一種利用旋轉(zhuǎn)菱形體屬性精細(xì)刻畫斷裂帶的方法*

劉麗華 李 軍 朱文博 何 敏 王卓超 張軍華

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東廣州 510240；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東青島 266580)

一種利用旋轉(zhuǎn)菱形體屬性精細(xì)刻畫斷裂帶的方法*

劉麗華1李 軍2朱文博2何 敏1王卓超1張軍華2

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東廣州 510240；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東青島 266580)

劉麗華,李軍,朱文博，等.一種利用旋轉(zhuǎn)菱形體屬性精細(xì)刻畫斷裂帶的方法[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(5)：8-15.

Liu Lihua,Li Jun,Zhu Wenbo,et al.A method of using rotating rhombus attribute to finely describe the fault zone[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):8-15.

斷裂帶為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維地質(zhì)體，運(yùn)用地震資料對(duì)盆地內(nèi)部斷裂帶進(jìn)行精細(xì)刻畫可以明確斷裂在油氣運(yùn)聚中的具體作用。提出了一種旋轉(zhuǎn)菱形體屬性提取方法，利用菱形對(duì)角線具有的方向性計(jì)算不同方向的屬性值，并根據(jù)不同方向?qū)傩灾档淖兓潭葋?lái)指示并刻畫斷層破碎帶及其邊界。理論模型正演模擬和珠江口HZ區(qū)塊實(shí)際地震資料應(yīng)用表明，該方法能夠清楚地反映出生長(zhǎng)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況，與測(cè)井解釋結(jié)果基本吻合，對(duì)于解釋斷層破碎帶是可行的；將旋轉(zhuǎn)菱形屬性與第三代相干體技術(shù)相結(jié)合，可以精細(xì)刻畫斷裂帶內(nèi)部構(gòu)造特征。

旋轉(zhuǎn)菱形體；屬性提??；精細(xì)刻畫；斷裂帶；珠江口盆地

斷裂是巖層在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂并沿破裂面發(fā)生明顯位移的一種構(gòu)造變形現(xiàn)象，發(fā)育源于裂縫的遞進(jìn)變形[1]。研究表明，斷裂不是一個(gè)簡(jiǎn)單的面，而是一個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體，可以劃分出滑動(dòng)破碎帶、誘導(dǎo)裂縫帶等結(jié)構(gòu)單元；由于地質(zhì)條件及控制因素的多樣性和復(fù)雜性導(dǎo)致不同性質(zhì)、不同活動(dòng)強(qiáng)度、不同發(fā)育階段的斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很大差異，即使是同一斷裂帶也會(huì)表現(xiàn)出橫向上的分帶性、垂向上的分層性和走向上的分段性，正是斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致了斷裂在油氣運(yùn)聚過(guò)程中具有輸導(dǎo)和封堵的雙重性，因此對(duì)斷裂帶的精細(xì)刻畫越來(lái)越成為研究斷裂與油氣運(yùn)聚關(guān)系的重要內(nèi)容[2-4]。

目前常用的識(shí)別斷層的地震方法有相干體、曲率屬性、紋理屬性、邊緣檢測(cè)等[5]。相干數(shù)據(jù)體壓制一致性數(shù)據(jù)，突出不連續(xù)特性，可在沿層切片或水平切片上清晰地描述斷層或其他地層異常[6]，但對(duì)誘導(dǎo)裂縫帶識(shí)別能力不佳，無(wú)法準(zhǔn)確刻畫斷裂帶范圍；曲率屬性是利用地層的彎曲程度進(jìn)行構(gòu)造解釋和儲(chǔ)層分析的方法，它對(duì)構(gòu)造形變引起的彎曲很敏感，在水平切片上及沿層面上對(duì)于各種復(fù)雜斷層、裂縫、河道等特殊地質(zhì)體刻畫能力優(yōu)越[7]，但對(duì)時(shí)間剖面上地質(zhì)體的刻畫能力并不特別理想。紋理屬性與邊緣檢測(cè)方法實(shí)際上都基于圖像處理方法[8-9]，與地震資料的振幅相位信息并無(wú)直接關(guān)聯(lián)。上述這些成熟技術(shù)對(duì)斷層破碎帶的解釋效果均不太好。

本文提出了一種可以任意旋轉(zhuǎn)、長(zhǎng)短軸可以變化調(diào)整的菱形體屬性計(jì)算方法，該方法通過(guò)使用菱形長(zhǎng)對(duì)角線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)角度的掃描和屬性值計(jì)算，利用長(zhǎng)對(duì)角線的方向性可有效識(shí)別斷層、裂縫，并判別是否為斷層破碎帶。理論模型驗(yàn)證了本文方法的有效性，珠江口盆地HZ區(qū)塊斷裂系統(tǒng)實(shí)際地震資料的應(yīng)用檢驗(yàn)了本文方法對(duì)斷層破碎帶的刻畫效果。

1 方法原理

1.1 旋轉(zhuǎn)菱形體屬性提取思路

大部分地震屬性提取方式都是一種規(guī)則的計(jì)算方式，對(duì)于均勻地質(zhì)體都是滿足要求的，但對(duì)于較為復(fù)雜的地質(zhì)體卻存在一定局限性。常規(guī)屬性提取方式無(wú)論按測(cè)線還是按時(shí)間軸，都是以規(guī)則窗來(lái)計(jì)算的，如按一定大小的時(shí)窗計(jì)算振幅、頻譜屬性，按規(guī)則的空間組合計(jì)算相干屬性，據(jù)此判斷油氣儲(chǔ)層、斷層、裂縫或其他異常體的存在，但這些做法都不能很好地刻畫異常體的方向特性。旋轉(zhuǎn)菱形體屬性提取方法主要利用菱形對(duì)角線所具有的方向性來(lái)判斷特殊地質(zhì)體的方向、范圍等特征[10]，能夠在一定程度上克服常規(guī)屬性提取方式的局限性。如圖1所示，有一異常體(圖中黃色條帶，可以是斷層、礦脈、裂縫)呈一定方向性。為了得到某一點(diǎn)(圖1中原點(diǎn))的地震屬性，讓菱形以原點(diǎn)為中心做360°轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度時(shí)計(jì)算1個(gè)屬性值，然后依次掃描整個(gè)地震數(shù)據(jù)。當(dāng)遇到特殊地質(zhì)體時(shí)，旋轉(zhuǎn)不同角度菱形范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)也會(huì)有變化，造成計(jì)算的屬性值發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣最大或最小屬性就最佳地反映了地質(zhì)體的一些特性(如斷層、裂縫發(fā)育方向和豐度等)。具體計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮如何選取菱形體面元內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)以及提取何種屬性。

圖1 旋轉(zhuǎn)菱形提取數(shù)據(jù)示意圖

1.2 范圍確定與數(shù)據(jù)選取

先確定數(shù)據(jù)的范圍，如圖2所示，設(shè)數(shù)據(jù)提取菱形窗口的長(zhǎng)、短半軸分別為a、b，長(zhǎng)軸與時(shí)間軸的角度為θ，則可以得到菱形窗口4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，繼而可以求得菱形窗口4條邊的表達(dá)式如式(1)～(4)，其交集可確定面元范圍。給定數(shù)據(jù)，將中心點(diǎn)作為原點(diǎn)，以一定旋轉(zhuǎn)角度(θ)進(jìn)行掃描，計(jì)算同時(shí)落在4條線內(nèi)的屬性值，再用玫瑰圖或直方圖刻畫各角度的屬性，即可判斷此點(diǎn)的屬性特征。模型測(cè)試認(rèn)為菱形的長(zhǎng)短軸為5∶2時(shí)識(shí)別效果最好，因此下文中默認(rèn)菱形窗口的長(zhǎng)、短軸分別為5和2。

圖2 菱形計(jì)算面積的確定

AB：inline=asinθ+

(1)

BC：inline=-asinθ+

(2)

CD：inline=-asinθ+

(3)

DA：inline=asinθ+

(4)

2 模型測(cè)試

2.1 模型建立

根據(jù)前人研究[11]，對(duì)于生長(zhǎng)斷層及晚期活化的老斷層，斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)在垂向上具有這樣的特征：在下部發(fā)育完整的二元結(jié)構(gòu)，破碎帶寬，誘導(dǎo)裂縫帶發(fā)育(圖3中區(qū)域1)；上(淺)部破碎帶逐漸變窄，誘導(dǎo)裂縫逐漸減少，漸漸過(guò)渡到微裂隙及裂縫組成的滑動(dòng)面(圖3中區(qū)域2)，無(wú)破碎帶和誘導(dǎo)裂縫；最終漸變?yōu)橹挥兴苄宰冃魏臀⒘严兜牡貙?圖3中區(qū)域3)。

圖3 生長(zhǎng)斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式

HZ區(qū)塊位于珠江口盆地珠一坳陷，坳陷內(nèi)斷層普遍發(fā)育，共有斷層260條左右[12-14]，走向主要為NE、NW和近EW等3個(gè)方向，為張性或張扭性正斷層。HZ區(qū)塊發(fā)育1條近EW走向生長(zhǎng)斷層斷裂帶。參考HZ區(qū)塊實(shí)際情況，根據(jù)圖3所示的生長(zhǎng)斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式設(shè)計(jì)理論正演速度模型(圖4a)，該模型有4套地層，設(shè)地層速度分別為2 666、3 044、3 742和4 092 m/s。中間為1條生長(zhǎng)斷層斷裂帶，紅色顆粒區(qū)域代表誘導(dǎo)裂縫帶，為交錯(cuò)裂隙巖脈，根據(jù)該類巖石性質(zhì)并結(jié)合聲波時(shí)差測(cè)井曲線，設(shè)其傳播速度為2 200 m/s，發(fā)育區(qū)域?qū)挾葟臏\至深由30 m逐漸增加至190 m；黑線代表滑動(dòng)破碎帶，為斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥填充，根據(jù)該類巖石性質(zhì)并結(jié)合聲波時(shí)差測(cè)井曲線，設(shè)其傳播速度為5 400 m/s，發(fā)育寬度3～6 m，傾角79°。采用25 Hz雷克子波、2 ms采樣，運(yùn)用褶積法進(jìn)行正演模擬，并添加信噪比為5的噪聲，得到正演結(jié)果(圖4b)，共有601道地震道和801個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)，可以觀察到破碎斷裂帶在地震剖面上的理論波形特征。

2.2 旋轉(zhuǎn)菱形體屬性提取

為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)菱形體屬性的有效性，在模型不同深度取點(diǎn)(圖5a)，A段內(nèi)為點(diǎn)A1～A6，B段內(nèi)為點(diǎn)B1～B6，從左至右分別代表斷裂帶外部、內(nèi)部、已經(jīng)遠(yuǎn)離斷裂帶的地層平緩處。對(duì)這些點(diǎn)提取旋轉(zhuǎn)菱形體屬性(圖5b)，可以看出斷裂帶外部點(diǎn)A1、A5、A6與B1、B5、B6的屬性值變化趨勢(shì)平緩，即使B6點(diǎn)位于地層凸起處，只要凸起不劇烈，變化趨勢(shì)也較平緩。而位于斷裂帶內(nèi)部點(diǎn)A2、A3、A4與B2、B3、B4的屬性值變化明顯劇烈，尤其是滑動(dòng)破碎帶附近的A3、B3點(diǎn)尤為明顯，這充分說(shuō)明了旋轉(zhuǎn)菱形體屬性對(duì)斷裂特征刻畫的有效性。

圖5 本文設(shè)計(jì)的速度模型旋轉(zhuǎn)菱形體屬性計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)例分析

3.1 常規(guī)屬性刻畫效果

HZ區(qū)塊發(fā)育1條近EW走向、張性或張扭性生長(zhǎng)斷層斷裂帶，到目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種斷層封堵油藏，斷層上下盤均見油層，斷層圈閉具有成藏條件。因此，研究斷層的構(gòu)造特征，描述斷層破碎帶在空間的展布規(guī)律，可為研究區(qū)油氣勘探及剩余油挖潛提供詳細(xì)的斷裂數(shù)據(jù)。選取HZ區(qū)塊W井區(qū)地震剖面，提取均方根振幅屬性、三瞬屬性和相干體等常規(guī)屬性(圖6)，可以發(fā)現(xiàn)這些屬性并不能有效刻畫破碎斷裂帶特征。

3.2 旋轉(zhuǎn)菱形體屬性刻畫效果

在過(guò)W井剖面上由淺至深選取A、B、C、D、E等5段不同深度區(qū)域(圖7a)，在5個(gè)區(qū)域內(nèi)選點(diǎn)提取旋轉(zhuǎn)菱形體屬性，計(jì)算平均絕對(duì)振幅屬性，從左至右依次排列(圖7b)。根據(jù)屬性變化趨勢(shì)刻畫破碎帶邊界范圍，圖7b中紅框標(biāo)注為各深度段斷裂帶下盤邊界點(diǎn)范圍，黑框標(biāo)注為各深度段斷裂帶上盤邊界點(diǎn)范圍。由于是按照數(shù)據(jù)點(diǎn)位置進(jìn)行選點(diǎn)，間距已知，所以根據(jù)各選點(diǎn)的間隔可以大致計(jì)算出各深度段斷裂帶寬度，結(jié)果為A段60 m、B段112.5 m、C段125 m、D段125 m、E段250 m，由淺至深越來(lái)越寬，這與生長(zhǎng)斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式相吻合。

在斷裂帶上沿井軌跡選點(diǎn)(圖8a)，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)菱形體屬性的計(jì)算和篩選。圖8b展示了上、下端邊界(圖8a中黑框內(nèi))與斷點(diǎn)附近(圖8a中紅框內(nèi))各點(diǎn)的屬性值，其中點(diǎn)H1～H7展示了上端邊界附近的變化，點(diǎn)L1～L7展示了下端邊界附近的變化，點(diǎn)O1～O4展示了斷點(diǎn)附近的變化，H2、H3與L6、L7分別確定出了井過(guò)斷裂帶的上、下端邊界。可以看出，斷裂帶邊界處的旋轉(zhuǎn)菱形體屬性變化趨于平緩，斷點(diǎn)附近的旋轉(zhuǎn)菱形體屬性變化最劇烈；計(jì)算得出的上端邊界位于1 378～1 388 ms(深度為1 696～1 725 m)之間，下端邊界位于1 648～1 658 ms(深度為1 900～1 932 m)之間，斷點(diǎn)位于1 525～1 535 ms(深度為1 790～1 830 m)之間。

圖6 HZ區(qū)塊W井區(qū)常規(guī)屬性剖面

圖7 HZ區(qū)塊W井區(qū)剖面不同深度選點(diǎn)檢驗(yàn)成果

圖8 HZ區(qū)塊W井區(qū)剖面過(guò)井軌跡選點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果

斷裂的發(fā)育造成斷裂帶內(nèi)部物質(zhì)組成和物性特征與圍巖的差異，使得利用測(cè)井資料判識(shí)盆內(nèi)斷裂帶結(jié)構(gòu)成為可能。利用過(guò)該斷裂井的測(cè)井資料，采用常規(guī)測(cè)井曲線、成像測(cè)井及指示曲線計(jì)算法[11]進(jìn)行分析(圖9)，結(jié)果表明：在斷點(diǎn)(深度1 816 m)上、下共236 m(深度為1 696～1 932 m)范圍內(nèi)，常規(guī)測(cè)井曲線具有高聲波時(shí)差、高補(bǔ)償中子、低密度的特點(diǎn)，并且在1750 m處附近存在擴(kuò)徑現(xiàn)象，三孔隙度差值及密度變化率明顯大于圍巖，密度曲線變化劇烈(呈窄尖峰狀)。這一結(jié)果與旋轉(zhuǎn)菱形體屬性判識(shí)出的斷裂帶發(fā)育深度結(jié)果基本吻合，證實(shí)了該方法的可行性。

3.3 旋轉(zhuǎn)菱形體屬性與相干體屬性聯(lián)合刻畫

相干體技術(shù)對(duì)于地質(zhì)異常體具有很好的檢測(cè)效果，但對(duì)邊界刻畫效果不佳，因此提出將旋轉(zhuǎn)菱形體刻畫的邊界與相干體結(jié)合。本文采用第3代基于本征結(jié)構(gòu)的相干體算法，與第1代和第2代算法相比較，其分辨率高，抗噪性也強(qiáng)[5]。第3代相干值定義為

圖9 HZ區(qū)塊W井區(qū)斷裂帶測(cè)井解釋結(jié)果

(5)

將旋轉(zhuǎn)菱形體屬性刻畫的邊界與相干體結(jié)合取得了良好效果(圖10)，斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的刻畫更加清晰準(zhǔn)確，達(dá)到了精細(xì)刻畫斷裂帶特征的目的。

圖10 HZ區(qū)塊W井區(qū)旋轉(zhuǎn)菱形體屬性與相干體聯(lián)合刻畫效果

4 結(jié)論

本文提出的屬性計(jì)算方法是利用菱形長(zhǎng)對(duì)角線具有的方向性計(jì)算不同方向?qū)傩灾担⒏鶕?jù)不同方向?qū)傩灾档淖兓潭葋?lái)指示斷層破碎帶及其邊界。理論模型正演模擬和珠江口盆地HZ區(qū)塊實(shí)際地震資料應(yīng)用表明，該方法能夠清楚地反映出生長(zhǎng)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況，與測(cè)井解釋結(jié)果基本吻合，對(duì)于解釋斷層破碎帶是可行的；將旋轉(zhuǎn)菱形屬性與第3代相干體技術(shù)相結(jié)合，可以精細(xì)刻畫斷裂帶內(nèi)部構(gòu)造特征。

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(編輯：馮 娜)

A method of using rotating rhombus attribute to finely describe the fault zone

Liu Lihua1Li Jun2Zhu Wenbo2He Min1Wang Zhuochao1Zhang Junhua2

(1.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Guangzhou,Guangdong510240,China;2.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

Fault zone is a three-dimensional geological body with complex internal structures. Using seismic data to describe the fault zone of a basin can define the effect of fractures on hydrocarbon migration and accumulation. A new rotating rhombus attribute extraction method is proposed, in which the attribute values of different directions can be calculated by using the directionality of rhombus’s long diagonal, and then the fault fracture zone and its boundary can be indicated and described on the basis of change scope of different directional attribute values. The forward modeling of theoretical model and real seismic data application in HZ block of Pearl River Mouth basin show that this method can reflect the internal structures of the growth fault zone clearly, and its results coincide with well logging interpretation. Combined the rotating rhombus attribute with the third generation coherence technology, the internal structure characteristics of the fault zone can be finely described.

rotating rhombus; attribute extraction; fine description; fault zone; Pearl River Mouth basin

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng) “南海東部海域大中型油氣田形成條件與分布(編號(hào)：2011ZX05023-006-003)”、中海石油(中國(guó))有限公司綜合科研項(xiàng)目“珠一坳陷淺層新領(lǐng)域油氣成藏條件及突破方向(編號(hào)：YXKY-2012-SZ-01)”部分研究成果。

劉麗華，女，高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于成都理工大學(xué)石油地質(zhì)專業(yè)，獲博士學(xué)位，長(zhǎng)期從事石油地質(zhì)與油氣勘探開發(fā)研究工作。地址：廣東省廣州市江南大道中168號(hào)(郵編：510240)。E-mail:liulh1@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)05-0008-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.002

TE132.1

A

2016-03-15 改回日期：2016-05-08