提高螞蟻?zhàn)粉櫫芽p預(yù)測(cè)精度的應(yīng)用研究

謝清惠，蔣立偉，趙春段，王仲達(dá)，唐協(xié)華，羅瑀峰

(1.斯倫貝謝中國(guó)公司，北京 100015； 2.中國(guó)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(cè)技術(shù)也在不斷地革新，針對(duì)于大、中型尺度的斷層識(shí)別方法多且較為成熟，但小尺度的斷層和裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)仍然是地球物理勘探領(lǐng)域的難點(diǎn)[1-2]。裂縫的地震預(yù)測(cè)技術(shù)包括疊前預(yù)測(cè)和疊后預(yù)測(cè)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(cè)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(duì)裂縫進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)，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?zhàn)粉櫟冗吔鐝?qiáng)化探測(cè)技術(shù)[3-5]。

對(duì)于中、小尺度的斷層和裂縫預(yù)測(cè)，常用到螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(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(shí)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(qiáng)化斷裂特征的新屬性，提高斷裂預(yù)測(cè)精度,并充實(shí)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?zhàn)粉檶傩詫?duì)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?zhàn)粉檶傩越Y(jié)果，包括地震資料的反射強(qiáng)度、連續(xù)性變化、反射界面輕微抬升等都會(huì)在螞蟻?zhàn)粉檶傩灾械玫襟w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(yùn)動(dòng)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(diǎn)，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(duì)研究區(qū)實(shí)際情況，利用常規(guī)的地震解釋方法，較難達(dá)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(jìn)螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)，但若僅使用常規(guī)的螞蟻?zhàn)粉櫫鞒蹋嬖趯?duì)中、小裂縫預(yù)測(cè)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?zhàn)粉櫫鞒?，提高裂縫預(yù)測(cè)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(duì)研究區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有資料條件，圍繞如何提高裂縫預(yù)測(cè)精度進(jìn)行探討，最終通過提高分辨率、降噪、增強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

1 方法流程簡(jiǎn)介

常規(guī)螞蟻?zhàn)粉欀饕ㄒ韵聨讉€(gè)步驟：

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

2)不連續(xù)性檢測(cè)：對(duì)地震數(shù)據(jù)不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)這一不連續(xù)進(jìn)行強(qiáng)化；

3)螞蟻?zhàn)粉檯?shù)設(shè)置：螞蟻?zhàn)粉櫟男Ч芸赜谖浵佔(zhàn)粉檯?shù)設(shè)置，主要有6個(gè)參數(shù)，包括初始螞蟻邊界、追蹤偏差、搜索步長(zhǎng)、允許的非法步長(zhǎng)、必須合法步長(zhǎng)以及搜索中的門檻值等。

4)螞蟻?zhàn)粉櫍旱玫搅芽p預(yù)測(cè)結(jié)果。

針對(duì)研究區(qū)面臨的問題，為了提高裂縫預(yù)測(cè)精度，依托Petrel軟件，筆者探索出一套適用于研究區(qū)的螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)流程(圖1)。首先，對(duì)資料進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波，取代了常規(guī)螞蟻?zhàn)粉櫟谝徊街械臉?gòu)造平滑，目的是提高信噪比，增強(qiáng)不連續(xù)性；第二步，分別進(jìn)行了最大曲率、混沌體以及方差體屬性計(jì)算，對(duì)比并分析了3種地震屬性的不連續(xù)性識(shí)別能力，選擇最優(yōu)的不連續(xù)性探測(cè)方法；第三步，通過對(duì)比并優(yōu)選一套適用于研究區(qū)的螞蟻?zhàn)粉檯?shù)得到初始的螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果；與常規(guī)螞蟻?zhàn)粉檶?duì)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?zhàn)粉?，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?zhàn)粉櫫鞒蘁ig.1 Optimized ant tracking workflow

1.1 構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波

構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V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(cè)精確性和目標(biāo)探測(cè)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(hào)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(qiáng)的斷層、裂縫影像效果,有助于微小斷層的識(shí)別[14-16]。圖2為研究區(qū)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波效果，二者對(duì)比可以看出,原始地震數(shù)據(jù)中的隨機(jī)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?yàn)V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?yàn)V波效果Fig.2 Structure-oriented filtering maps in YS1 area

1.2 不連續(xù)性檢測(cè)

在構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V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(qiáng)等問題，因此接下來將使用不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)來增強(qiáng)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(duì)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(shí)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(cè)，其通過計(jì)算相鄰地震道之間的方差來表示各個(gè)地震道反射特征的差異，從而達(dá)到識(shí)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(chǎng)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(cè)中?；煦鐚傩詣t是通過對(duì)地震數(shù)據(jù)體中層間地震反射波傾角相似性計(jì)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(duì)近SN向斷裂刻畫得更為清晰。經(jīng)過對(duì)比，認(rèn)為混沌體屬性能更有效地識(shí)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?zhàn)粉?/h3>

螞蟻?zhàn)粉櫟男Ч芸赜谖浵佔(zhàn)粉檯?shù)設(shè)置，主要有6個(gè)參數(shù)，各參數(shù)含義和特點(diǎn)見表1。在實(shí)際應(yīng)用中，若對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分別試驗(yàn)、對(duì)比和優(yōu)選，可能會(huì)組合出成千上萬(wàn)種參數(shù)組合結(jié)果，需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比和經(jīng)驗(yàn)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(dòng)模式和Passive被動(dòng)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(dòng)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(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫵惴愃啤扒趧诘奈浵仭?，更善于挖掘斷層，但由于其“主?dòng)性”較強(qiáng),致使噪聲較清晰。被動(dòng)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(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫵惴础皯卸璧奈浵仭?，其傾向于追蹤極強(qiáng)信號(hào)，放棄較弱信號(hào)，因此有助于壓制噪聲，體現(xiàn)大斷層趨勢(shì)，但是易導(dǎo)致局部不清晰的低級(jí)別小斷層呈斷續(xù)特征，進(jìn)而破壞其連續(xù)性[12]。

表1 螞蟻?zhàn)粉櫡椒ǖ膮?shù)設(shè)置及含義

圖4a和4b分別為Aggressive主動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫤蚉assive被動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果的沿目的層切片。相比之下，被動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫩梢宰R(shí)別大、中型斷裂；而主動(dòng)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(duì)于裂縫細(xì)節(jié)刻畫得更為清晰。因此選取Aggressive主動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫵惴檠芯繀^(qū)裂縫預(yù)測(cè)的優(yōu)選方法。

a—被動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果；b—主動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果；c—產(chǎn)狀控制下的主動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果a—passive ant tracking；b—aggressive ant tracking；c—occurrence-controlled aggressive ant tracking圖4 YS1井區(qū)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(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?zhàn)粉?/h3>

在優(yōu)選了螞蟻?zhàn)粉櫟淖罱K參數(shù)組合之后，進(jìn)行初步的螞蟻?zhàn)粉?。此時(shí)的螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果搜索到了全方位的裂縫，而實(shí)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?zhàn)粉櫿侨サ籼摷贁嗔研畔⒌氖侄?。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(jì)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(shí)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(shí)際開展螞蟻?zhàn)粉檿r(shí)，通過Petrel軟件內(nèi)的赤平投影圖來控制螞蟻?zhàn)粉櫟乃阉鞣较?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?huì)被螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果記錄到；反之，白色部分則為螞蟻?zhàn)粉櫧Y(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(gè)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?zhàn)粉櫧Y(jié)果存在其他走向的斷層(圖4b)，因此需要對(duì)此進(jìn)行虛假構(gòu)造的剔除，提高裂縫預(yù)測(cè)精度。結(jié)合YS1井區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，設(shè)定參與計(jì)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(duì)于方位角設(shè)置，僅將NE向和近SN向的斷裂留下參與計(jì)算。具體參數(shù)設(shè)置見如圖4c中的赤平投影圖，計(jì)算得到的沿層切片見如4c,與圖4b螞蟻?zhàn)粉櫱衅啾龋琋W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(shí)際情況。但是，此時(shí)得到的結(jié)果是各時(shí)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(gè)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?zhàn)粉櫻貙忧衅現(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(shì)，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(shí)別到的斷層寥寥無(wú)幾(圖7a)。而在同一塊區(qū)域內(nèi)，基于螞蟻?zhàn)粉櫽?jì)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(cè)到的幾根斷層補(bǔ)充了細(xì)節(jié)(圖7內(nèi)的①、②、③、④號(hào)斷層)，而且預(yù)測(cè)到了許多方差體未識(shí)別到的斷層，幫助我們認(rèn)識(shí)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?zhàn)粉櫧Y(jié)果與泥漿漏失點(diǎn)對(duì)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?zhàn)粉櫧Y(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?zhàn)粉櫫鞒?，本文方法用?gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波取代了普通的構(gòu)造平滑，意在增強(qiáng)斷層不連續(xù)性。除此之外，還增加了產(chǎn)狀控制下的螞蟻?zhàn)粉?，不僅從整體上對(duì)追蹤結(jié)果進(jìn)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(jìn)行計(jì)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(qiáng)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(cè)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(xiǎn)。

3)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果受控于螞蟻?zhàn)粉檯?shù)設(shè)置，但參數(shù)數(shù)量甚多，不同的解釋員進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)產(chǎn)生成千上萬(wàn)個(gè)結(jié)果，因此需謹(jǐn)慎選擇參數(shù)。軟件中常設(shè)置有主動(dòng)螞蟻?zhàn)粉櫤捅粍?dòng)追蹤兩種不同的參數(shù)組合模式，主動(dòng)追蹤善于挖掘裂縫，大、小裂縫信息都豐富；被動(dòng)模式善于追蹤較強(qiáng)信號(hào)，主要預(yù)測(cè)大斷層。主動(dòng)追蹤適用于精細(xì)裂縫預(yù)測(cè)，被動(dòng)追蹤可用于預(yù)測(cè)大斷層以輔助斷層解釋。