地質(zhì)模式約束的斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震識別
——以東營凹陷樊162井區(qū)為例

杜 凱 林承焰*② 馬存飛② 任麗華② 梁書義 張宗軒

(①中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580； ②山東省油藏地質(zhì)重點實驗室，山東青島 266580； ③勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團(tuán)股份有限公司，山東東營 257000)

0 引言

在傳統(tǒng)構(gòu)造圖的成圖過程中，通常將斷層作為一個二維面而很少考慮斷層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，難以滿足油氣開發(fā)的需求。曾有學(xué)者[1-4]提出斷層包絡(luò)體概念，認(rèn)為斷層包絡(luò)體具有斷層核和破碎帶的二分結(jié)構(gòu)。宋到福等[5]提出了斷層相的概念。Kim等[6]定義圍巖破碎帶為分布在斷層滑動面兩側(cè)的裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫密度隨著與斷層滑動面距離的增加而逐漸減小，圍巖破碎帶寬度隨著斷裂的斷距和走滑位移的增大而增大。金強等[7]認(rèn)為斷層破碎帶主要包括斷面充填物和派生裂縫，兩者可以沿斷面對稱分布或不對稱分布，通過測井曲線可對斷層破碎帶進(jìn)行分區(qū)。

在利用地震資料識別斷層破碎帶的過程中，Kolyukhin等[8]基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)的三維斷層帶模型對斷層破碎帶進(jìn)行正演模擬，認(rèn)為利用地震資料提取斷層帶構(gòu)造信息的方法是可行的。Botter等[9]同樣通過正演模擬的方法，證明了在高頻情況下(30Hz或更高)地震屬性(如振幅、張量等)與斷層破碎帶結(jié)構(gòu)存在相關(guān)性。萬效國等[10]利用地震資料對塔里木哈塘地區(qū)斷層破碎帶進(jìn)行了解釋。在常規(guī)斷層、裂縫的地震資料解釋方面，國內(nèi)外已經(jīng)總結(jié)了很多方法[8-9,11-17]，如使用相干、曲率等屬性識別斷層、裂縫等。全頻帶相干屬性適用于識別尺度較大的斷層，而對較小尺度的裂縫等地質(zhì)細(xì)節(jié)敏感性較差。因此，可以利用頻譜分解技術(shù)，將地震數(shù)據(jù)分為不同頻段的單頻體，低頻相干屬性反映了大尺度的斷層特征，而高頻相干屬性反映了一些小尺度的裂縫細(xì)節(jié)[14-15]。曲率屬性廣泛應(yīng)用于裂縫識別，在多個地區(qū)獲得了較好的應(yīng)用效果[16,18-20]。

在油氣成藏過程中，斷層既可以作為油氣通道又可以阻礙油氣的運移[21]。在油田注水開發(fā)過程中，斷層可以與附近發(fā)育的斜交裂縫相互連通構(gòu)成斷裂—裂隙網(wǎng)絡(luò)[22]。因此研究斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)、識別斷層核部及誘導(dǎo)裂縫帶的分布特征，可以幫助評估斷層破碎帶地下流體的流動效果。為此，本文基于中國東部含油氣盆地斷層破碎帶地質(zhì)模式，通過地震正演模擬方法，利用地震多屬性綜合識別斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以確定斷層核部與誘導(dǎo)裂縫帶分布范圍，為油氣開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 識別方法

基于地質(zhì)模式約束的斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別流程如圖1所示。

(1)根據(jù)巖心資料統(tǒng)計裂縫參數(shù)，建立斷層破碎帶地質(zhì)模式。

(2)在地質(zhì)模式的指導(dǎo)下，依據(jù)測井資料研究垂向斷層破碎帶變化范圍以及相應(yīng)速度變化趨勢，通過正演模擬分析斷層核部與誘導(dǎo)裂縫帶的地震響應(yīng)特征，確定合適的層位追蹤方法。

(3)選取對斷層和裂縫敏感的地震屬性識別斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在地質(zhì)模式的指導(dǎo)下對屬性平面、剖面圖進(jìn)行解釋，分析不同的屬性對斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識別效果。

(4)總結(jié)有效識別方法，確定斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 研究實例

2.1 研究區(qū)概況

樊162井區(qū)位于東營凹陷博興洼陷大蘆湖油田東南部，區(qū)域應(yīng)力以近南北向伸展為主，同時右旋張扭。在控洼斷層作用下，發(fā)育一系列北東東向和近東西向的向盆內(nèi)傾的正斷層。

2.2 斷層破碎帶地質(zhì)模式

斷層破碎帶主要分為斷層核部、誘導(dǎo)裂縫帶和原狀地層帶。斷層核部位于斷層破碎帶中心，承擔(dān)著主要的斷層活動，是在一定巖石體積內(nèi)復(fù)雜的、成組交叉排列的斷層滑動面和相應(yīng)地質(zhì)體的組合[23]。它是斷層的主要滑動部位，是應(yīng)力最大、最集中的部位。據(jù)樊162井區(qū)巖心資料可知：斷層核部發(fā)育大量棱角狀斷層角礫巖和細(xì)粒碎屑巖；廣泛發(fā)育微裂縫且裂縫規(guī)模大；裂縫被白云石全充填且白云巖化。誘導(dǎo)裂縫帶位于斷層核部與原狀地層之間，帶寬變化較大，通常幾米至幾百米；內(nèi)部發(fā)育大規(guī)模裂縫，充填類型為半充填，白云石充填。誘導(dǎo)裂縫帶可見白云巖化，向兩側(cè)斷裂作用、白云化作用逐步減弱。斷層附近的原狀地層帶，無明顯構(gòu)造變化，未見斷層角礫，無明顯裂縫發(fā)育，弱白云巖化或無白云巖化(表1)。因此，從構(gòu)造和成巖的角度建立斷層破碎帶地質(zhì)模式如圖2所示。

圖2 樊162井區(qū)斷層破碎帶地質(zhì)模式

2.3 斷層破碎帶地震正演模擬

地震正演模擬有助于描述地震資料無法分辨的地質(zhì)體[24]。根據(jù)樊162井區(qū)斷層破碎帶地質(zhì)模型進(jìn)行正演模擬，并與無斷層破碎帶的模型正演結(jié)果、實際地震資料進(jìn)行對比(圖3)。斷層破碎帶模型中不同條帶的速度變化趨勢由聲波測井資料確定，由斷層核部向原狀地層帶速度依次減小；在誘導(dǎo)裂縫帶至原狀地層帶的過渡中，裂縫密度以及圍巖速度逐漸接近原狀地層帶，在交接處相同。斷層核部寬度設(shè)計為5m，兩側(cè)裂縫帶范圍為15～20m。利用有限差分法模擬地震波在斷層帶中傳播，采用與實際地震資料相同的30Hz主頻、25m道間距。與實際地震資料(圖3c)對比表明，在上、下盤地層穩(wěn)定波形之間有兩個道間距范圍的波形較雜亂(圖3c中藍(lán)線所示范圍)，這與具有破碎帶斷層模型的正演結(jié)果(圖3b右藍(lán)線所示范圍)相似，即研究區(qū)目標(biāo)斷層具有斷層破碎帶。

表1 樊162井區(qū)斷層破碎帶特征

圖3 正演模擬結(jié)果對比(a)無破碎帶斷層模型(左)及正演結(jié)果(右)； (b)具破碎帶斷層模型(左)及正演結(jié)果(右)； (c)實際地震剖面

斷層核部速度：角礫巖為4380～4420m/s,裂縫充填物為4280～4330m/s，其他區(qū)域為4400m/s； 誘導(dǎo)裂縫帶速度：黃色區(qū)域由4250m/s漸變至4200m/s,藍(lán)色區(qū)域由4295m/s漸變至4250m/s,紫色區(qū)域由4330m/s漸變至4300m/s,帶內(nèi)裂縫充填物為4280～4330m/s

為了進(jìn)一步研究斷層破碎帶的地震響應(yīng)特征，選取不同的主頻、道間距參數(shù)進(jìn)行正演模擬，結(jié)果如圖4所示。由此可得以下幾點認(rèn)識。

(1)道間距越減小，斷層破碎帶的細(xì)節(jié)越清晰(圖4a、圖4d、圖4g)。隨著道間距的增大，斷層破碎帶地震反射特征向無破碎帶斷層接近(圖4g、圖3a)。

(2)隨著頻率的增高，斷層破碎帶的細(xì)節(jié)越來越清晰(圖4a～圖4c)。在低頻情況下，由于地震子波波長較長(相位寬)，斷層破碎帶的波形囊括了斷層核部及誘導(dǎo)裂縫帶的信息，因而難以對兩者進(jìn)行區(qū)分(圖4a)。此時，斷層破碎帶的波形中相位主要受斷層傾角的影響，振幅受斷層核部和誘導(dǎo)裂縫帶兩者內(nèi)部巖性的共同影響。隨著頻率的增高(圖4b、圖4c)，斷層核部與誘導(dǎo)裂縫帶的波形得到一定程度的分離，其中斷層核部波形中相位主要受斷層傾角影響，振幅受核部內(nèi)部巖性影響；誘導(dǎo)裂縫帶波形中相位受內(nèi)部裂縫的影響，振幅受裂縫帶內(nèi)部巖性的影響。

(3)在不同頻率地震剖面上斷層地震響應(yīng)特征不同。在主頻20、30Hz地震剖面上，斷層處的波形變化主要表現(xiàn)為由上、下盤地層滑動造成的相位變化，誘導(dǎo)裂縫帶波形變化特征不明顯(圖4d、圖4e)。在50Hz地震剖面上，除地層滑動造成的相位變化外，斷層核部振幅減弱，誘導(dǎo)裂縫帶振幅變強，相位略有變化(圖4f)。

如上所述，斷層破碎帶地震響應(yīng)特征在不同頻率地震資料上不同，振幅、相位會出現(xiàn)變化，因此采用以分頻相干屬性為主，結(jié)合其他地震屬性相互驗證、補充的方法，對斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫。

圖4 斷層破碎帶不同主頻、道間距正演模擬結(jié)果主頻、道間距分別為： (a)20Hz、15m； (b)30Hz、15m；(c)50Hz、15m； (d)20Hz、25m；(e)30Hz、25m； (f)50Hz、25m； (g)20Hz、35m； (h)30Hz、35m； (i)50Hz、35m

2.4 斷層破碎帶層位追蹤方法

在常規(guī)斷層解釋時，通常以線條代表斷層所在位置，層位追蹤至該線條所在的位置作為斷點。而根據(jù)斷層破碎帶模式，考慮斷層破碎帶具有一定寬度，因此需要建立相應(yīng)的層位追蹤方法。

根據(jù)正演模擬地震剖面，斷層破碎帶上、下盤的第一個穩(wěn)定的波形為斷層破碎帶的邊界(圖5b中A、B點)，即以上、下盤穩(wěn)定波形的點作為斷層破碎帶的邊界，其內(nèi)部層位采用插值連接(圖5a中AB連線)。該方法所追蹤的層位穿過斷層核部與誘導(dǎo)裂縫帶，幫助確定斷層破碎帶的分布范圍。

圖5 斷層破碎帶層位追蹤方法(a)實際地震剖面； (b)正演模擬地震剖面。主頻為30Hz，道間距為25m

2.5 斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)多屬性綜合識別

首先對地震資料進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理以降低噪聲[25]。由前述可知，分頻相干屬性可用于斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識別。斷層核部由于散射作用導(dǎo)致振幅能量減弱[26]，因此本文以瞬時振幅屬性作為識別斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輔助屬性。曲率屬性對于裂縫發(fā)育區(qū)的識別效果優(yōu)于分頻相干屬性和瞬時振幅屬性，因此綜合利用分頻相干屬性、曲率屬性及瞬時振幅屬性對斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別。

2.5.1 剖面識別

分頻相干體可用于不同尺度斷層的刻畫，本文選取20、30、50Hz的相干體屬性(圖6)。由圖可以看出，隨著頻率的升高，斷層破碎帶附近的相干性減弱，由一條線逐漸變?yōu)榫哂幸欢▽挾鹊拿妗８鶕?jù)地質(zhì)模式，低頻相干屬性主要反映斷層核部，而高頻相干屬性可用于識別斷層破碎帶的分布范圍。因而利用不同頻率的相干屬性，輔以RGB融合技術(shù)用于刻畫斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖7a所示，黃色條帶為低、中頻相干屬性融合，主要反映大尺度斷層；品紅色為低、高頻相干融合，主要反映較大斷距斷層或斷距較小的斷層或裂縫；青色部分為中、高頻相干融合，主要反映斷距較小的斷層或裂縫。青色區(qū)域和呈面狀(非條帶狀)分布的品紅色區(qū)域主要為誘導(dǎo)裂縫帶，而呈條帶狀分布的黃色和紅色區(qū)域主要為斷層核部。

斷層核部由于散射作用導(dǎo)致振幅能量減弱[26]。由圖7b可見，振幅能量較弱的條帶狀區(qū)域為斷層核部所在位置。

圖6 斷層破碎帶分頻相干屬性剖面(a)20Hz； (b)30Hz； (c)50Hz

同時，曲率屬性可對斷層破碎帶邊界和裂縫發(fā)育區(qū)進(jìn)行識別，由圖7c可見，黑色區(qū)域為斷層破碎帶位置。但是斷層破碎帶內(nèi)部的曲率值差異較小，因而僅利用曲率屬性難以劃分?jǐn)鄬雍瞬颗c誘導(dǎo)裂縫帶。

圖7a～圖7c紅色圓圈處具有較高的曲率值和較低的相干值，瞬時振幅屬性也存在變化，推測為誘導(dǎo)裂縫帶發(fā)育的區(qū)域。黑色圓圈處與此相反，推測為誘導(dǎo)裂縫帶范圍較小或者不發(fā)育。

2.5.2 平面識別

僅利用地震剖面難以準(zhǔn)確識別斷層破碎帶及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此需要參考、結(jié)合平面地震屬性。如圖8所示，斷層破碎帶的寬度隨著頻率的增高而增大。由20、30、50Hz的相干屬性RGB融合及瞬時振幅、曲率屬性識別斷層破碎帶范圍及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

分頻相干RGB融合平面屬性圖上(圖9a)，紅色及線條狀的黃色區(qū)域為低中頻相干反映的斷層核部區(qū)域，青色及成面狀分布的黃色區(qū)域為中、高頻反映的誘導(dǎo)裂縫帶區(qū)域，白色區(qū)域代表原狀地層帶的范圍。據(jù)此對分頻相干RGB融合的平面屬性進(jìn)行解釋。

瞬時振幅屬性中斷層核部主要為由于散射作用導(dǎo)致的低振幅區(qū)域，即圖9b中紅色區(qū)域，整體呈一個道間距寬度的線條狀分布。誘導(dǎo)裂縫帶為圍繞斷層核部相對低振幅的綠色面狀區(qū)域。原狀地層帶即為外側(cè)藍(lán)色高振幅區(qū)域。瞬時振幅平面屬性與分頻相干RGB融合平面屬性對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解釋結(jié)果基本吻合，略為不同的地方可互為補充。

曲率平面屬性(圖9c)中高曲率值區(qū)域為斷層破碎帶發(fā)育的區(qū)域(呈面狀，非條帶狀)，與低曲率值的原狀地層之間有較為明顯的界面。

圖9a～圖9c紅色圓圈中推測為誘導(dǎo)裂縫帶發(fā)育的位置。而黑色圓圈中的黃色條帶狀為中低頻相干融合(圖9a)；圖9b中也為條帶狀弱振幅，圖9c中曲率值也相對較小，推測該區(qū)域為誘導(dǎo)裂縫帶區(qū)域較窄或不發(fā)育區(qū)。

2.5.3 識別方法總結(jié)及結(jié)果

綜上所述，可以總結(jié)斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別方法如表2。

表2 斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別方法

通過本文方法識別了樊162井區(qū)斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖10)。紅色區(qū)為斷層核部，成細(xì)條帶狀延伸，振幅能量弱，在地震頻帶范圍內(nèi)相干性較差，為一個道間距。黃色區(qū)為誘導(dǎo)裂縫帶，主要圍繞斷層核部分布，由于存在大量裂縫造成波形變化，振幅能量較弱，在高頻時相干性較差，其寬度受多種因素的影響，寬度為2～3個道間距，在地震分辨率尺度內(nèi)可解釋為誘導(dǎo)裂縫帶區(qū)域。紫色虛線區(qū)為斷層破碎帶的邊界位置。斷層破碎帶與原狀地層帶之間在巖心上并沒有明顯的界線，是一個漸變的過程；在地震資料上受制于分辨率與道間距的影響，會有較明顯的界線，在斷層解釋時可以以波形第一個變化的點作為該界線。白色區(qū)為原狀地層帶區(qū)域，由于只發(fā)育少量裂縫或者不發(fā)育裂縫，能量的大小主要與地層波阻抗差有關(guān)，相干性較好。

圖9 斷層破碎帶屬性平面(左)及解釋結(jié)果(右)(a)分頻相干RGB融合； (b)瞬時振幅； (c)曲率

圖10 樊162井區(qū)斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別結(jié)果(a)剖面解釋模式； (b)平面解釋模式

2.6 斷層破碎帶對于油氣勘探開發(fā)的意義

斷層破碎帶對于油氣勘探開發(fā)的影響具有雙重性。

在斷層側(cè)向封閉性上，通常利用“兩盤砂泥對置則斷層封閉，兩盤砂巖對置則斷層開啟”原則判斷。通過斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識別，可以建立“儲層—斷層破碎帶—儲層”的對接模式以分析其橫向封閉性[7]。樊162井區(qū)巖心資料揭示，不論誘導(dǎo)裂縫帶的優(yōu)勢裂隙封閉性如何，斷層核部多為白云石全充填，進(jìn)而會起到封閉的作用，在這種情況下，斷層兩盤即使“砂砂對置”，兩側(cè)砂巖之間依然不連通。

在垂向封閉性上，裂縫發(fā)育提高了斷層的垂向滲透性，成為斷裂活動時期油氣運移的主要通道。斷層停止活動后，這些優(yōu)勢裂隙開啟的程度決定了斷層垂向封閉性[21]。由于樊162井區(qū)斷層核部多為白云石全充填，在分析垂向封閉性時可將研究重點放在誘導(dǎo)裂縫帶。觀察誘導(dǎo)裂縫帶內(nèi)部是否開啟或封閉，主要取決于后期成巖及充填作用。在靠近斷層核部的區(qū)域，裂縫密集，裂縫之間形成連通體，但此時由于裂縫多被白云石填充，故多數(shù)是封閉的；在遠(yuǎn)離斷層核部區(qū)域，裂縫稀疏，盡管充填程度較低，但本身難以構(gòu)成有效的連通體。即斷層破碎帶在該區(qū)主要起封閉作用。

3 結(jié)論

(1)基于斷層破碎帶地質(zhì)模式的正演模擬結(jié)果表明，以往認(rèn)為的斷層實際包括核部及誘導(dǎo)裂縫帶兩部分。實際地震資料中斷層處的波形變化是由誘導(dǎo)裂縫帶和斷層核部共同影響所致。小道間距地震資料對斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識別效果更好，大道間距斷層破碎帶波形逐漸向無斷層破碎帶接近。斷層核部在多個頻帶范圍內(nèi)地震響應(yīng)明顯。誘導(dǎo)裂縫帶的波形受頻率的影響較大，在低頻情況下由于波長較長(相位變寬)，易被斷層核部影響，在高頻情況下誘導(dǎo)裂縫帶的波形不受斷層核部波形的影響。誘導(dǎo)裂縫帶對地震反射振幅和相位產(chǎn)生一定的影響。

(2)斷層核部的地震反射能量弱，在地震頻帶范圍內(nèi)相干性較差，成細(xì)條帶狀延伸。誘導(dǎo)裂縫帶內(nèi)由于裂縫密集，地震反射能量較弱；在高頻時相干性較差，主要圍繞斷層核部分布。斷層破碎帶的邊界位置主要通過高頻相干與曲率屬性進(jìn)行界定，在斷層解釋時可以以波形第一個變化的點作為該界限。原狀地層帶由于不存在裂縫或者存在少量裂縫，地震反射能量的大小主要與地層波阻抗差有關(guān)，相干性較好。

(3)利用曲率、高頻相干屬性可對斷層破碎帶邊界進(jìn)行識別；利用低頻相干、瞬時振幅的低值區(qū)可對斷層核部進(jìn)行識別；利用曲率高值區(qū)、高頻相干與低頻相干的差異區(qū)以及瞬時振幅的相對低值區(qū)可對誘導(dǎo)裂縫帶進(jìn)行識別。