地质模式约束的断层破碎带内部结构地震识别——以东营凹陷樊162井区为例

杜 凯 林承焰*② 马存飞② 任丽华② 梁书义 张宗轩

(①中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580； ②山东省油藏地质重点实验室，山东青岛 266580； ③胜利油田东胜精攻石油开发集团股份有限公司，山东东营 257000)

0 引言

在传统构造图的成图过程中，通常将断层作为一个二维面而很少考虑断层的内部结构，难以满足油气开发的需求。曾有学者[1-4]提出断层包络体概念，认为断层包络体具有断层核和破碎带的二分结构。宋到福等[5]提出了断层相的概念。Kim等[6]定义围岩破碎带为分布在断层滑动面两侧的裂缝发育区，裂缝密度随着与断层滑动面距离的增加而逐渐减小，围岩破碎带宽度随着断裂的断距和走滑位移的增大而增大。金强等[7]认为断层破碎带主要包括断面充填物和派生裂缝，两者可以沿断面对称分布或不对称分布，通过测井曲线可对断层破碎带进行分区。

在利用地震资料识别断层破碎带的过程中，Kolyukhin等[8]基于经验数据的三维断层带模型对断层破碎带进行正演模拟，认为利用地震资料提取断层带构造信息的方法是可行的。Botter等[9]同样通过正演模拟的方法，证明了在高频情况下(30Hz或更高)地震属性(如振幅、张量等)与断层破碎带结构存在相关性。万效国等[10]利用地震资料对塔里木哈塘地区断层破碎带进行了解释。在常规断层、裂缝的地震资料解释方面，国内外已经总结了很多方法[8-9,11-17]，如使用相干、曲率等属性识别断层、裂缝等。全频带相干属性适用于识别尺度较大的断层，而对较小尺度的裂缝等地质细节敏感性较差。因此，可以利用频谱分解技术，将地震数据分为不同频段的单频体，低频相干属性反映了大尺度的断层特征，而高频相干属性反映了一些小尺度的裂缝细节[14-15]。曲率属性广泛应用于裂缝识别，在多个地区获得了较好的应用效果[16,18-20]。

在油气成藏过程中，断层既可以作为油气通道又可以阻碍油气的运移[21]。在油田注水开发过程中，断层可以与附近发育的斜交裂缝相互连通构成断裂—裂隙网络[22]。因此研究断层破碎带内部结构、识别断层核部及诱导裂缝带的分布特征，可以帮助评估断层破碎带地下流体的流动效果。为此，本文基于中国东部含油气盆地断层破碎带地质模式，通过地震正演模拟方法，利用地震多属性综合识别断层破碎带内部结构，以确定断层核部与诱导裂缝带分布范围，为油气开发提供指导。

1 识别方法

基于地质模式约束的断层破碎带内部结构识别流程如图1所示。

(1)根据岩心资料统计裂缝参数，建立断层破碎带地质模式。

(2)在地质模式的指导下，依据测井资料研究垂向断层破碎带变化范围以及相应速度变化趋势，通过正演模拟分析断层核部与诱导裂缝带的地震响应特征，确定合适的层位追踪方法。

(3)选取对断层和裂缝敏感的地震属性识别断层破碎带内部结构。在地质模式的指导下对属性平面、剖面图进行解释，分析不同的属性对断层破碎带内部结构的识别效果。

(4)总结有效识别方法，确定断层破碎带内部结构。

2 研究实例

2.1 研究区概况

樊162井区位于东营凹陷博兴洼陷大芦湖油田东南部，区域应力以近南北向伸展为主，同时右旋张扭。在控洼断层作用下，发育一系列北东东向和近东西向的向盆内倾的正断层。

2.2 断层破碎带地质模式

断层破碎带主要分为断层核部、诱导裂缝带和原状地层带。断层核部位于断层破碎带中心，承担着主要的断层活动，是在一定岩石体积内复杂的、成组交叉排列的断层滑动面和相应地质体的组合[23]。它是断层的主要滑动部位，是应力最大、最集中的部位。据樊162井区岩心资料可知：断层核部发育大量棱角状断层角砾岩和细粒碎屑岩；广泛发育微裂缝且裂缝规模大；裂缝被白云石全充填且白云岩化。诱导裂缝带位于断层核部与原状地层之间，带宽变化较大，通常几米至几百米；内部发育大规模裂缝，充填类型为半充填，白云石充填。诱导裂缝带可见白云岩化，向两侧断裂作用、白云化作用逐步减弱。断层附近的原状地层带，无明显构造变化，未见断层角砾，无明显裂缝发育，弱白云岩化或无白云岩化(表1)。因此，从构造和成岩的角度建立断层破碎带地质模式如图2所示。

图2 樊162井区断层破碎带地质模式

2.3 断层破碎带地震正演模拟

地震正演模拟有助于描述地震资料无法分辨的地质体[24]。根据樊162井区断层破碎带地质模型进行正演模拟，并与无断层破碎带的模型正演结果、实际地震资料进行对比(图3)。断层破碎带模型中不同条带的速度变化趋势由声波测井资料确定，由断层核部向原状地层带速度依次减小；在诱导裂缝带至原状地层带的过渡中，裂缝密度以及围岩速度逐渐接近原状地层带，在交接处相同。断层核部宽度设计为5m，两侧裂缝带范围为15～20m。利用有限差分法模拟地震波在断层带中传播，采用与实际地震资料相同的30Hz主频、25m道间距。与实际地震资料(图3c)对比表明，在上、下盘地层稳定波形之间有两个道间距范围的波形较杂乱(图3c中蓝线所示范围)，这与具有破碎带断层模型的正演结果(图3b右蓝线所示范围)相似，即研究区目标断层具有断层破碎带。

表1 樊162井区断层破碎带特征

图3 正演模拟结果对比(a)无破碎带断层模型(左)及正演结果(右)； (b)具破碎带断层模型(左)及正演结果(右)； (c)实际地震剖面

断层核部速度：角砾岩为4380～4420m/s,裂缝充填物为4280～4330m/s，其他区域为4400m/s； 诱导裂缝带速度：黄色区域由4250m/s渐变至4200m/s,蓝色区域由4295m/s渐变至4250m/s,紫色区域由4330m/s渐变至4300m/s,带内裂缝充填物为4280～4330m/s

为了进一步研究断层破碎带的地震响应特征，选取不同的主频、道间距参数进行正演模拟，结果如图4所示。由此可得以下几点认识。

(1)道间距越减小，断层破碎带的细节越清晰(图4a、图4d、图4g)。随着道间距的增大，断层破碎带地震反射特征向无破碎带断层接近(图4g、图3a)。

(2)随着频率的增高，断层破碎带的细节越来越清晰(图4a～图4c)。在低频情况下，由于地震子波波长较长(相位宽)，断层破碎带的波形囊括了断层核部及诱导裂缝带的信息，因而难以对两者进行区分(图4a)。此时，断层破碎带的波形中相位主要受断层倾角的影响，振幅受断层核部和诱导裂缝带两者内部岩性的共同影响。随着频率的增高(图4b、图4c)，断层核部与诱导裂缝带的波形得到一定程度的分离，其中断层核部波形中相位主要受断层倾角影响，振幅受核部内部岩性影响；诱导裂缝带波形中相位受内部裂缝的影响，振幅受裂缝带内部岩性的影响。

(3)在不同频率地震剖面上断层地震响应特征不同。在主频20、30Hz地震剖面上，断层处的波形变化主要表现为由上、下盘地层滑动造成的相位变化，诱导裂缝带波形变化特征不明显(图4d、图4e)。在50Hz地震剖面上，除地层滑动造成的相位变化外，断层核部振幅减弱，诱导裂缝带振幅变强，相位略有变化(图4f)。

如上所述，断层破碎带地震响应特征在不同频率地震资料上不同，振幅、相位会出现变化，因此采用以分频相干属性为主，结合其他地震属性相互验证、补充的方法，对断层破碎带内部结构进行刻画。

图4 断层破碎带不同主频、道间距正演模拟结果主频、道间距分别为： (a)20Hz、15m； (b)30Hz、15m；(c)50Hz、15m； (d)20Hz、25m；(e)30Hz、25m； (f)50Hz、25m； (g)20Hz、35m； (h)30Hz、35m； (i)50Hz、35m

2.4 断层破碎带层位追踪方法

在常规断层解释时，通常以线条代表断层所在位置，层位追踪至该线条所在的位置作为断点。而根据断层破碎带模式，考虑断层破碎带具有一定宽度，因此需要建立相应的层位追踪方法。

根据正演模拟地震剖面，断层破碎带上、下盘的第一个稳定的波形为断层破碎带的边界(图5b中A、B点)，即以上、下盘稳定波形的点作为断层破碎带的边界，其内部层位采用插值连接(图5a中AB连线)。该方法所追踪的层位穿过断层核部与诱导裂缝带，帮助确定断层破碎带的分布范围。

图5 断层破碎带层位追踪方法(a)实际地震剖面； (b)正演模拟地震剖面。主频为30Hz，道间距为25m

2.5 断层破碎带内部结构多属性综合识别

首先对地震资料进行构造导向滤波处理以降低噪声[25]。由前述可知，分频相干属性可用于断层破碎带内部结构的识别。断层核部由于散射作用导致振幅能量减弱[26]，因此本文以瞬时振幅属性作为识别断层破碎带内部结构的辅助属性。曲率属性对于裂缝发育区的识别效果优于分频相干属性和瞬时振幅属性，因此综合利用分频相干属性、曲率属性及瞬时振幅属性对断层破碎带内部结构进行识别。

2.5.1 剖面识别

分频相干体可用于不同尺度断层的刻画，本文选取20、30、50Hz的相干体属性(图6)。由图可以看出，随着频率的升高，断层破碎带附近的相干性减弱，由一条线逐渐变为具有一定宽度的面。根据地质模式，低频相干属性主要反映断层核部，而高频相干属性可用于识别断层破碎带的分布范围。因而利用不同频率的相干属性，辅以RGB融合技术用于刻画断层破碎带内部结构。如图7a所示，黄色条带为低、中频相干属性融合，主要反映大尺度断层；品红色为低、高频相干融合，主要反映较大断距断层或断距较小的断层或裂缝；青色部分为中、高频相干融合，主要反映断距较小的断层或裂缝。青色区域和呈面状(非条带状)分布的品红色区域主要为诱导裂缝带，而呈条带状分布的黄色和红色区域主要为断层核部。

断层核部由于散射作用导致振幅能量减弱[26]。由图7b可见，振幅能量较弱的条带状区域为断层核部所在位置。

图6 断层破碎带分频相干属性剖面(a)20Hz； (b)30Hz； (c)50Hz

同时，曲率属性可对断层破碎带边界和裂缝发育区进行识别，由图7c可见，黑色区域为断层破碎带位置。但是断层破碎带内部的曲率值差异较小，因而仅利用曲率属性难以划分断层核部与诱导裂缝带。

图7a～图7c红色圆圈处具有较高的曲率值和较低的相干值，瞬时振幅属性也存在变化，推测为诱导裂缝带发育的区域。黑色圆圈处与此相反，推测为诱导裂缝带范围较小或者不发育。

2.5.2 平面识别

仅利用地震剖面难以准确识别断层破碎带及内部结构，因此需要参考、结合平面地震属性。如图8所示，断层破碎带的宽度随着频率的增高而增大。由20、30、50Hz的相干属性RGB融合及瞬时振幅、曲率属性识别断层破碎带范围及内部结构。

分频相干RGB融合平面属性图上(图9a)，红色及线条状的黄色区域为低中频相干反映的断层核部区域，青色及成面状分布的黄色区域为中、高频反映的诱导裂缝带区域，白色区域代表原状地层带的范围。据此对分频相干RGB融合的平面属性进行解释。

瞬时振幅属性中断层核部主要为由于散射作用导致的低振幅区域，即图9b中红色区域，整体呈一个道间距宽度的线条状分布。诱导裂缝带为围绕断层核部相对低振幅的绿色面状区域。原状地层带即为外侧蓝色高振幅区域。瞬时振幅平面属性与分频相干RGB融合平面属性对内部结构的解释结果基本吻合，略为不同的地方可互为补充。

曲率平面属性(图9c)中高曲率值区域为断层破碎带发育的区域(呈面状，非条带状)，与低曲率值的原状地层之间有较为明显的界面。

图9a～图9c红色圆圈中推测为诱导裂缝带发育的位置。而黑色圆圈中的黄色条带状为中低频相干融合(图9a)；图9b中也为条带状弱振幅，图9c中曲率值也相对较小，推测该区域为诱导裂缝带区域较窄或不发育区。

2.5.3 识别方法总结及结果

综上所述，可以总结断层破碎带内部结构识别方法如表2。

表2 断层破碎带内部结构识别方法

通过本文方法识别了樊162井区断层破碎带内部结构(图10)。红色区为断层核部，成细条带状延伸，振幅能量弱，在地震频带范围内相干性较差，为一个道间距。黄色区为诱导裂缝带，主要围绕断层核部分布，由于存在大量裂缝造成波形变化，振幅能量较弱，在高频时相干性较差，其宽度受多种因素的影响，宽度为2～3个道间距，在地震分辨率尺度内可解释为诱导裂缝带区域。紫色虚线区为断层破碎带的边界位置。断层破碎带与原状地层带之间在岩心上并没有明显的界线，是一个渐变的过程；在地震资料上受制于分辨率与道间距的影响，会有较明显的界线，在断层解释时可以以波形第一个变化的点作为该界线。白色区为原状地层带区域，由于只发育少量裂缝或者不发育裂缝，能量的大小主要与地层波阻抗差有关，相干性较好。

图9 断层破碎带属性平面(左)及解释结果(右)(a)分频相干RGB融合； (b)瞬时振幅； (c)曲率

图10 樊162井区断层破碎带内部结构识别结果(a)剖面解释模式； (b)平面解释模式

2.6 断层破碎带对于油气勘探开发的意义

断层破碎带对于油气勘探开发的影响具有双重性。

在断层侧向封闭性上，通常利用“两盘砂泥对置则断层封闭，两盘砂岩对置则断层开启”原则判断。通过断层破碎带内部结构的识别，可以建立“储层—断层破碎带—储层”的对接模式以分析其横向封闭性[7]。樊162井区岩心资料揭示，不论诱导裂缝带的优势裂隙封闭性如何，断层核部多为白云石全充填，进而会起到封闭的作用，在这种情况下，断层两盘即使“砂砂对置”，两侧砂岩之间依然不连通。

在垂向封闭性上，裂缝发育提高了断层的垂向渗透性，成为断裂活动时期油气运移的主要通道。断层停止活动后，这些优势裂隙开启的程度决定了断层垂向封闭性[21]。由于樊162井区断层核部多为白云石全充填，在分析垂向封闭性时可将研究重点放在诱导裂缝带。观察诱导裂缝带内部是否开启或封闭，主要取决于后期成岩及充填作用。在靠近断层核部的区域，裂缝密集，裂缝之间形成连通体，但此时由于裂缝多被白云石填充，故多数是封闭的；在远离断层核部区域，裂缝稀疏，尽管充填程度较低，但本身难以构成有效的连通体。即断层破碎带在该区主要起封闭作用。

3 结论

(1)基于断层破碎带地质模式的正演模拟结果表明，以往认为的断层实际包括核部及诱导裂缝带两部分。实际地震资料中断层处的波形变化是由诱导裂缝带和断层核部共同影响所致。小道间距地震资料对断层破碎带内部结构的识别效果更好，大道间距断层破碎带波形逐渐向无断层破碎带接近。断层核部在多个频带范围内地震响应明显。诱导裂缝带的波形受频率的影响较大，在低频情况下由于波长较长(相位变宽)，易被断层核部影响，在高频情况下诱导裂缝带的波形不受断层核部波形的影响。诱导裂缝带对地震反射振幅和相位产生一定的影响。

(2)断层核部的地震反射能量弱，在地震频带范围内相干性较差，成细条带状延伸。诱导裂缝带内由于裂缝密集，地震反射能量较弱；在高频时相干性较差，主要围绕断层核部分布。断层破碎带的边界位置主要通过高频相干与曲率属性进行界定，在断层解释时可以以波形第一个变化的点作为该界限。原状地层带由于不存在裂缝或者存在少量裂缝，地震反射能量的大小主要与地层波阻抗差有关，相干性较好。

(3)利用曲率、高频相干属性可对断层破碎带边界进行识别；利用低频相干、瞬时振幅的低值区可对断层核部进行识别；利用曲率高值区、高频相干与低频相干的差异区以及瞬时振幅的相对低值区可对诱导裂缝带进行识别。