一種新型斷層智能解釋技術在義東斷裂帶的應用

李 潔

（中國石化勝利油田分公司物探研究院 山東 東營 257000）

0 引言

斷層對油氣成藏發揮著至關重要的作用，對一個區域的斷層發育特征、裂縫分布規律及成藏主控因素不明確等問題，影響氣藏的效益開發[1]。而地震中信息的有效獲取是實現斷層精準解釋的關鍵。近年來，隨著信息化技術的不斷豐富與完善，對斷層發育區地震資料的高效解釋成了拾取刻畫斷層信息的重要方式，然而受地震資料及斷層解釋方法技術限制，現有斷層解釋技術和軟件不能滿足斷層精細刻畫要求，存在地震資料中斷層信息識別范圍小、識別偏差大、運算速度慢等問題，嚴重制約了相關區塊的油氣勘探開發進程。因此開展針對性技術攻關并科學精準地實現斷層智能解釋刻不容緩。

1 研究區概況

義東斷裂帶作為多層系含油的復式油氣聚集區，發育中古生界和沙河街組油氣藏。義東斷層上升盤鉆遇中古生界井位180余口，其中百噸井19口，上報探明面積12.9 Km2，探明儲量2 267×104 t。義東斷層下降盤沙河街組，探明了Es2段儲量576×104 t，Es3段探明儲量140.86×104 t。沙三、沙四上亞段控制含油面積13.95 Km2，石油儲量958×104 t。義東地區多年的勘探開發成果表明義東斷裂帶仍然具有巨大的勘探開發潛力。

2 研究區斷層解釋存在的問題

通過對目前的研究與勘探現狀分析，義東斷裂帶斷層數字化精細刻畫主要面臨著兩個方面的問題：

2.1 斷層多、斷距大、類型復雜

該帶地質情況復雜，斷塊多而碎，地震成像質量差，厚度小于20 m的儲層和斷距小于20 m的斷層無法描述。尤其是現有的地震資料品質相對較差，地震中豐富的斷層信息難以被有效提取，導致出現了即使應用各類斷層解釋技術都效果不佳的問題[2-3]。

2.2 現有解釋技術和軟件難以實現斷層精細刻畫

（1）斷層人工相面解釋：斷點卡取存在多解性，破碎帶斷層不易解釋，且存在較大的誤差；

（2）相干分析、曲率等斷層識別系列技術：區域主斷層識別能力較好，次級斷層識別能力相對差，斷層識別模糊，斷層不易組合；

（3）螞蟻追蹤等相干改進型斷層識別系列技術：主斷層和地震資料較好的次級斷層識別能力好，低序級斷層識別多解性較強；

（4）生物啟發計算和虹膜識別斷層識別技術：主斷層和次級斷層識別能力強，部分低序級斷層識別能力較好，次級和低序級斷層較破碎，平面組合具有多解性。且實際應用過程中數字軟件參數多，商業性程度差，使用難度大。

3 研究區地震資料特殊處理

3.1 斷層地震響應特征評價

開展地震資料品質分析、斷裂帶合成地震記錄標定、斷層正演模擬，明確義東斷裂帶斷層地震響應特征[4]。義東斷裂帶附近單井、連井合成地震記錄標定，明確斷點、斷面地震響應特征，及斷層與地層之間地震響應差異，為利用不同技術方法識別斷層奠定基礎。分析義東斷層上下盤巖性速度差異，建立不同斷裂模型，分析斷層不同級別、不同組合方式的地震響應特征。義東斷層下降盤沙河街組砂巖速度一般在3 400 m/s，泥巖速度是2 800 m/s，通過建立不間斷距的地質模型，由低頻到高頻掃描協同響應。

（1）地震資料品質分析

對研究區覆蓋的地震資料進行綜合分析評價，特別是地震資料中信噪比和頻帶寬度信息的提取，并估算地震資料分辨地質目標的能力，評價斷裂識別能力。義東高精度三維淺層地震資料地震主頻約40 Hz左右，頻帶寬度（8～52）Hz，中層地震資料地震主頻約25 Hz，頻帶寬度（8～52）Hz，隨著深度的增加主頻減小，地震資料頻率隨著深度的增加衰減，對溶蝕孔洞及低序級斷裂的分辨能力差。

（2）斷裂帶裂縫溶洞型正演模型

統計不同層組地層速度范圍，通過建立地質模型，由低頻到高頻掃描，得到反映斷距變化和溶蝕孔洞的地震記錄響應道（圖1）。從正演模擬記錄看，潛山內幕裂縫或溶蝕孔洞，地震頻率較低時地震響應為弱振幅，隨頻率增大，地震響應呈中強振幅，雜亂反射。本區淺層主頻在40 Hz左右，在目前資料品質的基礎上，可識別最小10 m斷距的斷層。

圖1 義東斷裂帶斷層及溶蝕孔洞模型圖

（3）不同斷層組合樣式正演模型

統計不同層組地層速度范圍，通過建立3類不同斷層樣式（負花狀、Y字形、單斷式）的地質模型，并從獲得的不同地震主頻（10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz）的地震響應特征，從正演模擬記錄看，地震資料主頻較低時，小斷層無法識別，主頻30 Hz能識別處20 m左右斷距的斷層，主頻50 Hz能識別斷距10 m左右的斷層。頻率越高，對斷層分辨能力越強，斷面上下盤速度差異較大、斷面較緩時，斷層為強振幅，連續性好。斷層傾角較大，斷面地震響應為中弱振幅（圖2）。

圖2 義東斷裂帶3類不同斷裂樣式正演模擬

3.2 地震資料目標處理

（1）斷層增強處理

針對性地進行地震資料特殊目標處理，對于更清楚地識別斷層和斷裂精細解釋會起到事半功倍的效果。具體方法主要包括譜分解高頻增益信號重構拓頻處理、斷層增強處理、高精度相干、曲率、傾角方位角檢測處理等。同時加入不同噪聲（10%、20%）的干涉，從而得到反映斷距變化的地震信息記錄。

（2）地震資料譜分解高頻增益信號重構拓頻提高地震分辨率

針對高頻信號衰減快而開發的提高地震分辨率技術，具體思路是：首先對地震資料頻譜進行分解，按照有效的算法對高頻信號進行增益計算，提高高頻部分能量，最后對低、中、高頻信號進行重構，從而提高地震資料主頻和拓寬頻帶寬度，達到提高地震資料分辨率的目的[5]。提高地震資料分辨率后，高頻段地震資料信息可以被有效提取，這些信息能有效反映次級斷層、裂縫及溶洞展布情況。

主要包括四個步驟：①用頻帶掃描自相關功率譜等方法確定記錄的優勢頻帶范圍（近似的）；②利用記錄優勢頻帶信號確定全頻帶范圍內壓噪參數；③劃分頻段進行壓噪并均衡其幅度（時變譜白化程序）；④信號重構（幅度均衡后，簡單合成）。該項技術在多個地區的應用表明地層接觸關系更明確，低序級斷層識別更清楚。

從拓頻處理后的地震剖面看，高頻段能量得到進一步增強，相應地震主頻得到提高，主頻提升了3Hz~5Hz左右，從而提高了深層目的層地震資料分辨率。

4 斷層智能解釋技術

4.1 粒子群算法原理

粒子群算法是一種高效的非線性啟發式群體智能搜索算法，具有收斂速度快、易于實現、參數設置少等優點。在石油天然氣地震資料信息評價領域，采用的主要是標準粒子群算法，究其原因是由以下三點控制的：第一，就算法公式本身來說，每個粒子通過自身的經驗更新和學習群體的經驗進行拓展，從而使尋優快而準確；第二，該算法采用實數的編碼方式，無須進行二進制轉化，可以直接解決實際問題，所以算法易于實現；第三，采用群體智能的方式，一組解迭代到另一組解，同時處理粒子群體中的多個個體，體現了其并行的本質。

4.2 蟻群算法原理

蟻群算法是一種用來在圖中尋找優化路徑的概率型算法[6-8]。蟻群算法善于識別地層超剝線和薄儲層原理是利用該算法對地震資料的相似性、差異性響應敏感的特點，追蹤具有超剝關系和薄層的地震同相軸，來判定地層超剝點和薄層邊界附近地震反射的隸屬關系，進而識別地層超剝線和薄層邊界。蟻群算法對地震資料同相軸的振幅、相位、波形、連續性等屬性特征具有較高的敏感性，能識別地震道與道之間的細微變化[9]。同時蟻群算法為全局最優化算法，能有效避免陷入儲層巖性變化尖滅點局部解困局，快速獲得問題的最優解，即真實的超剝點、線。

4.3 粒子群、蟻群融合優化算法

蟻群算法收斂求解速度慢、運算時間長，搜索到一定程度后會出現停滯，不能對全局進一步搜索，影響得到最優解；初始信息濃度、搜索步長不易控制，過小過少，搜索范圍小，陷入局部最優解；過多過大，追蹤范圍大，不是最優解。粒子群算法的最大特點是具有極快的搜索速度，但是卻容易陷入局部最優，導致收斂速度低、不收斂。而將粒子群和螞蟻群兩種算法進行有效融合優化不僅充分發揮了兩類算法各自不同的技術優勢，而且大大提高了斷層特別是低序級斷層的識別精度。

從計算精度、計算時間、算法的可融合性和地質研究要求等方面對比不同生物啟發計算方法的效果，在滿足地質研究要求的條件下，優先選取斷裂識別較準確的1～2種算法，其次選取計算速度快、算法融合程度高的1～2種算法，組合計算，優選計算結果精度高、計算時間少的算法組合。

對于粒子群、蟻群優化融合算法來說，具體實現方式有兩個關鍵步驟：一是以蟻群算法計算結果作為粒子群算法的初始值，提高粒子群算法的計算速度和尋優能力；二是每一次迭代計算中互為下一次迭代的初始值，提高計算收斂速度和獲得全局最優解[10]。

4.4 新型粒子群、蟻群融合優化算法識別斷層效果

以義東地區斷裂系統廣泛發育的ILN645測線為例，通過新型粒子群算法追蹤結果和蟻群算法追蹤結果對比剖面可以看出，新型粒子群算法識別的低序級斷層個數相對較多，但是存在著局部斷裂識別明顯而無法收斂的問題；而蟻群算法斷層識別個數明顯少，難以實現全局搜索（圖3）。

圖3 應用粒子群算法和蟻群算法后的地震剖面對比（ILN645測線）

而經過義東地區過XLN501測線應用新型粒子群、蟻群融合優化算法追蹤后得到的剖面和原始地震剖面疊合圖對比發現，新型粒子群、蟻群融合優化算法追蹤后形成的綜合地震剖面中識別的斷裂更加清楚，尤其是低序級斷層的區域展布清晰，斷裂分級、分段信息更加明顯（圖4）。

圖4 應用新型粒子群、蟻群融合優化算法后的地震剖面（XLN501測線）

5 結論

（1）通過地層對比劃分、合成地震記錄斷層標定及斷層模型正演模擬，明確了義東斷裂帶地層結構、主要目的層地震響應特征及斷層地震響應。其中義東斷裂帶古近系地震標志層為中強反射，斷點處地震響應為中弱反射，中—古生界地層斷面傾角較小時，一般為中強反射，內幕斷層一般不明顯，地震響應為中弱反射。

（2）通過譜分解高頻增益信號重構等方式對現有地震資料進行斷層增強處理，有效提高了地震資料分辨率，應用優化后的地震資料可以讓斷層信息的識別與評價更豐富完善的展示。

（3）義東斷裂帶發育多種斷層樣式，通過方差、相干分析、粒子群算法、螞蟻追蹤算法等方式可以實現義東斷裂帶斷層的識別，但是這些單一的算法存在不少短板，難以科學精準的刻畫斷層展布，而新型粒子群算法能較好地識別不同級別的斷層，斷面位置合理，斷點比較清楚，和實鉆井吻合程度高，并可以實現斷層組合的有效優化與布置。

（4）形成了一套以新型粒子群算法為主的義東斷裂帶斷層智能解釋技術，該類技術通過新型粒子群的算法明確了不同級別斷層的優化參數，能有效識別到各級斷層尤其是低序級斷層在地震剖面中的信息，并形成更加清晰準確的記錄，具有良好的推廣應用價值。