基于傾角導向濾波控制的似然屬性方法在斷裂識別中的定量表征

張 璐，何 峰，陳曉智，祝彥賀，韓 剛，李祺鑫

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

斷層是巖層或巖體順破裂面發(fā)生位移的地質(zhì)現(xiàn)象，是控制含油氣盆地油氣生成、運移、聚集、保存和分布的重要因素［1-3］。當斷層垂向斷距小于10 m時，受地震分辨率的限制，應(yīng)用相干、曲率等常規(guī)地震屬性技術(shù)的檢測效果不明顯［4-7］。隨著油氣田勘探開發(fā)步入后期階段，微小斷層對不完全受構(gòu)造控制的構(gòu)造-巖性氣藏分布及儲層物性改造起到了關(guān)鍵作用。因此，提高微小斷層識別及解釋精度對致密氣勘探開發(fā)具有重要意義。

目前，傾角導向體的方法已日趨成熟，已有多種實用技術(shù)和軟件可以實現(xiàn)，例如：Event 方法、BG Fast 方法、FFT 方法等。傾角數(shù)據(jù)體的算法有很多，主要包括復數(shù)道分析法、在離散掃描算法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的穩(wěn)健算法和梯度結(jié)構(gòu)張量算法等［8-10］。前人多利用基于傾角控制的構(gòu)造導向濾波方法在保持地震波反射同相軸有效信息的基礎(chǔ)上進行隨機噪聲壓制，增強同相軸橫向連續(xù)性，提高地震資料信噪比及斷點識別精度，不僅在微小斷層識別方面取得了顯著的成效［11-14］，而且在砂體空間雕刻過程中也有效地提高了目標砂體的辨識度［15］。

綜上所述，前人利用傾角控制的構(gòu)造導向濾波方法主要應(yīng)用在提高地震信噪比、斷層識別精度以及目標砂體辨識度等方面，尚未有學者在識別出斷層的基礎(chǔ)上進一步指出斷層與噪音的值域范圍，以及利用得到的似然屬性進一步開展裂縫連通性分析等。本文在傾角導向濾波控制的地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提取似然屬性達到識別斷層的目的，并在似然屬性數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上進一步量化隨機噪聲與斷層的閾值，計算裂縫密度和連通性，以期對水平井軌跡設(shè)計及壓裂方案優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 方法原理

1.1 傾角導向處理

實際的地質(zhì)目標體在構(gòu)造地質(zhì)學上包含走向和傾向2 個方向?qū)傩裕诨跀?shù)據(jù)體的屬性計算、層位自動追蹤及斷層自動檢測中，若不考慮實際地質(zhì)體的傾角和方位角，計算或追蹤的精度會受到嚴重影響［16］。傾角導向體是一種遵循局部傾角和方位角變化進行多道屬性計算和濾波器響應(yīng)計算的技術(shù)。利用傾角導向可以直接生成導向體，導向體包含空間每一個采樣點的傾角和方位角信息，在多道屬性處理及濾波時利用導向體來表示地質(zhì)目標體的空間展布，從而提高目標體和斷裂檢測的精度（圖1）［17-18］。這里的傾角控制表示同相軸的橫向變化趨勢，與具體角度無關(guān)，傾角導向計算公式為

圖1 傾角全控制示例（a）、傾角控制下提取屬性方式模型（b）Fig.1 Example of full dip control（a）and attribute extraction model under dip control（b）

式中：Dip為視傾角，表征地層的傾斜程度，正值表示同相軸下傾，值越大，下傾的程度就越大，負值表示同相軸上揚，絕對值越大，上揚的程度就越大；T為垂向上的時間，μs；x為橫向上的距離，m。

1.2 斷層似然屬性

斷層似然屬性（Likelihood）是一種基于相似性的算法，從地震數(shù)據(jù)體計算得到反映斷層發(fā)育位置的一種屬性。斷層通常由地震同相軸不連續(xù)表征，即地震道間的不相似性，相似值越低，斷層響應(yīng)特征越明顯。具體公式為

式中：semblance為地震道間相似性屬性，其值為0～1；＜*＞S表示計算括號內(nèi)采樣點的構(gòu)造導向均值；＜*＞f表示沿斷層走向方向平滑，平滑后的分子遠小于分母，semblance值更小，這樣對強反射處的局部不連續(xù)表征更明顯；F為斷層似然屬性，其值為0～1。相似性屬性的8 次方增強了F低值與高值之間的差異，使斷層的線狀特征更加明顯［19-21］。

2 效果分析

本文在傾角導向體約束下，采用在中值濾波后的地震數(shù)據(jù)中提取似然屬性的方法，開展微小斷層識別工作，具體流程如圖2 所示：首先，疊后三維地震數(shù)據(jù)體基于快速傅里葉變換（FFT）的數(shù)學算法，采用全控制計算方式，即沿著構(gòu)造方向在每一個地震道的位置上都調(diào)整傾角和方位角，得出一個包含空間每一個采樣點的傾角和方位角信息的傾角導向體；其次，在傾角導向體的控制下對原始地震數(shù)據(jù)進行中值濾波，使同相軸的一致連續(xù)性得到增強，壓制隨機噪聲；再次，在濾波后的數(shù)據(jù)體上提取斷層似然屬性，或者對濾波后的數(shù)據(jù)進行斷層邊界增強后再提取斷層似然屬性，使斷裂線狀響應(yīng)特征更加清晰；最后，基于工區(qū)地質(zhì)背景，將所得到的斷層似然屬性與斷層地震響應(yīng)特征相結(jié)合，達到識別微小斷層的目的，開展精細構(gòu)造解釋工作。

圖2 微小斷層識別技術(shù)流程圖Fig.2 Flow chart of micro fault identification technology

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部，地層變形微弱，構(gòu)造發(fā)育平緩，閉合幅度小于20 m。斷層整體規(guī)模較小，多發(fā)育層間小斷層，剖面上斷層垂向斷距小，多小于10 m，且傾角大，大部分呈近90°的特征；平面延伸較短，0.3～5.0 km 不等，屬于微小斷層范疇［圖3（a）］。研究區(qū)地震資料受隨機噪聲和采集腳印等因素影響較大，信噪比低，地震資料頻帶寬度為10～50 Hz，主頻為30 Hz，利用常規(guī)的相干手段難以開展斷層識別工作。

利用傾角導向體約束下的中值濾波后的地震數(shù)據(jù)進行斷層識別。從圖3 可以看出，在傾角約束下中值濾波后的剖面較原始地震剖面，隨機噪聲得到了有效壓制，不僅削弱了局部雜亂反射，增強了同相軸的橫向連續(xù)性，而且保留了斷層邊緣細節(jié)信息，斷層邊界受濾波作用變得更加“干凈”，斷層反射特征更加清晰，更有利于構(gòu)造目標的精細解釋，提高了斷裂檢測的精度。

圖3 處理前、后地震剖面對比Fig.3 Comparison of seismic sections before and after processing

基于處理前、后的地震資料進行斷層屬性分析，可以看到斷層的平面響應(yīng)清晰程度存在差異。從地震屬性沿層切片（圖4）可以看出，對原始地震數(shù)據(jù)直接進行相干屬性沿層提取，噪聲干擾很大，斷層的分辨率大大降低，無法區(qū)分相干異常區(qū)是斷層還是巖性亦或是兩者疊加，而基于傾角約束中值濾波后的地震數(shù)據(jù)提取相干沿層切片，對平面延伸短、垂向斷距小的斷層成像更加清晰，由斷層導致的線性響應(yīng)特征一目了然。

不僅如此，剖面上的斷層分辨率也得到了很大提高。從圖5（a）可以看出，受噪聲的影響，原始地震相干剖面難以識別出斷層的響應(yīng)特征，而對基于傾角約束中值濾波后的地震數(shù)據(jù)進行似然屬性提取，背景干擾得到了一定的壓制，斷層整體線性特征顯得更加明顯，將似然屬性中屬于斷層的值域保留，其他值域調(diào)至透明色疊加到振幅剖面上，在該結(jié)果上開展微小斷層的解釋工作會相對容易且可靠［圖5（b）］。

圖4 地震屬性沿層切片F(xiàn)ig.4 Seismic attribute slices along layer

圖5 地震屬性剖面Fig.5 Seismic attribute sections

當然，似然屬性體雖能清晰地反映線性異常，但該異常多是由于受到斷層與噪聲雙重因素的影響，結(jié)合地質(zhì)背景分析，明確斷層性質(zhì)及平面展布特征，通過確定斷層與噪聲閾值，在似然屬性體基礎(chǔ)上提取斷層體與噪聲體，并將二者分開，分析認為似然屬性值＜0.3為噪聲，≥0.3為斷層（圖6）。

在得到的斷層體基礎(chǔ)上，通過進一步計算裂縫密度和連通性，可以對斷裂發(fā)育情況進行半定量—定量的描述，能夠全方位多角度地認識裂縫在平面、剖面和三維立體空間的展布特征。通過調(diào)整不同掃描半徑計算得出最合理的屬性結(jié)果，表征裂縫密度，具體計算過程為由掃描半徑內(nèi)得到的單位圓內(nèi)反映斷裂的地震道數(shù)量除以單位圓內(nèi)全部地震道數(shù)量，可相對表征斷裂發(fā)育程度（圖7）。

圖6 似然屬性平面展布圖Fig.6 Plane graphs of likelihood attribute

圖7 裂縫密度計算原理圖Fig.7 Schematic diagram of fracture density calculation

為了得到合理的裂縫密度，掃描半徑參數(shù)的選取尤為重要，通過對掃描半徑為50 m，100 m，150 m測試得到的裂縫密度分布圖（圖8）可看出，掃描半徑值越大，單位圓內(nèi)能夠反映斷裂的地震道數(shù)量就越多，在單位圓內(nèi)全部地震道數(shù)量恒定不變的情況下，反映斷層周圍發(fā)育的裂縫帶越寬。掃描半徑過大會導致反映的裂縫并非全部都為同一條主干斷層產(chǎn)生的裂縫帶，存在包含其相鄰的主干斷層產(chǎn)生的裂縫的問題，這樣計算出來的裂縫帶寬且不準確［圖8（a）］，而掃描半徑過小就會出現(xiàn)單位圓內(nèi)不能包含有同一條斷層產(chǎn)生的全部裂縫，這樣計算出來的裂縫帶窄也不準確［圖8（b）］。因此，要結(jié)合研究區(qū)斷層發(fā)育程度及規(guī)模，選取合適的掃描半徑，得出合理的反映裂縫發(fā)育程度結(jié)果，在本區(qū)以掃描半徑100 m為最優(yōu)［圖8（c）］。

圖8 基于似然屬性不同掃描半徑下的裂縫密度Fig.8 Fracture density under different scanning radius based on likelihood attribute

圖9 基于似然屬性計算裂縫密度與連通性Fig.9 Calculation of fracture density and proximity based on likelihood attribute

圖9 為基于似然屬性計算的裂縫密度與連通性。圖9（a）中紅色區(qū)為裂縫高密區(qū)，綠色為裂縫低密區(qū)，其裂縫發(fā)育帶與斷層展布趨勢一致，即靠近斷層處裂縫密度最大，這與誘導裂縫帶多發(fā)育在靠近斷層主斷面的觀點一致，同時從側(cè)面證實了該屬性的合理性；斷裂的連通特征與斷層發(fā)育位置基本一致，斷層處連通性高，斷層伴生的小斷裂處連通性中等，孤立小斷裂處連通性差［圖9（b）］；小斷裂發(fā)育位置及裂縫密度與斷層匹配性較好，多發(fā)育在構(gòu)造相對高部位，伴生斷層發(fā)育，屬構(gòu)造裂縫，其屬性結(jié)果與區(qū)域構(gòu)造分析一致驗證了該技術(shù)的有效性［圖9（c）］。

3 結(jié)論

（1）基于傾角導向體約束下的中值濾波方法，不僅有效壓制了隨機噪聲，增強了地震同相軸的橫向連續(xù)性，而且保留了原始地震資料中的斷層邊緣細節(jié)信息，濾波作用導致斷層邊界變得更加“干凈”，斷層的異常響應(yīng)特征更加明顯。解決了常規(guī)相干呈現(xiàn)雜亂模糊響應(yīng)及斷層、巖相變化無法區(qū)分的問題，可以準確高效地幫助解釋人員識別微小斷層，提高地震解釋的精度及可信度。

（2）基于似然屬性體，確定隨機噪聲與斷層的閾值，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)分析認為似然屬性值＜0.3 為噪聲，≥0.3 為斷層。利用斷層體計算裂縫密度和連通性，可以對斷裂發(fā)育情況進行半定量—定量描述，能夠全方位多角度地認識裂縫在平面、剖面和三維立體空間的展布特征，對水平井軌跡設(shè)計及壓裂方案優(yōu)化提供了技術(shù)支撐。