基于改進(jìn)的相干體分析技術(shù)的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)研究

熊曉軍, 張 鑫, 童 浩, 羅海龍, 張正鵬, 段文博

(地球勘探與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

0 引言

裂縫發(fā)育帶的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)勘探開(kāi)發(fā)油氣田具有重要意義，特別是碳酸鹽巖儲(chǔ)層，裂縫帶、孔隙和孔洞是其油氣主要儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道[1]。目前，常規(guī)的裂縫預(yù)測(cè)方法主要有相干體分析技術(shù)[2]、曲率分析技術(shù)[3]、P波各向異性分析技術(shù)[4]等。這些方法能較準(zhǔn)確地識(shí)別中、大尺度的斷裂帶，但是對(duì)于小尺度的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)效果較差。為了進(jìn)一步提高裂縫發(fā)育帶的預(yù)測(cè)精度，趙明章等[5]利用構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波技術(shù)提高地震資料信噪比，落實(shí)復(fù)雜斷塊圈閉；解淑林等[6]、尹川等[7]對(duì)輸入數(shù)據(jù)體進(jìn)行基于傾角控制的構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波進(jìn)行去噪預(yù)處理；徐紅霞等[8]基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波技術(shù)將多屬性分析應(yīng)用在斷溶體預(yù)測(cè)中，提高了裂縫預(yù)測(cè)精度和實(shí)際鉆井吻合率；楊培杰等[9]提出了一種方向性邊界保護(hù)濾波方法，在提高信噪比同時(shí)，較好地保護(hù)了斷層信息；嚴(yán)哲等[10]在各向異性擴(kuò)散濾波算法中將相干值作為一個(gè)參數(shù)引入具體算法中，提高了對(duì)橫向不連續(xù)點(diǎn)的保護(hù)性能。

筆者從準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育帶的角度出發(fā)，以提高斷裂帶的平面連續(xù)性及精細(xì)刻畫(huà)小尺度裂縫發(fā)育帶的平面展布特征為目標(biāo)，研制了一種基于改進(jìn)的相干體分析技術(shù)的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)研究。基于不同參數(shù)計(jì)算的相干數(shù)據(jù)體反映不同尺度的裂縫，本文方法首先基于大網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體設(shè)定距離因子,將研究區(qū)域分為鄰近斷層區(qū)域(裂縫帶較發(fā)育)和遠(yuǎn)離斷層區(qū)域(裂縫帶較不發(fā)育)；再針對(duì)保邊去噪處理后得到的小網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體，引入反距離權(quán)系數(shù)值，根據(jù)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理：在鄰近斷層區(qū)域進(jìn)行反距離加權(quán)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波，遠(yuǎn)離斷層區(qū)域進(jìn)行中值濾波。

1 方法原理

1.1 常規(guī)的基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的相干體分析技術(shù)

Bahorich等[11]提出的相干體算法是地震資料解釋發(fā)展史上的一個(gè)重大突破，可以很好地描述地層、巖性的橫向不均勻性，使得研究斷層和裂縫的展布規(guī)律成為可能。隨后，又有學(xué)者相繼提出了C1、C2和C3算法[12]。目前一般采用第3代相干算法(C3)，即本征值相干技術(shù)。近年來(lái)有不少學(xué)者為了提高相干算法的分辨率，利用基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的相干體分析技術(shù)進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)[5]，其計(jì)算流程主要包含2部分：對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波(或基于傾角控制的構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波)來(lái)達(dá)到抑制隨機(jī)噪聲，使地震數(shù)據(jù)同相軸的連續(xù)性和錯(cuò)斷特征更明顯的目的，再做相干體分析技術(shù)。

構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波采用各向異性擴(kuò)散平滑算法，其最早應(yīng)用于圖像處理和分析領(lǐng)域。Weickert 等[13]通過(guò)引入結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)張量，給出了各向異性擴(kuò)散模型:

(1)

對(duì)結(jié)構(gòu)張量S進(jìn)行特征值分解得到特征值λ1和λ2及其對(duì)應(yīng)的正交特征向量ω1(代表梯度變化最大方向)和ω2(梯度變化最小方向)。為了保證擴(kuò)散方向沿著構(gòu)造方向進(jìn)行，擴(kuò)散張量的特征值與結(jié)構(gòu)張量的特征值應(yīng)保持一致，即令：

c1=α，λ1=λ2

(2)

式中：k為一致性參數(shù)；k2=(λ1-λ2)3；0<α<1。由此可以得到具有地震波同相軸傾角信息的構(gòu)造特征張量D：

(3)

將包含結(jié)構(gòu)信息的擴(kuò)張張量D作為擴(kuò)散系數(shù)，得到非線性的各項(xiàng)異性擴(kuò)散方程為式(4)。

(4)

1.2 基于改進(jìn)的相干體分析技術(shù)

相對(duì)于常規(guī)的構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的相干體分析技術(shù)而言，本文技術(shù)具有以下改進(jìn)點(diǎn)：

1)對(duì)用于小網(wǎng)格相干體分析的輸入數(shù)據(jù)體進(jìn)行預(yù)處理：采用小尺度三維保邊去噪，抑制三維地震振幅數(shù)據(jù)體中的噪聲以及提高其保持階躍邊緣能力。

2)利用大網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體設(shè)定距離因子，將研究區(qū)域分為鄰近斷層區(qū)域(裂縫帶較發(fā)育)和遠(yuǎn)離斷層區(qū)域(裂縫帶較不發(fā)育)，小網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體作為輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理：反距離加權(quán)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波(鄰近斷層區(qū)域)和中值濾波(遠(yuǎn)離斷層區(qū)域)。

本文新方法的計(jì)算流程如下：

1)對(duì)三維地震振幅數(shù)據(jù)體,進(jìn)行大網(wǎng)格相干體分析(主要保留中大尺度的斷層)。

2)預(yù)處理：對(duì)用于小網(wǎng)格相干體分析(包含小尺度裂縫帶信息)的輸入數(shù)據(jù)(三維地震振幅數(shù)據(jù)體),進(jìn)行三維保邊去噪處理抑制噪聲。

3)針對(duì)大網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體：根據(jù)所研究工區(qū)目的層地下構(gòu)造特征以及大網(wǎng)格相干切片的中、大尺度斷層展布特征,設(shè)定距離因子L(L表征裂縫鄰近大斷層的程度，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況自行設(shè)定嘗試)。當(dāng)裂縫計(jì)算點(diǎn)到大斷層的距離LiL，表示該裂縫遠(yuǎn)離大斷層。

4)小網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體作為輸入數(shù)據(jù)：根據(jù)分區(qū)結(jié)果，在鄰近斷層區(qū)域(裂縫計(jì)算點(diǎn)到大斷層的距離LiL)，進(jìn)行中值濾波。

5)輸出裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)結(jié)果。

計(jì)算流程圖見(jiàn)圖1。

上述計(jì)算流程共包含2項(xiàng)核心計(jì)算步驟：

1)預(yù)處理。常規(guī)去噪方法有多項(xiàng)式擬合、平滑濾波等方法，但這些方法均包含統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)，會(huì)使信息的邊界發(fā)生嚴(yán)重的畸變[14]。Yi Luo 等[15]提出了保邊去噪方法，它的基本思想也是均值去噪，但其不同之處在于對(duì)每一個(gè)中心點(diǎn)，取一系列時(shí)窗，然后分別計(jì)算每個(gè)多邊形中數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差以及平均值，并選擇具有最小標(biāo)準(zhǔn)差的時(shí)窗內(nèi)的均值作為此中心點(diǎn)的輸出，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍邊緣的保真。Nasher M A[16]將這種算法推廣到三維，提出了三維保邊去噪方法，其對(duì)噪聲的抑制以及保持階躍邊緣能力有明顯提高。

圖1 計(jì)算流程圖Fig.1 Flowchart

2)自適應(yīng)濾波處理。根據(jù)所研究工區(qū)目的層地下構(gòu)造特征以及大網(wǎng)格相干切片的中、大尺度斷層的展布特征，設(shè)定距離因子L(L表征裂縫鄰近大斷層的程度),將研究區(qū)域分為鄰近斷層區(qū)域(裂縫帶較發(fā)育)和遠(yuǎn)離斷層區(qū)域(裂縫帶較不發(fā)育)。當(dāng)裂縫計(jì)算點(diǎn)到大斷層的距離LiL，表示該裂縫遠(yuǎn)離大斷層，進(jìn)行中值濾波處理。

1.2.1 鄰近斷層區(qū)域(Li

反距離加權(quán)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波是一種簡(jiǎn)單的空間局部加權(quán)增強(qiáng)方法，原理是通過(guò)計(jì)算裂縫計(jì)算點(diǎn)與鄰近大斷層的距離進(jìn)行反距離加權(quán)濾波處理。根據(jù)裂縫所受構(gòu)造力與裂縫發(fā)育的差異性，反距離加權(quán)權(quán)重隨距離增大而減小。權(quán)重是距離Li的p次方的倒數(shù)：

(5)

式中:Li為裂縫計(jì)算點(diǎn)與鄰近的大斷層的距離，Li

引入反距離加權(quán)權(quán)重λi，公式(4)變化為式(6)。

(6)

式中，輸入數(shù)據(jù)體(C3(x,y,t))為小網(wǎng)格第三代相干數(shù)據(jù)體。

1.2.2 遠(yuǎn)離斷層區(qū)域(Li>L)

當(dāng)裂縫計(jì)算點(diǎn)到大斷層的距離Li>L，表示該小尺度裂縫遠(yuǎn)離斷層區(qū)域，進(jìn)行中值濾波處理。中值濾波是圖像處理中一種常用的非線性濾波算法，對(duì)脈沖噪聲有良好的濾除作用，在濾除噪聲的同時(shí)能夠有效保護(hù)信號(hào)的邊緣使之不被模糊，因而這種方法在地震資料的處理中得到了廣泛地應(yīng)用[17]。在遠(yuǎn)離構(gòu)造帶，地層水平或地下地質(zhì)體較簡(jiǎn)單時(shí)，采用普通的中值濾波可以很好地去除背景噪聲，提高信噪比，突出成像效果。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究工區(qū)概況

研究區(qū)目的地層為某區(qū)A組七段地層，該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度大，頻率高，斷裂系統(tǒng)十分發(fā)育。采用常規(guī)裂縫預(yù)測(cè)方法,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)效果不佳(圖2)。圖2(a)是沿層振幅切片，圖2(b)是采用第3代相干體算法計(jì)算得到的切片圖，圖2(c)是采用體曲率分析方法(采用小尺度計(jì)算參數(shù)，dx=9，dy=9，dz=18)計(jì)算得到的切片圖，圖2(d)是采用廣義希爾伯特邊緣檢測(cè)方法計(jì)算得到的切片圖。從圖2可見(jiàn)，相干體方法對(duì)于圖2(a)中的振幅變化(異常)條帶刻畫(huà)的非常清晰；圖2(c)雖然也具有較高的清晰度，但是其包含了較多的垂直噪聲；而圖2(d)雖然宏觀上與圖2(b)類(lèi)似，但是其對(duì)刻畫(huà)裂縫異常條帶的分辨率較低。

圖2 研究工區(qū)沿層切片的裂縫檢測(cè)分析圖Fig.2 Analysis of fracture detection in the section along the layer(a)沿層振幅切片;(b)相干體屬性切片;(c)最大正曲率屬性切片;(d)邊緣檢測(cè)屬性切片

2.2 預(yù)測(cè)的應(yīng)用

如圖2所示，針對(duì)在該研究工區(qū)基于最大正曲率及邊緣檢測(cè)的常規(guī)裂縫檢測(cè)方法分辨率不高，相干體屬性更能突出振幅異常條帶，較其他兩種裂縫檢測(cè)技術(shù)效果更好，適用性較好的情況，筆者以相干體分析技術(shù)為基礎(chǔ)，為了提高斷裂帶的平面連續(xù)性及精細(xì)刻畫(huà)小尺度裂縫發(fā)育帶的平面展布特征，研制了一種基于改進(jìn)的相干體分析技術(shù)的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)方法(圖1)。

在研究工區(qū)內(nèi)，分別采用常規(guī)的基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的相干體分析技術(shù)和本文提出的基于改進(jìn)的相干體分析技術(shù)預(yù)測(cè)裂縫帶。提取的目的層A組七段裂縫屬性切片對(duì)比圖(時(shí)窗：目的層位上下5 ms)(圖3)。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可以看出，常規(guī)分析技術(shù)得到的裂縫帶預(yù)測(cè)平面圖(圖3(a))和本文提出的改進(jìn)的裂縫帶預(yù)測(cè)方法得到的裂縫預(yù)測(cè)平面圖(圖3(b))，描繪的裂縫條帶大體趨勢(shì)一致，沿北東南西方向延伸。但圖3(a)在復(fù)雜斷裂發(fā)育位置，出現(xiàn)了嚴(yán)重的背景隨機(jī)噪聲，噪音的嚴(yán)重干擾使得同相軸連續(xù)性變差、裂縫識(shí)別分辨率大大降低。相比圖3(b)，背景噪音大大減少，使得裂縫條帶更加清晰干凈，對(duì)裂縫的識(shí)別能力有很大地提升，不僅能將大小不同尺度的斷層清晰地刻畫(huà)出來(lái)，主干斷裂和次級(jí)斷裂之間的關(guān)系也更加清楚。結(jié)合該工區(qū)的N1井(裂縫不發(fā)育)和N2井(裂縫較發(fā)育)，圖3(b)相比圖3(a)對(duì)于N1井和N2井的裂縫發(fā)育特征刻畫(huà)得更加精細(xì)。顯然，本文裂縫帶預(yù)測(cè)方法相比常規(guī)方法得到的裂縫帶分辨率更高，效果更好。

3 結(jié)論

1)裂縫發(fā)育帶的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)于油氣藏勘探開(kāi)發(fā)起著至關(guān)重要的作用?；诔Ｒ?guī)的裂縫預(yù)測(cè)方法在中國(guó)南海某區(qū)的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)結(jié)果信噪比較低、成像質(zhì)量較差。因此，筆者提出了一種基于改進(jìn)的相干體分析技術(shù)的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)方法。

圖3 裂縫帶預(yù)測(cè)平面對(duì)比圖Fig.3 Comparison of plane of fracture zone prediction(a)常規(guī)基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的相干體分析技術(shù)裂縫預(yù)測(cè)平面圖；(b)本文改進(jìn)的相干體分析技術(shù)裂縫預(yù)測(cè)平面圖

2)本文方法改進(jìn)點(diǎn)在于：采用小尺度三維保邊去噪對(duì)輸入數(shù)據(jù)體進(jìn)行預(yù)處理；利用大網(wǎng)格相干數(shù)據(jù)體設(shè)定距離因子將研究區(qū)域分為鄰近斷層區(qū)域(裂縫帶較發(fā)育)和遠(yuǎn)離斷層區(qū)域(裂縫帶較不發(fā)育)；小網(wǎng)格相干體數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理：①鄰近斷層區(qū)域：反距離加權(quán)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波；②遠(yuǎn)離斷層區(qū)域：中值濾波。

3)將該方法應(yīng)用到某研究區(qū)疊后裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)，對(duì)比常規(guī)的基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的相干體分析技術(shù)得到的裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)平面圖，結(jié)果表明，該方法不僅有效地壓制了噪聲，并保留了斷層、裂隙等邊緣細(xì)節(jié)信息，斷裂展布更加清晰。

4)本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂縫發(fā)育條帶的精細(xì)描述，提高了斷裂帶的平面連續(xù)性及精細(xì)刻畫(huà)小尺度裂縫發(fā)育帶的平面展布特征，具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。