第1章深水地球物理识别技术

1.1地震属性

1.1.1概念和分类

地震属性(seismic attributes)一词，于20世纪70年代由Anstey等正式提出。但实际上，属性分析自20世纪30年代就已经出现，地球物理学家从野外地震记录中拾取地震走时。起初，国内在译名上并不统一，直到20世纪末才基本统一称作地震属性。地震属性的发展与计算机技术的变革密切相关，20世纪60年代数字记录的出现提高了地震振幅测量的精度，由此发展起来的亮点技术指出了烃类孔隙流体与强振幅之间的对应关系；70年代引入彩色显示技术使得地震反射强度、频率、相位和层速度等信息从过去的黑白地震道上凸现出来；80年代地震解释工作站的出现为实现人机交互和井震结合解释提供了硬件支持；现今，技术人员利用功能强大的大型机站操纵地震数据体，提取各类属性用于追踪地质或储层信息已是司空见惯的事(Chopra and Marfurt，2005)。

地震属性，概括而言，就是对地震勘探中有利区域特征的定量表征。从数学意义上讲，是地震资料的几何学、运动学、动力学及统计学特征的一种量度；从属性的提取过程来说，是一种描述和量化地震资料的特性，是原始地震资料中包含全部信息的子集。

地震属性的分类形式多种多样，很多学者均对此进行过研究。Brown和Fisher(1980)将地震属性分为时间、振幅、频率和衰减4类，并提出了叠前属性和叠后属性的分法；Taner等(1979)将地震属性分为几何属性和物理属性；20世纪90年代末，Chen和Sidney(1997)在上述分类方法的基础上提出了一套比较系统的分类方法。依据叠前属性和叠后属性的不同，分为几何学属性、运动学属性、动力学属性和统计学属性。其中统计学属性一般没有明确的物理意义，但却含有更丰富的地质意义，在石油勘探中应用非常广泛。

1.1.2地震属性分析方法

众所周知，储层参数主要包括储层的岩性、物性和含油气性。地震储层预测主要研究地震反射波的振幅、频率、相位、速度等信息，其中速度信息最为关键。储层岩性、物性、储层内的流体性质、地层纵向组合等的变化，都能引起速度的相应变化，而振幅、频率等则是速度变化的具体表现形式。利用地震属性进行储层预测就是通过上述参数的研究来达到预测储层性质及其变化规律的目的。

地震属性的提取采用多种数学方法来实现。20世纪90年代中期，统计学属性发展迅速，大量地质统计方法在属性提取中得到了广泛应用，如本征值、协方差、线性回归、小波变换、模拟退火、遗传算法、人工神经网络等，这些技术在识别和定性描述储层的过程中起到了重要作用，如河道砂以及碳酸盐岩孔洞缝等储层。下面介绍几种在实际工作中常用的地震属性技术。

1)复地震道分析

1979年，Taner等在 Geophysics 上发表文章，提出了复地震道(complex-trace)分析方法，[JP]将信号处理中的Hilbert变换应用于地震资料的解释。利用该方法可以获得地震资料的三类属性值，包括瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率(图1-1)，简称"三瞬属性"。瞬时振幅也称反射强度和振幅包络。

对常规地震道f(t)做Hilbert变换得到其对应的正交道h(t)，将两者分别作为复地震道c(t)的实部和虚部。虚部具有和实部一样的包络和类似的振幅，但相位上做了90°延迟。定义式如下：

该属性表示所选样点上各道时间域振幅包络值［图1-1(b)］，广泛应用于地震资料的构造与地层解释，常与其他振幅属性一起用于分离高振幅与低振幅区，如亮点、暗点技术等。

图1-1三维复地震道数据体

(2)瞬时相位，表达式为

该属性值表示所选样点上各道相位值［图1-1(c)］，单位为°或rad，主要用于增强油藏内部弱同相轴，但对噪声也有放大作用。油气常引起相位的局部变化，所以该属性常与其他属性一起作为油气的检测指标之一。同时也可用于测定薄层的相位特征，横向变化与流体及薄层组合有关。

(3)瞬时频率，表达式为

瞬时频率定义为瞬时相位关于时间的一阶导数［图1-1(d)］，单位为°/ms，或rad/ms。常用于估计地震波衰减。储层油气往往会引起高频成分的衰减，这一属性可以检测油气。

这一方法弥补了常规地震数据识别岩性和流体变化的局限，提高了地震波信息的敏感度和识别精度。

2)AVO属性分析

AVO分析方法是一项利用振幅信息研究岩性、检测油气的地震勘探技术。AVO是振幅随偏移距变化(amplitude variation with offset)或振幅与偏移距关系(amplitude versus offset)的英文缩写。AVO技术是利用共中心点(CMP)道集或共反射面元(common reflection bin，CRB)资料分析反射波随偏移距(或入射角 α )的变化规律，估算界面两侧的弹性参数，进一步推断储层的岩性和含油气性的一种地震数据分析处理技术。图1-2为几类不同岩性组合下的AVO(或AVA)异常。

AVO属性分析主要以CMP道集为输入，经角度道转换后，同一角度的道集组成一个角度道道集，简称角道集，从角道集上可以观测和分析地震反射振幅随入射角的变化。以角道集为输入，根据相应的算法即可得到截距剖面、梯度剖面等各种AVO属性剖面。

AVO技术的理论基础是地震波动力学理论中推导出的Zoeppritz方程组及其简化思路。目前常用的Shuey近似公式获得的梯度截距属性交会图。

3)谱分解

[JP2]地震勘探中，谱分解(spectral decomposition)是对地震道进行连续时频分析的方法。时频分析针对非平稳信号和时变信号，可以将一维地震道变换为二维时频域分布图，作为分析时变非平稳信号的有力工具，时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系(图1-3)。[JP3]因此，地震道的每个时间采样点都能产生频谱。谱分解应用广泛，包括确定层厚(Partyka et al.，1999)、地层可视化(Marfurt and Kirlin，2001)[JP2]以及烃类的直接检测(Castagna et al.，2003；Sinha et al.，2005)。谱分解是一个非过程，因而一个地震道可以产生不同的时频分析结果。谱分解的方法也有很多，包括DFT(离散傅氏变换)、MEM(较大熵法)、CWT(连续小波变换)、ST(S变换)、MPD(匹配追踪分解法)以及HHT(Hilbert-Huang变换)等。这些方法，严格来讲，无所谓"错"与"对"，每种方法都有利与弊，需要根据实际情况选用不同的方法。图1-4就是利用DFT方法进行谱分解运算求取的三维数据体的时间切片。

图1-4南海深水三维数据体1900ms时间切片

4)相干体

地震相干体(coherence cube)技术是20世纪末发展起来的一项功能强大的地震属性解释技术，自从1995年Bahorich和Farmer提出相干算法以来，该算法已从及时代基于互相关的算法(简称C-1算法，Bahorich and Farmer，1995)、第二代利用多道相似性的算法(简称C-2算法，Marfurt et al.，1998)，发展到第三代基于特征结构的相干算法(简称C-3算法，Gersztenkorn and Marfurt，1999)，主要用于地质构造、沉积环境的解释和隐蔽性油气藏的勘探开发。虽然地震相干计算技术用于估算反射界面的倾角、计算折射静校正、剩余静校正和种子点层位自动拾取已有近40年的历史，但相干体技术应用于地震解释只有近20年的时间，其原理及应用将在1.3节进行详细介绍。

相干体技术利用求同存异的原则更清楚地识别地下间断面或不连续体，通过三维地震数据体来比较不同地震波形的相似性。相干值较低的点对应地质体边界(如断层、烟囱构造、溶洞、灰岩坑、特殊岩性体边界等)，对相干数据体做切片(等时切片、层位切片、地层切片)显示，可揭示断层、水道堤岸沉积体系、块体搬运沉积体系、碳酸盐台地、岩性体边界、不整合等地质现象(图1-5)，从而为油藏描述提供特征识别证据。

图1-5相干时间切片，水道堤岸沉积体系清晰可见

水道堤岸沉积体系：①水道；②堤岸；③越岸沉积；④决口扇；⑤滑塌体；⑥碎屑流

5)纹理属性

"地震纹理"一词早在20世纪80年代就已提出，当时用于拾取地震剖面上具有共同信号特征的区域。近几年该属性有了新的发展，基于统计测量，利用灰度共生矩阵算法对纹理属性(texture attributes)进行分类。统计测量方法包括能量(刻画纹理的均一性质)、熵(测量不同纹素或体元之间的可预测性)、对比度(重点刻画了相邻体元之间的振幅差异)以及均一性(强调了振幅的总体平滑度)。其中，能量、对比度和熵被认为是描述地震数据特征最有效的一类属性。

图1-6是同一地层振幅和能量水平切片的对比图，注意到在能量切片中，河道/堤坝沉积可以更好地识别、成像和有效检测出来。

图1-6同一地层振幅和能量水平切片的对比图(Chopra and Marfurt，2005)

6)曲率属性

曲率是一种三维属性，它是对一个二次曲面相对于平面弯曲程度的度量。曲率属性(curvature attributes)属于地震信号二阶导数属性，与倾角大小、倾角方位角等一阶导数属性相比，曲率可以检测到地震数据中更细微的信息。地震曲率属性分析倾角、方位角的横向变化率，其可以排除原始倾角的影响并且可以更清晰地刻画地下微小尺度断裂，这些断裂往往和主要储集层或小断层联系紧密(图1-7)，这已经构成了大多数地震解释工作中不可或缺的部分(Chopra and Marfurt，2005，2008)。

曲率属性按具体属性类别可分为构造曲率和振幅曲率，前者由地震时间或深度剖面构造分量的横向二阶导数计算获得；后者通过计算沿着反射层的地震振幅的二阶导数获得。对于构造曲率数据体，可以计算构造倾角的纵测线和横测线分量；振幅曲率则类似计算能量加权的振幅梯度的纵横测线分量，这相当于直接测量振幅的变化。其中振幅曲率常常可以获得地下线性构造更为细致的信息。

现在的趋势是直接计算获得曲率属性体，其中，目前三维曲率属性体按属性值分类，最有效的可能是较大正曲率属性和较大负曲率属性，因为这两种最容易与地质构造产生联系，曲率属性体非常有助于构造变形地层及断裂中的挠曲、褶皱等精细构造的成像。由Bergbauer等在2003年提出多谱曲率计算方法，并被Al-Dossary和Marfurt在2006年引入到三维体计算。这种方法可以同时获取长波长和短波长曲率图，解释人员就可以对不同尺度的地质体进行刻画，或用于同一地质体不同尺度下特征的描述，短波长曲率应用于刻画高密度的、局部的裂隙；长波长曲率则常用于增强展布挠曲的精细特征，常规地震剖面难以做到这一点。