方向性邊界保持相干增強技術(shù)在開平復(fù)雜地震資料中的應(yīng)用

張志偉, 劉 軍, 彭光榮, 吳 靜, 杜曉東, 張曉釗

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司研究院，深圳 518000)

0 引言

斷層在油氣生成、儲藏、運聚、保存等方面起著尤其重要的作用，準確地識別、刻畫斷層的位置、展布是油氣勘探開發(fā)中始終要面對的一個問題。研究區(qū)開平凹陷是珠江口盆地東部一塊勘探新區(qū)，從已鉆井獲得油氣發(fā)現(xiàn)來看，主要油層都集中在中深層，而且已發(fā)現(xiàn)的油氣藏均與斷裂有關(guān)，因此斷裂的識別和合理解釋對構(gòu)造影響至關(guān)重要。但由于該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，越往深層地震資料品質(zhì)較差，信噪比低，進一步增加了斷層識別的難度，采用常規(guī)的相干體方法對斷裂進行識別效果較差，難以滿足勘探精度要求，需要對地震資料進行進一步處理[1]。

截止目前，對斷裂識別來說，國內(nèi)、外很多學(xué)者已經(jīng)做了大量研究并且發(fā)展了相關(guān)技術(shù)，如相干體技術(shù)、利用中值濾波[2]、擴散濾波[3]、傾角導(dǎo)向濾波[4-16]等方法，對地震資料處理進而識別斷層的技術(shù)等，但是這些技術(shù)都是相互獨立，有其應(yīng)用的局限性，不一定能在本研究區(qū)取得較好的應(yīng)用效果。因此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過引入基于方向性邊界保持濾波方法對地震資料進行處理，去除噪聲，使地震圖像中斷層信息得到增強，結(jié)果顯示經(jīng)過增強后的地震相干體信息更加豐富、信噪比更高，斷層斷面更加銳化，斷層更加清晰，取得了較好應(yīng)用效果[17-20]。

1 方法原理

方向濾波與邊界保持濾波在圖像增強方法中都是最常見的一種。

1.1 方向場確定

提取方向場的方法有很多，這里提取是通過基于塊的方向圖方法。其主要采用的是梯度法，主要原理是計算原始數(shù)據(jù)中每一點在各個方向上的梯度，通過統(tǒng)計在各個方向上梯度量的差異來落實這一點的方向，由此來提取方向圖。

針對圖像函數(shù)f(x,y)，定義(x，y)處的梯度為式(1)。

(1)

梯度這個矢量的大小和方向分別為式(2)。

(2)

處理離散圖像時，經(jīng)常采用梯度的大小，并且使用一階差分來近似表示一階偏導(dǎo)數(shù)。

?f/?x=f(i,j)-f(i+1,j)

?f/?y=f(i,j+1)-f(i,j)

(3)

通常使用公式(4)來簡化計算梯度。

(4)

針對N維圖像，求取圖像的梯度信息，我們通常是求取圖像和高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的卷積為式(5)。

i∈{1,…,N}

(5)

式中：I(x)代表圖像；G(x,σg)代表方差為σg的高斯函數(shù)。

因此將梯度結(jié)構(gòu)張量(Gradient Structure Tensor , GST)表示為式(6)。

(6)

將梯度結(jié)構(gòu)張量和方差為σT的高斯核函數(shù)做卷積，進而空間求積或者局部平均：

(7)

式中：Tij為式(6)計算的梯度結(jié)構(gòu)張量；G(x,σT)代表方差為σT的高斯函數(shù)。

因此，三維圖像的梯度結(jié)構(gòu)張量表示為式(8)。

(8)

圖1 方向濾波器示意圖Fig.1 Orientation filter

圖2 方向性邊界保持濾波器示意圖Fig.2 Orientation edge preserving filter

梯度結(jié)構(gòu)張量中與最大特征值對應(yīng)的特征向量里具有地震圖像的方向信息。因為基于塊的方向圖提取方法要求取梯度，相對來說速度較慢，方向的連續(xù)性由梯度的連續(xù)性決定，理論上可以選擇任意多個方向，方向和精度的準確性比較高。

利用前面獲取的方向場信息設(shè)計方向濾波器，使其順著紋線方向?qū)D像進行濾波，從而使得圖像在此方向上得到平滑，在垂直于它的方向上獲得分離，所以方向濾波的一個關(guān)鍵要素就是設(shè)計方向濾波器(圖1)。

1.2 邊界保持的方向自適應(yīng)濾波

圖2為本文采用的廣義Kuwahara濾波器示意圖，也就是方向性邊界保持濾波器。由圖2可以看出，當(dāng)濾波器遠離斷層的邊緣時，濾波點在濾波器的中點，隨著濾波器慢慢的靠近斷層，濾波器中濾波點的位置隨之發(fā)生了改變，同時濾波器停止于斷層的邊界，進而圖像中斷層的信息能夠保持很好。

1.3 方向性邊界保持斷層增強技術(shù)流程

圖3 斷層增強處理技術(shù)流程圖Fig.3 Flow of fault enhancement processing technology

斷層增強處理技術(shù)流程如下(圖3)：依據(jù)具體的地震數(shù)據(jù)，設(shè)計一個各向同性的高斯一階導(dǎo)數(shù)濾波器，讓其分別在不同方向開展高斯一階導(dǎo)數(shù)濾波，從而獲得各個樣點處的梯度結(jié)構(gòu)張量矩陣，并且用各向同性的高斯濾波器對其平滑處理，然后計算三維對稱矩陣的特征值和特征向量，獲取各向異性參數(shù)和方向信息，接著利用這些信息開展廣義kuwahara濾波，也就是保持邊界的方向自適應(yīng)濾波，最終得到斷層增強數(shù)據(jù)[17-20]。

2 應(yīng)用實例

2.1 模型效果分析

斷層的地質(zhì)模型如圖4所示，采用30 Hz雷克子波生成疊后地震記錄，采樣間隔為2 ms。圖5是信噪比為2時的模型數(shù)據(jù)斷層圖像增強效果，圖6是信噪比為4時的模型數(shù)據(jù)斷層圖像增強效果，對比圖5、圖6可以看出，斷層增強技術(shù)對于存在斷層的地方都使其圖像增強，但是對于信噪比較低的地震數(shù)據(jù)來說，效果不是很明顯，因此需要具有一定的信噪比的地震資料，一般來說，信噪比應(yīng)大于4；經(jīng)過增強后地震剖面的斷層圖像變得更加的清晰與準確，而且斷層增強剖面的信噪比也得到了明顯地提高[19-20]。

圖4 斷層地質(zhì)模型Fig.4 Fault geological model

圖5 模型數(shù)據(jù)斷層圖像增強效果(信噪比=2)Fig.5 Fault enhancement of model seismic data(a)合成地震記錄;(b)斷層圖像增強剖面

圖6 模型數(shù)據(jù)斷層圖像增強效果(信噪比=4)Fig.6 Fault enhancement of model seismic data(a)合成地震記錄;(b)斷層圖像增強剖面

圖7 斷層增強前后剖面對比Fig.7 Comparison of fault enhancement profile(a)原始剖面;(b)斷層增強剖面;(c)原始相干;(d)斷層增強相干

2.2 實際應(yīng)用

開平凹陷構(gòu)造演化造成開平凹陷早期主要發(fā)育NEE-EW向斷層，中期主要發(fā)育NWW-NW向斷層，晚期斷層不發(fā)育。研究區(qū)構(gòu)造演化背景復(fù)雜，加上受中深層地震資料品質(zhì)的影響，采用常規(guī)的斷層識別方法信噪比低，效果不好。斷裂系統(tǒng)增強技術(shù)可以對原始地震數(shù)據(jù)進行斷層增強，增強后的地震數(shù)據(jù)的斷層斷面更加銳化，信噪比也得到一定的提高，增強后的地震相干體信息更加豐富、信噪比更高。

通過對比圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)可以看出，紅色橢圓框內(nèi)通過斷層增強后的斷層清晰度和準確度都有明顯提高。

對比圖9、圖10可以看出，從箭頭所指的六處位置來看，斷層增強后的相干切片斷裂刻畫更加精細，斷裂走向更加清晰。

最終，通過采用方向性邊界保持濾波斷層增強技術(shù)，使得地震數(shù)據(jù)斷層信息增強，信噪比增強，斷裂刻畫更加清晰，斷裂識別精度更高，大大降低了目標(biāo)區(qū)復(fù)雜斷裂的解釋難度，提高了斷圈構(gòu)造解釋精度。

圖8 原始地震剖面Fig.8 Seismic profile

圖9 沿T70層原始相干切片F(xiàn)ig.9 Seismic coherence slice along T70 layer

圖10 沿T70層斷層增強相干切片F(xiàn)ig.10 Fault enhance coherence slice along T70 layer

3 結(jié)論

方向性邊界保持濾波斷層增強技術(shù)，可以對原始地震數(shù)據(jù)進行斷層增強，增強后的地震數(shù)據(jù)的斷層斷面更加銳化，信噪比也得到一定的提高，地震相干體信息更加豐富。其對地震數(shù)據(jù)信噪比也有一定要求，如果太低，效果就不明顯。研究區(qū)斷裂非常發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，此次通過此技術(shù)在目標(biāo)區(qū)的應(yīng)用，大大提高了斷裂識別精度，輔助了斷裂精細解釋，夯實了斷圈構(gòu)造，為下一步目標(biāo)評價工作、為提高研究區(qū)勘探潛力和降低勘探風(fēng)險提供借鑒，具有很好的應(yīng)用價值。