依托物理模型的疊后裂縫敏感地震屬性優(yōu)選與應用

王玲玲 魏建新* 黃 平 狄?guī)妥?帥 達 張福宏

(①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；②中國石油大學(北京)CNPC物探重點實驗室，北京 102249；③中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041)

0 引言

致密儲層因發(fā)育裂縫而具有現(xiàn)實的勘探效益并成為勘探重點和熱點之一。裂縫尺度或規(guī)模的界定是選擇裂縫預測方法的前提，MacBeth等[1]將裂縫分成三類：大尺度裂縫(尺度大于λ/4，λ是波長)、中尺度裂縫(尺度為λ/4～λ/100)和小尺度裂縫/微裂縫(尺度遠小于λ/100)。根據(jù)地震分辨率的定義，中尺度以下的裂縫通常在實際地震剖面上無法識別。在多尺度裂縫綜合預測[2]中，疊后大斷裂預測是第一步，不可或缺。

裂縫預測方法的應用已從疊后發(fā)展到疊前，基于各向異性理論，應用疊前地震資料預測裂縫的技術(shù)逐漸受到關注[3-10]。然而，疊后裂縫預測技術(shù)仍被深入研究。通常從裂縫發(fā)育區(qū)的振幅響應上直接提取相關地震屬性預測裂縫展布規(guī)律，這種疊后地震屬性分析技術(shù)在斷層和大裂縫預測中起著重要作用。常用屬性有相干、曲率、傾角方位角、方差、譜分解相位調(diào)諧體、螞蟻追蹤、邊緣檢測等。相干技術(shù)以其突出地震同相軸不連續(xù)性的特點可有效精確地識別小斷層和特殊巖性體[11-14]；曲率體屬性與相干屬性相似，是預測小斷層和裂縫的又一有力手段[15-17]。趙牧華等[18]用三維方差體技術(shù)識別煤礦區(qū)小斷層及裂縫發(fā)育帶；汪杰等[19]對比了相干屬性體、方差屬性體及其融合結(jié)果，認為方差相干體技術(shù)能準確地反映地層構(gòu)造形態(tài)和斷裂分布情況；相位調(diào)諧體也被用于識別小斷層和巖性突變，張延慶等[20]等利用相位調(diào)諧體的頻率切片識別吐哈盆地QL油田斷距為10～15m的小斷層；汪勇等[21]、李建雄等[22]、韋紅等[23]綜合應用相干、曲率、傾角方位角、剩余振幅等多個屬性，更有效地識別小斷層和預測裂縫發(fā)育帶。在單一屬性基礎上提出的地震多屬性融合技術(shù)[24]不僅為多種屬性綜合分析提供一種手段，還能降低單一屬性給斷層和裂縫預測帶來的多解性，得到廣泛應用[25-27]。上述地震屬性都能識別斷層和裂縫，但尋找對裂縫敏感的優(yōu)勢屬性勢在必行。

正演方法是一種行之有效的分析手段。其中，利用地震物理模擬方法優(yōu)選裂縫敏感屬性的研究還比較少，采用的模型也比較簡單。本文基于物理模型對地震屬性疊后裂縫預測進行深入挖掘，設計和制作一個多參數(shù)的復雜裂縫儲層地震物理模型，通過相干、傾角、振幅、方差、曲率、衰減、頻譜分解等屬性開展裂縫識別及敏感屬性優(yōu)選。

1 裂縫物理模型構(gòu)建和采集處理

1.1 模型構(gòu)建

根據(jù)某地區(qū)實際儲層的地質(zhì)特征和裂縫發(fā)育模式，設計和制作兩個三維裂縫儲層地震物理模型[28]，分別研究單一裂縫參數(shù)變化和與實際儲層結(jié)合兩種情況下的裂縫特征。兩個模型除了目的層構(gòu)造特征有所不同，其他特征相同，結(jié)合成一個大模型(圖1)。模型尺寸為100cm(長)×100cm (寬)×20cm(高)，模擬10000m×10000m×2000m的區(qū)域。模型參數(shù)按比例換算成實際參數(shù)，見表1。

大安寨儲層是目的層厚度約為190m，分為兩個區(qū)域：簡化裂縫區(qū)和實際裂縫區(qū)(圖2)。由于野外裂縫尺度過小，甚至達到微裂縫級別，在實驗室中無法制作，并且研究單條裂縫意義不大，所以采用等效的方式制作裂縫帶，模擬一定區(qū)域內(nèi)所有裂縫的整體特征。

圖1 裂縫地震物理模型三維示意圖

vP(m/s)ρ(g/cm3)第一層40901.842沙一層51442.473過渡層148302.355大安寨層55522.561過渡層253522.491第六層58782.618

圖2 目的層水平示意圖

簡化裂縫區(qū)的中部規(guī)則分布著8組不同參數(shù)的裂縫帶。前6組的裂縫參數(shù)有裂縫帶長度、寬度、密度、兩個裂縫帶之間的水平距離、裂縫方位角、縫面傾角，參數(shù)見表1。除了縫面傾角變化的裂縫帶，都是垂直裂縫。三維尺度在十米和百米級別，屬于大尺度裂縫。第8組群縫中的單條縫的三維最小尺度是米級，整體尺度是百米級別。實際裂縫區(qū)位于模型的南半部，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，存在薄互層、逆斷層以及地層尖滅。該區(qū)有9組裂縫帶、7個交叉裂縫、7組群縫，還有一些隨機分布的裂縫帶，都是高角度裂縫。9組裂縫帶中大多數(shù)與斷層之間存在斜交的關系。

按裂縫帶基質(zhì)速度不同可分成a、b、c三類。圖2中簡化裂縫區(qū)第1組不同長度的裂縫帶和第2組不同寬度的裂縫帶選用了a、b、c三種混合基質(zhì)材料，其余第3組到第6組選用a、b兩種混合基質(zhì)材料制作裂縫帶。裂縫密度變化的參數(shù)見表3，其余幾組裂縫帶的裂縫密度是0.95條/m，其他參數(shù)如表4。實際裂縫區(qū)中，除了9組裂縫帶中的前5組用的是b種混合基質(zhì)材料，其余所有裂縫帶都用a種混合基質(zhì)材料，參數(shù)亦見表4。這些數(shù)據(jù)都是由超聲波透射法測試得到的，并按比例換算而轉(zhuǎn)換為實際參數(shù)。

表2 簡化裂縫區(qū)裂縫帶參數(shù)

表3 第3組不同裂縫密度裂縫帶的參數(shù)

注：vP∥是沿裂縫走向的縱波速度，vP⊥是垂直裂縫面方向的縱波速度，ε是縱波速度各向異性參數(shù)

表4 裂縫密度為0.95條/m時裂縫帶參數(shù)

1.2 三維寬方位數(shù)據(jù)采集和處理

將模型放置于水槽中采集數(shù)據(jù)，水面距離模型頂界面為200mm，模擬一個2000m厚的低速層。設計寬方位(近全方位)大炮檢距觀測系統(tǒng)，參數(shù)見表5，其方位角寬窄比為0.84。采集得到50線束的數(shù)據(jù)，其中第16到第35線束擁有32條接收線，其他線束不滿32條。超聲換能器的主頻為0.23MHz，對應于野外的46Hz。

采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，處理過程較為簡單，包括觀測系統(tǒng)加載、真振幅恢復、高通濾波、衰減諧振、預測反褶積、速度分析、拉東變換、高精度動校正、疊前時間偏移和疊加。圖3給出目的層頂界面沿層振幅切片，能看到振幅發(fā)生變化，裂縫帶和斷層位置變化明顯。

圖3 目的層頂界面沿層振幅切片

觀 測 系 統(tǒng)32L8S448T正交型面元尺寸/m212.5×12.5工區(qū)總炮數(shù)10400覆蓋次數(shù)14×16= 224最小非縱距/m12.5道間距/m25最大非縱距/m3187.5炮間距/m25最大炮檢距/m6596接收線距/m200線束個數(shù)/m50炮線距/m400束線滾動距離/m200炮線數(shù)/條26方位角寬窄比0.84接收線數(shù)/條51采樣間隔/ms1縱向參數(shù)/m5775-200-25-200-5775記錄長度/s4.096

大尺度裂縫帶比小尺度裂縫帶更容易識別。圖4是第1組裂縫帶a1～a6的垂向剖面(圖3黑線所示)。受裂縫帶與圍巖速度差異和裂縫帶邊界的影響，裂縫帶在垂向剖面上呈一定寬度的“串珠”狀反射響應。在Inline方向上隨著長度增加，響應寬度變大，振幅增強直至趨于穩(wěn)定。Crossline方向上裂縫帶寬度不變，但振幅特征發(fā)生變化，說明裂縫帶響應是空間上三個尺度綜合作用的結(jié)果。

2 疊后地震屬性優(yōu)選

Taner等[29]將地震屬性分成物理屬性和幾何屬性兩大類，幾何屬性提供地震同相軸的幾何特征，對裂縫預測有成效。提取和裂縫有關的地震屬性，結(jié)合目的層裂縫分布情況以及各屬性層位切片結(jié)果優(yōu)選對裂縫敏感的屬性，時窗為10ms，面元尺寸為3m×3m。

2.1 幾何屬性的敏感性分析

選擇與地震同相軸連續(xù)性、地震層位的幾何形態(tài)等有關的地震屬性進行分析。圖5是方差、分頻傾角、曲率和傾角約束分頻相干四種屬性的結(jié)果，可見裂縫帶的位置和斷層發(fā)育趨勢在各個屬性圖上都有響應。強邊界效應使得用以上屬性追蹤裂縫時，裂縫帶的內(nèi)部信息被掩蓋，具有“環(huán)”狀邊界的特征。除了個別群縫、第1組和第2組前幾個裂縫帶，其余裂縫帶在四種屬性上都能識別，效果相差不大。紅色方框中顯示的是第1組和第2組的小尺寸裂縫帶(兩組的a1、b1、c1、a2、b2、c2)的屬性。這6個裂縫帶在振幅切片上不容易識別(圖3)。其中： 第1組的a1、b1、c1長為50m、寬為42m，稍大于λ/4(約30m)，在四種地震屬性上均能看到響應；第2組的a1、b1、c1、a2、b2、c2的寬度(三維最小尺度)為10m和20m，小于λ/4，裂縫帶a1、a2、b1、c1的屬性不容易識別，尤其是方差屬性上無響應。說明三個方向上的最小尺度對識別裂縫影響最大。當該尺度小于λ/4時，其地震響應就不明顯。第8組群縫中的單條裂縫之間的間隔較大，可視為裂縫密度小、且不受邊界影響的情況，故而其響應強度較邊界明顯的裂縫帶要弱，由于整體上達到百米級別，在屬性圖上也有一些特征顯示。分頻傾角屬性上藍色橢圓區(qū)域的響應弱于最小負曲率和傾角約束分頻相干屬性。

相比簡化裂縫區(qū)，實際裂縫區(qū)各屬性預測的斷層邊界清晰，斷層間交叉關系清楚，與設計的斷層分布規(guī)律基本一致。由于和斷層、薄互層相互作用以及尺度的原因，第9組裂縫帶(圖2中南部彩色覆蓋區(qū)，裂縫帶長度都是200m，高度都是50m，寬度小于20m)在地震屬性剖面上無法識別。曲率屬性中地層無裂縫位置存在一些類似“網(wǎng)”狀紋理的假象。傾角約束分頻相干屬性(46Hz)上，斷層附近信息較其他幾種屬性更豐富(紅圈所示)。

經(jīng)過以上分析，傾角約束分頻相干屬性的裂縫識別效果最優(yōu)，分頻傾角屬性次之。

2.2 物理屬性的敏感性分析

裂縫發(fā)育帶巖石物性發(fā)生變化引起地震數(shù)據(jù)的異常響應，地震剖面上往往出現(xiàn)地震反射特征雜亂、同相軸扭曲和錯斷、地震屬性發(fā)生變化等現(xiàn)象。圖6給出了均方根振幅、瞬時頻率、基于小波變換譜分解的分頻相位調(diào)諧體和頻率衰減梯度四種屬性的平面圖。相比圖5相干等方法預測的簡化裂縫區(qū)裂縫帶的“環(huán)”狀特征，這四種屬性上裂縫帶內(nèi)部有明顯的屬性變化特征。實際裂縫區(qū)中，斷層特征較為明顯，裂縫帶和群縫無明顯特征。46Hz的相位調(diào)諧體層位切片中，斷層邊界清晰，易于識別。斷層附近有裂縫帶指示，與無裂縫位置形成明顯的相位區(qū)別。

為了尋找能夠識別不同裂縫參數(shù)的敏感屬性，提取四種屬性在平面圖上簡化裂縫區(qū)第1、3～6組裂縫帶中心位置處的三條Inline數(shù)據(jù)的平均值，第2組每個裂縫帶都取三條Crossline數(shù)據(jù)，計算平均值(圖7)。為了便于屬性之間相互比較，對每組中的四條屬性數(shù)據(jù)進行極差正規(guī)化處理，將地震屬性規(guī)范到統(tǒng)一尺度。由于是對每組數(shù)據(jù)進行的標準化處理(對全工區(qū)數(shù)據(jù)標準化處理會導致各組數(shù)據(jù)屬性之間差異過大，影響對比效果)，因此無法在裂縫參數(shù)之間進行橫向比較。

(1)為了分析尺度的影響，將裂縫密度相近、長寬尺度較大、邊界對內(nèi)部裂縫影響小的第3組3-a3作為參考，該裂縫帶位置的振幅和頻率衰減梯度屬性值比圍巖的大，而譜分解相位調(diào)諧體屬性比圍巖小。根據(jù)圖7a、圖7b和各屬性平面圖(圖6)，裂縫帶的瞬時頻率屬性與圍巖差異小，特征不明顯，不是敏感屬性。進一步分析，裂縫帶尺度較小時，邊界對內(nèi)部裂縫影響大，振幅屬性和頻率衰減梯度屬性值急劇減小，低于圍巖，呈現(xiàn)波谷的特點。隨著尺度的增大，內(nèi)部裂縫受邊界影響變小，波谷中間出現(xiàn)一個小波峰，峰值會逐漸增大。這種現(xiàn)象在第1組裂縫長度大于200m后才略有顯現(xiàn)，在第2組裂縫寬度大于30m就能觀測到。譜分解相位調(diào)諧體屬性呈現(xiàn)高值的波峰特征(高于圍巖)，第1組裂縫帶長度為200m，第2組裂縫帶寬度為60m時，會出現(xiàn)一個小波谷，比振幅和頻率衰減梯度的波峰出現(xiàn)要晚，波谷的峰值亦隨尺度逐漸增大。

圖5 目的層頂界面地震屬性層位切片

圖6 目的層頂界面物理屬性層位切片

因傾斜地層和觀測系統(tǒng)的影響，尺度大時(如裂縫帶1-a6)三種屬性曲線復雜，呈現(xiàn)“波浪”的形態(tài)。此時，頻率衰減梯度的波峰屬性值比圍巖大，譜分解相位調(diào)諧體的波谷屬性值比圍巖小，與參照物符合；而振幅屬性的峰值仍比圍巖小，與參照物不相符。綜上所述，頻率衰減梯度屬性對裂縫尺度最敏感。

(2)在圖7c中，振幅與頻率衰減梯度結(jié)果接近，但頻率衰減梯度結(jié)果中圍巖與裂縫帶的屬性值差異更大，隨著裂縫密度增大，屬性值減小的規(guī)律性更強，效果優(yōu)于振幅屬性。上文提到裂縫帶尺寸較大時，譜分解相位調(diào)諧體呈波谷特征，裂縫密度越大，波谷峰值越大，顯示的屬性值越小。在圖8a中，提取裂縫帶中心CDP位置的四種屬性值，進行線性擬合，振幅、頻率衰減梯度和譜分解相位調(diào)諧體屬性隨密度增大都減小，譜分解相位調(diào)諧體減小更快，因此譜分解相位調(diào)諧體屬性對裂縫密度更敏感。

(3)綜合分析圖6和圖7d，振幅屬性和頻率衰減梯度屬性上，除了間距為25m的兩個裂縫帶無法區(qū)分外，其余的裂縫帶的波形都能分開。因此，振幅屬性和頻率衰減梯度屬性對相鄰兩個裂縫帶間距離這一參數(shù)敏感。

(4)從圖7e可見，各屬性的方位規(guī)律不明顯。僅對比方位0°和90°，振幅、頻率衰減梯度屬性和譜分解相位調(diào)諧體的0°和90°的峰值相差分別為0.583093、0.427816和0.228343。因此，振幅屬性對裂縫方位敏感。

(5)如圖7f，縫面傾角5°的振幅和頻率衰減梯度屬性值比90°的大，而譜分解相位調(diào)諧體正好相反。縫面傾角從5°增至90°，各屬性變化規(guī)律并不是十分明顯。因此，提取裂縫帶中心CDP位置的四種屬性值(圖8b)，并對數(shù)據(jù)進行線性擬合，振幅屬性和譜分解相位調(diào)諧體屬性擬合線斜率絕對值最大，振幅屬性值分布在擬合線附近，可見振幅屬性對縫面傾角最為敏感。

圖7 不同裂縫參數(shù)的地震屬性單條Inline/Crossline數(shù)據(jù)

圖8 裂縫帶中心CDP位置處四種屬性隨裂縫密度(a)和縫面傾角(b)變化的特征

通過對八種屬性對比分析表明，僅用單一屬性預測裂縫時，與地震同相軸連續(xù)性、地震層位的幾何形態(tài)等有關的屬性中，傾角約束分頻相干屬性具有較大優(yōu)勢。幾種物理屬性中，除了瞬時頻率屬性，其他三種屬性各有各的特點，對裂縫帶參數(shù)的識別效果各有不同。

3 地震多屬性融合

裂縫分布規(guī)律的復雜性決定了在預測中使用單一屬性雖然能取得一定效果，尤其是在大裂縫空間走向和分布方面，但是存在多解性的問題。鑒于以上原因，選擇對裂縫敏感的優(yōu)勢屬性進行多屬性融合。

本文結(jié)合RGB色彩融合規(guī)則進行融合處理，強化裂縫地質(zhì)特征。融合屬于一種圖像處理，因此沒有色標。此處把地震同相軸不連續(xù)、地震層位的幾何形態(tài)等地震屬性如相干類、傾角、方差、曲率類屬性等歸為屬性集合Ⅰ，這類屬性主要是為了突出裂縫和斷層。把振幅、瞬時頻率、譜分解相位調(diào)諧體和頻率衰減梯度屬性歸為屬性集合Ⅱ，主要是物理屬性，裂縫和斷層存在使得一些物理屬性發(fā)生變化。選擇集合Ⅰ中最小負曲率、傾角約束分頻相干和方差進行三屬性融合(圖9a)，集合Ⅱ中振幅、譜分解相位調(diào)諧體(46Hz)和頻率衰減梯度進行三屬性融合(圖9b)。兩個屬性集合的頻率衰減梯度、譜分解相位調(diào)諧體(46Hz)和傾角約束分頻相干進行三屬性融合(圖9c)。由屬性融合后的結(jié)果可以看出，屬性集合Ⅰ中的三個屬性融合(圖9a)更突出大裂縫信息，但由于屬性都是為了從幾何特征上識別裂縫，斷層和裂縫帶邊界明顯，簡化裂縫區(qū)裂縫帶內(nèi)部沒有裂縫指示，多解性較強。根據(jù)屬性集合Ⅱ中的三個屬性融合(圖9b)，從相位、振幅、衰減三個方面著手，簡化裂縫區(qū)裂縫帶內(nèi)部有裂縫反映，能夠減少多解性；將兩個屬性集合中的屬性一起融合(圖9c)，裂縫區(qū)域得以突出顯示，簡化裂縫區(qū)不同裂縫參數(shù)裂縫帶內(nèi)部有色彩指示，并且隨著參數(shù)變化有所不同，多解性問題得以改善，提高了裂縫預測精度。

圖9 三種不同組合的三屬性融合

5 結(jié)論

以裂縫物理模型為依托，進行疊后多屬性綜合研究，得到如下結(jié)論：

(1)與地震同相軸連續(xù)性、地震層位的幾何形態(tài)等有關的屬性能夠突出斷層尤其是大斷裂信息。傾角約束分頻相干屬性、最小負曲率屬性、方差屬性、分頻傾角屬性中，傾角約束分頻相干屬性對裂縫最為敏感。

(2)均方根振幅屬性、瞬時頻率屬性、小波變換譜分解相位屬性和頻率衰減梯度屬性在不同方面表征裂縫特征。頻率衰減梯度屬性是裂縫帶尺度的敏感屬性；譜分解相位調(diào)諧體屬性對裂縫密度敏感；振幅屬性和頻率衰減梯度屬性對相鄰兩個裂縫帶間距離參數(shù)敏感；振幅屬性對裂縫方位和縫面傾角參數(shù)敏感。

(3)多屬性融合是疊后裂縫預測研究的一大趨勢。與地震同相軸連續(xù)性、地震層位的幾何形態(tài)等有關的地震屬性(屬性集合Ⅰ)如最小負曲率屬性、傾角約束分頻相干屬性和方差三屬性一起融合能夠突出大裂縫信息；物理屬性(屬性集合Ⅱ)如振幅屬性、譜分解相位調(diào)諧體和頻率衰減梯度屬性三屬性融合能夠減少多解性；頻率衰減梯度屬性、譜分解相位調(diào)諧體和傾角約束分頻相干屬性三屬性(兩類屬性Ⅰ和Ⅱ)融合不僅能突出大裂縫，還可以減小多解性。

(4)裂縫帶空間三個方向上最小的那個尺度對識別裂縫影響最大。當該尺度小于λ/4時，其地震響應就不明顯。

衷心感謝中石油勘探開發(fā)研究院西北分院提供GeoFrac地震裂縫綜合預測軟件系統(tǒng)的協(xié)助，以及中石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院在裂縫物理模型設計和制作過程中提出的寶貴意見。