趙衍彬,黃旭日,陳永紅,宋海渤,張 棟,崔曉慶,代 月

(1.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,山東東營257015;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610500;3.北京旭日奧油能源技術(shù)有限公司,北京100012)

目前,我國石油勘探開發(fā)的主要目標(biāo)從構(gòu)造油氣藏逐步轉(zhuǎn)向隱蔽油氣藏[1]。隱蔽油氣藏具有高度的非均質(zhì)性,這種高度的非均質(zhì)性是造成儲層不連通,形成剩余油的主要原因,以快速沉積的砂礫巖單元之間的復(fù)雜非均質(zhì)性最為典型。這類油藏砂體流動單元級次分明,因常規(guī)方法技術(shù)難以識別小尺度級次的流動單元,故無法達(dá)到河流相儲層精細(xì)描述的尺度要求。另外,地震數(shù)據(jù)中常常包含著眾多不可避免的噪聲,掩蓋了地下復(fù)雜地質(zhì)體間的疊置關(guān)系和方向特征。為了對地下地質(zhì)體邊界進(jìn)行精確識別,獲得隱蔽油氣藏的精細(xì)表征,需要對地震數(shù)據(jù)解釋進(jìn)行多尺度分析[2]。

1981年,CROWLEY[3]提出了圖像金字塔技術(shù),它是一種以多分辨率來解釋圖像多尺度結(jié)構(gòu)的圖像分解技術(shù)。20世紀(jì)90年代早期,FREEMAN等[4]和SIMONCELLI等[5]根據(jù)圖像金字塔技術(shù)提出了方向可控金字塔分解理論,并利用方向可控濾波器,將圖像劃分成一系列具有不同大小、不同方向特征的圖像進(jìn)行分析處理,而后對圖像進(jìn)行合成得到輸出圖像,實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣檢測。2008年,MATHEWSON等[6]將方向可控金字塔方法應(yīng)用于油氣勘探的地震檢測,具體如下:首先利用該方法進(jìn)行地震屬性分析,然后將地震屬性分解為多尺度、多方向的特征分量,從而增強(qiáng)表征沉積地質(zhì)體的橫向分布特征,最終實(shí)現(xiàn)方向可控金字塔方法在河道檢測中的應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者也將該方法引入油氣藏單元檢測中,2012年,林春等[7]利用方向金字塔方法進(jìn)行儲層斷裂系統(tǒng)的檢測與沉積成像,得到了較為清晰的斷層信息和沉積特征;2017年,張正陽[8]在二維方向可控金字塔方法的基礎(chǔ)上加入控制函數(shù),實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體的邊緣檢測;2018年,呂小龍[9]綜合利用三維方向可控金字塔方法和多尺度方向?yàn)V波再組合的方式檢測斷裂及地質(zhì)體邊界。目前,對于如何根據(jù)不同地質(zhì)特征進(jìn)行多尺度分解與組合濾波以更有效地突出地質(zhì)單元的邊界,仍然缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和有效方法。

在地震勘探領(lǐng)域,小波變換技術(shù)作為較普遍的多尺度分解方法,采用了Contourlet變化的金字塔分解和濾波庫,對方向性的線性特征具有一定的檢測優(yōu)勢,但是小波變換技術(shù)不具有平移不變性,且二維小波的基函數(shù)是各向同性的,這導(dǎo)致采用該方法檢測各向異性的復(fù)雜地下地質(zhì)體線性奇異性邊緣時,存在一定的局限性。方向可控金字塔方法具有以下特點(diǎn):①作為一種多尺度多方向的分解方法,其具有平移不變和方向可控等優(yōu)點(diǎn),可對復(fù)雜的地下地質(zhì)體進(jìn)行精確識別;②對地質(zhì)體進(jìn)行維度分析時,利用線性或非線性函數(shù)進(jìn)行約束,可以突出具有優(yōu)勢的局部方向進(jìn)行特征選擇和特征抽取;③使用相同的預(yù)處理濾波圖像來進(jìn)行分析和處理,有助于交互式應(yīng)用。本文將該方法應(yīng)用于春風(fēng)油田p609區(qū)塊砂礫巖的地質(zhì)體邊界識別,并根據(jù)地質(zhì)特征設(shè)計不同尺度的組合和方向?yàn)V波,進(jìn)一步優(yōu)化方向可控金字塔處理方法,以挖掘地震屬性中隱蔽的沉積地質(zhì)體分布特征,準(zhǔn)確刻畫井間沉積地質(zhì)體邊界,并結(jié)合開發(fā)信息驗(yàn)證應(yīng)用效果。

1 方向可控金字塔技術(shù)

1.1 多尺度構(gòu)建

如圖1所示,圖像金字塔通過大尺度信號與小尺度信號的結(jié)構(gòu)關(guān)系,將信息分解為一系列自下而上的,在尺度上逐漸變化的圖像。自上而下,金字塔組成圖像的尺度由小變大,小尺度可以反映出圖像的細(xì)節(jié)信息,大尺度則能較好地反映圖像的宏觀信息。構(gòu)建圖像金字塔的關(guān)鍵在于對圖像數(shù)據(jù)的行和列按照一定比例進(jìn)行抽樣或插值。合適的比例不僅能夠保證多尺度構(gòu)建的精度,同時也可以減少圖像數(shù)據(jù)的運(yùn)算量。

我們在頻率域進(jìn)行金字塔分解,分解過程需要對輸入圖像進(jìn)行傅里葉變換,使用常規(guī)的傅里葉變換會導(dǎo)致頻率劇烈變化處產(chǎn)生起伏震蕩現(xiàn)象,即Gibbs效應(yīng)。Gibbs效應(yīng)在二維圖像重構(gòu)中會造成邊緣處出現(xiàn)較大的失真,呈現(xiàn)出隱約可見的以子圖像尺寸為單位的方塊狀結(jié)構(gòu),降低圖像質(zhì)量。高斯濾波是一種線性平滑濾波,可用于消除高斯噪聲,因?yàn)槠涓道锶~變換仍然是高斯函數(shù),故可以避免“振鈴”現(xiàn)象。在分解過程中引入高斯濾波,并通過不同尺度屬性的組合,可以有效規(guī)避Gibbs效應(yīng)導(dǎo)致的振蕩誤差,實(shí)現(xiàn)金字塔的精確重構(gòu),提高圖像質(zhì)量。

圖1 圖像金字塔概念結(jié)構(gòu)示意

1.2 方向可控濾波器

方向可控濾波器最早由FREEMAN等[4]提出,它由一組基方向?yàn)V波器組合而成,具有方向旋轉(zhuǎn)性[4-5,10-11]。

方向可控濾波器的濾波核具有可控性,其處理后的結(jié)果具有低計算量和高精度的特點(diǎn)[12]。在地震資料中,方向可控濾波器在同相軸的方向?yàn)V波?？煽貫V波器的函數(shù)表達(dá)式如下:

(1)

式中:fθ(x,y)是可控濾波器在θ方向上的函數(shù),它可以由θ方向的插值函數(shù)kj(θ)和θ方向的基函數(shù)fθj(x,y)線性組合得到;j為分解的層數(shù);N為基函數(shù)與插值函數(shù)的對數(shù)。

(2)

式中:gi(r,φ)為fθ(r,φ)的基函數(shù)。

圖2為方向可控濾波器的結(jié)構(gòu)和處理過程。首先對輸入圖像與1組基方向?yàn)V波器組合(3個不同方向)進(jìn)行卷積運(yùn)算,輸出3個不同方向的濾波圖像,然后將濾波圖像分別與對應(yīng)的插值函數(shù)相乘,再通過加法器求和,最終輸出具有方向性的濾波圖像。

針對不同地質(zhì)體以及沉積環(huán)境的地震響應(yīng)差異,優(yōu)化不同尺度屬性的組合,其關(guān)鍵在于濾波。本文通過實(shí)際砂礫巖邊界預(yù)測應(yīng)用探討該優(yōu)化過程。

圖2 方向可控濾波器的結(jié)構(gòu)和處理過程示意

1.3 特征重構(gòu)

對構(gòu)建的金字塔進(jìn)行逆操作,即采用上采樣方法進(jìn)行特征重構(gòu)。為了突出具有相干線性特征的區(qū)域,在重構(gòu)過程中,先對各個層的基方向?yàn)V波圖像進(jìn)行加權(quán)求和,再使用非線性函數(shù)控制輸出圖像,該重構(gòu)過程如公式(3)所示:

(3)

式中:i表示金字塔分解層數(shù);j表示濾波方向數(shù)量;wij表示第i層j方向的權(quán)重系數(shù);qij表示第i層j方向的濾波圖像;Si表示第i層非線性控制函數(shù)。

通過非線性控制函數(shù)控制輸出圖像,可以從方向可控金字塔的濾波圖像qi中提取特征信息,從而去除我們不感興趣的特征,保留能夠凸顯地質(zhì)體的特征。非線性控制函數(shù)表達(dá)式為:

(4)

式中:Li表示第i層的線性控制;K和T分別代表控制步長和閾值。

方向可控金字塔的重構(gòu)步驟如圖3所示,在方向可控金字塔重構(gòu)過程中,利用加權(quán)系數(shù)提高圖像的線性特征,重構(gòu)后輸出圖像的相干特征會相應(yīng)地增強(qiáng),噪聲在一定程度上得到衰減。首先將權(quán)重系數(shù)和非線性控制函數(shù)應(yīng)用于方向?yàn)V波圖像,即將尺度Level 2的方向?yàn)V波圖像q20,q21,q22與其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)w20,w21,w22以及S2函數(shù)做乘法運(yùn)算,然后進(jìn)行求和,將求和結(jié)果與低頻數(shù)據(jù)經(jīng)過上采樣處理后的結(jié)果相加,將相加后的結(jié)果再次進(jìn)行上采樣,而后與尺度Level 1的方向?yàn)V波q10,q11,q12與其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)w10,w11,w12以及S1函數(shù)相乘后進(jìn)行加法運(yùn)算的結(jié)果再求和,最終輸出為特征重構(gòu)圖像。

圖3 方向可控金字塔重構(gòu)步驟

2 實(shí)際應(yīng)用

利用春風(fēng)油田p609區(qū)塊實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行方法測試和對比分析。圖4a為該區(qū)塊沙灣組地層的均方根振幅屬性分布,黑色低值表示泥巖,白色高值表示砂體。采用閾值處理方法劃分屬性,得到的結(jié)果零散且包含較多噪聲,難以識別地質(zhì)體邊界(圖4b)。

圖4 p609區(qū)塊沙灣組地層均方根振幅屬性分布(a)及采用閾值處理方法得到的結(jié)果(b)

對圖4a所示的均方根振幅屬性,分別采用小波變換和方向可控金字塔方法處理,圖5a為對p609區(qū)塊沙灣組地層采用小波變換得到的結(jié)果,具有較多噪聲且地質(zhì)體邊界依然模糊。對p609區(qū)塊沙灣組地層采用本文提出的方向可控金字塔方法處理結(jié)果如圖5b 所示,該方法能夠有效去除與地質(zhì)體無關(guān)的背景信息,其結(jié)果分辨率得到大幅提升,地質(zhì)體邊界得到增強(qiáng),并且突出了地質(zhì)體的方向性。

圖5 對p609區(qū)塊沙灣組地層采用小波變換(a)和方向可控金字塔方法(b)得到的處理結(jié)果

采用方向可控金字塔方法對p609區(qū)塊沙灣組地層地震屬性進(jìn)行多尺度分解,結(jié)果如圖6所示。圖中的8層圖像均經(jīng)過高斯低通濾波和降采樣處理。構(gòu)建的圖像金字塔的尺度從下至上逐漸遞增,分辨率逐漸減小,對金字塔的頂層采取了7次濾波和降采樣操作。采用本文方法得到結(jié)果能夠摒棄相應(yīng)的高頻信

圖6 p609區(qū)塊沙灣組地層地震屬性多尺度分解結(jié)果

息,僅保留有效低頻信息。

對p609區(qū)塊沙灣組地層地震屬性各尺度圖像進(jìn)行多方向分解,結(jié)果如圖7所示。該區(qū)域的沉積物源方向以東北—西南向以及東西向?yàn)橹?因此根據(jù)沉積特征的方向,對8個尺度的圖像分別進(jìn)行0、60°和120°分解,這樣金字塔的每層都由3個不同方向的子帶信息組成。Level 0～Level 2圖像包含高頻信息較多,3個方向信息差別不明顯,Level 3～Level 7圖像明顯地展示了包括南北向、北西—南東向和北東—南西向3個方向的信息。從地震切片的內(nèi)部細(xì)節(jié)到外部輪廓,都可以通過不同尺度不同方向的圖像進(jìn)行展示,進(jìn)而提取有用信息。Level 0～Level 1圖像對方向性特征影響較小,因此,為了突出地質(zhì)特征和方向性,重構(gòu)時可以剔除該子帶信息或選用較小的權(quán)重。

圖7 p609區(qū)塊沙灣組地層地震屬性各尺度圖像不同方向分解結(jié)果

對不同方向的地震數(shù)據(jù)加入方向估計再進(jìn)行重構(gòu),得到的結(jié)果如圖8所示。對圖8采用方向可控金字塔方法處理,處理結(jié)果如圖9所示。

圖8 對p609區(qū)塊沙灣組地層地震屬性各尺度圖像加入方向估計后的重構(gòu)結(jié)果

圖9 對圖8采用方向可控金字塔方法得到的處理結(jié)果

方向可控金字塔方法需要對金字塔結(jié)構(gòu)中每一個子帶信息進(jìn)行S函數(shù)控制和方向估計,既有效壓制了地震屬性中的噪聲,突出了主要地質(zhì)體的輪廓和分布特征,又表征了地質(zhì)體的方向。由本文方法得到的結(jié)果可知,p609井、1井和p1井位于同一個地質(zhì)體,p624井和12井位于另一個地質(zhì)體,p634井位于一個地質(zhì)體,10井和16井分別位于一個地質(zhì)體,以上地質(zhì)體均為北西西方向,14井位于另一個地質(zhì)體,為北北東方向,各個地質(zhì)體呈孤立狀。各井累產(chǎn)油量與原始地震屬性相關(guān)性較差(圖10a),經(jīng)方向可控金字塔方法處理后,相同環(huán)境的沉積地質(zhì)體地震屬性與各井累產(chǎn)油量相關(guān)性較好(圖10b),除位于東部辮狀河沉積的14井外,主體區(qū)扇三角洲沉積區(qū)的各井累產(chǎn)油量與處理后地震屬性呈正相關(guān)關(guān)系。對于同一地質(zhì)體,各井累產(chǎn)油量與地震屬性較接近,如p609井、1井和p1井,因此方向可控金字塔方法對地質(zhì)體邊界識別和油氣開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖10 p609區(qū)塊各井累產(chǎn)油量與方向可控金字塔方法處理前(a)、后(b)的地震屬性相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

本文采用方向可控金字塔方法實(shí)現(xiàn)了單元體邊界檢測,通過該方法在p609快速沉積砂礫巖油藏的實(shí)際應(yīng)用,得出如下結(jié)論和認(rèn)識。

1) 根據(jù)地質(zhì)特征設(shè)計不同尺度屬性組合和方向?yàn)V波,分析不同尺度的濾波圖像的有效性,剔除無效分量,再對濾波結(jié)果進(jìn)行重構(gòu),可有效識別砂礫巖體的邊界。

2) 方向可控金字塔處理方法可以識別快速沉積砂礫巖體的邊界,但是在實(shí)際應(yīng)用中,結(jié)合地質(zhì)特征進(jìn)行尺度和方向優(yōu)化組合是該方法的關(guān)鍵所在。

3) 不同尺度圖像的方向性應(yīng)該由油藏沉積的地質(zhì)特征確定,在應(yīng)用過程中,應(yīng)根據(jù)是否具有定義的方向?yàn)V波信息來確定不同尺度的組合濾波是否參與重構(gòu),這是能否獲得隱蔽特征的關(guān)鍵,同時,采用其它數(shù)據(jù)如開發(fā)動態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證也有利于實(shí)際應(yīng)用中的尺度優(yōu)化。

在p609區(qū)塊沉積砂礫巖油藏的邊界識別中,我們根據(jù)地質(zhì)特征設(shè)計方向?yàn)V波方位,并對每個子帶根據(jù)地質(zhì)特征進(jìn)行分析再確定重構(gòu)的方法,結(jié)果證明本文方法在快速沉積的砂礫巖油藏中地質(zhì)效果較好。近年來,將方向可控金字塔技術(shù)應(yīng)用于其它區(qū)塊的河流相特征檢測和斷裂檢測,均取得了不錯的效果。對于如何優(yōu)化多方向多尺度屬性的分解、組合濾波和濾波方法的選取等,仍需在實(shí)踐中不斷探索。