基于自适应窗口的第三代相干技术在X区块的应用

覃素华, 刘雷颂, 曹来圣, 喻 林, 乔凤远, 刘冬民

(中国石油集团 东方地球物理勘探有限责任公司研究院地质研究中心，河北 涿州 072751)

0 引言

在构造解释中，断层解释是非常重要的一环。高精度解释断层，对圈闭评价、油气成藏分析都至关重要。相干技术一直是断层解释的重要手段之一，尤其是在资料品质不高、断层发育的情况下更是如此。因此，地球物理学者围绕有效提高断层解释精度不断创新发展新算法，相干算法从C1相干算法[1]，到C2相干算法[2]，再到C3相干算法[3]不断发展。除算法改进外，地球物理学者还发展了对地震资料进行针对性处理以提高相干体精度，如超道相干体技术[4]、多属性相干方法[5]、分频相干技术[6]、高阶相干技术[7]等，这些技术都是在对地震资料进行针对性处理的基础上，再做相干处理等来提高断层的解释精度。

该区块位于城区，地面条件复杂，地下断裂发育，勘探开发程度高。受制于早期城市三维采集技术的限制，其开展的二次三维地震采集资料很难满足当前的勘探开发需求。充分挖掘已有资料潜力，发挥物探处理解释技术的优势，实现构造的精细解释和断裂的准确刻画是摆在研究人员面前的难题之一。

通过对相干技术调研，探索应用最新的基于自适应窗口相干处理技术，对相干体与地震数据体融合，在断裂的精细解释上取得一定效果，值得其他类似区块借鉴。

1 X区块地质地震特征

X区块位于渤海湾盆地某油田中部，地层自下而上为太古界、中生界、下第三系沙河街组、东营组、上第三系馆陶组及第四系地层。其中太古界岩性主要为变质岩，以及后期侵入的煌斑岩岩脉和中酸性火山岩岩脉。中生界上部岩性主要为中酸性火山喷发岩，下部岩性主要为火山岩、砂砾岩、火山角砾岩；火山岩以安山岩、英安岩、英安质熔结凝灰岩为主。新生界下第三系沙河街组，各组地层特征如下：沙四段为一套浅灰色、紫红色中细粒砂岩、含砾砂岩及砂砾岩与暗紫、浅灰色泥岩间互沉积。沙三段上部为灰色泥岩夹薄层灰白色砂岩、含砾砂岩，中部为深灰色泥岩夹灰白色砂岩、砂砾岩。沙二段下部以灰白色砂砾岩为主，上部以正常砂砾岩为主；上、下砂岩组之间有稳定的泥岩段隔层；砂岩主要为粗碎屑岩，上部为灰色泥岩夹砂岩，下部为以砂砾岩为主夹薄层泥岩。沙一段中、上部为灰色泥岩夹薄层砂岩或含砾砂岩，中部发育一组油页岩，下部为灰色泥岩夹喊砂砾岩，底部发育一组钙片页岩。东营组为灰绿色泥岩与砂岩呈不等厚互层。馆陶祖为大套灰白色块状砂砾岩。

地震、钻井及地质资料表明，X区块中浅层边部及内部主要发育正断层，方向有两组，分别为北东向及近东西向:①北东向断层为本区主干断层，控制了X区块构造的形成与分布;②近东西向断层将X区块构造切割成各单独小块，其中部分断层形成时期为油气充注阶段，潜山供油窗口由这些断层提供。

因此，高精度刻画断层，对油藏的描述起至关重要的作用。由于岩性横向变化快、断裂破碎复杂，及地震分辨率的问题，影响到横向波组特征变化快，规律性差。有些小断层虽然可视别，但断面不清晰，很难直接从地震剖面上精细解释小断层。亟需借助技术手段提高断层的解释精度。

2 自适应窗口相干技术

自适应(Self-adaptive)是指处理和分析过程中，根据处理数据的数据特征自动调整处理方法、处理顺序、处理参数、边界条件或约束条件，使其与所处理数据的统计分布特征、结构特征相适应，来达到最佳的处理效果。

自适应技术多用于声学[8-9]、电学[10]等领域，对于在地球物理领域应用来说是一项新技术。在相干体处理技术上的应用，确切的定义应该为自适应窗口相干技术，而传统的相干技术是通过固定窗口实现的。

相干体算法基本经历了三代：C1、C2、C3算法，现在用的基本上都是C3算法及其变种。C3算法称之为基于本征值结构的相干体算法[11]，其基本原理为在一定时窗内提取一组地震道数据生成样点矢量。在时间t的视倾角p和q决定的平面上，每一个样点矢量组成新数据矩阵的行和列，进行自相关和互相关，生成协方差矩阵C，则Cij为：

μ(t,p,q)]·[uj(t+nΔt-pxj-

qyj)-μ(t,p,q)]}

(1)

式中:t为时间;p和q分别表示时窗中心点在局部反射面x和y方向的视倾角;N为时窗内样点;u为目标道;i和j为线、道序列号;μ为窗口内均值。

式(1)可以计算出J个非负特征值λ，则C3相干值为：

(2)

式中λ1为最大特征值。

固定窗口只是在时间域对x、y方向求取视倾角特征值时会受到时窗边界及倾角陡度的限制，如何在窗口合理的情况下提高特征值的精度，需要通过给定一个参考信息量，让窗口合理的自动滑动，从而提高x、y方向的特征值精度。

小波变换可以同时反映信号在时间域和频率域的信息。频率域信息包括振幅谱和相位谱，但振幅谱的信息更能反映地层信息。具体实现则通过基于匹配追踪的小波变换进行谱分解，产生振幅谱和相位谱，利用振幅谱求取平均功率谱，根据平均功率谱信息求取自适应时窗。

对于地震信号f(t)，小波变换定义[12]为：

(3)

式中：T为时间尺度参数；τ为时间中心参数；ψ(t)为小波母函数。

设平稳信号序列X(n)为N点的信号[13]，X(n)每一时间尺度小波变换系数为Wt(k)，则对应的功率谱P(t)为：

(4)

式中，t为时间尺度值。

当采用自适应窗口计算相干时，把功率谱作为控制条件输入，首先解析出功率谱对应的起始频率、结束频率，然后设置频率增量i，一般按功率谱总量的百分之三十为增量，ui为滑动窗口，

引入窗口函数[14]为：

(5)

该技术模块化流程如图1所示。流程有两个关键步骤：①功能谱的求取；②自适应窗口的处理。在求取功能谱的过程中有一个起始、终止频率的设置，该参数来自于地震资料，不同地震资料一般会有不同频宽，因此在进行功能谱求取之前，有必要进行地震资料目的层的频谱分析。只有准确地设置起始、终止频率，才能准确地求取功能谱。在自适应窗口处理中有两个参数需要注意：①相干点的设置，即3点相干还是5点、9点等，该参数表示的是横向上相邻地震道数据比较的多少参数，越大越精细，费时也越长；②自适应滑动窗口的频率增量设置，该参数过小或过大都影响精度，过小会对大的断层识别不清而且计算量大，过大会漏掉微小断层，经测试增量设为功率谱总量的百分之三十效果最佳。

3 自适应窗口相干技术的应用

在X区块的应用过程中，首先对该区地震资料进行分析，构思相应的技术流程。即通过常规相干、自适应相干、基于构造导向滤波后的自适应相干、数据融合等效果对比，逐步提高小断层的刻画精度，实现断点在地震资料上的准确归位。

图2是X区块中部一条原始地震剖面。从剖面上来看，断层发育，但断点不清晰，个别大断层可以根据对本区地下地质结构的了解及综合解释经验来进行断层描述，但对于小断层的精细刻画较为困难。

图1 自适应窗口相干处理技术流程Fig.1 Adaptive window coherent processing technology flow

图2 原始地震剖面Fig.2 Original seismic section

图3 常规相干剖面Fig.3 Conventional coherence section

图3为固定窗口常规相干剖面，从相干剖面上看对断层解释能起到一些参考作用，但作用有限。

基于原始地震资料对X区块进行自适应相干处理。图4为自适应相干剖面与常规相干剖面对比，其中图4(a)即常规相干剖面，为图3中蓝色框内的放大显示，图4(b)为对应图4(a)相同位置的自适应相干剖面。从对比剖面上看，图4(a)与图4(b)剖面右侧大红圈内的两条断层，在常规相干剖面中，断面表现的比较宽且模糊，自适应相干剖面中对断面的表现比较清晰且收敛。左侧的红圈内的小断层，在常规相干剖面中，只是简单的一些模糊反映，而在自适应相干剖面中该断层表现为多条干脆的小断层，对小断层的反映表现更为清晰、精细。整体对比看，常规相干虽然对断层有显示，但整体不清晰。而自适应相干剖面明显比常规相干对断层的反映要清晰，同时断层的连续性、精细程度等都更加丰富饱满。

基于原始地震数据分别进行常规与自适应相干处理后，对两种相干方法地震数据体进行了时间切片对比。图5为常规相干及自适应相干同一时间的切片，图5中蓝色圈内，图5(a)中模糊一片，只能隐约看到一组东北-南西向断层，很难识别内部断层，而图5(b)中相同位置，能较清晰地看到断裂内部小断层的平面展布，圈内上侧为近东西向小断层，中间呈北东-南西多条小断层，边界及延伸尺度清晰，整体由上到下(北东-南西)呈一组扫帚状小断裂展布。图5中红色圈内同样效果明显，图5(a)中红色圈内的常规相干切片中，中部基本显示为一条近北西向断裂，在图5(b)相同位置，自适应相干切片上红色圈内中部位置，在近北西向断层的东西两侧，显现出两条近北东向小断裂，分析认为这两条断层为构造转换断层。

图4 常规与自适应相干剖面对比Fig.4 Conventional and adaptive coherence section comparison(a)常规相干剖面；(b)自适应相干剖面

图5 常规与自适应相干切片对比Fig.5 Conventional and adaptive coherent time slice comparison(a)常规相干时间切片；(b)自适应相干时间切片

整体上对比来看，常规相干切片相对模糊，只能识别大断裂，大断裂的伴生小断裂基本模糊一片，难以识别。自适应相干切片清晰，能清楚地刻画出小断裂的走向、展布，对断层的解释及组合能起到很好的参考作用。从切片上看，该区块主要断裂近东西向展布，次要断裂近北东向展布，两组断裂主要交汇于区块中部，与该区构造背景基本一致，即区块中部处于构造应力枢纽部位。

综合剖面与切片的两种相干体的对比，自适应相干比常规相干反映的断层清晰、聚焦，小断层的识别能力、精细程度、细节的丰富程度都更高。

4 地震与相干数据融合

为了从剖面上解释断层更为直观，实现断点在地震资料上的准确归位，对自适应相干数据体与地震数据体进行了数据融合。融合方法有多种，常用的有比例融合(相干数据与地震数据按一定的比例形成成融合数据)和双色融合(两种数据通过色彩叠加进行效果显示)。为了使融合效果明显，在研究区创新了一种新的方法，首先对相干数据进行雕刻镂空处理，即对相干数据中相似性高的数据进行镂空处理，只留下相似性差的数据(断层数据)，然后在和地震数据进行合并叠加处理(函数表达式为：当相干数据不为空值时读取相干数据，当相干数据为空值时读取地震数据)，该方法研究组定义为函数融合。从数据融合效果来看，对断层解释的参考更为直观，也更有利于对类似地区复杂断裂的精细刻画。

剖面(图6)中的深色条带，大角度、延伸长的基本是断层的表现，和图2剖面中的可识别断层完全吻合，大角度、延伸短的为微小断层表现，在正常剖面中(图2)难以识别，其倾向基本与断层一致或呈锐角斜交，平面上(图5(b))走向与可识别断层基本一致，符合该区应力规律。

剖面中(图6)大角度、延伸短呈扁豆状深色斑点，推测为裂缝。在最近的钻井中得到了证实，该区块在新测井中增加了超声成像测井，图7左侧为过剖面(图6)的一口新井成像测井，图中蓝色方框为成像测井段，图中蓝色箭头所指空白区为裂缝，该裂缝呈扁豆状，与融合剖面中(图6)预测裂缝基本吻合。

图6 融合剖面Fig.6 Fusion section

图7 融合剖面与成像测井Fig.7 Imaging logging & fusion section

5 结论

通过在X区块应用自适应窗口相干技术，及与常规固定窗口相干技术得到的相干体对比，无论断裂的清晰度还是细节的表现都有明显地改善。

精细的断裂刻画是高精度储层预测的重要部分，对油田开发部井也非常关键。因此，该技术有助于推动油田区块综合解释的精度，对开发井的注采部署提供借鉴。