林霖 鐘廣法 殷紹如 王萍 鄧瑛

1.同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司

頂帽變換在川北長興組生物礁分布預(yù)測中的應(yīng)用

林霖1鐘廣法1殷紹如1王萍2鄧瑛2

1.同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司

四川盆地北部長興組碳酸鹽巖地層中生物礁發(fā)育,是該區(qū)油氣勘探的主要目的層之一。礁體的分布預(yù)測是該區(qū)油氣勘探面臨的現(xiàn)實(shí)課題。為此,根據(jù)生物礁沉積厚度較同期非礁相地層大的沉積地質(zhì)學(xué)原理,利用地震解釋獲得的含生物礁地層的時(shí)間厚度數(shù)據(jù),應(yīng)用頂帽變換方法開展礁體的平面分布預(yù)測,取得滿意效果。與人工地震相分析方法相比,該方法具有準(zhǔn)確、快速高效和定量化的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)行頂帽變換時(shí)需要注意的是,結(jié)構(gòu)元素大小的選擇應(yīng)與實(shí)際地質(zhì)體的尺度相符,結(jié)構(gòu)元素過大或過小,均可能導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的偏差。此外,斷層發(fā)育等因素可能導(dǎo)致地層厚度出現(xiàn)異常,亦可能對頂帽變換結(jié)果造成影響,對此需予以區(qū)分。所采用的方法適用于構(gòu)造變形程度相對較弱的碳酸鹽巖地層中礁體的分布預(yù)測。

生物礁 三維地震 地震資料解釋 頂帽變換 晚二疊世 四川盆地 北

生物礁是重要的油氣儲集體之一,但其分布預(yù)測難度較大。自20世紀(jì)70年代后期以來,隨著地震地層學(xué)、三維地震解釋和地震屬性分析技術(shù)的推廣應(yīng)用,生物礁儲層的地震識別和預(yù)測取得了長足的進(jìn)步,已提出的方法主要有地震相分析和地震屬性分析兩大類。地震相分析利用生物礁在反射結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)等地震反射參數(shù)方面的特殊性,對其進(jìn)行定性識別;地震屬性分析則以振幅、相干、波形等屬性參數(shù)為基礎(chǔ),應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法定量預(yù)測生物礁的分布[1-2]。筆者應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的頂帽變換(top hat transformation)算法,以含礁體地層的時(shí)間厚度數(shù)據(jù)為依據(jù),實(shí)現(xiàn)礁體分布的定量預(yù)測。

1 生物礁地震識別的地質(zhì)基礎(chǔ)

生物礁是由造礁生物原地生長而形成的抗浪格架。其沉積速率高,在地貌上表現(xiàn)為“隆起”特征。特殊的發(fā)育條件和沉積特征,使得生物礁在地震剖面上具有以下特點(diǎn)[3]:①礁體外形呈底平頂凸的丘狀,礁體沉積厚度較相鄰的同期地層大;②礁體內(nèi)部一般呈雜亂反射或無反射;③礁體頂部的同相軸通常振幅較強(qiáng),而底部同相軸較弱,有時(shí)出現(xiàn)同相軸間斷現(xiàn)象;④由于礁相與周圍非礁相之間在巖性和速度結(jié)構(gòu)上的差異,礁體下伏地層中有時(shí)可見到同相軸的上拉或下沉現(xiàn)象。

從幾何特征出發(fā),可以利用含礁體地層的厚度參數(shù)來刻畫礁體的分布。這需要在地震數(shù)據(jù)體上準(zhǔn)確地拾取含礁體地層的頂、底界面,然后計(jì)算出其間的厚度,據(jù)此推斷礁體的分布,其中厚度較大的區(qū)域是礁體的潛在分布區(qū)域。該方法原理簡單、易于操作,是定性判斷礁體分布的有效方法;其不足之處是只能大致圈定可能的礁體發(fā)育區(qū)域,不能定量地分離出各個(gè)孤立礁體的位置及分布范圍。筆者根據(jù)生物礁沉積厚度較同期非礁相地層大這一簡單的沉積地質(zhì)學(xué)原理,引入數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的頂帽變換方法,實(shí)現(xiàn)礁體分布的自動(dòng)探測。

2 頂帽變換原理與方法

“頂帽變換”是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(mathematical morphology)中的一種圖像處理方法,最初由 Meyer提出[4]。它是一種有效的圖像檢測和圖像增強(qiáng)方法,常用于處理背景亮度不均勻的圖像,如去除雷達(dá)和衛(wèi)星圖像上的小斑點(diǎn),或在高分辨率的深空圖像上識別星體等[4]。Huvenne等[5]將其引入地震解釋領(lǐng)域,用于自動(dòng)探測愛爾蘭西南部Porcupine盆地深水丘狀沉積體的分布。

膨脹和腐蝕是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的兩類基本運(yùn)算[6]。對于描述圖像的二維函數(shù) f(x,y)和 b(x,y),其膨脹運(yùn)算定義為:

式中b稱為結(jié)構(gòu)元素;Db為其定義域。

膨脹運(yùn)算與二維卷積類似,相當(dāng)于將結(jié)構(gòu)元素b在函數(shù)f上平移,在每個(gè)平移位置計(jì)算結(jié)構(gòu)元素與函數(shù)f的和并取最大值作為該位置的計(jì)算結(jié)果。

函數(shù) f(x,y)和b(x,y)的腐蝕運(yùn)算定義如下:

該運(yùn)算類似于膨脹運(yùn)算,只是 f與b之間的運(yùn)算改為相減,求最大值改為求最小值。

由上述定義可看出,結(jié)構(gòu)元素b的大小對膨脹和腐蝕運(yùn)算的結(jié)果起關(guān)鍵作用。為不影響函數(shù) f的局部特征,結(jié)構(gòu)元素的值域通常被定義為{0,1}的二值函數(shù),稱為平坦結(jié)構(gòu)元素[7]。膨脹運(yùn)算的結(jié)果將增強(qiáng)函數(shù)f與結(jié)構(gòu)元素相應(yīng)的局部特征,而腐蝕運(yùn)算則相反。

膨脹運(yùn)算和腐蝕運(yùn)算可以組合使用,以達(dá)到不同目的。一種簡單的組合稱為開運(yùn)算,即函數(shù) f與結(jié)構(gòu)元素b作腐蝕運(yùn)算后再與b作膨脹運(yùn)算,記為:

f.b=(f?b)'b

開運(yùn)算的效果相當(dāng)于對圖像做平滑處理,與結(jié)構(gòu)元素相匹配的區(qū)域?qū)⒈黄蕉渌麉^(qū)域則保持不變。

頂帽變換定義為函數(shù) f減去其開運(yùn)算的結(jié)果,即f-f.b。這樣原圖像中與結(jié)構(gòu)元素相匹配的區(qū)域就得到增強(qiáng),從而達(dá)到從圖像中提取給定目標(biāo)體的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果討論

研究區(qū)位于四川盆地北部J地區(qū),研究層位為上二疊統(tǒng)長興組。該組以臺地相碳酸鹽巖為主,臺地邊緣生物礁發(fā)育,是重要的油氣勘探目的層[7]。根據(jù)三維地震資料,對長興組頂、底反射層位進(jìn)行了精細(xì)的追蹤對比和閉合解釋,并求取長興組時(shí)間厚度(即底界與頂界之間雙程旅行時(shí)的差值),然后應(yīng)用頂帽變換方法,預(yù)測礁體的平面分布。

為得到能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際礁體分布的頂帽變換結(jié)果,需要選擇合適的結(jié)構(gòu)元素。根據(jù)頂帽變換原理,結(jié)構(gòu)元素大小應(yīng)與礁體大小相匹配。由地震解釋結(jié)果知,研究區(qū)內(nèi)的礁體在二維地震剖面上的視寬度一般為100～200道或2.5～5 km(道間距為25 m)。為了得到合理的適合于工區(qū)礁體大小的結(jié)構(gòu)元素,分別選取了邊長為50、100、150、200、250道的正方形結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行頂帽變換實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 沿某地震剖面長興組時(shí)間厚度曲線所得一維頂帽變換結(jié)果

由圖可知,采用小尺寸的結(jié)構(gòu)元素所預(yù)測出來的礁體分布面積較小;隨著結(jié)構(gòu)元素的邊長增大,所預(yù)測出來的礁體分布范圍亦相應(yīng)增加(圖1、2)。為了得到符合實(shí)際地質(zhì)情況的預(yù)測結(jié)果,將頂帽變換結(jié)果與地震剖面上的礁體的響應(yīng)進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)邊長為150道的結(jié)構(gòu)元素所得結(jié)果與實(shí)際剖面礁體解釋結(jié)果吻合最好,邊長過小或太大,預(yù)測結(jié)果均偏離實(shí)際情況(圖1)。

最終選取邊長為150道的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行頂帽變換,其結(jié)果如圖3-a所示。由該圖可知,研究區(qū)內(nèi)長興組總共發(fā)育有10多個(gè)礁體,礁體尺寸大小不等,小的數(shù)百米,大的逾5 km;礁體主要分布于研究區(qū)中部,呈北西—南東向展布。這一結(jié)果與時(shí)間厚度圖(圖3-b)所揭示的規(guī)律相同,但直接根據(jù)厚度圖很難明確地區(qū)分出各個(gè)礁體的具體位置和分布范圍。

圖2 使用不同邊長道的正方形結(jié)構(gòu)元素所得到的頂帽變換結(jié)果

圖3 長興組頂帽變換礁體分布預(yù)測結(jié)果與TWT時(shí)間厚度等值線圖的對比圖

值得注意的是,在頂帽變換結(jié)果圖(圖3-a)上,其西南角有一長條狀高值異常區(qū)域,經(jīng)與地震剖面對比后確認(rèn)其為一小型逆斷層引起的地層局部加厚,并非礁體引起的厚度異常(圖4)。因此,頂帽變換預(yù)測的厚度高值異常區(qū),除了生物礁外,還可能為斷層等其他因素引起。

圖4 斷層造成的地層局部加厚圖

4 結(jié)論

筆者根據(jù)地震解釋獲得的含生物礁地層的時(shí)間厚度數(shù)據(jù),利用礁相沉積厚度較同期非礁相地層大這一簡單的沉積地質(zhì)學(xué)原理,應(yīng)用數(shù)字形態(tài)學(xué)中的頂帽變換方法開展生物礁分布預(yù)測。應(yīng)用于四川盆地北部J地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組礁體分布預(yù)測,取得滿意效果。與人工地震相分析方法相比,該方法具有準(zhǔn)確、快速高效和定量化等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的是,結(jié)構(gòu)元素尺寸的選擇應(yīng)與實(shí)際地質(zhì)體的大小相符,結(jié)構(gòu)元素的尺寸過大或過小,均可能導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的偏差。此外,斷層發(fā)育等因素可能導(dǎo)致地層厚度出現(xiàn)異常,進(jìn)而影響頂帽變換結(jié)果,對此需予以區(qū)分。筆者所用的方法適用于構(gòu)造變形程度較弱的碳酸鹽巖地層中礁體的分布預(yù)測。

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Application of top-hat transformation to the detection of reef distribution in the Changxing Formation,northern Sichuan Basin

Lin Lin1,Zhong Guangfa1,Yin Shaoru1,Wang Ping2,Deng Ying2
(1.State Key L aboratory of Marine Geology∥Tongji University,S hanghai200092,China;2.Sichuan Geophysical Prospecting Company,CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,Chengdu,Sichuan 610213,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.48-51,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The carbonate rock reservoir with developed reefs has become one of the main pay zones for the hydrocarbon exploration in the Changxing Formation,northern Sichuan Basin.The prediction on the reef bodies distribution is a real challenge for hydrocarbon exploration in this zone.In this study,based on the simple principle of sedimentary geology that a reef-developed stratum usually displays a large thickness abnormal relative to the adjacent contemporaneous non-reef strata,the top-hat transformation method developed in mathematical morphology is introduced to predict the distribution of reef bodies with satisfactory results.Thickness data in two-way travel time acquired from seismic interpretation are used as the input for top-hat transformation.Compared with traditional seismic facies analysis method,the top-hat transformation method has advantages of accuracy,rapidity and quantification.It should be noted that choices of the size of structural elements used in top-hat transformation is vital for a reliable result.Too large or too small of the structural element size will cause an error as a result.In addition,a local thickness abnormal related with faults will also influence the results.Therefore,the top-hat transformation method utilized in this study is suitable for predicting reef bodies in such carbonate reservoirs with weak structure deformation.

reefs,3-D seismic,seismic data interpretation,top-hat transformation,Late Permian,Changxing Formation,Sichuan Basin,north

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目(編號:91028003)的部分內(nèi)容。

林霖,1985年生,碩士研究生;主要從事地震解釋及地震地貌學(xué)研究工作。地址:(200092)上海市四平路1239號同濟(jì)大學(xué)海洋樓401。電話:(021)65982356。E-mail:flylinlin@126.com

林霖等.頂帽變換在川北長興組生物礁分布預(yù)測中的應(yīng)用.天然氣工業(yè),2011,31(1):48-51.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.009

2010-11-22 編輯 韓曉渝)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.009

Lin Lin,born in 1985,is studying for an M.Sc.degree,being mainly engaged in research of seismic interpretation and seismic geomorphology.

Add:No.1239,Siping Rd.,Shanghai 200092,P.R.China

Tel:+86-21-6598 2356Mobile:+86-13564073751 E-mail:flylinlin@126.com