冯小英，秦 琛，刘慧，郭增强，王一惠，耿立英

(1.华北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘 062552； 2.大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江 163414)



分频相干、形态指数技术在沁南东陷落柱解释中的应用

冯小英1，秦 琛2，刘慧1，郭增强1，王一惠1，耿立英1

(1.华北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘 062552； 2.大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江 163414)

煤层气地层中的陷落柱不利于煤层气的保存，又易引起井壁垮塌，影响钻井工程质量，尤其是水平井。陷落柱的存在严重制约了煤层气开发效率，因此准确判断尤其重要。以沁南东三维区为例，根据陷落柱在地震剖面上的特征，优选了分频相干、形态指数、方差体等地震属性，准确地预测了该区陷落柱的平面分布规律。与常规地震剖面圈定的30个直径100～300m陷落柱相比，应用分频相干、形态指数、方差体等属性技术，圈定直径20～0m的陷落柱达40个，修正了陷落柱的大小及形态。本区的精细解释结果为井位部署，尤其是水平井位部署提供了技术保障。在全区的200口开发井中，由于避开了陷落柱，使低效井比例由前期的28%降低到10%，有效提高了水平井质量及单井日产气量。

陷落柱、分频相干、形态指数、方差体、沁南东三维区

0 引言

沁水盆地煤层气开发中经常遇见陷落柱，尤其是在奥陶系灰岩岩溶发育矿区。针对煤层气藏, 陷落柱的存在既会破坏煤层的连续性, 又可导致相邻富水地层与煤层连通, 最终影响煤层气的保存[1]。另外也极易引起井壁垮塌，影响钻井工程质量,严重制约了煤层气开发的效率。因此,搞清陷落柱的分布规律, 对于提高煤层气的开采效率意义重大。相比较常规的陷落柱探查方法,利用地震属性综合分析能对陷落柱等构造异常体作更准确的判断[2-3],而目前瞬时相位、方差体、相干、最大反射强度、瞬时频率等属性是解释陷落柱中常用的几种属性[4-6]。以沁南东三维区(图1)为例，开展了陷落柱的地震识别技术应用研究。应用研究发现，常规的或单一的瞬时相位或方差体等属性，其解释结果并不尽人意，而经过目标处理或多方法结合后，能够克服各种扰性，避免多解性。

图1 沁水盆地南部勘探示意图Figure 1 A schematic diagram of prospectingin southeastern Qinshui Basin

1 陷落柱的地震响应特征

研究陷落柱的地震响应特征，需先了解陷落柱的成因与类型。

1.1 陷落柱的成因与分类

陷落柱是可溶性岩层在地下水强径流作用下，被溶蚀形成的空洞。随着空洞的不断增多、扩大，最终导致上部岩层垮塌陷落而形成的一种特殊地质构造。

典型的煤矿陷落柱按外形分四类[7]：椎体型、筒型、斜塔型、不规则型；根据陷落柱的塌陷程度不同，可分为通天柱、半截柱及下伏柱三类；按直径(d)分大、中、小三类：大(d>300m)、中(150～300m)、 小(d<150m)，高度一般从一百米到数百米不等。平面上一般表现为：圆形，椭圆形，或者不规则形。

1.2 陷落柱的地震响应特征

陷落柱的内部被各种松散物充填，填充物岩块杂乱无章，棱角明显，胶结程度不一，非均质性较强，其外侧的岩层通常裂隙也较发育。故陷落柱内的速度比围岩的速度要低[8]。 据此建立了直径为20、40、60、80m的筒型陷落柱地质正演模型[9-10]，使用30Hz主频的雷克子波，采用简单直观的成像射线追踪法。这种方法射线在地表面开始沿90°方向向下传播，在相交边界处按照Snell定律产生绕射，并穿过地下界面传播，可以克服煤层的屏蔽作用，得到完整的成像结果[11]，模拟不同大小陷落柱模型的地震响应特征(图2)。由图可见：随着陷落柱直径的增大，地震响应特征越来越明显。直径20m时，地震反射仅仅变弱，不易识别；直径40m时，地震反射表现为向下弯曲；直径80m时，地震反射明显中断、频率变低、相位会发生改变。

图2 不同大小陷落柱模型的地震响应特征Figure 2 Seismic response characteristics of different sizedsubsided column models

在沁南东三维实际地震剖面上，陷落柱的地震响应特征，除了变弱、向下弯曲、反射中断，还存在以下特征(图3)，如常伴有小断层出现，反射波形、频率发生变化， 出现绕射波等异常波等[12]， 这些都是直径大于百米的陷落柱。直径小于百米， 甚至小于50m的陷落柱地震响应弱，在地震剖面上肉眼难以识别。

图3 实际陷落柱的地震反射特征Figure 3 Seismic reflection features of actual subsided columns

2 陷落柱的地震识别技术

2.1 构造导向滤波技术应用

当陷落柱直径小于20m时，应用常规地震属性技术的检测效果不明显。鉴于此，对地震数据体进行目标处理就显得十分重要，尤其针对噪声严重的地震数据。用于去除噪声、提高信噪比的滤波方法很多[13]，如平均滤波、pc滤波等，但这些滤波方法在提高信噪比的同时，也模糊了横向不连续性。

针对这一问题，Hocker等提出了构造导向滤波[14]，该算法的关键是在处理过程中增加了地震反射界面倾角、方位角控制及地震反射横向连续性的判定功能，从而达到在不减弱横向信号的情况下增加地震资料的信噪比，实际资料经构造导向滤波后反射同相轴更加连续且陷落柱或断层变得更为清楚。同时构造导向滤波后的相干属性反映微陷落柱或断层的能力更强，直径小于10m的微陷落柱或落差5～10m的微断层在构造导向滤波剖面上较容易识别[14]。如图4中红箭头所示，通过对沁南东三维区地震资料进行处理后，陷落柱边界或断点更加清晰,为利用多地震属性识别陷落柱奠定了基础。

图4 处理前(上)后(下)剖面Figure 4 Sections before (above) and after (below) processing

2.2 地震属性识别陷落柱

2.2.1 分频相干属性

分频相干首先是通过付立叶变换将时间域地震资料转换成频率域振幅能量体或相位数据体, 然后在此基础上提取不同频率的相干属性。利用频率域信号对某些特定地质体地震信息变化规律反映更敏感的特性, 以表现一些细微的地质信息, 从而提高对不连续性地质体，如断层、陷落柱的解释精度。

如图5a为某任意线时间域地震剖面，除中间直径约200m的陷落柱可以清楚地观测到，其它小的陷落柱，均不易识别，从该时间域数据体所提取的3#煤层时间域相干平面图上(图5b),也只能观测到大的陷落柱。而通过将3#煤层上下各40ms时窗的时间域地震数据转换成频率域数据体后，在该任意线频率域剖面(图5c)上，在中间约200m直径大小的陷落柱两侧的短径20～80m的几个小陷落柱可以清楚地看到，从该频率域数据体所提取的沿3#煤层60Hz相干平面图上(图5d)，可以清楚地看出若干椭圆、小圆、圆点或不规则形状的微小陷落柱。

实例表明分频相干属性提取技术在识别微小陷落柱方面，效果确实优于单一常规的相干属性提取技术。

2.2.2 曲率类属性

曲率属性与相干属性类似，大部分目的都是为了描述断裂构造的，陷落柱与围岩之间也呈现断点特征。差别是断层在平面上是线形，而陷落柱呈圈形。因此，研究断裂分布的曲率方法，同样适用于陷落柱。

曲率属性用于描述地质体的几何变化[15]，与地震反射体的弯曲程度相对应，对岩层的弯曲、褶皱和裂缝、断层等反应敏感，是寻找地层构造特征的有效手段。当地层为水平层或斜平层时定义曲率为零，当地层为背斜时定义曲率为正，向斜时为负。层面弯曲变形越厉害，曲率的绝对值就越大。如果将这些构造变形如扰曲、褶皱等的定量结果与常规的断裂图像结合起来，就为利用构造变形来预测地质构造分布提供了可能[13]。

由于单一曲率的局限性，采用多尺度曲率属性的融合可以获得更加精确的地质构造信息。形态指数就是其中的一种。其公式如图6上所示，把极小曲率和极大曲率结合起来可以得到形态指数。该曲率能对形态进行准确定量定义，可描述与地层尺度无关的局部形态，换句话说，碗状物就是碗状物，无论汤碗大小，正着放置，还是倒置，形态不变，如图6所示,穹窿构造(背斜)和碗状构造(向斜)的形态指数绝对值为1。形态指数对特别微小的断层和线性构造等极为敏感，可用于指示小的断层和陷落柱。

(a)

(b)

(c)

(d)

碗状构造(basin)S=-1 谷状构造(synform)S=-0.5

鞍状构造(saddle)S=0 平面构造(plane)S=0

脊状构造(antherm)S=0.5 穹窿构造(dome)S=1

K2:maximum positve curvatureK2:maximum positve curvature

图6 不同地层构造对应的形态指数示意图

Figure 6 A schematic diagram of morphology indices corresponding to different strata and structures

通过该属性在沁南东三维区3#煤层的实际应用，形态指数属性可以有效的指示陷落柱的位置。如图7地震剖面显示出的A、B两个筒型陷落柱，在形态指数曲率平面图(图8)上，可以较清晰的识别。筒型陷落柱A在平面上表现为近椭圆形，筒型陷落柱B在平面上则表现为近月牙形。

图7 沁南东地震剖面上的陷落柱Figure 7 Subsided column on seismic section in southeastern Qinshui Basin

图8 3#煤形态指数曲率属性平面图Figure 8 Coal No.3 morphology index curvature attribute plan

2.2.3 方差体属性

方差体技术应用较广，它主要是对所求取的三维数据体所有样点的方差值进行分析研究[4]。根据陷落柱的地球物理与属性特征，陷落柱样点值与周边样点值差异明显，利用方差体属性也能较好的解释出陷落柱。图7中的筒型陷落柱A、B，在3#煤方差属性平面图(图9)中，也清晰可见，只是形状不如形态指数曲率属性显示的准确可靠。可见方差体属性仅可做为陷落柱的存在指示。

图9 3#煤方差属性平面图Figure 9 Coal No.3 variance attribute plan

3 应用效果

利用常规的地震剖面解释方法，在沁南东三维区共识别陷落柱30个(图10红圈)，直径在100～300m。陷落柱主要发育在北东向和近南北向的断裂带附近。而应用分频相干、形态指数、方差等属性，圈定陷落柱约70个，直径为20～80m(图10黑圈)。本区陷落柱的精细解释结果，为井位部署尤其是水平井位部署提供了有利的技术保障。根据该区陷落柱的解释成果，优化井位设计，共部署了约200口开发井，抽采数据表明，低效井比例由前期的28%降低到10%，有效提高了生产效率。

图10 3#煤陷落柱分布前后对比图Figure 10 Comparison of coal No.3 subsided column distributions before and after processing

4 结论

①构造导向滤波处理可改善地震资料的品质，更有助于各种地震属性技术在陷落柱识别中应用。利用处理后的数据所应用的曲率体属性中的形态指数属性在刻画边界有绕曲的陷落柱方面，效果更奇特，相比方差体属性，形态指数曲率属性在刻画频率、振幅有变化的陷落柱方面效果更好。

②基于组合技术的分频相干属性较常规的单一相干等技术，在精细刻画陷落柱方面效果更显著。

③每种属性都有其局限性与多解性，并不是有显示的地方都是陷落柱，因此只有剖面、平面相结合，预测与地质相结合，多属性相结合，才能去伪存真，优选有效属性刻画陷落柱的平面分布特征。

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Application of Frequency Division Coherent and Morphology Index Techniques on Subsided Column Interpretation in Southeastern Qinshui Basin

Feng Xiaoying1, Qin Chen2, Liu Hui1, Guo Zengqiang1, Wang Yihui1and Geng Liying1

(1.Geophysical Prospecting and Research Institute, CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu, Hebei 062552; 2.The Second Oil Production Plant, Daqing Oilfield Co. Ltd., Daqing, Heilongjiang 163414)

The subsided column in strata is disadvantageous to CBM accumulation and easy to cause well collapse, impacting drilling quality, especially in horizontal well. It is seriously constraining CBM exploitation efficiency, thus accurate judgment of its existence is particularly important. Taking the 3D seismic prospecting area in southeastern Qinshui Basin as an example, based on subsided column features on seismic section, have optimized seismic attributes of frequency division coherent, morphology index, variance cube, etc., and accurately predicted planar distribution of subsided columns in the area. Comparing with conventional seismic section have delineated 30 subsided columns with diameter 100～300m, while through this technology delineated 40 subsided columns with diameter 20～80m, and corrected their sizes and shapes. The precise interpretation in the area has provided technical support for well location deployment, especially for horizontal wells. Since subsided column avoiding has made proportion of inefficient well lowered down from previous 28% to 10%, thus effectively improved horizontal well quality and single well daily output.

subsided column; frequency division coherent; morphology index; variance cube; southeastern Qinshui Basin 3D seismic prospecting area

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.14

1674-1803(2017)05-0069-06

中国石油重大科技专项“煤层气地球物理综合评价技术研究”(编号：2013E-2202)资助

冯小英(1969—)，女，四川黔江人，1991年毕业于江汉石油学院勘查地球物理专业，2013获长江大学地质工程硕士学位，高级工程师，长期从事地震资料综合解释及储层预测。

2016-10-27

文献标识码：A

责任编辑：孙常长