叠后多属性在潜山断裂系统描述中的应用研究

邹雅铭，刘道理，黄媛，刘徐敏，陶禹，张星宇，陈双全*

1 中海石油深海开发有限公司，深圳 518054

2 中海石油( 中国) 有限公司深圳分公司，深圳 518054

3 中国石油大学（北京）油气资源与工程全国重点实验室，北京 102249

4 中国石油大学（北京）CNPC物探重点实验室，北京 102249

0 引言

南海北部深水区作为一个大型深水含油气盆地，已被证明蕴含巨大的勘探潜力[1]。深水区的潜山油气勘探已经成为该区域油气勘探的一个重要方向。位于白云凹陷东的深层潜山受风化淋滤和构造抬升等因素的影响，潜山内发育有横向变化快、类型多样的裂缝。受潜山内幕构造作用和成岩作用的影响，潜山断裂发育区的裂缝分布广泛，多数以应力释放后发生断裂的不连续面形式存在。潜山岩体受应力作用而产生位移、形变甚至破裂等复杂现象造就了裂缝型储层多种多样的赋存形式。由于储层裂缝成因的复杂性、裂缝大小的多尺度性、裂缝形态的多样性、裂缝充填物的多类型以及岩性变化造成的多解性等[2-3]。而且，潜山储层的地震响应特征表现为杂乱反射、弱反射等特点，增加了储层预测的难度。由单一的技术手段对目标裂缝型储层进行描述时，难以准确评价储层的裂缝发育特征，需采取多参数进行综合裂缝储层的预测，综合多尺度、多信息资料开展综合研究[4]，包括地质、测井和地震三种不同尺度的资料。

根据地质成因及发育规律，断层发育区及构造褶皱区极易形成裂缝发育区，通常把断层、裂缝作为整体进行研究，称为“断缝体”[5]。利用地震数据进行裂缝性储层描述，主要包括利用叠后地震属性对断层、微断裂进行描述和叠前各向异性参数反演裂缝预测技术[6]。在叠前各向异性反演中，需要有带方位信息的叠前道集，且方位角较宽的OVT道集最适合[7]。而利用叠后地震数据主要是通过提取得到的不同地震属性，对断层、亚断层和微断裂的发育规律进行描述。研究表明，根据地震数据的分辨率高低与断裂、微断裂、裂缝目标体的尺度大小，可以形成分尺度、分级预测技术[8]。

苏朝光等(2002)运用相干分析技术对泥岩微断裂进行了综合描述[9]。蔡涵鹏等(2016)利用一种基于非线性变时窗的相干算法对地层细微不连续进行了较好的检测[10]。由于叠后地震数据的分辨率限制，得到的相干属性体对于断裂刻画不够清晰，可以采用近年来发展的断层自动提取技术(AFE)进行相干增加处理，提高断裂体刻画的精度，并可用于对中等尺度的微断裂进行描述。陈光俊等(2009)利用AFE技术对实际工区的断裂系统进行了细致地刻画[11]。Dorn et al.(2005)、张军林等(2013)通过采用AFE技术与传统方法相比，其断层解释结果更加准确精细[12-13]。Qi et al.(2019)采用AFE技术获得了信噪比高并且更加准确的断裂识别结果[14]。韩勇等(2020)提出AFE技术能够在相干技术的基础上对小断裂的展布进行较好的刻画[15]。Gao et al. (2013, 2014)和Di et al. (2014)利用梯度曲率属性对小断层进行了有效地识别[16-18]。张晶玉等(2021)研究了基于曲率算法的储层不连续性特征的识别方法，通过模型正演分析发现曲率属性对于砂体之间不连续性特征具有较高的检测精度[19]。李维等(2022)通过基于横、纵向组合卡尔曼技术，研究了最大正、负曲率属性与断层的开启性[20]。Hale et al.(2013)基于相似系数提出了最大似然属性，指出最大似然属性优势在判断断面表征和断层组合，在实际生产中得到了较好的效果[21]。马德波等(2018)研究了最大似然体在识别断裂中的效果，利用最大似然属性对走滑断裂进行精准识别，提高了断裂内部结构的预测准确度[22]。于娅等(2019)提出倾角中值滤波技术，对原始地震数据突出断裂信息后提取最大似然属性，精准识别了微断裂[23]。甄宗玉等(2020)利用最大似然属性对被特定反射系数压制后的河道砂体进行微断裂识别，取得了理想的效果[24]。

因此，为了解决潜山油气藏储层受构造及风化作用影响形成杂乱反射、弱反射特征，裂缝性储层预测难度大的问题。从叠后地震数据出发，充分利用叠后属性进行多属性分析，形成了一套分尺度叠后地震潜山储层预测方法及技术流程。选用不同的几何类属性及其组合可以对目标区的断裂系统进行精细描述，特别是对于微断裂发育区的刻画。最后，利用深水区海上潜山油气藏储层目标区数据进行了应用研究，完成断层解释、本征值相干属性、AFE增强相干属性、曲率属性和最大似然属性的叠后多属性综合解释，实现了对潜山断裂发育区的描述。

1 方法原理及技术流程

利用叠后地震数据进行潜山油气藏裂缝性储层的断裂描述，主要是利用地震数据的叠后几何类属性。叠后属性进行中小尺度的亚断层、微断裂描述，主要选取地震几何类属性，包括方差体、相干类、和曲率类，以及蚂蚁体和最大似然体等。相干类属性具有对断层断点变化敏感的特点，能快速地找到亚断层发育带，准确的识别较大尺度的亚断层发育特征。微断裂发育受构造的影响较大，特别是在地层的褶皱部位易形成微断裂发育区[25]。微断裂作为断裂的小尺度体，利用叠后地震属性进行刻画，主要包括曲率、蚂蚁体和最大似然体属性。本文主要选用本征值相干属性、曲率和最大似然体三种属性进行断裂描述，并采用AFE增强技术进行属性的优化处理。为了论文的完整性，下面分别对其方法原理进行简述。

1.1 本征值相干

相干属性主要是用于描述关于相邻道之间相似性的一种属性，通过地震道空间组合反映多点、多道、多线的信息，用来说明断裂的横向不连续性，可以在三维空间对断裂进行描述[26]。相干属性计算是通过计算地震数据波形之间的相似性，从而得到地震道数据的相似度属性。本征值相干是通过计算地震数据体的本征值获得的，对于地震三维数据体，取相邻的J道N个采样点数据集N×J，构成矩阵DN×J。

该矩阵对应的协方差矩阵表示如：

该协方差矩阵是一个对称的、半正定矩阵，其所有的本征值大于或等于0。通过计算协方差矩阵的本征值和本征向量得到本征值相干属性：

其中，λi(1,2,3...n) 为协方差矩阵的特征值，λmax为最大的特征值。

1.2 曲率

曲率属性主要反映地层的弯曲程度，也可以间接地对断裂进行描述。曲率是曲线上单位弧长段上切线旋转角度大小的极值，可描述曲线上任意一点的弯曲程度，利用过该点内切圆半径的倒数来表示[27]。因此，通过计算三维地震数据的曲率，可以描述地震数据体的几何形态特征。设曲线函数为y=f(x)，曲率k的导数形式：

式中，x、y分别为坐标轴，ρ为曲率半径，曲率越大，弯曲程度越大。三维空间的两个正交平面相交于曲线，产生最大曲率、最小曲率、走向曲率、倾角曲率等。为了计算曲面上一点的曲率，需要拟合局部二次曲面：

式中，x、y为曲面在平面的投影坐标，a、b、c、d、e、f为方程的系数，f为采样点的值，z为深度。

在无限个法线曲率中，绝对值最大的为最大曲率kmax，与其正交的为最小曲率kmin，是对界面上某一点最大、最小弯曲程度的测量，这两种属性体对识别和描述断裂的几何形态行之有效，其计算公式可以写成：

而所有法线曲率中最大正值对应的曲率为最大正曲率kpos，最小负值对应的曲率为最小负曲率kneg，最大正曲率突出曲面上任一点处的正曲率值，即突出显示曲面上的正向构造；最小负曲率则突出曲面上任一点处的负曲率值，即突出显示曲面上的负向构造，其计算公式可以写成：

1.3 最大似然体

最大似然体属性算法是基于相似系数提出的，其原理是将原始地震数据沿着一组倾向、倾角和走向，计算每一点最低的相似度，使得最终的最大似然数据体更接近裂缝原貌，相似性又通过构造导向平滑得到相似度属性。对地质体沿反射界面不同方向变化率的估计是相似性计算的基础，所以进行最大似然属性计算的前提是先估计沿反射界面不同方向的反射斜率[21]。定义似然属性为：

其中，C(x,y, )τ为分析点的相似系数，x、y为分析点的坐标；τ为分析点的时间；指数n扩大了相似系数高值与低值之间的差异性。

假设已知断层的倾角和倾向，可以采用沿断层倾向和倾角的三维倾斜中心时窗计算相似系数，假设断层倾向扫描范围为[min,max]，扫描间隔为∆，断层倾角θ扫描范围为，扫描间隔为∆θ。对于某个采样点，分别对每个扫描的倾角和倾向采用倾斜中心时窗计算其似然属性，再通过对比求取其最大值，所以最大似然属性可表示如：

如式11 所示，最大似然属性的指数n数值范围在0 到10 之间，通常可以把其设定为8。从上述公式可知，最大似然属性是对地震数据的相似系数进行了一定程度的放大，地震同相轴越连续，相似程度越高，说明断层发育的概率越小，即最大似然属性值越小；反之，地震同相轴连续性越差，相似程度越低，说明断层发育的概率越大，即最大似然属性值也越大[28]。

1.4 AFE相干增强

AFE相干加强属性是相对于相干属性进行线性增强处理，用线性滤波去除数据中的非构造异常，保留因构造造成的相干体异常，利用断层增强技术增强每一个水平切片的线性特征，从而增强断层的平面特征。

如果对叠加剖面上第j道做相干加强，则以该道为中心，两侧各取N道并求2N+ 1道的平均值m j(i)作为该道的模型道，将做相干加强的第j道与模型道按照一定比例进行混波，表示如:

其中，K为混波百分比；a j(i)为混波前第j道的第i个振幅；为混波后的振幅，为使混波后地震道a～i

J( )接近模型道，选用权系数对混波道进行加权，让加权后的地震道与模型道残差达到最小。的求取可以利用最小二乘原理求极值求出，表示如：

为了使相干加强后的地震道保留被处理道的特征，可将相干加强后得到的结果按比例加到原始地震数据中，最终得到AFE增强处理的属性体。

1.5 技术流程

如图1 所示，本文建立了利用叠后地震数据及不同属性进行断裂描述的技术流程。首先，利用地震数据进行人工解释得到断层。由于是直接利用叠后地震数据解释得到的断层，因此断层尺度较大，与地震数据本身的分辨率相当，为地震波长的四分之一。其次，亚断层需要利用叠后地震属性体进行描述。亚断层是由Lohr et al. (2008)[29]首次提出，其尺度低于地震数据分辨率，大于微断裂，不能直接在二维或三维地震剖面解释，主要通过计算地震数据的相干属性进行亚断层的描述。常用的C3 相干算法计算得到的结果分辨率不高，本文主要采用本征值相干计算方法提取叠后相干属性体，并利用断层自动提取方法进行相干增强处理，提高相干属性对亚断层刻画的精度。最后，利用叠后曲率属性和最大似然属性对微断裂发育区进行预测[30]。利用叠后地震数据进行微断裂预测，其结果是定性的，主要反映的是与构造(断层、背斜)相关的微断裂，可以很好地对储层的微断裂发育区进行解释。因此，将断层、亚断层和微断裂三种不同尺度大小的断裂分三个级别进行描述，最后将三个尺度的结果进行叠合，在此基础上可以有效明确储层的断裂发育区。

图1 利用叠后地震属性进行储层断裂描述方法示意图Fig. 1 The schematic diagram of fault and fracture description by using the post-stack seismic attributes

综上所述，利用叠后地震数据体进行储层的微断裂预测的技术流程(图2)，可以归纳为以下步骤：

图2 利用叠后地震属性进行储层断裂预测技术流程图Fig. 2 The technical flow chart of fault and fracture prediction by using the post-stack seismic attributes

i) 利用叠后地震剖面，进行目标储层断层解释；

ii) 叠后数据倾角控制增强和滤波处理、属性参数优选；

iii) 提取本征值相干属性；

iv) AFE相干增强处理；

v) 曲率、最大似然体属性提取；

vi) 多属性综合解释目标区储层断裂发育规律。

2 实际数据应用

本文利用上述的叠后地震数据体进行微断裂预测方法及技术流程，对实际潜山微断裂预测开展了应用研究。盆地内的潜山油气藏勘探作为研究区的一个重要方向，并已在附近区域的潜山储层有所发现。研究区位于南海北部深水区白云凹陷东隆起构造带，具有很好的油气成藏条件，并且在潜山上部层段发现了多个油气田。图3 为研究区内过井的叠后地震剖面，潜山上覆的沉积地层及其与下伏的潜山界面成像清楚，潜山内幕地震响应较复杂，且潜山顶部有杂乱反射、弱反射地震相特征。因此，对于研究区的潜山内幕的微断裂预测是其有利目标区选取的关键。

图3 潜山目标研究区过井地震剖面Fig. 3 Cross well seismic profile in the study area of the buried hill

2.1 断层解释

对于研究区的潜山微断裂预测，我们采用了本文提出的叠后地震属性微断裂预测方法及流程。首先，利用叠后三维地震数据开展了潜山目标区的断层解释，将断层解释结果与潜山顶界面的构造图进行叠合分析，掌握了研究区潜山的构造形态及其潜山内幕断层的发育规律。图4a为潜山顶界面及其内幕断层的解释结果剖面图。图中展示了潜山顶面发育正断层控制的箕状半地堑、地堑、沉积地层，潜山内幕发育有早期逆冲大断层，以及潜山顶界面断层发育形成地堑及半地堑等特征，上覆地堑的斜坡上倾部位、深部逆冲断裂密集发育的地区是潜山风化程度相对较高的区域。图4b为潜山内幕断层与顶界面的构造图。研究区内的潜山形态为从东北向西南方向发展的“鼻状”构造，形成的两个构造高部位与盆地凹陷相接处是油气成藏有利区。潜山内幕的断层主要发育两套逆冲断层(如图4a所示)，一组是北西西向，该组断层在研究区比较发育，另一组是北东东向断层。图4b的断层平面展布特征表明两组断层具有走滑断层特征。

图4 潜山储层断层解释地震剖面及平面展布图Fig. 4 Seismic profile and plane layout of buried hill reservoir fault interpretation

2.2 叠后属性

在利用叠后地震数据提取地震属性前，先对其进行了倾角控制增强和滤波处理，其目的是为了降低地震数据中的噪音，提高地震数据波组特征和信噪比。在倾角控制增强处理中，选取时间孔径参数为11、空间孔径参数为5 进行了处理，其结果如图5 所示。处理前后的地震数据剖面噪声得到有效去除，断层更容易识别，如图中红色箭头所示。在处理后的地震数据体上，提取了本征值相干属性。相干属性计算的参数主要进行了影响地层产状、影响纵向延展性和影响横向分辨率三个参数的分析。通过测试地层倾角、空间孔径及时间孔径等敏感参数。消除地层倾角影响，断层断点更为清晰，得到对亚断层能够很好刻画的本征值相干属性。如图6 所示为反映潜山内幕的相干属性平面图，从图中可以看到潜山内幕破碎，断裂系统相对复杂。

图5 倾角控制增强及滤波处理前后地震剖面对比图Fig. 5 Comparison of seismic profiles before and after dip control enhancement and filtering

图6 提取的本征值相干属性平面图Fig. 6 Plane map of the Eigenvalue coherent attribute

在本征值相干属性体上，采用AFE相干增强属性分析，其主要目的是在相干基础上进行成像加强处理，包括线性增强、倾角增强和断层增强三种方法。图7对比了不同增强方法得到的断层自动提取相干增强属性平面图。图7 的线性增强可以把断层和岩性特征表现出来，断层增强与倾角加强可以反映不同的发育区。断层增强平面属性对于小尺度断裂预测效果最佳，能清楚的展示出不同的发育区，在发育带附近，图中蓝色强的为断层，白色弱的为发育区，颜色越偏深表示出现中小尺度断裂的概率越大，所以利用相干加强属性AFE去预测中小尺度的断裂，效果最好的是倾角增强和线性增强平面属性。相干加强AFE属性较常规三代相干属性精度更高，断层断点及平面变化细节更为突出。如图7d所示，将线性增强与断层增强进行融合，结果能够更清晰地刻画亚断层的平面展布规律。

图7 断层自动提取相干增强属性对比图Fig. 7 Comparison of Automatic Fault Extraction (AFE) coherent enhanced attributes

最后，对于描述潜山内幕微断裂发育情况，选取了曲率属性和最大似然体属性进行对比分析。曲率属性的提取主要考虑地层倾角和方位角信息，没有考虑岩性和地层压力的影响。通过参数对比分析优选分辨率最高的时窗参数进行曲率属性计算。如图8a所示，最大正曲率属性平面图中色棒上红色为绝对值较大的曲率值，白色为绝对值较小的曲率值。如图8b所示，最大负曲率属性平面图中颜色越深，出现中等尺度断裂的概率越大，色棒上红色为绝对值较大的曲率值，白色为绝对值较小的曲率值。将不同曲率属性结合起来综合分析，可以观察到较大的明显断层、较小的微断裂线性构造和解释。

图8 提取的曲率属性平面图Fig. 8 Plane maps of the computed curvature attribute

对最大似然属性测试分析，将原始地震数据沿走向和倾角计算每一点的相似度，最终的最大似然属性体更加准确描述断裂的发育规律，并通过与薄断层最大似然属性对比，发现薄断层最大似然的剖面对微断裂的预测效果更好，断裂破碎带及内幕细节特征刻画明显(图9、图10)。选取0.4 作为属性阈值门限，对比分析最大似然属性与地震剖面的对比(图10)，最大似然属性在该区对微断裂预测较为准确；潜山内预测的微断裂发育。

图9 提取的最大似然属性平面图Fig. 9 Plane map of the computed maximum likelihood attribute

图10 最大似然属性与地震剖面叠合对比图Fig. 10 Comparison of the maximum likelihood and thinned fault maximum likelihood with seismic sections

2.3 综合解释

通过对比分析人工解释的断层、相干属性、曲率属性和最大似然属性的结果(图4、图7、图8、图9)，可以发现对于潜山储层内幕的断裂刻画，反映了不同尺度的特征。最后，我们将三种尺度的属性进行叠合，以此来分析潜山内幕的断层发育规律。选取了人工解释的断层、AFE增强的本征值相干属性和最大似然属性三种属性进行融合。如图11 所示，提取了反映潜山内幕的沿层平面属性，图中用不同的颜色显示不同的属性。潜山内幕发育两组早期的走滑断层，一组为北西西向，图中的红色断层；另一组为北东东向，图中的蓝色断层。相干属性反映的是潜山内幕发育的亚断层，其主要受深层走滑断层的影响，其发育特征及规律表现为与走滑断层伴生且相互垂直。最大似然属性对微断裂刻画较为准确，潜山内幕的微断裂走向与北西西向断层展布较为一致，且分布在潜山的翼部，与亚断层发育相关，在图11 中用Rainbow色标显示，其红黄显示微断裂发育。同时，结合图4b的潜山构造图，在图11 中用紫色点线圈出了潜山高部位范围，对比可以发现在潜山翼部断层、亚断层和微断裂发育，且亚断层与微断裂与断层的发育相关。而在潜山构造主体高部位的内幕，走滑断层及亚断层发育，微断裂不发育。

图11 断层、相干和最大似然属性综合平面图Fig. 11 Comprehensive plane diagram of fault, coherence attribute and maximum likelihood attribute

3 结论

针对潜山储层的断裂发育规律刻画，形成了利用叠后地震数据及多属性相结合的分尺度描述方法。根据地震数据分辨率高低，实现了潜山储层的断层、亚断层和微断裂的三个尺度的描述，采用断层解释、本征值相干属性、曲率属性和最大似然体属性。实际数据应用结果表明，本文提出的叠后多属性断裂分尺度描述方法可以有效地进行潜山油气藏储层的断裂发育规律描述。在对亚断层描述中，主要利用了本征值相干属性，并且利用AFE相干增强，其对亚断层的刻画较清晰准确。而通过对比曲率属性和最大似然属性对微断裂的预测，发现薄层最大似然属性对微断裂刻画更好。

由于实际地震数据为海上常规的窄方位拖缆叠后地震数据，所以采用叠后多属性分析进行潜山储层内幕的断裂系统进行刻画。潜山储层受构造的影响，其断裂发育的平面展布特征明显与潜山构造具有很好的相关性。在潜山高部位微断裂不发育，其原因可能与岩性有关，更易发育更小尺度的裂缝。因此，对于潜山储层的裂缝预测需要开展基于叠前方位属性反演研究，进一步落实潜山储层裂缝发育的有利目标区。