伍新明,楊佳潤,朱振宇,丁繼才,王清振

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽合肥230026;2.中海石油(中國)有限公司北京研究中心,北京100010)

斷層、不整合面、層位以及鹽丘等各類地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體信息的識別和提取是地震資料解釋以及構(gòu)造建模的關(guān)鍵內(nèi)容之一。目前,以上技術(shù)均已在一定程度上實現(xiàn)了自動化。其中斷層的自動解釋通常包含以下4項內(nèi)容:①從地震數(shù)據(jù)中計算能指示斷層位置的地震屬性,如相干體[1]、方差體[2-3]、斷層似然度[4]和基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷層可能性[5-7];②基于斷層屬性,使用不同的方法[4,8-10]對斷層面進(jìn)行提取和構(gòu)建;③通過拾取斷層面兩邊的層位或者估計斷層面兩側(cè)所有反射波同相軸的相對錯動[11-12]來估計斷距場;④利用計算得到的斷層位置以及斷層的斷距信息來對地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行去斷層或者斷層恢復(fù)處理[13-16],并將處理結(jié)果用于分析斷層形成的動力學(xué)過程和后續(xù)層位的自動化解釋。

大多數(shù)不整合面自動解釋方法均通過計算地震數(shù)據(jù)相干體[17]或者同相軸的匯聚和發(fā)散屬性[18-19]來檢測反射同相軸終止的角度不整合。RINGDAL[20]提出一種計算二維不整合面可能性屬性的方法,可用于檢測角度不整合以及平行不整合。WU等[21]提出一種新的三維地震圖像處理的技術(shù)流程:首先從地震數(shù)據(jù)體計算不整合面似然性來檢測角度不整合及其對應(yīng)的平行不整合或相關(guān)不整合;然后基于不整合似然性屬性來自動提取不整合面;再使用不整合面作為邊界約束來更加精確地估計地震同相軸法向量;接著再通過地震體拉平處理得到Wheeler體;最終將上述處理成果應(yīng)用于層序地層分析。

各類地質(zhì)體解釋的對象包括鹽丘、火成巖、溶洞和河道等。近幾十年來，各大石油公司在美國墨西哥灣和其它與鹽丘構(gòu)造相關(guān)的深水區(qū)域進(jìn)行了大量油氣勘探開發(fā),學(xué)術(shù)界和工業(yè)界學(xué)者對鹽丘構(gòu)造開展了大量的研究,因此促進(jìn)了三維地震鹽丘自動解釋方法的研發(fā)。這些研究方法大多借助計算鹽丘屬性檢測鹽丘體內(nèi)部的雜亂反射或鹽丘邊界,這些屬性包括不連續(xù)性[22-24]、紋理[25-27]、同向軸傾角或法向矢量場[28-29]以及鹽丘相似度[30]等,采用各種方法[29-34]從這些屬性中提取鹽丘邊界,可以對鹽丘體進(jìn)行三維建模。用于鹽丘檢測的大部分屬性也可以用于其它地質(zhì)體尤其是火成巖體的解釋。但是火成巖體一般位于地震成像質(zhì)量較差的深部,這導(dǎo)致其解釋難度往往更大。針對火成巖高速地質(zhì)體對地震信號的屏蔽作用,很多學(xué)者通過基于寬頻速度模型的全波形反演[35-36]、基于層析速度分析的各向異性逆時偏移成像[37-38]以及基于VSP等信息提取的地震成像速度低頻分量,然后進(jìn)行網(wǎng)格層析得到速度高頻分量,最終利用逆時偏移成像[39]等技術(shù),對火成巖及下伏地層成像結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。溶洞和河道由于與油氣儲藏和運移直接相關(guān),故其檢測識別情況也備受關(guān)注。地震相干、方差和曲率等地質(zhì)屬性廣泛應(yīng)用于溶洞和河道的檢測。目前,基于深度學(xué)習(xí)的各類方法也廣泛應(yīng)用于鹽丘[40-41]、溶洞[42-43]和河道[44-45]的檢測識別。

地震同相軸是三維地震數(shù)據(jù)體中最主要的幾何圖像特征,同相軸在地質(zhì)上往往對應(yīng)地層界面,基于同相軸追蹤的地震層位追蹤或拾取是地震構(gòu)造和層序解釋的主要任務(wù),因此,相關(guān)的自動追蹤和識別方法也被廣泛研發(fā)?；谒矔r相位的方法首先計算地震數(shù)據(jù)瞬時相位以獲得相對地質(zhì)年代體,然后提取相對地質(zhì)年代體的等時線作為層位[46-49];基于地震波形分類的方法則是通過遞歸追蹤與波形最相似的種子點逐步得到層位[50-52]?；诘卣饠?shù)據(jù)同相軸局部傾角來估計同相軸的幾何方向的方法是通過結(jié)構(gòu)張量[53]、平面波破壞濾波器[54]、平滑動態(tài)圖像校正[55]等手段獲得同相軸局部傾角。在同相軸連續(xù)的情況下,利用該方法能夠計算得到局部傾角,但通常在斷層錯動明顯的區(qū)域得不到準(zhǔn)確的計算結(jié)果。為了解決這一問題,一些學(xué)者提出了去斷層的方法[15-16,56],將人工控制點加在斷層相反兩側(cè)作為層位計算的約束條件[57];近年來,我們提出利用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行層位追蹤[58-59],通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由地震數(shù)據(jù)得到相對地質(zhì)年代體圖像并從中獲取等值面來得到任意地震層位。

基于地震斷層、地質(zhì)體、不整合面和層位等地質(zhì)構(gòu)造和層序信息的解釋完成之后,充分綜合這些信息構(gòu)建三維地質(zhì)構(gòu)造模型。常用的構(gòu)造建模是基于地質(zhì)界面的顯式構(gòu)造建模[60-61],這類建模方法往往在定義復(fù)雜界面以及界面之間的接觸關(guān)系時面臨挑戰(zhàn)。近年來,學(xué)者們對各種基于偏微分方程求解的隱式構(gòu)造建模方法[62-63]進(jìn)行了廣泛研究和發(fā)展。此類方法基于稀疏的構(gòu)造數(shù)據(jù)和其它先驗信息(比如構(gòu)造方向信息和構(gòu)造空間平滑性)來構(gòu)建偏微分方程,對其進(jìn)行求解可以得到在全空間中擬合這些構(gòu)造數(shù)據(jù)和先驗信息的標(biāo)量場,該標(biāo)量場可以實現(xiàn)對地下所有構(gòu)造信息的隱式表達(dá),有效避免了對復(fù)雜界面及其接觸關(guān)系的顯式定義。近年來,基于人工智能的顯式和隱式構(gòu)造建模方法也開始得到研發(fā)和關(guān)注:首先通過構(gòu)建構(gòu)造模型獲得地質(zhì)構(gòu)造信息在地下三維空間中的顯式或隱式表達(dá)和描述,進(jìn)而引入或填充巖石物性參數(shù)來構(gòu)建各類巖性和儲層模型[64-65]。通常情況下,可利用構(gòu)造模型來引導(dǎo)井間數(shù)據(jù)的插值[66-67]以實現(xiàn)巖性參數(shù)模型的構(gòu)建。受插值精度的限制,通常還需進(jìn)行參數(shù)反演[68-69]來更新和修正插值的模型以獲得更加精確、更高分辨率的物性參數(shù)模型。

本文結(jié)合三維實際數(shù)據(jù)來闡述一整套自動化地震構(gòu)造解釋與建模技術(shù)流程。具體從斷層解釋、地質(zhì)體解釋、不整合面和層位解釋、構(gòu)造建模和巖性參數(shù)建模這幾個方面闡述整個流程,討論計算機實現(xiàn)中的難點技術(shù)。

1 計算地震構(gòu)造解釋與建模的實現(xiàn)流程

如圖1所示,計算地震構(gòu)造解釋與建模流程大體可以分為3個部分。首先對如圖1a所示的三維地震-測井?dāng)?shù)據(jù)體中的斷層、不整合面、層位、鹽丘等各類地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體信息進(jìn)行提取(圖1b),根據(jù)提取的信息實現(xiàn)對三維地震-測井?dāng)?shù)據(jù)體中所有地質(zhì)構(gòu)造、地層信息的定量描述;然后綜合解釋各類構(gòu)造和地層信息構(gòu)建精細(xì)構(gòu)造模型,得到如圖1c所示的隱式構(gòu)造模型;最后以隱式構(gòu)造模型作為框架約束,結(jié)合測井和其它觀測數(shù)據(jù)通過插值和反演的方式獲得物性參數(shù)模型(圖1d)。

圖1 基于三維圖像處理技術(shù)的自動化地震構(gòu)造解釋與建模a 三維地震-測井?dāng)?shù)據(jù)體;b 地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體信息;c 隱式構(gòu)造模型;d 物性參數(shù)模型

自動化地震構(gòu)造解釋與建模流程如圖2所示,該流程首先通過計算各類地震屬性來實現(xiàn)對三維地震數(shù)據(jù)中斷層、不整合面和地質(zhì)體(或地質(zhì)體邊界)的位置檢測識別,然后基于檢測結(jié)果進(jìn)一步實現(xiàn)對斷層面、不整合面和地質(zhì)體的三維重構(gòu);再將提取的斷層、不整合面和地質(zhì)體界面作為邊界條件約束,構(gòu)建全局?jǐn)M合地震波形匹配和同相軸傾角信息的偏微分方程或優(yōu)化系統(tǒng),通過求解優(yōu)化問題來計算相對地質(zhì)年代體或者高分辨率層位體,該體解釋方法可一次性獲取三維地震數(shù)據(jù)體中所有的層位;然后基于解釋的各種地質(zhì)構(gòu)造和地層信息進(jìn)一步構(gòu)建顯式或隱式構(gòu)造模型,用于完整描述地下三維空間中所有網(wǎng)格點的構(gòu)造信息;最后將構(gòu)造模型作為框架約束,結(jié)合測井觀測數(shù)據(jù)和物性參數(shù)插值、反演方法等來構(gòu)建細(xì)節(jié)豐富的物性參數(shù)模型。這些模型既可反饋回地震數(shù)據(jù)的精細(xì)成像或儲層反演,也可用于指導(dǎo)油氣勘探開發(fā)生產(chǎn)。

圖2 自動化地震構(gòu)造解釋與建模流程

1.1 三維地震斷層自動化解釋

斷層既是區(qū)域動力學(xué)分析的關(guān)鍵信息和重要依據(jù),同時也是控制油氣運移和儲藏的關(guān)鍵地質(zhì)構(gòu)造,因此,斷層解釋是地震構(gòu)造解釋中的關(guān)鍵內(nèi)容之一,其自動解釋方法已在國內(nèi)外得到廣泛研究。三維地震資料中斷層的自動解釋一般包括4個關(guān)鍵部分:①從地震數(shù)據(jù)中檢測斷層的位置;②估計斷層的產(chǎn)狀信息(傾向和走向);③利用估計的斷層位置和方向信息進(jìn)一步構(gòu)建提取斷層面;④估計斷層的斷距信息。

1.1.1 斷層屬性計算

由于斷層往往在地震數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為同相軸的不連續(xù)特征,因此基于地震反射不連續(xù)特征檢測的多種地震屬性均被用于檢測斷層。常用的屬性有基于地震波形相似系數(shù)(semblance-based)的相干(二代相干)[70]、基于協(xié)方差矩陣的相干(三代相干)[71]和基于結(jié)構(gòu)張量的相干[72]。以上3種相干屬性在地震同相軸連續(xù)性較好的區(qū)域往往具有較大的值(接近于1),而在連續(xù)性較差的區(qū)域呈現(xiàn)較小的值(接近于0),因此,相干屬性中值較小的區(qū)域一般指示斷層的位置。圖3a,圖3b,圖3c分別為以上3種相干屬性經(jīng)過簡單變換(1-coherence)之后的可視化顯示結(jié)果,屬性中的高亮值(紅色)指示地震反射不連續(xù)區(qū)域。雖然相干屬性能在一定程度上指示斷層的位置,但是其作為一種檢測地震反射不連續(xù)特征的屬性,通常也會對噪聲、地質(zhì)體邊界和不整合面等非斷層因素引起的不連續(xù)特征比較敏感。同時,地震數(shù)據(jù)中某些斷層位置不一定呈現(xiàn)不連續(xù)特征,比如具有斷層面波反射特征的斷層以及斷層斷距接近于地震道波形周期的倍數(shù)等情況。因此,簡單的地震反射不連續(xù)特征估計方法(如相干和方差等)往往無法得到干脆的、連續(xù)的斷層檢測結(jié)果。為了進(jìn)一步提高相干屬性對斷層檢測的抗干擾性和連續(xù)性,一些學(xué)者提出斷層傾向與地震同相軸法向方向平行的假設(shè),并基于該假設(shè)來設(shè)計橫向上與地震同相軸平行、垂向上與同相軸垂直的空變窗口來計算2種構(gòu)造引導(dǎo)的相干屬性[72-73],結(jié)果分別如圖3d和圖3e所示。通過這種方式計算得到的相干屬性能在一定程度上增強斷層的連續(xù)性,但是依然存在大量的非斷層假象特征,我們難以實現(xiàn)基于這些屬性的斷層面的自動追蹤或構(gòu)建。因此,一些基于斷層屬性的后處理方法,包括螞蟻追蹤[8,74]和最優(yōu)面投票[10]等往往用于進(jìn)一步壓制屬性中的干擾特征,以增強斷層特征的空間連續(xù)性并估計斷層的方向信息,進(jìn)而在一定程度上實現(xiàn)斷層面的自動化構(gòu)建,圖3f 為基于最優(yōu)面投票的斷層增強屬性。與此同時,部分學(xué)者[4,12]提出一種基于空間掃描的方式來計算斷層位置檢測屬性(斷層似然性),并同時估計斷層的走向和傾角信息,然后利用檢測的斷層位置信息和方向信息來自動構(gòu)建斷層面。圖3g和圖3h分別為斷層似然性及細(xì)化后的斷層似然性。近年來,各種深度學(xué)習(xí)方法[5-7]研究在斷層檢測方面取得較大的進(jìn)展,其斷層檢測結(jié)果在連續(xù)性、抗噪性、準(zhǔn)確性、分辨率和計算效率(預(yù)測效率,不含訓(xùn)練過程)等方面均超過所有傳統(tǒng)屬性(非深度學(xué)習(xí)方法計算)。圖3i為基于深度學(xué)習(xí)(三維二值圖像分割卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6])的斷層可能性。

1.1.2 斷層面自動構(gòu)建

斷層位置檢測和方向估計只是自動化斷層解釋的第一步,斷層面構(gòu)建或組合作為一個極具挑戰(zhàn)性的任務(wù),已進(jìn)行了廣泛的探索和研究?；谖浵佔粉櫟臄鄬用娼M合[8,74]便是一種具有代表性的方法。HALE[4]提出了一種基于四邊形生長的方法用于實現(xiàn)斷層面的自動構(gòu)建,得到了四邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示的斷層面(圖4a)。WU等[12]提出了一種更適用于斷層面構(gòu)建的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示和生成斷層面,結(jié)果如圖4b所示。以上各種方法雖然采取不同的算法來構(gòu)建斷層面并使用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示斷層面,但根據(jù)方法的基本原理均可歸納為區(qū)域生長算法。在自動構(gòu)建一個斷層面的過程中,這類方法首先根據(jù)斷層似然性屬性選取一個可靠(斷層似然性較大)的種子點,然后沿著估計的斷層傾向和走向追蹤或連接屬于同一斷層面的相鄰斷層點,來完成斷層面的生長和構(gòu)建,直到?jīng)]有合適的相鄰斷層點可供連接。由于檢測的斷層點中可能存在較多的噪聲點,如何判斷相鄰斷點是否屬于同一斷層并對其進(jìn)行連接是算法的關(guān)鍵,雖然可以通過斷層的相對位置關(guān)系、斷點屬性(包括斷層可能性、走向和傾向等)的一致性等準(zhǔn)則進(jìn)行判別,但這類方法均難以避免出現(xiàn)誤判或錯誤路徑連接。此外,斷層檢測結(jié)果中往往存在不少缺失的(未檢測到的)斷層點,導(dǎo)致僅憑區(qū)域生長算法難以構(gòu)建完整的斷層面。同時,區(qū)域生長算法作為一種局部關(guān)聯(lián)性判別算法,缺乏全局性考慮,三維斷層面構(gòu)建結(jié)果通常與種子點位置以及生長路徑相關(guān)。因此,這類方法難以獲得穩(wěn)定的、一致性較強的斷層面結(jié)果。為了提高斷層面的穩(wěn)定性和完整性,WU等[16]提出一種基于全局最優(yōu)面提取的解決方案。該方案基于動態(tài)規(guī)劃(dynamic warping)的最優(yōu)路徑算法,從斷層可能性屬性體中提取全局最優(yōu)面(及面上所有點的累積斷層屬性最大值),進(jìn)而構(gòu)建斷層面,該方法可以從不連續(xù)的斷層檢測結(jié)果中構(gòu)建出較為完整的斷層面(圖4c)。該方案基于全局優(yōu)化的思路也有助于獲得相對穩(wěn)定的斷層面構(gòu)建結(jié)果。這類方法在斷裂系統(tǒng)比較復(fù)雜的情況下(比如具有復(fù)雜分支和相交的斷裂系統(tǒng))難以獲得理想的結(jié)果,需要進(jìn)一步的人工干涉。

圖4 不同自動組合方法生成的斷層面a 基于四邊形網(wǎng)格生長的方法[4];b 基于鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的區(qū)域生長方法[56];c 基于全局最優(yōu)面提取的方法[10]

總體而言,相對于斷層位置的檢測方法,目前斷層面的自動構(gòu)建方法成熟度依然較低,難以獲得穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn)(比如構(gòu)造建模)應(yīng)用,主要難點可概括如下。①斷層面的空間展布自由度大,其延展方向和空間展布范圍均不確定,且通常未落在地震采樣網(wǎng)格上,因此難以對斷層面空間幾何描述的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。與層位的數(shù)據(jù)建模類比可知,一般情況下層位可以數(shù)學(xué)表示為深度z關(guān)于橫坐標(biāo)x和y的函數(shù)z(x,y),也就是說層位的橫向維度可以認(rèn)為和地震采樣網(wǎng)格和范圍一致,而斷層卻沒有這樣的建模網(wǎng)格和范圍,導(dǎo)致其方法設(shè)計難度更大。②實際情況下,斷層面往往不是封閉且可以用單值函數(shù)來進(jìn)行表達(dá)的幾何圖像,而這與構(gòu)造地質(zhì)建模里面的平滑、連續(xù)斷層面假設(shè)相悖。③實際情況下,斷層面之間具有復(fù)雜的接觸連接關(guān)系,成百上千的斷層面可連成一個關(guān)系復(fù)雜的斷裂系統(tǒng),難以對這些斷層面進(jìn)行自動切割和分離。斷層面構(gòu)建雖然難度很大,但卻比斷層位置檢測更為關(guān)鍵,前者可以應(yīng)用于構(gòu)造建模、斷距估計和斷層恢復(fù)。

1.1.3 斷距估計和斷層恢復(fù)

對如圖5a所示的三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行斷層屬性計算和斷層面構(gòu)建,結(jié)果分別如圖5b和圖5c所示,可用于進(jìn)一步估計斷距場沿每一個斷層面的空間分布情況。斷距場是用于斷層構(gòu)造研究的關(guān)鍵動力學(xué)特征,對斷層兩邊層位的自動解釋而言至關(guān)重要。目前,國內(nèi)外學(xué)者在斷距場自動估計方面研究較少,通常通過解釋斷層兩側(cè)一些有限的地震層位來估計斷距信息,導(dǎo)致工作量巨大并且得到的結(jié)果分辨率較低。具有代表性的斷距場自動估計是由HALE[11]和WU等[12]提出的基于圖像配準(zhǔn)的方法。考慮到地震數(shù)據(jù)對走滑斷層的斷距分辨能力較差,往往只能刻畫沿斷層傾向方向的滑移矢量,因此通過計算斷層面上盤和下盤地層(或地震同相軸)之間的相對錯動,來估計斷層的傾向滑移量。該方法忽略了斷層的走向滑移,具體步驟如下:①首先沿著斷層面附近分別從斷層的上盤和下盤提取兩個二維地震剖面,這兩個地震剖面在空間上與斷層面平行且與斷層面靠近(法向距離2～3個采樣點),其橫坐標(biāo)對應(yīng)斷層的走向、縱坐標(biāo)對應(yīng)斷層的傾向;②利用二維動態(tài)圖像歸整算法[11]來計算能夠?qū)⑦@兩個地震剖面進(jìn)行配準(zhǔn)的縱軸方向(斷層傾向方向)偏移場,計算得到的偏移場相當(dāng)于斷層的傾向斷距場。

由于斷層附近地層或地震同相軸往往破碎嚴(yán)重,故在斷層兩邊提取地震剖面之前通常會先進(jìn)行構(gòu)造引導(dǎo)(沿地震同相軸),并且采用保持?jǐn)鄬舆吔绲钠交瑸V波來增加斷層兩邊地震同相軸的連續(xù)性(圖5d),進(jìn)而提高地震剖面配準(zhǔn)和斷距估計的穩(wěn)定性。采用上述方法針對各個斷層面進(jìn)行處理,可以得到分辨率較高、連續(xù)分布的斷距場,圖5e中斷層面上不同顏色代表的是估計的傾向斷距在垂直方向的不同分量。

基于估計的斷距場,可以對地震數(shù)據(jù)體或斷層兩邊的地層進(jìn)行去斷層或斷層恢復(fù)處理。去斷層處理可以用于檢驗估計的斷距場的準(zhǔn)確性、分析斷層的動力學(xué)過程,同時也有助于后期的地震層位自動化解釋。對地震數(shù)據(jù)體或地層在三維空間中進(jìn)行去斷層處理,需要估計一個三維的偏移矢量場來校正數(shù)據(jù)體中所有斷層的上、下盤地層相對錯動。HALE[4]提出固定斷層下盤和斷層位置、移動斷層上盤的思路來實現(xiàn)去斷層處理,該方法首先通過插值,將在斷層面上估計的斷距場連續(xù)且光滑地擴散到所有斷層的上盤空間中,得到一個三維空間中的偏移矢量場;然后將該矢量場應(yīng)用于校正數(shù)據(jù)體中斷層上、下盤的相對錯動。由于該方法在去斷層過程中固定斷層的下盤和斷層的空間位置,導(dǎo)致其在對相交的新老斷層進(jìn)行恢復(fù)過程中容易產(chǎn)生畸變,因為在這種情況下老斷層被新斷層切割會導(dǎo)致老斷層的位置發(fā)生變化,要實現(xiàn)斷層恢復(fù)必須對老斷層的位置也進(jìn)行校正。WU等[12]提出一種相對靈活的去斷層方法,該方法無需固定斷層的位置和斷層的下盤,通過同時求解一些斷層上、下盤匹配的方程(利用估計的斷層斷距場構(gòu)建)和正則化偏微分方程來計算去除斷層所需的矢量位移,最后同時移動斷層上、下盤和斷層位置來實現(xiàn)斷層的恢復(fù)或去斷層處理。圖5f為利用該方法獲得的地震數(shù)據(jù)去斷層處理結(jié)果,可以看到去斷層處理后,斷層兩邊的同相軸變得更加連續(xù),使得后期的層位自動追蹤更加容易、準(zhǔn)確。

1.2 三維地震層序自動化解釋

三維地震層序解釋包含地震層位和層序界面的拾取。層位在地質(zhì)上可以定義為一個等地質(zhì)時間線或面[75];層位在巖性上表現(xiàn)為上、下兩個具有一定巖性差異的地層的分界面,在地震數(shù)據(jù)中往往呈現(xiàn)為具有一致性反射特征和相位的反射波同相軸。層位的精細(xì)解釋對于地震地貌學(xué)研究、構(gòu)造建模和層序地層建模都至關(guān)重要。而不整合面或?qū)有蚪缑嬖诘刭|(zhì)上代表一個沉積間斷、缺失或剝蝕界面[75],其上、下地層呈現(xiàn)明顯的上超、下超和頂超、削截的超覆關(guān)系;同時它也是一個巖性界面,因而在地震數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出明顯的反射特征。地質(zhì)專家一般會通過反射終止特征(包括上超、下超、頂超和削截)來確定地震數(shù)據(jù)中的不整合面和層序界面位置。下文中我們對地震數(shù)據(jù)中層位和層序界面的自動化解釋分別進(jìn)行闡述,但實際上層位和層序界面的解釋并不應(yīng)當(dāng)作為兩個獨立的任務(wù)來看待,而應(yīng)當(dāng)作為相互關(guān)聯(lián)和耦合的任務(wù)來一并解決。

1.2.1 三維地震層位自動化解釋

三維地震數(shù)據(jù)體中不一定存在不整合面或者層序界面,但是通常存在斷層,而斷層也會影響層位的自動化解釋。層位的自動化解釋已經(jīng)被廣泛研究并提出了多種研究方法,本文主要討論基于體解釋的層位拾取方法。對于去斷層處理后的地震數(shù)據(jù)體(圖5f),可以通過體拉平的方法[76-78]對其進(jìn)行進(jìn)一步的地震地層拉平處理(圖6a)。該方法首先利用地震同相軸的傾角信息構(gòu)建計算拉平偏移量的偏微分方程,然后求解偏微分方程來估計拉平偏移量,最后根據(jù)估計的拉平偏移量來實現(xiàn)整個地震數(shù)據(jù)體從去斷層后的空間到拉平空間的映射。拉平的過程實質(zhì)上是將地震數(shù)據(jù)體從原始的深度(或雙程旅行時)域變換到了地質(zhì)年代空間或Wheeler域。在圖6a中,所有地震反射波同相軸均呈水平對齊的狀態(tài),因此可以通過直接提取水平切片來獲取數(shù)據(jù)體中的任意地震層位,實現(xiàn)三維地震數(shù)據(jù)中所有地震層位的一次性解釋。利用估計的拉平偏移量,還可以計算如圖6b 所示的相對地質(zhì)年代體。該地質(zhì)年代體和對應(yīng)的地震數(shù)據(jù)體具有相同的網(wǎng)格和維度,其中的值并非絕對地質(zhì)年代,而是相對地質(zhì)年代。相對地質(zhì)年代體中的紅色部分代表的地質(zhì)年代較老,藍(lán)色部分代表的地質(zhì)年代較新,隨著深度的增加,地質(zhì)年代整體呈現(xiàn)由新到老的變化趨勢,具有相同值(或顏色)的采樣點對應(yīng)相同的地層或地震層位。當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)體中存在逆斷層或者反轉(zhuǎn)地層時,計算得到的相對地質(zhì)年代體也會在深度方向出現(xiàn)對應(yīng)的地質(zhì)年代由老到新的翻轉(zhuǎn)情況,該相對地質(zhì)年代體可以看作地震數(shù)據(jù)中所有地震層位的隱式表達(dá)式,因為地質(zhì)年代體中的等時線或面對應(yīng)著地震層位,所以該相對地質(zhì)年代體也可以看作一個包含地震數(shù)據(jù)體中所有層位等構(gòu)造信息的隱式構(gòu)造模型(圖6c),用于引導(dǎo)后期井間插值以構(gòu)建巖性參數(shù)模型和儲層模型。

相對于傳統(tǒng)的地震層位單個、逐一解釋的模式,這種體解釋的方法通過對全局信息進(jìn)行擬合可以獲得更穩(wěn)定的層位解釋結(jié)果;同時體解釋的方法可以一次性獲得地震數(shù)據(jù)體中的所有地震層位,在解釋的效率和結(jié)果的分辨率方面優(yōu)勢明顯。本文展示了一種基于地震斷層解釋、去斷層處理、拉平處理的地震層位體解釋以及相對地質(zhì)年代體估計的方法流程。目前,部分學(xué)者[58-59]提出利用深度學(xué)習(xí)的方法從輸入的地震數(shù)據(jù)體直接估計或映射出對應(yīng)的包含斷層信息的相對地質(zhì)年體。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入地震數(shù)據(jù)體中構(gòu)造信息的多尺度特征關(guān)注能力和擬合能力遠(yuǎn)優(yōu)于基于偏微分方程的體解釋方法,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的發(fā)展前景,目前基于深度學(xué)習(xí)的地震層位體解釋方法面臨最大的挑戰(zhàn)包括兩個方面:①對大三維地震數(shù)據(jù)體的處理內(nèi)存需求巨大;②目前網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練主要依賴合成數(shù)據(jù)集,訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)可能存在泛化能力不足的問題。

1.2.2 三維地震層序界面和層位的耦合解釋

當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)體中存在不整合面時,部分層位可能在不整合面位置終止,導(dǎo)致層位的自動追蹤難度增加。因此,一般考慮先檢測出不整合面位置,然后將其作為邊界約束引入到層位自動提取方法中?？紤]到層序界面或不整合面附近往往存在地震同相軸終止(上超、下超、頂超和削截等)的特征,因此通過計算能得到反映地震同相軸的發(fā)散或收斂程度的幾何特征,并將其用于指示不整合面位置。我們采用WU等[78]提出的方法對如圖7a所示的三維地震數(shù)據(jù)體計算不整合似然性,得到的屬性體如圖7b所示,該結(jié)果可用于指示地層終止區(qū)域以及其對應(yīng)的平行不整合面位置,從圖7b的極值位置處自助提取得到如圖7c 所示的兩個不整合面(圖7c中綠色為主體的層位)。

不整合面在地質(zhì)上代表沉積間斷、缺失或剝蝕界面,地層的地質(zhì)年代在不整合面位置存在跳變,地層在拉平的空間(或Wheeler域)呈現(xiàn)明顯的空白區(qū)域(對應(yīng)于沉積間斷、缺失或剝蝕)。這種不連續(xù)性特征的存在,給前面闡述的體拉平或相對地質(zhì)年代體估計等層位體解釋方法帶來挑戰(zhàn)。一種可行的方法是將事先提取的不整合面作為邊界條件約束[78]引入到層位的體解釋方法中,使得估計的相對地質(zhì)年代體(圖7d)在擬合地震數(shù)據(jù)體構(gòu)造的同時保持在不整合面附近的不連續(xù)跳變。從該地質(zhì)年代體在不同色標(biāo)下的可視化顯示結(jié)果可以看到,自動提取和構(gòu)建的等時地層或?qū)游?圖7e)與相同地質(zhì)年代的地層和背景的地震同相軸高度吻合,同時在不整合面位置有明顯的地層終止(頂超)現(xiàn)象?；诠烙嫷南鄬Φ刭|(zhì)年代體,可以將圖7a的地震數(shù)據(jù)體從原始的深度域轉(zhuǎn)換到如圖7f所示的地質(zhì)時間域三維Wheeler體,在此空間中可以明顯看到所有地層成水平層狀展布,兩個不整合面對應(yīng)兩塊明顯的地層缺失區(qū)域,這與地質(zhì)認(rèn)識吻合。

1.3 三維地震地質(zhì)體自動化解釋

地震數(shù)據(jù)體中常見的地質(zhì)體包括鹽丘、火成巖、溶洞和河道等,這些地質(zhì)體的雕刻和解釋也是構(gòu)造建模和儲層建模的重要內(nèi)容。地質(zhì)體的自動化解釋一般包括兩部分:①通過計算地震屬性來檢測地質(zhì)體或其邊界的位置;②基于屬性對地質(zhì)體進(jìn)行三維建模。在地震數(shù)據(jù)體中各類地質(zhì)體一般呈現(xiàn)反射不連續(xù)、雜亂反射或地質(zhì)體內(nèi)外的反射振幅和幾何構(gòu)造變化明顯等特征,因此,能夠檢測這些特征的各種屬性(包括方差、相干、曲率等)均可用于檢測地震數(shù)據(jù)體中的地質(zhì)體或其邊界。通常情況下,如果地震數(shù)據(jù)體中地質(zhì)體的成像質(zhì)量較差,容易導(dǎo)致基于這些屬性的地質(zhì)體雕刻或建模方法的自動化程度或精度較低。圖8a為從背景三維地震數(shù)據(jù)體中計算得到的構(gòu)造引導(dǎo)的鹽丘邊界似然性[30],該屬性通過估計鹽丘內(nèi)外地震反射幾何構(gòu)造特征的變化,在一定程度上檢測出部分明顯的鹽丘邊界的位置和一些非鹽丘邊界的干擾特征,一些不明顯的鹽丘邊界存在檢測缺失的情況,因此僅利用該屬性得到的鹽丘邊界檢測結(jié)果,難以實現(xiàn)自動化的鹽丘三維建模。為此,WU[30]根據(jù)水平集(level-set)方法思路,利用該鹽丘邊界檢測結(jié)果并結(jié)合鹽丘邊界構(gòu)造方向信息,計算得到用于描述鹽丘體幾何形態(tài)的隱式標(biāo)量場,結(jié)果如圖8b所示。在計算該標(biāo)量場過程中,通過全局?jǐn)M合檢測的鹽丘邊界位置信息來提高其抗干擾能力,通過引入方向信息和平滑正則化約束來實現(xiàn)對鹽丘邊界檢測及缺失區(qū)域的連續(xù)插值。在該隱式標(biāo)量場中,正值(紅色區(qū)域)代表鹽丘的內(nèi)部,負(fù)值(藍(lán)紫色區(qū)域)代表鹽丘的外部,從該標(biāo)量場提取零等值面便可以獲得完整鹽丘邊界(圖8c),完成對鹽丘體的三維建模。利用該方法可以獲得光滑且封閉的鹽丘邊界,但是部分位置可能還需要人工修正以獲得精確的建模結(jié)果。為此,WU等[34]提出一種交互式的半自動方法,通過引入人為干預(yù)來實現(xiàn)更加精確的鹽丘邊界建模。該方法首先通過人工或者自動方法定義一個初始鹽丘邊界(與目標(biāo)鹽丘邊界接近,如圖8d藍(lán)色曲線所示),然后利用最優(yōu)路徑拾取算法對初始邊界更新來擬合目標(biāo)鹽丘邊界。

由于強大的抗干擾能力和對復(fù)雜特征的提取、映射能力,近年來,深度學(xué)習(xí)方法在地質(zhì)體目標(biāo)檢測方面取得較大成功,相對于利用傳統(tǒng)屬性的方法,深度學(xué)習(xí)方法優(yōu)勢明顯?；趫D像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[40]自動識別的鹽丘體如圖8e所示,該結(jié)果(暗紅色區(qū)域)可以完整且準(zhǔn)確地檢測出鹽丘體的位置。類似地,圖8f為基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算[40]自動識別的火成巖。將合成數(shù)據(jù)集訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[42]應(yīng)用于實際地震數(shù)據(jù)的溶洞檢測,得到的溶洞體三維模型如圖8g所示。圖8h為基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[40]自動識別的驗證集溶洞體,圖8i為基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[40]自動識別的實際溶洞體。隨著深度學(xué)習(xí)方法的發(fā)展和各類地質(zhì)體樣本集的完善,有望能更好地實現(xiàn)三維地震數(shù)據(jù)中地質(zhì)體自動化智能建模。

圖8 鹽丘和火成巖等塊狀地質(zhì)體解釋a 從背景三維地震數(shù)據(jù)體中計算得到的構(gòu)造引導(dǎo)的鹽丘邊界似然性[30];b 用于描述鹽丘體幾何形態(tài)的隱式標(biāo)量場[30];c 從隱式標(biāo)量場中提取零等值面得到的完整鹽丘邊界面[30];d 利用最優(yōu)路徑拾取算法[34]從塊狀地質(zhì)體邊界檢測屬性中自動提取的完整邊界;e 基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動識別的鹽丘體[40];f 基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動識別的火成巖;g 溶洞體三維模型;h 基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動識別的驗證集溶洞體;i 基于圖像分割思路的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動識別的實際溶洞

雖然我們在此將地震層位解釋和地質(zhì)體解釋分開來討論,但事實上這兩個任務(wù)高度耦合。地質(zhì)體的雕刻尤其對層位的自動解釋至關(guān)重要,這是因為塊狀地質(zhì)體對地層的終止和遮擋使得層位的自動追蹤難度加大。地質(zhì)體的邊界同時也是部分地層或?qū)游坏倪吔?因此,地質(zhì)體的檢測結(jié)果也應(yīng)當(dāng)作為邊界條件約束引入層位自動解釋方法中。

1.4 構(gòu)造引導(dǎo)建模

三維地震解釋獲得的各類構(gòu)造和地層信息可以有效應(yīng)用于引導(dǎo)井間插值,以獲得既與測井觀測值吻合又與地下構(gòu)造一致的三維巖性和儲層模型。在井震聯(lián)合建模前,往往需要先通過井震匹配方法[79-82]將測井曲線校正到垂直方向與地震數(shù)據(jù)相一致的深度或時間域,同時使得地震數(shù)據(jù)中的層位橫向上對應(yīng)多口測井?dāng)?shù)據(jù)中相同的地層,因此,在井震匹配過程中除了保證單一測井曲線在縱向上與對應(yīng)地震波形相匹配,還需保證多口測井曲線的橫向一致性[83],即多口井中相同地層的觀測曲線應(yīng)該對應(yīng)地震數(shù)據(jù)體中的相同地震層位。

完成如圖9a所示的井震匹配之后,可直接利用地震解釋計算得到的相對地質(zhì)年代體(隱式構(gòu)造模型)(圖9b)來引導(dǎo)井間插值[67]。隱式構(gòu)造模型包含了對地震數(shù)據(jù)體中所有構(gòu)造信息的隱式表達(dá),對其提取等值線或面可以獲得所有的層位信息(圖9c)。如果計算隱式構(gòu)造模型時,充分考慮了斷層、地質(zhì)體邊界和不整合面的約束,那么提取等值面(等地質(zhì)時間面)獲得的層位也符合這些關(guān)鍵地質(zhì)界面信息?？紤]到在相同地質(zhì)時期沉積的地層在區(qū)域上通常具備類似的沉積環(huán)境和物源等,可以假設(shè)在橫向空間分布上巖性參數(shù)在相同的地質(zhì)時間具有較好的一致性。因此,對多口測井的巖性觀測值沿著等地質(zhì)時間線或面進(jìn)行橫向插值或延拓,可以得到全空間三維巖性模型。插值過程中還應(yīng)考慮用被插值點到多口測井的橫向距離,并進(jìn)行反向加權(quán)。圖9d為利用聲波速度測井曲線進(jìn)行井間插值得到的速度模型,可以看到,通過這種方式插值得到的巖性模型在數(shù)值和縱向變化趨勢上與測井吻合,同時橫向構(gòu)造趨勢與三維地震數(shù)據(jù)相吻合?？紤]到地質(zhì)體中巖性參數(shù)的異常和突變,可以利用對地質(zhì)體中填充物的先驗認(rèn)識對巖性模型中地質(zhì)體內(nèi)部的巖性參數(shù)進(jìn)行填充或修正。圖9e 為縫洞地質(zhì)體解釋結(jié)果,可以看出從三維地震數(shù)據(jù)體中檢測出的溶洞位置。對溶洞內(nèi)部進(jìn)行低速填充,獲得如圖9f所示的最終的速度(巖性參數(shù))模型。

圖9 構(gòu)造引導(dǎo)的井震聯(lián)合建模a 井震匹配;b 相對地質(zhì)年代體;c 層位和地層信息;d 速度模型;e 縫洞地質(zhì)體解釋結(jié)果;f最終的速度模型

經(jīng)過插值得到的模型雖然融合了地震構(gòu)造信息和稀疏的測井信息,但是插值過程中存在橫向平滑假設(shè)和近似,因而通常無法準(zhǔn)確反映巖性參數(shù)的真實橫向變化和細(xì)節(jié)信息,尤其在巖性變化較快的區(qū)域。因此,往往需要進(jìn)一步利用地球物理反演方法,通過擬合地震振幅和其它觀測數(shù)據(jù)來對插值模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn),而插值模型往往會作為初始模型輸入到反演流程中,用于提供低頻背景和趨勢約束[68]。

2 全流程實際數(shù)據(jù)應(yīng)用

為了更好地展示和總結(jié)整個自動化三維地震構(gòu)造解釋和建模全流程,我們將該流程應(yīng)用于包含鹽丘和大量斷層的三維實際地震數(shù)據(jù),并對相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行展示和討論。①利用基于二值圖像分割的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對三維地震數(shù)據(jù)體中的鹽丘體進(jìn)行檢測,得到圖10a中紅色區(qū)域指示的鹽丘檢測結(jié)果;②基于鹽丘檢測結(jié)果對鹽丘邊界或鹽丘地質(zhì)體進(jìn)行三維建模,結(jié)果如圖10b所示,其鹽丘邊界作為邊界約束可以用于后期的層位解釋和巖性參數(shù)建模;③利用三維地震斷層檢測的流程(包括斷層位置、走向和傾角等屬性計算以及斷層面組合)得到如圖10c所示的三維斷層面自動構(gòu)建結(jié)果,圖10d為斷層面在不同視角下的可視化結(jié)果,可以看到這些斷層受底部鹽丘控制呈輻射狀空間展布,基本可以確定這些斷層由底部鹽丘生長隆起,因?qū)ι细驳貙赢a(chǎn)生抬升和拉張作用而形成;④將解釋的鹽丘邊界和斷層面作為邊界約束引入層位體解釋方法中,得到如圖10e所示的相對地質(zhì)年代體(隱式構(gòu)造模型),進(jìn)而可以對三維地震數(shù)據(jù)體中所有構(gòu)造信息實現(xiàn)隱式表達(dá),因為其等值線(圖10f中橫向展布的彩色曲線)對應(yīng)地震層位,其地質(zhì)時間的橫向跳變或等值線橫向跳變對應(yīng)斷層位置(圖10f中垂直展布的紅色曲線),對該隱式構(gòu)造模型應(yīng)用色標(biāo)標(biāo)注,可以更好地進(jìn)行地層和斷層的描述,得到的三維構(gòu)造模型如圖10g所示;⑤引入測井巖性觀測值,利用三維構(gòu)造模型進(jìn)行構(gòu)造引導(dǎo)井間插值或外推,得到如圖10h 所示的三維物性參數(shù)模型。

圖10 自動化構(gòu)造解釋與建模a 鹽丘檢測結(jié)果;b 鹽丘體三維模型構(gòu)建結(jié)果;c 三維斷層面自動構(gòu)建結(jié)果;d 斷層面在不同視角下的可視化結(jié)果;e 相對地質(zhì)年代體;f 斷層和層位;g 三維構(gòu)造模型;h 三維巖性物性參數(shù)模型

3 結(jié)論

本文提出了一整套三維地震數(shù)據(jù)構(gòu)造解釋與建模技術(shù)流程,整個流程包含三維斷層、層序和地質(zhì)體自動化解釋以及構(gòu)造引導(dǎo)的井間插值巖性參數(shù)建模4個部分。關(guān)于地震解釋的3個部分相互約束和耦合:通過斷層解釋實現(xiàn)對地震數(shù)據(jù)體的去斷層或斷層恢復(fù)處理,將斷層兩邊的反射波同相軸重新定位使其變得連續(xù),為后續(xù)解釋其它地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)界面提供更好的條件;不整合面和地質(zhì)體邊界的解釋結(jié)果可以作為邊界約束用于層位解釋;而層位解釋又可以反過來用于校正斷層和不整合面的解釋結(jié)果。通過三維地震解釋流程得到所有斷層、不整合面、地質(zhì)體和層位等信息可以作為構(gòu)造和地層約束引導(dǎo)井間插值,進(jìn)而構(gòu)建巖性參數(shù)模型。

本文提出的自動化技術(shù)流程反映了隨著先進(jìn)的高維圖像處理技術(shù)(尤其是深度學(xué)習(xí)方法)的發(fā)展和應(yīng)用,自動化三維地震構(gòu)造解釋與建模取得了較大的發(fā)展,斷層位置檢測、地質(zhì)體檢測和較簡單地質(zhì)構(gòu)造背景下層位提取等方面已經(jīng)取得了較大程度的自動化和實際應(yīng)用。斷層面組合、層序界面精細(xì)解釋和構(gòu)造建模等的自動化實現(xiàn)方面依然面臨挑戰(zhàn),且存在較大的發(fā)展空間。深度學(xué)習(xí)和地質(zhì)、地球物理數(shù)據(jù)以及知識的有機結(jié)合有望在自動化、智能化地震構(gòu)造解釋與建模方面取得進(jìn)一步的突破。雖然目前也面臨著缺乏樣本標(biāo)簽、地質(zhì)和地球物理約束的合理引入等挑戰(zhàn),但是在強大的需求引導(dǎo)下,國內(nèi)外在計算機和油氣領(lǐng)域以及人工智能技術(shù)方法攻關(guān)方面投入了巨大智力和科研經(jīng)費,讓我們對地震構(gòu)造解釋與建模的智能化充滿希望,期待油氣領(lǐng)域的人工智能大模型的實現(xiàn),進(jìn)而獲得基于單網(wǎng)絡(luò)模型的各種地震構(gòu)造、層序解釋的一體化實現(xiàn)和各類地質(zhì)建模任務(wù)的單網(wǎng)絡(luò)模型一體化實現(xiàn)。

致謝:感謝中海石油(中國)有限公司北京研究中心對本文研究工作的支持！