頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣勘探中的應(yīng)用

陳珂磷 ，井翠 ，楊揚(yáng) ，任曉莉 ，王利田

（1.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610056；2.北京凱利東方石油科技有限公司，北京 100190）

0 引言

四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源豐富，自2012年被確定為國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)以來，經(jīng)過探索和實(shí)踐，為中國(guó)頁(yè)巖氣的勘探和開發(fā)積累了豐富的寶貴經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣某區(qū)塊位于長(zhǎng)寧背斜的南部復(fù)雜帶區(qū)域，該區(qū)塊為多期構(gòu)造擠壓作用疊加與聯(lián)合的復(fù)向斜單元，構(gòu)造起伏較大，斷層和裂縫都非常發(fā)育［1-2］。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造具有多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的特征，呈現(xiàn)出背斜與向斜相間分布、斷裂十分發(fā)育的特征。長(zhǎng)寧背斜軸跡呈北西—南東走向，西北端向西南發(fā)生彎曲，背斜核部出露寒武系，外圍依次出露奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和侏羅系等。

該區(qū)發(fā)育多組系構(gòu)造應(yīng)力，形成了豐富的不同級(jí)別斷層和裂縫，較大斷距的斷層在地震剖面上很容易識(shí)別，但是對(duì)于微小斷層和裂縫，常規(guī)方法難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確描述。隨著該區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，復(fù)雜的地下構(gòu)造和斷裂系統(tǒng)成為頁(yè)巖氣勘探與開發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一。斷裂不僅對(duì)頁(yè)巖層含氣性造成影響［3］，而且復(fù)雜多變的斷裂系統(tǒng)也導(dǎo)致了頁(yè)巖氣水平井在鉆完井壓裂和開發(fā)過程中發(fā)生井涌、井漏、壓竄、套變等問題［4-5］。因此，能否對(duì)不同尺度的斷層和裂縫進(jìn)行精細(xì)描述，是影響該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)效果的重要因素。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)斷層和裂縫系統(tǒng)可以及時(shí)預(yù)警鉆井過程中可能發(fā)生的異常情況，為鉆后壓裂設(shè)計(jì)和施工參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)，也可以為壓裂施工等作業(yè)對(duì)鄰井的影響評(píng)估提供可靠的基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。前人運(yùn)用地震-地質(zhì)-工程-經(jīng)濟(jì)一體化的思路進(jìn)行綜合研究［6-7］，提升了解決問題的綜合能力。但是目前在精細(xì)刻畫不同尺度的斷層和裂縫方面仍存在挑戰(zhàn)，因此，加大對(duì)小尺度斷裂和裂縫的研究是本區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重要方向。

利用地震資料進(jìn)行微小斷層和裂縫預(yù)測(cè)一直是世界性難題［8］。目前應(yīng)用較廣泛的利用疊后地震資料進(jìn)行斷裂識(shí)別方法主要有相干體［9］、曲率［10］、方差體［11］、最大似然體［12］、譜分解技術(shù)［13］、傾角導(dǎo)向技術(shù)［14］、螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)［15］及邊緣檢測(cè)技術(shù)等［16］，相干屬性及其衍生出的不連續(xù)計(jì)算屬性是最為普遍的斷裂識(shí)別方法。

北京凱利東方石油科技有限公司姜仁旗院士及著名地球物理和巖石物理學(xué)家John Castagna教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)，另辟新徑，從頻率域出發(fā)，利用約束最小二乘法頻譜分解技術(shù)［17-19］和不同頻率域多種不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)［20］相結(jié)合，通過對(duì)高分辨率譜分解基礎(chǔ)上得到的不連續(xù)屬性進(jìn)行自適應(yīng)主成分分析，生成復(fù)合斷層和裂縫檢測(cè)屬性。該技術(shù)使用不同分辨率地震記錄，通過不同尺度的不連續(xù)性屬性對(duì)比，在突出大斷裂的同時(shí)顯示小斷裂信息，提高了斷層和裂縫的解釋精度，使不同層次裂縫發(fā)育情況都能清晰展示出來，在國(guó)外大量的實(shí)踐應(yīng)用中取得了較為突出的效果［17-20］。本文以長(zhǎng)寧某區(qū)塊為例，采用頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)，對(duì)工區(qū)不同尺度斷裂發(fā)育體系綜合進(jìn)行了精細(xì)描述，可以較好地識(shí)別大斷層、小斷層展布和裂縫發(fā)育帶。

1 常規(guī)斷裂檢測(cè)方法

常規(guī)疊后斷裂檢測(cè)主要檢測(cè)相對(duì)大級(jí)別的斷層和裂縫帶，常規(guī)地震屬性有相干體、相似體、方差體、最大曲率、反射強(qiáng)度、瞬時(shí)頻率、地層傾角導(dǎo)數(shù)等。對(duì)于斷層、裂縫帶、河道和砂體邊界等，這些技術(shù)具有較好的識(shí)別效果。

相干技術(shù)是通過計(jì)算道與道之間的局部不相似性，突出與構(gòu)造相關(guān)的地震資料橫向變化的技術(shù)。該技術(shù)對(duì)于大斷裂識(shí)別較好，但是也存在幾點(diǎn)不足之處：分辨率低，受計(jì)算時(shí)窗影響，相干識(shí)別的斷點(diǎn)與剖面上真實(shí)斷點(diǎn)存在較大誤差；由于存在連續(xù)高相干特征現(xiàn)象，裂縫顯示比較模糊（見圖1）。

圖1 沿五峰組底相干體切片

方差體技術(shù)是在誤差分析理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要是通過計(jì)算平均地震道與道集內(nèi)地震道之間的方差值來獲取方差體，其結(jié)果突出了由異常地質(zhì)體或斷層所造成的地震異常反射。通過沿五峰組底方差體切片可以看出（見圖2），斷裂識(shí)別效果與相干體類似，相對(duì)大級(jí)別斷層識(shí)別準(zhǔn)確，但是對(duì)于微小斷層和裂縫還是無法識(shí)別，無法滿足隨鉆跟蹤精細(xì)研究需要。

圖2 沿五峰組底方差體切片

曲率是能夠反映地層撓曲程度的一種地震屬性，對(duì)較細(xì)微的巖層撓曲比較敏感，識(shí)別斷裂比較清晰。雖然曲率切片在分辨率上較相干切片有所提升（見圖3），但是信噪比相對(duì)較低，容易受噪聲的污染，且對(duì)大尺度斷裂刻畫效果一般。

圖3 沿五峰組底曲率切片

2 頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)

頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)包括約束最小二乘法頻譜分解技術(shù)［17-19］、頻率域多種不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)［20］、斷裂自動(dòng)追蹤技術(shù)等幾個(gè)完整流程的技術(shù)系列。該技術(shù)系列實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱地震異常響應(yīng)的斷裂識(shí)別，能更精確和更精細(xì)地提供斷裂信息，是一種基于地震道高分辨頻譜分解技術(shù)及多種不連續(xù)屬性對(duì)比分析技術(shù)的斷層識(shí)別與檢測(cè)技術(shù)。

2.1 技術(shù)原理

在過去的十幾年，頻譜分解在精細(xì)地質(zhì)解釋中得到了廣泛應(yīng)用，這是由于頻率變化的敏感性，許多細(xì)微的地層特征和含油氣性在不同的頻率段里得到更為精細(xì)的反映和識(shí)別。以往的頻譜分解方法存在一定的局限性，John Castagna教授通過修正傅里葉算法中窗口效應(yīng)等的限制，研發(fā)出一種更為優(yōu)越的算法——約束最小二乘頻譜分析法（CLSSA）。該方法采用迭代加權(quán)的最小二乘正則化反演，結(jié)合復(fù)數(shù)域的約束來提高精度和結(jié)果穩(wěn)定性。傳統(tǒng)算法中對(duì)正演的表達(dá)式為

式中：F為核矩陣；m為模型參數(shù)向量；d為加窗口分析的地震數(shù)據(jù)。

為了降低反演結(jié)果的多解性，對(duì)式（1）中的模型和數(shù)據(jù)分別引入對(duì)角矩陣Wm和Wd來進(jìn)行加權(quán)，逐步迭代 Wm。 則式（1）可變?yōu)?/p>

式（5）為模型和數(shù)據(jù)都加權(quán)的不適定反問題。該問題的求解可以變成式（6）的正定問題：

這種算法處理的結(jié)果不受計(jì)算時(shí)窗或者分析子波的時(shí)間分辨率限制，在擁有較高時(shí)間分辨率的同時(shí)，還保持了較高的頻率分辨率。該項(xiàng)技術(shù)使多種以前無法實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用構(gòu)想成為可能，包括更精細(xì)的地層與構(gòu)造成像、裂縫和斷層的檢測(cè)與定量化、地震資料頻帶寬度的拓展及更為準(zhǔn)確的烴類直接檢測(cè)。

與其他不連續(xù)性檢測(cè)屬性一樣，本文算法所提出的頻率域斷裂檢測(cè)屬性高度依賴于信噪比，因此，重要的是壓制噪聲處理。首先，在進(jìn)行構(gòu)造保持邊緣濾波提高信噪比的基礎(chǔ)上，采用約束最小二乘法頻譜分解技術(shù)的分頻算法，通過對(duì)數(shù)據(jù)體分頻并重構(gòu)，生成能反映不同尺度斷裂的多個(gè)特征頻率數(shù)據(jù)體；其次，對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)體分別進(jìn)行多種不連續(xù)屬性計(jì)算，利用對(duì)斷層敏感性較強(qiáng)的幾種屬性，如曲率體、相干體、傾角方位角和混沌體等生成各種高分辨率屬性體 （一般可以得到近百個(gè)不連續(xù)性屬性體），得到反映不同斷裂尺度的斷裂檢測(cè)屬性體；再次，利用自適應(yīng)主成分分析（APCA）技術(shù)對(duì)這些不連續(xù)屬性體進(jìn)行降維處理，生成能夠反映不同斷裂尺度的綜合斷裂檢測(cè)數(shù)據(jù)體；最后，進(jìn)行濾波、光滑等后處理，去除隨機(jī)噪聲，使得結(jié)果信噪比更高。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行斷裂自動(dòng)追蹤和識(shí)別描述。

利用自適應(yīng)主成分分析技術(shù)來計(jì)算不連續(xù)性綜合數(shù)據(jù)體的過程主要包括：1）基于所有不連續(xù)性屬性的協(xié)方差矩陣，通過歐氏距離計(jì)算各個(gè)成分的相似性，并基于每個(gè)成分選出與其相似性較高的成分，構(gòu)成多個(gè)成分子空間；2）計(jì)算時(shí)通過核密度估算各個(gè)成分的變異概率，選擇出變異概率最高的成分作為特征成分；3）挑選出與特征成分對(duì)應(yīng)的成分子空間，并構(gòu)造出綜合不連續(xù)性屬性數(shù)據(jù)體。

在實(shí)際工作中，頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)步驟為：1）對(duì)原始地震資料進(jìn)行檢查分析、保幅保真優(yōu)化處理來壓制噪聲，提高斷層和斷點(diǎn)顯示的清晰度，增強(qiáng)斷裂檢測(cè)處理的抗干擾能力；2）對(duì)疊后三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行高分辨率的頻譜分解，生成一系列的單頻數(shù)據(jù)體，得到相應(yīng)多個(gè)頻率的振幅體和相位體；3）對(duì)不同頻率的振幅體和相位體進(jìn)行邊緣增強(qiáng)，通過識(shí)別不同頻率上波形、振幅和相位等多種優(yōu)選的不連續(xù)性屬性，得到反映不同尺度的斷裂檢測(cè)屬性體；4）使用自適應(yīng)主成分分析法，得到最終的綜合斷裂檢測(cè)數(shù)據(jù)體（見圖4）。

圖4 頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)流程

為了更加直觀地表現(xiàn)頻譜分解技術(shù)對(duì)不連續(xù)性分析的貢獻(xiàn)，現(xiàn)利用最小二乘法頻譜分解技術(shù)將原始地震進(jìn)行頻譜分解，選取其中3個(gè)分別代表高、中、低頻譜的10，25，40 Hz單頻體進(jìn)行不連續(xù)性檢測(cè)。

對(duì)比分析可知，低頻體和中頻體對(duì)規(guī)模大一些的斷層識(shí)別效果非常好，而對(duì)規(guī)模相對(duì)小一些的斷層及裂縫體系識(shí)別效果就不是很明顯，甚至無法識(shí)別（見圖5、圖 6）。

圖5 頻譜分解10 Hz單頻體與不連續(xù)性檢測(cè)

圖6 頻譜分解25 Hz單頻體與不連續(xù)性檢測(cè)

高頻數(shù)據(jù)體對(duì)規(guī)模相對(duì)小一些的斷層及裂縫體系識(shí)別效果要比低頻數(shù)據(jù)體好，能識(shí)別更多的微小斷裂（見圖 7）。

圖7 頻譜分解40 Hz單頻體與不連續(xù)性檢測(cè)

利用高分辨率頻譜分解得到的高、中、低等不同頻率的單頻體進(jìn)行斷裂增強(qiáng)和檢測(cè)，同時(shí)，通過RGB融合技術(shù)將不同單頻體的斷裂檢測(cè)體綜合顯示在一張平面圖上，可以對(duì)多級(jí)別的斷裂特征及規(guī)模進(jìn)行描述，極大提高了對(duì)微小斷裂的精細(xì)刻畫能力（見圖8）。

圖8 斷裂檢測(cè)體RGB融合對(duì)多尺度斷裂精細(xì)成像

頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)的最大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，就是基于約束最小二乘法頻譜分解技術(shù)對(duì)不同頻率域的多種不連續(xù)屬性進(jìn)行計(jì)算，使得地震反射中的不同級(jí)別的不連續(xù)性得到更為清楚和準(zhǔn)確的反映和描述。具體來說，主要有以下特點(diǎn)：1）從頻率域入手，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)弱地震響應(yīng)不連續(xù)性的識(shí)別，更精確地提供斷裂信息，極大提高了斷裂網(wǎng)格系統(tǒng)的可解釋性。2）識(shí)別結(jié)果具有極高的垂向分辨率，對(duì)斷裂位置和斷距可以進(jìn)行精確的三維刻畫。3）對(duì)斷距微小、肉眼難以識(shí)別的走滑斷層具有較好的識(shí)別效果。

2.2 多尺度斷裂檢測(cè)效果分析

通過對(duì)地震進(jìn)行全頻率掃描，在一系列單頻體上進(jìn)行不連續(xù)檢測(cè)，從而得到能夠反映不同尺度的綜合斷裂檢測(cè)體?；谠摂嗔褭z測(cè)體沿層提取的龍馬溪組底—五峰組平面裂縫預(yù)測(cè)成果顯示（見圖9），該區(qū)為一多方受力的三角帶，具壓扭性特征。研究區(qū)存在裂縫相對(duì)集中的發(fā)育帶，其中主要的裂縫發(fā)育帶和區(qū)域大斷裂走向基本一致，裂縫走向和分布與較大級(jí)別的斷層方向基本吻合。

圖9 沿五峰組底頻率域多尺度斷裂檢測(cè)切片

在垂向上，通過Xline782測(cè)線地震與多尺度斷裂檢測(cè)剖面疊合可以看出，頻率域斷裂檢測(cè)能夠?qū)堮R溪組的小斷層及裂縫（包括疑似斷層、撓曲等形態(tài)）進(jìn)行精細(xì)解釋和刻畫，凸顯了地震在不同頻率上對(duì)不同級(jí)別斷層和裂縫的綜合識(shí)別效果（見圖10）。

圖10 Xline782測(cè)線地震與頻率域斷裂檢測(cè)疊合剖面

斷裂檢測(cè)綜合預(yù)測(cè)結(jié)果也經(jīng)過了實(shí)鉆井檢驗(yàn)，獲得了較好的預(yù)測(cè)效果（見圖11）。H1水平井在鉆井過程中鉆遇小斷裂，通過井震標(biāo)定，將過井疊前時(shí)間偏移剖面與斷裂檢測(cè)結(jié)果疊合在相應(yīng)的位置可以看出，在鉆遇小斷裂位置地震同相軸顯示微幅撓曲，振幅能量發(fā)生變化，被識(shí)別為斷層。與水平井實(shí)鉆地質(zhì)模型對(duì)比分析表明，地震預(yù)測(cè)斷層位置與實(shí)鉆模型斷層位置吻合非常好，說明多尺度斷裂識(shí)別結(jié)果具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖11 疊合剖面及隨鉆地質(zhì)模型對(duì)比

此外，根據(jù)不同尺度的斷裂分布特征，也可以精細(xì)研究斷裂活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖氣的保存與破壞作用［21-22］，分析龍馬溪組頁(yè)巖氣目的層微構(gòu)造及變化機(jī)制［22］，為精細(xì)裂縫建模［23］、測(cè)井評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層特征研究［24-28］提供資料基礎(chǔ)，為頁(yè)巖氣精細(xì)勘探開發(fā)提供依據(jù)。

3 結(jié)論

1）頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是增加了頻率域的多種不連續(xù)屬性信息，使得地震反射中不同級(jí)別的不連續(xù)性得到更為準(zhǔn)確、清楚的反映和描述。該技術(shù)能同時(shí)得到平面和剖面上多尺度斷裂系統(tǒng)的精細(xì)展布，比相干、曲率等傳統(tǒng)的斷層識(shí)別方法具有更高的分辨率和可靠性。

2）與其他斷層檢測(cè)方法相比，頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)斷層斷點(diǎn)準(zhǔn)確度更高，對(duì)剪切斷層、高角度斷層和微小斷層具有更強(qiáng)的識(shí)別能力。

3）頻率域多尺度斷裂檢測(cè)技術(shù)具有較高的創(chuàng)新性和實(shí)用性。該技術(shù)對(duì)不同頻率的不連續(xù)性細(xì)微變化較為敏感，因此最終的識(shí)別結(jié)果受限于地震資料品質(zhì)和成像的準(zhǔn)確度及精度。