碳酸盐岩深层走滑断裂成像技术

杨威，周刚，李海英，马学军

（1.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011；2.成都理工大学地球物理学院，成都 610059）

塔里木盆地顺北地区奥陶系碳酸盐岩储集层发育程度受控于多期活动的走滑断裂，形成以走滑断裂控制为主的多种成因叠加改造的混合型储集体，勘探目标主要围绕“深大断裂带”和“规模储集体”两大主要控藏因素的落实与评价，储集体的发育程度受控于走滑断裂带的活动强度，不同走向走滑断裂带的叠加部位储集体发育规模较大。因此，对于地震资料处理来说，提高寒武系—奥陶系深层走滑断裂和断裂带的成像质量，有助于降低勘探风险，为圈闭落实和井位部署奠定基础。

地层介质对地震波场的吸收和散射作用与传播信号的频率密切相关，低频信号具有较强的抗吸收和抗散射能力，因而具有良好的深层穿透和探测能力。众多学者针对深部地层和断裂的成像问题进行了研究，如利用低频信号提高深层速度分析的精度和火成岩下伏地层及潜山的成像质量[1]；从子波分辨率出发，通过波动方程正演模拟和实际地震资料处理研究了地震波主频与陡界面成像的关系[2]；通过对正演模型的定量研究，分析了地震波中的低频信号对反褶积、速度分析、动校正、叠加、偏移等关键处理环节的影响[3-4]；利用低频信号增强方法提高岩下复杂构造的成像质量[5]。此外，对低频信号的有效保护，也有助于储集层预测和烃类检测技术[6-7]的应用和实施。

为了提高奥陶系—寒武系深层走滑断裂的成像精度，本文首先分析了不同地质体的地震响应特征，利用低频信号保护下的噪声压制与子波一致性处理技术实现了低频信号的恢复与增强，并用断裂控制约束速度建模与层析速度反演技术，提高了深层速度模型的精度，利用宽频逆时偏移成像技术提高了深层走滑断裂的成像质量，最后将此方法应用于顺北气区碳酸盐岩深层走滑断裂成像处理中，提高了断裂的成像质量。

1 深层走滑断裂的地震响应特征

对于塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储集层来说，由于受到表生溶蚀作用和流体填充的影响，缝洞型储集层与围岩波阻抗差一般较大，在地震剖面上表现为强绕射振幅下的“串珠”状反射特征（图1a），“串珠”的横向变化快，主要体现为中低频率、相对强振幅和高波数的地震响应特征；而对于寒武系—奥陶系深层走滑断裂来说，由于走滑断裂的垂向断距小，形成的绕射波振幅能量相对较弱（图1b），但深大走滑断裂具有一定的宽度和延伸长度，因此在地震剖面上呈低频、弱振幅和低波数的地震响应特征。针对不同地质目标在地震响应特征上的特点和差异，建立具有针对性的地震资料处理流程，有助于提高特定地质体的成像精度。

图1 缝洞型储集层（a）与深层走滑断裂（b）地震响应特征Fig.1.Seismic response characteristics of(a)fractured⁃vuggy reservoirs and(b)deep strike⁃slip faults

对于地震波振幅、频率的衰减特性，可通过对波场动力学的分析，表明绕射波的振幅衰减特性[8]：

其中，F(ζ)=为菲涅尔带内积分，ζ=从（1）式可以看出，绕射波的最大振幅为反射波振幅的一半，且随着波场传播距离的增大，绕射波的振幅迅速减弱。

当声波在吸收介质中传播时，要受到与频率有关的衰减以及由频散引起的相位畸变，振幅和相速度频散关系式为[9]

由（2）式和（3）式可以看出，地震波的振幅衰减随频率和传播路径的增加而增大。

塔里木盆地顺北地区奥陶系碳酸盐岩储集层埋深普遍大于7 000 m，由于受到表层沙丘和地层吸收的影响，地震波高频成分的能量衰减快，地震资料的信噪比普遍较低，断裂及断裂带形成的绕射波场在单炮记录和叠加剖面上难以辨别，断裂精确成像难度大。而由上述地震波振幅、频率的衰减规律中可以看出，低频、弱振幅信号的保持和恢复是深层走滑断裂成像处理的关键。

2 噪声压制与子波一致性处理

从地震波波场传播角度看，反射波是地质背景的一个综合反映，绕射波是地层构造和岩性异常的标记，是地下非均质体的直接响应，偏移的目的就是实现对绕射能量的叠加和复杂波场的归位。对绕射波场的保护，特别是保持绕射波场的振幅、频率特征对深层走滑断裂的成像至关重要。为此，在塔里木盆地顺北地区地震资料成像处理中，将低频信号处理作为重要的质量控制手段，引入到地震信号预处理中，通过频谱的量化分析和比较，在噪声压制和反褶积处理环节中注重对低频信号的保护和拓宽。

原始地震资料分析表明，顺北地区井炮震源单炮记录上噪声发育，以低频面波、随机噪声和异常值干扰为主。其中，由于表层疏松沙丘的存在，在单炮记录上产生了大量的低频强能量面波，对有效信号影响较大。在噪声压制过程中，特别强调对有效信号低频成分的保护和保持。通过采用分类、分步、分域、分频和分时窗的“五分法”叠前噪声压制技术，实现了逐级、多域组合去噪，处理中着重保护地震波的动力学特征。在质量控制方面，在常规的点、线、面、体综合质量控制与评价的基础上，通过对频谱和时频谱的质控与分析（图2），优化噪声压制技术流程与参数选择，确保在不改变有效信号频谱特征，特别是低频成分的基础上提高地震资料的信噪比。

图2 噪声压制及频谱质量控制Fig.2.Noise suppression and spectrum quality control

在子波一致性处理方面，采用地表一致性振幅补偿技术，消除由地表因素引起的不同炮间和不同道间的能量差异，提高研究区内能量空间分布的均一性；利用地表一致性剩余静校正技术，消除共中心点道集中残留的高频道间时差；而在地表一致性反褶积处理中，并不过分追求地震资料主频的提升，而是通过有效信号频带特别是低频端的拓宽来提高地震资料的分辨率，从而增加低频信号的占比。从叠加剖面上可以看出，通过低频处理后，地震剖面中的低频成分更加丰富，地震资料的信噪比也有所提高（图3）。

3 走滑断裂速度建模与成像

3.1 地质约束速度建模

断裂及断裂带速度模型是走滑断裂成像的关键，也是速度建模中的难点，从时间域速度谱（图4）上可以看到，相对于正常沉积地层（A点、C点）的速度谱，走滑断裂附近（B点）的速度谱能量团相对较弱，速度规律性差。在速度拾取过程中，断裂带由于横向变化快，在速度分析中难免被忽略，速度模型被“粗化”。为了解决这个问题，提高深层走滑断裂速度拾取的精度，在速度分析中，通过对速度谱、剖面属性、平面属性进行综合分析，对断裂带等构造重点部位进行空间横向加密拾取，一是使速度分析和加密更具针对性，二是令宏观速度场与地层构造走向趋于一致，所拾取的速度场更具地质意义（图5）。

3.2 断裂控制约束速度建模

在深度域成像处理中，通常采用模型层析成像技术和网格层析反演成像速度建模技术，进行速度模型的建立和迭代更新。模型层析成像技术是一种基于层位或实体模型的速度反演方法，主要考虑大套层位的等效层速度，对层间的层速度具有平均效应，层间速度异常或层间速度变化较大时，其速度往往存在一定误差，影响深度偏移结果的精度，但它能够比较好的控制速度的变化趋势，在复杂构造和地震资料低信噪比情况下，使速度的变化基本符合地质规律。

图3 常规处理（a）与低频处理（b）叠加剖面对比Fig.3.Stacked sections from(a)conventional processing and(b)low⁃frequency processing

图4 不同构造部位速度谱Fig.4.Velocity spectra of different structural parts

网格层析反演成像速度建模，是在模型层析成像技术基础上，利用提取的构造属性，约束层析成像射线追踪和层位自动拾取，进而生成层析成像方程，然后采用网格层析成像来修改层速度模型。相对于模型层析成像技术而言，网格层析算法实现了全局优化，更有利于整体形成合理的等效速度模型。该方法对大套地层间的速度变化描述更加准确，在地震资料具有较高信噪比的前提下，对层间的速度异常也能进行比较准确的描述。

对于深层走滑断裂，由于常规层析速度反演中并未考虑断裂的速度控制因素，与时间域速度建模类似，同样存在着速度模型的横向“粗化”问题。为了解决这个问题，在速度建模中利用地震属性、断裂解释成果等先验地质信息作为构造约束加入到层析反演方程中，采用基于图像学的断裂控制约束方法来提高断裂带速度模型的精度和分辨率：

3.3 逆时偏移成像

图5 断裂带速度拾取Fig.5.Velocity pickup of the fault zone

逆时偏移成像采用全声波方程，同时延拓炮点和检波点波场，具有克希霍夫射线和单程波动方程方法的优点，主要体现在以下几点：①有效地解决了地震波传播的多路径问题，适用条件广，适应能力强，有助于对陡倾角、复杂构造区及特殊地质体的成像；②可以利用回转波、多次波进行成像；③不受倾角以及速度横向变化的影响；④基于波动方程求解，保幅性好，利于后续的岩性研究。逆时偏移成像技术在提高地震资料信噪比、提高断裂成像精度、突出奥陶系缝洞型储集层地震反射特征方面具有优势。

常规逆时偏移在偏移成像后没有考虑低频信号的保护，从Marmous 模型（图6a）逆时偏移成像处理中可以看出，通常认为低频信号是逆时偏移过程中产生的成像噪声（图6b），并采用Laplace 滤波进行低频噪声压制，虽然提高了地震资料的视分辨率（图6c），但造成了不利后果：一是大幅削弱了低频有效信号的能量，降低了地震资料的保幅保真性；二是使地震资料的主频向高频方向移动，地震资料的频带变窄；三是突出了高频端噪声和成像假象，不利于后期的地震资料解释。

为了解决常规逆时偏移对低频信号的压制问题，在波场处理中引入解析波场，实现频率-波数域的波场多方向分解，选择对成像结果有贡献的波场进行成像，从而减少低频噪声干扰，提高地质目标的成像精度（图6d）。

图6 常规逆时偏移和宽频逆时偏移成像对比Fig.6.Seismic images from conventional reverse time migration and broadband inverse time migration

4 成像效果分析

塔里木盆地顺北气区位于塔里木盆地塔中Ⅰ号断裂下降盘，处于满加尔生烃坳陷油源向卡塔克隆起运移的斜坡区，塔中北坡发育多条北东—南西向、北北西—南南东向走滑断裂，向下断穿基底并直接连接烃源灶和断裂相关的岩溶缝洞型储集层。同时，伴生断裂对油气具有侧向再分配的作用，为油气提供了良好的运移通道，成藏条件十分优越。因此，走滑断裂及与其相关奥陶系碳酸盐岩储集层的发育程度成为了油气富集的关键[10-16]。

从深层走滑断裂的成像剖面（图7）来看，在前期信号处理中通过低频拓展处理，有效保护了低频和弱振幅信号，结合断裂控制约束速度建模和宽频逆时偏移成像技术，提高了深层通源断裂及小断裂的成像精度。从相干体切片（图8）中可以看出，寒武系深层主干断裂和分支断裂清晰，断裂带范围清楚。此外，深层走滑断裂带成像精度的提升有利于断裂解释方案的制定，减少断裂解释的多解性，也为井位部署和侧钻方案的选取提供了依据。

图7 顺北气区深层走滑断裂叠前深度偏移剖面Fig.7.Prestack depth migration section of deep strike⁃slip faults in Shunbei gas area

图8 顺北气区寒武系顶界面相干体切片Fig.8.Coherence slice of Cambrian top in Shunbei gas area

5 结论

（1）地下不同尺寸地质体的地震响应特征存在差异，地震资料处理中应对不同地质体的地震响应特征制定针对性的地震资料处理方案。

（2）由于低频信号具有良好的深层穿透和探测能力，处理中注重对低频信号的恢复和利用，有助于提高深层走滑断裂的成像质量。

（3）对断裂带等构造部位进行约束速度建模和层析速度反演，可有效提高速度建模的精度，所获得的速度模型也更具地质意义。

（4）宽频逆时偏移技术解决了常规逆时偏移成像结果中低频信号缺失的问题，有助于进一步提高深层走滑断裂带的成像质量。

符号注释

a——常数；

A(ω,0)——震源子波的振幅谱；

A(ω,z)——距离震源为z处子波的振幅谱；

D(x)——扩散张量；

f(x)——输入地震数据；

F(ζ)——菲涅尔带内积分；

g(x)——输出地震数据；

i——计算的离散样点；

K——层析核函数；

P——预条件算子；

Q——品质因子；

tD——绕射波传播时间，s；

tR——反射波传播时间，s；

v(ω)——地震波对应频率ω的相速度，m/s；

v(ωc)——地震波对应截止频率ωc的相速度，m/s；

W(w)——振幅；

z——传播路径长度，m；

α——断裂控制约束算子；

β——平滑控制算子；

τ——积分路径；

ω——地震波频率，Hz；

ωc——截止频率，Hz；

Δt——走时残差，s；

Δv——速度更新量，m/s；

Δw——预条件解；

∇——梯度。