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.西南石油大學地球科學與技術學院,四川成都610500;3.北京旭日奧油能源技術有限公司,北京100012)

目前,我國石油勘探開發(fā)的主要目標從構造油氣藏逐步轉(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)方法技術難以識別小尺度級次的流動單元,故無法達到河流相儲層精細描述的尺度要求。另外,地震數(shù)據(jù)中常常包含著眾多不可避免的噪聲,掩蓋了地下復雜地質(zhì)體間的疊置關系和方向特征。為了對地下地質(zhì)體邊界進行精確識別,獲得隱蔽油氣藏的精細表征,需要對地震數(shù)據(jù)解釋進行多尺度分析[2]。

1981年,CROWLEY[3]提出了圖像金字塔技術,它是一種以多分辨率來解釋圖像多尺度結構的圖像分解技術。20世紀90年代早期,FREEMAN等[4]和SIMONCELLI等[5]根據(jù)圖像金字塔技術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行分析處理,而后對圖像進行合成得到輸出圖像,實現(xiàn)圖像的邊緣檢測。2008年,MATHEWSON等[6]將方向可控金字塔方法應用于油氣勘探的地震檢測,具體如下:首先利用該方法進行地震屬性分析,然后將地震屬性分解為多尺度、多方向的特征分量,從而增強表征沉積地質(zhì)體的橫向分布特征,最終實現(xiàn)方向可控金字塔方法在河道檢測中的應用。國內(nèi)學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上加入控制函數(shù),實現(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濾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,仍然缺乏實際經(jīng)驗和有效方法。

在地震勘探領域,小波變換技術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,這導致采用該方法檢測各向異性的復雜地下地質(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: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,可對復雜的地下地質(zhì)體進行精確識別;②對地質(zhì)體進行維度分析時,利用線性或非線性函數(shù)進行約束,可以突出具有優(yōu)勢的局部方向進行特征選擇和特征抽取;③使用相同的預處理濾波圖像來進行分析和處理,有助于交互式應用。本文將該方法應用于春風油田p609區(qū)塊砂礫巖的地質(zhì)體邊界識別,并根據(jù)地質(zhì)特征設計不同尺度的組合和方向濾波,進一步優(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,準確刻畫井間沉積地質(zhì)體邊界,并結合開發(fā)信息驗證應用效果。

1 方向可控金字塔技術

1.1 多尺度構建

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構關系,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節(jié)信息,大尺度則能較好地反映圖像的宏觀信息。構建圖像金字塔的關鍵在于對圖像數(shù)據(jù)的行和列按照一定比例進行抽樣或插值。合適的比例不僅能夠保證多尺度構建的精度,同時也可以減少圖像數(shù)據(jù)的運算量。

我們在頻率域進行金字塔分解,分解過程需要對輸入圖像進行傅里葉變換,使用常規(guī)的傅里葉變換會導致頻率劇烈變化處產(chǎn)生起伏震蕩現(xiàn)象,即Gibbs效應。Gibbs效應在二維圖像重構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構,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,因為其傅里葉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效應導致的振蕩誤差,實現(xiàn)金字塔的精確重構,提高圖像質(zhì)量。

圖1 圖像金字塔概念結構示意

1.2 方向可控濾波器

方向可控濾波器最早由FREEMAN等[4]提出,它由一組基方向濾波器組合而成,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,其處理后的結果具有低計算量和高精度的特點[12]。在地震資料中,方向可控濾波器在同相軸的方向濾波?？煽貫V波器的函數(shù)表達式如下:

(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構和處理過程。首先對輸入圖像與1組基方向濾波器組合(3個不同方向)進行卷積運算,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)境的地震響應差異,優(yōu)化不同尺度屬性的組合,其關鍵在于濾波。本文通過實際砂礫巖邊界預測應用探討該優(yōu)化過程。

圖2 方向可控濾波器的結構和處理過程示意

1.3 特征重構

對構建的金字塔進行逆操作,即采用上采樣方法進行特征重構。為了突出具有相干線性特征的區(qū)域,在重構過程中,先對各個層的基方向濾波圖像進行加權求和,再使用非線性函數(shù)控制輸出圖像,該重構過程如公式(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步驟如圖3所示,在方向可控金字塔重構過程中,利用加權系數(shù)提高圖像的線性特征,重構后輸出圖像的相干特征會相應地增強,噪聲在一定程度上得到衰減。首先將權重系數(shù)和非線性控制函數(shù)應用于方向濾波圖像,即將尺度Level 2的方向濾波圖像q20,q21,q22與其對應的權重系數(shù)w20,w21,w22以及S2函數(shù)做乘法運算,然后進行求和,將求和結果與低頻數(shù)據(jù)經(jīng)過上采樣處理后的結果相加,將相加后的結果再次進行上采樣,而后與尺度Level 1的方向濾波q10,q11,q12與其對應的權重系數(shù)w10,w11,w12以及S1函數(shù)相乘后進行加法運算的結果再求和,最終輸出為特征重構圖像。

圖3 方向可控金字塔重構步驟

2 實際應用

利用春風油田p609區(qū)塊實際地震數(shù)據(jù)進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果如圖5b 所示,該方法能夠有效去除與地質(zhì)體無關的背景信息,其結果分辨率得到大幅提升,地質(zhì)體邊界得到增強,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行多尺度分解,結果如圖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果能夠摒棄相應的高頻信

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行多方向分解,結果如圖7所示。該區(qū)域的沉積物源方向以東北—西南向以及東西向為主,因此根據(jù)沉積特征的方向,對8個尺度的圖像分別進行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)部細節(jié)到外部輪廓,都可以通過不同尺度不同方向的圖像進行展示,進而提取有用信息。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,重構時可以剔除該子帶信息或選用較小的權重。

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果

對不同方向的地震數(shù)據(jù)加入方向估計再進行重構,得到的結果如圖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結果

圖9 對圖8采用方向可控金字塔方法得到的處理結果

方向可控金字塔方法需要對金字塔結構中每一個子帶信息進行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關系。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)的地震屬性相關關系

3 結論

本文采用方向可控金字塔方法實現(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際應用,得出如下結論和認識。

1) 根據(jù)地質(zhì)特征設計不同尺度屬性組合和方向濾波,分析不同尺度的濾波圖像的有效性,剔除無效分量,再對濾波結果進行重構,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,但是在實際應用中,結合地質(zhì)特征進行尺度和方向優(yōu)化組合是該方法的關鍵所在。

3) 不同尺度圖像的方向性應該由油藏沉積的地質(zhì)特征確定,在應用過程中,應根據(jù)是否具有定義的方向濾波信息來確定不同尺度的組合濾波是否參與重構,這是能否獲得隱蔽特征的關鍵,同時,采用其它數(shù)據(jù)如開發(fā)動態(tài)數(shù)據(jù)驗證也有利于實際應用中的尺度優(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)特征設計方向濾波方位,并對每個子帶根據(jù)地質(zhì)特征進行分析再確定重構的方法,結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應用于其它區(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,仍需在實踐中不斷探索。