基于束波變換的疊后縫洞精細(xì)成像處理技術(shù)

史飛洲,穆 潔,方 圓

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，南京 211103；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037)

碳酸鹽巖儲(chǔ)層的埋深大，且縱向、橫向的非均質(zhì)性較強(qiáng)，其中溶蝕孔洞和斷裂較為發(fā)育，并共同構(gòu)成油氣的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道，提高二者的地震成像精度對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣勘探和開(kāi)發(fā)具有重要的意義。馬學(xué)軍等[1-2]、胡鵬飛[3]針對(duì)塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的特點(diǎn)，提出了對(duì)應(yīng)的處理流程，主要包括：疊前去噪、層析靜校正、地表一致性處理、高精度速度建模和偏移成像等，從而有效地改善了研究區(qū)縫洞型儲(chǔ)層的成像精度。在此基礎(chǔ)上，龔洪林等[4]、李鵬等[5]將上述方法分別應(yīng)用于塔中82井區(qū)和塔里木盆地玉北6井區(qū)，提高了溶蝕孔洞和裂縫的可識(shí)別性，取得了較好的成像效果。陳明政等[6]、劉斌等[7]和蔣波等[8]將繞射波分離成像技術(shù)應(yīng)用于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的縫洞識(shí)別中，有效提高了裂縫和溶洞的識(shí)別精度。隨后，印興耀等[9]提出了基于子波重構(gòu)的高斯束正演方法，可以較準(zhǔn)確地刻畫(huà)起伏地表對(duì)下伏地層的影響；馬靈偉等[10]借助正演模擬的方法，對(duì)近地表黏彈性介質(zhì)進(jìn)行了兩個(gè)方面的系統(tǒng)研究，包括地震波能量的吸收衰減和深層碳酸鹽巖縫洞成像；張軍華等[11]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，探討了上覆地層、信噪比、覆蓋次數(shù)、速度模型和偏移方法對(duì)溶洞成像的影響；孫振濤[12]基于疊前地震數(shù)據(jù)的分頻振幅差異，有效地識(shí)別了塔河油田的不同尺度的溶洞；陳蘭樸等[13]對(duì)塔河油田東南斜坡奧陶系縫洞儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)；陳培元等[14]結(jié)合地質(zhì)資料，利用數(shù)字建模的方法，對(duì)塔河地區(qū)的裂縫展布規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識(shí)有較高的符合率，上述的研究成果有助于縫洞成像精度的進(jìn)一步提升。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速提升，以及偏移算法的不斷進(jìn)步，近年來(lái)，逆時(shí)偏移成像技術(shù)(RTM)在實(shí)際地震資料處理中得到了較為廣泛的應(yīng)用，徐穎等[15]、薛明喜等[16]在實(shí)際地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)比了疊前時(shí)間偏移、疊前深度偏移和逆時(shí)偏移的成像效果，并認(rèn)為逆時(shí)偏移技術(shù)的聚焦效果最好。李振春等[17]、高厚強(qiáng)等[18]分別將逆時(shí)偏移成像技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)西部探區(qū)，準(zhǔn)確地刻畫(huà)出了碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的溶蝕孔洞和斷裂的形態(tài)和位置，取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

前人研究成果和應(yīng)用大多是針對(duì)的疊前地震數(shù)據(jù)，并取得了較好的縫洞成像效果。但是，基于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的疊后地震數(shù)據(jù)，尤其是提升縫洞成像精度的研究還比較少。在精細(xì)的疊前預(yù)處理和逆時(shí)偏移成像基礎(chǔ)之上，利用束波變換技術(shù)，對(duì)塔里木盆地塔河油田某區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的疊后地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將目標(biāo)地質(zhì)體從剖面中提取出來(lái)，從而有效地提高了溶蝕孔洞和斷裂的成像精度。

1 基本原理

束波變換的概念是由Donoho等[19-21]于2000年提出的。如圖1(a)所示，假設(shè)正方形圖像的像素大小為n×n，其中n為像素個(gè)數(shù)，即該圖像由n×n個(gè)小方塊組成，每個(gè)小方塊稱為一個(gè)像素。當(dāng)正方形的邊長(zhǎng)為1時(shí)，則圖像就被歸一化為[0,1]×[0,1]的單位方塊，圖像中每個(gè)像素的大小為1/n×1/n。

為了得到不同尺度大小的方塊，采用遞歸二分的方法對(duì)圖像進(jìn)行分割。定義尺度因子為j，原始的正方形圖像被分割成2j×2j個(gè)小方塊，如圖1所示。圖1(a)～圖1(d)對(duì)應(yīng)的尺度因子分別為0、1、2、3，即原始的正方形圖像被分割成1、4、16、64塊。

不同尺度因子下的每一個(gè)二分方塊用式(1)表示：

S(k1,k2,j)={(x1,x2)∶[k1/2j,(k1+1)/2j]×

[k2/2j,(k2+1)/2j]}

(1)

式(1)中：k1和k2為尺度因子，0≤k1<2j，0≤k2<2j，當(dāng)尺度因子為0時(shí)，即k1=k2=j=0時(shí)，S(k1,k2,j)代表整個(gè)正方形圖像；當(dāng)j=1時(shí)，S(k1,k2,j)代表圖1(b)中的四個(gè)方塊中的一個(gè)方塊；當(dāng)2j=n時(shí)，則S(k1,k2,j)代表一個(gè)像素。

圖1 不同尺度、位置和方向的束波Fig.1 Four beamlets of various scales,locations,and orientations

如圖1所示，在某一尺度因子下，對(duì)二分方塊的四邊每隔一個(gè)像素點(diǎn)標(biāo)注一個(gè)分隔點(diǎn)，則在同一個(gè)二分方塊內(nèi)，兩個(gè)相異的分隔點(diǎn)的連線稱為一條波束。二分方塊S(k1,k2,j)內(nèi)的分隔點(diǎn)數(shù)如式(2)所示：

M[S(k1,k2,j)]=4×2-jn

(2)

式(2)中：n為像素個(gè)數(shù)。

用連續(xù)函數(shù)f(x1,x2)表示方塊圖像中的某一形狀，則束波變換可以理解為該函數(shù)沿著束波基的線積分的集合，然后利用積分值來(lái)識(shí)別圖像中的目標(biāo)形狀，束波變換系數(shù)Tf(b)為

(3)

式(3)中：Tf(b)為束波變換系數(shù)；b為束波基Bn,δ中的任一元素；l為束波基Bn,δ中任一元素的長(zhǎng)度；f(x,y)為單位方塊上的任一連續(xù)函數(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

利用束波變換的方法，對(duì)塔里木盆地塔河油田某區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊后處理。

2.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)庫(kù)車(chē)縣境內(nèi)，北靠天山南麓，南接塔克拉瑪干沙漠北緣，地表以戈壁和荒漠為主(圖2)。碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在中下奧陶統(tǒng)，地層巖性以泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r和生物屑灰?guī)r為主，儲(chǔ)集空間以裂縫和溶蝕孔洞為主。

圖2 工區(qū)構(gòu)造位置Fig.2 The tectonic location of the study area

圖3 研究區(qū)目的層的地震剖面Fig.3 Seismic profile of the target formation in study area

圖3為研究區(qū)內(nèi)的一條時(shí)間域的地震剖面。圖3中的黃色線條為中下奧陶統(tǒng)的頂面，在該頂面上下發(fā)育了一系列類似“串珠”狀的溶蝕孔洞，以及一些與溶蝕孔洞伴生的斷裂，二者分別構(gòu)成了油氣的存儲(chǔ)空間和運(yùn)移通道。但由于長(zhǎng)期受到風(fēng)化剝蝕和巖溶作用的影響，在中下奧陶統(tǒng)上形成了不整合面，從而掩蓋了其附近部分溶蝕孔洞和斷裂的地震響應(yīng)特征，使得二者的成像效果不佳，對(duì)地震油氣勘探的準(zhǔn)確性造成了影響。

2.2 應(yīng)用效果

為了提高溶蝕孔洞和斷裂的地震成像效果，根據(jù)二者的地質(zhì)尺度大小，以束波變換為工具，分別采用大尺度和小尺度參數(shù)(其中大尺度參數(shù)在平面上為3 000 m×3 000 m，縱向上為1 000 m；小尺度參數(shù)在平面上為1 000 m×1 000 m，縱向上為300 m)，對(duì)研究區(qū)的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行了數(shù)據(jù)的分解和重構(gòu)，并提取了相應(yīng)的地震屬性。

2.2.1 溶蝕孔洞

平均絕對(duì)振幅屬性是對(duì)振幅的絕對(duì)值的總和求平均，通常用于識(shí)別地層的地震振幅異常。在碳酸鹽巖地層中，當(dāng)有溶蝕孔洞存在時(shí)，由于孔洞的體積密度和地震波速度均較低，導(dǎo)致其阻抗值要遠(yuǎn)低于圍巖，從而使得地震剖面中孔洞所在位置的能量要強(qiáng)于圍巖，顯示出一系列類似“串珠”狀的地震響應(yīng)，并在提取的平均絕對(duì)振幅屬性中顯示出異常的響應(yīng)特征。

圖4 平均絕對(duì)振幅屬性Fig.4 Attribute of average absolute amplitude

圖4為研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面的平均絕對(duì)振幅屬性的平面分布，綠色箭頭的指向?yàn)楸?。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別對(duì)應(yīng)原始的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)所提取的平均絕對(duì)振幅屬性，圖4中的黑色圓點(diǎn)為溶蝕孔洞的響應(yīng)。圖4(b)、圖4(c)中紅色虛線方框內(nèi)的黑色圓點(diǎn)的清晰度要高于圖4(a)；同時(shí)，圖4(b)、圖4(c)中黑色圓點(diǎn)之間以及同周?chē)h(huán)境之間的分離度要好于圖4(a)；對(duì)比圖4(b)和圖4(c)可以看出，前者的黑色圓點(diǎn)的清晰度和分離度均強(qiáng)于圖4(c)。

圖5 地震剖面對(duì)比Fig.5 Seismic profiles contrast

分別選擇圖4中紅色虛線方框內(nèi)溶蝕孔洞所在位置的南北向地震剖面，如圖5所示。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為原始的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)，圖5中的黃色虛線方框內(nèi)為溶蝕孔洞的地震響應(yīng)，并與圖4中紅色虛線方框內(nèi)溶蝕孔洞的平均絕對(duì)振幅屬性相對(duì)應(yīng)。如圖5(a)所示，由于長(zhǎng)期受到風(fēng)化剝蝕和巖溶作用的影響，溶蝕孔洞的“串珠”狀地震響應(yīng)特征被不整合面所掩蓋，變得難以識(shí)別，而圖5(b)、圖5(c)中的“串珠”特征較圖5(a)明顯；此外，圖5(b)中“串珠”之間的分離度要明顯高于圖5(c)。

2.2.2 斷裂

地震相干屬性反映了地震同相軸的不連續(xù)性，同相軸的不連續(xù)性越強(qiáng)，則相干性越弱，該屬性通常用于識(shí)別地層的斷裂。當(dāng)?shù)貙又写嬖跀嗔褧r(shí)，由于地層的相對(duì)位移，導(dǎo)致斷裂兩側(cè)的巖性發(fā)生了變化，使得地震記錄中斷裂兩側(cè)同相軸的能量存在差異，從而在相干屬性中顯示出異常的響應(yīng)特征。

圖6所示為研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面的相干屬性的平面分布。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別對(duì)應(yīng)原始的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)所提取的相干屬性，圖6中的黑色線條為斷裂的響應(yīng)。在圖6(a)和圖6(c)中，紅色虛線方框內(nèi)的斷裂的連續(xù)性和清晰度要高于圖6(b)，在圖6(b)中，斷裂整體比較散亂，且與背景的分離度不高；對(duì)比圖6(a)和圖6(c)可知，圖6(c)中斷裂的清晰度要高于圖6(a)，同時(shí)其與背景的分離度也更高。

圖6 相干屬性Fig.6 Attribute of cohere

圖7 地震剖面對(duì)比Fig.7 Seismic profiles contrast

分別選擇圖6中紅色虛線方框內(nèi)斷裂所在位置的南北向地震剖面，如圖7所示。圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為原始的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時(shí)偏移地震數(shù)據(jù)，圖7中的黃色虛線方框內(nèi)為斷裂的地震響應(yīng)，并與圖6中紅色虛線方框內(nèi)斷裂的相干屬性相對(duì)應(yīng)。在圖7(a)的黃色虛線方框內(nèi)，斷裂的形態(tài)模糊不清，斷面兩側(cè)同相軸的連續(xù)性較好，無(wú)明顯斷點(diǎn)；與圖7(a)相比，圖7(c)中可以看到較為清晰的斷裂地震響應(yīng)，斷面兩側(cè)的同相軸存在明顯的位移，斷點(diǎn)清晰；圖7(b)中，雖然也出現(xiàn)了較為明顯的斷裂特征，但是斷面兩側(cè)的同相軸比較散亂，出現(xiàn)了較多的假斷裂，給地震構(gòu)造解釋帶來(lái)了許多的不確定性。

3 結(jié)論

當(dāng)目標(biāo)體受到上覆和下伏地層的影響，使得其成像效果不佳時(shí)，基于束波變換的疊后縫洞精細(xì)成像處理技術(shù)，可有效提升地質(zhì)體的可識(shí)別度；同時(shí)，該方法主要基于疊后的地震數(shù)據(jù)，與疊前的處理技術(shù)相比，其處理效率更高，能夠有效地為油氣勘探和開(kāi)發(fā)提供可靠的目標(biāo)。

(1)總體看來(lái)，束波變換方法可以有效地提高碳酸鹽巖儲(chǔ)層中溶蝕孔洞和斷裂識(shí)別的準(zhǔn)確性。在平面上，增強(qiáng)了溶蝕孔洞之間的分離度及其與周?chē)h(huán)境背景之間的差異，改善了斷裂的平面分布特征，使其連續(xù)性和清晰度得到提升；在縱向上，有效提取環(huán)境背景中的“串珠”響應(yīng)，同時(shí)，增強(qiáng)斷裂的信號(hào)強(qiáng)度，從而提高了溶蝕孔洞和斷裂的地震成像精度。

(2)由于溶蝕孔洞和斷裂的尺度差異，小尺度參數(shù)能夠更好地提取原始數(shù)據(jù)中的溶蝕孔洞信息，提高溶蝕孔洞的能量強(qiáng)度和分離度；與小尺度參數(shù)相比，大尺度參數(shù)可以在保證斷裂合理性的前提下，有效增強(qiáng)斷裂的清晰度。

(3)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)背景以及地質(zhì)體的大小來(lái)選擇束波變換的尺度參數(shù)。