蚂蚁体属性断裂解释技术及在苏德尔特地区的应用

刘慧楠，李婷婷，张幸兴，杜岳峰

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 河北省地震局，河北 石家庄 050021)

0 前 言

苏德尔特油田位于内蒙古自治区呼伦贝尔市新巴尔虎右旗贝尔苏木(乡)境内，构造上位于海拉尔盆地贝尔湖坳陷贝尔凹陷苏德尔特构造带，该构造带位于贝西和贝中生油洼槽之间，呈北东向展布。苏德尔特构造带所处的贝尔凹陷经历了多期构造运动，主要为早白垩世初期发生的北东向右旋张扭走滑—断陷作用，早白垩世中后期盆地进入快速沉降的坳陷式发育阶段，晚白垩世盆地进入坳陷式萎缩消亡发育阶段[1]，这使得苏德尔特地区的断裂系统极为复杂。

众所周知，断裂构造的发育情况既影响着油气的运移和成藏，又影响后期开发的注采效果，所以能否搞清断裂发育情况是直接影响油田勘探开发的重要因素之一，也是油藏描述工作中的重点。但是利用常规地震解释手段进行地震解释耗时较长，解释结果受人为因素影响很大。同时，常规地震解释手段受地震资料分辨率的制约，对一些构造规模较小的断裂往往很难准确的描述其空间展布。因此，可否有一种能够又快又准进行断裂解释的方法，一直都是每一个石油勘探人员最为关心的问题。而近年来出现的蚂蚁追踪技术，则为石油勘探人员提供了一种全新的断裂解释途径。蚂蚁追踪技术较之常规的人工地震解释方法有两个优点：第一，蚂蚁追踪技术能快速的了解区域内断层发育和平面展布，克服了解释人员的主观性，有效提高了断层解释精度，大幅缩减了人工解释时间；第二，对于在地震剖面上肉眼难以识别的微小断裂，蚂蚁追踪技术能在各项参数的控制下，自动追踪地震数据体中的不连续性信息，对微小断裂的各项产状和断裂间的空间接触关系进行精细的描述。

1 技术原理

蚂蚁算法最先是由意大利科学家Dorigo M等人于1991年提出的[2-3]，是一种基于模拟自然界中蚂蚁觅食行为而提出的一基于种群的启发式仿生进化算法[4]。在此，我们引用Dorigo M的例子来说明蚂蚁算法的实现原理[2]。如图1所示，假设有一群正要觅食的蚂蚁的蚁穴在A处，而E处则是食物，蚂蚁需要在A、E两处之间往返，并留下信息素来影响接下来蚂蚁对路径的选择。而在，觅食路径之间有HC障碍物，蚂蚁需选择绕行C路线，或是选择绕行H路线，但是BDH的路程是BCH路程的2倍。假设每隔一定时间Δt=1便有30只蚂蚁从A出发，同时也有30蚂蚁从E出发，每只蚂蚁在沿途留下信息素1。当t=0时，第1批开始行动的蚂蚁到了B、D两点开始选择行进路线。此时无论哪一条路径上的信息素都是0，由于蚂蚁选择路线是完全随机的，根据统计学规律我们认为，有15只蚂蚁选择了B路线，有15只蚂蚁选择了H路线。当t=1时，选择C路线的蚂蚁已经走完了自己的路程(从B出发的蚂蚁经由C走到了D，从D出发的蚂蚁经由C走到了B)，在整个BCD路线上的信息素浓度为30；而此时选择H路线的蚂蚁只走了一半(从B出发的蚂蚁和从D出发的蚂蚁都只走到了H)，除了H点外BHD路线上的信息素浓度为15。与此同时第2批觅食的蚂蚁开始选择路线，此时H路线和C路线的信息素浓度比为1∶2，因此，此时只有10只蚂蚁选择了H路线，而20只蚂蚁选择了C路线。根据此原理，蚂蚁选择最优路径的几率越来越大，而其他路径被选择的几率则越来越小，直至废弃。

图1 蚂蚁体算法原理

蚂蚁追踪技术就是基于蚂蚁算法来实现三维地震资料中断裂系统自动解释的技术方法，又称断裂系统自动追踪技术[5]。其原理是在地震数据体中设定大量的电子“蚂蚁”，并让每个“蚂蚁”沿着可能的断层面向前移动，同时发出“信息素”。这种“信息素”会召集其他的“蚂蚁”集中在该断裂附近对其进行追踪，并完成该断裂的追踪识别。而对不可能是断层的那些面将不做标记或只做不太明显的标记。最终获得一个低噪音、具有清晰断裂痕迹的数据体[6-7]。

斯伦贝谢公司的Petrel软件中的Ant-Tracking模块就是基于蚂蚁追踪技术研发的。利用该模块与其他模块协同操作，即可完成对地震数据体的蚂蚁追踪工作。其基本工作流程如下：

1)对原始地震数据体进行构造平滑处理。这一操作目的是在进行蚂蚁体运算之前对地震数据进行预处理，旨在利用中值滤波算法，减弱或消除地震数据随机噪音干，增加反射轴的连续性，突出断点反射。

2)在已经对地震数据体做完构造平滑处理的基础上，计算方差体或相干体。此操作为的是在计算蚂蚁体属性之前对地震数据进行处理，从而对不连续点进行加强，寻找边界异常。

3)对蚂蚁体属性的各项参数设置对照试验，优选出适合研究区的参数设定，计算蚂蚁体属性。

4)以蚂蚁体为依据，结合常规解释手段，交互解释，确定断裂发育集中区域及断裂空间展布。

2 关键参数意义

1)蚂蚁分布边界(1～30)：定义蚂蚁分布边界即是定义初始的种子点数。这个参数决定了一个蚂蚁在一次觅食中所能涉及到的范围。显然，边界范围越小地震数据体中蚂蚁的分布就越多，种子点就越密集。但是种子点过于密集会影响运算的速度，同时也会强调一些无关信息，降低信噪比。通过参数对比认为，一般来说设置在3～7之间比较合适。同时，如果某一区域内的蚂蚁没有搜索到食物，该区域的断层信息素就会逐渐消失，蚂蚁就不会在此区域聚集[8]。

2)觅食路线的偏移度(0～3)：此参数用来限定蚂蚁在觅食过程中觅食方向的范围，每只蚂蚁只能在15(°)搜索范围内搜索食物，搜到食物，释放信息素，继续搜索。同时，如果食物所在的位置超出该蚂蚁的搜寻范围，但在设置的偏移度(0～3)允许范围之内，那么认为这追踪结果也是合法的，否则这个蚂蚁就不能追踪这个食物。对于实际情况允许的偏移度越大，蚂蚁对断裂的追踪就越密集、连续。

3)蚂蚁搜索的步长(2～10)：此参数代表蚂蚁在搜索食物时，一次能够搜索的最大范围(几个地震网格)。增加该值将使每只蚂蚁搜索得更远，但会降低精度。

4)允许非法步数(0～3)：该参数为允许多少个蚂蚁步长内搜索不到极大值。如果蚂蚁向前搜索一步，但并没有搜索到断裂信息，那么记该步为一个非法步。若设置非法步数为0，那么该蚂蚁的追踪即刻种植；若设置的非法步数为1～3，那么蚂蚁可以再预估位置上继续前进相应步，若在允许的非法步数限制内搜索到了食物，那么软件将会记录下有效位置和非法位置，断裂追踪有效；若蚂蚁在允许的非法步数限制内没有搜索到食物，那么该蚂蚁将被淘汰，不会继续追踪断裂。 通过对参数的对比分析可知，允许的非法步数越大，蚂蚁追踪所能识别的断裂就越密集。此项参数要与必要合法步数配合使用。

5)必须合法步数(0～3)：该参数意义为每只蚂蚁搜索路径中必须包含的合法步数。设置必须合法步数控制搜索结果的非法间隙是否连接，该参数需与上述允许非法步数结合使用。若蚂蚁连续追踪到的合法步数小于所设定的必须合法步数，那么该断裂追踪会被视为无效的追踪。对于该参数值，设定越小，蚂蚁追踪是别的断裂就越连续。

6)终止条件(0～50%)：该参数为每只蚂蚁在追踪过程中允许非法步数占总步数的百分比。若非法步数占比高于终止条件是，则该蚂蚁停止追踪。对于该参数值，设定越大，蚂蚁追踪就越密集。

3 蚂蚁追踪技术在苏德尔特地区的应用

基于前期对苏德尔特地区区域断裂构造的研究，认为研究区受早白垩早期区域北西—南东向拉伸作用影响，在目的层兴安岭油层组主要发育北东向断裂，并且断裂倾角主要分布在30(°)～80(°)之间(见图2)。

图2 苏德尔特地区断裂构造产状统计

通过利用产状控制玫瑰花图对产状控制，滤掉北西—南东方向上的断裂，并滤掉北东—南西向上小于30(°)倾角的断裂。经产状控制后，能在极大程度上压制具有低倾角特性的层位对蚂蚁体属性的影响。同时需注意，地震道的Inline线方向与正北方向大约成39(°)，故在控制断裂产状是，选择保留走向在320(°)～50(°)和140(°)～230(°)之间且倾角大于30(°)的断裂。如图3所示，阴影部分为被过滤掉的断裂产状。通过反复的参数试验，确定适用于苏德尔特地区的参数设置分别为：①蚂蚁分布边界为5；②觅食路线偏移度为2；③蚂蚁搜索步长为3；④允许非法步数为1；⑤必须合法步数为3；⑥终止条件为10。

图3 蚂蚁体产状控制玫瑰花图

由于苏德尔特地区构造复杂，地震剖面同相轴连续性极差，使得前期断裂解释存在着极大的难度，这也导致部分区域的断层解释并不十分确定。本次研究过程中，在观察1 464 ms左右的蚂蚁体时间切片时发现，这个时间深度基本位于兴安岭I油组(XI)的顶面。如图4虚框所示位置，蚂蚁体表征断裂痕迹明显，并且与XI层早期构造解释的断层组合不同。

(a)1 464 ms蚂蚁体属性切片；(b)修改前XI油组顶层断层Polygon与属性切片叠合图

图4 蚂蚁体属性切片

为验证蚂蚁体切片指示的新的断层组合是否正确，如图5所示，仔细研判连续多个地震剖面，寻找此断裂是否存在。可以在地震剖面(见图6)上看出，在蚂蚁体属性指出的位置，地震同相轴确实出现了明显的错动，认为蚂蚁体追踪出来的断裂构造真实存在。

图5 原始断层组合(细线)、拟修改断层组合(粗线)及地震剖面平面位置

图6 蚂蚁体校正后地震剖面

根据蚂蚁体属性切片对断层空间展布的指导，结合地震剖面交互解释，完成了对苏德尔特地区兴安岭I油组顶面构造图的局部修改，效果良好。

4 结 论

1)由于蚂蚁体技术的原理是寻找地震体重的不连续信息，用来提取蚂蚁体属性的数据对于结果有很大的影响。因此，在提取蚂蚁体属性之前，必须对原始地震体进行构造平滑、计算方差体等处理。

2)在蚂蚁体属性参数的选择过程中，需要依据实际情况，在“Passvie ants”(消极蚂蚁)与“Aggressive ants”(积极蚂蚁)两种蚂蚁参数间反复调试，进而确定适用于研究区的蚂蚁体参数。

3)在蚂蚁体属性提取过程中，需要利用产状控制，来消除与区域应力作用方向不一致的追踪结果，同时消除低倾角的地震层位痕迹的影响。

4)实际研究过程中发现，由于构造变化剧烈，如苏德尔特地区很多区域层位倾角很大，甚至大于30(°)，地震资料主频不高等原因的限制，可能会出现蚂蚁体刻画的小断层或微裂缝与实际并不相符的情况。因此，在利用蚂蚁体技术解释断裂构造时，必须对照地震剖面进行交互对比解释，提高可靠性。

5)蚂蚁体属性在识别小断层，指导断层平面展布和空间组合上有着独特的优势。