復(fù)雜斷塊斷裂系統(tǒng)精細(xì)描述方法研究

◇勝利油田物探研究院油藏地球物理研究室 李進(jìn)

針對(duì)復(fù)雜斷塊低序級(jí)斷層識(shí)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?zhàn)粉櫈楹诵牡膹?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(bǔ)充地震資料高、低頻信息，提升低序級(jí)斷層上下盤對(duì)應(yīng)關(guān)系；進(jìn)一步基于非線性擴(kuò)散濾波增強(qiáng)斷面的清晰度；最后通過復(fù)值模量相干螞蟻?zhàn)粉櫶岣邤鄬幼R(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)低序級(jí)斷層的準(zhǔn)確刻畫。該技術(shù)在東辛油田營(yíng)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(shí)現(xiàn)8米斷距低序級(jí)斷層的識(shí)別，進(jìn)一步通過復(fù)值模量相干螞蟻?zhàn)罱K實(shí)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(guó)油田的主要油藏類型之一，其中勝利油田動(dòng)用儲(chǔ)量、產(chǎn)量均占30%左右，是增儲(chǔ)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(shí)難度大、低序級(jí)斷層識(shí)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(qiáng)技術(shù)）可有效改善地震資料品質(zhì)，提高地震資料低序級(jí)斷層識(shí)別能力，進(jìn)一步基于復(fù)值模量相干體的螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)低序級(jí)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(guó)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(duì)分辨率的提高能力有限。同時(shí)傳統(tǒng)褶積模型未考慮大地對(duì)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(duì)以上問題，利用小波域信號(hào)極值恢復(fù)求取原始信號(hào)諧波的提高分辨率方法，利用諧波特性預(yù)測(cè)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(duì)原始地震記錄應(yīng)用連續(xù)小波變換（CWT）時(shí)間序列分析，將地震信號(hào)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(bǔ)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(shí)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(hào)，此升頻信號(hào)為線性，該理論基于利（1995）、謝里夫（1970）等人。該信號(hào)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(shí)頻率，ae為amplitude envelop，t(s)為掃描時(shí)間。相應(yīng)的各次諧波信號(hào)表達(dá)式為：

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

從上式中可得出結(jié)論，時(shí)間域中是不可能將全部階次的諧波信號(hào)s(t) 和基波信號(hào)完全分開。但是上式中，某次諧波的的if（瞬時(shí)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(jì)算可以得出：

從上式中可以得出對(duì)于某一個(gè)瞬時(shí)頻率，若該瞬時(shí)頻率固定不變時(shí)，第N-1次諧波到達(dá)這個(gè)頻率的時(shí)間比第N次諧波到達(dá)所用時(shí)長(zhǎng)要短，而基波需要更大的時(shí)長(zhǎng)才可到達(dá)這個(gè)頻率。

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

若將地震信號(hào)波轉(zhuǎn)化至連續(xù)小波域，則小尺度高頻部分的信號(hào)小波系數(shù)的能量，較低頻部分的信號(hào)會(huì)相對(duì)較弱。假設(shè)高分辨率的寬頻地震波信號(hào)，其振幅譜的能量為水平，通過連續(xù)小波域來補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|(zhì)傳播時(shí)而衰減的高頻部分信號(hào)。從而對(duì)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(duì)原始地震記錄開展連續(xù)小波變換，將地震信號(hào)從時(shí)間域變換到小波時(shí)頻域；②通過優(yōu)勢(shì)能量分析，確定地震信號(hào)優(yōu)勢(shì)時(shí)頻域信號(hào)；③計(jì)算優(yōu)勢(shì)信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波域極值；④基于小波域極值信號(hào)構(gòu)建地震信號(hào)高頻及低頻拓展信號(hào)（分別用極值信號(hào)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(shí)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(duì)于傳統(tǒng)的反褶積提高分辨率方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①小波變換通過對(duì)小波進(jìn)行壓縮和時(shí)間移動(dòng)來擬合地震記錄的時(shí)域變化，相比于傅里葉變換對(duì)地震信號(hào)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(duì)于地震資料優(yōu)勢(shì)能量的獲取更精準(zhǔn)；②地震資料的高低頻信號(hào)信噪比較低，常規(guī)提高分辨率方法會(huì)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(shì)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(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了地震資料能量的雙向拓展，既可以拓展低頻能量，實(shí)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(duì)于小目標(biāo)的分辨能力。

2.2 工區(qū)應(yīng)用效果

圖2為營(yíng)26井區(qū)諧波提頻前后地震剖面對(duì)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(shí)別低序級(jí)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(shí)別度加強(qiáng)。

圖2 研究區(qū)諧波提頻前后地震剖面圖對(duì)比圖

通過提頻后，圖3拓頻前后地震剖面，地質(zhì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)4-102井鉆遇8米低序級(jí)斷層，原始地震剖面中斷點(diǎn)難以識(shí)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(duì)小斷層縱向延伸長(zhǎng)度識(shí)別能力增強(qiáng)，該低序級(jí)斷層剖面顯示明顯。

圖3 提頻前后地震剖面及井上斷點(diǎn)分析

如圖4所示，提高分辨率處理后空白反射軸增強(qiáng)，連續(xù)性更好，軸對(duì)應(yīng)關(guān)系更強(qiáng)。原始剖面由于分辨率較低，低序級(jí)斷層下盤同相軸確實(shí)，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(duì)應(yīng)關(guān)系合理，實(shí)現(xiàn)10米斷層的有效識(shí)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(qiáng)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(hào)噪聲，又能有效的保正信號(hào)的邊緣和細(xì)節(jié)信息。針對(duì)疊后地震資料斷面不清晰、低序級(jí)斷層難以識(shí)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(gè)方向進(jìn)行傾角約束構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V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(jí)別斷層的視分辨率，突出斷層識(shí)別度。

3.1 方法原理

各向異性擴(kuò)散濾波的計(jì)算公式如下：

根據(jù)數(shù)學(xué)矩陣特征對(duì)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(jiān)定的，政治上是可靠的，但也有少數(shù)人對(duì)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(jí)干部中，理想信念不堅(jiān)定，對(duì)黨不忠誠(chéng)，他們出了問題首先是因?yàn)槔硐胄拍羁宓袅??！袄硐胄拍顒?dòng)搖是最危險(xiǎn)的動(dòng)搖，理想信念滑坡是最危險(xiǎn)的滑坡?！雹帱h員干部一旦理想信念產(chǎn)生動(dòng)搖，精神支柱遲早會(huì)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(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量分別為：

為了增強(qiáng)擴(kuò)散濾波的強(qiáng)度，可以把擴(kuò)散張量的特征值設(shè)計(jì)為：

可以求得D的每個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，融入地層傾角作為約束，能有效的提升地震信號(hào)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(cè)體（如相干體、方差體、似然體等）計(jì)算時(shí)，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(qiáng)，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(qiáng)地震剖面。圖中可以看出，拓頻后的地震數(shù)據(jù)不僅增強(qiáng)了薄層的分辨率（圖5（b）中橢圓形圈），而且增強(qiáng)了斷層的斷點(diǎn)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(shí)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?zhàn)粉櫦夹g(shù)

傳統(tǒng)螞蟻?zhàn)粉櫞嬖谶吘壆惓２煌怀?、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?zhàn)粉櫋苯M合追蹤方法。首先通過地震信號(hào)多尺度分解得到分頻地震數(shù)據(jù)，利用構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V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(yùn)算提高了應(yīng)用相關(guān)系數(shù)屬性檢測(cè)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?zhàn)粉櫟某跏紬l件，對(duì)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(shí)現(xiàn)了大斷裂系統(tǒng)和低序級(jí)斷層的精細(xì)刻畫。

4.1 方法原理

螞蟻?zhàn)粉櫵惴７伦匀唤缰形浵佉捠车脑恚芡伙@地震資料的不連續(xù)性，可識(shí)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(hào)數(shù)據(jù)中的高頻成分對(duì)低序級(jí)的小層斷層反應(yīng)更為敏感，基于頻譜分解開展螞蟻?zhàn)粉櫫芽p檢測(cè)能有效追蹤全頻帶地震信號(hào)數(shù)據(jù)中難以識(shí)別的小斷層，主要步驟見圖6。

圖6 基于頻譜分解的螞蟻?zhàn)粉櫃z測(cè)技術(shù)流程

首先對(duì)全頻帶地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行頻譜分解得到各個(gè)頻率區(qū)間的兩項(xiàng)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(shí)譜與分頻剖面

其次，將螞蟻體裂縫追蹤算法應(yīng)用于各個(gè)頻率的地震數(shù)據(jù)體，即可計(jì)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(duì)大尺度斷裂發(fā)育響應(yīng)更為明顯，高頻螞蟻體對(duì)小尺度斷層響應(yīng)十分明顯，可以作為微小斷裂檢測(cè)識(shí)別的依據(jù)，重構(gòu)螞蟻體斷層檢測(cè)信息相對(duì)完整、平衡，可以作為微小斷裂解釋的參考。利用實(shí)鉆資料（巖心、薄片、地層傾角測(cè)井及成像測(cè)井等資料）反映的信息進(jìn)行對(duì)將螞蟻體識(shí)別出的斷裂進(jìn)行佐證，篩選出與各個(gè)尺度斷層識(shí)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(gè)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(duì)比剖面圖

營(yíng)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(qiáng)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(duì)比。圖10和圖11為營(yíng)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(duì)比。可以發(fā)現(xiàn)復(fù)值相干螞蟻體等時(shí)切片對(duì)地層信息過濾效果較好，對(duì)各級(jí)別斷裂軌跡刻畫均更為直觀，對(duì)斷裂走向反映更清晰。利用工區(qū)內(nèi)實(shí)鉆測(cè)井資料進(jìn)行地層對(duì)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(shí)切片

圖11 復(fù)值相干螞蟻體 等時(shí)切片

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（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(shí)現(xiàn)復(fù)波分離，低序級(jí)斷層上下盤對(duì)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(diǎn)的識(shí)別能力，低序級(jí)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?zhàn)粉櫵惴ù蠓岣叩托蚣?jí)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(shí)現(xiàn)東辛油田營(yíng)26塊6米低序級(jí)斷層的識(shí)別和刻畫，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。