只走到了H)，除了H點外BHD路線上的信息素濃度為15。與此同時第2批覓食的螞蟻開始選擇路線，此時H路線和C路線的信息素濃度比為1∶2，因此，此時只有10只螞蟻選擇了H路線，而20只螞蟻選擇了C路線。根據此原理，螞蟻選擇最優(yōu)路徑的幾率越來越大，而其他路徑被選擇的幾率則越來越小，直至廢棄。

圖1 螞蟻體算法原理

螞蟻追蹤技術就是基于螞蟻算法來實現三維地震資料中斷裂系統(tǒng)自動解釋的技術方法，又稱斷裂系統(tǒng)自動追蹤技術[5]。其原理是在地震數據體中設定大量的電子“螞蟻”，并讓每個“螞蟻”沿著可能的斷層面向前移動，同時發(fā)出“信息素”。這種“信息素”會召集其他的“螞蟻”集中在該斷裂附近對其進行追蹤，并完成該斷裂的追蹤識別。而對不可能是斷層的那些面將不做標記或只做不太明顯的標記。最終獲得一個低噪音、具有清晰斷裂痕跡的數據體[6-7]。

斯倫貝謝公司的Petrel軟件中的Ant-Tracking模塊就是基于螞蟻追蹤技術研發(fā)的。利用該模塊與其他模塊協同操作，即可完成對地震數據體的螞蟻追蹤工作。其基本工作流程如下：

1)對原始地震數據體進行構造平滑處理。這一操作目的是在進行螞蟻體運算之前對地震數據進行預處理，旨在利用中值濾波算法，減弱或消除地震數據隨機噪音干，增加反射軸的連續(xù)性，突出斷點反射。

2)在已經對地震數據體做完構造平滑處理的基礎上，計算方差體或相干體。此操作為的是在計算螞蟻體屬性之前對地震數據進行處理，從而對不連續(xù)點進行加強，尋找邊界異常。

3)對螞蟻體屬性的各項參數設置對照試驗，優(yōu)選出適合研究區(qū)的參數設定，計算螞蟻體屬性。

4)以螞蟻體為依據，結合常規(guī)解釋手段，交互解釋，確定斷裂發(fā)育集中區(qū)域及斷裂空間展布。

2 關鍵參數意義

1)螞蟻分布邊界(1～30)：定義螞蟻分布邊界即是定義初始的種子點數。這個參數決定了一個螞蟻在一次覓食中所能涉及到的范圍。顯然，邊界范圍越小地震數據體中螞蟻的分布就越多，種子點就越密集。但是種子點過于密集會影響運算的速度，同時也會強調一些無關信息，降低信噪比。通過參數對比認為，一般來說設置在3～7之間比較合適。同時，如果某一區(qū)域內的螞蟻沒有搜索到食物，該區(qū)域的斷層信息素就會逐漸消失，螞蟻就不會在此區(qū)域聚集[8]。

2)覓食路線的偏移度(0～3)：此參數用來限定螞蟻在覓食過程中覓食方向的范圍，每只螞蟻只能在15(°)搜索范圍內搜索食物，搜到食物，釋放信息素，繼續(xù)搜索。同時，如果食物所在的位置超出該螞蟻的搜尋范圍，但在設置的偏移度(0～3)允許范圍之內，那么認為這追蹤結果也是合法的，否則這個螞蟻就不能追蹤這個食物。對于實際情況允許的偏移度越大，螞蟻對斷裂的追蹤就越密集、連續(xù)。

3)螞蟻搜索的步長(2～10)：此參數代表螞蟻在搜索食物時，一次能夠搜索的最大范圍(幾個地震網格)。增加該值將使每只螞蟻搜索得更遠，但會降低精度。

4)允許非法步數(0～3)：該參數為允許多少個螞蟻步長內搜索不到極大值。如果螞蟻向前搜索一步，但并沒有搜索到斷裂信息，那么記該步為一個非法步。若設置非法步數為0，那么該螞蟻的追蹤即刻種植；若設置的非法步數為1～3，那么螞蟻可以再預估位置上繼續(xù)前進相應步，若在允許的非法步數限制內搜索到了食物，那么軟件將會記錄下有效位置和非法位置，斷裂追蹤有效；若螞蟻在允許的非法步數限制內沒有搜索到食物，那么該螞蟻將被淘汰，不會繼續(xù)追蹤斷裂。 通過對參數的對比分析可知，允許的非法步數越大，螞蟻追蹤所能識別的斷裂就越密集。此項參數要與必要合法步數配合使用。

5)必須合法步數(0～3)：該參數意義為每只螞蟻搜索路徑中必須包含的合法步數。設置必須合法步數控制搜索結果的非法間隙是否連接，該參數需與上述允許非法步數結合使用。若螞蟻連續(xù)追蹤到的合法步數小于所設定的必須合法步數，那么該斷裂追蹤會被視為無效的追蹤。對于該參數值，設定越小，螞蟻追蹤是別的斷裂就越連續(xù)。

6)終止條件(0～50%)：該參數為每只螞蟻在追蹤過程中允許非法步數占總步數的百分比。若非法步數占比高于終止條件是，則該螞蟻停止追蹤。對于該參數值，設定越大，螞蟻追蹤就越密集。

3 螞蟻追蹤技術在蘇德爾特地區(qū)的應用

基于前期對蘇德爾特地區(qū)區(qū)域斷裂構造的研究，認為研究區(qū)受早白堊早期區(qū)域北西—南東向拉伸作用影響，在目的層興安嶺油層組主要發(fā)育北東向斷裂，并且斷裂傾角主要分布在30(°)～80(°)之間(見圖2)。

圖2 蘇德爾特地區(qū)斷裂構造產狀統(tǒng)計

通過利用產狀控制玫瑰花圖對產狀控制，濾掉北西—南東方向上的斷裂，并濾掉北東—南西向上小于30(°)傾角的斷裂。經產狀控制后，能在極大程度上壓制具有低傾角特性的層位對螞蟻體屬性的影響。同時需注意，地震道的Inline線方向與正北方向大約成39(°)，故在控制斷裂產狀是，選擇保留走向在320(°)～50(°)和140(°)～230(°)之間且傾角大于30(°)的斷裂。如圖3所示，陰影部分為被過濾掉的斷裂產狀。通過反復的參數試驗，確定適用于蘇德爾特地區(qū)的參數設置分別為：①螞蟻分布邊界為5；②覓食路線偏移度為2；③螞蟻搜索步長為3；④允許非法步數為1；⑤必須合法步數為3；⑥終止條件為10。

圖3 螞蟻體產狀控制玫瑰花圖

由于蘇德爾特地區(qū)構造復雜，地震剖面同相軸連續(xù)性極差，使得前期斷裂解釋存在著極大的難度，這也導致部分區(qū)域的斷層解釋并不十分確定。本次研究過程中，在觀察1 464 ms左右的螞蟻體時間切片時發(fā)現，這個時間深度基本位于興安嶺I油組(XI)的頂面。如圖4虛框所示位置，螞蟻體表征斷裂痕跡明顯，并且與XI層早期構造解釋的斷層組合不同。

(a)1 464 ms螞蟻體屬性切片；(b)修改前XI油組頂層斷層Polygon與屬性切片疊合圖

圖4 螞蟻體屬性切片

為驗證螞蟻體切片指示的新的斷層組合是否正確，如圖5所示，仔細研判連續(xù)多個地震剖面，尋找此斷裂是否存在。可以在地震剖面(見圖6)上看出，在螞蟻體屬性指出的位置，地震同相軸確實出現了明顯的錯動，認為螞蟻體追蹤出來的斷裂構造真實存在。

圖5 原始斷層組合(細線)、擬修改斷層組合(粗線)及地震剖面平面位置

圖6 螞蟻體校正后地震剖面

根據螞蟻體屬性切片對斷層空間展布的指導，結合地震剖面交互解釋，完成了對蘇德爾特地區(qū)興安嶺I油組頂面構造圖的局部修改，效果良好。

4 結 論

1)由于螞蟻體技術的原理是尋找地震體重的不連續(xù)信息，用來提取螞蟻體屬性的數據對于結果有很大的影響。因此，在提取螞蟻體屬性之前，必須對原始地震體進行構造平滑、計算方差體等處理。

2)在螞蟻體屬性參數的選擇過程中，需要依據實際情況，在“Passvie ants”(消極螞蟻)與“Aggressive ants”(積極螞蟻)兩種螞蟻參數間反復調試，進而確定適用于研究區(qū)的螞蟻體參數。

3)在螞蟻體屬性提取過程中，需要利用產狀控制，來消除與區(qū)域應力作用方向不一致的追蹤結果，同時消除低傾角的地震層位痕跡的影響。

4)實際研究過程中發(fā)現，由于構造變化劇烈，如蘇德爾特地區(qū)很多區(qū)域層位傾角很大，甚至大于30(°)，地震資料主頻不高等原因的限制，可能會出現螞蟻體刻畫的小斷層或微裂縫與實際并不相符的情況。因此，在利用螞蟻體技術解釋斷裂構造時，必須對照地震剖面進行交互對比解釋，提高可靠性。

5)螞蟻體屬性在識別小斷層，指導斷層平面展布和空間組合上有著獨特的優(yōu)勢。