塔里木盆地超深層走滑斷裂帶的地震識(shí)別方法

李相文 李景葉 劉永雷 陶春峰 張亮亮 張冠卿

(①東方地球物理公司研究院，河北涿州 072751；②中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；③中國(guó)石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；④東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北涿州 072750)

0 引言

中國(guó)西部塔里木盆地油氣資源豐富[1]，中、下奧陶統(tǒng)斷控縫洞型油氣藏是臺(tái)盆區(qū)主要的油氣藏類(lèi)型，走滑斷裂破碎帶對(duì)油氣成藏具有控制作用。因此，如何識(shí)別走滑斷裂帶是地震勘探的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

根據(jù)《石油天然氣儲(chǔ)量計(jì)算方法》[2]，埋深大于4500m的地層定義為超深層。塔里木盆地富滿(mǎn)油田油氣藏埋深為7500～9000m，屬于超深層范疇。油氣勘探實(shí)踐表明，富滿(mǎn)油田具有大斷裂大油藏、小斷裂小油藏的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)斷裂帶即發(fā)現(xiàn)油藏。因此，利用地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別走滑斷裂帶是油田勘探與開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)重要工作。

富滿(mǎn)油田超深層目的層段地震資料品質(zhì)差，斷裂破碎帶在地震剖面上呈能量不一、雜亂的反射特征，在平面上呈條帶狀展布，這是奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的主要特點(diǎn)[3-4]。另外，還可呈“串珠”狀地震反射特征。富滿(mǎn)油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層油氣勘探中，強(qiáng)能量的“串珠”狀地震反射多與高產(chǎn)油氣井(石油產(chǎn)量約為100t/d)吻合[5]。條帶狀雜亂地震反射同樣是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層特征。強(qiáng)“串珠”反射在地震剖面上相對(duì)容易識(shí)別[6-9]，而條帶狀雜亂反射難以直接識(shí)別。

受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升、風(fēng)化和溶解等作用的影響[3]，走滑斷裂帶縫洞型儲(chǔ)層的非均質(zhì)性強(qiáng)[10-14]。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ磷呋瑪嗔褞Щ虍惓５刭|(zhì)體時(shí)，每個(gè)點(diǎn)都可成為一個(gè)繞射點(diǎn)。為此，處理人員嘗試應(yīng)用不同的偏移方法提高非均質(zhì)儲(chǔ)層的分辨率，如Kirchhoff偏移[15-16]、逆時(shí)偏移[17]、繞射波成像[17-18]、最小二乘逆時(shí)偏移成像[19]等。然而，這些方法對(duì)走滑斷裂的成像效果改進(jìn)不明顯。

在地震資料解釋方面，最大似然、相干加強(qiáng)(AFE)、第三代本征相干、曲率等屬性廣泛用于斷裂識(shí)別[20-22]。這些屬性對(duì)一級(jí)走滑斷裂帶的識(shí)別有一定成效，但對(duì)次級(jí)走滑斷裂帶效果不好。根據(jù)走滑斷裂帶的地震響應(yīng)特征，使用均方根振幅、振幅梯度、多數(shù)據(jù)融合預(yù)測(cè)[22]和結(jié)構(gòu)張量[23]等識(shí)別走滑斷裂帶，仍然只能有效區(qū)分強(qiáng)“串珠”狀反射，而識(shí)別條帶狀雜亂反射特征的效果不明顯。利用微地震數(shù)據(jù)對(duì)大型地下空洞進(jìn)行巖體分析[24-25]，并與地震數(shù)據(jù)聯(lián)合可以識(shí)別超深層走滑斷裂帶裂隙體，但該方法對(duì)井距有一定要求，而本文研究區(qū)內(nèi)井距多為1～5km，最大可達(dá)10km，難以符合上述方法的要求。

近年來(lái)，學(xué)者們通過(guò)解釋性處理方法將走滑斷裂帶地震反射特征與地層結(jié)構(gòu)特征分離，如地層結(jié)構(gòu)特征壓制、斷溶體形態(tài)特征增強(qiáng)處理、炮點(diǎn)域疊前頻率劃分和頻譜延拓[17]等，可以在一定程度上有效地突出走滑斷裂帶地震反射特征。但該方法貫穿于數(shù)據(jù)處理到解釋整個(gè)過(guò)程，控制過(guò)程復(fù)雜，操作耗時(shí)。因此，迫切需要建立一套有效的方法，從地震資料解釋人員的角度識(shí)別走滑斷裂帶的地震響應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行有效表征。

為此，本文提出了一種組合方法，引入基于地震資料的傾角掃描數(shù)據(jù)，作為導(dǎo)向參數(shù)實(shí)施地震資料橫向?yàn)V波處理，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算增強(qiáng)走滑斷裂帶的地震響應(yīng)特征。應(yīng)用表明，該方法可以有效地識(shí)別強(qiáng)能量“串珠”狀反射和能量不一、雜亂地震反射特征，對(duì)走滑斷裂帶的識(shí)別具有明顯的效果，并在油氣勘探開(kāi)發(fā)中取得了顯著的成效。

1 技術(shù)方法

1.1 原理

為了突出超深層走滑斷裂破碎帶與地層地震反射特征之間的差異，對(duì)地震數(shù)據(jù)實(shí)施穩(wěn)健地層傾角掃描；引入地層傾角結(jié)果并實(shí)施橫向?yàn)V波處理，求得平滑數(shù)據(jù)體，并以此作為局部區(qū)域內(nèi)反映地層遭受斷裂破壞或溶蝕前的地層背景能量的數(shù)據(jù)體；求取它與原始地震數(shù)據(jù)之間的差值，增強(qiáng)微小斷裂帶地震響應(yīng)在背景中的能量。該方法關(guān)鍵是獲取地層傾角數(shù)據(jù)，以及構(gòu)建可引入傾角數(shù)據(jù)的橫向?yàn)V波器，并在局部區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)走滑斷裂帶特征的同步增強(qiáng)。

1.1.1 穩(wěn)健地層傾角掃描

以往地層傾角估算是在規(guī)則采樣網(wǎng)格中掃描，利用地震道之間的相似性獲取最大相似以估算地層傾角[26]，即

(1)

為了取代反射層傾角、方位角對(duì)應(yīng)最大不連續(xù)掃描的假設(shè)，通過(guò)相鄰視傾角對(duì)(θx,θy)的相似性值[26-28]擬合二次曲面，其形式如下

a4θx+a5θy+a6

(2)

式中a1～a6為各項(xiàng)的系數(shù)。

然后，計(jì)算落入第i個(gè)窗口內(nèi)的J條記錄道的相似性，即使用最小二乘法求解系數(shù)aj，獲取傾角估計(jì)值

(3)

由于這一相似性面是內(nèi)插的，分析窗口有可能跨越了斷層，而斷層將反射層劃分為兩個(gè)不同傾角區(qū)。為了獲取改善的矢量?jī)A角估算值，采用多分析窗口結(jié)構(gòu)，除了中心窗口以外，還可對(duì)一組非中心、疊置的分析窗口進(jìn)行掃描，所有窗口內(nèi)部包含感興趣的分析點(diǎn)。再計(jì)算落在窗口的J條地震道的振幅方差

(4)

式中〈ui〉表示第i個(gè)分析窗口中u的平均值。當(dāng)具有最小方差時(shí)，最小方差對(duì)應(yīng)的窗口被設(shè)定為連續(xù)反射層的最佳窗口，并在此窗口估算反射層傾角。

1.1.2 地層傾角導(dǎo)向橫向平滑濾波

構(gòu)建一個(gè)構(gòu)造傾角導(dǎo)向平滑濾波器，先對(duì)三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行提高信噪比的預(yù)處理工作，然后對(duì)給定地震數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向地震道平滑處理。輸入的數(shù)據(jù)為提高分辨率或信噪比的預(yù)處理地震數(shù)據(jù)，以及通過(guò)穩(wěn)健地層傾角掃描獲得的Crossline方向和Inline方向視傾角數(shù)據(jù)。

構(gòu)造導(dǎo)向橫向平滑濾波處理的目的是：沿地震反射層位獲取局部地層能量背景數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波消除隨機(jī)噪聲并增強(qiáng)反射的橫向連續(xù)性。關(guān)鍵任務(wù)是區(qū)分反射層的傾向方位角和疊置在反射層上的噪聲。估算反射層的傾角和傾向方位角后，再采用一個(gè)濾波器增強(qiáng)沿反射層的信號(hào)。最常用的濾波有均值濾波器和中值濾波器。

1.1.3 增強(qiáng)走滑斷裂帶特征數(shù)據(jù)計(jì)算方法

儲(chǔ)層與圍巖之間地震波反射特征的差可以作為走滑斷裂帶非均質(zhì)性數(shù)據(jù)。將構(gòu)造導(dǎo)向橫向?yàn)V波后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等效為接近圍巖地震波反射特征的綜合響應(yīng)，視為地層產(chǎn)生斷裂破碎前的狀態(tài)[23]。因此，從地震數(shù)據(jù)信息中扣除與圍巖相關(guān)的地震波形特征后則是斷裂破碎帶地震波反射特征。基本策略是原始地震數(shù)據(jù)減去構(gòu)造傾角導(dǎo)向橫向?yàn)V波后的平滑數(shù)據(jù)，可在走滑斷裂帶非均質(zhì)屬性數(shù)據(jù)的視相位與原始地震數(shù)據(jù)的相位保持一致的情況下，求得走滑斷裂破碎帶非均質(zhì)屬性數(shù)據(jù)

dH(t)=draw(t)-umedian(t)

(5)

式中：draw(t)是原始地震數(shù)據(jù)；umedian(t)為中值濾波器處理后的橫向平滑地震數(shù)據(jù)。

一般而言，當(dāng)?shù)貙觾A角和主方位角相對(duì)穩(wěn)定且橫向振幅相對(duì)均一時(shí)，適合采用中值濾波器；當(dāng)?shù)貙觾A角和主方位角橫向變化劇烈且地層振幅存在較大變化時(shí)，適合采用均值濾波器。

1.2 方法流程

根據(jù)區(qū)塊地震資料品質(zhì)情況，方法實(shí)現(xiàn)可分為四個(gè)主要步驟。

(1)對(duì)地震數(shù)據(jù)做預(yù)處理，目的是提高數(shù)據(jù)的信噪比，為下一步地層的傾角、方位有效掃描做準(zhǔn)備。當(dāng)?shù)卣鹳Y料品質(zhì)較低時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)處理，如時(shí)相振幅譜分析[29]、反Q濾波器[30]、自適應(yīng)時(shí)間重采樣高分辨率同步壓縮變換[31]、帶通濾波、地震道間加權(quán)平均和傾角掃描疊加等。可以采用單個(gè)預(yù)處理任務(wù)，也可以是多種預(yù)處理方法的組合。

(2)根據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)實(shí)施地震道掃描求得傾角和方位角，作為下一步計(jì)算的數(shù)據(jù)輸入。

(3)基于預(yù)處理數(shù)據(jù)實(shí)施傾角導(dǎo)向的橫向?yàn)V波處理，目的是獲得局部區(qū)域的地層背景數(shù)據(jù)。

(4)求取橫向?yàn)V波數(shù)據(jù)各地震道與原始地震數(shù)據(jù)之間的殘差，殘差數(shù)據(jù)反映致密地層中的走滑斷裂帶非均質(zhì)縫洞體特征。

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法的有效性，建立一個(gè)同時(shí)包含地層構(gòu)造(橫向劇烈變化)、縫洞體、走滑斷裂帶的模型(圖1)。

地層和縫洞體的充填速度均來(lái)自于研究區(qū)聲波測(cè)井和VSP測(cè)井資料。地層自上而下分別為泥巖(4300～4500m/s)、灰?guī)r(5500m/s)和高速層(6200m/s)?？p洞體充填速度為4600～5300m/s，走滑斷裂帶速度為5190～5500m/s。不考慮地層速度隨埋深的變化(平均小于10m/s)。

縫洞體系等效地質(zhì)體尺寸相同(均為20m×15m)，等效充填平均速度如表1所示，用于模擬小斷裂、縫洞綜合體在不同規(guī)?？紫断碌牡卣痦憫?yīng)。

表1 模型中地質(zhì)體充填速度參數(shù)

初始化速度采樣參數(shù)分別為道間距6m、采樣率1ms，正演數(shù)值模擬采用褶積算法。同時(shí)，考慮實(shí)際地震資料品質(zhì)，通過(guò)多次調(diào)整和添加噪聲參數(shù)，使模擬剖面的特征與實(shí)際地震資料一致。

由圖2a可見(jiàn)，通過(guò)地震正演模擬，1～5號(hào)地質(zhì)目標(biāo)基本可以分辨；6、7號(hào)地質(zhì)目標(biāo)較難分辨；8號(hào)地質(zhì)目標(biāo)的頂部較難分辨，中部和底部因波阻抗差比頂部大而可分辨。圖2b為本文方法計(jì)算所得走滑斷裂帶非均質(zhì)地震響應(yīng)數(shù)據(jù)。與地質(zhì)模型(圖1)相比，斷裂破碎帶、點(diǎn)狀地質(zhì)體和條形地質(zhì)體的位置吻合較好；1～8號(hào)地質(zhì)目標(biāo)均可清楚分辨；在藍(lán)色箭頭所指位置，可見(jiàn)斷裂帶特征，特別是8號(hào)目標(biāo)斷裂帶頂部正花狀構(gòu)造的3條分支斷裂，在非均質(zhì)地震數(shù)據(jù)中得以清楚顯現(xiàn)。6、7號(hào)地質(zhì)目標(biāo)在正演剖面(圖2a)中被淹沒(méi)在地層能量背景之中，而在斷裂帶特征識(shí)別數(shù)據(jù)中的地震響應(yīng)得以突現(xiàn)(圖2b紫色箭頭所指位置)。

圖1 地質(zhì)模型(a)及局部(黑虛線框)放大顯示(b)

圖2 正演地震剖面(a)和本文方法地震剖面(b)對(duì)比

模型數(shù)值正演表明，本文方法能有效分辨地層中的不同尺度斷裂特征，并能夠分辨被淹沒(méi)在地層能量背景下的縫洞體。

3 實(shí)際資料應(yīng)用效果

目前，塔里木盆地奧陶系已發(fā)現(xiàn)的斷控型油氣藏埋深主要在7500～9000m。以北部坳陷富滿(mǎn)油田富源Ⅲ區(qū)塊為例，測(cè)試本文方法應(yīng)用效果。

研究區(qū)走滑斷裂具有縱向分層、平面分區(qū)、沿走向分段特征，橫向位移小，埋深大。在走滑斷裂生長(zhǎng)過(guò)程中，應(yīng)力的變化導(dǎo)致碳酸鹽巖脆性地層破碎，形成了橫向上具有一定寬度的走滑斷裂破碎帶，破碎帶相關(guān)非均質(zhì)儲(chǔ)層的分布與斷裂帶的展布具較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖3a可見(jiàn)，在富源Ⅲ區(qū)塊垂直斷裂走向的原始地震剖面上，走滑斷裂縱向上分三段(紅色線條)；目的層頂?shù)絻?nèi)幕反射層之間斷裂特征不清楚(藍(lán)色虛線框處)；內(nèi)幕反射層之下呈“串珠”狀反射特征(藍(lán)色箭頭位置)。而用本文方法處理后的地震剖面(圖3b)上，斷裂特征清晰，自下而上發(fā)育一條走滑斷裂(紅色線條)，兩側(cè)與斷裂破碎相關(guān)的異常體地震響應(yīng)明顯；斷裂破碎帶內(nèi)部發(fā)育多個(gè) “串珠”狀反射(粉色箭頭位置)且相互之間存在一定關(guān)聯(lián)。

圖3 富源Ⅲ區(qū)塊垂直斷裂方向的原始(a)和本文方法(b)地震剖面對(duì)比

由圖4a可見(jiàn)，在富源Ⅲ區(qū)塊沿?cái)嗔炎呦蛟嫉卣鹌拭嫔?，目的層以下地層呈雜亂地震反射，難以識(shí)別走滑斷裂，大約可見(jiàn)2個(gè)“串珠”狀反射目標(biāo)。而用本文方法處理后的地震剖面(圖4b)上，目的層以下斷裂特征清晰，發(fā)育規(guī)模性“串珠”狀反射目標(biāo)，相比原始地震數(shù)據(jù)增加了5個(gè)“串珠”狀反射目標(biāo)。其中，①號(hào)目標(biāo)由一系列不同尺度“串珠”狀反射組成，②號(hào)目標(biāo)可能與新識(shí)別的⑥號(hào)目標(biāo)存在關(guān)聯(lián)。由此表明本文方法的走滑斷裂帶地震響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)非均質(zhì)地質(zhì)體的分辨能力有明顯提升。

圖4 富源Ⅲ區(qū)塊沿?cái)嗔炎呦蛟?a)和本文方法(b)地震剖面對(duì)比

另外，根據(jù)原始地震資料沿層提取目的層的均方根振幅屬性，只能分辨部分規(guī)模大的走滑斷裂帶。由于受到東南側(cè)和西北側(cè)片狀強(qiáng)反射背景的干擾，走滑斷裂帶內(nèi)非均質(zhì)儲(chǔ)層引起的波組響應(yīng)特征均被淹沒(méi)在背景之中，只能刻畫(huà)出3條NE-SW向和2條NW-SE向斷裂帶，總長(zhǎng)度約為51.60km(圖5a)?；谠嫉卣饠?shù)據(jù)解釋性斷層增強(qiáng)處理數(shù)據(jù)的相干屬性(圖5b)可見(jiàn)不同級(jí)別NE-SW向的走滑斷裂帶，同時(shí)發(fā)育NW-SE向的走滑斷裂帶，總計(jì)5組NE-SW向斷裂帶、2組S-N向斷裂帶和1組NW-SE向斷裂帶，總長(zhǎng)度約為89.80km。而根據(jù)本文方法所成數(shù)據(jù)(圖5c)不但能區(qū)分大型斷裂破碎帶及內(nèi)部各斷裂分段間的相對(duì)關(guān)系，同時(shí)可識(shí)別小級(jí)別斷裂。原始數(shù)據(jù)中片狀強(qiáng)反射背景的干擾得到壓制，斷裂帶非均質(zhì)特征得以顯現(xiàn)。據(jù)此，共識(shí)別7組NE-SW向斷裂帶、3組S-N向斷裂帶和3組NW-SE向斷裂帶，總長(zhǎng)度約為164.50km，相比以往長(zhǎng)度增加了74.70km(圖5c)。

圖5 富源Ⅲ區(qū)塊奧陶系不同數(shù)據(jù)體(左)及其走滑斷裂識(shí)別結(jié)果(右)對(duì)比

根據(jù)本文方法處理后地震數(shù)據(jù)斷裂帶識(shí)別結(jié)果部署WF5井(預(yù)探井)。在原始地震剖面上，只見(jiàn)一個(gè)獨(dú)立的“串珠狀”反射異常(圖5a、圖6a)，不具備高產(chǎn)目標(biāo)的特征。而本文方法處理后地震數(shù)據(jù)(圖6b)可見(jiàn)，該區(qū)處于走滑斷裂帶，是有利目標(biāo)。鉆井證實(shí)發(fā)育優(yōu)質(zhì)縫洞儲(chǔ)層，日產(chǎn)油超過(guò)190m3，日產(chǎn)氣超過(guò)53000m3，產(chǎn)能穩(wěn)定。由此表明，實(shí)鉆結(jié)果與本文方法地震數(shù)據(jù)匹配較好。

圖6 WF5井原始(a)與本文方法(b)地震剖面對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的超深層碳酸鹽巖走滑斷裂非均質(zhì)地震響應(yīng)識(shí)別方法分四步實(shí)現(xiàn)。核心方法是應(yīng)用穩(wěn)健傾角掃描數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施地質(zhì)導(dǎo)向的橫向?yàn)V波，去除背景，增強(qiáng)走滑斷裂破碎帶的地震響應(yīng)特征?？碧綄?shí)踐證明，本文方法對(duì)于縫洞型油藏效果較好。

該方法同樣可以用于重、磁、電勘探數(shù)據(jù)的處理，也可推廣應(yīng)用于工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。

本文方法的應(yīng)用效果與地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量密切相關(guān)，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)保真度處理至關(guān)重要。需要注意的是，根據(jù)地震資料品質(zhì)的需要，處理方法不限于加權(quán)混合。