0 引言
常用的断层敏感类地震属性（相干体、方差体、结构张量等）根据地震反射轴的不连续特征来进行断层的自动识别，这使得它们很难将其他因素（如噪声、地质体边界等）造成的不连续特征与断层区分开[11-13]。对于五宝场地区具有复杂变形特征的逆断层而言，传统地震属性难以对断点进行高效、正确地组合来刻画断层的样式，从而影响对构造特征的认识。使用人工智能模型来识别断层的优势在于，其通过前期大量人工解释的标签来学习断层的特征，从而可以更准确、高效地刻画断层的空间分布[14-17]。前人在对致密储层中断层相关裂缝带进行识别时，对于地震属性体多采用人为给予的权重来进行融合[18-21]，且这些地震属性未能考虑裂缝带内部的不同结构。在地震属性智能融合算法方面，与BP神经网络、支持向量机和多核Fisher判别分析等方法相比，集成学习中的推进算法可以通过学习过程中的误差传递来自动调整样本权重，从而规避单个模型分类能力的局限所导致的识别效果下降，具有更强的泛化能力和稳定性[22-24]。
本文以川东北五宝场地区须家河组五段（简称须五段）致密砂岩为研究对象，采用基于卷积神经网络和集成学习的人工智能方法，对多级次断层及其相关裂缝带进行识别，刻画其发育特征与分布；结合断层、裂缝带与储层的空间分布规律，识别天然气富集区，并阐明断层及其相关裂缝带对气井产能的控制作用。
1 地质背景
五宝场区块地处四川盆地东北部，位于宣汉县以北，开州区以西，面积为708 km2。构造位置处于川东高陡构造带北部，紧邻大巴山弧形构造带。区块东南方向齐岳山自印支中期开始隆升，东北方向大巴山自燕山早期开始进入碰撞造山阶段[25-26]，在研究区内部先后形成了北西向与北东向挤压应力。受此影响，研究区内部发育了以北西向为主，北东向为辅的相互垂直断褶体系（见图1a）。研究区上三叠统须家河组厚300~650 m，为一套深灰—浅灰色砂岩与黑色—深灰色泥页岩互层的陆相沉积序列（见图1b）。须家河组自下而上可以划分为须一段—须六段，研究区须一段普遍缺失，与下伏中三叠统雷口坡组碳酸盐岩夹膏盐岩地层不整合接触。研究区靠近物源区，须家河组内部砂体非常发育，砂地比为50%~80%，沉积相主要为三角洲相—湖泊相[27]。
五宝场地区须家河组的主要含气层位为须五段，其岩性主要为中—细粒岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩，发育大规模压实、胶结与裂缝化作用。须五段储层的孔隙度为4.40%~9.92%，渗透率为（0.005~0.059）×10-3 μm2，孔隙连通性差，为典型的特低孔超低渗储层。五宝场地区存在须五段陆相页岩与上二叠统龙潭组海相页岩两套烃源岩，可以直接或通过断层输导向须五段储层供烃，供烃强度较大[27-28]。断层及其相关裂缝带对于研究区天然气的成藏具有两方面的作用：一是裂缝改善储层连通性，形成有效的裂缝-孔隙型储层；二是断层沟通浅部、深部两套烃源岩与储层，成为天然气的有利运移通道[27]。因此在研究区开展断层及其相关裂缝带分布规律研究具有重要意义。
2 断层智能识别与分布规律
2.1 断层智能识别方法
在众多人工智能断层识别方法中，基于卷积神经网络（CNN）的断层智能识别方法自主学习能力最强，模型参数调整最灵活，因此应用最为广泛[14-17]。本次研究采用了一种U-Net结构的CNN断层识别模型，该结构最早由Wu等在2019年解决断层识别有关问题时提出[15]。该模型由编码器与解码器两个部分组成（见图2a），每个编码器都包含两个卷积层，其作用是提取地震数据中的特征图，卷积层之后紧邻的ReLU激活函数可以根据模型学习到的特征来调整其参数。最大池化层则通过对特征图进行采样操作，提取其中的高级像素特征（如断层整体的构造样式）。解码过程是编码过程的反运算，通过对特征图进行逐层恢复，从而获取特征图的低级像素特征（如断层局部的细节），并最终输出与输入地震数据大小相同的断层概率体，即断层识别的结果[16]。相比于传统三维CNN网络，U-Net网络结构的优势在于连接编码部分和解码部分的全连接层，可将来自解码器的深层高级特征与来自编码器的浅层低级特征相结合，从而建立更加完整的断层空间结构（见图2a）。本次研究采用的开源CNN断层识别模型由Li等在2024年提出[29]，该模型前期经历了1×105个不同类型、不同尺度断层标签的训练，已具备了一定的泛化能力[30]。
五宝场地区构造活动强烈，龙潭组至须家河组断层变形强度大，构造样式复杂。上述CNN模型在进行前期训练时并没有对此类断层特征进行针对性的学习，直接将其用于识别会产生许多“假断层”和错误的断层组合，因此有必要建立适应研究区的断层标签库来对初始CNN模型进行迁移学习训练，从而调整模型参数使其更加适用于五宝场地区的断层识别。通过引进研究区15条典型地震剖面的标准断层解释结果，建立了由760条断层线及其周围地震反射特征组成的标签库。从库中随机挑选200个标签作为迁移训练的测试集，剩下的样本作为训练集，对初始CNN模型进行训练。训练结果显示，当训练次数达到9 700次时，模型准确率达到90%以上（见图2b），模型损失率下降到5%以下（见图2c），并保持相对稳定至训练结束。
采用迁移训练后的CNN模型对研究区的三维地震数据进行断层识别，输出的断层概率体值域为[0,1]，其值越高代表存在断层的可能性就越高。根据构造解析和过断层钻井标定结果，将能够代表有效断层的概率值设定为0.2~1.0。为了更严谨地对比断层识别效果，同样将地震相干属性0.2~1.0设定为有效断层（见图3）。从须五段底面切片来看，CNN模型得到的断层轨迹相比于相干属性更加清晰，同一条断层内部的连续性更好且细节更加丰富（见图3）。从同一剖面的断层识别效果来看，CNN模型相较于传统地震属性主要具有以下3方面的优势：（1）对于一些地震响应较弱或断距较大的断层能够进行有效识别，而相干属性则无法识别出这些断层，如图4中的①、②和③处；（2）能够进行断层线（断点）之间的正确组合，而相干属性则将具有不同倾向和断距的断层扭曲的组合在一起，得到错误的构造样式，如图4中的④和⑤处；（3）CNN模型能够建立正确的断层性质，如图4中⑥处所示，CNN模型将过龙潭组的通源断层正确地识别为倾向为北东向的逆断层，较为符合两盘地层的变形特征。而相干属性则将该断层错误地识别为倾向南西向的正断层。
相比于前人方法，本次研究在采用成熟的CNN断层识别模型的基础上，进行少量的迁移训练调整，既高效又有针对性地完成了研究区的断层识别任务，同时断层识别结果相较于传统属性有更高的准确性，因此认为该断层概率体可以作为断层发育规律研究的依据。
2.2 不同级次断层发育特征
一级断层的走向主要为北东—南西向与北西—南东向，每条断层只有部分分段断至须五段底面。二至四级断层以北西—南东向为主（走向平均约为310°），同时也发育少量较小尺度的北东—南西向断层（见图6）。统计发现随着断层级次的降低，其断距也相应减小（见表1），说明了该分级方案具有较好的合理性。结合剖面构造特征，可将五宝场地区划分为南部、中部和北部3个具有明显构造变形差异的区域（见图5、图6）。南部地区处于构造高部位，变形最为强烈，二级、三级断层密集出现，发育被断层复杂化的高陡斜坡带与背斜带。中部地区变形程度相对较弱，断层数量少，西部表现为受多条近平行断层控制的向斜带，向东过渡为受北东—南西向一级断层控制的大型背斜（见图5、图6）。北部地区变形程度介于南部与中部之间，大型二级断层间发育北西—南东向褶皱带，东部北东—南西向背斜被北西—南东向断层切割（见图5、图6）。
2.3 断层构造样式
五宝场地区须家河组逆断层发育5种常见构造样式：对冲构造、对冲-背冲构造、叠瓦状构造、复向斜叠瓦-背冲构造与复背斜叠瓦-背冲构造（见图7）。对冲构造是研究区最常见的构造样式，由两条共用下降盘的倾向相背的逆断层组成，且主断层一侧的隆起程度大于次断层一侧（见图7a）。对冲-背冲构造由对冲构造发育而来，表现为由底部的对冲构造和上部的背冲构造组合而成的“X”型断层形态（见图7b）。叠瓦状构造由多条同向倾斜的逆断层组成，形成于变形程度较低的研究区中部地区，断层的断距整体较小，具有由中间向两侧逐渐增大的趋势（见图7c）。五宝场地区的背冲构造特征较为复杂，通常与叠瓦状断层同时出现，存在复向斜叠瓦-背冲构造与复背斜叠瓦-背冲构造两种形式。复向斜叠瓦-背冲构造主要发育在中部地区，由宽缓的向斜构造发育而来，地势表现为中心低于两翼（见图7d）。复背斜叠瓦-背冲构造主要分布在南部地区的高陡构造带，由原背冲构造的共用上盘演变而来，中心地势高于翼部（见图7e）。
3 断层相关裂缝带智能识别与分布规律
3.1 断层相关裂缝带智能识别方法
本次研究采用地震属性智能融合方法对断层相关裂缝带进行识别。首先需要选取适宜的地震属性作为融合的基础，断层对裂缝发育的控制作用主要是通过断层活动产生的应力导致围岩破裂而实现的，因此可以根据裂缝带不同部位的变形特征来针对性的选取地震属性。从剖面上看，五宝场地区断层相关裂缝带普遍宽度较大，其内部结构可以划分为微断裂、断控裂缝与断控褶皱裂缝3部分。
微断裂是指断层破碎带中调节上下盘之间断距的次要滑动面，其地震响应为同相轴的微错断（见图8a）。断层概率体虽然能够很好地构建大尺度断层的构造样式，但是对于微断裂而言其响应并不敏感。通过计算最大似然属性可以较好地识别微断裂（见图8b）[12,31]。断控裂缝是指由断面摩擦和挤压在岩层中产生的裂缝，断控裂缝带的地震响应为平行于断面的杂乱反射带，与展现出连续层状反射的围岩具有显著差异（见图8a）。通过对原始地震数据进行基于构造导向的平滑滤波，然后对滤波残差数据计算振幅包络属性（见图8c、图9），可以很好地对断控裂缝带进行刻画[32-33]。断控褶皱裂缝是指受断层控制的地层褶皱变形产生的裂缝，其地震响应为同相轴的高曲率部位（见图8a）。断控褶皱裂缝带的规模和地震响应要弱于断控裂缝带，这使得利用原始地震数据对其进行识别具有一定困难。为了增强地震数据对断控褶皱裂缝带的响应，通过广义频谱分解处理来提取地震数据的高频部分，然后使用高频地震数据计算最大正曲率属性来识别断控褶皱裂缝带（见图8d、图9）[34-35]。同时，最大正曲率属性对于断控裂缝带也有较好的响应，可以进一步增强其识别效果。
本次研究选用集成学习推进算法中的极端梯度提升树（XGBoost）作为地震属性智能融合的算法[23-24]。首先通过对上述3种地震属性提取井旁地震道曲线，与对应井段的井漏和成像测井裂缝发育信息组成272个标签数据集（见图9a），从中随机选取62个标签作为测试集，剩余210个标签作为训练集输入模型。如图9a所示，模型中的决策树1通过初始权重学习训练集中属性与井漏、裂缝信息的对应性并得到模型1，同时根据学习结果的误差来提高训练集中误差较高样本的权重，从而得到训练集1。如此往复循环，每一次均需要对现有模型全部进行加权求和后对测试集进行验证，直至得到一定数量的模型，能够确保获得最优的学习率和最少的损失。在最终得到的n个决策树中，可根据Lu等提出的筛选高频分裂点方法拟合得到模型的最优权重[36]。将3个属性体带入最优权重就可计算得到表征裂缝带分布的裂缝强度（FI）数据体（见图9）。该地震属性智能融合方法不仅针对裂缝带的不同结构优选了敏感性较高的地震属性，还在极端梯度提升模型的基础上得到了适用于属性体融合的最优权重，相比前人实现的对曲线和平面属性的融合，其显著提高了方法的适用性[22-24]。
3.2 断层相关裂缝带发育特征
由图12c可见，五宝场地区断层相关裂缝带宽度与断距具有良好的正相关关系，这表明随着断层级次的升高，其引起的地层断距与褶皱效应就越强，产生的断层相关裂缝带宽度也越大。不同级次断层的上盘相关裂缝带宽度要显著大于下盘，说明逆断层在形成时其上盘活动性与变形程度要高于下盘（见图12d）。一至四级断层的上盘平均裂缝带宽度与下盘平均裂缝带宽度之比分别为1.8，1.6，4.0，12.2。一级断层与二级断层的下盘远离主断层的一端往往与其他断层组合形成复杂构造样式，从而增大裂缝带的宽度，这导致它们的上、下盘裂缝带宽度之比较小。三、四级断层活动强度偏低，其下盘变形程度更低，一些四级断层的下盘几乎不发育裂缝带，因此它们的上、下盘平均裂缝带宽度之比要远大于一、二级断层（见图12d）。
3.3 断层相关裂缝带发育模式
五宝场地区的裂缝带分布与断层构造样式高度关联，形成了4种典型的裂缝带发育模式：对冲构造型模式、对冲-背冲构造型模式、复向斜叠瓦-背冲构造型模式与复背斜叠瓦-背冲构造型模式。
对冲构造型模式内两条断层共用的下盘变形程度较大，造成其断控裂缝带的上、下盘宽度较为接近。断控褶皱裂缝带主要发育于上盘背斜顶部，规模较大，纵向可从须家河组顶面延伸到底面（见图13a）。对冲-背冲构造型模式与对冲构造型裂缝带的显著区别有两点：①在断层的交汇处，断控裂缝带宽度显著增大；②断层共用上盘的弯曲程度明显增大，使得断控褶皱裂缝带宽度增大（见图13b）。复向斜叠瓦-背冲构造型模式主要出现在研究区中部，断控裂缝带宽度相对较小，上盘宽度显著大于下盘。断控褶皱裂缝带与断控裂缝带的间距增大，纵向延伸长度较小（见图13c）。复背斜叠瓦-背冲构造型模式主要分布在研究区西南缘与东南缘，断控裂缝带宽度略小于对冲构造型与对冲-背冲构造型模式。断控褶皱裂缝带主要发育在背冲构造的共用上盘，其底部向断控裂缝带汇聚，纵向延伸长度大（见图13d）。
综上认为，对冲构造型与对冲-背冲构造型模式最有利于裂缝的发育，复背斜叠瓦-背冲构造型模式次之，复向斜叠瓦-背冲构造型模式最差。
4 油气地质意义
4.1 断层及其相关裂缝带对天然气富集的控制作用
断层对天然气富集的控制作用包括供烃条件和气藏保存条件两方面。对五宝场地区和四川盆地其他地区须家河组气样的甲烷、乙烷碳同位素组成数据进行投点后发现，Q1X井、W20井与W15井的天然气均具有混源特征[37-38]，而D4井则表现为须五段气源气（见图15）。这说明须家河组储层与龙潭组烃源岩存在较为广泛的连接通道。根据断层识别结果，研究区内的4条一级断层和另外4条过龙潭组的断层能够以直接或与过须五段断层搭接的方式，对龙潭组烃源岩生成的油气构成有效的运移通道（见图5、图16a）。五宝场地区南缘须家河组处于构造高部位，加之断层活动强烈，发育多条断至地表的大型断层（见图5）。对H6井须五段进行上返试气，结果未获气，这表明该地区保存条件较差，断至地表的断层导致须五段天然气溢失。根据以上分析，在须五段内划分出了双源供烃区与保存条件较差的断层泄气区，其余区域则为须五段单源供烃区（见图16a）。双源供烃区共有3个，主要分布在北部和南部至中部的过渡区，总面积为271.07 km2。研究区东南部与西南部均为断层泄气区，不利于天然气的聚集。对于不同裂缝带发育模式而言，对冲构造型、对冲-背冲构造型与复向斜叠瓦-背冲构造型供烃条件、保存条件均较好，有利于天然气的富集，而复背斜叠瓦-背冲构造型供烃、保存条件较差，不利于天然气的富集，在有利区优选中应当予以排除。
4.2 天然气有利富集区
高基质孔隙砂体的发育是天然气富集的必要条件。本次研究利用叠前同时反演得到的纵横波速度比与纵波阻抗数据体，去除泥岩后，再根据井上拟合关系换算得到须五段的孔隙度数据体。按照储层孔隙下限设定孔隙度大于3.5%为有效储层，并以储层厚度大于10 m的范围作为有利储层发育区（见图16b）。须五段有利储层发育面积为234.53 km2，储层厚度最大可达18 m，平均孔隙度为4.7%。
结合断层及裂缝带识别结果、供烃保存条件和有利储层分布，划定了五宝场地区须五段的Ⅰ类与Ⅱ类天然气有利富集区范围（见图16c）。Ⅰ类区为双源供烃有利区，总面积为130.06 km2，主要位于研究区北部和南部至中部的过渡区。Ⅰ类区内主要发育对冲型和对冲-背冲型裂缝带模式，其中断控裂缝带总面积为36.80 km2，断控褶皱裂缝带面积为26.40 km2（见图16c）。Ⅱ类区为单源供烃有利区，总面积为89.11 km2，主要分布在研究区中部。Ⅱ类区主要发育复向斜叠瓦-背冲构造型裂缝带模式，断控裂缝带总面积为17.56 km2，断控褶皱裂缝带面积为10.86 km2（见图16c）。对比来看，Ⅰ类区不仅供烃强度更大，而且裂缝带发育规模也要显著大于Ⅱ类区，并且Ⅰ类区的构造变形强度大，许多区域高部位均发育规模裂缝带（见图16c），因此Ⅰ类区是五宝场地区内最有利于天然气富集的区域，Ⅱ类区则为次有利区。
4.3 高产气井模式
五宝场地区以须五段为主要产层的5口气井在测试与产能上具有较大的差异，尤其是W15井与W15X井、W20井与W20H井位置相近，均开采同一气藏，但是在累计产量和产能上相差较多（见表2）。分析认为裂缝的有效性与优质储层的匹配关系导致了不同气井的产能差异。
表2 五宝场地区须五段气井产能分析表 |
| 井名 | 储层 厚度/ m | 平均 孔隙度/ % | 张开 缝密度/ (条·m-1) | 试气产能/ (104 m3·d-1) | 累计产量/ 104 m3 | 产能/ (104 m3·d-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| W15 | 15.1 | 5.4 | 0.46 | 20.47 | 6 400 | 6 |
| W20 | 12.5 | 4.0 | 0.24 | 16.16 | 252 | 1 |
| W15X | 10.1 | 3.6 | 0.40 | 6.96 | 434 | 2 |
| W20H | 12.7 | 4.5 | 0.51 （水平段） | 20.73 | 3 385 | 5 |
| Q1X | 13.0 | 5.1 | 0 | 3.73 | 未投产 | |
通过黏滞剩磁岩心定向实验，测得五宝场地区的现今大水平主应力方向为281°，与绝大部分裂缝走向呈小角度相交（见图12b），因此从宏观应力的角度难以区分须五段内不同裂缝的有效性差异。断控裂缝形成于断面的挤压与相互滑动，主要为剪切裂缝。而断控褶皱裂缝则受局部地层弯曲形成，这些区域（如背斜顶部）会形成局部张性环境，使得断控褶皱裂缝以张裂缝为主，其开度与保持开启性的能力一般都要优于断控裂缝，但是裂缝的有效性不能以其成因类型一概而论，还要考虑到构造应力的作用和裂缝带整体的规模。
张开缝密度与钻井液漏失情况可以用来评价裂缝带的有效性。W15井、W20H井、W15X井与W20井均位于Ⅰ类有利区内（见图16c），W20井与W15X井均钻遇断控裂缝带，储层内的张开缝密度分别为0.24条/m与0.40条/m（见表2）。W20井在须二段发生少量漏失（见图11b），W15X井未见明显漏失（见图11d）。而W20H井与W15井均钻遇断控褶皱裂缝带，储层张开缝密度分别为0.51条/m与0.46条/m（见表2）。这两口井在须五段的漏失量分别达到了49.3 m3与78.1 m3（见图11a、图11e）。张开缝密度与漏失量的差异表明了Ⅰ类有利区内断控褶皱裂缝带的有效性更好。Q1X井位于Ⅱ类有利区内，在须二段靠近断控裂缝带时发生了漏失（见图13c），说明了断控裂缝带在Ⅱ类有利区内具有更好的有效性。进一步分析可知，Ⅰ类有利区内的对冲型、对冲-背冲型中的断控裂缝带长期受到垂直于断面应力的强烈挤压，导致其断控裂缝开启性较差，而挤压造成的大幅度地层弯曲反而促进了断控褶皱裂缝带的成规模发育和开启，使其具有较好的有效性（见图13a、图13b）。Ⅱ类有利区复向斜叠瓦-背冲构造型中的断控裂缝带在演化过程中受到的挤压作用更弱，可以保持一定的有效性。较弱的构造变形导致其断控褶皱裂缝带的发育规模很小，且无法与断层有效的沟通（见图13c），有效性较差。因此，在五宝场地区Ⅰ类有利区内断控褶皱裂缝带的有效性要高于断控裂缝带，而在Ⅱ类有利区内断控裂缝带的有效性则要高于断控褶皱裂缝带。
基于以上分析，五宝场地区高产气井模式可以总结为“双源断层控制富集、有效裂缝带控制高产、高基质孔隙确保稳产”，即沟通上下两套烃源岩的断层控制了气藏内天然气的富集，开启性较高的有效裂缝带控制了气井初期的高产，一定规模的高基质孔隙度储层则保障了气井的长期稳产。按照此模式，在Ⅰ类有利区内，下一步的有利钻探方向应该是对冲型与对冲-背冲型模式中的背斜顶部断控褶皱裂缝带，而在Ⅱ类有利区内，钻探方向应该瞄准复向斜叠瓦-背冲构造型模式中的较大规模断控裂缝带。
5 结论
进行迁移训练的CNN模型能够高效、准确地刻画五宝场地区断层的空间变形特征。研究区须家河组断层可以划分为一至四级，随断层级次的升高断距也不断增大。五宝场地区南部构造变形程度最强，北部次之，中部则最为平缓。须家河组逆断层存在对冲构造、对冲-背冲构造、叠瓦状断层、复向斜叠瓦-背冲构造与复背斜叠瓦-背冲构造5种构造样式。
利用基于极端梯度提升树的地震属性智能融合方法对断层相关裂缝带进行识别，得到的裂缝带空间分布与钻井数据对应较好，且与断层分布一致性较高。裂缝带走向以北西—南东向为主。断层相关裂缝带宽度与其断距具有良好的正相关关系，断层上盘裂缝带宽度普遍大于下盘。五宝场地区发育对冲构造型、对冲-背冲构造型、复背斜叠瓦-背冲构造型与复向斜叠瓦-背冲构造型4种裂缝带发育模式，其中对冲构造型、对冲-背冲构造型裂缝带模式最有利于裂缝的发育。
断层相关裂缝通过沟通孔隙和产生次生溶孔改善储层的储集空间。按照断层的发育方式可在须五段划分出双源供烃区、单源供烃区与断层泄气区，天然气有利富集区可以划分为Ⅰ类与Ⅱ类。Ⅰ类区具备双源供烃条件，且裂缝带发育规模更大，有利程度高于Ⅱ类区。
Ⅰ类有利区内断控褶皱裂缝带的有效性要高于断控裂缝带，而在Ⅱ类有利区内断控裂缝带的有效性则更高。五宝场地区具有“双源断层控制富集、有效裂缝带控制高产、高基质孔隙确保稳产”的天然气富集高产模式，下一步的有利钻探方向为Ⅰ类有利区内的断控褶皱裂缝带和Ⅱ类有利区内的断控裂缝带。