致密气已成为全球非常规天然气勘探开发的重要领域之一^[1], 在致密砂岩储层的勘探开发过程中, 断裂系统刻画和裂缝发育描述具有重要的研究意义。以鄂尔多斯盆地致密气储层为例, 致密砂岩中发育的断裂系统通常断距小、小尺度尖灭点丰富、小断块发育, 有些地质体的尺度接近一个地震波长或小于一个波长, 准确描述这些特殊构造位置的构造细节对断裂系统分析和储层精细刻画至关重要。

常规地震勘探主要以反射波勘探为主, 反射成像主要利用的是镜面反射原理, 其分辨率受镜面反射波长和菲涅尔带半径约束, 对小尺度地质异常体探测能力较弱。基于相干和方差体的断层识别方法通常利用地震资料中的强信号, 受地震资料分辨率的限制无法有效识别断距较小的断层。研究表明, 地震数据中的绕射波发育常常与小尺度地质体有关, 且具有较高的分辨率, 是精细描述小尺度地质异常体的一个重要研究方向^[2]。

叠前道集中包含丰富的绕射信息, 利用叠前绕射信息提取方法可以较好地保留绕射波场, 目前已经开发出了基于奇异谱分析^[3]、基于倾角成像道集^[4-6]和平面波分解^[7]等的绕射波分离技术。由于绕射波对断点、弱能量信息等反应较为敏感, 已经被广泛应用于断层分析^[5]、储层描述^[8-11]和盖层分析^[12]等。近年来, 陈明政等^[13]应用局部倾角滤波与预测反演联合的绕射波分离技术, 进行了碳酸盐岩地震储层预测方法的研究, 得到了较好的效果; 徐德奎等^[14]和李晓峰等^[15]利用平面波破坏方法进行绕射信息提取并成像, 通过实际资料验证了绕射波成像结果在断裂识别中的应用效果; 李继光^[16]基于绕射与反射分离技术, 通过共散射点道集的等效偏移距叠前时间偏移实现绕射波成像, 并在河道砂体储层预测中取得了应用效果。

但是叠前波场提取效率较低, 同时由于叠前地震波场信息丰富, 提取过程中会将大量噪声带入到提取的绕射波场中, 使绕射分析难度加大。虽然常规处理流程针对反射波成像, 对绕射波场有一定的压制作用, 但是赵惊涛等^[17-18]研究发现, 在保幅偏移数据体中, 地震叠后数据中依然存在有效的绕射信息, 残留的绕射信息能够很好地反映特殊构造(溶洞、断层、断裂系统等)的空间位置及构造规模等重要信息^[18]。并且, 叠后数据绕射波提取比叠前提取耗用机时少, 成本低, 计算效率高, 更利于推广到实际生产中。

叠后绕射波提取思路主要是通过识别绕射波的叠加或偏移后振幅、相位特征与反射波的差异性, 进行绕射信息分离。人们已经开展了基于核主成分分析(KPCA)^[19]、平面波分解、中值滤波和稀疏反演^[20]等的叠后绕射信息提取方法研究。基于叠后绕射信息的储层预测方法已经在裂缝-孔洞型油藏得到应用^[18], 舒梦珵等^[21]利用绕射属性开展了潜山裂缝型油气藏描述研究。

目前的绕射波技术尚未应用于致密砂岩的断裂系统刻画, 本文探索了基于中值滤波技术绕射信息提取方法在致密砂岩断裂刻画中的应用, 在保幅偏移地震数据体上应用叠后绕射信息提取数据, 得到更加清晰的断点和断层信息; 叠后绕射信息提取会引入部分噪声信息, 为了保证绕射信息的可靠性, 充分利用边缘的空间相关性, 本文进一步利用绕射特征增强技术, 直观地描述断裂系统的发育情况, 实现叠后高精度断裂体系识别处理, 最终明确断裂体系纵向和横向分布特征。

中值滤波^[22]的原理是将序列或数字图像中一点的值, 用该点邻域中各点值的中值来替代。中值的定义如下。

若x₁, x₂, …, x_n为一组序列, 先将其按大小顺序排列为:

式中:x_i1, x_i2, …, x_in为序列x₁, x₂, …, x_n按照大小排序的结果。则该序列中值y为:

对于二维数据空间I, 设数据为{x_{m, n}, (m, n)∈I²}, 滤波窗口为A, y_{m, n}为窗口A在x_{m, n}点的中值, 则:

式中:r和s分别表示窗口A的大小。

反射信息分布在局部光滑波前上, 振幅变化较为缓慢。由绕射响应函数衰减特征可知, 绕射振幅、波形沿绕射走时曲线变化很快。经偏移处理后, 绕射能量残留在端点成像位置的一定区域内。

反射成像结果的波形、振幅稳定, 空间相关性相对较好。中值滤波技术已经被用于反射信息的预测, 当中值滤波窗口完全位于反射同相轴上时, 反射信息可完全被预测出来(图 1); 当图 1所示的中值滤波窗口一端位于反射轴上, 一端位于端点成像干涉带内时, 绕射响应在端点附近振幅和相位的变化均较快, 通常为非线性变化, 所以, 经中值滤波后, 这些绕射信息难以预测。越接近端点, 不能预测的绕射残留能量越多。

图 1(Fig. 1)

图 1 端点绕射干涉带内中值滤波示意[17]

由上述分析得出, 首先对地震数据进行倾角估计, 沿着估计出的倾角进行中值滤波, 可以实现反射信息预测, 由绕射产生的振幅、相位相对不稳定的区域由于接近断点, 有能量残留, 因此可以被分离出来, 该方法能够分离出非均质地质体产生的绕射信息。该方法分离出的波场同样带有部分噪声, 由于由断裂系统产生的边缘绕射通常在空间上具有一定的相关性, 充分利用该空间相关性特征, 采用绕射特征增强处理, 可以得到较直观可靠的绕射波分析结果。

根据以上分析, 本文给出了基于中值滤波技术的绕射信息提取技术流程。

1) 首先对叠后数据D(x, y, z)进行倾角扫描, (x, y, z)表示网格点位置, 确定得到倾角数据体D_ip(x, y, z)。

2) 确定时窗A(r, s, t)(r, s, t为空间三维方向的时窗长度), 在地震数据体上每点(m, n, k)沿着估计的倾角D_ip(m, n, k)进行中值滤波, 由于反射信息具有空间可预测性, 当中值滤波窗口内同时包含绕射信息时, 绕射信息难以预测, 以此实现反射信息预测R(m, n, k)。

3) 最后由叠后数据减去预测出的反射数据, 就可以提取出绕射残留能量D_f(x, y, z), 得到绕射点位置及其相应的能量。

4) 基于边缘绕射在空间的连续性, 进行绕射特征增强处理。本文将局部Radon变换应用于绕射波成像结果, 通过边缘绕射在空间上的连续性, 获得更加直观的绕射波属性信息, 该过程类似于基于Radon变换的数据插值处理。具体算法如下。

① 确定时窗, 选择时窗内地震数据;

② 对时窗内地震数据, 进行Radon变换;

③ 在Radon域, 选取合适阈值, 保留在Radon域较为聚集的能量点, 这些地方说明绕射波具有一定空间相关性, 进而确定主要绕射点的主要延伸方向;

④ 进行Radon反变换, 通过反变换, 具有空间相关性的绕射特征得到增强。

实际资料来自鄂尔多斯神府栏杆堡区块。研究区块位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡上, 紧邻晋西挠褶带。神府区块构造演化主要分为下古生界坳陷、石炭系-三叠系坳陷两个阶段, 经历石炭系本溪组沉积前和第四系沉积前两期剥蚀, 最后受喜山期构造运动影响, 形成现今的构造格局。区内构造形态从深到浅具有较好的继承性, 构造简单, 主要表现为北东向展布的单斜, 在斜坡背景上发育多个低幅度背斜和鼻状构造。

研究区从奥陶系至二叠系发育多套致密砂岩储层, 致密砂岩储层内部的连通性是制约储层发育的关键因素。岩心分析可知, 储层内部多发育小尺度裂缝, 常规的地球物理储层分析方法无法有效识别微裂缝系统的空间展布规律。

将本文方法用于该工区地震资料, 处理并提取绕射信息, 图 2为常规反射波剖面, 图 3为绕射波属性剖面, 由图 3可以较为清晰地看到连续的绕射波发育带, 绕射波能量分布区对应了工区内主要储层目标段。

图 2(Fig. 2)

图 2 常规反射波剖面

图 3(Fig. 3)

图 3 绕射波属性剖面

对绕射特征进行增强处理(图 4), 突出了绕射信息的空间相关性, 对产生边缘绕射的地质体进行了较为清晰的刻画。将该结果与基于反射波的曲率属性(图 5)进行对比, 可以看出, 本文方法能够反映更多的构造细节, 对断层的刻画更加清晰。绕射信息增强剖面准确地描述了断层的空间分布情况, 尤其是对于反射波断层形态不清的区域, 有较好的响应。

图 4(Fig. 4)

图 4 绕射波属性增强剖面

图 5(Fig. 5)

图 5 基于反射波的曲率属性剖面

进一步利用平面图进行应用效果对比。图 6为研究区主要储层顶部反射波数据相干平面图, 通常基于反射波数据的属性体能够较好地刻画出储层段大级别断裂系统的分布特征。图 7为本文方法得到的储层顶面绕射波属性平面图, 可以看出, 绕射波数据消除了大级别断层的波场特征, 更好地突出了小级别断裂系统的特征。图 7显示出在工区的中部伴随南北向大型断层, 发育有南北向分布的小级别裂缝系统。由图 7还可以看出, 在工区的南部, 主断裂勾通了一个较为发育的南北向小尺度断裂系统, 而在反射波相干平面图上无法反映出此断裂系统的空间分布特征, 说明了本文方法的优越性。

图 6(Fig. 6)

图 6 储层顶面反射波相干平面

图 7(Fig. 7)

图 7 储层顶面绕射波属性平面

本文将基于中值滤波技术的绕射信息提取方法应用于鄂尔多斯盆地致密砂岩储层的断裂系统刻画, 可靠、直观地获取了断裂系统的分布结果。

1) 基于中值滤波的绕射信息提取技术, 可以凸显地震数据中小尺度断裂系统; 通过与曲率和相干属性的对比, 验证了绕射波信息对小断距断层的识别能力, 弥补了反射波属性的不足。

2) 本文充分利用边缘绕射的空间相关性, 通过对绕射特征进行增强处理, 能够得到更加直观可靠的断裂分布结果, 较好地描述了断裂系统的空间分布规律。

3) 绕射波数据能够反映出研究区存在着丰富的小尺度断裂分布, 证明了绕射波属性断裂系统描述方法的有效性, 为下一步断层分析、断裂系统刻画、储层描述等提供了可靠直观的数据依据。