蚂蚁追踪技术在大程庄地区断裂自动解释中的应用

张继标，戴俊生，冯建伟 （中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛266555）

毛成栋 （中国国土资源经济研究院，北京101149）

田腾飞 （中海石油（中国）有限公司深圳分公司研究院，广东广州510240）

蚂蚁追踪技术在大程庄地区断裂自动解释中的应用

张继标，戴俊生，冯建伟 （中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛266555）

毛成栋 （中国国土资源经济研究院，北京101149）

田腾飞 （中海石油（中国）有限公司深圳分公司研究院，广东广州510240）

基于蚂蚁算法的蚂蚁追踪技术可以实现三维地震资料中断裂系统的自动解释，其主要流程包括地震资料预处理、边缘检测及边缘增强3个过程。将蚂蚁追踪技术应用于大程庄地区的断裂解释，获得的蚂蚁追踪属性体断裂痕迹清晰，可以有效地指导断裂的平面及剖面解释。将蚂蚁属性体与方差体等其他地震属性体进行对比，其断裂显示效果更真实、直观。利用蚂蚁追踪技术不仅可以大幅缩短地震资料解释的周期，同时还可以减少人为因素对断裂解释的影响，有效提高断裂解释的精度。对比不同参数条件下追踪得到的蚂蚁属性体，认为蚂蚁追踪技术可以满足不同勘探开发阶段对断裂解释的精度要求。

蚂蚁算法；蚂蚁属性体；断裂自动解释；石油地质学；大程庄地区

三维地震资料的快速精细解释是制约油气田勘探开发的一个重要因素，勘探早期能否快速查明研究区地下的基本构造形态及断裂发育特征直接影响着后续的勘探开发进程；勘探后期，随着简单构造油气藏潜力的枯竭，三维地震资料的精细解释、准确识别与描述低级序断层对油藏精细描述、储层参数预测等都具有重要的意义。勘探早期断裂解释的周期性及勘探后期断裂解释的准确性一直是地震资料解释过程中面临的两个难题。常规的地震资料断层解释周期长，解释结果受人为因素影响较大，且小断层识别比较困难。相干体技术等一些地震属性处理技术的出现在一定程度上提高了断层的解释速度与精度，但由于受到地震分辨率等多种因素的影响，在具体应用过程中有一定的局限性。而基于蚂蚁算法的断裂系统自动解释技术则为这两个难题的解决提供了一种有效途径［1～3］。笔者根据不同的地震解释需求应用蚂蚁追踪技术对大程庄地区的地震资料进行断裂自动解释，提高了断裂解释的速度与准确性。

1 蚂蚁算法基本原理及流程

蚂蚁算法是由意大利学者Colorni等［4～8］于20世纪90年代初期通过模拟自然界中蚂蚁集体觅食的行为而提出的一种基于种群的启发式仿生进化算法［5］。人工蚂蚁算法模拟蚂蚁的觅食原理，在此引用Colorni［4］所举的例子对这一原理进行说明。如图1所示，假设A点是巢穴，E点是食物源，HC代表一障碍物。蚂蚁由巢穴去觅食需先到达B点然后分别经H点或者是C点到达D点再到达食物源，B点到H点的距离d是B点到C点距离的两倍，蚂蚁在觅食过程中会留下信息素，在初始t＝0时刻，蚂蚁会随机选择一条路径觅食，按照统计的角度，在两条路径上蚂蚁的数量相等，经过一定时间在t＝1时刻，由于路径BHD的距离是路径BCD距离的两倍，那么在路径BCD上蚂蚁往返的次数是路径BHD上蚂蚁往返次数的两倍，留下的信息素量也是两倍，因而之后选择路径BCD的蚂蚁数量将是路径BHD上的两倍，随着时间的继续推移，将会有越来越多的蚂蚁选择路径BCD觅食，从而达到最短时间觅食的目的。

图1 蚁群系统示意图

人工蚂蚁算法就是根据以上原理而提出的一种通过计算机实现的最优化算法，基于蚂蚁算法的蚂蚁追踪技术能自动分析、识别断裂系统。其原理是在地震数据体中散播大量电子“蚂蚁”，“蚂蚁”沿着可能的断裂痕迹向前移动，若遇到断裂将用“信息素”做出明显的标记，否则将不做标记或做不太明显的标记，以指导其他“蚂蚁”的追踪。蚂蚁追踪算法建立了一种突出断层面特征的新型断层解释技术，通过该技术最终可以获得一个具有清晰断裂痕迹的蚂蚁追踪属性体。其主要流程如图2所示。

图2 蚂蚁追踪技术流程图

2 大程庄地区蚂蚁追踪技术实现

大程庄地区位于苏北盆地金湖凹陷西斜坡地区，金湖凹陷在构造上位于苏北盆地东台坳陷的西部，是晚白垩世发育起来的断陷盆地。由于受到多次构造运动及西部郯庐断裂带的影响，导致斜坡上断层十分发育，加之由于受到地震分辨率的限制，断层难以准确解释。为了对断层的发育规律有一个准确的认识，提高构造落实程度，笔者应用蚂蚁追踪技术对大程庄地区进行了断裂系统的自动解释，并将解释结果应用于油田的勘探开发中。

为了获得一个具有清晰断裂痕迹的蚂蚁属性体，首先进行地震资料预处理。在地震资料的预处理过程中，主要采用中值滤波、高斯滤波及构造平滑处理等技术以增强地震反射的连续性，降低噪声影响。该次研究主要应用了构造平滑技术进行地震资料的预处理。

其次是地震数据体“边缘”探测。“边缘”即不连续点，对地震数据体“边缘”的探测旨在寻找数据体中的不连续点，并借助于倾角和方位角属性、混沌属性及方差属性等属性提取技术对这一不连续性进行强化。在大程庄地区主要应用方差体技术来实现。方差体技术是利用相邻道地震信号（如振幅、相位等）之间的相似性来描述地层、岩性等的横向非均匀性，通过计算样点的方差值，揭示数据体中的不连续信息，从而进行断层、岩性的识别［9］。在规则层位面上，沿层振幅变化不大，方差较小；而在断层附近，振幅变化较大，方差也大［10］。

最后是利用蚂蚁算法生成蚂蚁属性体。蚂蚁追踪技术创立了一种全新的断裂系统属性，在预先设定的地震体内突出具有方位的断裂特征，然后进行运算并产生蚂蚁属性体［7］。这是利用蚂蚁追踪技术进行断裂解释的核心，其追踪效果对参数选择依存度较高，影响蚂蚁追踪效果的主要参数有初始蚂蚁边界、追踪偏差、蚂蚁搜索步长、必须合法步与允许非法步及终止条件等［11］。为了说明不同参数条件下蚂蚁追踪的效果，也为了满足不同勘探开发条件下对地震资料解释精度的要求，笔者分别对大程庄地区的较大断裂及相对低级序断裂进行了追踪，得到了不同精度下的蚂蚁追踪属性体（图3）。

图3 大程庄地区不同参数条件下的蚂蚁追踪属性体

3 蚂蚁追踪技术应用效果

3.1 断裂平面展布分析

对获得的蚂蚁属性体进行等时切片，可以了解断裂的平面展布状态、主要发育规律，从而对研究区的构造特征形成一个基本认识。从大程庄地区蚂蚁追踪属性体900ms等时切片（图4（a））可以看出，大程庄地区主要发育北东向、近东西向及近南北向断裂。北东向的断裂主要发育在研究区西部，东部有少量发育；近东西向断裂主要发育在盆地的东部；近南北向断裂主要发育在研究区中北部（c7井附近），研究区中部断裂发育相对较少。随着深度变深，到1300ms等时切片（图4（b））时，研究区西部北东向断裂痕迹更加清晰，发育规模更大，近南北向断裂减少，北西向断裂逐渐增多，主要发育于研究区中北部；研究区南部部分北西向断裂痕迹模糊，可信度有待进一步商榷；东部近东西向断裂消失。通过对一系列不同等时切片的对比分析可以了解到不同深度范围内断裂发育规律的差异性。

图4 蚂蚁追踪属性体等时切片

3.2 剖面上断裂系统的精细解释

断裂解释的精确度直接关系着含油断块的精确落实。通过蚂蚁追踪技术对研究区进行精细断裂追踪，得到的属性体在剖面上对断裂的显示要明显优于常规地震数据体剖面或其他地震属性体剖面（图5）。图5（c）中灰色线条代表蚂蚁追踪断裂解释结果，颜色越深代表断裂解释的可信度越高。通过对比分析可以看出，在常规地震数据体剖面中具有较明显显示的大断裂在蚂蚁追踪剖面中都可以清晰追踪，而对于在常规地震数据体剖面中肉眼难以识别的一些小断裂在蚂蚁追踪剖面中也都有反映，其形态和展布也比较清晰直观。通过不同地震属性体对断裂的解释也可以看出蚂蚁追踪技术在断裂解释中的优势，方差属性体剖面上断裂显示粗糙（图5（a）），特别是在大程庄地区目的层埋深处断裂痕迹显示分辨率低，而蚂蚁属性体在该深度范围内断裂痕迹清晰，与人工解释结果符合度也相对较高。因而通过蚂蚁追踪技术进行的断裂解释效果优于其他地震属性技术。还应注意的是，在地震剖面上基底反射凌乱的区域，在蚂蚁追踪属性体剖面中显示也比较杂乱无规律，对这些区域的灰色线条就不能当作断裂来处理，因此，在应用蚂蚁追踪技术进行断裂解释过程中要注意对这些假象的剔除。

图5 大程庄地区不同地震属性体断裂解释对比（1000inline）

4 蚂蚁追踪不同级别断裂效果对比

不同勘探开发阶段对地震资料解释的精度要求不同。勘探早期，为了查清研究区的基本构造形态及断裂发育特征，需要地震资料的快速解释；而勘探后期，为了油藏的精细描述、储层参数的准确预测等工作需要进行三维地震资料的精细解释，准确地识别与描述低级序断层。勘探早期断裂解释的周期及勘探后期断裂解释的精确性是制约油气勘探开发的重要因素，而蚂蚁追踪技术可以根据不同的勘探开发阶段对地震资料的需求进行相应的断裂解释工作，在勘探早期，可将解释重点集中在对勘探前景有较大影响的大型断裂体系上，对于一些小型断裂则不进行追踪，蚂蚁追踪过程中在参数选择时要选取较大的初始蚂蚁边界、蚂蚁搜索步长及较小的蚂蚁追踪偏差，得到的属性体中仅有大断裂的显示（图6（a）），大断裂间基本没有或少有小断裂痕迹显示，较大型断裂的展布规律将比较清晰；而在勘探后期，可将主要精力放在解释影响油气最终采收率的局部小型断裂体系上，此时要选取较小的初始蚂蚁边界、蚂蚁搜索步长及较大的蚂蚁追踪偏差，此参数条件下将实现对研究区内的各级别断层的精细追踪，属性体内各级别断层基本均有显示（图6（b）），可以有效地帮助小断裂的解释，特别是对那些常规地震资料下识别困难的无明显断距的小断裂，甚至是裂缝的识别，但小断裂的存在可能会造成大断裂的展布规律不清晰，其平面展布需要进行人为分析组合。

图6 大程庄地区不同参数条件下蚂蚁追踪属性体

5 结 论

1）利用蚂蚁追踪技术得到的蚂蚁属性体可以很好地应用于断裂的平面及剖面解释，通过蚂蚁属性体等时切片可以帮助解释人员快速了解研究区的基本断裂特征及组合特征，而通过垂直剖面可以有效地指导断裂的精细解释，解释结果可信。

2）在大程庄地区的地震资料解释过程中，蚂蚁追踪技术的应用效果要优于方差体等其他地震属性技术，获得的蚂蚁属性体断裂显示清晰，但应用时要注意剔除一些断裂假象。

3）大程庄地区主要发育北东向、近东西向及近南北向断裂。西部主要发育北东向断裂，东部浅层主要发育近东西向断裂，到深层逐渐消失，近南北向断裂主要在中北部地区发育。

4）蚂蚁追踪技术可以应用于不同勘探开发阶段的地震资料解释过程中，但其在识别低级序断层方面具有明显优势，解释结果客观、可靠。

［1］Borgos H G，Skov T，Randen T，etal.Automated geometry extraction from 3dseismic data［A］.2003SEG Annual Meeting［C］.Dallas，2003－10－26～31.

［2］Pedersen S.I，Randen T，Snneland L，etal.Automatic fault extraction using artifcial ants［A］.2002SEG Annual Meeting［C］.Salt Lake City，2002－10－6～11.

［3］Randen T，Pedersen S I，Snneland L.Automatic extraction of fault surfaces from three－dimensional seismic data［A］.2001SEG Annual Meeting［C］.San Antonio，2001－9－9～14.

［4］Colorni A，Dorigo M，Maniezzo V，etal.Distributed optimization by ant colonies［A］.Proc of European Conf on Artificial Life［C］.Paris，1991.134～142.

［5］Dorigo M，Gambardella L M.Ant colony system：Acooperative learning approach to the traveling salesman problem［J］.IEEE Trans on Evolutionary Computation，1997，1（1）：53～66.

［6］段海滨，王道波，朱家强，等.蚁群算法理论及应用研究的进展［J］.控制与决策，2004，19（12）：1321～1325.

［7］张纪会，徐心和.一种新的进化算法——蚁群算法［J］.系统工程理论与实践，1999，（3）：84～87.

［8］唐琪凌，苏波，王迪，等.蚂蚁算法在断裂系统解释中的应用［J］.特种油气藏，2009，16（6）：30～33.

［9］吴有信，方含珍.相干体与方差体技术在全三维地震资料解释中的应用［J］.安徽地质，2006，16（1）：47～51.

［10］朱成宏，黄国骞，秦瞳.断裂系统精细分析技术［J］.石油物探，2002，41（1）：42～48.

［11］张欣.蚂蚁追踪在断层自动解释中的应用——以平湖油田放鹤亭构造为例［J］.石油地球物理勘探，2010，45（2）：278～281.

［编辑］ 龙 舟

53 Application of Ant Tracking Technology in Automatic Fault Interpretation in Dachengzhuang Area

ZHANG Ji－biao，DAI Jun－sheng，FENG Jian－wei，MAO Cheng－dong，TIAN Teng－fei

（First Authors Address：School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao 266555，Shandong，China）

The ant tracking technology based on ant colony algorithm could be used for the automatic fault interpretation of three－dimensional seismic data，the main process could be divided into three activities，such as seismic data preprocessing，edge detection and edge enhancement.The technology was used for fault interpretation in Dachengzhuang Area，a clear attribute volume of the fault was obtained by using the ant tracking technique，and the technique could be used for effectively guide the fault interpretation in the plane and the section.Compared the ant track attribute volume with some other seismic attribute volumes as variance，it was found that the fault display were more realistic and intuitive in ant track attribute volume.The use of ant tracking technology can shorten the interval of seismic interpretation，reduce the influence of human factors in the process of fault interpretation，and effectively improve the accuracy of fault interpretation.By comparing the attribute volumes obtained in different parameters，it is believed that the ant tracking technology can meet the requirements of fault interpretation accuracy at different stages of oil exploration and development.

ant colony algorithm；ant track attribute volume；automatic fault interpretation；petroleum geology；Dachengzhuang

book=77,ebook=77

P631.44

A

1000－9752（2012）05－0053－05

2012－02－10

国家科技重大专项（2011ZX05011－001）。

张继标（1986－），男，2007年中国石油大学（华东）毕业，博士生，现主要从事构造地质学方面的研究工作。