基于束波變換的疊后縫洞精細成像處理技術

史飛洲,穆 潔,方 圓

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院，南京 211103；2.中國地質調查局發展研究中心，北京 100037)

碳酸鹽巖儲層的埋深大，且縱向、橫向的非均質性較強，其中溶蝕孔洞和斷裂較為發育，并共同構成油氣的儲集空間和運移通道，提高二者的地震成像精度對碳酸鹽巖儲層油氣勘探和開發具有重要的意義。馬學軍等[1-2]、胡鵬飛[3]針對塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲層的特點，提出了對應的處理流程，主要包括：疊前去噪、層析靜校正、地表一致性處理、高精度速度建模和偏移成像等，從而有效地改善了研究區縫洞型儲層的成像精度。在此基礎上，龔洪林等[4]、李鵬等[5]將上述方法分別應用于塔中82井區和塔里木盆地玉北6井區，提高了溶蝕孔洞和裂縫的可識別性，取得了較好的成像效果。陳明政等[6]、劉斌等[7]和蔣波等[8]將繞射波分離成像技術應用于碳酸鹽巖儲層的縫洞識別中，有效提高了裂縫和溶洞的識別精度。隨后，印興耀等[9]提出了基于子波重構的高斯束正演方法，可以較準確地刻畫起伏地表對下伏地層的影響；馬靈偉等[10]借助正演模擬的方法，對近地表黏彈性介質進行了兩個方面的系統研究，包括地震波能量的吸收衰減和深層碳酸鹽巖縫洞成像；張軍華等[11]在數值模擬的基礎上，探討了上覆地層、信噪比、覆蓋次數、速度模型和偏移方法對溶洞成像的影響；孫振濤[12]基于疊前地震數據的分頻振幅差異，有效地識別了塔河油田的不同尺度的溶洞；陳蘭樸等[13]對塔河油田東南斜坡奧陶系縫洞儲層的發育規律進行了研究和評價；陳培元等[14]結合地質資料，利用數字建模的方法，對塔河地區的裂縫展布規律進行了預測，預測結果與地質認識有較高的符合率，上述的研究成果有助于縫洞成像精度的進一步提升。隨著計算機運算速度的飛速提升，以及偏移算法的不斷進步，近年來，逆時偏移成像技術(RTM)在實際地震資料處理中得到了較為廣泛的應用，徐穎等[15]、薛明喜等[16]在實際地震數據的基礎上，對比了疊前時間偏移、疊前深度偏移和逆時偏移的成像效果，并認為逆時偏移技術的聚焦效果最好。李振春等[17]、高厚強等[18]分別將逆時偏移成像技術應用于我國西部探區，準確地刻畫出了碳酸鹽巖儲層中的溶蝕孔洞和斷裂的形態和位置，取得了較好的實際應用效果。

前人研究成果和應用大多是針對的疊前地震數據，并取得了較好的縫洞成像效果。但是，基于碳酸鹽巖儲層的疊后地震數據，尤其是提升縫洞成像精度的研究還比較少。在精細的疊前預處理和逆時偏移成像基礎之上，利用束波變換技術，對塔里木盆地塔河油田某區塊奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層的疊后地震數據進行了處理，將目標地質體從剖面中提取出來，從而有效地提高了溶蝕孔洞和斷裂的成像精度。

1 基本原理

束波變換的概念是由Donoho等[19-21]于2000年提出的。如圖1(a)所示，假設正方形圖像的像素大小為n×n，其中n為像素個數，即該圖像由n×n個小方塊組成，每個小方塊稱為一個像素。當正方形的邊長為1時，則圖像就被歸一化為[0,1]×[0,1]的單位方塊，圖像中每個像素的大小為1/n×1/n。

為了得到不同尺度大小的方塊，采用遞歸二分的方法對圖像進行分割。定義尺度因子為j，原始的正方形圖像被分割成2j×2j個小方塊，如圖1所示。圖1(a)～圖1(d)對應的尺度因子分別為0、1、2、3，即原始的正方形圖像被分割成1、4、16、64塊。

不同尺度因子下的每一個二分方塊用式(1)表示：

S(k1,k2,j)={(x1,x2)∶[k1/2j,(k1+1)/2j]×

[k2/2j,(k2+1)/2j]}

(1)

式(1)中：k1和k2為尺度因子，0≤k1<2j，0≤k2<2j，當尺度因子為0時，即k1=k2=j=0時，S(k1,k2,j)代表整個正方形圖像；當j=1時，S(k1,k2,j)代表圖1(b)中的四個方塊中的一個方塊；當2j=n時，則S(k1,k2,j)代表一個像素。

圖1 不同尺度、位置和方向的束波Fig.1 Four beamlets of various scales,locations,and orientations

如圖1所示，在某一尺度因子下，對二分方塊的四邊每隔一個像素點標注一個分隔點，則在同一個二分方塊內，兩個相異的分隔點的連線稱為一條波束。二分方塊S(k1,k2,j)內的分隔點數如式(2)所示：

M[S(k1,k2,j)]=4×2-jn

(2)

式(2)中：n為像素個數。

用連續函數f(x1,x2)表示方塊圖像中的某一形狀，則束波變換可以理解為該函數沿著束波基的線積分的集合，然后利用積分值來識別圖像中的目標形狀，束波變換系數Tf(b)為

(3)

式(3)中：Tf(b)為束波變換系數；b為束波基Bn,δ中的任一元素；l為束波基Bn,δ中任一元素的長度；f(x,y)為單位方塊上的任一連續函數。

2 應用實例

利用束波變換的方法，對塔里木盆地塔河油田某區塊奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層的逆時偏移地震數據體進行疊后處理。

2.1 地質背景

研究區位于新疆維吾爾自治區庫車縣境內，北靠天山南麓，南接塔克拉瑪干沙漠北緣，地表以戈壁和荒漠為主(圖2)。碳酸鹽巖儲層主要發育在中下奧陶統，地層巖性以泥晶灰巖、砂屑灰巖和生物屑灰巖為主，儲集空間以裂縫和溶蝕孔洞為主。

圖2 工區構造位置Fig.2 The tectonic location of the study area

圖3 研究區目的層的地震剖面Fig.3 Seismic profile of the target formation in study area

圖3為研究區內的一條時間域的地震剖面。圖3中的黃色線條為中下奧陶統的頂面，在該頂面上下發育了一系列類似“串珠”狀的溶蝕孔洞，以及一些與溶蝕孔洞伴生的斷裂，二者分別構成了油氣的存儲空間和運移通道。但由于長期受到風化剝蝕和巖溶作用的影響，在中下奧陶統上形成了不整合面，從而掩蓋了其附近部分溶蝕孔洞和斷裂的地震響應特征，使得二者的成像效果不佳，對地震油氣勘探的準確性造成了影響。

2.2 應用效果

為了提高溶蝕孔洞和斷裂的地震成像效果，根據二者的地質尺度大小，以束波變換為工具，分別采用大尺度和小尺度參數(其中大尺度參數在平面上為3 000 m×3 000 m，縱向上為1 000 m；小尺度參數在平面上為1 000 m×1 000 m，縱向上為300 m)，對研究區的逆時偏移地震數據體進行了數據的分解和重構，并提取了相應的地震屬性。

2.2.1 溶蝕孔洞

平均絕對振幅屬性是對振幅的絕對值的總和求平均，通常用于識別地層的地震振幅異常。在碳酸鹽巖地層中，當有溶蝕孔洞存在時，由于孔洞的體積密度和地震波速度均較低，導致其阻抗值要遠低于圍巖，從而使得地震剖面中孔洞所在位置的能量要強于圍巖，顯示出一系列類似“串珠”狀的地震響應，并在提取的平均絕對振幅屬性中顯示出異常的響應特征。

圖4 平均絕對振幅屬性Fig.4 Attribute of average absolute amplitude

圖4為研究區中下奧陶統頂面的平均絕對振幅屬性的平面分布，綠色箭頭的指向為北。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別對應原始的逆時偏移地震數據、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數據所提取的平均絕對振幅屬性，圖4中的黑色圓點為溶蝕孔洞的響應。圖4(b)、圖4(c)中紅色虛線方框內的黑色圓點的清晰度要高于圖4(a)；同時，圖4(b)、圖4(c)中黑色圓點之間以及同周圍環境之間的分離度要好于圖4(a)；對比圖4(b)和圖4(c)可以看出，前者的黑色圓點的清晰度和分離度均強于圖4(c)。

圖5 地震剖面對比Fig.5 Seismic profiles contrast

分別選擇圖4中紅色虛線方框內溶蝕孔洞所在位置的南北向地震剖面，如圖5所示。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為原始的逆時偏移地震數據、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數據，圖5中的黃色虛線方框內為溶蝕孔洞的地震響應，并與圖4中紅色虛線方框內溶蝕孔洞的平均絕對振幅屬性相對應。如圖5(a)所示，由于長期受到風化剝蝕和巖溶作用的影響，溶蝕孔洞的“串珠”狀地震響應特征被不整合面所掩蓋，變得難以識別，而圖5(b)、圖5(c)中的“串珠”特征較圖5(a)明顯；此外，圖5(b)中“串珠”之間的分離度要明顯高于圖5(c)。

2.2.2 斷裂

地震相干屬性反映了地震同相軸的不連續性，同相軸的不連續性越強，則相干性越弱，該屬性通常用于識別地層的斷裂。當地層中存在斷裂時，由于地層的相對位移，導致斷裂兩側的巖性發生了變化，使得地震記錄中斷裂兩側同相軸的能量存在差異，從而在相干屬性中顯示出異常的響應特征。

圖6所示為研究區中下奧陶統頂面的相干屬性的平面分布。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別對應原始的逆時偏移地震數據、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數據所提取的相干屬性，圖6中的黑色線條為斷裂的響應。在圖6(a)和圖6(c)中，紅色虛線方框內的斷裂的連續性和清晰度要高于圖6(b)，在圖6(b)中，斷裂整體比較散亂，且與背景的分離度不高；對比圖6(a)和圖6(c)可知，圖6(c)中斷裂的清晰度要高于圖6(a)，同時其與背景的分離度也更高。

圖6 相干屬性Fig.6 Attribute of cohere

圖7 地震剖面對比Fig.7 Seismic profiles contrast

分別選擇圖6中紅色虛線方框內斷裂所在位置的南北向地震剖面，如圖7所示。圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為原始的逆時偏移地震數據、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數據，圖7中的黃色虛線方框內為斷裂的地震響應，并與圖6中紅色虛線方框內斷裂的相干屬性相對應。在圖7(a)的黃色虛線方框內，斷裂的形態模糊不清，斷面兩側同相軸的連續性較好，無明顯斷點；與圖7(a)相比，圖7(c)中可以看到較為清晰的斷裂地震響應，斷面兩側的同相軸存在明顯的位移，斷點清晰；圖7(b)中，雖然也出現了較為明顯的斷裂特征，但是斷面兩側的同相軸比較散亂，出現了較多的假斷裂，給地震構造解釋帶來了許多的不確定性。

3 結論

當目標體受到上覆和下伏地層的影響，使得其成像效果不佳時，基于束波變換的疊后縫洞精細成像處理技術，可有效提升地質體的可識別度；同時，該方法主要基于疊后的地震數據，與疊前的處理技術相比，其處理效率更高，能夠有效地為油氣勘探和開發提供可靠的目標。

(1)總體看來，束波變換方法可以有效地提高碳酸鹽巖儲層中溶蝕孔洞和斷裂識別的準確性。在平面上，增強了溶蝕孔洞之間的分離度及其與周圍環境背景之間的差異，改善了斷裂的平面分布特征，使其連續性和清晰度得到提升；在縱向上，有效提取環境背景中的“串珠”響應，同時，增強斷裂的信號強度，從而提高了溶蝕孔洞和斷裂的地震成像精度。

(2)由于溶蝕孔洞和斷裂的尺度差異，小尺度參數能夠更好地提取原始數據中的溶蝕孔洞信息，提高溶蝕孔洞的能量強度和分離度；與小尺度參數相比，大尺度參數可以在保證斷裂合理性的前提下，有效增強斷裂的清晰度。

(3)應根據研究區的地質背景以及地質體的大小來選擇束波變換的尺度參數。