断裂及其裂缝发育带三维空间刻画技术

2022-08-01梁志强李弘唐金良

断块油气田 2022年4期

梁志强，李弘，唐金良

（中国石化石油物探技术研究院，江苏南京 210014）

0 引言

断裂及其控制的裂缝发育带本身就是重要的储油气空间，从叠后地震剖面上可以看出，沿着断裂带的分布常常发育着许多“串珠状”的缝洞型储层［1-2］。同时，断裂和裂缝发育带为埋藏期溶蚀性流体提供了运移通道，沿断裂及其裂缝带发育着大量溶蚀缝，这对岩溶储层发育有十分重要的作用。实际钻井证实，断裂及其裂缝发育带是高产井和稳产井的重要分布区域［3-4］。传统断裂-裂缝识别方法包括相干类属性［5］、曲率类属性［6-7］及蚂蚁体属性［8］等。这些属性都是基于地震同相轴上的“错断”或者“弯曲”变形来预测断裂-裂缝的空间发育形态，在勘探初期对于断裂-裂缝的识别起到了较好的效果［9］，但是随着油气田勘探开发程度越来越高，单纯依靠传统单一属性方法已无法满足油田“少打井，打高产井”的高效开发需求［10］。

本文以某走滑断裂的岩溶缝洞型油藏为例，以高精度三维叠后地震资料为基础，开展多尺度相干、多尺度曲率、地震张量、蚂蚁体、likelihood属性（最大似然估计）等进行组合，从断裂带的长度、宽度、走向、边界、内幕等方向开展了应用研究，显著提升了断裂及其裂缝发育带的外部轮廓和内幕结构的有效识别精度，具有重要的借鉴和推广意义。

1 基本思路

断裂带又称为断层带，其地质要素包括断层面、断层线、断盘、断距等［11-13］。断裂及其裂缝发育带在常规的地震属性上（如振幅变化率、相干等属性）都有不同程度展示［4］，但是对断裂带的三维精确刻画和储层内幕的有效识别仍需开展进一步的研究。按照地震的可识别程度，把断裂带的识别分为长度、宽度、方向、边界、内幕等特点，把所有的信息按照三维空间综合展布，就可以实现一个断裂及其裂缝发育带的三维综合刻画（见图1）。

图1 断裂及其裂缝发育带的精细刻画技术流程

在三维叠后地震数据的基础上，以强反射分离（去除）为解释性处理手段，以相干属性为断裂及其裂缝发育带的基本属性，开展多尺度曲率参数优选、方位蚂蚁体、likelihood等属性的计算和组合，得到断裂带的宽度、方位、长度及精确的边界。具体的创新性做法是：以相干的边界为约束，开展多尺度曲率参数的优选，得到准确的断裂地震宽度；以相干属性的断裂带发育方位为标准，开展叠前方位叠加体的蚂蚁体计算和优选，得到以蚂蚁体属性刻画的断裂带的走向和长度；开展基于地质认识下的likelihood属性计算和参数优选，得到精确的断裂带边界；开展地震张量等多属性组合，实现断裂带缝洞储层内幕的识别。本研究形成了一套断裂及其裂缝发育带的三维空间刻画技术，为类似断裂-裂缝发育带的精细识别和雕刻提供指导和借鉴。

阿克库勒凸起为下古生界奥陶系碳酸盐岩大型褶皱-侵蚀型潜山，在凸起部位的主体区，大量发育产状不规则、延伸较短的小断裂；海西早期在南北向的压扭应力作用下，阿克库勒北东向鼻状凸起进一步发育，并形成了阿克库木、阿克库勒等近东西走向的背冲断裂及与之相配套的北东和北西向剪切断裂。研究表明，斜坡区内幕岩溶储层发育类型为断控岩溶储层［14-18］。

2 断裂及其裂缝发育带的精细刻画

2.1 强反射去除

对于断裂及其裂缝发育带的精细刻画，最重要的地质要素即为断裂带边界的确定。在地质要素中断裂带的边界被表述为断层面，常规的大型断层面采用构造解释的办法即可获取，但是对于复杂的断裂带，尤其是塔河这种被上层岩溶影响的复杂断裂带，常规的构造解释很难获取到太多有用的信息；因此，开展强反射去除的解释性处理，以得到断裂带及其裂缝发育带的精确刻画。

强反射去除的核心技术是利用匹配追踪算法，以输入层位为基准，根据最佳匹配准则匹配局部最优子波。局部最优子波的时窗长度都由局部实际信号来确定，最优子波代表了信号的局部特征。在现有方法技术基础上，加入变分离系数作为约束，优化计算流程，通过强反射压制后，突出了断裂带内幕的储层特征，储层属性刻画更加清晰［19］。

算法基本表达式：

式中：f为希尔伯特空间里的任意信号；＜f，gγ0＞为原始信号f与第1次迭代时所选奇函数的内积；R1f为第1次迭代后所产生的残差。

由图2可以看出，在塔河等强断裂带区域，强反射分离的重要作用就是把强反射同相轴的影响消除，进而得到清晰、准确的溶洞边界。

图2 强反射去除前后的剖面

由图2c也可以发现，由于强反射分离的结果，溶洞的边界被大大增强了，在整个地震剖面上也清晰了许多，这对后续的曲率、相干或者likelihood等地震属性的检测是有利的。

2.2 断裂及其裂缝发育带的边界

likelihood属性（L）是建立在最大似然原理的基础上的一个统计方法，是概率论在统计学中的应用。技术思路是：将原始地震数据沿着一组走向和倾角，计算每一点最低的相似度，计算同相轴连续性。它对小断层及裂缝有很好的识别能力，原理［20］为

式中：Sem为以突出断裂识别为导向的相似性属性，范围0～1。

Sem的具体公式为

式中：g为三维地震数据体；（·）s为对括号内地震数据体进行构造导向平滑；[·]f为沿断裂走向、倾向再进行一次滤波。

算法优势主要为：原始地震数据包含了倾角、方位角等信息，可对每一个包含倾角、方位角信息的采样点计算其相似性值；对每一个点只保留最小的相似性值（称之为最大似然体）及对应的倾角、方位角值；针对相似性作全区归一，使之更能够反映断层的线性关系。

likelihood的结果就是裂缝的最大可能发育的区域，其计算数值的大小代表了裂缝在整个三维空间中不同方向、倾向、倾角上的最大可能。在计算流程中选择叠后高精度地震数据开展空间扫描（倾角扫描区域为0°～90°，走向角扫描区域为0°～360°），进而计算出整个三维地震中所有可能裂缝的likelihood值。

由图3可以看出：likelihood值刻画了断裂带的边界，断裂从底部向上一直穿过上层石灰岩的强同相轴区域，在空间上进一步向上延伸。在石灰岩下部的缝洞发育区，likelihood检测的边界与溶洞强振幅产生的地震边界基本相同，并且把各个地层中发育的溶洞边界均进行了连接，甚至检测到延伸至断裂带深层缝洞储集体的边界。

图3 地震剖面及断裂带的边界刻画展示

将三维叠后地震数据体沿着likelihood属性的大致边界进行切割，只留下断裂带内的地震数据，即可得到断裂及其裂缝发育带的三维空间数据（见图4）。

图4 断裂及其裂缝发育带的三维展示

2.3 断裂及其裂缝发育带的宽度

断裂带的宽度，不仅仅是2个断层面之间的距离，还包括断裂带内岩石的破碎带的宽度。它取决于断裂的规模大小、活动地质时期、活动的方式及其受力状态和性质等，一般从几米至几百米不等。

一般而言，压性或压扭性断裂带比单纯剪切性质的断裂带要宽。在一些大型的断裂带内，由于被不同地质时期各个方向的力挤压或者拉伸，整个断裂及其裂缝发育带会变得更加错综复杂。

塔河的走滑断裂由于岩溶发育，相干、振幅变化率等属性所展示的平面结果大多是岩溶的缝洞、古河道的边界，非真正的断裂带边界。为此，开发了基于相干约束的多尺度曲率属性技术，得到了断裂及其裂缝带的真实地震宽度。

多尺度曲率算法是在多谱体曲率属性的计算中引入了波数域的分数阶微分形式Dx，基本原理［21-22］为

式中：u（x）为输入的地震信号；F（）为傅里叶变换；kx为复波数；i为；T（ kx）为频率波数域的高通滤波；α为不同空间波数域尺度因子。

随着空间波数域尺度因子变化，多尺度曲率刻画断层、储层岩性边界及内部特征尺度也有所不同［10］，多尺度曲率的平面及剖面计算结果见图5、图6。

图5 多尺度曲率的沿层切片计算结果

图6 多尺度曲率剖面计算结果

以本征相干得到的断裂带的大致宽度为约束，开展多尺度曲率属性的计算，得到一组不同尺度的曲率计算结果，优选与断裂的相干属性宽度最接近的一组结果，记为多尺度曲率中的曲率最优解，即曲率计算结果得到的宽度为断裂带的真实宽度（见图7）。需要指出，该断裂带的宽度为地震响应下的宽度，真实的地质宽度与地震宽度存在一定的校正系数［1］。

图7 相干边界约束

2.4 断裂及其裂缝发育带的走向和长度

断裂带的走向是描述断裂整体发育状态的一个重要地质要素，实现断裂带在三维空间的走向刻画，需要刻画出断层面的走向、倾向和倾角，也需要刻画出断层线的延伸走向，断裂带的长度是在工区范围内的延伸长度。由图8可以大致发现，走滑断裂带整体呈X形发育，在工区主要存在北东向和北西向2组断裂。为了更加精确刻画断裂的走向和长度，引入了方位蚂蚁体。

图8 断裂带的大致走向

蚂蚁追踪算法是斯伦贝谢公司发明的一种基于分析地震同相轴“错断”的断裂-裂缝检测算法。它克服了常规断裂解释中人为想象的主观性，提高了断裂解释的精度，并且大幅缩短了断裂解释的时间。

为了进一步突出北东向和北西向X形断裂的特征，将传统的叠后数据体上的蚂蚁计算拓展到叠前方位体上。为了保证数据计算的质量和精度，在OVT叠前时间偏移道集的基础上开展方位数据体的叠加：分别选择方位角从60°～80°的叠前道集，叠加为方位角70°的叠加数据，方位角120°～140°的叠前道集叠加为方位角130°的叠加数据；在不同方位的OVT叠加体上开展蚂蚁属性的计算，计算结果见图9；最后，将方位角70°的蚂蚁体与方位角130°的蚂蚁体镂空叠加，即可得到断裂带的真实走向及长度。