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最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用

于娅 边立恩 王国强 王军 张京思

于娅, 边立恩, 王国强, 王军, 张京思. 最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
引用本文: 于娅, 边立恩, 王国强, 王军, 张京思. 最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
YU Ya, BIAN Lien, WANG Guoqiang, WANG Jun, ZHANG Jingsi. APPLICATION OF FAULT RECOGNITION TECHNIQUE BASED ON MAXIMUM LIKELIHOOD IN EXPLORATION OF QINHUANGDAO 28 OILFIELD[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
Citation: YU Ya, BIAN Lien, WANG Guoqiang, WANG Jun, ZHANG Jingsi. APPLICATION OF FAULT RECOGNITION TECHNIQUE BASED ON MAXIMUM LIKELIHOOD IN EXPLORATION OF QINHUANGDAO 28 OILFIELD[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009

最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
基金项目: 

“十三五”国家科技重大专项课题“渤海海域勘探新领域及关键技术研究” 2016ZX05024-003

详细信息
    作者简介:

    于娅(1986—),女,工程师,主要从事地球物理解释与储层研究工作. E-mail:yuya@cnooc.com

  • 中图分类号: P744.4;P631.4

APPLICATION OF FAULT RECOGNITION TECHNIQUE BASED ON MAXIMUM LIKELIHOOD IN EXPLORATION OF QINHUANGDAO 28 OILFIELD

图(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-10
  • 刊出日期:  2019-08-28

最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
    基金项目:

    “十三五”国家科技重大专项课题“渤海海域勘探新领域及关键技术研究” 2016ZX05024-003

    作者简介:

    于娅(1986—),女,工程师,主要从事地球物理解释与储层研究工作. E-mail:yuya@cnooc.com

  • 中图分类号: P744.4;P631.4

摘要: 渤海地区新近系断裂体系复杂,受多期次构造运动影响,使得渤海油田的构造非常的破碎。在秦皇岛28构造的勘探评价过程中,发现局部地区断裂在平面呈现羽状分布,且存在掉向相反断裂带,这种特征是走滑断裂的依据之一,但仅依靠地质理论来确定是否存在走滑断裂是不客观的,需利用地震属性验证其客观存在性。在评价的过程中通过不同技术的组合应用及对比分析,发现常规的边缘检测、相干属性等技术很难对该区复杂断层进行有效识别。基于倾角中值滤波技术去除部分噪音的干扰,凸显断裂信息,应用最大似然属性技术识别出了较为清晰的“隐性走滑”断裂,结合平面特征,进一步落实构造,直接新增资源量约300万t。为扩大秦皇岛28油田的储量规模奠定了坚实的基础。在现今精细勘探阶段,推广应用微断裂识别技术,将会进一步提高复杂断块区断层系统解释的可靠性和精细程度, 提高油田滚动勘探开发的钻探成功率。

English Abstract

于娅, 边立恩, 王国强, 王军, 张京思. 最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
引用本文: 于娅, 边立恩, 王国强, 王军, 张京思. 最大似然法断层识别技术在秦皇岛28油田勘探中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
YU Ya, BIAN Lien, WANG Guoqiang, WANG Jun, ZHANG Jingsi. APPLICATION OF FAULT RECOGNITION TECHNIQUE BASED ON MAXIMUM LIKELIHOOD IN EXPLORATION OF QINHUANGDAO 28 OILFIELD[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
Citation: YU Ya, BIAN Lien, WANG Guoqiang, WANG Jun, ZHANG Jingsi. APPLICATION OF FAULT RECOGNITION TECHNIQUE BASED ON MAXIMUM LIKELIHOOD IN EXPLORATION OF QINHUANGDAO 28 OILFIELD[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(8): 67-72. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.08009
    • 由于秦皇岛28油田区经历了多期构造运动,断裂发育,断层常常控制油气的运移和聚集,所以在油气勘探中,断层的识别在地震资料解释的过程中扮演着重要的角色,断层解释的准确性和合理性直接影响构造成图的精度和下一步的勘探开发方向。断裂发育带一般地震资料成像品质差,进行断层解释及断层平面组合难度较大。常规复杂断块解释技术基于原始地震数据体,采用三维可视化、相干体分析、属性分析等技术进行断层辅助解释、了解断层的平面展布规律,由于不能识别较为隐蔽的小断层,因此常漏掉一些潜力断块。随着勘探精度的提高,小断裂的精细解释对于勘探目标的落实具有重要意义。

      本文作者针对秦皇岛28构造复杂地区,应用高精度最大似然技术对研究区微小断裂及隐性走滑进行识别,得到了更加清楚、连续性更好的断裂,从而实现复杂断块区的断裂精细解释,为该区的井位优选和储量升级提供了重要参考。

    • 基于倾角中值滤波技术对原始地震数据进行处理,凸显数据中的断裂信息;运用最大似然属性,应用于处理后的地震数据体,从而达到微断裂识别的目标,为该区的井位优选和储量升级提供依据。

    • 倾角中值滤波是针对叠后地震数据体的一种特殊去噪方法,是基于叠前地震单炮道集上反射波与强线性干扰在t-x域视速度上的差异,在多组视倾角范围内,求取一个最佳视倾角,将最佳视倾角的振幅序列的中值视为相干干扰,利用"减去法",达到信噪分离。使同相轴变得更加的连续,断层的侧向分辨率有了明显的提高,断层的尖锐性得到了保存甚至改善。运算速度远远优于其他滤波方法。经过倾角中值滤波处理后,地震剖面的信噪比得到了明显的提高,断裂特征更加的明显(图 1)。该数据体可以直接用于断裂精细解释,也是断裂属性提取的基础。图 2图 1地震数据的相干剖面对比,经过倾角中值滤波后的地震相干剖面(图 2b)刻画出的断裂更加的清晰、准确,同时信噪比也相对较高。

      图  1  倾角中值滤波处理前(a)、处理后(b)的地震剖面

      Figure 1.  Seismic profile before(a) after (b) the median filtering of inclination

      图  2  原始相干剖面(a)及倾角中值滤波后的剖面(b)

      Figure 2.  The original coherent profile (a) and median filtered profile of inclination(b)

    • 当前断层识别方法有很多种,其中应用比较广泛的是相干体技术,该技术是20世纪90年代中期发展起来的一项新型的三维地震解释技术。目前,相干算法己从第一代基于互相关的相干算法、第二代基于多道相似性的相干算法、发展到第三代基于本征值结构的相干算法,近年来又发展起来基于几何结构张量的相干体技术。然而,在断裂构造复杂地区,不同级次的断层和裂缝广泛发育,地层产状(倾角和方位角)变化大,地震资料存在照明不均、成像品质差、随机噪声偏多等问题,即使采用最先进的相干体算法,其成像结果也不尽理想。

      目前,最新的断裂识别属性——最大似然属性识别断裂效果较好。所以, 笔者考虑采用最大似然属性来进行微小断层识别。最大似然法即在多类识别时,常采用统计方法建立起一个判别函数集计算各分类样品的归属概率,样品属于哪类的概率大就判别其属于哪类,这就是最大似然聚类分析。其原理如下:

      Nn维样本点; Xj, j=1, ...,

      假设混合分布P(X)由L个正态分布组成,即

      $$ P(X) = \sum\limits_{i = {\rm{1}}}^L {{P_i}} \times {p_i}(X) $$ (1)

      式中pi(Xj)是均值矢量为Mi,协方差矩阵为$\sum\limits_i {} $的第i类样本的第j个样本点的条件概率。

      采用最大似然方法由P(X)估计Mi, $\sum\limits_i {} $ 和Pi, 即在$\sum\limits_{i = {\rm{1}}}^L {{P_i}} = 1$ 的约束条件下,对Mi,$\sum\limits_i {} $和Pi求$\prod\limits_{j = 1}^N {} $ P(Xi)最大,以此得到目标函数J

      $$ J = {\sum\limits_{j = 1}^N {{\rm{ln}}P({X_j})} _i} - \mu \left[ {\sum\limits_{i = 1}^L {{P_i} - 1} } \right] $$ (2)

      式中μ是使先验概率之和为1的最优化约束条件的Lagrange系数。对J求微分,解得μ=N, 并得到一组可以采用迭代计算的公式。

      先验概率:

      $$ {P_i} = \frac{1}{N}\sum\limits_{j = 1}^N {qi({X_j})} $$ (3)

      均值矢量:

      $$ {M_i} = \frac{1}{{{P_i}N}}\sum\limits_{j = 1}^N {qi({X_j})} {X_j} $$ (4)

      协方差矩阵:

      $$ {\sum _i} = \frac{1}{{{P_i}N}}\sum\limits_{j = 1}^N {qi({X_j})} $$ (5)

      其中qi(Xj)为后验概率:

      $$ qi({X_j}) = \frac{{{P_i}{\rho _i}({X_j})}}{{\sum\limits_{l = 1}^N {{P_l}} \rho l({X_j})}} $$ (6)

      最大似然属性刻画断裂的原理主要来源于对地震图像的相似性分析,基于Hale[1]提出的面向断层的相似性理论,通过截取地震图像的方式来对比分析相邻地震反射特征的相似性,其主要通过计算窗口内不同角度与方位的相似系数来实现。

      其他方法的主要缺点是他们计算了与断层方向无关区域的相似系数或无序性。这个区域的大小控制了对噪音和地层变化的灵敏度。当区域比较小时,该属性表现的比较敏感,而且噪音较多。基本上来说,断层区域是高无序性并且低相似性的,而当一个窗口足够小的时候,他们可以表现为低无序性。所以追踪断层并且将其区分开始非常困难的。

      通过在不同角度及方位的矩形状分析窗口内计算梯度结构张量来计算断层属性, 其中结构张量(GST)是精细刻画和分析地震数据中反射结构特征的一个有效工具。其基本原理是将地震数据构建为二维或三维图像数据属性,进而基于局部的构造张量特征值相对大小及组合参数确定地震图像数据中的不同纹理单元(如波状、层状、杂乱反射等)的结构属性。研究表明,基于GST算法及其衍生的多个属性可以定性、定量描述断层、河道等地质体引起的不连续反射特征,同时,对于平行、倾斜、波状沉积层理结构特征也有很好的指示。Hale[2]提出一种更为有效的算法,该算法通过使用方向分析窗口并基于如下的相似性计算公式:

      $$ {\rm{semblance}} = {\frac{{{{({\rm{image}})}_s}^2}}{{({\rm{imag}}{{\rm{e}}^2})}}_s} $$

      其中,(image)s表示结构方向的平均。Likelihood(最大似然)定义为相似系数的倒数,所以当相似系数最小时,likelihood最大。算法通过计算矩形方向窗口内的相似系数并保留最小的相似系数来实现。以2D二维剖面为例,属性计算过程中不断变换图像采集范围,直到如下图 1c所示沿真实断裂方向采集的地震图像与周围相似性达到最低。图 1中,蓝直线代表断层,黑点代表计算节点的位置,矩形框代表地震图像采集范围。对于3D数据体,图像采集范围不再像图 1所示的矩形框的方向,而是位于不同角度和方位的三维矩形体的方向。

      尽管地震数据基本表现为局部连续性,但是计算得到的断层属性依然可以探测并突出断层,这些断层属性更连续而且更像断层。最大似然数据体表现为断层的代表,可以优化完善交互式的断层解释流程,为分析解释断层提供更好的支持。

    • 在研究区秦皇岛A油田的评价过程中,利用最大似然法结合倾角中值滤波技术,成功的识别出了西侧断裂模糊不清的地方存在着隐性走滑断层(图 4b),主要表现为在平面呈现羽状分布,且存在掉向相反断裂带。在走滑断层两侧的派生断层具有相反掉向,这些都是受走滑应力影响。对比常规相干属性与最大似然属性对断裂刻画的能力(图 4),显然后者的断裂分辨精度更高,断裂连续性更强,更加符合断裂的实际地质特征。

      图  3  单点最大似然属性计算示意图(a)断面位置及计算节点;(b)沿不同方向计算相似性;(c)最小相似性对应的方向

      Figure 3.  Single point maximum likelihood attribute diagram: (a) section position and calculation node; (b) computing similarity in different directions; (c) the direction corresponding to the minimum similarity

      图  4  秦皇岛28构造不同断裂识别属性对比(950 ms)

      Figure 4.  Comparison of different fault identification attributes in the Qinhuangdao 28 Oilfield

      在上述成果的综合应用下,我们对研究区的断裂进行了精细再落实,从图 5秦皇岛28构造西侧的地震剖面可以看出,位置地层产状存着在突变。虽然活动较弱,位移不明显,在地震资料上不易分辨,但是对圈闭的形成和油气的运移聚集有明显的控制作用。从图 6可以看到图中蓝圈标注的位置在新的方案中解释出了原方案所没有的隐性走滑断层,主要表现为在平面呈现羽状分布,且存在掉向相反断裂带。在走滑断层两侧的派生断层具有相反掉向,这些都是受走滑应力影响。根据新的构造图方案,我们发现蓝圈标注的位置有了新的圈闭,B14井区在T01位置圈闭面积也得到了落实,这就证实了,B14井的成功钻探是有圈闭背景的, 圈闭落实可靠。对于北部也是新增的一部分圈闭,形成了一系列的潜力目标。

      图  5  走滑断裂解释方案

      Figure 5.  The interpretation of strike-slip fractures

      图  6  新老解释方案对比图(a)老方案(b)新方案

      Figure 6.  Comparison of the new interpretation scheme (b) with the old (a)

      目前渤海油田仍是以构造圈闭为主要目标的勘探阶段,因此精细构造解释是提高勘探成功率的一个重要保障,最大似然属性的应用,可以识别不同尺度的断裂,是精细解释的基础。

    • 在识别复杂断裂的过程中,应用倾角中值滤波能够有效消减地震资料中非平稳信号的突变噪声,滤除噪声的同时还能保护有效信号的边缘信息,凸显断裂信息。最大似然属性的应用可以识别出较多的微断裂,得到连续性较好的相干体,断裂解释更加的直观、精细。本文选择在秦皇岛28构造区应用,最大似然技术帮助我们识别出了较为清晰的“隐性走滑”断裂,结合平面特征,进一步落实构造,直接新增资源量约300万t。并且形成了一套适用于精细断裂成像的地球物理分析技术流程。同时,在其他地区的推广中取得了较好的应用效果。

参考文献 (29)

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