一种利用旋转菱形体属性精细刻画断裂带的方法*

刘丽华 李 军 朱文博 何 敏 王卓超 张军华

(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东广州 510240；2. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580)

一种利用旋转菱形体属性精细刻画断裂带的方法*

刘丽华1李 军2朱文博2何 敏1王卓超1张军华2

(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东广州 510240；2. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580)

刘丽华,李军,朱文博，等.一种利用旋转菱形体属性精细刻画断裂带的方法[J].中国海上油气，2016,28(5)：8-15.

Liu Lihua,Li Jun,Zhu Wenbo,et al.A method of using rotating rhombus attribute to finely describe the fault zone[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):8-15.

断裂带为结构复杂的三维地质体，运用地震资料对盆地内部断裂带进行精细刻画可以明确断裂在油气运聚中的具体作用。提出了一种旋转菱形体属性提取方法，利用菱形对角线具有的方向性计算不同方向的属性值，并根据不同方向属性值的变化程度来指示并刻画断层破碎带及其边界。理论模型正演模拟和珠江口HZ区块实际地震资料应用表明，该方法能够清楚地反映出生长断裂带内部结构的发育情况，与测井解释结果基本吻合，对于解释断层破碎带是可行的；将旋转菱形属性与第三代相干体技术相结合，可以精细刻画断裂带内部构造特征。

旋转菱形体；属性提取；精细刻画；断裂带；珠江口盆地

断裂是岩层在应力作用下发生破裂并沿破裂面发生明显位移的一种构造变形现象，发育源于裂缝的递进变形[1]。研究表明，断裂不是一个简单的面，而是一个具有复杂结构的三维地质体，可以划分出滑动破碎带、诱导裂缝带等结构单元；由于地质条件及控制因素的多样性和复杂性导致不同性质、不同活动强度、不同发育阶段的断层内部结构存在很大差异，即使是同一断裂带也会表现出横向上的分带性、垂向上的分层性和走向上的分段性，正是断裂带内部结构的差异性导致了断裂在油气运聚过程中具有输导和封堵的双重性，因此对断裂带的精细刻画越来越成为研究断裂与油气运聚关系的重要内容[2-4]。

目前常用的识别断层的地震方法有相干体、曲率属性、纹理属性、边缘检测等[5]。相干数据体压制一致性数据，突出不连续特性，可在沿层切片或水平切片上清晰地描述断层或其他地层异常[6]，但对诱导裂缝带识别能力不佳，无法准确刻画断裂带范围；曲率属性是利用地层的弯曲程度进行构造解释和储层分析的方法，它对构造形变引起的弯曲很敏感，在水平切片上及沿层面上对于各种复杂断层、裂缝、河道等特殊地质体刻画能力优越[7]，但对时间剖面上地质体的刻画能力并不特别理想。纹理属性与边缘检测方法实际上都基于图像处理方法[8-9]，与地震资料的振幅相位信息并无直接关联。上述这些成熟技术对断层破碎带的解释效果均不太好。

本文提出了一种可以任意旋转、长短轴可以变化调整的菱形体属性计算方法，该方法通过使用菱形长对角线对数据进行各个角度的扫描和属性值计算，利用长对角线的方向性可有效识别断层、裂缝，并判别是否为断层破碎带。理论模型验证了本文方法的有效性，珠江口盆地HZ区块断裂系统实际地震资料的应用检验了本文方法对断层破碎带的刻画效果。

1 方法原理

1.1 旋转菱形体属性提取思路

大部分地震属性提取方式都是一种规则的计算方式，对于均匀地质体都是满足要求的，但对于较为复杂的地质体却存在一定局限性。常规属性提取方式无论按测线还是按时间轴，都是以规则窗来计算的，如按一定大小的时窗计算振幅、频谱属性，按规则的空间组合计算相干属性，据此判断油气储层、断层、裂缝或其他异常体的存在，但这些做法都不能很好地刻画异常体的方向特性。旋转菱形体属性提取方法主要利用菱形对角线所具有的方向性来判断特殊地质体的方向、范围等特征[10]，能够在一定程度上克服常规属性提取方式的局限性。如图1所示，有一异常体(图中黄色条带，可以是断层、矿脉、裂缝)呈一定方向性。为了得到某一点(图1中原点)的地震属性，让菱形以原点为中心做360°转动，每转动1个角度时计算1个属性值，然后依次扫描整个地震数据。当遇到特殊地质体时，旋转不同角度菱形范围内的数据点也会有变化，造成计算的属性值发生相应的变化，这样最大或最小属性就最佳地反映了地质体的一些特性(如断层、裂缝发育方向和丰度等)。具体计算时，应考虑如何选取菱形体面元内的数据点以及提取何种属性。

图1 旋转菱形提取数据示意图

1.2 范围确定与数据选取

先确定数据的范围，如图2所示，设数据提取菱形窗口的长、短半轴分别为a、b，长轴与时间轴的角度为θ，则可以得到菱形窗口4个顶点的坐标，继而可以求得菱形窗口4条边的表达式如式(1)～(4)，其交集可确定面元范围。给定数据，将中心点作为原点，以一定旋转角度(θ)进行扫描，计算同时落在4条线内的属性值，再用玫瑰图或直方图刻画各角度的属性，即可判断此点的属性特征。模型测试认为菱形的长短轴为5∶2时识别效果最好，因此下文中默认菱形窗口的长、短轴分别为5和2。

图2 菱形计算面积的确定

AB：inline=asinθ+

(1)

BC：inline=-asinθ+

(2)

CD：inline=-asinθ+

(3)

DA：inline=asinθ+

(4)

2 模型测试

2.1 模型建立

根据前人研究[11]，对于生长断层及晚期活化的老断层，断裂带内部结构在垂向上具有这样的特征：在下部发育完整的二元结构，破碎带宽，诱导裂缝带发育(图3中区域1)；上(浅)部破碎带逐渐变窄，诱导裂缝逐渐减少，渐渐过渡到微裂隙及裂缝组成的滑动面(图3中区域2)，无破碎带和诱导裂缝；最终渐变为只有塑性变形和微裂隙的地层(图3中区域3)。

图3 生长断层断裂带内部结构模式

HZ区块位于珠江口盆地珠一坳陷，坳陷内断层普遍发育，共有断层260条左右[12-14]，走向主要为NE、NW和近EW等3个方向，为张性或张扭性正断层。HZ区块发育1条近EW走向生长断层断裂带。参考HZ区块实际情况，根据图3所示的生长断层断裂带内部结构模式设计理论正演速度模型(图4a)，该模型有4套地层，设地层速度分别为2 666、3 044、3 742和4 092 m/s。中间为1条生长断层断裂带，红色颗粒区域代表诱导裂缝带，为交错裂隙岩脉，根据该类岩石性质并结合声波时差测井曲线，设其传播速度为2 200 m/s，发育区域宽度从浅至深由30 m逐渐增加至190 m；黑线代表滑动破碎带，为断层角砾岩、碎裂岩、断层泥填充，根据该类岩石性质并结合声波时差测井曲线，设其传播速度为5 400 m/s，发育宽度3～6 m，倾角79°。采用25 Hz雷克子波、2 ms采样，运用褶积法进行正演模拟，并添加信噪比为5的噪声，得到正演结果(图4b)，共有601道地震道和801个时间采样点，可以观察到破碎断裂带在地震剖面上的理论波形特征。

2.2 旋转菱形体属性提取

为验证旋转菱形体属性的有效性，在模型不同深度取点(图5a)，A段内为点A1～A6，B段内为点B1～B6，从左至右分别代表断裂带外部、内部、已经远离断裂带的地层平缓处。对这些点提取旋转菱形体属性(图5b)，可以看出断裂带外部点A1、A5、A6与B1、B5、B6的属性值变化趋势平缓，即使B6点位于地层凸起处，只要凸起不剧烈，变化趋势也较平缓。而位于断裂带内部点A2、A3、A4与B2、B3、B4的属性值变化明显剧烈，尤其是滑动破碎带附近的A3、B3点尤为明显，这充分说明了旋转菱形体属性对断裂特征刻画的有效性。

图5 本文设计的速度模型旋转菱形体属性计算结果

3 实例分析

3.1 常规属性刻画效果

HZ区块发育1条近EW走向、张性或张扭性生长断层断裂带，到目前为止已经发现多种断层封堵油藏，断层上下盘均见油层，断层圈闭具有成藏条件。因此，研究断层的构造特征，描述断层破碎带在空间的展布规律，可为研究区油气勘探及剩余油挖潜提供详细的断裂数据。选取HZ区块W井区地震剖面，提取均方根振幅属性、三瞬属性和相干体等常规属性(图6)，可以发现这些属性并不能有效刻画破碎断裂带特征。

3.2 旋转菱形体属性刻画效果

在过W井剖面上由浅至深选取A、B、C、D、E等5段不同深度区域(图7a)，在5个区域内选点提取旋转菱形体属性，计算平均绝对振幅属性，从左至右依次排列(图7b)。根据属性变化趋势刻画破碎带边界范围，图7b中红框标注为各深度段断裂带下盘边界点范围，黑框标注为各深度段断裂带上盘边界点范围。由于是按照数据点位置进行选点，间距已知，所以根据各选点的间隔可以大致计算出各深度段断裂带宽度，结果为A段60 m、B段112.5 m、C段125 m、D段125 m、E段250 m，由浅至深越来越宽，这与生长断层断裂带内部结构模式相吻合。

在断裂带上沿井轨迹选点(图8a)，并进行旋转菱形体属性的计算和筛选。图8b展示了上、下端边界(图8a中黑框内)与断点附近(图8a中红框内)各点的属性值，其中点H1～H7展示了上端边界附近的变化，点L1～L7展示了下端边界附近的变化，点O1～O4展示了断点附近的变化，H2、H3与L6、L7分别确定出了井过断裂带的上、下端边界。可以看出，断裂带边界处的旋转菱形体属性变化趋于平缓，断点附近的旋转菱形体属性变化最剧烈；计算得出的上端边界位于1 378～1 388 ms(深度为1 696～1 725 m)之间，下端边界位于1 648～1 658 ms(深度为1 900～1 932 m)之间，断点位于1 525～1 535 ms(深度为1 790～1 830 m)之间。

图6 HZ区块W井区常规属性剖面

图7 HZ区块W井区剖面不同深度选点检验成果

图8 HZ区块W井区剖面过井轨迹选点检验结果

断裂的发育造成断裂带内部物质组成和物性特征与围岩的差异，使得利用测井资料判识盆内断裂带结构成为可能。利用过该断裂井的测井资料，采用常规测井曲线、成像测井及指示曲线计算法[11]进行分析(图9)，结果表明：在断点(深度1 816 m)上、下共236 m(深度为1 696～1 932 m)范围内，常规测井曲线具有高声波时差、高补偿中子、低密度的特点，并且在1750 m处附近存在扩径现象，三孔隙度差值及密度变化率明显大于围岩，密度曲线变化剧烈(呈窄尖峰状)。这一结果与旋转菱形体属性判识出的断裂带发育深度结果基本吻合，证实了该方法的可行性。

3.3 旋转菱形体属性与相干体属性联合刻画

相干体技术对于地质异常体具有很好的检测效果，但对边界刻画效果不佳，因此提出将旋转菱形体刻画的边界与相干体结合。本文采用第3代基于本征结构的相干体算法，与第1代和第2代算法相比较，其分辨率高，抗噪性也强[5]。第3代相干值定义为

图9 HZ区块W井区断裂带测井解释结果

(5)

将旋转菱形体属性刻画的边界与相干体结合取得了良好效果(图10)，断裂带内部结构的刻画更加清晰准确，达到了精细刻画断裂带特征的目的。

图10 HZ区块W井区旋转菱形体属性与相干体联合刻画效果

4 结论

本文提出的属性计算方法是利用菱形长对角线具有的方向性计算不同方向属性值，并根据不同方向属性值的变化程度来指示断层破碎带及其边界。理论模型正演模拟和珠江口盆地HZ区块实际地震资料应用表明，该方法能够清楚地反映出生长断裂带内部结构的发育情况，与测井解释结果基本吻合，对于解释断层破碎带是可行的；将旋转菱形属性与第3代相干体技术相结合，可以精细刻画断裂带内部构造特征。

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(编辑：冯 娜)

A method of using rotating rhombus attribute to finely describe the fault zone

Liu Lihua1Li Jun2Zhu Wenbo2He Min1Wang Zhuochao1Zhang Junhua2

(1.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Guangzhou,Guangdong510240,China;2.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

Fault zone is a three-dimensional geological body with complex internal structures. Using seismic data to describe the fault zone of a basin can define the effect of fractures on hydrocarbon migration and accumulation. A new rotating rhombus attribute extraction method is proposed, in which the attribute values of different directions can be calculated by using the directionality of rhombus’s long diagonal, and then the fault fracture zone and its boundary can be indicated and described on the basis of change scope of different directional attribute values. The forward modeling of theoretical model and real seismic data application in HZ block of Pearl River Mouth basin show that this method can reflect the internal structures of the growth fault zone clearly, and its results coincide with well logging interpretation. Combined the rotating rhombus attribute with the third generation coherence technology, the internal structure characteristics of the fault zone can be finely described.

rotating rhombus; attribute extraction; fine description; fault zone; Pearl River Mouth basin

*“十二五”国家科技重大专项 “南海东部海域大中型油气田形成条件与分布(编号：2011ZX05023-006-003)”、中海石油(中国)有限公司综合科研项目“珠一坳陷浅层新领域油气成藏条件及突破方向(编号：YXKY-2012-SZ-01)”部分研究成果。

刘丽华，女，高级工程师，1992年毕业于成都理工大学石油地质专业，获博士学位，长期从事石油地质与油气勘探开发研究工作。地址：广东省广州市江南大道中168号(邮编：510240)。E-mail:liulh1@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)05-0008-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.002

TE132.1

A

2016-03-15 改回日期：2016-05-08