陳更生，謝清惠，吳建發(fā)，趙春段，徐爾斯，潘元煒

(1.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610000；2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350028；3.斯倫貝謝中國公司，北京 100015)

0 引言

目前中國陸相、海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)程度低，資源評價也存在著較大的不確定性，要實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模有效開發(fā)難度較大[1]。四川盆地及其周緣廣泛發(fā)育海相、海陸過渡相及陸相頁巖地層，其中海相、深水陸棚相的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖分布廣、頁巖氣資源豐富，是南方重要的頁巖氣產(chǎn)層[2-5]。此外，目前我國頁巖氣勘探開發(fā)主戰(zhàn)場逐漸向深層(埋深介于3500～4500 m)轉(zhuǎn)移，已在瀘州、威遠(yuǎn)等多口深井獲得高產(chǎn)頁巖氣流，可見四川盆地深層頁巖氣的勘探開發(fā)遠(yuǎn)景十分可觀。

瀘州頁巖氣區(qū)塊位于川四川盆地南部,位于龍門山褶皺帶、峨眉山—涼山褶皺帶和湘黔鄂褶皺帶之間。川南地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜多樣，經(jīng)歷了古生代至新生代多期構(gòu)造運動和構(gòu)造疊加，斷層之間搭接關(guān)系復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷裂復(fù)雜多樣，具有多期次、多尺度、多類型、多走向等特征，區(qū)內(nèi)還發(fā)育多套滑脫層，影響上覆構(gòu)造的發(fā)育，加重了構(gòu)造特征的復(fù)雜性[6-9]。已有研究表明，斷裂對頁巖氣運聚成藏具有重要作用[10-11]。因此，對構(gòu)造和斷裂開展精細(xì)研究在深層頁巖氣勘探開發(fā)中至關(guān)重要。本文充分挖掘地震多屬性以及屬性組合的特征和優(yōu)勢，形成了一套相互關(guān)聯(lián)、不斷深入、層層遞進(jìn)的技術(shù)組合，應(yīng)用在斷層解釋、構(gòu)造演化以及裂縫預(yù)測中，描述了斷層的空間展布規(guī)律，捋清了區(qū)內(nèi)的構(gòu)造期次和展布，并精細(xì)刻畫了中、小裂縫發(fā)育特征，為下一步的平臺部署提供堅實的數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)。

瀘州區(qū)塊的地震數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域面積約為2 000 km2，研究區(qū)面積約為600 km2，解釋了T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7這7個標(biāo)志反射層，分別對應(yīng)上三疊統(tǒng)須家河組底、中三疊統(tǒng)嘉陵江組底、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M底、下二疊統(tǒng)梁山組底、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組底、寒武系底部、震旦系底部。其中，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組底是本次著重解釋的目標(biāo)層。

1 多屬性技術(shù)組合

針對瀘州區(qū)塊的構(gòu)造解釋難點，筆者將多屬性技術(shù)綜合應(yīng)用在斷層解釋、微構(gòu)造識別、構(gòu)造演化分析以及裂縫預(yù)測中，形成一套逐步遞進(jìn)、相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)組合：①在斷層解釋初期，對多地震屬性進(jìn)行敏感性分析比較，最終篩選出最優(yōu)的屬性，輔助斷層解釋；②利用Petrel自帶的構(gòu)造異常值識別技術(shù)“Anomaly Identifier”進(jìn)行微構(gòu)造識別；③利用地震屬性沿層切片技術(shù)，選擇合適的地震屬性，進(jìn)行構(gòu)造時空演化特征分析；④利用多次疊加螞蟻追蹤屬性進(jìn)行裂縫預(yù)測；⑤進(jìn)行裂縫片提取，并進(jìn)行斷裂特征分析(圖1)。通過這一套多屬性技術(shù)組合的應(yīng)用，實現(xiàn)了從大尺度的構(gòu)造解釋到小尺度裂縫的精細(xì)刻畫，為下一步的平臺部署提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 地震多屬性組合技術(shù)在瀘州區(qū)塊構(gòu)造解釋中的應(yīng)用流程

2 實例應(yīng)用

2.1 斷層解釋

在斷層解釋階段，主要進(jìn)行均方根屬性、頻率屬性、方差屬性、最大曲率屬性以及邊緣檢測屬性的沿層提取來分析和確定研究區(qū)內(nèi)中、大尺度斷層的發(fā)育特征。通過優(yōu)選，認(rèn)為方差屬性、最大曲率以及邊緣檢測屬性能更好地展示研究區(qū)的中、大尺度斷層。其中，方差屬性是一種基于概率方差分析的地層不連續(xù)性檢測，其通過計算相鄰地震道之間的方差來表示各個地震道反射特征的差異，從而達(dá)到識別斷層的作用。邊緣檢測技術(shù)起源于圖像處理領(lǐng)域， 用于檢測圖像中的灰度突變區(qū)域，地震勘探領(lǐng)域主要應(yīng)用邊緣檢測技術(shù)對地震數(shù)據(jù)中的不連續(xù)區(qū)域進(jìn)行檢測。進(jìn)而凸顯邊緣特性，可用于識別斷裂和小斷層[12]。通常用曲率來表征曲線上某一點的變形彎曲程度, 曲率值與變形彎曲成正比。曲率屬性描述的是地震數(shù)據(jù)的幾何屬性變化，對細(xì)微的變化很敏感, 可以識別出小的擾曲、褶皺、凸起、差異壓實特征等[13]。

圖2a為沿著目的層五峰組提取的方差屬性切片，方差屬性平面圖可以反應(yīng)多數(shù)較大斷層的發(fā)育，但是斷層成像不清晰、不干脆，在延展方向上表現(xiàn)為斷斷續(xù)續(xù)、模糊成像，無法判斷斷層之間的交切關(guān)系。甚至對于1號大斷層，可能會因其斷續(xù)的特征，誤將其解釋為僅在研究區(qū)北部—中部發(fā)育。而且，對斷點不清晰、斷距較小以及斷層兩側(cè)振幅值相差較小的斷層，識別能力極差。與圖2a的方差屬性圖相比，圖2b邊緣檢測屬性清晰反映了大、中斷層的發(fā)育情況。對于1號斷層，邊緣檢測屬性的延展方向清楚，可以看出其貫穿整個研究區(qū)。但需注意到，邊緣檢測屬性的圖像識別屬性，在斷層邊緣產(chǎn)生類似于加粗?jǐn)鄬拥念伾?圖上箭頭所示)，顯得斷層不干脆，并容易誤導(dǎo)解釋人員。與圖2a和圖2b相比，圖2c曲率屬性整體上對中、小斷層的刻畫更精細(xì)，斷層之間的交切關(guān)系更明朗。特別是工區(qū)中部的小斷層，延展走向清晰，斷層首尾的收尾點干脆，大大降低了斷層解釋的多解性。但需注意的是，少數(shù)斷層反倒沒有方差和邊緣檢測屬性反應(yīng)精確，如2號斷層尾部在曲率屬性上延伸不夠長，但通過與地震剖面對比以及人工交互解釋，發(fā)現(xiàn)方差和邊緣檢測屬性則能更準(zhǔn)確反應(yīng)斷層的真實延伸長度。

a—方差屬性；b—最大曲率屬性；c—邊緣檢測屬性；①—1號斷層；②—2號斷層

但需注意的是，同一屬性在不同地區(qū)應(yīng)用時，需注意其對不同儲層、巖性等參數(shù)的敏感度不同，不能一概而論。每個地震屬性特有的參數(shù)特征，不同屬性從不同的角度反映斷層，因此對同一地區(qū)的斷層識別效果各異，就造成了對斷層的識別具有局限性。為了充分利用各屬性信息，可以通過多屬性融合技術(shù)制作屬性融合體，從而起到“揚長避短”的解釋效果。屬性融合技術(shù)通過數(shù)學(xué)比例運算，將兩種或多種屬性數(shù)據(jù)融合成為一個新數(shù)據(jù)，使該數(shù)據(jù)同時顯示不同屬性的特點和關(guān)鍵信息，避免按照單一屬性解釋造成的局限性和多解性[14-15]，提高提取地質(zhì)信息的能力。綜合各屬性優(yōu)缺點，選取對斷層識別能力較強的曲率和邊緣檢測兩種屬性進(jìn)行屬性融合，得到兼具各屬性特征的結(jié)果，以求更全面地識別到研究區(qū)內(nèi)的斷層。應(yīng)用該屬性融合結(jié)果，有效地提高了解釋的客觀度和可信度。通過融合，發(fā)現(xiàn)2號斷層處，邊緣檢測屬性為曲率屬性補充了斷層尾部信息(圖3a)。

a—最大曲率屬性與邊緣檢測屬性融合屬性切片；b—斷層多邊形與融合屬性切片疊合；①—1號斷層；②—2號斷層

最后，通過分析地震多屬性以及屬性融合結(jié)果，捋清了斷層之間的交切關(guān)系，進(jìn)而對斷層進(jìn)行精細(xì)解釋。研究區(qū)目的層五峰組主要發(fā)育NE、NEE以及近SN向斷層(圖3b)。

2.2 小微斷層/撓曲識別

為了進(jìn)一步識別沒有明顯斷距、靠肉眼很難識別的小微斷層、撓曲，利用Petrel特有的數(shù)據(jù)異常值識別技術(shù)“Anomaly Identifier”，可以有效識別因小微斷層、撓曲引起的微小變化。“Anomaly Identifier”構(gòu)造異常值識別技術(shù)是用于識別與周圍數(shù)據(jù)不同的局部異常值，它應(yīng)用一系列的濾波器對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何形態(tài)上的變化識別。

圖4沿目的層五峰組底部提取異常值屬性，可以看到該屬性一樣能清晰顯示方差、邊緣檢測以及曲率屬性所反應(yīng)的絕大多數(shù)中、大斷層的發(fā)育。最大的區(qū)別在于，異常值屬性平面圖上清晰指示了一系列NW向的構(gòu)造異常帶(圖上箭頭所示)。垂直于構(gòu)造異常帶拉取地震剖面，發(fā)現(xiàn)這些構(gòu)造帶都發(fā)育沒有明顯斷距的小微斷層/撓曲。因此，該屬性為解釋人員精準(zhǔn)定位了小微構(gòu)造發(fā)育帶，為下一步井位部署奠定了可靠的構(gòu)造基礎(chǔ)，并有效提高優(yōu)質(zhì)儲集層的鉆遇。

圖4 沿目的層提取構(gòu)造異常屬性切片

2.3 構(gòu)造時空演化特征分析

目前常結(jié)合地震切片技術(shù)來分析地震屬性，地震切片技術(shù)包括時間切片以及沿層切片等[16-18]。時間切片即沿著某一固定地震旅行時提取切片，可有效輔助構(gòu)造解釋、斷層平面組合以及圈閉形態(tài)分析等工作，但對于構(gòu)造復(fù)雜或者地層傾角變化較大地區(qū)，則面臨明顯的穿時問題。沿層切片是沿著地震解釋層位開一個小時窗進(jìn)行提取的切片，不但可以刻畫對應(yīng)層的構(gòu)造特征以及沉積特征，也可用于追蹤地質(zhì)體在時空上的演化[17-18]。

前人的研究結(jié)果認(rèn)為，川東南地區(qū)主要發(fā)育三套滑脫層，分別為：古生界中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖、下志留統(tǒng)泥頁巖、中生界中—下三疊統(tǒng)膏鹽巖。而且大量的研究資料以及實驗表明，滑脫層的存在對構(gòu)造變形樣式起重要的控制作用，構(gòu)造變形具有上下分層變形特征：滑脫面兩側(cè)地層的變形各自獨立或部分獨立[6,9]，斷層表現(xiàn)為上下空間錯位、不連通等特征。為了尋找這三套滑脫層的位置，并進(jìn)一步分析構(gòu)造時空演化特征，本次研究借助地震屬性沿層切片技術(shù)輔助分析。沿層切片的具體做法是：在精細(xì)解釋層位的基礎(chǔ)上，對各解釋層插值成等時構(gòu)造面，利用各構(gòu)造面進(jìn)行構(gòu)造異常值屬性的沿層切片提取。將這些切片按照由老至新的時間順序排列，可以觀察到構(gòu)造的空間分布以及縱向上隨時間變化的特征，有效地找到構(gòu)造轉(zhuǎn)換位置。

圖5a為震旦系底部T7反射層提取的螞蟻屬性沿層切片，該時期主要發(fā)育NE向、NNE向以及少量NW向斷層。

圖5b為寒武系底部T6反射層提取的螞蟻屬性沿層切片，與震旦系底切片所反映的構(gòu)造形態(tài)截然不同。該時期主要發(fā)育近EW向、近SN向、NE向斷層，以及少量NW向斷層。此處構(gòu)造發(fā)生變化，表明震旦系底T7和寒武系底T6之間存在一套滑脫層，引起上下覆地層構(gòu)造形變。

圖5c位沿上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組底部T5反射層提取的螞蟻屬性沿層切片，該切片屬性基本繼承圖5b的構(gòu)造形態(tài)，圖5b最大的區(qū)別就是近EW向斷層不再發(fā)育，推測該走向斷層逐漸消亡或不再發(fā)育。

圖5d為沿著下二疊統(tǒng)梁山組底部T4反射層提取的螞蟻屬性沿層切片，明顯與下覆五峰組底切片的構(gòu)造特征不同。該期構(gòu)造具有分區(qū)各異的特點：工區(qū)西北角發(fā)育零星斷層，以NE向為主,發(fā)育少量NW向斷層；中部發(fā)育NE、近EW向斷層；工區(qū)東南角發(fā)育近EW—NEE向、近SN向斷層，相互交割成“棋盤”狀。推測T5和T4反射層之間存在一套滑脫層，引起上下覆地層構(gòu)造形變，驗證了志留統(tǒng)泥頁巖這一套滑脫層的存在。

圖5e為沿上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M底部T3反射層提取的螞蟻屬性，該期構(gòu)造基本繼承了梁山組底的構(gòu)造形態(tài)，同樣具有各區(qū)各異的特征。與梁山組底不同的是，該期發(fā)育了更密集的斷層。

圖5f為沿中三疊統(tǒng)嘉陵江組底部T2反射層提取的螞蟻屬性沿層切片，與下覆切片的構(gòu)造格局明顯不同。該期僅發(fā)育NE向斷層，零星可見近EW向斷層。推測上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M底到中三疊統(tǒng)嘉陵江組之間存在一套滑脫層。

圖5g為沿上三疊統(tǒng)須家河組底部T1反射層提取的螞蟻屬性，與嘉陵江組底的構(gòu)造特征相似，所不同的是該期斷層發(fā)育更密集。

綜合前人研究成果，根據(jù)推測的滑脫層位置以及構(gòu)造演化特征，結(jié)合地震剖面以及解釋的斷層特征，將瀘州地區(qū)的構(gòu)造在縱向上分為3個變形層加1個基底：上變形層、中變形層以及下變形層。根據(jù)斷層的構(gòu)造平面特征以及剖面特點，認(rèn)為中變形層的構(gòu)造最為復(fù)雜，形變程度最高；而下變形層次之，上變形層的變形程度最弱(圖5)。

2.4 高精度裂縫預(yù)測

螞蟻追蹤技術(shù)是基于螞蟻算法的仿生物學(xué)技術(shù)，意大利學(xué)者Dorigo等提出螞蟻算法[19]。其根據(jù)蟻群利用分泌物盡快找到食物源的原理，在地震數(shù)據(jù)體中尋找裂縫痕跡，直到完成斷層的追蹤和識別[20-21]。這種追蹤技術(shù)能突出地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性,是一種強化斷裂特征的新屬性，能提高斷裂預(yù)測精度,并充實地質(zhì)構(gòu)造細(xì)節(jié)[22]，是對天然裂縫定性刻畫的有效手段。

根據(jù)螞蟻追蹤的經(jīng)驗，通常以地震偏移成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑，之后進(jìn)行不連續(xù)檢測，接著選擇合適的螞蟻追蹤參數(shù)進(jìn)行螞蟻追蹤計算。關(guān)于參數(shù)設(shè)置，Petrel軟件中已為解釋人員提供了兩種默認(rèn)的追蹤參數(shù)組合模式：Aggressive主動模式和Passive被動模式，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。被動模式的初始螞蟻邊界較大，而搜索中的門檻值較小，因此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(xiàn)大斷層趨勢，但是易導(dǎo)致局部不清晰的低級別小斷層呈斷續(xù)特征，進(jìn)而破壞其連續(xù)性[23]?？紤]到Aggressive主動模式和Passive被動模式這兩種螞蟻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，因此嘗試對螞蟻追蹤參數(shù)進(jìn)行疊加計算，即在主動螞蟻追蹤成果基礎(chǔ)上再次進(jìn)行一次被動螞蟻追蹤[24]。經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)在單次主動追蹤的結(jié)果上，低級別的斷裂呈現(xiàn)斷續(xù)、模糊的形態(tài)，甚至有些小斷裂缺失；而主動+被動疊加追蹤的結(jié)果所反應(yīng)的斷裂更連續(xù)，形態(tài)更清晰，斷裂之間的交切關(guān)系更明朗(圖6)。

將已鉆井L1/L2/L3/L4附近的螞蟻追蹤結(jié)果與最大曲率和構(gòu)造異常屬性做對比(圖7)，后面兩者只能反映鉆井附近較大尺度的斷裂，對小斷裂刻畫無能或者僅有微弱的響應(yīng)，但螞蟻追蹤結(jié)果對井附近的小裂縫的走向、交切關(guān)系和數(shù)量刻畫非常清楚。與研究區(qū)內(nèi)的電成像測井裂縫資料進(jìn)行對比(圖8)：L1鉆遇的裂縫以NE向為主，兼探到近EW向裂縫，螞蟻追蹤預(yù)測結(jié)果顯示L1在NE向與近EW向裂縫交界處；L2鉆遇的裂縫以NE向為主，螞蟻追蹤預(yù)測結(jié)果顯示L2在NE向、近EW向以及近SN向裂縫交界處；L4鉆遇的裂縫以NW向為主，兼探到NE向裂縫，螞蟻追蹤預(yù)測結(jié)果顯示L4在NE向和NW向裂縫交界處。由此可見，本次研究中所用到的螞蟻追蹤裂縫預(yù)測方法比傳統(tǒng)屬性對裂縫的刻畫精度要高許多，且與實鉆井鉆遇的裂縫匹配良好。

a—L1/L2井井周最大曲率屬性；b—L3井井周最大曲率屬性；c—L4井井周最大曲率屬性；d—L1/L2井井周構(gòu)造異常屬性；e—L3井井周構(gòu)造異常屬性；f—L4井井周構(gòu)造異常屬性；g—L1/L2井井周螞蟻追蹤屬性；h—L3井井周螞蟻追蹤屬性；i—L4井井周螞蟻追蹤屬性

圖8 實鉆井的電成像測井裂縫玫瑰花圖

2.5 斷片提取及特征分析

在優(yōu)化了螞蟻追蹤屬性之后，根據(jù)螞蟻追蹤屬性的強度、最小斷裂長度等參數(shù)進(jìn)行斷片自動提取，對區(qū)內(nèi)斷裂進(jìn)行立體雕刻，并進(jìn)行定量描述。本次對目的層五峰組底部上下開10 ms時窗，分別提取兩組裂縫片作為對比和統(tǒng)計：第一組的參數(shù)——螞蟻追蹤屬性大于-0.5、最小斷裂長度400 m(400 m以下斷裂不參與統(tǒng)計)(圖9a)，第二組的參數(shù)——螞蟻追蹤屬性大于-0.9、最小斷裂長度400 m(圖9b)。第一組參數(shù)主要是為了提取區(qū)內(nèi)發(fā)育的主斷裂，第二組參數(shù)是為了提取區(qū)內(nèi)發(fā)育的大部分裂縫片，這樣有利于壓制因噪聲帶來的“偽”斷裂(圖9)。圖9c為裂縫片的局部放大，看出通過裂縫片提取可以完整、清晰地體現(xiàn)斷裂形態(tài)。

a—螞蟻體屬性大于-0.5的斷片提取結(jié)果；b—螞蟻體屬性大于-0.9的斷片提取結(jié)果；c—局部放大

對兩組斷裂組合進(jìn)行長度、走向和傾角的統(tǒng)計(圖10)。圖10a為斷裂傾角統(tǒng)計，橫軸為傾角值，縱軸為斷裂數(shù)量，看出斷裂傾角以大角度45°～90 °為主；圖10b是裂縫走向玫瑰花圖，觀察到裂縫走向以NE向為主，這與已鉆井的電成像測井裂縫統(tǒng)計信息一致(圖7)；圖10c為裂縫長度統(tǒng)計，橫軸為裂縫長度，縱軸為裂縫數(shù)量，觀察到裂縫長度以0.5～1.5 km為主。至此，完成了對斷裂特征的定量分析，進(jìn)一步加深了對斷裂的認(rèn)識。

a—斷片傾角直方圖；b—斷片走向玫瑰花圖；c—斷片長度直方圖

3 結(jié)論

1)地震多屬性技術(shù)組合具有環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)、由大至小(針對斷裂尺度)的特征，在該項目中取到較好的效果。但對于不同的項目和數(shù)據(jù)資料，需要對每個技術(shù)環(huán)節(jié)的具體參數(shù)具體分析。

2)在實際項目中，需根據(jù)實際數(shù)據(jù)特征進(jìn)行地震多屬性優(yōu)選，可以有效地輔助斷裂解釋。在瀘州研究區(qū)塊，認(rèn)為最大曲率和邊緣檢測屬性對該區(qū)的斷層反映更敏感，結(jié)合使用屬性融合技術(shù)能更有效地提高斷層解釋的可信度。

3)Petrel特有的數(shù)據(jù)異常值識別技術(shù)“Anomaly Identifier”對研究區(qū)內(nèi)的小微斷層/撓曲有較好的識別能力。

4)利用地震屬性沿層切片技術(shù)，按照由老至新的順序進(jìn)行排列，可以有效地找到構(gòu)造轉(zhuǎn)換位置，定位滑脫層在該研究區(qū)的位置，并進(jìn)一步刻畫構(gòu)造時空演化特征。沿層切片提取得越密集，則結(jié)果越精確。

5)本次研究適當(dāng)?shù)乩茂B加螞蟻追蹤提高了小尺度裂縫的刻畫精度，為斷裂特征分析提供堅實的基礎(chǔ)；通過定性加定量的天然裂縫刻畫技術(shù)，為下一步井位部署提供可靠的數(shù)據(jù)來源。但針對不同的地震數(shù)據(jù)，需根據(jù)實際的需求，來調(diào)整螞蟻追蹤參數(shù)、螞蟻追蹤疊加種類以及疊加次數(shù)。