基于多方向識別的三維斷層增強方法

安圣培 陳彥陽 羅紅梅 顏世翠

1. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 2. 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院, 東營 257015; ? E-mail: asp2562@yafco.com

斷層識別是地震資料解釋、儲層預(yù)測和描述的重要基礎(chǔ)。斷層識別的精度決定構(gòu)造成圖的精度,因此, 如何有效地從地震數(shù)據(jù)中進行斷層的自動拾取, 一直是地震數(shù)據(jù)解釋研究的熱點問題[1-2]。常用的斷層識別方法大致分為以下幾種: 常規(guī)的屬性識別法、自動追蹤解釋法、圖像處理識別法和機器學(xué)習(xí)識別法。屬性識別法一般選取對斷層屬性比較敏感的統(tǒng)計量來識別斷層, 如相干體屬性、方差、灰度中值和曲率等[3-4]。自動追蹤解釋法包括螞蟻追蹤法、稀疏脈沖反褶積法以及邊緣檢測技術(shù)類方法[5-6]。圖像處理識別法包括基于特征映射法、基于波形特征類方法和圖像分割類方法等[7-8]。近年來, 不少學(xué)者使用機器學(xué)習(xí)類的方法(如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)和聚類網(wǎng)絡(luò)等), 對儲層構(gòu)造屬性進行識別[9-10]。這幾類方法有各自的優(yōu)、缺點和適用條件, 在斷層解釋工作中, 一般根據(jù)實際地震資料的具體情況選取合適的斷層識別方法[2,11]。

方向濾波和邊界保持濾波是圖像增強處理中常用的技術(shù), 其物理過程是使用與圖像局部方向一致的濾波器進行平滑處理, 壓制噪聲并增強圖像沿紋線方向的連續(xù)性。邊界保持的作用是在濾波的同時對圖像邊緣進行保護, 避免邊緣信息因濾波而模糊化。本文提出基于方向濾波和邊界保持濾波實現(xiàn)的三維疊后數(shù)據(jù)增強方法, 通過方向濾波增強地震同相軸的信噪比和連續(xù)性, 通過邊界保持濾波來保持斷層信息, 避免因使用斷層兩側(cè)的數(shù)據(jù)點進行平滑導(dǎo)致斷層模糊化。在此基礎(chǔ)上, 本文對該方法做兩點改進: 1) 用多方向斷層識別代替常用的單方向斷層識別, 可在一定程度上避免將傾斜地層錯誤地識別為斷層, 更好地適用于存在傾斜地層的情況; 2)將二維邊界保持濾波方法擴展到三維地震數(shù)據(jù), 同時保證沿測線(inline)和垂直于測線(crossline)地震剖面數(shù)據(jù)的連續(xù)性。最后, 將本文方法應(yīng)用于合成數(shù)據(jù)和實際工區(qū)地震資料, 檢驗方法的有效性。

1 方法原理

1.1 方向濾波和邊界保持濾波

方向濾波和邊界保持濾波是廣泛應(yīng)用的圖像增強方法。方向濾波是沿著圖像方向場的紋線方向進行濾波, 使圖像沿紋線方向的數(shù)據(jù)得到平滑, 垂直于紋線方向的數(shù)據(jù)得到分離, 達到壓制噪聲和地層背景干擾的效果[12-13]。方向場代表圖像中每個像素點所在的脊線或谷線在該點的切線方向, 是圖像處理的重要識別特征之一。將方向場應(yīng)用于圖像信息增強, 可以最大限度地保持圖像的分辨率, 并實現(xiàn)壓制噪聲的效果。方向場提取的基本思想是, 計算灰度圖像中每一點在所有方向上的統(tǒng)計量特征,并根據(jù)各個方向上統(tǒng)計量的差異確定該點的方向,常用的方法包括基于點方向圖、塊方向圖或連續(xù)分布方向圖的方向提取法。基于點的方向場提取法計算速度快, 但對噪聲比較敏感, 提取的方向場準確性不高。本文使用基于塊的方向場提取法, 常用的是梯度法, 即根據(jù)數(shù)據(jù)圖像中每一點在各個方向上的梯度值確定該點的方向?；谔荻鹊姆椒ㄋ柽\算量大于基于點的方法, 但梯度的連續(xù)性可以保證所提取方向場的連續(xù)性。

梯度法實現(xiàn)方向場提取的過程如下: 數(shù)據(jù)圖像I(x,y)的梯度g(x,y)大小表示為

梯度的方向表示為

針對斷層區(qū)域進行方向濾波時, 可能造成斷層邊緣模糊化。由于斷層兩側(cè)的地層信息存在不連續(xù)性, 如果強行將斷層兩側(cè)的數(shù)據(jù)點進行平滑處理,會使得斷層兩側(cè)的地層變得連續(xù), 斷層信息被破壞。本文使用邊界保持濾波來避免這一問題。常用的邊界保持濾波方法包括 Kuwahara 濾波、擴散濾波和中值濾波等[12,14-15]。本文采用 Kuwahara 濾波,其思路是計算目標點所有鄰域內(nèi)的特征值, 選擇特征值中最大的數(shù)值作為該點的目標值。Kuwahara濾波可以通過在邊界處移動濾波器來避開邊界, 對邊界起到較好的保護作用。具體應(yīng)用時, 需要事先識別斷層(即邊界)位置, 當濾波器包含斷層時, 需要移動濾波器來避開斷層(圖 1)。

圖1 邊界保持濾波示意圖Fig. 1 Schematic diagram of edge-preserving filtering

本文通過相似度信息C來識別斷層位置:其中,νi是將局部圖像數(shù)據(jù)通過奇異值分解得到的特征值, 按降序排列, 因此ν1是最大特征值。相似度信息可用于表征圖像中是否存在斷層, 對于不存在斷層的水平連續(xù)地層,ν1=1, 其他特征值均為 0,因此C=1; 對于存在N個斷層的情況, 將水平地層切割成N+1 段, 則將奇異值分解后得到的前N+1 個特征值遠大于其他特征值, 此時C＜1。圖 2 為一個簡單相似度信息計算示例, 對于水平地層剖面, 將奇異值分解后得到的特征值為[2.7029, 0, 0, …, 0],因此C=1 (圖 2(a)); 對于存在斷層的地層剖面, 將奇異值分解后得到的特征值為[2.1250, 1.5249, 0.6815,0, 0, …, 0], 因此C=0.4906＜1 (圖 2(b))。實際應(yīng)用時, 一般選取目標點鄰域的局部圖像來計算相似度信息。另外, 考慮到實際地震資料中可能存在傾斜地層和背景噪聲干擾, 即使局部圖像中不存在斷層,C值也可能略小于 1, 一般選取閾值λ=0.95, 當C＜λ時, 則表明目標點鄰域的局部圖像中存在斷層。

圖2 相似度信息計算示例Fig. 2 Examples of continuity calculation

1.2 多方向斷層識別和三維斷層增強

我們針對邊界保持濾波做兩點改進——多方向斷層識別和三維斷層增強, 使得本文方法能夠更好地適用于實際疊后地震資料的處理。

在計算相似度信息C的時候, 只要地震資料在水平方向不連續(xù), 都可能導(dǎo)致C＜1, 即被識別為存在斷層, 因此傾角較大的傾斜地層可能被錯誤地識別為斷層。為適應(yīng)傾斜地層的情況, 本文使用多方向斷層識別的方法, 與常規(guī)的沿水平方向的單方向斷層識別方法相比, 多方向斷層識別是沿著一定范圍傾角的傾斜方向計算C值。實現(xiàn)過程如下: 選取一系列傾角 -θn, -θn-1,...,0,...,θn-1,θn, 其中最大傾角θn根據(jù)實際地震剖面中觀察到的最大地層傾角確定; 針對傾角θi, 以目標點為中心, 將局部圖像進行角度為θi的旋轉(zhuǎn), 對旋轉(zhuǎn)后的圖像數(shù)據(jù)計算Ci(圖 3), 選取Ci的最大值作為目標點的C值。通過多方向斷層識別, 傾角小于θn的地層就不會被識別為斷層, 增強了本文方法對傾斜地層的適用性。

圖3 多方向斷層識別示意圖Fig. 3 Schematic diagram of multi-directional fault recognition

進一步地, 本文將二維斷層增強方法擴展為三維斷層增強方法, 以期更好地適用于疊后三維地震資料的處理。在二維斷層增強方法中, 需要對每條inline 的地震剖面進行濾波操作, 相當于沿 inline 方向修改數(shù)據(jù)點的數(shù)值, 但可能造成 crossline 的地震剖面數(shù)據(jù)不連續(xù), 表現(xiàn)為出現(xiàn)異常噪聲或地層不連續(xù), 進而影響斷層識別的效果, 因此有必要將二維斷層增強方法擴展為三維斷層增強方法。嚴格的三維斷層增強方法需要在三維空間進行方向角計算和三維空間的斷層識別, 當空間采樣不均勻或空間采樣間隔較大時, 還面臨三維數(shù)據(jù)空間插值的問題,會產(chǎn)生巨大的運算量。

本文采用簡化方式實現(xiàn)偽三維的邊界保持濾波, 可以避免嚴格的三維方法所需的巨大運算量:針對三維數(shù)據(jù)體的目標點, 分別在該目標點沿 inline 和 crossline 的地震剖面確定濾波器對應(yīng)的數(shù)據(jù)點, 將這兩組數(shù)據(jù)點共同用于濾波計算, 得到的數(shù)值作為目標點數(shù)值, 這樣就可以實現(xiàn)簡化的三維方向濾波。這種簡化的三維方法是直接對二維方法進行擴展, 方向場計算、斷層識別和邊界保持濾波所用數(shù)據(jù)點范圍的確定均在二維方向進行, 不涉及三維數(shù)據(jù)運算(僅最后使用多個方向的數(shù)據(jù)點進行濾波時涉及三維數(shù)據(jù)運算), 因此運算量比嚴格的三維方法大大減少。該三維方法既能達到濾波效果,也能保持 inline 和 crossline 的地震剖面包含的斷層信息, 避免出現(xiàn)某個方向數(shù)據(jù)不連續(xù)的現(xiàn)象。

1.3 總流程

如圖 4 所示, 本文方法分為以下 4 個主要步驟。

圖4 三維斷層增強方法流程Fig. 4 Main procedures of three-dimensional fault enhancement technique

1) 利用梯度法計算疊后地震剖面的方向場。這一步涉及將圖像數(shù)據(jù)與高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)進行卷積, 經(jīng)參數(shù)測試, 對于采樣率為 1 ms, 主頻為 30 hz 的地震數(shù)據(jù), 標準差大于 4 ms 的高斯函數(shù), 均可保證計算得到的方向信息的準確性, 因此本文所有實例的高斯函數(shù)標準差均選取 5 ms。

2) 多方向斷層識別, 需要進行參數(shù)測試, 確定3 組參數(shù)。第一組參數(shù): 計算相似度信息時選取的局部數(shù)據(jù)時窗大小, 包括空間寬度和時間長度, 時窗大小的選取需要適中。對于空間寬度, 過小則對隨機噪聲過度敏感, 在斷層識別結(jié)果中引入噪聲;過大則在時窗內(nèi)引入過多的水平同相軸信息, 導(dǎo)致斷層識別模糊。對于時間長度, 過小則局部數(shù)據(jù)包含的斷層信息較少, 降低斷層識別的精度, 過大則會引入較大的運算量。第二組參數(shù): 最大傾角數(shù)值,一般根據(jù)在實際地震剖面中觀察到的最大地層傾角來確定。第三組參數(shù): 判斷是否存在斷層的閾值λ。

3) 根據(jù)前兩步得到的方向場信息和斷層信息,實現(xiàn)邊界保持濾波。濾波前需要通過參數(shù)測試確定濾波器的時窗大小, 時窗大小的選取需要適中, 保證既可以達到濾波效果, 又避免數(shù)據(jù)的過度平滑。

4) 在二維邊界保持濾波的基礎(chǔ)上, 結(jié)合 inline和 crossline 地震剖面數(shù)據(jù), 實現(xiàn)三維邊界保持濾波。

2 合成數(shù)據(jù)實例

我們通過合成數(shù)據(jù)對比, 驗證本文方法的有效性。所用數(shù)據(jù)為半合成數(shù)據(jù), 截取實際地震剖面中的連續(xù)水平地層數(shù)據(jù), 通過對數(shù)據(jù)圖像進行旋轉(zhuǎn),模擬傾斜地層情況, 通過在選定的空間位置對數(shù)據(jù)進行時間方向的位移, 模擬斷層的分布情況, 最終形成的合成數(shù)據(jù)接近斷層發(fā)育區(qū)域的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。經(jīng)參數(shù)測試, 確定該實例的最優(yōu)參數(shù)如下: 斷層識別所用時窗大小為 40 ms×105 m, 地層最大傾向為 40 ms/km, 相似度閾值信息為 0.9, 濾波時窗長度為 5 個數(shù)據(jù)點。原始地震剖面的斷層模糊, 且存在背景噪聲干擾(圖 5(a)), 經(jīng)本文方法增強斷層后的剖面信噪比顯著提高, 且斷層邊界更清晰(圖5(b))。圖 5(c)和(d)顯示, 斷層增強后的相干剖面對斷層的刻畫更清晰、更準確。由于本文方法使用多方向斷層識別, 在斷層增強后的剖面中, 原始相干剖面中因存在傾斜地層而產(chǎn)生的虛假斷層信息被有效地壓制。

圖5 斷層增強前后的結(jié)果對比Fig. 5 Results before and after fault enhancement

3 實際數(shù)據(jù)應(yīng)用

應(yīng)用本文提出的斷層增強方法處理工區(qū) A 的三維疊后地震資料。經(jīng)參數(shù)測試, 確定該實例的最優(yōu)參數(shù)如下: 斷層識別所用時窗大小為 30 ms×105 m,地層最大傾向為 25 ms/km, 相似度閾值信息為 0.95,濾波時窗長度為 7 個數(shù)據(jù)點。圖 6 展示 inline 地震剖面的斷層增強效果。原始剖面存在明顯的隨機噪聲干擾, 且斷層邊緣較模糊, 增強斷層后, 數(shù)據(jù)信噪比和地層同相軸的連續(xù)性明顯提高, 斷層邊緣更加清晰。圖 6(c)和(d)顯示, 在應(yīng)用本文方法進行斷層增強后的相干剖面中, 噪聲得到顯著的壓制, 原本模糊不清的斷層信息被清晰地刻畫出來(虛線橢圓所示區(qū)域)。

圖6 inline 地震剖面及相干剖面對比Fig. 6 Seismic profile along inline and comparison of coherence slices

圖 7 展示相干切片的對比。原始相干切片受到背景噪聲干擾, 相干體屬性難以識別(圖 7(a)), 應(yīng)用本文方法進行斷層增強后, 相干切片的信噪比明顯提高, 相干體屬性刻畫更加清晰, 原本模糊不清的相干體屬性得以清晰地呈現(xiàn)(圖 7(c)中虛線橢圓所示區(qū)域)。由于工區(qū) A 存在較多的傾斜地層(圖 6(a)), 與多方向斷層識別結(jié)果相比, 單方向斷層識別結(jié)果中出現(xiàn)較多的噪聲干擾, 相干體屬性也相對模糊(圖 7(b)中虛線橢圓所示區(qū)域)。因此, 對于傾斜地層, 與常用的單方向斷層識別方法相比, 多方向斷層識別方法更適用。

圖7 基于單方向識別和多方向識別的方法在相干切片上的斷層增強效果對比Fig. 7 Comparison of the single- and multi- directional methods of fault enhancement on coherent slices

最后, 對比三維增強方法與二維增強方法的處理效果。圖 8 展示 crossline 地震剖面的斷層增強效果。與原始地震剖面相比, 使用二維方法處理 inline 方向的地震剖面, 信噪比有所提升, 但仍然有較多的背景噪聲殘留, 主要原因是僅對 inline 的地震剖面進行二維數(shù)據(jù)增強, 可能引起 crossline 的地震剖面數(shù)據(jù)不連續(xù)。與二維增強結(jié)果相比, 在應(yīng)用本文的三維方法增強斷層后的地震剖面中, 背景噪聲被顯著地壓制, 地層同相軸的連續(xù)性得到提高。

圖8 二維方法和三維方法在crossline 地震剖面上的斷層增強效果對比Fig. 8 Comparison of the two- and three- dimensional methods of fault enhancement on crossline seismic profiles

相干切片的對比結(jié)果(圖 9)顯示, 原始相干切片存在較多的噪聲干擾(圖 9(a)); 二維增強方法可以在一定程度壓制噪聲, 對相干體屬性的刻畫更加清晰, 但圖 9(b)中虛線橢圓所示區(qū)域的相干體屬性仍然模糊; 三維增強技術(shù)的處理效果最佳, 相干切片信噪比進一步提高, 相干體屬性更加清晰, 圖9(c)中虛線橢圓所示區(qū)域的兩組相干體屬性得以清晰地呈現(xiàn)。

圖9 二維方法和三維方法在地震剖面和相干切片上的斷層增強效果對比Fig. 9 Comparison of the two- and three- dimensional methods of fault enhancement on seismic profiles and coherent slices

圖 9(d)～(f)分別展示圖 9(a)～(c)中虛線所示測線對應(yīng)的地震剖面, 通過地震剖面的對比再次驗證本文方法的斷層增強效果。從圖 9(d)～(f)的地震剖面中可以看到明顯的“斷層發(fā)育”現(xiàn)象, 但以此判斷相干切片(圖 9(a)～(c))中的相干體屬性能夠反映斷層信息是不夠嚴謹?shù)摹Ｏ喔审w屬性表征的是地震反射特征突變的位置, 可能由斷層、河道邊界、火成巖邊界以及砂泥分界面所導(dǎo)致。工區(qū) A 位于渤海灣盆地, 該區(qū)域斷層系統(tǒng)異常發(fā)育, 所以相干體屬性對應(yīng)斷層信息的概率較大, 但在缺少進一步證據(jù)的情況下, 仍無法排除相干體屬性對應(yīng)砂-泥邊界或其他情況。判斷相干體屬性的地質(zhì)成因并非本文的研究重點, 因此僅做此說明, 不做深入的論證。

4 結(jié)論

本文提出一種基于多方向識別的三維斷層增強方法。通過方向濾波增強地震同相軸的連續(xù)性, 并壓制背景噪聲; 用多方向斷層識別代替常用的單方向斷層識別, 提高本文方法對存在傾斜地層情況的適用性; 通過邊界保持濾波, 保持地震剖面中的斷層信息; 將二維斷層增強方法擴展到三維, 實現(xiàn)以較低的運算量達到三維斷層增強的效果。合成數(shù)據(jù)和實際工區(qū)數(shù)據(jù)的應(yīng)用實例均證明了本文方法的有效性, 能夠在有效地壓制背景噪聲的同時, 得到斷層分辨率更好的相干剖面, 有助于進一步的構(gòu)造解釋以及油氣輸導(dǎo)體系評價。