井震联合断层识别技术在南贝尔凹陷东次凹中的应用

樊晓东,李忠权,陈国飞,高兴友

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712; 3.构造成矿成藏国土资源部重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

随着油田开发的不断深入，产量快速递减、含水量上升等矛盾日益突出，急需开展精细油藏描述研究，为注采系统调整、寻找外扩潜力提供保障。在油田勘探开发不同阶段，断层刻画精度及应用不尽相同，勘探阶段为避免油层断失而“躲断层”布井，开发阶段断层边部一般为剩余油富集区，“找断层”布井。开发地震是开展精细断裂体系刻画的支撑技术[1]，将开发地震融入精细油藏描述中，并开展断裂体系再认识研究，最早在胜利油田、辽河油田和大港油田开展，技术相对成熟。大庆长垣油田于2008年实现三维地震全覆盖后，经过近6年的技术攻关，形成了密井网条件下井震结合构造再认识特色技术[2-6]。海塔盆地复杂断块油藏断裂系统复杂，断层数量多、断块规模小、构造面貌破碎，在已开发区开展井震联合构造再认识尚属首次。本文以塔木察格盆地南贝尔凹陷东次凹为例，应用井震联合断层解释技术开展断层再认识研究，通过精细刻画断层，加深对断层组合样式、构造演化规律的认识，指导油田开发调整。

1 区域地质背景

南贝尔凹陷为海拉尔盆地贝尔凹陷向南往塔木察格盆地延伸的一部分[7-12]，地层自下而上依次发育三叠系布达特群，上侏罗统兴安岭群，下白垩统铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组和伊敏组，上白垩统青元岗组，古近系、新近系和第四系，共有3套生储盖组合。布达特群与兴安岭群以火山岩为主，铜钵庙组以扇三角洲沉积为主，南屯组以近岸水下扇、扇三角洲和半深湖沉积为主，大磨拐河组以三角洲沉积为主，伊敏组以滨湖沉积为主。已发现的油气主要集中在扇三角洲前缘和近岸水下扇中扇亚相。

东次凹为南贝尔凹陷的3个次级构造单元之一(另外2个为西次凹和潜山披覆构造带)，具有东西分带、南北分区的特点，南部为东断西超、北部为西断东超。由于凹陷两侧存在拉力作用，南贝尔凹陷东次凹内部断裂十分发育，依据断裂发育规律划分成6个Ⅲ级构造单元：南部由西向东划分为西部断鼻带、南部洼槽带和东部断阶带；北部自西向东依次划分为北部洼槽带、中央隆起带和断裂构造带。断层性质主要以正断层为主，逆断层十分少见；但由于海拉尔盆地整体受右旋剪切力作用，表现为部分正断层存在走滑因素[13]。

2 井震联合断层识别技术

研究区属于复杂断块油藏，断层发育类型丰富，从控制含油气盆地形成和发育的Ⅰ级断层，到控陷、控断块的Ⅱ、Ⅲ级断层，再到断距小于百米，甚至达到米级的低级序小断层均发育。从已开发油田开展三维开发地震研究以来，断层识别技术开始向集成化发展，即在地震资料重新处理的基础上，联合运用地震、测井和开发动静态验证手段开展断层解释，从而克服单一手段的多解性和不确定性。

2.1 逆时偏移处理提高断层成像精度

该区三维地震资料于2007年采集，采集面元为25 m×25 m，原始资料为叠前时间偏移成果。由于构造复杂，地层倾角陡，地震波速度横向变化大，原始处理资料油层组构造成像差，满足不了断层精细解释要求。逆时偏移技术能够突破地层倾角的限制，此项技术1982年由Whitemore在勘探物理学家学会(SEG)上提出，后经过McMechan、Yoon、Robin等发展实现了TTI介质的逆时偏移[14]。近10年计算机技术的飞速发展，使得精确成像的叠前深度偏移方法得以实际应用。RTM(波动方程叠前逆时偏移)是目前最具有代表性的方法[15-17]。RTM是一种无算子逼近的波动方程偏移技术，用全波动方程对波场延拓，避免对波动方程的近似，具有无倾角限制、不受介质速度变化影响的特点，实现保幅成像，能够对复杂区域进行比较准确的成像。

本次采用RTM对地震进行重新处理，处理过程中关键的速度分析以井点速度为约束，建立高精度速度模型。同时，精细优选其他处理参数，实现点、线、面、体全方位质控，确保了重新处理后成像精度的提高。从新老剖面对比看(图1)，重新处理的剖面分辨率较老资料有明显提高，主频由原来的20 Hz提高到32 Hz，频带由10～60 Hz提高到10～70 Hz；反射波组形态清晰可辨，层间信息丰富；构造波组特征清楚，断层成像效果改善明显，断面更加清晰，可以为断层解释提供可靠数据。

图1 南贝尔凹陷东次凹新老处理资料剖面对比图Fig.1 Contrast of profiles processed by new and old seismic data in the southern Beier Sag

2.2 优选地震属性识别断层

南贝尔凹陷地层变化大，断裂复杂，经过近几年的研究和多次解释，对南贝尔凹陷的整体断裂结构认识已经基本清楚。本次解释的重点就是进一步理顺断层组合关系，精细刻画小断层。三维地震是识别、刻画断层的最有效手段，目前断层识别的地震属性主要包括：相干体、方差体、倾角-方位角、边缘检测、曲率体、三色混相分频、蚂蚁体等。应用上述属性识别断层，存在两方面问题：一方面是小断层识别不出来，如相干体、方差体；另一方面是断层破碎带的识别需要剔除假断层，工作量大，如蚂蚁体。因此，利用地震属性进行断层识别，首先应该详细分析研究区断裂构造发育特征，了解构造发育背景，然后在海量的属性中有针对性地优选适合本区的最佳属性，才能达到精细刻画断层的目的。

参考以往构造研究成果，最终优选倾角-方位角、三色混相分频、相干体和蚂蚁体4种属性体切片。图2中红圈范围内为原始古地形，红圈以外为研究区目的层发育部位，即断层重点刻画部位。属性提取范围内共55口井，其中“★”表示目的层段钻遇断层井，共有18口，断距均大于15 m。从4张属性切片识别断层效果看，除倾角-方位角属性稍差外，其他3种属性与井断点全部吻合，属性切片解释了该区断层十分发育，井位置外存在断距<15 m断层。同时还可以看出，不同的属性从不同的角度去揭示断裂发育特征，需要属性间配合进行断裂体系刻画。

倾角-方位角是地层倾角、方位角的综合属性[18]，通过对地震数据倾角和方位角的扫描，计算出倾角方位角属性，颜色突变或窄条带的单色为地层起伏、走向的变化位置，这种异常可以较好地反映断层的存在。这项技术对宏观断裂体系刻画效果最好，可识别同相轴扭曲而无明显错断的断层。图2-A显示了目的层顶面倾角-方位角属性，属性对本区主断裂系统揭示得最清楚，为近北西向展布，个别位置为北北西向展布，对次级断裂不能准确刻画。

三色混相分频属性对单频地震调谐能量体进行单色渲染，通常从原始全频带数据体提取低频、中频和高频3个单频数据体，然后将渲染后的3种不同频率的地震分频数据按红、绿、蓝进行配色，再生成复合分频数据体，进而提升地震分频数据对地质现象的表现能力和刻画能力[19]。在很多情况下，由于地层对地震信号的调谐和吸收作用，不同的地质目标对地震资料的不同频率成分的敏感程度不同。高频部分显示细微的、低分辨率的断层；低频部分则趋向于去噪和展示宏观构架和断层趋势。图2-B中三色混相分频切片为原始全频带数据体通过分频处理，提取其中的10 Hz、35 Hz和50 Hz单频数据体，对10 Hz单频数据体渲染红色，35 Hz单频数据体渲染绿色，50 Hz单频数据体渲染蓝色，最后合成的复合分频数据体的切片。从属性切片分析看，除北西、北北西向主断裂体系得到清晰刻画外，北东向次级断裂也得到刻画，次级断裂与主断裂的接触关系清楚。

相干体是地震识别断层最常用的技术，利用相邻地震道数据计算相关系数，形成反映地震相关性的数据体，用不相关数据的空间位置反映断层岩性异常体等地质现象。目前，相干体算法已从第一代基于互相关(简称C1算法)、第二代利用多道相似性的算法(简称C2算法)，发展到第三代基于特征结构的相干算法(简称C3算法)。图2-C为利用C3算法计算的相干体切片[20]，在本区其与三色混相分频属性刻画断层能力相当。

图2 几种地震属性沿层切片效果对比Fig.2 Contrast of four seismic attribution slice sections(A)倾角-方位角; (B)三色混相分频; (C)相干体; (D)蚂蚁体

蚂蚁体是根据自然界中蚂蚁觅食原理提出的一种通过计算机实现的最优化算法[21]，即在地震数据体中散播“电子蚂蚁”，遇到断裂将用“信息素”做出标记，指导其他“电子蚂蚁”进行追踪，从而得到整套地震蚂蚁体数据。图2-D为计算得出的蚂蚁体切片，与其他3种属性相比，断层识别能力得到极大的提高，进一步刻画出了小断裂体系；但是这把“双刃剑”带来的另外一个麻烦是把一些非断裂因素造成的断层假象混了进来，也把一些主干大断裂破碎化。

针对本区构造发育特征，断裂识别过程发挥单个属性的优势，然后综合所有属性分步、分层次进行断层刻画，即首先应用倾角-方位角属性进行主断裂体系刻画，然后应用相干体、三色混相分频属性识别次级断裂体系，最后为满足开发需求并结合生产资料利用蚂蚁体识别低级序断层。如图3所示，过南21-7-4井的断层是一条断距24.5 m、北东走向的小断层，利用提取的相干体、三色混相分频和蚂蚁体属性切片，这条断层的要素均得到清晰刻画。当然，类似小断层在地震时间剖面已很清楚，但由于延伸长度小、断距小，在解释过程中极易漏掉或是不易确定其走向，通过地震属性可对这样的小断层进行有效解释。

2.3 井断点引导断层识别与组合

深度域断点经时深转换后全部投影到地震剖面上，采取“震控形态、井定位置”方法[22]，落实断层展布。在此过程中最重要的是井点处断点解释的准确性，以此为基础开展井断点引导地震断层解释。通常，井点处断点与地震解释断层匹配分以下4种情况：①地震解释断层与测井解释断点相吻合的断层(断距>30 m断层)，这种断层的走向、倾向基本同地震解释的断层保持一致，井断点起验证地震解释断层准确性的作用；②地震解释与测井解释不符合的断层，应尊重测井解释断点结果，以其为硬性数据进行断层位置和形态的修正；③测井解释有断点，地震解释无断层，这种情况主要是断距<15 m小断层或大断层末梢(其断距也小于15 m)，要综合分析断点信息及在三维空间观察地层分层点的落差情况，对断层的倾向和延伸长度进行判定；④测井解释无断点，地震解释有断层，这种情况要系统结合区域沉积、构造特征，确定地震解释断层位置为剥蚀还是断失，地震解释断层的位置在目的层顶部为剥蚀，在目的层中下部为断失。如果是剥蚀情况以井解释断层为准；如果是断失则落实井解释断层，达到最终的井震匹配。

图3 过南21-7-4井断层剖面解释与蚂蚁体识别图Fig.3 Fault interpretation and ant-tracking identification across Well Nan 21-7-4

图4以南488-160、南490-158井为例，通过“四级”标志层体系旋回对比，确定南488-160井在深度 1 851 m处存在一个断距17 m的断点，断失层位相当于南490-158井 1 848～1 865 m深度的地层；南490-158井在深度 1 940 m处存在一个断距16 m的断点，断失层位相当于南488-160井 1 928～1 944 m深度的地层。这2口相邻井的2个断层断距相当，单纯应用井资料进行断层组合很容易将其组合为一条断层，但从地震剖面看是2条断层2口井钻遇的断点。这时，断点所起的作用是指导断层剖面准确解释，实现了井震联合“震控形态、井定位置”的断层精细刻画过程。

图4 南488-160井、南490-158井井震联合断层识别与刻画Fig.4 Fault interpretation across Well 488-160 and Well 490-158

3 断裂体系再认识

3.1 断层新老认识对比

T22[南屯组第二段(简称“南二段”)顶面]以下深层断裂大格局未变，但组合关系略有变化，增加一些小断层，以南一段Ⅱ油组(T232)为例(图5)，前人共解释断层294条，本次共解释断层320条，新增断层26条。新增断层均为规模较小的断层，对总体构造影响不大。

图5 T232顶面新老断层叠合对比图Fig.5 Contrast diagram for the new and old fault overlap of T232

T22以上浅层断裂格局也未变化，但低序级断层明显增多。前人认为，上部断层一般不会断开T22地层，这是由于受到老三维地震资料品质较差的影响。本次采用逆时偏移处理资料，浅层断层断开T22反射层非常明显，因此研究区内识别出了大量北西向断层(图6)。

图6 T22顶面新老断层叠合对比图Fig.6 Contrast diagram for the new and old fault overlap of T22

3.2 断裂发育特征

3.2.1 断层组合样式

南贝尔凹陷东次凹断层经重新刻画后，断层的平面组合样式较前人认识的类型有所增加。平面上，单条断裂的形态主要有直线形、弧形、S形和反S形；从组合形式来看，主要存在平行式、帚状、放射状、雁列式、斜交式、棋盘格式、羽状、“入”字形等组合样式。平行式：反映水平方向的拉张作用，铜钵庙组和南屯组早期发育的断层几乎都是近于平行的，走向为北东方向，与其控制构造的断裂走向平行，反映了南贝尔凹陷东次凹北洼槽早期曾受到强烈的北西-南东向拉张力。平行式组合是塔21-35区块内断裂平面组合的主要组合形式，反映该区局部拉张作用较强。 “入”字形组合：特点是北东向断层与北西向断层呈小角度相交，北东向断层为主，规模相对较大，而北西向断层规模相对较小，2条断层相交，形如“入”字，是后期断层切割早期断层的结果。棋盘格式：2组平行状排列的断层，相互交切，形成棋盘格式。可能是同一应力场作用的结果，也可能是2期方向不同应力场作用的结果。在斜坡区断垒带中部T3、T23构造层上，都存在这种组合样式。从以上断裂的平面组合样式来看，虽然组合样式存在多种多样，在区域上的分布也存在一定的差异，但总的来说，都反映了强烈的拉张作用。其中，放射状、棋盘式、羽状、“入”字形主要发育在T22以上地层，充分说明了纵向发育2期断裂；T22之后受边界断层右旋走滑作用，断层明显带有走滑性质。

从剖面上看：T22以上断层倾角陡，T3以下断层倾角缓；断层的剖面组合样式包括“Y”字形、反向断阶、顺向断阶、似花状构造、不对称地垒等构造样式。复杂的断层构造样式充分说明了本区构造运动的多期性，在此过程中断层发育具有继承和改造双重性(图7)。

3.2.2 平面展布特征

从主要油组级以上顶面断层解释成果分析，南贝尔凹陷东次凹自形成时期至形成后经历了燕山运动的多期次构造运动，形成了复杂的断裂体系。自下而上，基底顶面(T5)断层以北东向断裂为主，为断陷早期区域拉张应力作用下形成的；铜钵庙组顶面(T3)基本继承T5反射层的断裂展布特征，以北东向断裂为主，发育少量的近南北向断裂，揭示区域拉张应力伴有右旋应力作用；南一段Ⅱ油组(T232)断裂延续T3的断裂展布特征，但构造运动强度增大，小断层数量明显增多，同时仍发育少量的近南北向断裂；南一段顶面(T23)2组断裂展布特征发生了转变，北东向断裂数量明显减少，南北向断层数量增加，说明该界面上下区域应力性质发生了转换，由拉张右旋应力场向左旋拉张应力场过渡；南二段顶面(T22)更能反映出该种应力转换特征，具体表现为北东向断层数量首次少于近南北向断层数量；大磨拐河组顶面(T2)北北东向断层基本不发育，几乎全为条带状分布的近南北向断裂，并且这些断层走向呈拉长的“S”形，反映出区域左旋走滑应力特征。

图7 断裂空间组合特征及平面分布图Fig.7 Spatial combination and plane distribution of fractures

4 结 论

a．研究区地层倾角陡、地震波速度横向变化大，采用逆时偏移处理技术提高了断层成像精度，断面更加清晰。

b．优选了适合研究区的倾角-方位角、三色混相分频、相干体和蚂蚁体属性，结合已开发区块丰富的井断点信息，采用由大至小、先框架后细节的思路，精细识别和刻画了断距>15 m的断层。

c．经重新刻画后，整体格局未发生变化，主要变化体现在新增一些小断层。同时，加深了断裂体系认识，新发现放射状、棋盘式、羽状、“入”字形断层组合样式，断层的剖面组合样式包括“Y”字形、反向断阶、顺向断阶、似花状构造、不对称地垒等构造样式，进一步说明了走滑作用对本区断裂的影响。