利用高清螞蟻體精細解釋復雜斷裂帶

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)。凹陷內發育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，由此導致NE向、NNE向、近NS向、NW向和近EW向次級斷裂均有發育。

研究區位于渤中凹陷南部兩條走滑斷裂帶的交會地區，面積約為4000km2。該區南部的渤南低凸起發現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儲量約為6×108m3[1]，凸起西段發現渤中28-1油田。研究區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)斷裂系統極為復雜的地區，常規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，因此急需更優質的數據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]，結合鉆井資料表征深部裂縫的發育程度[4-11]。由于螞蟻追蹤屬性對地震資料的變化過于敏感，地震資料品質不佳或反射特征橫向輕微變化(如反射強度、連續性變化、反射界面輕微抬升等)都會在螞蟻追蹤屬性中得到體現，由此導致噪聲強且與斷層響應難以區分，因此較少用于反映小斷層的相關研究。不僅如此，傳統的螞蟻追蹤方法通過優選螞蟻追蹤的6項參數(初始邊界、偏離角度、搜索步長、允許的非法步數、允許的合法步數、終止標準)指導斷層組合的思路并不適合本區這類由多塊不同年代采集、不同品質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(ACS)解決旅行商(TSP)這類組合優化問題(即一個旅行商人從一個城市出發并途經若干城市后回到原點，應如何選擇行進路線，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，使整個蟻群具有結構性的群體行為。

圖1 渤海灣盆地渤中地區構造單元劃分圖

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，并將螞蟻數量、螞蟻密度以及循環重復系統等三種參數融合于地震屬性提取過程：在地震數據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的其他螞蟻跟進，而螞蟻會優先選擇信息素濃度大的路徑。通過大量螞蟻的共同努力，最終識別和追蹤數據中的細小信號異常[14-18]。

1 技術方法

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，斷層走向及形態越準確。研究區淺層斷裂極為復雜，很難在短期內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。

本次研究立足于Petrel軟件，以地震偏移成果數據為基礎。首先對數據體濾波，之后進行不連續性檢測，即形成方差數據體。在此基礎上，分析斷層響應與噪聲在螞蟻追蹤屬性中的區別，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下，結合層位及斷層解釋成果完成構造成圖及圈閉搜索。

1.1 高清方差體制作

制作螞蟻體的基礎是對地震資料進行不連續性檢測，常用的體現不連續性的有效屬性體為方差體和混沌體。針對本區地震資料，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格式的地震數據體，將其轉化為ZGY格式時，選擇8位體或32位體是否有明顯區別(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用的模式，ZGY格式只將需要顯示的數據部分調用到內存中，有效提高顯示效率)。對比默認參數提取方差屬性結果可知，由8位和32位原始地震數據體提取的方差屬性區別并不明顯。因此，對于三維數據面積達4000km2的研究區來說，在螞蟻追蹤效果差別不明顯的前提下，選取8位數據體提取方差屬性可以極大地提高運算速度，有效節約參數試驗、對比及剖面和切片的調取時間。

在進行方差屬性提取之前，首先對原始數據體做中值濾波處理，在保存斷層邊界清晰的同時減弱隨機噪聲，并壓制與斷層無關的信息，之后在濾波后數據體基礎上制作方差體。依據原始默認參數(地震道范圍為3、垂向平滑采樣點數為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有關。通過多種嘗試和對比，選取適用于本區地震資料和地質條件的參數組合：地震道數為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，其數值越大、平滑程度越高)。由優選參數所得方差體(圖2b、圖2d)可見，方差體品質得到明顯改善，局部斷層關系清晰，有效減弱了噪聲和非斷層因素的干擾。

將新的方差數據體沿目標區T15反射界面(館陶組頂面)提取并顯示，在此基礎上人工組合斷層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，僅能體現大斷層特征，不能清晰地顯示復雜斷裂帶內部細節，特別是小斷層交切關系極為模糊(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據體輔助斷層解釋及組合。

圖2 方差體參數改善效果圖

1.2 高清螞蟻體制作

以上述方差體數據為基礎進行初步螞蟻追蹤(默認參數)。由螞蟻體切片(圖4a)可見，研究區斷層整體沿NE及近EW向展布，但周邊噪聲干擾嚴重。以此螞蟻體數據為基礎提取斷層片，結果多達40萬片(圖4b)，因此以默認參數進行螞蟻追蹤僅能反映區域斷層展布趨勢，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據體斷層、裂縫響應和噪聲等三類特征，在沒有鉆井資料佐證時裂縫響應與噪聲難以區分。由于本次研究對象是斷層，因此不區分裂縫響應與噪聲，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，斷層響應多具有平直而連續的特征，在局部小范圍內走向較為一致；噪聲多具有短軸、波浪狀、不穩定、連續性差的特征，兩者的特征差異明顯。為了輔助斷層剖面解釋及平面組合，通過增強斷層連續性和降低噪聲改善螞蟻體的品質。

1.2.1 追蹤參數的組合與優選

螞蟻追蹤屬性同樣受控于追蹤參數，其算法包含以下參數： ①初始邊界。定義了最初每只螞蟻的活動范圍，控制了單位體積內可以設定的螞蟻密集程度[19]，對于大型斷裂來說，數值越大越好，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的角度，最大為15°，以保證斷層趨勢面平滑、合理，而不出現折面的情況[14]，更符合地下真實地質情況；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。螞蟻捕捉到斷層信息之前所允許走的步數，非法步數越多，斷裂越多、連續性越強[20]；⑤允許的合法步數。指搜索成果作為有效數據必須包含的合法步數；⑥終止標準。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參功能，因此以往對于螞蟻追蹤參數的優選即以局部構造(300km2以內)為樣本，對上述參數分別試驗、對比和優選，選擇每項參數中的最優項，由此得到一個參數序列(并非將6項參數進行有效組合)，因此不僅耗費大量時間，成果數據中的噪聲極為嚴重。本次研究區范圍較大，且地震資料由多塊不同年度采集的三維資料拼接而成，品質差異較大。常規參數優選方法效果不佳，無論怎樣組合都難以得到適用全區的螞蟻追蹤參數。因此本次研究不以單項參數優選為目標，而是通過優化參數組合，進行多重螞蟻追蹤計算壓制噪聲、凸顯斷層特征。

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

1.2.2 追蹤參數疊加效果對比

從效果來看，“被動”與“主動”的螞蟻追蹤方法區別較大。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，體現大斷層趨勢，但是易導致局部不清晰的低級別小斷層呈斷續特征，進而破壞其連續性(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進行疊加計算，即在主動螞蟻追蹤成果基礎上再次進行主動螞蟻追蹤。從結果來看，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，低級別斷層呈斷續特征甚至消失，高級別斷層的連續性也遭到明顯破壞，在走向方面趨于無序和紊亂。因此參數組合的簡單疊加并不能改善螞蟻體品質。由此將兩個參數組合進行交叉疊加(在主動螞蟻追蹤屬性體基礎上進行被動螞蟻追蹤，反之亦然)，效果明顯優于重復疊加，斷層連續性得到明顯增強，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別：在主動螞蟻追蹤基礎上疊加被動追蹤所得數據體中斷層連續性較強(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上疊加主動追蹤所得數據體，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)。在對原始方差數據進行被動螞蟻追蹤之后，該NE向斷層已消失(圖5b)，因此對原始方差數據進行被動螞蟻追蹤會導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重要。在螞蟻體提取階段，為了盡量保持斷層信息，應以主動追蹤為基礎。

1.2.3 螞蟻體品質改善方法

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序列而重復應用。首先，對高清方差體進行主動螞蟻追蹤。由于研究區多發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據，明顯壓制了噪聲(圖6b)。為增強斷層連續性，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，在被動螞蟻追蹤數據(圖6c)上無論再進行主動或被動螞蟻追蹤，都無法明顯改善數據體品質，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屬性值得知，絕大多數斷層的屬性值分布在0.8～1.0，噪聲值分布在-1.0～0.2(數值范圍需根據不同地震資料具體分析)。因此通過算法(計算機語言)設定噪聲為-1.0(白色)，斷層為1.0(藍色)，進一步凸顯斷層與噪聲的區別，得到第二次降噪數據(圖6d)，該數據相對于第一次降噪數據明顯壓制了噪聲。

圖5 螞蟻體參數組合提取效果對比

圖6 螞蟻體改善分步實施效果圖

但為了保證準確性，計算之前需分析并對比大量數據以確定臨界參數。在第二次降噪數據(圖6d)基礎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)的基礎上疊加被動追蹤，同時結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，得到第三次降噪數據(圖6f)。對比初步成果(圖6a)與第三次降噪數據(圖6f)可見，后者的斷層連續性得到明顯增強，同時明顯壓制了噪聲。

1.3 高清螞蟻體的應用優勢

應用高清螞蟻體數據輔助斷層解釋及組合，主要具備以下優勢：

(1)為復雜斷裂帶平/剖面斷層解釋及組合提供指導。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復雜斷裂解釋和組合的理論基礎。方差體體現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部的分支小斷層。而螞蟻體可以清晰體現其內部多條分支斷層的存在，且與剖面中的斷面一一對應。因此高清螞蟻體不僅指導了斷層平面組合，而且還指導斷層剖面解釋。

(2)為同走向、多斷層區分及延展提供依據。常規地震解釋以逐條剖面為基礎，對走向、傾向、形態都完全一致的兩條斷層，解釋人員在其走向發生偏轉及消亡地區，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分二者。

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

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 應用效果分析

對比目標區斷層組合成果可知，方差體體現大斷層趨勢，而螞蟻體更清晰地反映了復雜斷裂帶內部結構(圖8a)。以方差體為基礎得到124條斷層組合(圖3b)，在同樣的范圍內，以高清螞蟻體為基礎的斷層組合更為細致，多達273條(圖8b)。

將高清螞蟻追蹤技術應用到全區，針對全區淺層T15反射界面進行精細斷層組合，單人一個月內即可完成研究區4000km2范圍內的470余條斷層組合，在此基礎上落實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。研究區位于NE及NW向大型走滑斷裂交會地區(圖7b)，兩個方向的斷裂切割淺部地層，進而形成一系列規模的構造圈閉。由于該區地層較為破碎，斷層封堵分析至關重要。因此如何尋找有利斷塊，擇優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 結束語

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

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

(3)在高清螞蟻體指導下快速完成渤中凹陷南部4000km2三維工區內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。