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第1章深水地球物理識(shí)別技術(shù)

1.1地震屬性

1.1.1概念和分類

地震屬性(seismic attributes)一詞，于20世紀(jì)70年代由Anstey等正式提出。但實(shí)際上，屬性分析自20世紀(jì)30年代就已經(jīng)出現(xiàn)，地球物理學(xué)家從野外地震記錄中拾取地震走時(shí)。起初，國內(nèi)在譯名上并不統(tǒng)一，直到20世紀(jì)末才基本統(tǒng)一稱作地震屬性。地震屬性的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的變革密切相關(guān)，20世紀(jì)60年代數(shù)字記錄的出現(xiàn)提高了地震振幅測(cè)量的精度，由此發(fā)展起來的亮點(diǎn)技術(shù)指出了烴類孔隙流體與強(qiáng)振幅之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；70年代引入彩色顯示技術(shù)使得地震反射強(qiáng)度、頻率、相位和層速度等信息從過去的黑白地震道上凸現(xiàn)出來；80年代地震解釋工作站的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和井震結(jié)合解釋提供了硬件支持；現(xiàn)今，技術(shù)人員利用功能強(qiáng)大的大型機(jī)站操縱地震數(shù)據(jù)體，提取各類屬性用于追蹤地質(zhì)或儲(chǔ)層信息已是司空見慣的事(Chopra and Marfurt，2005)。

地震屬性，概括而言，就是對(duì)地震勘探中有利區(qū)域特征的定量表征。從數(shù)學(xué)意義上講，是地震資料的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的一種量度；從屬性的提取過程來說，是一種描述和量化地震資料的特性，是原始地震資料中包含全部信息的子集。

地震屬性的分類形式多種多樣，很多學(xué)者均對(duì)此進(jìn)行過研究。Brown和Fisher(1980)將地震屬性分為時(shí)間、振幅、頻率和衰減4類，并提出了疊前屬性和疊后屬性的分法；Taner等(1979)將地震屬性分為幾何屬性和物理屬性；20世紀(jì)90年代末，Chen和Sidney(1997)在上述分類方法的基礎(chǔ)上提出了一套比較系統(tǒng)的分類方法。依據(jù)疊前屬性和疊后屬性的不同，分為幾何學(xué)屬性、運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性、動(dòng)力學(xué)屬性和統(tǒng)計(jì)學(xué)屬性。其中統(tǒng)計(jì)學(xué)屬性一般沒有明確的物理意義，但卻含有更豐富的地質(zhì)意義，在石油勘探中應(yīng)用非常廣泛。

1.1.2地震屬性分析方法

眾所周知，儲(chǔ)層參數(shù)主要包括儲(chǔ)層的巖性、物性和含油氣性。地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)主要研究地震反射波的振幅、頻率、相位、速度等信息，其中速度信息最為關(guān)鍵。儲(chǔ)層巖性、物性、儲(chǔ)層內(nèi)的流體性質(zhì)、地層縱向組合等的變化，都能引起速度的相應(yīng)變化，而振幅、頻率等則是速度變化的具體表現(xiàn)形式。利用地震屬性進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)就是通過上述參數(shù)的研究來達(dá)到預(yù)測(cè)儲(chǔ)層性質(zhì)及其變化規(guī)律的目的。

地震屬性的提取采用多種數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代中期，統(tǒng)計(jì)學(xué)屬性發(fā)展迅速，大量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法在屬性提取中得到了廣泛應(yīng)用，如本征值、協(xié)方差、線性回歸、小波變換、模擬退火、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些技術(shù)在識(shí)別和定性描述儲(chǔ)層的過程中起到了重要作用，如河道砂以及碳酸鹽巖孔洞縫等儲(chǔ)層。下面介紹幾種在實(shí)際工作中常用的地震屬性技術(shù)。

1)復(fù)地震道分析

1979年，Taner等在 Geophysics 上發(fā)表文章，提出了復(fù)地震道(complex-trace)分析方法，[JP]將信號(hào)處理中的Hilbert變換應(yīng)用于地震資料的解釋。利用該方法可以獲得地震資料的三類屬性值，包括瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率(圖1-1)，簡稱"三瞬屬性"。瞬時(shí)振幅也稱反射強(qiáng)度和振幅包絡(luò)。

對(duì)常規(guī)地震道f(t)做Hilbert變換得到其對(duì)應(yīng)的正交道h(t)，將兩者分別作為復(fù)地震道c(t)的實(shí)部和虛部。虛部具有和實(shí)部一樣的包絡(luò)和類似的振幅，但相位上做了90°延遲。定義式如下：

該屬性表示所選樣點(diǎn)上各道時(shí)間域振幅包絡(luò)值［圖1-1(b)］，廣泛應(yīng)用于地震資料的構(gòu)造與地層解釋，常與其他振幅屬性一起用于分離高振幅與低振幅區(qū)，如亮點(diǎn)、暗點(diǎn)技術(shù)等。

圖1-1三維復(fù)地震道數(shù)據(jù)體

(2)瞬時(shí)相位，表達(dá)式為

該屬性值表示所選樣點(diǎn)上各道相位值［圖1-1(c)］，單位為°或rad，主要用于增強(qiáng)油藏內(nèi)部弱同相軸，但對(duì)噪聲也有放大作用。油氣常引起相位的局部變化，所以該屬性常與其他屬性一起作為油氣的檢測(cè)指標(biāo)之一。同時(shí)也可用于測(cè)定薄層的相位特征，橫向變化與流體及薄層組合有關(guān)。

(3)瞬時(shí)頻率，表達(dá)式為

瞬時(shí)頻率定義為瞬時(shí)相位關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)［圖1-1(d)］，單位為°/ms，或rad/ms。常用于估計(jì)地震波衰減。儲(chǔ)層油氣往往會(huì)引起高頻成分的衰減，這一屬性可以檢測(cè)油氣。

這一方法彌補(bǔ)了常規(guī)地震數(shù)據(jù)識(shí)別巖性和流體變化的局限，提高了地震波信息的敏感度和識(shí)別精度。

2)AVO屬性分析

AVO分析方法是一項(xiàng)利用振幅信息研究巖性、檢測(cè)油氣的地震勘探技術(shù)。AVO是振幅隨偏移距變化(amplitude variation with offset)或振幅與偏移距關(guān)系(amplitude versus offset)的英文縮寫。AVO技術(shù)是利用共中心點(diǎn)(CMP)道集或共反射面元(common reflection bin，CRB)資料分析反射波隨偏移距(或入射角 α )的變化規(guī)律，估算界面兩側(cè)的彈性參數(shù)，進(jìn)一步推斷儲(chǔ)層的巖性和含油氣性的一種地震數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)。圖1-2為幾類不同巖性組合下的AVO(或AVA)異常。

AVO屬性分析主要以CMP道集為輸入，經(jīng)角度道轉(zhuǎn)換后，同一角度的道集組成一個(gè)角度道道集，簡稱角道集，從角道集上可以觀測(cè)和分析地震反射振幅隨入射角的變化。以角道集為輸入，根據(jù)相應(yīng)的算法即可得到截距剖面、梯度剖面等各種AVO屬性剖面。

AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)是地震波動(dòng)力學(xué)理論中推導(dǎo)出的Zoeppritz方程組及其簡化思路。目前常用的Shuey近似公式獲得的梯度截距屬性交會(huì)圖。

3)譜分解

[JP2]地震勘探中，譜分解(spectral decomposition)是對(duì)地震道進(jìn)行連續(xù)時(shí)頻分析的方法。時(shí)頻分析針對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)和時(shí)變信號(hào)，可以將一維地震道變換為二維時(shí)頻域分布圖，作為分析時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具，時(shí)頻分析方法提供了時(shí)間域與頻率域的聯(lián)合分布信息，清楚地描述了信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系(圖1-3)。[JP3]因此，地震道的每個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)都能產(chǎn)生頻譜。譜分解應(yīng)用廣泛，包括確定層厚(Partyka et al.，1999)、地層可視化(Marfurt and Kirlin，2001)[JP2]以及烴類的直接檢測(cè)(Castagna et al.，2003；Sinha et al.，2005)。譜分解是一個(gè)非過程，因而一個(gè)地震道可以產(chǎn)生不同的時(shí)頻分析結(jié)果。譜分解的方法也有很多，包括DFT(離散傅氏變換)、MEM(較大熵法)、CWT(連續(xù)小波變換)、ST(S變換)、MPD(匹配追蹤分解法)以及HHT(Hilbert-Huang變換)等。這些方法，嚴(yán)格來講，無所謂"錯(cuò)"與"對(duì)"，每種方法都有利與弊，需要根據(jù)實(shí)際情況選用不同的方法。圖1-4就是利用DFT方法進(jìn)行譜分解運(yùn)算求取的三維數(shù)據(jù)體的時(shí)間切片。

圖1-4南海深水三維數(shù)據(jù)體1900ms時(shí)間切片

4)相干體

地震相干體(coherence cube)技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)功能強(qiáng)大的地震屬性解釋技術(shù)，自從1995年Bahorich和Farmer提出相干算法以來，該算法已從及時(shí)代基于互相關(guān)的算法(簡稱C-1算法，Bahorich and Farmer，1995)、第二代利用多道相似性的算法(簡稱C-2算法，Marfurt et al.，1998)，發(fā)展到第三代基于特征結(jié)構(gòu)的相干算法(簡稱C-3算法，Gersztenkorn and Marfurt，1999)，主要用于地質(zhì)構(gòu)造、沉積環(huán)境的解釋和隱蔽性油氣藏的勘探開發(fā)。雖然地震相干計(jì)算技術(shù)用于估算反射界面的傾角、計(jì)算折射靜校正、剩余靜校正和種子點(diǎn)層位自動(dòng)拾取已有近40年的歷史，但相干體技術(shù)應(yīng)用于地震解釋只有近20年的時(shí)間，其原理及應(yīng)用將在1.3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

相干體技術(shù)利用求同存異的原則更清楚地識(shí)別地下間斷面或不連續(xù)體，通過三維地震數(shù)據(jù)體來比較不同地震波形的相似性。相干值較低的點(diǎn)對(duì)應(yīng)地質(zhì)體邊界(如斷層、煙囪構(gòu)造、溶洞、灰?guī)r坑、特殊巖性體邊界等)，對(duì)相干數(shù)據(jù)體做切片(等時(shí)切片、層位切片、地層切片)顯示，可揭示斷層、水道堤岸沉積體系、塊體搬運(yùn)沉積體系、碳酸鹽臺(tái)地、巖性體邊界、不整合等地質(zhì)現(xiàn)象(圖1-5)，從而為油藏描述提供特征識(shí)別證據(jù)。

圖1-5相干時(shí)間切片，水道堤岸沉積體系清晰可見

水道堤岸沉積體系：①水道；②堤岸；③越岸沉積；④決口扇；⑤滑塌體；⑥碎屑流

5)紋理屬性

"地震紋理"一詞早在20世紀(jì)80年代就已提出，當(dāng)時(shí)用于拾取地震剖面上具有共同信號(hào)特征的區(qū)域。近幾年該屬性有了新的發(fā)展，基于統(tǒng)計(jì)測(cè)量，利用灰度共生矩陣算法對(duì)紋理屬性(texture attributes)進(jìn)行分類。統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法包括能量(刻畫紋理的均一性質(zhì))、熵(測(cè)量不同紋素或體元之間的可預(yù)測(cè)性)、對(duì)比度(重點(diǎn)刻畫了相鄰體元之間的振幅差異)以及均一性(強(qiáng)調(diào)了振幅的總體平滑度)。其中，能量、對(duì)比度和熵被認(rèn)為是描述地震數(shù)據(jù)特征最有效的一類屬性。

圖1-6是同一地層振幅和能量水平切片的對(duì)比圖，注意到在能量切片中，河道/堤壩沉積可以更好地識(shí)別、成像和有效檢測(cè)出來。

圖1-6同一地層振幅和能量水平切片的對(duì)比圖(Chopra and Marfurt，2005)

6)曲率屬性

曲率是一種三維屬性，它是對(duì)一個(gè)二次曲面相對(duì)于平面彎曲程度的度量。曲率屬性(curvature attributes)屬于地震信號(hào)二階導(dǎo)數(shù)屬性，與傾角大小、傾角方位角等一階導(dǎo)數(shù)屬性相比，曲率可以檢測(cè)到地震數(shù)據(jù)中更細(xì)微的信息。地震曲率屬性分析傾角、方位角的橫向變化率，其可以排除原始傾角的影響并且可以更清晰地刻畫地下微小尺度斷裂，這些斷裂往往和主要儲(chǔ)集層或小斷層聯(lián)系緊密(圖1-7)，這已經(jīng)構(gòu)成了大多數(shù)地震解釋工作中不可或缺的部分(Chopra and Marfurt，2005，2008)。

曲率屬性按具體屬性類別可分為構(gòu)造曲率和振幅曲率，前者由地震時(shí)間或深度剖面構(gòu)造分量的橫向二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算獲得；后者通過計(jì)算沿著反射層的地震振幅的二階導(dǎo)數(shù)獲得。對(duì)于構(gòu)造曲率數(shù)據(jù)體，可以計(jì)算構(gòu)造傾角的縱測(cè)線和橫測(cè)線分量；振幅曲率則類似計(jì)算能量加權(quán)的振幅梯度的縱橫測(cè)線分量，這相當(dāng)于直接測(cè)量振幅的變化。其中振幅曲率常常可以獲得地下線性構(gòu)造更為細(xì)致的信息。

現(xiàn)在的趨勢(shì)是直接計(jì)算獲得曲率屬性體，其中，目前三維曲率屬性體按屬性值分類，最有效的可能是較大正曲率屬性和較大負(fù)曲率屬性，因?yàn)檫@兩種最容易與地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生聯(lián)系，曲率屬性體非常有助于構(gòu)造變形地層及斷裂中的撓曲、褶皺等精細(xì)構(gòu)造的成像。由Bergbauer等在2003年提出多譜曲率計(jì)算方法，并被Al-Dossary和Marfurt在2006年引入到三維體計(jì)算。這種方法可以同時(shí)獲取長波長和短波長曲率圖，解釋人員就可以對(duì)不同尺度的地質(zhì)體進(jìn)行刻畫，或用于同一地質(zhì)體不同尺度下特征的描述，短波長曲率應(yīng)用于刻畫高密度的、局部的裂隙；長波長曲率則常用于增強(qiáng)展布撓曲的精細(xì)特征，常規(guī)地震剖面難以做到這一點(diǎn)。