1. 引言
低序级断层由高序级断层派生的，通常是指断层分级在四、五级及以下的断层。由于其规模、断距以及延伸长度较小，往往利用常规的断层识别方法难以刻画，而低序级断层在油田开发中对于井网布局、注采调整和剩余油挖潜往往起到重要作用。国内学者对于低序级断层的起步较早，研究也取得了一系列进展。边树涛(2007)利用地震相干体技术对曲堤油田低序级断层的刻画进行了探索 [1] ，史军(2009)利用蚂蚁体追踪技术解释埕岛油田低序级断层取得了很好效果 [2] ，张美玲(2011)通过井震结合，通过考察构造位置的变化趋势对辽河盆地卫星油田的小断层进行了刻画 [3] ，夏波(2016)通过地震资料优选和平剖组合的方式对辽河油田主力边部断裂系统的低序级小断层进行了识别 [4] ，随着研究的深入，低序级断层的解释方法逐步增多，效果也逐渐变好，但是对于中深层的低序级断层的识别仍有困难，本文以渤海JX油田为例，利用重处理的地震资料，利用常规解释方式与蚂蚁追踪相结合的方法，结合构造运动对断层的控制作用，采用层次分析的方法逐级确立了断层发育模式，并以此为指导识别了JX油田的不同序级的断层，明确了不同序级特别是低序级的展布规律和分布特征，其结果对于明确研究区构造以及油田开发具有重要意义。
2. 研究区概况
渤海海域郯庐走滑断裂带是重要的油气富集带，受郯庐走滑断裂带控制，不同序级的断裂极为发育，构造极其复杂 [5] ，渤海JX油田位于渤海辽东湾海域，其构造位于辽中凹陷中段的洼中反转带上，被郯庐断裂的辽中1号大断层分割，划分为东、西两个构造单元 [6] [7] ，西块单元为依附走滑断层的长条形半背斜构造，东块构造单元为受到走滑断裂控制，形成一系列复杂断块构造，并被内部次生高序级断层划分为多个井区或断块，油田内部发育多条低序级断层，含油层系为古近系东营组和沙河街组，东块主力含油层系分布于沙河街组一、二段，储层为扇三角洲沉积的砂岩，油藏以层状构造油藏为主，西块主力含油层系分布于东营组二、三段，储层为三角洲-辫状三角洲沉积的砂岩，油藏以层状构造油藏为主 [8] [9] (图1)。
3. JX油田低序级断层识别
3.1. 三维地震资料重处理
清晰的三维地震资料是低序级断层识别的前提，针对中深层断层刻画难度大的问题以及开发阶段研究任务的特点和重点，采用叠前时间偏移方法开展三维地震资料重处理，特别加强了速度的精细分析和断层的成像处理，采样率为2 ms，最终处理面元为25 m × 12.5 m，从而提高了信噪比以及断点清晰程度。通过对JX油田地震数据体进行的频谱分析显示，JX油田有效频带宽为10~65 Hz，主频大致为33~35 Hz，纵向分辨率(1/4波长)约为18.6~21.2 m。2008年，针对油田开发阶段的特点和重点，为了进一步加强速度分析以及断层成像问题，从而对低序级断层开展精细描述，对JX油田三维地震资料进行重新处理。重新处理后，信噪比提高、断点清晰程度提高、反射特征层次清楚，满足油田范围内低序级断层精细刻画的需要(见图2)。
3.2. 层位标定及地震反射层特征
结合JX油田分布于油田不同断块的25口有声波测井资料以及7口VSP测井，参考本井或邻井VSP速度，结合声波及密度等测井资料，较好地约束油田区域速度的横向变化，完成多口井的精细合成地震记录，从研究结果可以看出，合成地震记录与地震剖面的匹配程度较高，各油组的波组特征清晰，横向可追踪(图3)。结合对JX油田地震剖面的分析，JX油田主力储层东营组二段到东营组三段地震波组反射整体表现为中频、中~强振幅、中~强连续性的特征，各油组顶面反射特征清楚、内部振幅强度及连续性
Figure 1. Bohai JX oilfield area location map
图1. 渤海JX油田区域位置图
Figure 2. Comparison of the results of seismic data reprocessing in JX oilfield (the old picture on the left and the new picture on the right)
图2. JX油田地震资料重处理结果对比图(左图为老、右图为新)
Figure 3. Synthetic seismic record study of JX oilfield
图3. JX油田合成地震记录研究
存在一定差异。其中，东二段各油组振幅连续性相对较差，东三段各油组振幅较强，连续性较好；在构造高部位地震反射相对较差，局部受断层影响较大，反射杂乱，结合地震剖面研究以及多数据体叠合显示分析，应用三维空间显示法对断裂结构进行研究，以确保断层在几何形态及动力学特性上的合理性。
3.3. 断裂特征与断层识别
JX油田位于郯庐断裂走滑带上，断裂活动非常强烈，构造的形成受走滑断裂控制，油田构造整体表现为复杂断块的构造特征。在近南北向走滑断层强烈的走滑作用下，油田区域中部形成一条北东向展布的断块“凹陷”带，主要含油区域发育于该带的东、西两侧。走滑断层主支F1贯穿整个油田，本次研究分油田东、西两块，油田西块东营组断裂结构复杂，断层附近发育多条小断层，5、6、2D井区主要发育两组不同走向及规模的断层。利用常规手段识别规模比较大的高序级断层以及断层相对清晰具有一定规模的低序级断层，具体的思路是层次分析，平面与剖面相结合的方法，由大及小进行识别。如JX油田5井区一组平面上与边界断层呈斜角相交，由直接与边界断层相交的延伸长度较小(小于
700 米
)的多条小断层和离开边界断层一定距离的延伸长度较大(一般大于
600 米
)的多条断层组成；另一组平面上与边界断层近于平行，剖面表现为近似“花状”样式(图4)，根部与边界断层搭接。
3.4. 蚂蚁追踪识别低序级断层
3.4.1. 蚂蚁追踪原理
自然界中，蚂蚁通过分泌信息素在寻找食物过程中确立蚁巢与食物之间的最短路径，蚁群通过信息素浓度较高的最短路径进行前进并规避障碍物，实现觅食的最优方式。而蚂蚁算法基于蚂蚁此种方式的觅食行为，信息素较浓的路径更能吸引蚂蚁，信息素不断的增强最终收敛于最优路径。这种利用积极的正反馈机制确立的群体智能优化搜索模式是蚂蚁追踪技术的基本原理，在二维或三维地震数据体中散播大量电子蚂蚁，释放电子信号并召集其他蚂蚁汇聚，最终完成断层以及裂缝的追踪识别。在断裂系统解释中，蚂蚁追踪技术具有高效、客观、精确等优势 [10] [11] 。
Figure 4. Interpretation results of faults in Well 5 of JX Oilfield
图4. JX油田过5井断层解释结果
3.4.2. 蚂蚁追踪识别低序级断层
利用常规解释方法能够解释断层规模较大、断距较大的断层，而对于规模较小、断距较小的断层难以刻画，针对低序级的断层识别的难题，利用蚂蚁算法的优势，采用“数据提取、属性追踪、断层识别、约束校验”的低序级断层刻画思路，分为五步开展研究。首先是地震数据体的处理，利用中值滤波算法、地震数据边缘增强处理以及提取蚂蚁追踪属性体，采用蚂蚁追踪算法对断层进行识别，由于蚂蚁追踪的断层识别结果较多，难以明确真正的断层，采用similarity算法对断层进行识别，其吻合的结果即为最终的识别结果。最后，利用数值模拟结果、动态资料以及示踪剂实验对识别的断层进行验证。
利用petrel地质建模软件对潜在断层进行追踪，第一步是地震资料的处理，具体采用中值滤波算法，通过构造平滑处理以增强地震反射的连贯性。第二步采用地震数据边缘增强处理，对构造平滑后的地震体进行进一步优化处理并生成方差体，增强边界特征，突出特殊的地层不连续性并生成方差体。第三步提取蚂蚁追踪属性体，通过对蚂蚁分布边界、搜索步长、终止标准等参数进行设置，对方差体进行追踪刻画并提取蚂蚁属性体(图5)。
4. 低序级断层发育模式研究
结合三维地质资料和解释结果以及蚂蚁追踪的断层在平面上的发育特征，在平面范围内对JX油田构造的详细分析，开展低序级断层模式的划分，根据其与构造活动的强烈程度以及低序级断层与高序级断层的接触关系，将JX油田划分为4类共8种断层发育模式(图6)。
4.1. 构造活动强烈类
存在4种断层发育模式，包括半弧斜列式、半弧平行式、夹持平行式、单向平行式共4种。
半弧斜列式发育在构造活动强烈的弧形高序级断层内侧，位于JX油田西块北部构造高部位近于高序级断层F2东侧，低序级断层呈近平行状发育，为高序级断层的次生断层(图6)，规模较大主要发育于3
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 5. Seismic data volume processing and ant tracking algorithm to determine faults. (a) Construct smooth processing; (b) Edge enhancement processing variance; (c) Ant genus; (d) Fault recognition results
图5. 地震数据体处理及利用蚂蚁追踪算法确定断层。(a) 构造平滑处理；(b) 边缘增强处理方差体；(c) 蚂蚁属性体；(d) 断层识别结果
Figure 6. Different types of fault development pattern
图6. 不同类型断层发育模式图
井区，断层长度3973~4213 m，平均2942 m，断距20~30 m，平均23 m，断层间距离456~482 m，平均469 m。
半弧平行式在构造活动强烈的弧形高序级断层内侧，位于JX油田西块北部高序级断层F2构造中低部位，低序级断层呈半弧状近平行状发育，为高序级断层的次生断层(图6)，断层延伸长度较长、断距较大，主要发育于3井区，断层长度3973~4213 m，平均4218 m，断距40~140 m，平均100 m。断层间距离1343~1121 m，平均1232 m。
依附单斜式发育于JX油田东块高序级断层F1东盘，依附于构造高部位高序级断层并与之呈垂直或一定角度搭接，为高序级断层构造活动强烈期的次生断层(图6)，发育在JX油田东块的E-1/E-2/E-3D/E-4/E-4S井区，为各个井区的分界断层，具有断层规模大、延伸长度长的特征，将JX油田东块分割为不同井区及流体系统，断层长度2286~5836 m，平均3972 m，断距40~280，平均144 m，断层间距离较大，为877~1368 m，平均为1099 m。
夹持阶梯式被构造活动强烈的两条高序级断层F1及F2所夹持，位于JX油田中块4井区成阶梯状平行发育与高序级断层内部(图6)，夹持阶梯式断层长度较长且彼此长度变化不大，1053~1583 m，平均为1328 m，断距较大变化差异大，20~140 m，平均为80 m，断层间距离中等，为390~726 m，平均为517 m。
4.2. 构造活动较强类
夹持平行式位于高序级断层F2以及其次生的低序级断层形成的夹持部位内侧，构造活动较强，平行于高部位高序级断层或其次生低序级断层，断层之间距离较小，呈雁列状排列(图6)，本区该类断层发育于JX油田西块南部5井区，共发育两组。东侧一组断层依附于高序级断层，规模较大，具有长度和断距均较大的特征，断层长度1147~3308 m，平均1890 m，断距15~30 m，平均22 m，而西侧一组断层受控于高序级断层的次生断层，规模较小，具有长度和断距均较小的特征，断层长度为436~968 m，平均736 m，断距10~15 m，平均13 m，断层间距离较小，120~181 m直接，平均为151 m (图7)。
单向平行式与高序级断层F2平行发育，构造活动较为强烈，单向平行式低序级断层发育于JX油田西块北部2D井区，彼此呈近平行状发育，断层规模大，断层长度1527~2354 m，平均2077m，断距15~20 m，平均17 m，断层间距离中等，336~440 m，平均为388 m。
Figure 7. Scatter plot of different types of fault features
图7. 不同类型断层特征散点图
4.3. 构造活动较弱类
八字搭接式与高序级断层F2呈八字形搭接(图6)，发育于JX油田西块中部6井区，构造活动强弱，断层规模小，断层长度187~526 m，平均353 m，断距5~10 m，平均8 m，断层间距离中等，相邻断层中部距离282~602 m，平均为384 m。
4.4. 其他类
杂乱式为各类构造活动期高序级断层的次生断层，JX油田东块和西块均有发育，断层规模、断距大小不等，发育于高序级断层附近及其次生断层附近，其特征不具有规律性本次未进行系统研究(表1)。
5. 效果与应用
结合不同类型断层发育模式图版对JX油田所有断层进行了归类和研究，通过对构造活动强、构造活动较强和构造活动较弱3类统计结果进行分析，3类断层具有比较明显的区分特征，结合对于JX油田区域构造的发育特征研究，JX油田低序级断层主要集中在长度1000~4000 m、断距10~40 m，即以四、五级断层为主，其中构造活动强类断层最多，构造活动较强类断层次之，构造活动弱类断层最少。通过平面上对断层进行分析可得知，JX油田东块以及西块北部构造活动强，东块以复杂断块为主，JX油田西块南部构造较为强烈，JX油田西块中部构造较弱。
结合油田沉积相类型、储层物性以及水体能量等方面的研究，对于不同的构造特征的井区采取“因块制宜，一块一策”的开发方式。对于构造活动强烈的JX油田东块的E-1/E-3D/E-4/E-4S/E-5井区，各个井区被依附单斜式断层分割为不同单元，其沉积相类型为扇三角洲沉积，高孔高渗储层，水体能量5~20倍，采用不规则井网注水开发；对于构造活动强烈的JX油田西块北部的2D井区，其沉积相类型为三角洲沉积，高孔高渗储层，水体体积5~10倍，采用不规则井网注水开发。对于构造运动比较强烈的JX油田西块南部5井区，高孔高渗储层，水体能量5~30倍，由于构造低部位夹持平行类断层阻隔了水体能量供给，采用了高部位水平井行列井网开发，低部位(断层东侧)边外注水的方式进行开发。对于构造运动比较弱的JX油田西块中部6井区，三角洲沉积，高孔高渗储层，水体能量60~80倍，断层以八字搭接式发育且规模较小，对水体能量无阻隔作用，因此采用水平采油井和定向采油井利用天然能量开发的方式(图8)。
经生产证实，采用新方法识别出常规手段难以刻画的低序级断层，根据断层的发育特征油田内部进行了开发调整，通过完善井网、增加注水量、分层调配等方式改善开发效果，JX油田连续3年开发效果持续改善，自然递减率保持较低水平，本次研究可以为类似油田提供借鉴(图9)。
Table 1. Classification of fault grades
表1. 断层等级划分表
Figure 8. Distribution of fault planes of different order levels in JX oilfield
图8. JX油田不同序级断层平面分布图
5井区开发井位图6井区开发井位图 E-1井区开发井位图
Figure 9. Development well map under different types of fault control
图9. 不同类型断层控制下的开发井位图
6. 结论
1) 渤海JX油田位于郯庐断裂走滑带上，断裂活动非常强烈，构造的形成受走滑断裂控制，油田构造整体表现为东西分块、南北不同的复杂断块构造特征。
2) 利用常规方法与蚂蚁追踪技术相结合的方法，采用“数据提取、属性追踪、断层识别、约束校验”的低序级断层刻画思路，对JX油田不同序级断层进行识别，根据构造活动的强烈程度以及低序级断层与高序级断层的接触关系，划分为4类共8种断层发育模式，包括半弧斜列式、半弧平行式、夹持平行式、单向平行式，夹持平行式和单向平行式八字搭接式以及杂乱式共8种断层发育模式。
3) JX油田低序级断层主要集中在长度1000~4000 m、断距10~40 m，其中构造活动强类断层最多，构造活动较强类断层次之，构造活动弱类断层最少。
4) 针对不同构造特征的井区采用不同的开发方式取得较好的开发效果。
基金项目
“十二五”国家科技重大专项“渤海海域大中型油气田地质特征”(2011ZX05023006002)。