肖 湘,尹 成,彭 達(dá),丁 峰,張 棟

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都 610500;2.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院,四川成都 610041)

在河流相和三角洲相砂巖儲(chǔ)集體中,發(fā)育有疊置的復(fù)合砂體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱、橫向變化通常對(duì)流體具有明顯的阻隔和控制作用,造成砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性增強(qiáng)[1-2]。隨著油氣勘探開發(fā)的深入,為了給油田提高采收率、部署調(diào)整井等工作提供決策參考,獲取更薄或更小層級(jí)砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部的不連續(xù)性信息并識(shí)別影響流體的結(jié)構(gòu),成為儲(chǔ)層不連續(xù)性研究的重要方向之一。

目前用于儲(chǔ)層不連續(xù)性檢測(cè)的技術(shù)大多源自識(shí)別斷層和其它顯著不連續(xù)性地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法,包括相干類地震屬性結(jié)合螞蟻?zhàn)粉欉@樣的組合技術(shù)也是如此。相干類地震屬性算法最早由BAHORICH和FARMER于1995年提出,該方法利用3道地震數(shù)據(jù)中的滑動(dòng)時(shí)窗計(jì)算出最大互相關(guān),然后測(cè)量局部波形的相似性,通過低相似性波形與斷層等結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,使不連續(xù)的部分從地震數(shù)據(jù)中突顯出來[3-4]。之后,各種地震屬性方法被不斷提出或改進(jìn),包括由梯度結(jié)構(gòu)張量建立的相干屬性[5]、局部結(jié)構(gòu)熵[6]、傾角導(dǎo)向梯度能量熵[7]、最大似然屬性[8]方法等。上述方法通過測(cè)量地震數(shù)據(jù)中局部信息的相似性或差異性,來突出斷層特征在地震數(shù)據(jù)體中的位置,并且對(duì)于識(shí)別某些顯著的地層、巖性變化也具有一定的效果。在實(shí)際應(yīng)用過程中,由于這些屬性會(huì)不可避免地受到原始地震數(shù)據(jù)中噪聲的影響,造成目標(biāo)特征模糊不清,為了更好地實(shí)現(xiàn)斷層自動(dòng)識(shí)別等后續(xù)操作,螞蟻?zhàn)粉?ant tracking)方法被引入商業(yè)軟件中[9]。在優(yōu)化此類使用蟻群算法基本思想的方法技術(shù)時(shí),嚴(yán)哲等[10]提出方向約束蟻群算法,通過對(duì)提取的相干類屬性進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)斷層響應(yīng),提升斷層的可追蹤性,進(jìn)一步提高了蟻群算法在斷層自動(dòng)追蹤流程中的效果;馬藝璇等[11]對(duì)螞蟻?zhàn)粉櫟妮斎霐?shù)據(jù)體進(jìn)行匹配追蹤頻譜分解和二次去噪,并結(jié)合測(cè)井資料反復(fù)調(diào)整追蹤參數(shù),在實(shí)際地震資料處理中提升了對(duì)不同尺度斷裂的刻畫效果。對(duì)于薄砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部通常存在的一些不連續(xù)性結(jié)構(gòu),由于其尺度通常接近或小于1/4地震波長(zhǎng),因此在反射旅行時(shí)、地震振幅或波形等方面的差異變化不夠明顯,導(dǎo)致常規(guī)相干類方法對(duì)其產(chǎn)生的響應(yīng)偏弱,不連續(xù)性特征難以被準(zhǔn)確識(shí)別解釋。同樣,由于薄砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)相對(duì)偏弱,這些結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度和形態(tài)等方面與斷層等不連續(xù)性結(jié)構(gòu)存在一定差異,故采用基于蟻群的常規(guī)算法增強(qiáng)此類不連續(xù)性特征的效果不明顯,且不能滿足對(duì)薄砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行更精細(xì)刻畫的需求。

為了提高對(duì)薄砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的識(shí)別能力,本文在充分認(rèn)識(shí)地震屬性對(duì)地下巖性構(gòu)造變化響應(yīng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,首先介紹了灰度共生矩陣均質(zhì)性計(jì)算方法,并利用均質(zhì)性從屬性數(shù)據(jù)中初步提取不連續(xù)性信息;然后提出了路徑彎曲度約束蟻群算法,用于進(jìn)一步增強(qiáng)不連續(xù)性特征;最后將該技術(shù)應(yīng)用于模型數(shù)據(jù)和實(shí)際工區(qū)資料的儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性檢測(cè),驗(yàn)證了組合技術(shù)的有效性。

1 方法原理

從地震屬性與地震數(shù)據(jù)的關(guān)系來看,地震屬性可以視作是原始地震數(shù)據(jù)中全部信息的一個(gè)子集[12]。從原始地震數(shù)據(jù)到地震屬性數(shù)據(jù),不同地質(zhì)信息在數(shù)據(jù)中的占比會(huì)發(fā)生改變,這使得特定的地質(zhì)特征在某些地震屬性中引起的變化往往比在地震數(shù)據(jù)中更加明顯。前人針對(duì)河流相和三角洲相不同復(fù)合砂體構(gòu)型樣式進(jìn)行的正演模擬顯示,地下沉積體的變化會(huì)引起地震波形、頻率和振幅等變化,上述變化可通過相應(yīng)類型的敏感屬性實(shí)現(xiàn)構(gòu)型的識(shí)別和區(qū)分[13-14]。在單砂體楔形模型以及薄互層砂體的相關(guān)研究中,當(dāng)砂巖厚度小于1/4地震波長(zhǎng)時(shí),地震振幅隨厚度變化的程度比全信息的地震數(shù)據(jù)隨厚度變化的程度更加明顯[15-16]。因此從地震數(shù)據(jù)中提取的振幅屬性數(shù)據(jù)能用于定位砂體邊緣以及復(fù)合砂體內(nèi)部砂體疊置等不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的信息占比更高。考慮到算法的穩(wěn)定性、原始數(shù)據(jù)的噪聲以及層位解釋的小瑕疵等對(duì)屬性計(jì)算結(jié)果的影響程度,均方根振幅屬性可以作為灰度共生矩陣均質(zhì)性計(jì)算的輸入數(shù)據(jù),其屬性值變化與砂巖厚度改變位置具有較強(qiáng)的相關(guān)性,可以反映疊置砂巖的平面分布特征[17]。因此,本文提出的檢測(cè)薄砂巖儲(chǔ)層不連續(xù)性的流程主要包括:①對(duì)目標(biāo)層位提取的地震均方根振幅屬性;②計(jì)算其灰度共生矩陣的均質(zhì)性統(tǒng)計(jì)量;③利用改進(jìn)后的蟻群算法對(duì)均質(zhì)性數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng);④獲得不連續(xù)性特征結(jié)果。

1.1 灰度共生矩陣均質(zhì)性計(jì)算

灰度共生矩陣的均質(zhì)性是衡量圖像紋理均勻程度或像素間相似性的統(tǒng)計(jì)量[18],均質(zhì)性計(jì)算結(jié)果可以突出相鄰道屬性值的微小變化?；跀?shù)值為有理數(shù)的均方根振幅屬性生成灰度共生矩陣,首先需要將均方根振幅屬性值轉(zhuǎn)化為灰階圖像,轉(zhuǎn)化公式如下:

(1)

式中:a是某點(diǎn)屬性值;amin和amax是屬性的最小值和最大值;G是轉(zhuǎn)化時(shí)設(shè)定的最大灰階數(shù);Int()是取整;Ng是a的轉(zhuǎn)化結(jié)果。

采用上述公式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后,可將其結(jié)果視作二維圖像來生成灰度共生矩陣并計(jì)算其均質(zhì)性參數(shù)[19]?；叶裙采仃嚩x如下:位于Wx×Wy范圍內(nèi)相隔距離為δ、連線方向?yàn)棣鹊膬蓚€(gè)像素,灰度分別為i和j的情況的發(fā)生率P所構(gòu)成的矩陣。若以(x1,y1)和(x2,y2)表示距離為δ、連線方向?yàn)棣鹊膬蓚€(gè)像素坐標(biāo),則將P記為:

P(i,j,δ,θ)=c{[(x1,y1),(x2,y2)]∈(Wx×

Wy)×(Wx×Wy)|g(x1,y1)=i,g(x2,y2)=j}

(2)

式中:c{}表示滿足條件的元素個(gè)數(shù);g(x,y)表示范圍Wx×Wy內(nèi)像素(x,y)的灰度值。

在地震勘探領(lǐng)域,通常設(shè)定δ=1以保證相鄰道連續(xù)性,θ分別取4個(gè)方向的值[20]。在給定δ和θ的情況下,像素兩兩之間構(gòu)成點(diǎn)對(duì)的總數(shù)為R,P(i,j,δ,θ)可以簡(jiǎn)化表示為Pi,j,由該元素構(gòu)成的灰度共生矩陣M歸一化表達(dá)為:

(3)

以圖1紅框所示的3×3范圍為例,當(dāng)θ=0時(shí),灰度值為7和10的像素點(diǎn)對(duì)只有一個(gè),所以P7,10=P10,7=1。而在(3)式中,當(dāng)θ為0°或者90°時(shí),則R=2×Wx×(Wy-1);當(dāng)θ為45°或135°時(shí),則R=2×(Wx-1)×(Wy-1)。

圖1 灰度共生矩陣的方向

得到灰度共生矩陣后,均質(zhì)性H的計(jì)算公式為:

(4)

將不同方向的灰度共生矩陣均質(zhì)性值取平均,得到最終的計(jì)算結(jié)果。較低的均質(zhì)性代表著非零元素分散在灰度共生矩陣中,指示分析窗位置存在著能引起地震屬性變化的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)?；叶裙采仃嚨幕译A數(shù)G以及Wx和Wy的選取,也影響著均質(zhì)性結(jié)果對(duì)隱蔽不連續(xù)性信息的刻畫能力以及不連續(xù)性特征邊緣的分辨能力。以圖2a中紅線勾勒的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)為例,在圖2b中設(shè)定G為64階,當(dāng)Wx和Wy取值均為3時(shí),均質(zhì)性結(jié)果能清晰顯示均方根振幅異常寬度約為6的隱蔽不連續(xù)性結(jié)構(gòu)邊緣,而當(dāng)Wx和Wy同時(shí)為7時(shí),該隱蔽結(jié)構(gòu)難以識(shí)別,同時(shí)我們難以準(zhǔn)確分辨屬性圖上更明顯的不連續(xù)性特征的邊緣。因此,Wx和Wy取值應(yīng)該為目標(biāo)不連續(xù)性特征尺度的一半,過大會(huì)造成不連續(xù)性結(jié)構(gòu)形態(tài)無法識(shí)別,過小則會(huì)導(dǎo)致細(xì)小干擾信息影響顯示效果,Wx和Wy為3時(shí),目標(biāo)結(jié)構(gòu)的邊緣刻畫結(jié)果較為理想。如圖2c 所示,設(shè)定Wx×Wy為3×3,當(dāng)灰階數(shù)從8階增大到64階時(shí),不難發(fā)現(xiàn),利用均質(zhì)性結(jié)果可以更好地突出該隱蔽不連續(xù)性結(jié)構(gòu),從64階進(jìn)一步增大到128階后,不難發(fā)現(xiàn),利用均質(zhì)性結(jié)果進(jìn)行識(shí)別,提升效果不明顯,計(jì)算量和其它干擾信息增多。因此,在灰階數(shù)剛好滿足目標(biāo)特征且目標(biāo)結(jié)構(gòu)被準(zhǔn)確刻畫后,再將值提高約1/3使目標(biāo)進(jìn)一步突出,則識(shí)別效果更為理想,G大于32階接近64階時(shí),識(shí)別效果最佳。

圖2 不同參數(shù)計(jì)算灰度共生矩陣均質(zhì)性效果a 原始均方根振幅屬性; b 灰階數(shù)G=64,不同Wx×Wy; c Wx×Wy為3×3,不同灰階數(shù)G

1.2 路徑彎曲度約束的蟻群算法

由地震屬性得到的均質(zhì)性計(jì)算結(jié)果不可避免地含有原始數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲,容易造成不連續(xù)性特征模糊。為了改善不連續(xù)性特征的顯示效果,采用路徑彎曲度約束蟻群算法對(duì)均質(zhì)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行增強(qiáng)。

蟻群算法的靈感來源于螞蟻們尋找最短覓食路徑的機(jī)制,該算法可用于解決某些優(yōu)化問題,其基本要素通常包括信息素的激勵(lì)和揮發(fā)、終止條件、轉(zhuǎn)移規(guī)則和移動(dòng)代價(jià)等[21]。通過蟻群算法來突出不連續(xù)性特征、改善斷層特征連續(xù)性和壓制噪聲,利用的就是人工螞蟻傾向于但不限于朝信息素濃度高的方向移動(dòng),移動(dòng)過程包括根據(jù)移動(dòng)距離在路徑上留下相應(yīng)濃度信息素的正反饋過程以及舊信息素不斷揮發(fā)的過程等。

蟻群增強(qiáng)算法的第1步:將均質(zhì)性平面數(shù)據(jù)分割為由N×N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的區(qū)域,并在每一個(gè)區(qū)域中投入1只螞蟻。根據(jù)如下的概率公式螞蟻選擇區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)為(r,s)的點(diǎn)作為起始點(diǎn):

(5)

式中:H(r,s)表示坐標(biāo)為(r,s)的點(diǎn)的均質(zhì)性值,為歸一化的數(shù)值。

蟻群增強(qiáng)算法的第2步:計(jì)算螞蟻從坐標(biāo)為(r,s)的點(diǎn)到下一個(gè)坐標(biāo)為(i,j)的點(diǎn)轉(zhuǎn)移概率,計(jì)算公式為:

(6)

式中:Ω(r,s)包含螞蟻從坐標(biāo)為(r,s)的點(diǎn)可以選擇的所有轉(zhuǎn)移候選點(diǎn);τ(i,j)是坐標(biāo)為(i,j)的點(diǎn)的信息素濃度;α和β是定值,用于控制信息素和啟發(fā)函數(shù)η(i,j)對(duì)轉(zhuǎn)移概率的影響;(u,v)為Ω(r,s)中的任意一點(diǎn)坐標(biāo)。啟發(fā)函數(shù)定義為:

η(i,j)=1-H(i,j)

(7)

對(duì)于剖面上的斷層特征,可以依據(jù)其傾角對(duì)螞蟻轉(zhuǎn)移方向進(jìn)行一定程度的約束,更好地增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)成組的斷層線[22]。不同于斷層線在剖面和平面上都具有一定延伸長(zhǎng)度并且局部彎曲較少的特性,對(duì)于河流相和三角洲相薄層復(fù)合砂體內(nèi)的不連續(xù)性結(jié)構(gòu),其垂向延伸長(zhǎng)度通常在地層厚度以下,而不連續(xù)性特征形成的線或條帶在沿層切片上彎曲轉(zhuǎn)向更加顯著且頻繁。

因此,本文將斷層追蹤常用的方向約束條件修改為對(duì)路徑彎曲度的約束[23],以適應(yīng)薄層的不連續(xù)性特征,并防止螞蟻在局部小區(qū)域形成轉(zhuǎn)圈式的移動(dòng)。在此約束條件下,Ω(r,s)中的點(diǎn)需要滿足以下3個(gè)規(guī)則:①不包含在之前的移動(dòng)路徑中;②對(duì)于起始的第一步,螞蟻選擇的移動(dòng)方向不受限制,而對(duì)非起始的一步,移動(dòng)方向在上一步的基礎(chǔ)上最大偏離限制在45°以內(nèi),當(dāng)移動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)定為1時(shí),螞蟻?zhàn)疃嗄苓x擇3個(gè)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)移候選點(diǎn);③滿足規(guī)則①和②后,如果Ω(r,s)中仍含有類斷層點(diǎn),則只保留類斷層點(diǎn),將其它點(diǎn)從Ω(r,s)中剔除。

類斷層點(diǎn)是通過一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值F將某點(diǎn)與其它點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)該點(diǎn)均質(zhì)性低于設(shè)定的F,表示該點(diǎn)很可能是不連續(xù)性特征上的一個(gè)點(diǎn)(雖然稱為類斷層點(diǎn),在本文中這樣的點(diǎn)包括但不限于斷層特征上的點(diǎn))。由于較小尺度的內(nèi)部不連續(xù)性結(jié)構(gòu)對(duì)均質(zhì)性的反應(yīng)相對(duì)不明顯,因此為了增強(qiáng)這些不連續(xù)性特征,F需要盡可能地選擇高值,也就是盡量多地將低均質(zhì)性點(diǎn)歸入類斷層點(diǎn)。

以圖3為例展示在路徑彎曲度約束下,螞蟻分別位于起始點(diǎn)和非起始點(diǎn)時(shí),Ω(r,s)中轉(zhuǎn)移候選點(diǎn)的情況。圖3中綠色框表示該點(diǎn)是類斷層點(diǎn),黃色框表示該點(diǎn)不是類斷層點(diǎn),而紅色框表示不可向該點(diǎn)移動(dòng),一般為該螞蟻之前已經(jīng)走過的點(diǎn)或沒有均質(zhì)性數(shù)據(jù)的點(diǎn);黑色箭頭指向可以轉(zhuǎn)移的點(diǎn)。當(dāng)坐標(biāo)為(r,s)的點(diǎn)為起始點(diǎn)時(shí)(圖3a),螞蟻可以向周圍8個(gè)方向移動(dòng),但可移動(dòng)方向上存在類斷層點(diǎn)時(shí),禁止向非類斷層點(diǎn)轉(zhuǎn)移,所以黃色框的點(diǎn)不會(huì)包含在該Ω(r,s)中;如果坐標(biāo)為(r,s)的點(diǎn)并非起始點(diǎn)(圖3b),螞蟻可移動(dòng)方向受到上一步已移動(dòng)方向的限制,所以Ω(r,s)中只包含箭頭所指的3個(gè)點(diǎn)。因此,螞蟻根據(jù)(6)式計(jì)算向Ω(r,s)中每個(gè)候選點(diǎn)轉(zhuǎn)移的概率,然后螞蟻根據(jù)候選點(diǎn)轉(zhuǎn)移概率大小隨機(jī)移動(dòng)到候選點(diǎn)上,完成本次移動(dòng)。

圖3 轉(zhuǎn)移候選點(diǎn)示例a 螞蟻位于起始點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)移候選點(diǎn); b 螞蟻在追蹤過程中的轉(zhuǎn)移候選點(diǎn)

如果Ω(r,s)為空,該螞蟻直接終止移動(dòng);當(dāng)Ω(r,s)中不存在類斷層點(diǎn)時(shí),螞蟻有可能向非類斷層點(diǎn)轉(zhuǎn)移,這樣的轉(zhuǎn)移視作異常步。異常步數(shù)與正常步數(shù)的比例由終止條件S決定,其計(jì)算公式為:

(8)

式中:Smax和Smin是S的上限和下限,常用設(shè)置范圍為0.1～0.5;D是此時(shí)Ω(r,s)內(nèi)候選點(diǎn)均質(zhì)性的平均值。當(dāng)D比較高時(shí),可能意味著螞蟻移動(dòng)遠(yuǎn)離了不連續(xù)性特征,此時(shí)允許的異常步變少,觸發(fā)終止條件,螞蟻移動(dòng)迅速停止;反之,則會(huì)允許其多追蹤幾步來增強(qiáng)該特征的連續(xù)性[24]。提高Smin并推高Smax,能強(qiáng)制螞蟻更多地向沒有類斷層點(diǎn)的區(qū)域探索,但也更容易導(dǎo)致結(jié)果中的不連續(xù)性特征以不符合地質(zhì)規(guī)律的方式被連接起來,所以通常令Smax和Smin均為較小的值。如果因異常步數(shù)觸發(fā)終止條件,則該螞蟻將被放回上一個(gè)類斷層點(diǎn)并終止移動(dòng)。

蟻群增強(qiáng)算法的第3步:當(dāng)所有螞蟻都停止移動(dòng)時(shí),我們進(jìn)入更新信息素的步驟。在當(dāng)前迭代輪次,坐標(biāo)為(i,j)的點(diǎn)信息素濃度定義為:

(9)

(10)

式中:c是信息素更新系數(shù);L(k)是第k只螞蟻?zhàn)哌^路徑的長(zhǎng)度;Q是本輪次經(jīng)過坐標(biāo)為(i,j)的點(diǎn)的螞蟻數(shù)量?？紤]到薄儲(chǔ)層中不連續(xù)性特征的長(zhǎng)度與其重要性并無明顯關(guān)系,為了防止螞蟻向長(zhǎng)度大的不連續(xù)性特征位置聚集,影響其它不連續(xù)性特征的增強(qiáng),故設(shè)定信息素增量與螞蟻經(jīng)過路徑長(zhǎng)度呈對(duì)數(shù)關(guān)系,未使用螞蟻?zhàn)粉檾鄬訒r(shí)信息素濃度隨路徑變長(zhǎng)而線性增大的計(jì)算公式。

當(dāng)信息素更新完成,該輪次迭代結(jié)束,螞蟻?zhàn)詈笸Ａ舻牡胤綄⒆鳛橄乱惠喌鷷r(shí)移動(dòng)的起點(diǎn),并根據(jù)螞蟻增強(qiáng)算法的第2步重復(fù)計(jì)算過程,直到迭代次數(shù)上限,最終得到的信息素濃度平面分布數(shù)據(jù)即為不連續(xù)性特征增強(qiáng)的結(jié)果輸出,路徑彎曲度約束蟻群算法的計(jì)算至此結(jié)束。

2 模型試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)上述組合技術(shù)檢測(cè)薄砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性的效果,使用圖4a中所示的一個(gè)包含砂體側(cè)向接觸和斷層的二維速度模型進(jìn)行試算,兩個(gè)結(jié)構(gòu)分別代表了薄砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部常見的、不同成因的小尺度不連續(xù)性結(jié)構(gòu)。模型中砂巖厚度為19m,速度為3000m/s,圍巖速度為2900m/s;斷層兩邊砂巖層高差為9.3m,兩個(gè)疊置砂體沒有高差,砂體邊緣側(cè)向接觸相切位置的最小厚度為12.3m。

圖4b的地震剖面由圖4a模型與30Hz的零相位雷克子波褶積生成,砂巖層厚度略小于調(diào)諧厚度。由于本文檢測(cè)技術(shù)針對(duì)三維地震數(shù)據(jù),因此將上述地震剖面復(fù)制63個(gè)構(gòu)成一個(gè)三維數(shù)據(jù)體,然后以剖面中最強(qiáng)的波峰和波谷作為該砂巖層的頂層和底層,提取這兩個(gè)層位間的均方根振幅屬性,結(jié)果如圖4c所示,可以看出,斷層和砂體相切的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)均引起了均方根振幅屬性值的變化。

圖4 不連續(xù)性檢測(cè)方法的理論模型測(cè)試a 二維速度模型; b 合成的地震剖面; c 頂?shù)讓游粫r(shí)窗提取砂巖層均方根振幅屬性

圖5a為沿砂巖層位中間提取的局部結(jié)構(gòu)熵體切片,圖5b為對(duì)砂巖層均方根振幅屬性計(jì)算得到的灰度共生矩陣均質(zhì)性。對(duì)比圖5a和圖5b可以發(fā)現(xiàn),無論是局部結(jié)構(gòu)熵還是均質(zhì)性,在斷層位置都出現(xiàn)了明顯的不連續(xù)性特征。在砂體相切的位置,局部結(jié)構(gòu)熵的響應(yīng)明顯變?nèi)?而從均質(zhì)性結(jié)果中依然能看到明顯的不連續(xù)性特征。從上述平面數(shù)據(jù)中各抽出一條In-line的數(shù)據(jù),均都轉(zhuǎn)化到0～1的區(qū)間,它們數(shù)值越接近1表示不連續(xù)性越高,越接近0表示不連續(xù)性越低,將轉(zhuǎn)化后的地震數(shù)據(jù)繪制成曲線,結(jié)果如圖5c所示。對(duì)局部結(jié)構(gòu)熵而言,砂體相切的不連續(xù)性特征響應(yīng)峰值約為斷層響應(yīng)峰值的26.83%,而其均質(zhì)性約為斷層響應(yīng)峰值的96%。這表明在無噪聲的理論模型中,采用本文方法得到的均質(zhì)性結(jié)果能更好地突出薄層中隱蔽的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)。

圖5 模型中砂巖層的不連續(xù)性特征提取a 局部結(jié)構(gòu)熵體切片; b 灰度共生矩陣均質(zhì)性; c 圖5a和圖5b兩種結(jié)果響應(yīng)的對(duì)比曲線

為了測(cè)試不連續(xù)性檢測(cè)組合技術(shù)承受噪聲干擾的能力,在模型的反射系數(shù)中加入了高斯隨機(jī)噪聲。其大小分別限制為原始最大反射系數(shù)的10%,15%和20%,獲得的含噪地震數(shù)據(jù)體信噪比分別為12.56,9.04和6.52dB。圖6為含噪地震數(shù)據(jù)體的地震剖面和砂巖層均方根振幅屬性。

圖6 含噪地震數(shù)據(jù)體的地震剖面和砂巖層均方根振幅層屬性a 信噪比為12.56dB的地震數(shù)據(jù)體剖面; b 信噪比為12.56dB的地震數(shù)據(jù)體均方根振幅屬性; c 信噪比為9.04dB的地震數(shù)據(jù)體剖面; d 信噪比為9.04dB的地震數(shù)據(jù)體均方根振幅屬性; e 信噪比為6.52dB的地震數(shù)據(jù)體剖面; f 信噪比為6.52dB的地震數(shù)據(jù)體均方根振幅屬性

圖7為不同信噪比地震數(shù)據(jù)砂巖層位置計(jì)算得到的局部結(jié)構(gòu)熵和采用本文方法計(jì)算得到的均方根振幅均質(zhì)性。對(duì)比在斷層和砂巖體相切處產(chǎn)生的兩種不連續(xù)性特征,可以看出,無論在局部結(jié)構(gòu)熵還是均方根振幅均質(zhì)性沿層數(shù)據(jù)上,儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)受噪聲影響嚴(yán)重。局部結(jié)構(gòu)熵對(duì)模型斷層位置指示擁有信噪比優(yōu)勢(shì),根據(jù)均方根振幅均質(zhì)性識(shí)別砂體相切位置的不連續(xù)性特征的效果更佳。從圖7e可以看出,砂體相切位置的特征已經(jīng)和噪聲混在一起難以識(shí)別,而在圖7f中該位置處,可以識(shí)別出一個(gè)較弱的條帶狀特征,更加接近該特征在無噪聲時(shí)的形態(tài)。這表明對(duì)于含噪數(shù)據(jù),采用本文組合技術(shù)得到的均方根振幅均質(zhì)性結(jié)果仍能更好地保留微弱的不連續(xù)性信息。

圖7 不同信噪比數(shù)據(jù)砂巖層位置計(jì)算得到的局部結(jié)構(gòu)熵和采用本文方法計(jì)算得到的均方根振幅均質(zhì)性a 信噪比為12.56dB的地震數(shù)據(jù)體局部結(jié)構(gòu)熵; b 信噪比為12.56dB的地震數(shù)據(jù)體均質(zhì)性; c 信噪比為9.04dB的地震數(shù)據(jù)體局部結(jié)構(gòu)熵; d 信噪比為9.04dB的地震數(shù)據(jù)體均質(zhì)性; e 信噪比為6.52dB的地震數(shù)據(jù)體局部結(jié)構(gòu)熵; f 信噪比為6.52dB的地震數(shù)據(jù)體均質(zhì)性

對(duì)上面得到的不連續(xù)性特征數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng),在砂巖層位置采用常規(guī)螞蟻?zhàn)粉檭?yōu)化后的局部結(jié)構(gòu)熵體屬性,將其與采用本文提出的路徑彎曲度約束蟻群算法處理后的均方根振幅均質(zhì)性進(jìn)行對(duì)比。

從圖8可以看出,采用常規(guī)的螞蟻?zhàn)粉櫤捅疚奶岢龅穆窂綇澢燃s束蟻群算法均可以有效壓制不連續(xù)性識(shí)別中的干擾信息。應(yīng)用于不連續(xù)性體屬性的常規(guī)螞蟻?zhàn)粉櫢m合在三維空間中增強(qiáng)不連續(xù)性特征的曲面,在地震數(shù)據(jù)信噪比較高時(shí),可以顯著突出模型中砂體相切位置的響應(yīng)(圖8a);在信噪比下降后,只有斷層位置的響應(yīng)仍然明顯,砂體相切位置的特征已經(jīng)無法完整識(shí)別,并且還會(huì)出現(xiàn)許多由噪聲引起的不連續(xù)性特征假象(圖8e)。在均質(zhì)性結(jié)果的信噪比降低后,采用路徑彎曲度約束的蟻群算法還能相對(duì)較好地保持該不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的響應(yīng),并且不連續(xù)性特征的假象也明顯較少(圖8f)。

圖8 采用常規(guī)螞蟻?zhàn)粉檭?yōu)化后局部結(jié)構(gòu)熵與采用本文路徑彎曲度約束蟻群算法處理后的均方根振幅均質(zhì)性a 優(yōu)化后信噪比為12.56dB的地震數(shù)據(jù)體局部結(jié)構(gòu)熵; b 約束蟻群算法處理后信噪比為12.56dB的地震數(shù)據(jù)體均方根振幅均質(zhì)性; c 優(yōu)化后信噪比為9.04dB的地震數(shù)據(jù)體局部結(jié)構(gòu)熵; d 約束蟻群算法處理后信噪比為9.04dB的地震數(shù)據(jù)體均方根振幅均質(zhì)性; e 優(yōu)化后信噪比為6.52dB的地震數(shù)據(jù)體局部結(jié)構(gòu)熵; f 約束蟻群算法處理后信噪比為6.52dB的地震數(shù)據(jù)體均方根振幅均質(zhì)性

本文提出的組合技術(shù)在無噪聲和含噪聲理論模型的測(cè)試結(jié)果表明,該組合技術(shù)可以檢測(cè)薄砂巖層內(nèi)部不連續(xù)性,并且還具有一定抗噪能力。相較于局部結(jié)構(gòu)熵體屬性加螞蟻?zhàn)粉檭?yōu)化的常規(guī)技術(shù),本文提出的組合技術(shù)在識(shí)別小尺度不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)方面可以獲得更好的效果。

3 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文提出的檢測(cè)不連續(xù)性的組合技術(shù)在實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理中的可行性,選擇渤海海上BZ油田的地震資料進(jìn)行測(cè)試。該地震資料由高密度海底電纜采集,地震數(shù)據(jù)品質(zhì)較好,主頻約為43Hz,信噪比相對(duì)較高。地震數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單、斷層少;目的層發(fā)育復(fù)合分流河道、朵體等沉積微相。儲(chǔ)集體巖性以砂巖為主,井點(diǎn)鉆遇砂巖的最大厚度與調(diào)諧厚度相近,其厚度較薄且橫向變化較快,不同期次和微相的砂體接觸與疊置關(guān)系復(fù)雜,導(dǎo)致儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。因此,在實(shí)際工作中,砂體分布特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)層不連續(xù)性檢測(cè)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

圖9a為工區(qū)目的層砂巖厚度預(yù)測(cè)結(jié)果,圖中灰色表示該區(qū)域的一個(gè)已知斷層,深藍(lán)色虛線框內(nèi)的砂巖為疊置的復(fù)合砂體,紅色折線穿過斷層和可能由疊置形成的不連續(xù)性結(jié)構(gòu),如圖9b中綠色箭頭所示,沿該折線的剖面如圖9c所示,可以看出,斷層位置同相軸的錯(cuò)動(dòng)比砂體內(nèi)不連續(xù)性結(jié)構(gòu)位置的振幅變?nèi)跆卣鞲鬃R(shí)別。

圖9 工區(qū)目的層平面數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)剖面a 砂巖厚度預(yù)測(cè)結(jié)果; b 目的層均方根振幅; c 沿圖9a紅色折線形成的剖面

相較于根據(jù)地震數(shù)據(jù)計(jì)算得到局部結(jié)構(gòu)熵屬性沿目的層的切片(圖10a),根據(jù)均方根振幅屬性計(jì)算得到的灰度共生矩陣均質(zhì)性切片(圖10b),目標(biāo)復(fù)合砂體的邊緣更加清晰,在可能存在砂體重疊的位置能隱約識(shí)別出不連續(xù)性特征。

圖10 目的層局部結(jié)構(gòu)熵屬性(a)和根據(jù)均方根振幅屬性計(jì)算得到的灰度共生矩陣均質(zhì)性(b)切片

在局部結(jié)構(gòu)熵屬性上使用常規(guī)螞蟻?zhàn)粉檭?yōu)化得到目的層切片數(shù)據(jù)(圖11a),對(duì)目的層應(yīng)用路徑彎曲度約束的蟻群算法進(jìn)行平面增強(qiáng)后的結(jié)果(圖11b),可以看出兩種不連續(xù)性特征優(yōu)化算法對(duì)于實(shí)際數(shù)據(jù)噪聲均具有良好的壓制作用。受益于均質(zhì)性結(jié)果的不連續(xù)性特征相對(duì)顯著,在使用本文提出的路徑彎曲度約束蟻群算法進(jìn)行平面增強(qiáng)后,目標(biāo)復(fù)合砂體無論是邊緣還是內(nèi)部的不連續(xù)性特征都更加突出。而作為對(duì)比的螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果,則因?yàn)榫植拷Y(jié)構(gòu)熵對(duì)砂體邊緣響應(yīng)較弱,故將砂體范圍內(nèi)的不連續(xù)性特征與斷層的特征錯(cuò)誤連接起來造成了假象。

圖11 對(duì)局部結(jié)構(gòu)熵屬性進(jìn)行螞蟻?zhàn)粉檭?yōu)化得到的目的層切片(a)以及對(duì)目的層應(yīng)用本文方法得到的平面增強(qiáng)結(jié)果切片(b)

將圖11b獲得的不連續(xù)性特征疊加到圖9a所示砂巖厚度預(yù)測(cè)結(jié)果上,得到圖12a所示的疊加顯示結(jié)果。由疊加后的平面圖分析可知,目標(biāo)復(fù)合砂體可能由一個(gè)小砂體和一個(gè)大砂體的疊置相切形成,而通過不連續(xù)性特征約束砂體厚度預(yù)測(cè)結(jié)果,可以獲得對(duì)目標(biāo)砂體平面展布更精細(xì)的認(rèn)識(shí)(圖12b)。

圖12 將不連續(xù)性特征應(yīng)用于目標(biāo)砂體得到的結(jié)果a 不連續(xù)性特征與砂體厚度預(yù)測(cè)結(jié)果疊加顯示; b 不連續(xù)特征約束下的砂體預(yù)測(cè)厚度

由本文提出的檢測(cè)不連續(xù)性的組合技術(shù)在實(shí)際地震數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果分析可知,該組合技術(shù)可以用于儲(chǔ)層內(nèi)部小尺度的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)檢測(cè),應(yīng)用效果可靠,證明了技術(shù)的有效性。

4 結(jié)論

在河流相和三角洲相砂巖油氣藏中,利用常規(guī)方法對(duì)薄砂巖儲(chǔ)層不連續(xù)性結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別,容易忽略一些小尺度結(jié)構(gòu),而對(duì)不連續(xù)性檢測(cè)的各個(gè)步驟進(jìn)行有針對(duì)性的綜合改進(jìn),才能從現(xiàn)有的地震資料中提取到更多的不連續(xù)性信息,提升檢測(cè)效果。本文利用均方根振幅屬性,從地震數(shù)據(jù)中提取出與儲(chǔ)層砂巖厚度變化以及砂巖展布關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)的信息,并利用對(duì)微弱變化更加敏感的灰度共生矩陣均質(zhì)性,將提取出的信息轉(zhuǎn)化為不連續(xù)性特征數(shù)據(jù);然后根據(jù)薄砂巖儲(chǔ)層平面數(shù)據(jù)上的不連續(xù)性特征展布特點(diǎn),改造用于斷層優(yōu)化的蟻群算法,形成路徑彎曲度約束的蟻群算法,使其能夠適應(yīng)目標(biāo)特征,達(dá)到壓制干擾和增強(qiáng)不連續(xù)性信息顯示效果的目的。本文提出的薄砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性檢測(cè)的組合技術(shù)在模型和實(shí)際地震數(shù)據(jù)應(yīng)用的結(jié)果表明,相較常規(guī)不連續(xù)性體屬性和螞蟻?zhàn)粉櫧M合技術(shù),本文組合技術(shù)能取得更好的效果,成果可以用于輔助砂體厚度的預(yù)測(cè),并且在此基礎(chǔ)上能增進(jìn)對(duì)復(fù)合砂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。需要指出的是,本文方法受限于地震資料品質(zhì)條件,檢測(cè)效果可能存在差異,在使用信噪比更低的地震資料識(shí)別不連續(xù)性結(jié)構(gòu)時(shí),可能還需要選擇合適的濾波算法進(jìn)行預(yù)處理。