0 引言

中国西部塔里木盆地油气资源丰富^[1]，中、下奥陶统断控缝洞型油气藏是台盆区主要的油气藏类型，走滑断裂破碎带对油气成藏具有控制作用。因此，如何识别走滑断裂带是地震勘探的关键问题之一。

根据《石油天然气储量计算方法》^[2]，埋深大于4500m的地层定义为超深层。塔里木盆地富满油田油气藏埋深为7500~9000m，属于超深层范畴。油气勘探实践表明，富满油田具有大断裂大油藏、小断裂小油藏的特点，发现断裂带即发现油藏。因此，利用地震数据准确识别走滑断裂带是油田勘探与开发的一项重要工作。

富满油田超深层目的层段地震资料品质差，断裂破碎带在地震剖面上呈能量不一、杂乱的反射特征，在平面上呈条带状展布，这是奥陶系碳酸盐岩缝洞型储层的主要特点^[3-4]。另外，还可呈“串珠”状地震反射特征。富满油田奥陶系碳酸盐岩缝洞型储层油气勘探中，强能量的“串珠”状地震反射多与高产油气井(石油产量约为100t/d)吻合^[5]。条带状杂乱地震反射同样是优质储层特征。强“串珠”反射在地震剖面上相对容易识别^[6-9]，而条带状杂乱反射难以直接识别。

受构造运动抬升、风化和溶解等作用的影响^[3]，走滑断裂带缝洞型储层的非均质性强^[10-14]。当地震波传播至走滑断裂带或异常地质体时，每个点都可成为一个绕射点。为此，处理人员尝试应用不同的偏移方法提高非均质储层的分辨率，如Kirchhoff偏移^[15-16]、逆时偏移^[17]、绕射波成像^[17-18]、最小二乘逆时偏移成像^[19]等。然而，这些方法对走滑断裂的成像效果改进不明显。

在地震资料解释方面，最大似然、相干加强(AFE)、第三代本征相干、曲率等属性广泛用于断裂识别^[20-22]。这些属性对一级走滑断裂带的识别有一定成效，但对次级走滑断裂带效果不好。根据走滑断裂带的地震响应特征，使用均方根振幅、振幅梯度、多数据融合预测^[22]和结构张量^[23]等识别走滑断裂带，仍然只能有效区分强“串珠”状反射，而识别条带状杂乱反射特征的效果不明显。利用微地震数据对大型地下空洞进行岩体分析^[24-25]，并与地震数据联合可以识别超深层走滑断裂带裂隙体，但该方法对井距有一定要求，而本文研究区内井距多为1~5km，最大可达10km，难以符合上述方法的要求。

近年来，学者们通过解释性处理方法将走滑断裂带地震反射特征与地层结构特征分离，如地层结构特征压制、断溶体形态特征增强处理、炮点域叠前频率划分和频谱延拓^[17]等，可以在一定程度上有效地突出走滑断裂带地震反射特征。但该方法贯穿于数据处理到解释整个过程，控制过程复杂，操作耗时。因此，迫切需要建立一套有效的方法，从地震资料解释人员的角度识别走滑断裂带的地震响应，并对其进行有效表征。

为此，本文提出了一种组合方法，引入基于地震资料的倾角扫描数据，作为导向参数实施地震资料横向滤波处理，通过数学运算增强走滑断裂带的地震响应特征。应用表明，该方法可以有效地识别强能量“串珠”状反射和能量不一、杂乱地震反射特征，对走滑断裂带的识别具有明显的效果，并在油气勘探开发中取得了显著的成效。

1 技术方法 1.1 原理

为了突出超深层走滑断裂破碎带与地层地震反射特征之间的差异，对地震数据实施稳健地层倾角扫描；引入地层倾角结果并实施横向滤波处理，求得平滑数据体，并以此作为局部区域内反映地层遭受断裂破坏或溶蚀前的地层背景能量的数据体；求取它与原始地震数据之间的差值，增强微小断裂带地震响应在背景中的能量。该方法关键是获取地层倾角数据，以及构建可引入倾角数据的横向滤波器，并在局部区域内实现走滑断裂带特征的同步增强。

1.1.1 稳健地层倾角扫描

以往地层倾角估算是在规则采样网格中扫描，利用地震道之间的相似性获取最大相似以估算地层倾角^[26]，即

$ {c_{\rm{s}}}\left( {{\theta _x}, {\theta _y}} \right) = \frac{{\sum\limits_{k = {K_{\rm{S}}}}^{{K_{\rm{E}}}} {\left\{ {{{\left[ {\frac{1}{J}\sum\limits_{j = 1}^J {{u_j}} \left( {k\Delta t - p\Delta {x_j} - q\Delta {y_j}} \right)} \right]}^2} + {{\left[ {\frac{1}{J}\sum\limits_{j = 1}^J {u_j^{\rm{H}}} \left( {k\Delta t - p\Delta {x_j} - q\Delta {y_j}} \right)} \right]}^2}} \right\}} }}{{\sum\limits_{k = {K_{\rm{S}}}}^{{K_{\rm{E}}}} {\left\{ {\frac{1}{J}\sum\limits_{j = 1}^J {{{\left[ {{u_j}\left( {k\Delta t - p\Delta {x_j} - q\Delta {y_j}} \right)} \right]}^2}} + \frac{1}{J}\sum\limits_{j = 1}^J {{{\left[ {u_j^{\rm{H}}\left( {k\Delta t - p\Delta {x_j} - q\Delta {y_j}} \right)} \right]}^2}} } \right\}} }} $

(1)

该方法的缺陷是离散型采样，采样过程中可能漏掉不明显(隐蔽)的地质体。式中：c_s为相似性；θ_x、θ_y分别是沿Inline和Crossline方向的视倾角；p和q分别是沿Inline和Crossline方向测得的时间视倾角，两者关系分别为p=2tanθ_x/v、q=2tanθ_y/v, 其中v为地层速度；(x_j，y_j)表示从原点测量的第j条记录道上分析点的局部坐标；Δ为计算样点间隔；Δt为时间采样间隔；J表示分析窗口中的记录道总数；K_S和K_E分别表示在分析时窗内第一个和最后一个时间样点；u为输入的地震道数据；u_j^H表示为地震数据的Hilbert变换；k为系数。

为了取代反射层倾角、方位角对应最大不连续扫描的假设，通过相邻视倾角对(θ_x, θ_y)的相似性值^[26-28]拟合二次曲面，其形式如下

$ \begin{array}{l} {c_{\rm{s}}}\left( {{\theta _x}, {\theta _y}} \right) = {a_1}\theta _x^2 + {a_2}{\theta _x}{\theta _y} + {a_3}\theta _y^2 + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{a_4}{\theta _x} + {a_5}{\theta _y} + {a_6} \end{array} $

(2)

式中a₁~a₆为各项的系数。

然后，计算落入第i个窗口内的J条记录道的相似性，即使用最小二乘法求解系数a_j，获取倾角估计值

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\frac{{\partial {c_{\rm{s}}}\left( {{\theta _x}, {\theta _y}} \right)}}{{\partial {\theta _x}}} = 2{a_1}{{\hat \theta }_x} + {a_2}{{\hat \theta }_y} + {a_4} = 0}\\ {\frac{{\partial {c_{\rm{s}}}\left( {{\theta _x}, {\theta _y}} \right)}}{{\partial {\theta _y}}} = {a_2}{{\hat \theta }_x} + 2{a_3}{{\hat \theta }_y} + {a_5} = 0} \end{array}} \right. $

(3)

式中$\left( {{{\hat \theta }_x}, {{\hat \theta }_y}} \right)$是对应于内插相似面${{\rm{c}}_s}\left( {{\theta _x}, {\theta _y}} \right)$最大值的视倾角对。

由于这一相似性面是内插的，分析窗口有可能跨越了断层，而断层将反射层划分为两个不同倾角区。为了获取改善的矢量倾角估算值，采用多分析窗口结构，除了中心窗口以外，还可对一组非中心、叠置的分析窗口进行扫描，所有窗口内部包含感兴趣的分析点。再计算落在窗口的J条地震道的振幅方差

$ {\mathop{\rm var}} = \frac{1}{{J - 1}}\sum\limits_{j = 1}^J {{{\left( {{u_{ji}} - \left\langle {{u_i}} \right\rangle } \right)}^2}} $

(4)

式中〈u_i〉表示第i个分析窗口中u的平均值。当具有最小方差时，最小方差对应的窗口被设定为连续反射层的最佳窗口，并在此窗口估算反射层倾角。

1.1.2 地层倾角导向横向平滑滤波

构建一个构造倾角导向平滑滤波器，先对三维地震数据体进行提高信噪比的预处理工作，然后对给定地震数据进行横向地震道平滑处理。输入的数据为提高分辨率或信噪比的预处理地震数据，以及通过稳健地层倾角扫描获得的Crossline方向和Inline方向视倾角数据。

构造导向横向平滑滤波处理的目的是：沿地震反射层位获取局部地层能量背景数据，通过滤波消除随机噪声并增强反射的横向连续性。关键任务是区分反射层的倾向方位角和叠置在反射层上的噪声。估算反射层的倾角和倾向方位角后，再采用一个滤波器增强沿反射层的信号。最常用的滤波有均值滤波器和中值滤波器。

1.1.3 增强走滑断裂带特征数据计算方法

储层与围岩之间地震波反射特征的差可以作为走滑断裂带非均质性数据。将构造导向横向滤波后产生的数据等效为接近围岩地震波反射特征的综合响应，视为地层产生断裂破碎前的状态^[23]。因此，从地震数据信息中扣除与围岩相关的地震波形特征后则是断裂破碎带地震波反射特征。基本策略是原始地震数据减去构造倾角导向横向滤波后的平滑数据，可在走滑断裂带非均质属性数据的视相位与原始地震数据的相位保持一致的情况下，求得走滑断裂破碎带非均质属性数据

$ {\mathit{\boldsymbol{d}}_{\rm{H}}}(t) = {\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{raw }}}}(t) - {\mathit{\boldsymbol{u}}_{{\rm{median }}}}(t) $

(5)

式中：d_raw(t)是原始地震数据；u_median(t)为中值滤波器处理后的横向平滑地震数据。

一般而言，当地层倾角和主方位角相对稳定且横向振幅相对均一时，适合采用中值滤波器；当地层倾角和主方位角横向变化剧烈且地层振幅存在较大变化时，适合采用均值滤波器。

1.2 方法流程

根据区块地震资料品质情况，方法实现可分为四个主要步骤。

(1) 对地震数据做预处理，目的是提高数据的信噪比，为下一步地层的倾角、方位有效扫描做准备。当地震资料品质较低时，需要进行预处理，如时相振幅谱分析^[29]、反Q滤波器^[30]、自适应时间重采样高分辨率同步压缩变换^[31]、带通滤波、地震道间加权平均和倾角扫描叠加等。可以采用单个预处理任务，也可以是多种预处理方法的组合。

(2) 根据预处理数据实施地震道扫描求得倾角和方位角，作为下一步计算的数据输入。

(3) 基于预处理数据实施倾角导向的横向滤波处理，目的是获得局部区域的地层背景数据。

(4) 求取横向滤波数据各地震道与原始地震数据之间的残差，残差数据反映致密地层中的走滑断裂带非均质缝洞体特征。

2 模型验证

为了验证方法的有效性，建立一个同时包含地层构造(横向剧烈变化)、缝洞体、走滑断裂带的模型(图 1)。

地层和缝洞体的充填速度均来自于研究区声波测井和VSP测井资料。地层自上而下分别为泥岩(4300~4500m/s)、灰岩(5500m/s)和高速层(6200m/s)。缝洞体充填速度为4600~5300m/s，走滑断裂带速度为5190~5500m/s。不考虑地层速度随埋深的变化(平均小于10m/s)。

缝洞体系等效地质体尺寸相同(均为20m×15m)，等效充填平均速度如表 1所示，用于模拟小断裂、缝洞综合体在不同规模孔隙下的地震响应。

初始化速度采样参数分别为道间距6m、采样率1ms，正演数值模拟采用褶积算法。同时，考虑实际地震资料品质，通过多次调整和添加噪声参数，使模拟剖面的特征与实际地震资料一致。

由图 2a可见，通过地震正演模拟，1~5号地质目标基本可以分辨；6、7号地质目标较难分辨；8号地质目标的顶部较难分辨，中部和底部因波阻抗差比顶部大而可分辨。图 2b为本文方法计算所得走滑断裂带非均质地震响应数据。与地质模型(图 1)相比，断裂破碎带、点状地质体和条形地质体的位置吻合较好；1~8号地质目标均可清楚分辨；在蓝色箭头所指位置，可见断裂带特征，特别是8号目标断裂带顶部正花状构造的3条分支断裂，在非均质地震数据中得以清楚显现。6、7号地质目标在正演剖面(图 2a)中被淹没在地层能量背景之中，而在断裂带特征识别数据中的地震响应得以突现(图 2b紫色箭头所指位置)。

模型数值正演表明，本文方法能有效分辨地层中的不同尺度断裂特征，并能够分辨被淹没在地层能量背景下的缝洞体。

3 实际资料应用效果

目前，塔里木盆地奥陶系已发现的断控型油气藏埋深主要在7500~9000m。以北部坳陷富满油田富源Ⅲ区块为例，测试本文方法应用效果。

研究区走滑断裂具有纵向分层、平面分区、沿走向分段特征，横向位移小，埋深大。在走滑断裂生长过程中，应力的变化导致碳酸盐岩脆性地层破碎，形成了横向上具有一定宽度的走滑断裂破碎带，破碎带相关非均质储层的分布与断裂带的展布具较好的对应关系。

由图 3a可见，在富源Ⅲ区块垂直断裂走向的原始地震剖面上，走滑断裂纵向上分三段(红色线条)；目的层顶到内幕反射层之间断裂特征不清楚(蓝色虚线框处)；内幕反射层之下呈“串珠”状反射特征(蓝色箭头位置)。而用本文方法处理后的地震剖面(图 3b)上，断裂特征清晰，自下而上发育一条走滑断裂(红色线条)，两侧与断裂破碎相关的异常体地震响应明显；断裂破碎带内部发育多个“串珠”状反射(粉色箭头位置)且相互之间存在一定关联。

由图 4a可见，在富源Ⅲ区块沿断裂走向原始地震剖面上，目的层以下地层呈杂乱地震反射，难以识别走滑断裂，大约可见2个“串珠”状反射目标。而用本文方法处理后的地震剖面(图 4b)上，目的层以下断裂特征清晰，发育规模性“串珠”状反射目标，相比原始地震数据增加了5个“串珠”状反射目标。其中，①号目标由一系列不同尺度“串珠”状反射组成，②号目标可能与新识别的⑥号目标存在关联。由此表明本文方法的走滑断裂带地震响应数据对非均质地质体的分辨能力有明显提升。

另外，根据原始地震资料沿层提取目的层的均方根振幅属性，只能分辨部分规模大的走滑断裂带。由于受到东南侧和西北侧片状强反射背景的干扰，走滑断裂带内非均质储层引起的波组响应特征均被淹没在背景之中，只能刻画出3条NE-SW向和2条NW-SE向断裂带，总长度约为51.60km(图 5a)。基于原始地震数据解释性断层增强处理数据的相干属性(图 5b)可见不同级别NE-SW向的走滑断裂带，同时发育NW-SE向的走滑断裂带，总计5组NE-SW向断裂带、2组S-N向断裂带和1组NW-SE向断裂带，总长度约为89.80km。而根据本文方法所成数据(图 5c)不但能区分大型断裂破碎带及内部各断裂分段间的相对关系，同时可识别小级别断裂。原始数据中片状强反射背景的干扰得到压制，断裂带非均质特征得以显现。据此，共识别7组NE-SW向断裂带、3组S-N向断裂带和3组NW-SE向断裂带，总长度约为164.50km，相比以往长度增加了74.70km(图 5c)。

根据本文方法处理后地震数据断裂带识别结果部署WF5井(预探井)。在原始地震剖面上，只见一个独立的“串珠状”反射异常(图 5a、图 6a)，不具备高产目标的特征。而本文方法处理后地震数据(图 6b)可见，该区处于走滑断裂带，是有利目标。钻井证实发育优质缝洞储层，日产油超过190m³，日产气超过53000m³，产能稳定。由此表明，实钻结果与本文方法地震数据匹配较好。

4 结束语

本文提出的超深层碳酸盐岩走滑断裂非均质地震响应识别方法分四步实现。核心方法是应用稳健倾角扫描数据，对数据实施地质导向的横向滤波，去除背景，增强走滑断裂破碎带的地震响应特征。勘探实践证明，本文方法对于缝洞型油藏效果较好。

该方法同样可以用于重、磁、电勘探数据的处理，也可推广应用于工程地质灾害调查。

本文方法的应用效果与地震数据的质量密切相关，因此进行数据保真度处理至关重要。需要注意的是，根据地震资料品质的需要，处理方法不限于加权混合。