基于導(dǎo)向濾波的分頻高精度相干斷層自動提取技術(shù)及應(yīng)用

侯俊韜，劉 軍，李 偉，顧漢明

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430074；3.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 引 言

在三維地震解釋中對于斷層的解釋，往往是在全頻帶地震資料的基礎(chǔ)上應(yīng)用頻譜分解技術(shù)，以達(dá)到對工區(qū)內(nèi)不同尺度的斷層進(jìn)行描述刻畫的目的。Qi等[1]使用頻譜分解技術(shù)有效地提高了工區(qū)內(nèi)斷裂的識別程度。除此以外，諸多學(xué)者應(yīng)用分頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)體的精細(xì)刻畫[2-4]。

構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理技術(shù)與其他去噪方法相比，具有最優(yōu)的在增強(qiáng)同相軸一致性的前提下保持?jǐn)鄬訑帱c(diǎn)的特性。Hale等[5]使用基于構(gòu)造方向的雙邊濾波技術(shù)對地震圖像做了增強(qiáng)處理；其他學(xué)者則使用構(gòu)造導(dǎo)向濾波技術(shù)得到了具有更強(qiáng)的橫向連續(xù)性的處理結(jié)果[6],或是對隱蔽斷層進(jìn)行了識別[7]。

近幾年來，多使用第三代相干算法(簡稱C3)實(shí)現(xiàn)對斷層的刻畫，與前幾代相干算法相比，第三代相干算法具有對斷層斷點(diǎn)變化敏感、橫向分辨率高等特點(diǎn)，在含噪數(shù)據(jù)中也有著較好的識別效果。諸多學(xué)者仍然在不斷改進(jìn)第三代相干算法[8]，使得計算得到的相干體具有更高的分辨能力和抗噪性能；Zeng等[9]應(yīng)用分頻技術(shù)時發(fā)現(xiàn)，部分單頻數(shù)據(jù)體對于地質(zhì)體邊界的刻畫更加清晰。頻譜分解技術(shù)與相干技術(shù)相結(jié)合可以有效地實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜斷裂帶及小尺度斷層的刻畫[10-12]。

斷層自動提取技術(shù)，簡稱AFE，是一種可以做到自動對不連續(xù)性屬性體進(jìn)行進(jìn)一步斷層的自動或半自動解釋的處理方法，一般使用相干體作為其數(shù)據(jù)輸入[13]，得到的斷層解釋結(jié)果將比傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確精細(xì)[14,15]。2020年韓勇等[16]在應(yīng)用AFE技術(shù)進(jìn)行斷裂檢測時認(rèn)為，AFE屬性體在保留大尺度斷裂平面特征的同時，也同樣具備小尺度斷裂的刻畫能力。2019年Qi等[17]應(yīng)用斷層自動提取技術(shù)獲得了信噪比較高、更加精確的斷裂識別結(jié)果。

綜上所述，本文將研究斷層自動提取技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)斷裂刻畫流程，并將該技術(shù)應(yīng)用在塔里木盆地H工區(qū)，以驗證該技術(shù)的有效性。

2 改進(jìn)的斷裂帶識別技術(shù)流程

本文使用的斷裂帶識別技術(shù)流程如圖1所示，首先對原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻處理，經(jīng)過一次構(gòu)造導(dǎo)向濾波后提取相應(yīng)的分頻相干體，將分頻地震數(shù)據(jù)體、分頻相干體與前期勘探結(jié)果之間相互驗證，優(yōu)選出刻畫斷裂帶的優(yōu)勢頻段，然后使用帶通濾波技術(shù)切除其他頻率成分。對帶通濾波后的數(shù)據(jù)體按照相同的步驟進(jìn)行一次構(gòu)造導(dǎo)向濾波，并求取高精度相干體，然后將該相干數(shù)據(jù)體作為AFE屬性的輸入，并將鉆井勘探結(jié)果與得到的AFE屬性體進(jìn)行相互驗證，最終達(dá)到提高對本工區(qū)內(nèi)斷裂帶識別效果的目的。

常規(guī)的斷裂帶識別技術(shù)，則是對全頻帶或分頻地震數(shù)據(jù)進(jìn)行一次傾角導(dǎo)向濾波處理后，提取相干數(shù)據(jù)體，一般直接利用相干體實(shí)現(xiàn)對斷裂帶的刻畫與識別。

3 斷裂帶識別關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頻譜分解技術(shù)

頻譜分解技術(shù)可以將全頻帶地震資料分解為多個不同中心頻率的分頻地震數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得不同頻段地震數(shù)據(jù)所包含的地質(zhì)地震信息。根據(jù)H工區(qū)的疊后地震資料的有效頻帶范圍，使用頻譜分解技術(shù)將地震資料按照5 Hz為間隔分成6個單頻數(shù)據(jù)體，圖2(a)為全頻帶地震數(shù)據(jù)剖面，圖2(b)～圖2(g)分別是中心頻率為5～30 Hz的分頻地震數(shù)據(jù)剖面，斷裂帶位置如圖2圈定處；可以看出中低頻數(shù)據(jù)(圖2b～圖2e)不僅可以很好地顯示出斷裂帶的位置，同時斷裂帶周邊同相軸連續(xù)性也較強(qiáng)；高頻數(shù)據(jù)(圖2f、圖2g)中的同相軸連續(xù)性較差，雖然顯示出較多的小尺度裂縫，但由于含有大量的背景噪聲，對斷裂帶特征的反映不如中低頻數(shù)據(jù)明顯。通過觀察圖中箭頭所指的同相軸，可以看出隨著頻率的增高，同相軸受噪聲干擾逐漸增大，連續(xù)性越來越差。地震勘探中多使用低頻數(shù)據(jù)對大尺度斷裂進(jìn)行識別，高頻數(shù)據(jù)則對小尺度裂縫進(jìn)行識別[18]。

3.2 構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理技術(shù)

在針對類似本工區(qū)信噪比低、斷裂帶發(fā)育的地震資料，構(gòu)造導(dǎo)向濾波往往有著較好的應(yīng)用效果[19,20]。圖3為工區(qū)內(nèi)一過斷裂帶原始地震剖面(圖3a)與經(jīng)過構(gòu)造導(dǎo)向濾波之后的地震剖面(圖3b)，通過原始地震剖面可以看出該地區(qū)地震資料噪聲干擾較大、信噪比低，即使未經(jīng)斷裂錯斷的同相軸連續(xù)性也較差。經(jīng)過構(gòu)造導(dǎo)向濾波后的地震數(shù)據(jù)所含噪聲明顯比原始地震記錄所含的噪聲減少很多，不僅同相軸的連續(xù)性得到了增強(qiáng)，斷層斷點(diǎn)等不連續(xù)性特征也清晰地保留了下來。

圖3 去噪前和構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理后的地震剖面Fig.3 Seismic profile before denoising and after structure-oriented filtering

3.3 高精度相干體提取技術(shù)

對原始地震數(shù)據(jù)與經(jīng)過構(gòu)造導(dǎo)向濾波后的地震數(shù)據(jù)分別提取了高精度相干屬性體，并沿目的層提取相應(yīng)的屬性切片，原始地震數(shù)據(jù)直接提取的相干體屬性切片中(圖4a)，除斷裂帶外依然包含有大量由于噪聲干擾形成的相干背景值，對斷裂帶北部的識別也表現(xiàn)為大量的黑色陰影(圖4a圈定處)；經(jīng)過構(gòu)造導(dǎo)向濾波后提取的相干體切片(圖4b)則對噪聲干擾也起到了很好的壓制作用，同時也識別出斷裂帶的內(nèi)部細(xì)節(jié)(圖4b圈定處)，但是仍存在著較多不能指示斷裂帶信息的背景值以及噪聲干擾。

圖4 去噪前和構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理后的地震數(shù)據(jù)提取的相干體沿層切片F(xiàn)ig.4 Along-layer slice of the coherent data extracted directly from the seismic data before denoising and after the structure-oriented filtering process

3.4 斷層自動提取技術(shù)

斷層自動提取技術(shù)(AFE,Auto Fault Extraction)的流程如下：

1)首先在相干體的基礎(chǔ)上進(jìn)行線性增強(qiáng)處理，通過線性濾波處理將相干體內(nèi)由于采集因素等影響造成的非構(gòu)造異常去除，盡可能地只保留由于構(gòu)造因素造成的相干體異常顯示。

2)對去噪之后的相干數(shù)據(jù)體分別沿水平、垂直方向進(jìn)行矢量化處理，傾角大于45°的線性特征轉(zhuǎn)化為垂直方向上的矢量，多個短小但共線的向量進(jìn)行拼接，重疊的向量則進(jìn)行剔除，排列緊密的向量則可以合并成同一向量，即完成平面斷層特征增強(qiáng)處理。

3)將步驟2)中產(chǎn)生的水平和垂直向量合并生成斷層面，水平和垂直向量相互進(jìn)行約束。此過程可以消除各個剖面以及切片上由于非斷層因素引起的異常，例如某條帶狀異常只在水平方向上有所顯示，而在垂直方向上并未延伸，即可認(rèn)為是非斷層，進(jìn)而將其剔除。

4 應(yīng)用實(shí)例

H工區(qū)位于塔里木盆地，在多次構(gòu)造運(yùn)動的作用下，該區(qū)發(fā)育各種形態(tài)以及不同尺度的斷裂，目的層奧陶系地層主要發(fā)育傾角大于80°、走向為NE向以及NNE向的走滑斷裂帶，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，目標(biāo)儲層的平均深度在7 400 m以下，地震資料噪聲干擾較大。為此首先使用帶通濾波將高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的切除以突出斷裂帶特征，之后對全頻帶地震數(shù)據(jù)與帶通濾波后的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行一次構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理，并求取高精度相干體?？梢钥闯鋈l帶數(shù)據(jù)相干體切片(圖5a)相較于帶通濾波后的數(shù)據(jù)計算得到的相干體切片(圖5b)包含有大量的背景噪聲，在斷裂帶北部無法識別出主干斷裂與分支斷裂的交接處(圖5箭頭所指處)，由于帶通濾波處理后的數(shù)據(jù)包含有更多的中低頻信息，能夠在壓制噪聲的同時更多地顯示出斷裂帶特征(圖5圈定處)。

圖5 全頻帶數(shù)據(jù)計算和帶通濾波后的數(shù)據(jù)計算得到的相干體沿層切片F(xiàn)ig.5 Slices of the coherent data calculated from the full spectral-band seismic data along the layer and the band-pass filtered data along the layer

將帶通濾波后計算得到的相干數(shù)據(jù)體作為AFE的輸入，在AFE屬性計算過程中產(chǎn)生的斷層增強(qiáng)數(shù)據(jù)體(Fault Enhance)與傾角增強(qiáng)數(shù)據(jù)體(Dip Enhance)對本工區(qū)斷裂有著較好的識別效果?？梢钥吹綌鄬釉鰪?qiáng)數(shù)據(jù)體(圖6a)相較于相干體(圖5b)進(jìn)一步壓制了噪聲，同時斷層增強(qiáng)數(shù)據(jù)體識別出的斷裂帶更加連續(xù)、符合真實(shí)的斷裂帶特征(圖6a圈定處)。

傾角增強(qiáng)數(shù)據(jù)體(圖6b)與斷層增強(qiáng)數(shù)據(jù)體(圖6a)相比，其識別結(jié)果更加精細(xì)，更加側(cè)重識別斷裂帶內(nèi)部斷層的發(fā)育狀況，同時也保留了斷裂帶的基本發(fā)育形態(tài)，對兩處隆起的斷層發(fā)育狀況也有著較好的識別效果，而相干體切片只能大致識別出隆起的位置(圖6b箭頭所指處)。

圖6 帶通濾波后的地震數(shù)據(jù)計算得到的AFE斷層增強(qiáng)數(shù)據(jù)體沿層切片和AFE傾角增強(qiáng)數(shù)據(jù)體沿層切片F(xiàn)ig.6 Slices of the AFE fault enhance data and AFE dip enhance data calculated from the band-pass filtered data along the layer

為了進(jìn)一步驗證該方法對斷裂帶儲層刻畫的準(zhǔn)確性，將井資料加入。圖7所示為工區(qū)東北部，B井組(B7、B20、B1、B4、B5)均為高產(chǎn)井，且都穿過了斷裂帶(圓點(diǎn)為井口位置，線段為井軌跡)，C2井在斷裂帶之外，為干井。全頻帶數(shù)據(jù)計算得到的AFE屬性(圖7b)中識別出了較多斷裂帶周邊斷層，斷裂帶與東部隆起形態(tài)不夠明顯，同時可以看到C2井(干井)穿過的斷層與控儲的主干斷裂帶是連通的(圖7b箭頭所指區(qū)域)；而在經(jīng)過帶通濾波后的地震數(shù)據(jù)計算所得到的AFE屬性(圖7a)中，斷裂帶與東部隆起形態(tài)特征清晰，周邊斷層較少，C2井(干井)穿過的斷層并未與主干斷裂相連，以主干斷裂帶為勘探目標(biāo)的井(B井組)均為高產(chǎn)井，符合走滑斷裂帶控儲的認(rèn)識。

圖7 帶通濾波后的數(shù)據(jù)計算得到的和全頻帶地震數(shù)據(jù)計算得到的AFE屬性Fig.7 AFE attributes calculated from the band-pass filtered data and the full spectral-band seismic data

5 結(jié)論及討論

1)頻譜分解技術(shù)為優(yōu)選刻畫斷裂帶的優(yōu)勢頻段提供了良好的基礎(chǔ)，構(gòu)造導(dǎo)向濾波技術(shù)可以在很大程度上壓制背景噪音、提高同相軸連續(xù)性，同時還具有優(yōu)良的保持?jǐn)鄬訑帱c(diǎn)的特性，針對本工區(qū)的實(shí)際地震資料有著良好的處理效果。

2)斷層自動提取技術(shù)可以在相干體的基礎(chǔ)上進(jìn)一步壓制噪聲，對斷裂帶的刻畫也更加準(zhǔn)確精細(xì)，對工區(qū)東部隆起也有著較好的識別效果，在本工區(qū)內(nèi)應(yīng)用效果良好。

3)本文改進(jìn)的斷裂帶刻畫技術(shù)流程所得到的斷裂帶識別結(jié)果，與井資料以及前期的勘探結(jié)果都較為吻合。