繞射信息提取技術(shù)及其在致密砂巖斷裂系統(tǒng)識(shí)別中的應(yīng)用

周 鵬,肖 曦,陶 杰,劉 方,梁 瑤,霍守東,舒夢(mèng)珵

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100028;2.油氣資源研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029;3.南京加寶囤信息科技有限公司,江蘇南京211100)

致密氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域之一[1],在致密砂巖儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,斷裂系統(tǒng)刻畫(huà)和裂縫發(fā)育描述具有重要的研究意義。以鄂爾多斯盆地致密氣儲(chǔ)層為例,致密砂巖中發(fā)育的斷裂系統(tǒng)通常斷距小、小尺度尖滅點(diǎn)豐富、小斷塊發(fā)育,有些地質(zhì)體的尺度接近一個(gè)地震波長(zhǎng)或小于一個(gè)波長(zhǎng),準(zhǔn)確描述這些特殊構(gòu)造位置的構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)斷裂系統(tǒng)分析和儲(chǔ)層精細(xì)刻畫(huà)至關(guān)重要。

常規(guī)地震勘探主要以反射波勘探為主,反射成像主要利用的是鏡面反射原理,其分辨率受鏡面反射波長(zhǎng)和菲涅爾帶半徑約束,對(duì)小尺度地質(zhì)異常體探測(cè)能力較弱?；谙喔珊头讲铙w的斷層識(shí)別方法通常利用地震資料中的強(qiáng)信號(hào),受地震資料分辨率的限制無(wú)法有效識(shí)別斷距較小的斷層。研究表明,地震數(shù)據(jù)中的繞射波發(fā)育常常與小尺度地質(zhì)體有關(guān),且具有較高的分辨率,是精細(xì)描述小尺度地質(zhì)異常體的一個(gè)重要研究方向[2]。

疊前道集中包含豐富的繞射信息,利用疊前繞射信息提取方法可以較好地保留繞射波場(chǎng),目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于奇異譜分析[3]、基于傾角成像道集[4-6]和平面波分解[7]等的繞射波分離技術(shù)。由于繞射波對(duì)斷點(diǎn)、弱能量信息等反應(yīng)較為敏感,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于斷層分析[5]、儲(chǔ)層描述[8-11]和蓋層分析[12]等。近年來(lái),陳明政等[13]應(yīng)用局部?jī)A角濾波與預(yù)測(cè)反演聯(lián)合的繞射波分離技術(shù),進(jìn)行了碳酸鹽巖地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法的研究,得到了較好的效果;徐德奎等[14]和李曉峰等[15]利用平面波破壞方法進(jìn)行繞射信息提取并成像,通過(guò)實(shí)際資料驗(yàn)證了繞射波成像結(jié)果在斷裂識(shí)別中的應(yīng)用效果;李繼光[16]基于繞射與反射分離技術(shù),通過(guò)共散射點(diǎn)道集的等效偏移距疊前時(shí)間偏移實(shí)現(xiàn)繞射波成像,并在河道砂體儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中取得了應(yīng)用效果。

但是疊前波場(chǎng)提取效率較低,同時(shí)由于疊前地震波場(chǎng)信息豐富,提取過(guò)程中會(huì)將大量噪聲帶入到提取的繞射波場(chǎng)中,使繞射分析難度加大。雖然常規(guī)處理流程針對(duì)反射波成像,對(duì)繞射波場(chǎng)有一定的壓制作用,但是趙驚濤等[17-18]研究發(fā)現(xiàn),在保幅偏移數(shù)據(jù)體中,地震疊后數(shù)據(jù)中依然存在有效的繞射信息,殘留的繞射信息能夠很好地反映特殊構(gòu)造(溶洞、斷層、斷裂系統(tǒng)等)的空間位置及構(gòu)造規(guī)模等重要信息[18]。并且,疊后數(shù)據(jù)繞射波提取比疊前提取耗用機(jī)時(shí)少,成本低,計(jì)算效率高,更利于推廣到實(shí)際生產(chǎn)中。

疊后繞射波提取思路主要是通過(guò)識(shí)別繞射波的疊加或偏移后振幅、相位特征與反射波的差異性,進(jìn)行繞射信息分離。人們已經(jīng)開(kāi)展了基于核主成分分析(KPCA)[19]、平面波分解、中值濾波和稀疏反演[20]等的疊后繞射信息提取方法研究?；诏B后繞射信息的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法已經(jīng)在裂縫-孔洞型油藏得到應(yīng)用[18],舒夢(mèng)珵等[21]利用繞射屬性開(kāi)展了潛山裂縫型油氣藏描述研究。

目前的繞射波技術(shù)尚未應(yīng)用于致密砂巖的斷裂系統(tǒng)刻畫(huà),本文探索了基于中值濾波技術(shù)繞射信息提取方法在致密砂巖斷裂刻畫(huà)中的應(yīng)用,在保幅偏移地震數(shù)據(jù)體上應(yīng)用疊后繞射信息提取數(shù)據(jù),得到更加清晰的斷點(diǎn)和斷層信息;疊后繞射信息提取會(huì)引入部分噪聲信息,為了保證繞射信息的可靠性,充分利用邊緣的空間相關(guān)性,本文進(jìn)一步利用繞射特征增強(qiáng)技術(shù),直觀地描述斷裂系統(tǒng)的發(fā)育情況,實(shí)現(xiàn)疊后高精度斷裂體系識(shí)別處理,最終明確斷裂體系縱向和橫向分布特征。

1 中值濾波技術(shù)繞射信息提取方法原理

1.1 中值濾波基本原理

中值濾波[22]的原理是將序列或數(shù)字圖像中一點(diǎn)的值,用該點(diǎn)鄰域中各點(diǎn)值的中值來(lái)替代。中值的定義如下。

若x1,x2,…,xn為一組序列,先將其按大小順序排列為:

xi1≤xi2≤…≤xin

(1)

式中:xi1,xi2,…,xin為序列x1,x2,…,xn按照大小排序的結(jié)果。則該序列中值y為:

y=Media{x1,x2,…,xn}=

(2)

對(duì)于二維數(shù)據(jù)空間I,設(shè)數(shù)據(jù)為{xm,n,(m,n)∈I2},濾波窗口為A,ym,n為窗口A在xm,n點(diǎn)的中值,則:

(r,s)∈A,m,n∈I2}

(3)

式中:r和s分別表示窗口A的大小。

1.2 基于中值濾波技術(shù)的繞射信息提取方法

反射信息分布在局部光滑波前上,振幅變化較為緩慢。由繞射響應(yīng)函數(shù)衰減特征可知,繞射振幅、波形沿繞射走時(shí)曲線變化很快。經(jīng)偏移處理后,繞射能量殘留在端點(diǎn)成像位置的一定區(qū)域內(nèi)。

反射成像結(jié)果的波形、振幅穩(wěn)定,空間相關(guān)性相對(duì)較好。中值濾波技術(shù)已經(jīng)被用于反射信息的預(yù)測(cè),當(dāng)中值濾波窗口完全位于反射同相軸上時(shí),反射信息可完全被預(yù)測(cè)出來(lái)(圖1);當(dāng)圖1所示的中值濾波窗口一端位于反射軸上,一端位于端點(diǎn)成像干涉帶內(nèi)時(shí),繞射響應(yīng)在端點(diǎn)附近振幅和相位的變化均較快,通常為非線性變化,所以,經(jīng)中值濾波后,這些繞射信息難以預(yù)測(cè)。越接近端點(diǎn),不能預(yù)測(cè)的繞射殘留能量越多。

圖1 端點(diǎn)繞射干涉帶內(nèi)中值濾波示意[17]

由上述分析得出,首先對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行傾角估計(jì),沿著估計(jì)出的傾角進(jìn)行中值濾波,可以實(shí)現(xiàn)反射信息預(yù)測(cè),由繞射產(chǎn)生的振幅、相位相對(duì)不穩(wěn)定的區(qū)域由于接近斷點(diǎn),有能量殘留,因此可以被分離出來(lái),該方法能夠分離出非均質(zhì)地質(zhì)體產(chǎn)生的繞射信息。該方法分離出的波場(chǎng)同樣帶有部分噪聲,由于由斷裂系統(tǒng)產(chǎn)生的邊緣繞射通常在空間上具有一定的相關(guān)性,充分利用該空間相關(guān)性特征,采用繞射特征增強(qiáng)處理,可以得到較直觀可靠的繞射波分析結(jié)果。

根據(jù)以上分析,本文給出了基于中值濾波技術(shù)的繞射信息提取技術(shù)流程。

1) 首先對(duì)疊后數(shù)據(jù)D(x,y,z)進(jìn)行傾角掃描,(x,y,z)表示網(wǎng)格點(diǎn)位置,確定得到傾角數(shù)據(jù)體Dip(x,y,z)。

2) 確定時(shí)窗A(r,s,t)(r,s,t為空間三維方向的時(shí)窗長(zhǎng)度),在地震數(shù)據(jù)體上每點(diǎn)(m,n,k)沿著估計(jì)的傾角Dip(m,n,k)進(jìn)行中值濾波,由于反射信息具有空間可預(yù)測(cè)性,當(dāng)中值濾波窗口內(nèi)同時(shí)包含繞射信息時(shí),繞射信息難以預(yù)測(cè),以此實(shí)現(xiàn)反射信息預(yù)測(cè)R(m,n,k)。

3) 最后由疊后數(shù)據(jù)減去預(yù)測(cè)出的反射數(shù)據(jù),就可以提取出繞射殘留能量Df(x,y,z),得到繞射點(diǎn)位置及其相應(yīng)的能量。

Df(x,y,z)=D(x,y,z)-R(x,y,z)

(4)

4) 基于邊緣繞射在空間的連續(xù)性,進(jìn)行繞射特征增強(qiáng)處理。本文將局部Radon變換應(yīng)用于繞射波成像結(jié)果,通過(guò)邊緣繞射在空間上的連續(xù)性,獲得更加直觀的繞射波屬性信息,該過(guò)程類(lèi)似于基于Radon變換的數(shù)據(jù)插值處理。具體算法如下。

① 確定時(shí)窗,選擇時(shí)窗內(nèi)地震數(shù)據(jù);

② 對(duì)時(shí)窗內(nèi)地震數(shù)據(jù),進(jìn)行Radon變換;

③ 在Radon域,選取合適閾值,保留在Radon域較為聚集的能量點(diǎn),這些地方說(shuō)明繞射波具有一定空間相關(guān)性,進(jìn)而確定主要繞射點(diǎn)的主要延伸方向;

④ 進(jìn)行Radon反變換,通過(guò)反變換,具有空間相關(guān)性的繞射特征得到增強(qiáng)。

2 實(shí)際資料應(yīng)用

2.1 工區(qū)概況

實(shí)際資料來(lái)自鄂爾多斯神府欄桿堡區(qū)塊。研究區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡上,緊鄰晉西撓褶帶。神府區(qū)塊構(gòu)造演化主要分為下古生界坳陷、石炭系-三疊系坳陷兩個(gè)階段,經(jīng)歷石炭系本溪組沉積前和第四系沉積前兩期剝蝕,最后受喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)從深到淺具有較好的繼承性,構(gòu)造簡(jiǎn)單,主要表現(xiàn)為北東向展布的單斜,在斜坡背景上發(fā)育多個(gè)低幅度背斜和鼻狀構(gòu)造。

研究區(qū)從奧陶系至二疊系發(fā)育多套致密砂巖儲(chǔ)層,致密砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部的連通性是制約儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵因素。巖心分析可知,儲(chǔ)層內(nèi)部多發(fā)育小尺度裂縫,常規(guī)的地球物理儲(chǔ)層分析方法無(wú)法有效識(shí)別微裂縫系統(tǒng)的空間展布規(guī)律。

2.2 處理結(jié)果

將本文方法用于該工區(qū)地震資料,處理并提取繞射信息,圖2為常規(guī)反射波剖面,圖3為繞射波屬性剖面,由圖3可以較為清晰地看到連續(xù)的繞射波發(fā)育帶,繞射波能量分布區(qū)對(duì)應(yīng)了工區(qū)內(nèi)主要儲(chǔ)層目標(biāo)段。

圖2 常規(guī)反射波剖面

對(duì)繞射特征進(jìn)行增強(qiáng)處理(圖4),突出了繞射信息的空間相關(guān)性,對(duì)產(chǎn)生邊緣繞射的地質(zhì)體進(jìn)行了較為清晰的刻畫(huà)。將該結(jié)果與基于反射波的曲率屬性(圖5)進(jìn)行對(duì)比,可以看出,本文方法能夠反映更多的構(gòu)造細(xì)節(jié),對(duì)斷層的刻畫(huà)更加清晰。繞射信息增強(qiáng)剖面準(zhǔn)確地描述了斷層的空間分布情況,尤其是對(duì)于反射波斷層形態(tài)不清的區(qū)域,有較好的響應(yīng)。

圖4 繞射波屬性增強(qiáng)剖面

圖5 基于反射波的曲率屬性剖面

進(jìn)一步利用平面圖進(jìn)行應(yīng)用效果對(duì)比。圖6為研究區(qū)主要儲(chǔ)層頂部反射波數(shù)據(jù)相干平面圖,通?；诜瓷洳〝?shù)據(jù)的屬性體能夠較好地刻畫(huà)出儲(chǔ)層段大級(jí)別斷裂系統(tǒng)的分布特征。圖7為本文方法得到的儲(chǔ)層頂面繞射波屬性平面圖,可以看出,繞射波數(shù)據(jù)消除了大級(jí)別斷層的波場(chǎng)特征,更好地突出了小級(jí)別斷裂系統(tǒng)的特征。圖7顯示出在工區(qū)的中部伴隨南北向大型斷層,發(fā)育有南北向分布的小級(jí)別裂縫系統(tǒng)。由圖7還可以看出,在工區(qū)的南部,主斷裂勾通了一個(gè)較為發(fā)育的南北向小尺度斷裂系統(tǒng),而在反射波相干平面圖上無(wú)法反映出此斷裂系統(tǒng)的空間分布特征,說(shuō)明了本文方法的優(yōu)越性。

圖6 儲(chǔ)層頂面反射波相干平面

圖7 儲(chǔ)層頂面繞射波屬性平面

3 總結(jié)

本文將基于中值濾波技術(shù)的繞射信息提取方法應(yīng)用于鄂爾多斯盆地致密砂巖儲(chǔ)層的斷裂系統(tǒng)刻畫(huà),可靠、直觀地獲取了斷裂系統(tǒng)的分布結(jié)果。

1) 基于中值濾波的繞射信息提取技術(shù),可以凸顯地震數(shù)據(jù)中小尺度斷裂系統(tǒng);通過(guò)與曲率和相干屬性的對(duì)比,驗(yàn)證了繞射波信息對(duì)小斷距斷層的識(shí)別能力,彌補(bǔ)了反射波屬性的不足。

2) 本文充分利用邊緣繞射的空間相關(guān)性,通過(guò)對(duì)繞射特征進(jìn)行增強(qiáng)處理,能夠得到更加直觀可靠的斷裂分布結(jié)果,較好地描述了斷裂系統(tǒng)的空間分布規(guī)律。

3) 繞射波數(shù)據(jù)能夠反映出研究區(qū)存在著豐富的小尺度斷裂分布,證明了繞射波屬性斷裂系統(tǒng)描述方法的有效性,為下一步斷層分析、斷裂系統(tǒng)刻畫(huà)、儲(chǔ)層描述等提供了可靠直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。