疊后多屬性在潛山斷裂系統描述中的應用研究

鄒雅銘，劉道理，黃媛，劉徐敏，陶禹，張星宇，陳雙全*

1 中海石油深海開發有限公司，深圳 518054

2 中海石油( 中國) 有限公司深圳分公司，深圳 518054

3 中國石油大學（北京）油氣資源與工程全國重點實驗室，北京 102249

4 中國石油大學（北京）CNPC物探重點實驗室，北京 102249

0 引言

南海北部深水區作為一個大型深水含油氣盆地，已被證明蘊含巨大的勘探潛力[1]。深水區的潛山油氣勘探已經成為該區域油氣勘探的一個重要方向。位于白云凹陷東的深層潛山受風化淋濾和構造抬升等因素的影響，潛山內發育有橫向變化快、類型多樣的裂縫。受潛山內幕構造作用和成巖作用的影響，潛山斷裂發育區的裂縫分布廣泛，多數以應力釋放后發生斷裂的不連續面形式存在。潛山巖體受應力作用而產生位移、形變甚至破裂等復雜現象造就了裂縫型儲層多種多樣的賦存形式。由于儲層裂縫成因的復雜性、裂縫大小的多尺度性、裂縫形態的多樣性、裂縫充填物的多類型以及巖性變化造成的多解性等[2-3]。而且，潛山儲層的地震響應特征表現為雜亂反射、弱反射等特點，增加了儲層預測的難度。由單一的技術手段對目標裂縫型儲層進行描述時，難以準確評價儲層的裂縫發育特征，需采取多參數進行綜合裂縫儲層的預測，綜合多尺度、多信息資料開展綜合研究[4]，包括地質、測井和地震三種不同尺度的資料。

根據地質成因及發育規律，斷層發育區及構造褶皺區極易形成裂縫發育區，通常把斷層、裂縫作為整體進行研究，稱為“斷縫體”[5]。利用地震數據進行裂縫性儲層描述，主要包括利用疊后地震屬性對斷層、微斷裂進行描述和疊前各向異性參數反演裂縫預測技術[6]。在疊前各向異性反演中，需要有帶方位信息的疊前道集，且方位角較寬的OVT道集最適合[7]。而利用疊后地震數據主要是通過提取得到的不同地震屬性，對斷層、亞斷層和微斷裂的發育規律進行描述。研究表明，根據地震數據的分辨率高低與斷裂、微斷裂、裂縫目標體的尺度大小，可以形成分尺度、分級預測技術[8]。

蘇朝光等(2002)運用相干分析技術對泥巖微斷裂進行了綜合描述[9]。蔡涵鵬等(2016)利用一種基于非線性變時窗的相干算法對地層細微不連續進行了較好的檢測[10]。由于疊后地震數據的分辨率限制，得到的相干屬性體對于斷裂刻畫不夠清晰，可以采用近年來發展的斷層自動提取技術(AFE)進行相干增加處理，提高斷裂體刻畫的精度，并可用于對中等尺度的微斷裂進行描述。陳光俊等(2009)利用AFE技術對實際工區的斷裂系統進行了細致地刻畫[11]。Dorn et al.(2005)、張軍林等(2013)通過采用AFE技術與傳統方法相比，其斷層解釋結果更加準確精細[12-13]。Qi et al.(2019)采用AFE技術獲得了信噪比高并且更加準確的斷裂識別結果[14]。韓勇等(2020)提出AFE技術能夠在相干技術的基礎上對小斷裂的展布進行較好的刻畫[15]。Gao et al. (2013, 2014)和Di et al. (2014)利用梯度曲率屬性對小斷層進行了有效地識別[16-18]。張晶玉等(2021)研究了基于曲率算法的儲層不連續性特征的識別方法，通過模型正演分析發現曲率屬性對于砂體之間不連續性特征具有較高的檢測精度[19]。李維等(2022)通過基于橫、縱向組合卡爾曼技術，研究了最大正、負曲率屬性與斷層的開啟性[20]。Hale et al.(2013)基于相似系數提出了最大似然屬性，指出最大似然屬性優勢在判斷斷面表征和斷層組合，在實際生產中得到了較好的效果[21]。馬德波等(2018)研究了最大似然體在識別斷裂中的效果，利用最大似然屬性對走滑斷裂進行精準識別，提高了斷裂內部結構的預測準確度[22]。于婭等(2019)提出傾角中值濾波技術，對原始地震數據突出斷裂信息后提取最大似然屬性，精準識別了微斷裂[23]。甄宗玉等(2020)利用最大似然屬性對被特定反射系數壓制后的河道砂體進行微斷裂識別，取得了理想的效果[24]。

因此，為了解決潛山油氣藏儲層受構造及風化作用影響形成雜亂反射、弱反射特征，裂縫性儲層預測難度大的問題。從疊后地震數據出發，充分利用疊后屬性進行多屬性分析，形成了一套分尺度疊后地震潛山儲層預測方法及技術流程。選用不同的幾何類屬性及其組合可以對目標區的斷裂系統進行精細描述，特別是對于微斷裂發育區的刻畫。最后，利用深水區海上潛山油氣藏儲層目標區數據進行了應用研究，完成斷層解釋、本征值相干屬性、AFE增強相干屬性、曲率屬性和最大似然屬性的疊后多屬性綜合解釋，實現了對潛山斷裂發育區的描述。

1 方法原理及技術流程

利用疊后地震數據進行潛山油氣藏裂縫性儲層的斷裂描述，主要是利用地震數據的疊后幾何類屬性。疊后屬性進行中小尺度的亞斷層、微斷裂描述，主要選取地震幾何類屬性，包括方差體、相干類、和曲率類，以及螞蟻體和最大似然體等。相干類屬性具有對斷層斷點變化敏感的特點，能快速地找到亞斷層發育帶，準確的識別較大尺度的亞斷層發育特征。微斷裂發育受構造的影響較大，特別是在地層的褶皺部位易形成微斷裂發育區[25]。微斷裂作為斷裂的小尺度體，利用疊后地震屬性進行刻畫，主要包括曲率、螞蟻體和最大似然體屬性。本文主要選用本征值相干屬性、曲率和最大似然體三種屬性進行斷裂描述，并采用AFE增強技術進行屬性的優化處理。為了論文的完整性，下面分別對其方法原理進行簡述。

1.1 本征值相干

相干屬性主要是用于描述關于相鄰道之間相似性的一種屬性，通過地震道空間組合反映多點、多道、多線的信息，用來說明斷裂的橫向不連續性，可以在三維空間對斷裂進行描述[26]。相干屬性計算是通過計算地震數據波形之間的相似性，從而得到地震道數據的相似度屬性。本征值相干是通過計算地震數據體的本征值獲得的，對于地震三維數據體，取相鄰的J道N個采樣點數據集N×J，構成矩陣DN×J。

該矩陣對應的協方差矩陣表示如：

該協方差矩陣是一個對稱的、半正定矩陣，其所有的本征值大于或等于0。通過計算協方差矩陣的本征值和本征向量得到本征值相干屬性：

其中，λi(1,2,3...n) 為協方差矩陣的特征值，λmax為最大的特征值。

1.2 曲率

曲率屬性主要反映地層的彎曲程度，也可以間接地對斷裂進行描述。曲率是曲線上單位弧長段上切線旋轉角度大小的極值，可描述曲線上任意一點的彎曲程度，利用過該點內切圓半徑的倒數來表示[27]。因此，通過計算三維地震數據的曲率，可以描述地震數據體的幾何形態特征。設曲線函數為y=f(x)，曲率k的導數形式：

式中，x、y分別為坐標軸，ρ為曲率半徑，曲率越大，彎曲程度越大。三維空間的兩個正交平面相交于曲線，產生最大曲率、最小曲率、走向曲率、傾角曲率等。為了計算曲面上一點的曲率，需要擬合局部二次曲面：

式中，x、y為曲面在平面的投影坐標，a、b、c、d、e、f為方程的系數，f為采樣點的值，z為深度。

在無限個法線曲率中，絕對值最大的為最大曲率kmax，與其正交的為最小曲率kmin，是對界面上某一點最大、最小彎曲程度的測量，這兩種屬性體對識別和描述斷裂的幾何形態行之有效，其計算公式可以寫成：

而所有法線曲率中最大正值對應的曲率為最大正曲率kpos，最小負值對應的曲率為最小負曲率kneg，最大正曲率突出曲面上任一點處的正曲率值，即突出顯示曲面上的正向構造；最小負曲率則突出曲面上任一點處的負曲率值，即突出顯示曲面上的負向構造，其計算公式可以寫成：

1.3 最大似然體

最大似然體屬性算法是基于相似系數提出的，其原理是將原始地震數據沿著一組傾向、傾角和走向，計算每一點最低的相似度，使得最終的最大似然數據體更接近裂縫原貌，相似性又通過構造導向平滑得到相似度屬性。對地質體沿反射界面不同方向變化率的估計是相似性計算的基礎，所以進行最大似然屬性計算的前提是先估計沿反射界面不同方向的反射斜率[21]。定義似然屬性為：

其中，C(x,y, )τ為分析點的相似系數，x、y為分析點的坐標；τ為分析點的時間；指數n擴大了相似系數高值與低值之間的差異性。

假設已知斷層的傾角和傾向，可以采用沿斷層傾向和傾角的三維傾斜中心時窗計算相似系數，假設斷層傾向掃描范圍為[min,max]，掃描間隔為?，斷層傾角θ掃描范圍為，掃描間隔為?θ。對于某個采樣點，分別對每個掃描的傾角和傾向采用傾斜中心時窗計算其似然屬性，再通過對比求取其最大值，所以最大似然屬性可表示如：

如式11 所示，最大似然屬性的指數n數值范圍在0 到10 之間，通?？梢园哑湓O定為8。從上述公式可知，最大似然屬性是對地震數據的相似系數進行了一定程度的放大，地震同相軸越連續，相似程度越高，說明斷層發育的概率越小，即最大似然屬性值越??；反之，地震同相軸連續性越差，相似程度越低，說明斷層發育的概率越大，即最大似然屬性值也越大[28]。

1.4 AFE相干增強

AFE相干加強屬性是相對于相干屬性進行線性增強處理，用線性濾波去除數據中的非構造異常，保留因構造造成的相干體異常，利用斷層增強技術增強每一個水平切片的線性特征，從而增強斷層的平面特征。

如果對疊加剖面上第j道做相干加強，則以該道為中心，兩側各取N道并求2N+ 1道的平均值m j(i)作為該道的模型道，將做相干加強的第j道與模型道按照一定比例進行混波，表示如:

其中，K為混波百分比；a j(i)為混波前第j道的第i個振幅；為混波后的振幅，為使混波后地震道a～i

J( )接近模型道，選用權系數對混波道進行加權，讓加權后的地震道與模型道殘差達到最小。的求取可以利用最小二乘原理求極值求出，表示如：

為了使相干加強后的地震道保留被處理道的特征，可將相干加強后得到的結果按比例加到原始地震數據中，最終得到AFE增強處理的屬性體。

1.5 技術流程

如圖1 所示，本文建立了利用疊后地震數據及不同屬性進行斷裂描述的技術流程。首先，利用地震數據進行人工解釋得到斷層。由于是直接利用疊后地震數據解釋得到的斷層，因此斷層尺度較大，與地震數據本身的分辨率相當，為地震波長的四分之一。其次，亞斷層需要利用疊后地震屬性體進行描述。亞斷層是由Lohr et al. (2008)[29]首次提出，其尺度低于地震數據分辨率，大于微斷裂，不能直接在二維或三維地震剖面解釋，主要通過計算地震數據的相干屬性進行亞斷層的描述。常用的C3 相干算法計算得到的結果分辨率不高，本文主要采用本征值相干計算方法提取疊后相干屬性體，并利用斷層自動提取方法進行相干增強處理，提高相干屬性對亞斷層刻畫的精度。最后，利用疊后曲率屬性和最大似然屬性對微斷裂發育區進行預測[30]。利用疊后地震數據進行微斷裂預測，其結果是定性的，主要反映的是與構造(斷層、背斜)相關的微斷裂，可以很好地對儲層的微斷裂發育區進行解釋。因此，將斷層、亞斷層和微斷裂三種不同尺度大小的斷裂分三個級別進行描述，最后將三個尺度的結果進行疊合，在此基礎上可以有效明確儲層的斷裂發育區。

圖1 利用疊后地震屬性進行儲層斷裂描述方法示意圖Fig. 1 The schematic diagram of fault and fracture description by using the post-stack seismic attributes

綜上所述，利用疊后地震數據體進行儲層的微斷裂預測的技術流程(圖2)，可以歸納為以下步驟：

圖2 利用疊后地震屬性進行儲層斷裂預測技術流程圖Fig. 2 The technical flow chart of fault and fracture prediction by using the post-stack seismic attributes

i) 利用疊后地震剖面，進行目標儲層斷層解釋；

ii) 疊后數據傾角控制增強和濾波處理、屬性參數優選；

iii) 提取本征值相干屬性；

iv) AFE相干增強處理；

v) 曲率、最大似然體屬性提??；

vi) 多屬性綜合解釋目標區儲層斷裂發育規律。

2 實際數據應用

本文利用上述的疊后地震數據體進行微斷裂預測方法及技術流程，對實際潛山微斷裂預測開展了應用研究。盆地內的潛山油氣藏勘探作為研究區的一個重要方向，并已在附近區域的潛山儲層有所發現。研究區位于南海北部深水區白云凹陷東隆起構造帶，具有很好的油氣成藏條件，并且在潛山上部層段發現了多個油氣田。圖3 為研究區內過井的疊后地震剖面，潛山上覆的沉積地層及其與下伏的潛山界面成像清楚，潛山內幕地震響應較復雜，且潛山頂部有雜亂反射、弱反射地震相特征。因此，對于研究區的潛山內幕的微斷裂預測是其有利目標區選取的關鍵。

圖3 潛山目標研究區過井地震剖面Fig. 3 Cross well seismic profile in the study area of the buried hill

2.1 斷層解釋

對于研究區的潛山微斷裂預測，我們采用了本文提出的疊后地震屬性微斷裂預測方法及流程。首先，利用疊后三維地震數據開展了潛山目標區的斷層解釋，將斷層解釋結果與潛山頂界面的構造圖進行疊合分析，掌握了研究區潛山的構造形態及其潛山內幕斷層的發育規律。圖4a為潛山頂界面及其內幕斷層的解釋結果剖面圖。圖中展示了潛山頂面發育正斷層控制的箕狀半地塹、地塹、沉積地層，潛山內幕發育有早期逆沖大斷層，以及潛山頂界面斷層發育形成地塹及半地塹等特征，上覆地塹的斜坡上傾部位、深部逆沖斷裂密集發育的地區是潛山風化程度相對較高的區域。圖4b為潛山內幕斷層與頂界面的構造圖。研究區內的潛山形態為從東北向西南方向發展的“鼻狀”構造，形成的兩個構造高部位與盆地凹陷相接處是油氣成藏有利區。潛山內幕的斷層主要發育兩套逆沖斷層(如圖4a所示)，一組是北西西向，該組斷層在研究區比較發育，另一組是北東東向斷層。圖4b的斷層平面展布特征表明兩組斷層具有走滑斷層特征。

圖4 潛山儲層斷層解釋地震剖面及平面展布圖Fig. 4 Seismic profile and plane layout of buried hill reservoir fault interpretation

2.2 疊后屬性

在利用疊后地震數據提取地震屬性前，先對其進行了傾角控制增強和濾波處理，其目的是為了降低地震數據中的噪音，提高地震數據波組特征和信噪比。在傾角控制增強處理中，選取時間孔徑參數為11、空間孔徑參數為5 進行了處理，其結果如圖5 所示。處理前后的地震數據剖面噪聲得到有效去除，斷層更容易識別，如圖中紅色箭頭所示。在處理后的地震數據體上，提取了本征值相干屬性。相干屬性計算的參數主要進行了影響地層產狀、影響縱向延展性和影響橫向分辨率三個參數的分析。通過測試地層傾角、空間孔徑及時間孔徑等敏感參數。消除地層傾角影響，斷層斷點更為清晰，得到對亞斷層能夠很好刻畫的本征值相干屬性。如圖6 所示為反映潛山內幕的相干屬性平面圖，從圖中可以看到潛山內幕破碎，斷裂系統相對復雜。

圖5 傾角控制增強及濾波處理前后地震剖面對比圖Fig. 5 Comparison of seismic profiles before and after dip control enhancement and filtering

圖6 提取的本征值相干屬性平面圖Fig. 6 Plane map of the Eigenvalue coherent attribute

在本征值相干屬性體上，采用AFE相干增強屬性分析，其主要目的是在相干基礎上進行成像加強處理，包括線性增強、傾角增強和斷層增強三種方法。圖7對比了不同增強方法得到的斷層自動提取相干增強屬性平面圖。圖7 的線性增強可以把斷層和巖性特征表現出來，斷層增強與傾角加強可以反映不同的發育區。斷層增強平面屬性對于小尺度斷裂預測效果最佳，能清楚的展示出不同的發育區，在發育帶附近，圖中藍色強的為斷層，白色弱的為發育區，顏色越偏深表示出現中小尺度斷裂的概率越大，所以利用相干加強屬性AFE去預測中小尺度的斷裂，效果最好的是傾角增強和線性增強平面屬性。相干加強AFE屬性較常規三代相干屬性精度更高，斷層斷點及平面變化細節更為突出。如圖7d所示，將線性增強與斷層增強進行融合，結果能夠更清晰地刻畫亞斷層的平面展布規律。

圖7 斷層自動提取相干增強屬性對比圖Fig. 7 Comparison of Automatic Fault Extraction (AFE) coherent enhanced attributes

最后，對于描述潛山內幕微斷裂發育情況，選取了曲率屬性和最大似然體屬性進行對比分析。曲率屬性的提取主要考慮地層傾角和方位角信息，沒有考慮巖性和地層壓力的影響。通過參數對比分析優選分辨率最高的時窗參數進行曲率屬性計算。如圖8a所示，最大正曲率屬性平面圖中色棒上紅色為絕對值較大的曲率值，白色為絕對值較小的曲率值。如圖8b所示，最大負曲率屬性平面圖中顏色越深，出現中等尺度斷裂的概率越大，色棒上紅色為絕對值較大的曲率值，白色為絕對值較小的曲率值。將不同曲率屬性結合起來綜合分析，可以觀察到較大的明顯斷層、較小的微斷裂線性構造和解釋。

圖8 提取的曲率屬性平面圖Fig. 8 Plane maps of the computed curvature attribute

對最大似然屬性測試分析，將原始地震數據沿走向和傾角計算每一點的相似度，最終的最大似然屬性體更加準確描述斷裂的發育規律，并通過與薄斷層最大似然屬性對比，發現薄斷層最大似然的剖面對微斷裂的預測效果更好，斷裂破碎帶及內幕細節特征刻畫明顯(圖9、圖10)。選取0.4 作為屬性閾值門限，對比分析最大似然屬性與地震剖面的對比(圖10)，最大似然屬性在該區對微斷裂預測較為準確；潛山內預測的微斷裂發育。

圖9 提取的最大似然屬性平面圖Fig. 9 Plane map of the computed maximum likelihood attribute

圖10 最大似然屬性與地震剖面疊合對比圖Fig. 10 Comparison of the maximum likelihood and thinned fault maximum likelihood with seismic sections

2.3 綜合解釋

通過對比分析人工解釋的斷層、相干屬性、曲率屬性和最大似然屬性的結果(圖4、圖7、圖8、圖9)，可以發現對于潛山儲層內幕的斷裂刻畫，反映了不同尺度的特征。最后，我們將三種尺度的屬性進行疊合，以此來分析潛山內幕的斷層發育規律。選取了人工解釋的斷層、AFE增強的本征值相干屬性和最大似然屬性三種屬性進行融合。如圖11 所示，提取了反映潛山內幕的沿層平面屬性，圖中用不同的顏色顯示不同的屬性。潛山內幕發育兩組早期的走滑斷層，一組為北西西向，圖中的紅色斷層；另一組為北東東向，圖中的藍色斷層。相干屬性反映的是潛山內幕發育的亞斷層，其主要受深層走滑斷層的影響，其發育特征及規律表現為與走滑斷層伴生且相互垂直。最大似然屬性對微斷裂刻畫較為準確，潛山內幕的微斷裂走向與北西西向斷層展布較為一致，且分布在潛山的翼部，與亞斷層發育相關，在圖11 中用Rainbow色標顯示，其紅黃顯示微斷裂發育。同時，結合圖4b的潛山構造圖，在圖11 中用紫色點線圈出了潛山高部位范圍，對比可以發現在潛山翼部斷層、亞斷層和微斷裂發育，且亞斷層與微斷裂與斷層的發育相關。而在潛山構造主體高部位的內幕，走滑斷層及亞斷層發育，微斷裂不發育。

圖11 斷層、相干和最大似然屬性綜合平面圖Fig. 11 Comprehensive plane diagram of fault, coherence attribute and maximum likelihood attribute

3 結論

針對潛山儲層的斷裂發育規律刻畫，形成了利用疊后地震數據及多屬性相結合的分尺度描述方法。根據地震數據分辨率高低，實現了潛山儲層的斷層、亞斷層和微斷裂的三個尺度的描述，采用斷層解釋、本征值相干屬性、曲率屬性和最大似然體屬性。實際數據應用結果表明，本文提出的疊后多屬性斷裂分尺度描述方法可以有效地進行潛山油氣藏儲層的斷裂發育規律描述。在對亞斷層描述中，主要利用了本征值相干屬性，并且利用AFE相干增強，其對亞斷層的刻畫較清晰準確。而通過對比曲率屬性和最大似然屬性對微斷裂的預測，發現薄層最大似然屬性對微斷裂刻畫更好。

由于實際地震數據為海上常規的窄方位拖纜疊后地震數據，所以采用疊后多屬性分析進行潛山儲層內幕的斷裂系統進行刻畫。潛山儲層受構造的影響，其斷裂發育的平面展布特征明顯與潛山構造具有很好的相關性。在潛山高部位微斷裂不發育，其原因可能與巖性有關，更易發育更小尺度的裂縫。因此，對于潛山儲層的裂縫預測需要開展基于疊前方位屬性反演研究，進一步落實潛山儲層裂縫發育的有利目標區。