基于绕射波的碳酸盐岩储层缝洞识别方法及应用

谢 玮，毕臣臣，胡华锋，马永强，马灵伟，姚 铭

(1.中国石化石油物探技术研究院，南京 211103；2.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083)

在塔里木盆地北部地区，奥陶系碳酸盐岩地层是重要的勘探层系。在构造作用和溶蚀作用下，深大断裂以及次级断裂带附近的碳酸盐岩地层，会形成一定的溶洞和裂缝，为缝洞型油藏提供了重要的油气储集空间[1-2]。因此，深大断裂具有控储控藏的特征[3]。碳酸盐岩地层中的缝洞具有形态多样性、规模多尺度性和空间非规则性，从而使得缝洞体的地震响应表现出复杂的绕射波特征[4]。

对于缝洞型油藏的地震识别，主要集中在断裂、裂缝和溶洞的刻画[5-6]。对于断裂的识别，可以基于地层反射信息进行相邻道的相似性计算，例如相干体属性、最大似然体属性等[7]。由于裂缝和溶洞的尺度较小，其产生的弱能量绕射波被淹没在强能量反射波中。因此，利用绕射波信息来识别裂缝和溶洞，需要将绕射波从强能量反射波中分离出来[8]。

对绕射波进行分离，首先利用反射波与绕射波的差异，在全波场信息中压制强能量的反射波，从而分离出裂缝和溶洞等缝洞体产生的绕射波场，然后再进行绕射波的成像[9]。根据反射波和绕射波存在传播角度的差异，Moser等[10]提出了反稳相Kirchhoff偏移成像方法。基于反射波和绕射波在倾角域共成像点道集上的差异，Landa等[11]实现了绕射波的分离。Zhu等[12]利用反射波与绕射波在局部成像矩阵中的差异，提出了基于局部成像矩阵的绕射波叠前偏移成像技术。朱生旺等[13]基于平面波分解方法，从叠前道集中分离出了绕射波信息。赵惊涛等[14]、徐德奎等[15]结合平面波破坏滤波与均值滤波，计算出波形、振幅稳定的反射数据，然后由地震数据减去预测出的反射波，实现了绕射波的提取。现利用基于平面波破坏滤波和均值滤波的绕射波分离方法，分别对塔里木盆地北部塔河地区和顺北地区的实际地震资料进行绕射波分离，然后结合相干体属性、最大似然体属性对溶洞、断裂和裂缝进行识别。

1 绕射波分离方法

1.1 平面波破坏滤波基本原理

平面波破坏滤波主要通过平面波的形式来分解地震数据[15]。局部平面波表示为

(1)

式(1)中：u(x,t)为波场函数，x为横向坐标，t为时间；p为连续时空域的局部倾角。

对于离散采样的地震记录，可以将空间倾角定义为横向坐标与时间的函数，因此可以用函数来表示相邻地震道之间的关系，对该函数进行Z变换，即

(2)

V(p,Zx,Zt)U(Zx,Zt)≈0

(3)

式(3)中：V(p,Zx,Zt)为倾角p的函数。为了获得地震数据的倾角p，采用高斯-牛顿线性迭代法来求取式(3)的最小二乘解，过程为

V′(p0)Δpu+V(p0)u≈0

(4)

式(4)中：p0为初始倾角；Δp为倾角增量；V′(p0)为滤波器算子V(p)对Δp的偏导数。

1.2 均值滤波与绕射波的提取

在碳酸盐岩储层当中，大套地层分界面的地震反射特征稳定且相关性较强，而缝洞体具有相关性较弱的反射特征。因此，沿倾角方向进行均值滤波可以从地震数据中提取出平面波信息。均值滤波原理如下。

对于地震数据的第j道，求取该道及其两侧N道的平均值为

(5)

式(5)中：aj(i)、ak(i)分别为第j道和第k道的第i个样值点；nt为采样点数。利用式(5)对地震数据的每一道进行处理，得到沿倾角体均值滤波之后的平面波信息。再从地震数据中减去平面波信息，就可提取出绕射波信息。

2 裂缝和断裂识别属性

2.1 相干体属性

相干体属性是一种基于相邻地震道之间波形相似性的属性，通常用来表征地层的横向非均匀性[16]。基于本征结构的相干体属性，采用多道特征分解技术对多道地震协方差矩阵进行分解，得到矩阵的特征值和特征向量。

对于给定的地震数据矩阵：

(6)

式(6)中：d为地震数据；j为分析时窗；N为采样点数。式(6)的协方差矩阵C为

(7)

式(7)中：DT表示矩阵转置。基于本征结构的相干值EC为

(8)

式(8)中：λj为特征值；λ1表示最大特征值；rank(C)为协方差矩阵C的秩。

2.2 最大似然体属性

最大似然体属性(likelihood)是一种基于地震相似性Semblance的断裂增强属性[7]。Semblance属性反映了地震道之间反射特征的相似性，数值范围为0～1，公式为

(9)

式(9)中：d为地震数据；(·)s表示构造导向平滑；(·)f表示沿断裂走向和倾向的滤波，用于稳定计算过程。

为了凸显断裂的非相似性，Likelihood属性对Semblance属性的相似性进行了放大，即

Likelihood=1-Semblance8

(10)

Likelihood属性表示断裂发育的可能性，数值范围为0～1。断裂发育的地方，相似性Semblance属性变小，Likelihood属性变大。

3 实际资料应用

塔里木盆地北部中奥陶统碳酸盐岩与上奥陶统碎屑岩之间物性差异较大，在地震剖面上表现为T74强反射界面[17]。中奥陶统内幕储层的溶洞、裂缝储集体非均质性较强，表现为绕射波特征。为此，利用平面波破坏滤波技术，从全波场数据中分离出绕射波，然后利用绕射波进行断裂和缝洞识别。

3.1 溶洞识别

选取塔河地区的实际资料进行基于绕射波的溶洞识别试验，结果如图1所示。图1(a)所示为塔河地区实际资料中基于全波场信息的成像结果。图中黄色曲线为中奥陶统一间房组顶面T74层位，该层位下的缝洞体具有明显的绕射波特征，并且弱信号绕射波被强能量反射波掩盖。为此，进行绕射波与反射波分离。图1(b)、图1(c)所示分别为反射波能量保留50%、25%的成像结果。图1(d)所示为反射波完全分离之后的绕射波成像结果。从图1可以看出，在有效压制强能量反射波的同时，有效凸显出了淹没在反射波中的高分辨率绕射波。对比图1(a)与图1(d)可以看出，绕射波剖面能更好地反映溶洞发育情况，说明了绕射波在溶洞刻画上的优势。

图1 塔河某测线地震剖面

3.2 裂缝和断裂识别

选取顺北地区的实际资料进行基于绕射波的断裂识别试验，结果如图2所示。图2(a)所示为顺北地区实际资料的全波场成像结果，图中黄色曲线为中奥陶统一间房组顶面T74层位，可以看到T74层位以下杂乱异常反射。对图2(a)所示的剖面进行绕射波分离，结果如图2(b)、图2(c)所示。其中图2(b)为反射波能量保留25%的成像结果，图2(c)所示为反射波完全分离之后的绕射波成像结果。从图2可以看出，T74以及深层5.2 s附近的强能量反射波被压制后，凸显出了高分辨率的绕射波。其中，图2(a)全波场剖面的反射波连续性较好，主要断层清晰可见，并且地下河道特征明显；图2(c)的绕射成像剖面横向连续差，更多地反映细节信息；而图2(b)保留部分反射波信息的绕射剖面能够兼顾反射波的连续性和绕射波数据的细节性。

为了进行断裂的识别，对图2所示的地震剖面提取相干属性，并将相干属性与对应的地震剖面进行叠合显示，结果如图3所示。图3(a)中相干属性能够很好地反映大尺度断裂和河道特征。而在图3(b)、图3(c)中，相干属性剖面较为模糊，无法充分利用绕射波信息来清晰地反映断裂特征。因此，相干属性只起宏观指导作用。

图2 顺北某测线地震剖面

图3 地震剖面与相干体属性

为了充分利用绕射波信息来清晰地反映断裂特征，对图2的地震剖面提取了最大似然属性，结果如图4所示。相比于模糊的相干属性剖面，最大似然属性剖面更加清晰、干脆。图4(a)、图4(b)中最大似然属性即能够很好地反映大尺度断裂和河道特征，也能够刻画出T74层位以下的小断裂和裂缝，图4(c)中反映的是小断裂和裂缝。

通过以上实际资料的应用表明，绕射波信息能够反映小尺度的断裂、裂缝特征。在反射波控制宏观格局前提下，提取的绕射波和对应的最大似然属性可以作为一种辅助资料，帮助地质人员研究小尺度断裂和裂缝。

4 结论

(1)通过对塔河地区的实际资料进行绕射波分离，凸显了淹没在强能量反射波之中的高分辨率绕射波信息。绕射波剖面能够更好地反映溶洞的发育情况，说明了绕射波在溶洞刻画方面的优势。

(2)顺北地区实际资料的全波场剖面反射波连续性较好，主要断层清晰可见，并且地下河道特征明显；绕射波剖面横向连续差，更多地反映细节信息；而保留部分反射波信息的绕射波剖面能够兼顾反射波的连续性和绕射波数据的细节性。最大似然属性能够充分利用绕射波信息来清晰地反映小断裂和裂缝特征。

(3)实际资料应用表明，绕射波信息携带高分辨率地质信息，能够突出溶洞、小尺度断裂和裂缝特征。在反射波控制宏观格局前提下，提取的绕射波和对应的最大似然属性可以作为一种辅助资料，帮助地质人员研究小尺度断裂和裂缝。