利用高清螞蟻體精細解釋復(fù)雜斷裂帶

李 楠 王龍穎 黃勝兵 朱石磊 沈 樸 郝 婧

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 概況

渤中凹陷位于渤海中部，面積為8634km2，最大埋深為11km。該凹陷東鄰渤東低凸起，西接沙壘田凸起、沙南凹陷，北鄰石臼坨凸起，南接渤南低凸起(圖1)。凹陷內(nèi)發(fā)育NNE向郯廬斷裂帶和NW向張家口—蓬萊斷裂帶等2組巖石圈級別的大型共軛走滑斷裂帶，由此導(dǎo)致NE向、NNE向、近NS向、NW向和近EW向次級斷裂均有發(fā)育。

研究區(qū)位于渤中凹陷南部兩條走滑斷裂帶的交會地區(qū)，面積約為4000km2。該區(qū)南部的渤南低凸起發(fā)現(xiàn)迄今最大的近海油田——蓬萊19-3油田，探明及控制級石油地質(zhì)儲量約為6×108m3[1]，凸起西段發(fā)現(xiàn)渤中28-1油田。研究區(qū)位于油田與凹陷之間的油氣運移路徑之上，具有較好的勘探前景。

在渤海海域中淺層(深度約為2000ms)斷裂系統(tǒng)極為復(fù)雜的地區(qū)，常規(guī)地震解釋方法效率較低，斷層組合不精細。隨著深度增加，常用于輔助斷層解釋及組合的方差或相干屬性清晰度明顯降低，已不滿足斷層組合的需要，因此急需更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)體輔助斷層解釋和組合。螞蟻追蹤屬性就是符合這類要求的地震屬性，該屬性對地震資料的變化極為敏感。近幾年來常與傾角、曲率等屬性融合，或基于頻譜分析[2-3]，結(jié)合鉆井資料表征深部裂縫的發(fā)育程度[4-11]。由于螞蟻追蹤屬性對地震資料的變化過于敏感，地震資料品質(zhì)不佳或反射特征橫向輕微變化(如反射強度、連續(xù)性變化、反射界面輕微抬升等)都會在螞蟻追蹤屬性中得到體現(xiàn)，由此導(dǎo)致噪聲強且與斷層響應(yīng)難以區(qū)分，因此較少用于反映小斷層的相關(guān)研究。不僅如此，傳統(tǒng)的螞蟻追蹤方法通過優(yōu)選螞蟻追蹤的6項參數(shù)(初始邊界、偏離角度、搜索步長、允許的非法步數(shù)、允許的合法步數(shù)、終止標(biāo)準(zhǔn))指導(dǎo)斷層組合的思路并不適合本區(qū)這類由多塊不同年代采集、不同品質(zhì)拼接而成的地震資料，因此需要探索新方法獲得與斷層匹配度較高的高清螞蟻體。

螞蟻追蹤算法由Colorni等[12]提出，隨后Dorigo等[13]進行了進一步解釋。該算法通過蟻群系統(tǒng)(ACS)解決旅行商(TSP)這類組合優(yōu)化問題(即一個旅行商人從一個城市出發(fā)并途經(jīng)若干城市后回到原點，應(yīng)如何選擇行進路線，以使總的行程最短的問題)，雖然每只螞蟻只做一些單一的個體行為，但通過簡單交互，使整個蟻群具有結(jié)構(gòu)性的群體行為。

圖1 渤海灣盆地渤中地區(qū)構(gòu)造單元劃分圖

將這種模仿蟻群覓食行為的仿生進化算法用于地震屬性分析，并將螞蟻數(shù)量、螞蟻密度以及循環(huán)重復(fù)系統(tǒng)等三種參數(shù)融合于地震屬性提取過程：在地震數(shù)據(jù)體中播撒大量電子螞蟻追蹤斷層異常信息，同時釋放斷層信息素，通過斷層信息素召集一定范圍內(nèi)的其他螞蟻跟進，而螞蟻會優(yōu)先選擇信息素濃度大的路徑。通過大量螞蟻的共同努力，最終識別和追蹤數(shù)據(jù)中的細小信號異常[14-18]。

1 技術(shù)方法

前期針對淺層的鉆探并不理想，BZ22-A井、BNC井均落于圈閉之外，有資料證實，主要失利原因為圈閉不落實。落實淺層圈閉的決定性因素是斷層組合的精細程度，斷層組合精度受控于層位解釋密度，即層位解釋越精細，斷層走向及形態(tài)越準(zhǔn)確。研究區(qū)淺層斷裂極為復(fù)雜，很難在短期內(nèi)通過高密度的層位解釋控制斷層組合，因此尚未提出鉆探目標(biāo)。

本次研究立足于Petrel軟件，以地震偏移成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。首先對數(shù)據(jù)體濾波，之后進行不連續(xù)性檢測，即形成方差數(shù)據(jù)體。在此基礎(chǔ)上，分析斷層響應(yīng)與噪聲在螞蟻追蹤屬性中的區(qū)別，通過制作多重螞蟻體，并穿插多步噪聲削減壓制噪聲，凸顯斷層特征。最終在高清螞蟻體指導(dǎo)下，結(jié)合層位及斷層解釋成果完成構(gòu)造成圖及圈閉搜索。

1.1 高清方差體制作

制作螞蟻體的基礎(chǔ)是對地震資料進行不連續(xù)性檢測，常用的體現(xiàn)不連續(xù)性的有效屬性體為方差體和混沌體。針對本區(qū)地震資料，方差屬性表征斷層效果更好，因此選擇其作為螞蟻追蹤的基礎(chǔ)屬性。

在進行方差屬性提取之前，首先分析同一套SEGY格式的地震數(shù)據(jù)體，將其轉(zhuǎn)化為ZGY格式時，選擇8位體或32位體是否有明顯區(qū)別(ZGY格式使用時以塊為最小讀取單元，相對于SEGY格式以整條測線為單位調(diào)用的模式，ZGY格式只將需要顯示的數(shù)據(jù)部分調(diào)用到內(nèi)存中，有效提高顯示效率)。對比默認參數(shù)提取方差屬性結(jié)果可知，由8位和32位原始地震數(shù)據(jù)體提取的方差屬性區(qū)別并不明顯。因此，對于三維數(shù)據(jù)面積達4000km2的研究區(qū)來說，在螞蟻追蹤效果差別不明顯的前提下，選取8位數(shù)據(jù)體提取方差屬性可以極大地提高運算速度，有效節(jié)約參數(shù)試驗、對比及剖面和切片的調(diào)取時間。

在進行方差屬性提取之前，首先對原始數(shù)據(jù)體做中值濾波處理，在保存斷層邊界清晰的同時減弱隨機噪聲，并壓制與斷層無關(guān)的信息，之后在濾波后數(shù)據(jù)體基礎(chǔ)上制作方差體。依據(jù)原始默認參數(shù)(地震道范圍為3、垂向平滑采樣點數(shù)為15、不進行傾角校正)所得方差體的噪聲干擾較大(圖2a、圖2c)，而方差屬性提取效果主要與選取的參數(shù)有關(guān)。通過多種嘗試和對比，選取適用于本區(qū)地震資料和地質(zhì)條件的參數(shù)組合：地震道數(shù)為5、垂向平滑為35個采樣點、傾角校正范圍為3(高斯濾波器寬度決定平滑程度，其數(shù)值越大、平滑程度越高)。由優(yōu)選參數(shù)所得方差體(圖2b、圖2d)可見，方差體品質(zhì)得到明顯改善，局部斷層關(guān)系清晰，有效減弱了噪聲和非斷層因素的干擾。

將新的方差數(shù)據(jù)體沿目標(biāo)區(qū)T15反射界面(館陶組頂面)提取并顯示，在此基礎(chǔ)上人工組合斷層124條。由沿層方差體與斷層組合圖可見(圖3)，受層位解釋密度及成圖精度的影響，沿層顯示方差體效果較差，僅能體現(xiàn)大斷層特征，不能清晰地顯示復(fù)雜斷裂帶內(nèi)部細節(jié)，特別是小斷層交切關(guān)系極為模糊(圖3a)。因此需要引入對斷層更為敏感且不受人工解釋密度影響的高清數(shù)據(jù)體輔助斷層解釋及組合。

圖2 方差體參數(shù)改善效果圖

1.2 高清螞蟻體制作

以上述方差體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行初步螞蟻追蹤(默認參數(shù))。由螞蟻體切片(圖4a)可見，研究區(qū)斷層整體沿NE及近EW向展布，但周邊噪聲干擾嚴重。以此螞蟻體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提取斷層片，結(jié)果多達40萬片(圖4b)，因此以默認參數(shù)進行螞蟻追蹤僅能反映區(qū)域斷層展布趨勢，但精度較低，尚不能滿足斷層解釋、組合及斷層片自動提取的需求。

圖3 沿層方差體切片(a)與斷層組合圖(b)

圖4 螞蟻體切片(1200ms)(a)及斷層提取成果圖(b)

螞蟻追蹤屬性主要反映數(shù)據(jù)體斷層、裂縫響應(yīng)和噪聲等三類特征，在沒有鉆井資料佐證時裂縫響應(yīng)與噪聲難以區(qū)分。由于本次研究對象是斷層，因此不區(qū)分裂縫響應(yīng)與噪聲，將兩者均視為噪聲予以減弱或消除。通過平/剖面對比、逐層分析螞蟻體切片可知，斷層響應(yīng)多具有平直而連續(xù)的特征，在局部小范圍內(nèi)走向較為一致；噪聲多具有短軸、波浪狀、不穩(wěn)定、連續(xù)性差的特征，兩者的特征差異明顯。為了輔助斷層剖面解釋及平面組合，通過增強斷層連續(xù)性和降低噪聲改善螞蟻體的品質(zhì)。

1.2.1 追蹤參數(shù)的組合與優(yōu)選

螞蟻追蹤屬性同樣受控于追蹤參數(shù)，其算法包含以下參數(shù)： ①初始邊界。定義了最初每只螞蟻的活動范圍，控制了單位體積內(nèi)可以設(shè)定的螞蟻密集程度[19]，對于大型斷裂來說，數(shù)值越大越好，對于小斷裂則相反[14,18]；②偏離角度。螞蟻追蹤過程中允許偏轉(zhuǎn)的角度，最大為15°，以保證斷層趨勢面平滑、合理，而不出現(xiàn)折面的情況[14]，更符合地下真實地質(zhì)情況；③搜索步長。決定了每只螞蟻搜索的單步長度；④允許的非法步數(shù)。螞蟻捕捉到斷層信息之前所允許走的步數(shù)，非法步數(shù)越多，斷裂越多、連續(xù)性越強[20]；⑤允許的合法步數(shù)。指搜索成果作為有效數(shù)據(jù)必須包含的合法步數(shù)；⑥終止標(biāo)準(zhǔn)。指螞蟻追蹤過程中允許的非法步長所占的比例，決定螞蟻是否停止追蹤。

由于螞蟻追蹤屬性提取不具備方差提取的實時調(diào)參功能，因此以往對于螞蟻追蹤參數(shù)的優(yōu)選即以局部構(gòu)造(300km2以內(nèi))為樣本，對上述參數(shù)分別試驗、對比和優(yōu)選，選擇每項參數(shù)中的最優(yōu)項，由此得到一個參數(shù)序列(并非將6項參數(shù)進行有效組合)，因此不僅耗費大量時間，成果數(shù)據(jù)中的噪聲極為嚴重。本次研究區(qū)范圍較大，且地震資料由多塊不同年度采集的三維資料拼接而成，品質(zhì)差異較大。常規(guī)參數(shù)優(yōu)選方法效果不佳，無論怎樣組合都難以得到適用全區(qū)的螞蟻追蹤參數(shù)。因此本次研究不以單項參數(shù)優(yōu)選為目標(biāo)，而是通過優(yōu)化參數(shù)組合，進行多重螞蟻追蹤計算壓制噪聲、凸顯斷層特征。

研究區(qū)以張扭斷層為主，斷層連續(xù)強，局部走向一致。通過對比、分析將螞蟻追蹤參數(shù)組合定義為：由較大的初始邊界、較小的偏轉(zhuǎn)角度、搜索步長、較小的非法步數(shù)、較大的合法步數(shù)、較小的終止標(biāo)準(zhǔn)組成“被動”螞蟻追蹤算法；以較小的初始邊界、較大的偏轉(zhuǎn)角度、搜索步長、較大的非法步數(shù)、較小的合法步數(shù)、較大的終止標(biāo)準(zhǔn)組成“主動”螞蟻追蹤算法。兩組參數(shù)組合為兩個極端(體現(xiàn)所有異常與僅體現(xiàn)較強異常)，因此與軟件中兩類追蹤策略的默認參數(shù)并不一致，由本區(qū)地震資料的品質(zhì)決定。

1.2.2 追蹤參數(shù)疊加效果對比

從效果來看，“被動”與“主動”的螞蟻追蹤方法區(qū)別較大。主動螞蟻追蹤算法類似“勤勞的螞蟻”，更善于挖掘斷層，但由于其“主動性”較強，致使噪聲較清晰(圖5a)。被動螞蟻追蹤算法即“懶惰的螞蟻”，其傾向于追蹤極強信號，放棄較弱信號，因此有助于壓制噪聲，體現(xiàn)大斷層趨勢，但是易導(dǎo)致局部不清晰的低級別小斷層呈斷續(xù)特征，進而破壞其連續(xù)性(圖5b)。由于兩種追蹤策略均存在弊端，單獨使用并不能滿足斷層解釋和組合的需要，因此嘗試主動螞蟻追蹤參數(shù)進行疊加計算，即在主動螞蟻追蹤成果基礎(chǔ)上再次進行主動螞蟻追蹤。從結(jié)果來看，斷層和噪聲均得到增強，且噪聲特征向斷層進一步靠攏，更難以區(qū)分兩者(圖5c)。被動螞蟻體疊加計算(圖5d)后明顯壓制了噪聲，但由于其僅對極強信號二次追蹤，低級別斷層呈斷續(xù)特征甚至消失，高級別斷層的連續(xù)性也遭到明顯破壞，在走向方面趨于無序和紊亂。因此參數(shù)組合的簡單疊加并不能改善螞蟻體品質(zhì)。由此將兩個參數(shù)組合進行交叉疊加(在主動螞蟻追蹤屬性體基礎(chǔ)上進行被動螞蟻追蹤，反之亦然)，效果明顯優(yōu)于重復(fù)疊加，斷層連續(xù)性得到明顯增強，也較好地壓制了噪聲(圖5e、圖5f)。但兩種交叉疊加方法有明顯區(qū)別：在主動螞蟻追蹤基礎(chǔ)上疊加被動追蹤所得數(shù)據(jù)體中斷層連續(xù)性較強(圖5e)，但噪聲也相對較強，如NE走向斷層在剖面中不僅斷面清晰，斷距也很大(圖5e紅圈部分)；在被動螞蟻追蹤基礎(chǔ)上疊加主動追蹤所得數(shù)據(jù)體，噪聲壓制效果較好，大斷層清晰，但也同樣明顯壓制了低級別斷層(圖5f)，如上述NE走向斷層不存在(圖5f紅圈部分)。在對原始方差數(shù)據(jù)進行被動螞蟻追蹤之后，該NE向斷層已消失(圖5b)，因此對原始方差數(shù)據(jù)進行被動螞蟻追蹤會導(dǎo)致部分小斷層的缺失。對于斷層極為密集、地層較為平緩的渤中凹陷淺層來說，高級別斷層控制洼陷，其周邊伴生或相互作用而形成的低級斷層往往控制圈閉。因此斷層對于圈閉的有效性至關(guān)重要。在螞蟻體提取階段，為了盡量保持斷層信息，應(yīng)以主動追蹤為基礎(chǔ)。

1.2.3 螞蟻體品質(zhì)改善方法

綜上所述，主動螞蟻追蹤算法有助于挖掘斷層，在充分顯示斷層基礎(chǔ)上進行被動追蹤可以有效壓制噪聲，對斷層進行篩選，兩者可作為一個循環(huán)序列而重復(fù)應(yīng)用。首先，對高清方差體進行主動螞蟻追蹤。由于研究區(qū)多發(fā)育鏟式張扭性正斷層，傾角普遍較大，因此為降低地層傾斜對螞蟻追蹤的干擾，在提取螞蟻體時將傾角小于50°的干擾過濾，得到初步成果(圖6a)，其斷層特征明顯，但其周邊存在大量沿Crossline方向的強噪聲。因此在提取螞蟻體的同時沿Crossline方向±2°(可用的最小角度)的角度范圍過濾，即得到螞蟻體的第一次降噪數(shù)據(jù)，明顯壓制了噪聲(圖6b)。為增強斷層連續(xù)性，再進行被動螞蟻追蹤(圖6c)，大斷層更為清晰，但仍存在大量噪聲。多次試驗表明，在被動螞蟻追蹤數(shù)據(jù)(圖6c)上無論再進行主動或被動螞蟻追蹤，都無法明顯改善數(shù)據(jù)體品質(zhì)，且過大角度的方位角過濾具有消除部分潛在分支斷層的風(fēng)險。螞蟻追蹤屬性與其他地震屬性類似，都有一個固定的取值范圍(為-1～+1，從白色到藍色)，通過剖面斷層讀取其對應(yīng)屬性值得知，絕大多數(shù)斷層的屬性值分布在0.8～1.0，噪聲值分布在-1.0～0.2(數(shù)值范圍需根據(jù)不同地震資料具體分析)。因此通過算法(計算機語言)設(shè)定噪聲為-1.0(白色)，斷層為1.0(藍色)，進一步凸顯斷層與噪聲的區(qū)別，得到第二次降噪數(shù)據(jù)(圖6d)，該數(shù)據(jù)相對于第一次降噪數(shù)據(jù)明顯壓制了噪聲。

圖5 螞蟻體參數(shù)組合提取效果對比

圖6 螞蟻體改善分步實施效果圖

但為了保證準(zhǔn)確性，計算之前需分析并對比大量數(shù)據(jù)以確定臨界參數(shù)。在第二次降噪數(shù)據(jù)(圖6d)基礎(chǔ)上進行主動螞蟻追蹤(圖6e)，進一步挖掘斷層信息。最后在主動螞蟻追蹤(圖6e)的基礎(chǔ)上疊加被動追蹤，同時結(jié)合剖面斷層特征及平面斷層走向，加入方位角過濾并輔以光源強化，得到第三次降噪數(shù)據(jù)(圖6f)。對比初步成果(圖6a)與第三次降噪數(shù)據(jù)(圖6f)可見，后者的斷層連續(xù)性得到明顯增強，同時明顯壓制了噪聲。

1.3 高清螞蟻體的應(yīng)用優(yōu)勢

應(yīng)用高清螞蟻體數(shù)據(jù)輔助斷層解釋及組合，主要具備以下優(yōu)勢：

(1)為復(fù)雜斷裂帶平/剖面斷層解釋及組合提供指導(dǎo)。螞蟻體對地震資料的細微變化、地層扭動極其敏感，這是利用螞蟻體指導(dǎo)復(fù)雜斷裂解釋和組合的理論基礎(chǔ)。方差體體現(xiàn)大型走滑斷裂帶中主斷層的展布特征，不能清晰地反映斷裂帶內(nèi)部的分支小斷層。而螞蟻體可以清晰體現(xiàn)其內(nèi)部多條分支斷層的存在，且與剖面中的斷面一一對應(yīng)。因此高清螞蟻體不僅指導(dǎo)了斷層平面組合，而且還指導(dǎo)斷層剖面解釋。

(2)為同走向、多斷層區(qū)分及延展提供依據(jù)。常規(guī)地震解釋以逐條剖面為基礎(chǔ)，對走向、傾向、形態(tài)都完全一致的兩條斷層，解釋人員在其走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)及消亡地區(qū)，在沒有足夠的層位解釋控制時很容易錯誤地命名為一條斷層。而利用螞蟻體等時切片可清晰地區(qū)分二者。

(3)為斷層形態(tài)立體刻畫奠定基礎(chǔ)。高清螞蟻體中的斷層形態(tài)較方差體更清晰，斷層之間的交切關(guān)系更明朗(圖7a)。在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過閾值分析，并利用地震子體提取技術(shù)[21]，可對斷面立體雕刻(圖7b)，從而完整、清晰地體現(xiàn)斷層形態(tài)，為后續(xù)斷層分析提供了基礎(chǔ)。

圖7 局部高清螞蟻體切片(1200ms)(a)及斷層立體刻畫效果圖(b)

2 應(yīng)用效果分析

對比目標(biāo)區(qū)斷層組合成果可知，方差體體現(xiàn)大斷層趨勢，而螞蟻體更清晰地反映了復(fù)雜斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖8a)。以方差體為基礎(chǔ)得到124條斷層組合(圖3b)，在同樣的范圍內(nèi)，以高清螞蟻體為基礎(chǔ)的斷層組合更為細致，多達273條(圖8b)。

將高清螞蟻追蹤技術(shù)應(yīng)用到全區(qū)，針對全區(qū)淺層T15反射界面進行精細斷層組合，單人一個月內(nèi)即可完成研究區(qū)4000km2范圍內(nèi)的470余條斷層組合，在此基礎(chǔ)上落實28個斷塊圈閉。

由于淺部斷層斷距普遍較小，若地層僅受單一方向斷層控制，大多形成“黃瓜條”式的小型圈閉。研究區(qū)位于NE及NW向大型走滑斷裂交會地區(qū)(圖7b)，兩個方向的斷裂切割淺部地層，進而形成一系列規(guī)模的構(gòu)造圈閉。由于該區(qū)地層較為破碎，斷層封堵分析至關(guān)重要。因此如何尋找有利斷塊，擇優(yōu)鉆探是下一步研究的重點。

圖8 高清螞蟻體沿層切片(a)及斷層組合 (b)

3 結(jié)束語

(1)針對研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、走滑斷層多且分布密集的特點，結(jié)合現(xiàn)有資料條件，提出一套高清螞蟻體生成技術(shù)。該技術(shù)不同于以往對螞蟻追蹤參數(shù)進行簡單優(yōu)選和對比的技術(shù)，而是以增強斷層連續(xù)性和降噪為目的，通過優(yōu)選兩類參數(shù)組合，對數(shù)據(jù)體進行螞蟻追蹤計算，并穿插多步噪聲削減，最終得到與研究區(qū)斷裂高度匹配的高清螞蟻體數(shù)據(jù)。

(2)螞蟻體對地震資料的細微變化、地層扭動極其敏感，為復(fù)雜斷裂帶剖面精細解釋及斷層形態(tài)立體刻畫提供了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)在高清螞蟻體指導(dǎo)下快速完成渤中凹陷南部4000km2三維工區(qū)內(nèi)T15界面470余條斷層平面組合，落實了28個斷塊圈閉，為后期深入研究奠定了堅實基礎(chǔ)。