塔里木盆地超深層走滑斷裂帶的地震識別方法

李相文 李景葉 劉永雷 陶春峰 張亮亮 張冠卿

(①東方地球物理公司研究院，河北涿州 072751；②中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；③中國石油大學(北京)CNPC物探重點實驗室，北京 102249；④東方地球物理公司物探技術研究中心，河北涿州 072750)

0 引言

中國西部塔里木盆地油氣資源豐富[1]，中、下奧陶統(tǒng)斷控縫洞型油氣藏是臺盆區(qū)主要的油氣藏類型，走滑斷裂破碎帶對油氣成藏具有控制作用。因此，如何識別走滑斷裂帶是地震勘探的關鍵問題之一。

根據(jù)《石油天然氣儲量計算方法》[2]，埋深大于4500m的地層定義為超深層。塔里木盆地富滿油田油氣藏埋深為7500～9000m，屬于超深層范疇。油氣勘探實踐表明，富滿油田具有大斷裂大油藏、小斷裂小油藏的特點，發(fā)現(xiàn)斷裂帶即發(fā)現(xiàn)油藏。因此，利用地震數(shù)據(jù)準確識別走滑斷裂帶是油田勘探與開發(fā)的一項重要工作。

富滿油田超深層目的層段地震資料品質差，斷裂破碎帶在地震剖面上呈能量不一、雜亂的反射特征，在平面上呈條帶狀展布，這是奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層的主要特點[3-4]。另外，還可呈“串珠”狀地震反射特征。富滿油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層油氣勘探中，強能量的“串珠”狀地震反射多與高產油氣井(石油產量約為100t/d)吻合[5]。條帶狀雜亂地震反射同樣是優(yōu)質儲層特征。強“串珠”反射在地震剖面上相對容易識別[6-9]，而條帶狀雜亂反射難以直接識別。

受構造運動抬升、風化和溶解等作用的影響[3]，走滑斷裂帶縫洞型儲層的非均質性強[10-14]。當?shù)卣鸩▊鞑ブ磷呋瑪嗔褞Щ虍惓５刭|體時，每個點都可成為一個繞射點。為此，處理人員嘗試應用不同的偏移方法提高非均質儲層的分辨率，如Kirchhoff偏移[15-16]、逆時偏移[17]、繞射波成像[17-18]、最小二乘逆時偏移成像[19]等。然而，這些方法對走滑斷裂的成像效果改進不明顯。

在地震資料解釋方面，最大似然、相干加強(AFE)、第三代本征相干、曲率等屬性廣泛用于斷裂識別[20-22]。這些屬性對一級走滑斷裂帶的識別有一定成效，但對次級走滑斷裂帶效果不好。根據(jù)走滑斷裂帶的地震響應特征，使用均方根振幅、振幅梯度、多數(shù)據(jù)融合預測[22]和結構張量[23]等識別走滑斷裂帶，仍然只能有效區(qū)分強“串珠”狀反射，而識別條帶狀雜亂反射特征的效果不明顯。利用微地震數(shù)據(jù)對大型地下空洞進行巖體分析[24-25]，并與地震數(shù)據(jù)聯(lián)合可以識別超深層走滑斷裂帶裂隙體，但該方法對井距有一定要求，而本文研究區(qū)內井距多為1～5km，最大可達10km，難以符合上述方法的要求。

近年來，學者們通過解釋性處理方法將走滑斷裂帶地震反射特征與地層結構特征分離，如地層結構特征壓制、斷溶體形態(tài)特征增強處理、炮點域疊前頻率劃分和頻譜延拓[17]等，可以在一定程度上有效地突出走滑斷裂帶地震反射特征。但該方法貫穿于數(shù)據(jù)處理到解釋整個過程，控制過程復雜，操作耗時。因此，迫切需要建立一套有效的方法，從地震資料解釋人員的角度識別走滑斷裂帶的地震響應，并對其進行有效表征。

為此，本文提出了一種組合方法，引入基于地震資料的傾角掃描數(shù)據(jù)，作為導向參數(shù)實施地震資料橫向濾波處理，通過數(shù)學運算增強走滑斷裂帶的地震響應特征。應用表明，該方法可以有效地識別強能量“串珠”狀反射和能量不一、雜亂地震反射特征，對走滑斷裂帶的識別具有明顯的效果，并在油氣勘探開發(fā)中取得了顯著的成效。

1 技術方法

1.1 原理

為了突出超深層走滑斷裂破碎帶與地層地震反射特征之間的差異，對地震數(shù)據(jù)實施穩(wěn)健地層傾角掃描；引入地層傾角結果并實施橫向濾波處理，求得平滑數(shù)據(jù)體，并以此作為局部區(qū)域內反映地層遭受斷裂破壞或溶蝕前的地層背景能量的數(shù)據(jù)體；求取它與原始地震數(shù)據(jù)之間的差值，增強微小斷裂帶地震響應在背景中的能量。該方法關鍵是獲取地層傾角數(shù)據(jù)，以及構建可引入傾角數(shù)據(jù)的橫向濾波器，并在局部區(qū)域內實現(xiàn)走滑斷裂帶特征的同步增強。

1.1.1 穩(wěn)健地層傾角掃描

以往地層傾角估算是在規(guī)則采樣網格中掃描，利用地震道之間的相似性獲取最大相似以估算地層傾角[26]，即

(1)

為了取代反射層傾角、方位角對應最大不連續(xù)掃描的假設，通過相鄰視傾角對(θx,θy)的相似性值[26-28]擬合二次曲面，其形式如下

a4θx+a5θy+a6

(2)

式中a1～a6為各項的系數(shù)。

然后，計算落入第i個窗口內的J條記錄道的相似性，即使用最小二乘法求解系數(shù)aj，獲取傾角估計值

(3)

由于這一相似性面是內插的，分析窗口有可能跨越了斷層，而斷層將反射層劃分為兩個不同傾角區(qū)。為了獲取改善的矢量傾角估算值，采用多分析窗口結構，除了中心窗口以外，還可對一組非中心、疊置的分析窗口進行掃描，所有窗口內部包含感興趣的分析點。再計算落在窗口的J條地震道的振幅方差

(4)

式中〈ui〉表示第i個分析窗口中u的平均值。當具有最小方差時，最小方差對應的窗口被設定為連續(xù)反射層的最佳窗口，并在此窗口估算反射層傾角。

1.1.2 地層傾角導向橫向平滑濾波

構建一個構造傾角導向平滑濾波器，先對三維地震數(shù)據(jù)體進行提高信噪比的預處理工作，然后對給定地震數(shù)據(jù)進行橫向地震道平滑處理。輸入的數(shù)據(jù)為提高分辨率或信噪比的預處理地震數(shù)據(jù)，以及通過穩(wěn)健地層傾角掃描獲得的Crossline方向和Inline方向視傾角數(shù)據(jù)。

構造導向橫向平滑濾波處理的目的是：沿地震反射層位獲取局部地層能量背景數(shù)據(jù)，通過濾波消除隨機噪聲并增強反射的橫向連續(xù)性。關鍵任務是區(qū)分反射層的傾向方位角和疊置在反射層上的噪聲。估算反射層的傾角和傾向方位角后，再采用一個濾波器增強沿反射層的信號。最常用的濾波有均值濾波器和中值濾波器。

1.1.3 增強走滑斷裂帶特征數(shù)據(jù)計算方法

儲層與圍巖之間地震波反射特征的差可以作為走滑斷裂帶非均質性數(shù)據(jù)。將構造導向橫向濾波后產生的數(shù)據(jù)等效為接近圍巖地震波反射特征的綜合響應，視為地層產生斷裂破碎前的狀態(tài)[23]。因此，從地震數(shù)據(jù)信息中扣除與圍巖相關的地震波形特征后則是斷裂破碎帶地震波反射特征。基本策略是原始地震數(shù)據(jù)減去構造傾角導向橫向濾波后的平滑數(shù)據(jù)，可在走滑斷裂帶非均質屬性數(shù)據(jù)的視相位與原始地震數(shù)據(jù)的相位保持一致的情況下，求得走滑斷裂破碎帶非均質屬性數(shù)據(jù)

dH(t)=draw(t)-umedian(t)

(5)

式中：draw(t)是原始地震數(shù)據(jù)；umedian(t)為中值濾波器處理后的橫向平滑地震數(shù)據(jù)。

一般而言，當?shù)貙觾A角和主方位角相對穩(wěn)定且橫向振幅相對均一時，適合采用中值濾波器；當?shù)貙觾A角和主方位角橫向變化劇烈且地層振幅存在較大變化時，適合采用均值濾波器。

1.2 方法流程

根據(jù)區(qū)塊地震資料品質情況，方法實現(xiàn)可分為四個主要步驟。

(1)對地震數(shù)據(jù)做預處理，目的是提高數(shù)據(jù)的信噪比，為下一步地層的傾角、方位有效掃描做準備。當?shù)卣鹳Y料品質較低時，需要進行預處理，如時相振幅譜分析[29]、反Q濾波器[30]、自適應時間重采樣高分辨率同步壓縮變換[31]、帶通濾波、地震道間加權平均和傾角掃描疊加等。可以采用單個預處理任務，也可以是多種預處理方法的組合。

(2)根據(jù)預處理數(shù)據(jù)實施地震道掃描求得傾角和方位角，作為下一步計算的數(shù)據(jù)輸入。

(3)基于預處理數(shù)據(jù)實施傾角導向的橫向濾波處理，目的是獲得局部區(qū)域的地層背景數(shù)據(jù)。

(4)求取橫向濾波數(shù)據(jù)各地震道與原始地震數(shù)據(jù)之間的殘差，殘差數(shù)據(jù)反映致密地層中的走滑斷裂帶非均質縫洞體特征。

2 模型驗證

為了驗證方法的有效性，建立一個同時包含地層構造(橫向劇烈變化)、縫洞體、走滑斷裂帶的模型(圖1)。

地層和縫洞體的充填速度均來自于研究區(qū)聲波測井和VSP測井資料。地層自上而下分別為泥巖(4300～4500m/s)、灰?guī)r(5500m/s)和高速層(6200m/s)。縫洞體充填速度為4600～5300m/s，走滑斷裂帶速度為5190～5500m/s。不考慮地層速度隨埋深的變化(平均小于10m/s)。

縫洞體系等效地質體尺寸相同(均為20m×15m)，等效充填平均速度如表1所示，用于模擬小斷裂、縫洞綜合體在不同規(guī)模孔隙下的地震響應。

表1 模型中地質體充填速度參數(shù)

初始化速度采樣參數(shù)分別為道間距6m、采樣率1ms，正演數(shù)值模擬采用褶積算法。同時，考慮實際地震資料品質，通過多次調整和添加噪聲參數(shù)，使模擬剖面的特征與實際地震資料一致。

由圖2a可見，通過地震正演模擬，1～5號地質目標基本可以分辨；6、7號地質目標較難分辨；8號地質目標的頂部較難分辨，中部和底部因波阻抗差比頂部大而可分辨。圖2b為本文方法計算所得走滑斷裂帶非均質地震響應數(shù)據(jù)。與地質模型(圖1)相比，斷裂破碎帶、點狀地質體和條形地質體的位置吻合較好；1～8號地質目標均可清楚分辨；在藍色箭頭所指位置，可見斷裂帶特征，特別是8號目標斷裂帶頂部正花狀構造的3條分支斷裂，在非均質地震數(shù)據(jù)中得以清楚顯現(xiàn)。6、7號地質目標在正演剖面(圖2a)中被淹沒在地層能量背景之中，而在斷裂帶特征識別數(shù)據(jù)中的地震響應得以突現(xiàn)(圖2b紫色箭頭所指位置)。

圖1 地質模型(a)及局部(黑虛線框)放大顯示(b)

圖2 正演地震剖面(a)和本文方法地震剖面(b)對比

模型數(shù)值正演表明，本文方法能有效分辨地層中的不同尺度斷裂特征，并能夠分辨被淹沒在地層能量背景下的縫洞體。

3 實際資料應用效果

目前，塔里木盆地奧陶系已發(fā)現(xiàn)的斷控型油氣藏埋深主要在7500～9000m。以北部坳陷富滿油田富源Ⅲ區(qū)塊為例，測試本文方法應用效果。

研究區(qū)走滑斷裂具有縱向分層、平面分區(qū)、沿走向分段特征，橫向位移小，埋深大。在走滑斷裂生長過程中，應力的變化導致碳酸鹽巖脆性地層破碎，形成了橫向上具有一定寬度的走滑斷裂破碎帶，破碎帶相關非均質儲層的分布與斷裂帶的展布具較好的對應關系。

由圖3a可見，在富源Ⅲ區(qū)塊垂直斷裂走向的原始地震剖面上，走滑斷裂縱向上分三段(紅色線條)；目的層頂?shù)絻饶环瓷鋵又g斷裂特征不清楚(藍色虛線框處)；內幕反射層之下呈“串珠”狀反射特征(藍色箭頭位置)。而用本文方法處理后的地震剖面(圖3b)上，斷裂特征清晰，自下而上發(fā)育一條走滑斷裂(紅色線條)，兩側與斷裂破碎相關的異常體地震響應明顯；斷裂破碎帶內部發(fā)育多個 “串珠”狀反射(粉色箭頭位置)且相互之間存在一定關聯(lián)。

圖3 富源Ⅲ區(qū)塊垂直斷裂方向的原始(a)和本文方法(b)地震剖面對比

由圖4a可見，在富源Ⅲ區(qū)塊沿斷裂走向原始地震剖面上，目的層以下地層呈雜亂地震反射，難以識別走滑斷裂，大約可見2個“串珠”狀反射目標。而用本文方法處理后的地震剖面(圖4b)上，目的層以下斷裂特征清晰，發(fā)育規(guī)模性“串珠”狀反射目標，相比原始地震數(shù)據(jù)增加了5個“串珠”狀反射目標。其中，①號目標由一系列不同尺度“串珠”狀反射組成，②號目標可能與新識別的⑥號目標存在關聯(lián)。由此表明本文方法的走滑斷裂帶地震響應數(shù)據(jù)對非均質地質體的分辨能力有明顯提升。

圖4 富源Ⅲ區(qū)塊沿斷裂走向原始(a)和本文方法(b)地震剖面對比

另外，根據(jù)原始地震資料沿層提取目的層的均方根振幅屬性，只能分辨部分規(guī)模大的走滑斷裂帶。由于受到東南側和西北側片狀強反射背景的干擾，走滑斷裂帶內非均質儲層引起的波組響應特征均被淹沒在背景之中，只能刻畫出3條NE-SW向和2條NW-SE向斷裂帶，總長度約為51.60km(圖5a)。基于原始地震數(shù)據(jù)解釋性斷層增強處理數(shù)據(jù)的相干屬性(圖5b)可見不同級別NE-SW向的走滑斷裂帶，同時發(fā)育NW-SE向的走滑斷裂帶，總計5組NE-SW向斷裂帶、2組S-N向斷裂帶和1組NW-SE向斷裂帶，總長度約為89.80km。而根據(jù)本文方法所成數(shù)據(jù)(圖5c)不但能區(qū)分大型斷裂破碎帶及內部各斷裂分段間的相對關系，同時可識別小級別斷裂。原始數(shù)據(jù)中片狀強反射背景的干擾得到壓制，斷裂帶非均質特征得以顯現(xiàn)。據(jù)此，共識別7組NE-SW向斷裂帶、3組S-N向斷裂帶和3組NW-SE向斷裂帶，總長度約為164.50km，相比以往長度增加了74.70km(圖5c)。

圖5 富源Ⅲ區(qū)塊奧陶系不同數(shù)據(jù)體(左)及其走滑斷裂識別結果(右)對比

根據(jù)本文方法處理后地震數(shù)據(jù)斷裂帶識別結果部署WF5井(預探井)。在原始地震剖面上，只見一個獨立的“串珠狀”反射異常(圖5a、圖6a)，不具備高產目標的特征。而本文方法處理后地震數(shù)據(jù)(圖6b)可見，該區(qū)處于走滑斷裂帶，是有利目標。鉆井證實發(fā)育優(yōu)質縫洞儲層，日產油超過190m3，日產氣超過53000m3，產能穩(wěn)定。由此表明，實鉆結果與本文方法地震數(shù)據(jù)匹配較好。

圖6 WF5井原始(a)與本文方法(b)地震剖面對比

4 結束語

本文提出的超深層碳酸鹽巖走滑斷裂非均質地震響應識別方法分四步實現(xiàn)。核心方法是應用穩(wěn)健傾角掃描數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)實施地質導向的橫向濾波，去除背景，增強走滑斷裂破碎帶的地震響應特征。勘探實踐證明，本文方法對于縫洞型油藏效果較好。

該方法同樣可以用于重、磁、電勘探數(shù)據(jù)的處理，也可推廣應用于工程地質災害調查。

本文方法的應用效果與地震數(shù)據(jù)的質量密切相關，因此進行數(shù)據(jù)保真度處理至關重要。需要注意的是，根據(jù)地震資料品質的需要，處理方法不限于加權混合。