复杂断块断裂系统精细描述方法研究

◇胜利油田物探研究院油藏地球物理研究室 李进

针对复杂断块低序级断层识别难、断裂系统刻画难的问题，形成了以地震资料解释性处理和复值模量相干蚂蚁追踪为核心的复杂断块断裂系统精细描述技术。该技术首先通过高频谐波补充地震资料高、低频信息，提升低序级断层上下盘对应关系；进一步基于非线性扩散滤波增强断面的清晰度；最后通过复值模量相干蚂蚁追踪提高断层识别能力，实现低序级断层的准确刻画。该技术在东辛油田营26块通过提高分辨率处理和非线性扩散滤波，提高地震资料主频15Hz，实现8米断距低序级断层的识别，进一步通过复值模量相干蚂蚁最终实现6米断距断层的合理组合及刻画。

1 引言

断块油藏是我国油田的主要油藏类型之一，其中胜利油田动用储量、产量均占30%左右，是增储上产的重要阵地。制约复杂断块油藏开发效果的重要因素为构造落实难度大、低序级断层识别、组合难等问题，尤其以东辛、临盘等复杂断块区油藏最为典型。本文提出的地震资料解释性处理技术（包括高频谐波叠后提高分辨率技术、非线性扩散滤波断层增强技术）可有效改善地震资料品质，提高地震资料低序级断层识别能力，进一步基于复值模量相干体的蚂蚁追踪技术，实现低序级断层的刻画与组合，为复杂断块油藏高效开发奠定基础。

2 高频谐波提高分辨率技术

反褶积等叠后分辨率技术是国内外学者常用的处理手段，受噪声等诸多因素影响，这些算法只能在有效的频带内将地震资料频谱拓宽，两侧白噪声中的地震信息无法有效恢复，对分辨率的提高能力有限。同时传统褶积模型未考虑大地对地震波的吸收衰减作用，认为地震子波在地下传播过程中固定不变，影响提高分辨率结果的保真度。

针对以上问题，利用小波域信号极值恢复求取原始信号谐波的提高分辨率方法，利用谐波特性预测地震数据低频、高频部分，突破传统褶积模型的限制，无需估算地震子波及假设地层反射系数稀疏条件。按照谐频分析思路，对原始地震记录应用连续小波变换（CWT）时间序列分析，将地震信号分解到连续小波域，提取不同频段地震子波的谐波信息，并将高频谐波信息引入到原始地震记录中，补偿因地震波随着深度加大而衰减的高频部分，最终达到恢复地震资料高分辨率特征，实现地震资料高保真拓频。

2.1 方法原理

谐波的基础理论主要利用升频扫描信号，此升频信号为线性，该理论基于利（1995）、谢里夫（1970）等人。该信号可表示为以下表达式：

表达式中，sf为起始频率，tf为终止频率,if为瞬时频率，ae为amplitude envelop，t(s)为扫描时间。相应的各次谐波信号表达式为：

参考信号和一组同系列的谐波信号相互组合，可组成扫描谐波畸变信号，当s(t)定义为参考信号，初始m的值为1。定义谐波畸变扫描信号（Harmonic distortion scanning signal简称HDSS）为：

从上式中可得出结论，时间域中是不可能将全部阶次的谐波信号s(t) 和基波信号完全分开。但是上式中，某次谐波的的if（瞬时频率）在一定频率区间内的变化可以表示为线性公式（该频率区间为sf(m+1)≤f(t)≤tf（m+1））：

因而通过计算可以得出：

从上式中可以得出对于某一个瞬时频率，若该瞬时频率固定不变时，第N-1次谐波到达这个频率的时间比第N次谐波到达所用时长要短，而基波需要更大的时长才可到达这个频率。

地震资料野外采集，炮点激发的地震波，在地下岩石介质中传播时，地震波中高频部分的信号更容易被大地吸收，所以相对于低频部分的信号，其衰变的更快，随着地震波传播的时间增长，地震信号会呈现主频逐渐变低、带宽逐渐变窄的特点。

若将地震信号波转化至连续小波域，则小尺度高频部分的信号小波系数的能量，较低频部分的信号会相对较弱。假设高分辨率的宽频地震波信号，其振幅谱的能量为水平，通过连续小波域来补偿地震波在地下介质传播时而衰减的高频部分信号。从而对地震资料的高频部分进行恢复。

以下为应用连续小波变换扩展单道地震资料频宽步骤（图1）。

图1 谐波提频流程示意

主要步骤如下：①对原始地震记录开展连续小波变换，将地震信号从时间域变换到小波时频域；②通过优势能量分析，确定地震信号优势时频域信号；③计算优势信号对应的小波域极值；④基于小波域极值信号构建地震信号高频及低频拓展信号（分别用极值信号与“二分之一尺度小波”和“两倍尺度小波”褶积，并做反小波变换）；⑤在时间域将原始地震记录与拓展的高低频地震记录进行叠加，提高地震资料分辨率。

该方法相对于传统的反褶积提高分辨率方法具有明显的优势：①小波变换通过对小波进行压缩和时间移动来拟合地震记录的时域变化，相比于傅里叶变换对地震信号的表征更准确，该方法利用小波变换进行能量的提取与分析，对于地震资料优势能量的获取更精准；②地震资料的高低频信号信噪比较低，常规提高分辨率方法会进一步放大地震资料的噪音信息，大幅降低地震资料信噪比，该方法以地震优势频带为基础开展能量的扩展，提高分辨率后地震资料信噪比更高；③该方法通过在低频域和高频域进行能量补偿，实现了地震资料能量的双向拓展，既可以拓展低频能量，实现大的地质目标的保真度刻画，又可以提升高频能量，提高地震资料对于小目标的分辨能力。

2.2 工区应用效果

图2为营26井区谐波提频前后地震剖面对比，整体上看谐波提频后地震主频由27Hz提高到39Hz，提频前地震同相轴粘连，断面模糊，断距不明显，提频后同相轴在断层处有明显突变，断面干脆。在黄色断层位置，原始地震分辨率低、同相轴多为虚轴，难以准确识别低序级断层，拓频后红色边框内的地震同相轴变的连续，断层识别度加强。

图2 研究区谐波提频前后地震剖面图对比图

通过提频后，图3拓频前后地震剖面，地质对比发现4-102井钻遇8米低序级断层，原始地震剖面中断点难以识别（剖面中黄色标记处），纵向延伸不明确，经过提频处理后，对小断层纵向延伸长度识别能力增强，该低序级断层剖面显示明显。

图3 提频前后地震剖面及井上断点分析

如图4所示，提高分辨率处理后空白反射轴增强，连续性更好，轴对应关系更强。原始剖面由于分辨率较低，低序级断层下盘同相轴确实，断层描述难度大；提高分辨率处理后地震复波有效分离，上下盘对应关系合理，实现10米断层的有效识别。

图4 研究区提频前后地震剖面图

3 非线性扩散滤波断层增强技术

非线性扩散滤波以偏微分方程式为核心，能在剔除无效信号噪声，又能有效的保正信号的边缘和细节信息。针对叠后地震资料断面不清晰、低序级断层难以识别的问题，在非线性扩散滤波理论研究基础上，改进推导了基于扩散张量的各向异性非线性扩散方程，利用数据的扩散张量来突出断层信息，从三个方向进行倾角约束构造导向滤波。既滤除了剖面的背景及高频噪声，又突出了断层、裂缝发育带及其它不连续性边界特征，从而提高地震剖面中不同级别断层的视分辨率，突出断层识别度。

3.1 方法原理

各向异性扩散滤波的计算公式如下：

根据数学矩阵特征对该结构张量矩阵开展数学分解：

目前，大多数党员干部理想信念是坚定的，政治上是可靠的，但也有少数人对共产主义心存怀疑。他们不信马列信“鬼神”，不信马列信“迷信”，不信组织信“大师”。习近平总书记尖锐地指出，在一些党员、干部包括高级干部中，理想信念不坚定，对党不忠诚，他们出了问题首先是因为理想信念垮掉了。“理想信念动摇是最危险的动摇，理想信念滑坡是最危险的滑坡。”⑧党员干部一旦理想信念产生动摇，精神支柱迟早会坍塌。因此，在思想建党的过程中，首要任务就是解决广大党员干部的理想信念问题。抓住这一问题，就等于拧住了“总开关”，牵住了“牛鼻子”。

这两个特征值所对应的特征向量分别为：

为了增强扩散滤波的强度，可以把扩散张量的特征值设计为：

可以求得D的每个分量分别为：

将上式二维各向异性扩散滤波推算至三维的构造结构张量及三维的各向异性扩散滤波方程式：

这样，三维结构张量矩阵进行矩阵特征分解为：

非线性扩散滤波能避开连续性差的地质边界，对数据处理时，融入地层倾角作为约束，能有效的提升地震信号质量，利用经过处理后的地震资料进行多种边缘检测体（如相干体、方差体、似然体等）计算时，有效突出断层、河道砂体发育变化以及其他一些不连续性边界特征。

3.2 工区应用效果

以谐波拓频数据为基础，进一步开展非线性扩散滤波断层增强，图5中（a）、（b）、（c）分别为原始地震剖面、谐波拓频地震剖面和扩散滤波断层增强地震剖面。图中可以看出，拓频后的地震数据不仅增强了薄层的分辨率（图5（b）中椭圆形圈），而且增强了断层的断点信息和不连续性边界效果（图5（b）中圆形圈）；非线性扩散滤波后的地震数据消除了噪音的干扰，同时突出了断层断面和不连续性边界信息（图5（c）中圆形圈）。

图5 工区地震剖面数据

4 复值模量相干体蚂蚁追踪技术

传统蚂蚁追踪存在边缘异常不突出、抗噪性较弱等问题，本文提出了“分频+复值模量相干+多次迭代蚂蚁追踪”组合追踪方法。首先通过地震信号多尺度分解得到分频地震数据，利用构造导向滤波突出构造异常，进一步研发局部复值模量相干体算法，多道运算提高了应用相关系数属性检测信息边缘异常的能力。以复值模量相干体结果作为蚂蚁追踪的初始条件，对多尺度分频数据体进行不同频段的改进型蚁群算法追踪，多次迭代达到终止条件后，低频蚂蚁体保持了大断层构造走向，高频蚂蚁体突出了小断层、小尺度裂缝，高、低频联合实现了大断裂系统和低序级断层的精细刻画。

4.1 方法原理

蚂蚁追踪算法模仿自然界中蚂蚁觅食的原理，能突显地震资料的不连续性，可识别断裂中的更多的细节，能准确、客观反映断裂的发育情况。

基于地震信号数据中的高频成分对低序级的小层断层反应更为敏感，基于频谱分解开展蚂蚁追踪裂缝检测能有效追踪全频带地震信号数据中难以识别的小断层，主要步骤见图6。

图6 基于频谱分解的蚂蚁追踪检测技术流程

首先对全频带地震数据体进行频谱分解得到各个频率区间的两项地震数据体，即振幅谱数据体和相位谱地震数据体（图7）。

图7 Marr小波瞬时谱与分频剖面

其次，将蚂蚁体裂缝追踪算法应用于各个频率的地震数据体，即可计算出离散频率蚂蚁数据体（图8）。图中可以看出不同频率的蚂蚁体能追踪不同尺度断层。低频数据蚂蚁体对大尺度断裂发育响应更为明显，高频蚂蚁体对小尺度断层响应十分明显，可以作为微小断裂检测识别的依据，重构蚂蚁体断层检测信息相对完整、平衡，可以作为微小断裂解释的参考。利用实钻资料（岩心、薄片、地层倾角测井及成像测井等资料）反映的信息进行对将蚂蚁体识别出的断裂进行佐证，筛选出与各个尺度断层识别效果最好的高、低频数据体，并进行叠加合并，重新构建一个新的蚂蚁体。

图8 Marr小波分频蚂蚁体剖面

4.2 工区应用效果

图9 地层对比剖面图

营26工区数据体经过高频谐波提频及非线性扩散滤波断层增强的基础上，在平面上将复值相干体蚂蚁体与传统相干蚂蚁体算法进行对比。图10和图11为营26井区原始数据相干蚂蚁体与复值相干蚂蚁体平面图对比。可以发现复值相干蚂蚁体等时切片对地层信息过滤效果较好，对各级别断裂轨迹刻画均更为直观，对断裂走向反映更清晰。利用工区内实钻测井资料进行地层对比，发现3-192井钻遇6米断层，该断层在复值相干蚂蚁体平面图清晰度更高。

图10 传统蚂蚁体等时切片

图11 复值相干蚂蚁体 等时切片

5 结论与认识

（1）谐波提频后地震资料在剖面波组特征、构造形态、信噪比保持不变基础上，可实现复波分离，低序级断层上下盘对应关系有效提升。

（2）非线性扩散滤波以地震相干体为控制，提高了薄层边界和不连续性断点的识别能力，低序级断层断面得到有效凸显。

（3）复值相干算法可有效突出地震资料同相轴的不连续性，结合蚂蚁追踪算法大幅提高低序级断层的刻画组合能力。

（4）本文提出的复杂断块描述方法实现东辛油田营26块6米低序级断层的识别和刻画，具有广阔的推广应用前景。