基于改进的相干体分析技术的裂缝发育带预测研究

熊晓军, 张 鑫, 童 浩, 罗海龙, 张正鹏, 段文博

(地球勘探与信息技术教育部重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

0 引言

裂缝发育带的准确预测对勘探开发油气田具有重要意义，特别是碳酸盐岩储层，裂缝带、孔隙和孔洞是其油气主要储集空间和运移通道[1]。目前，常规的裂缝预测方法主要有相干体分析技术[2]、曲率分析技术[3]、P波各向异性分析技术[4]等。这些方法能较准确地识别中、大尺度的断裂带，但是对于小尺度的裂缝发育带预测效果较差。为了进一步提高裂缝发育带的预测精度，赵明章等[5]利用构造导向滤波技术提高地震资料信噪比，落实复杂断块圈闭；解淑林等[6]、尹川等[7]对输入数据体进行基于倾角控制的构造导向滤波进行去噪预处理；徐红霞等[8]基于构造导向滤波技术将多属性分析应用在断溶体预测中，提高了裂缝预测精度和实际钻井吻合率；杨培杰等[9]提出了一种方向性边界保护滤波方法，在提高信噪比同时，较好地保护了断层信息；严哲等[10]在各向异性扩散滤波算法中将相干值作为一个参数引入具体算法中，提高了对横向不连续点的保护性能。

笔者从准确预测裂缝发育带的角度出发，以提高断裂带的平面连续性及精细刻画小尺度裂缝发育带的平面展布特征为目标，研制了一种基于改进的相干体分析技术的裂缝发育带预测研究。基于不同参数计算的相干数据体反映不同尺度的裂缝，本文方法首先基于大网格相干数据体设定距离因子,将研究区域分为邻近断层区域(裂缝带较发育)和远离断层区域(裂缝带较不发育)；再针对保边去噪处理后得到的小网格相干数据体，引入反距离权系数值，根据分区结果进行自适应滤波处理：在邻近断层区域进行反距离加权构造导向滤波，远离断层区域进行中值滤波。

1 方法原理

1.1 常规的基于构造导向滤波的相干体分析技术

Bahorich等[11]提出的相干体算法是地震资料解释发展史上的一个重大突破，可以很好地描述地层、岩性的横向不均匀性，使得研究断层和裂缝的展布规律成为可能。随后，又有学者相继提出了C1、C2和C3算法[12]。目前一般采用第3代相干算法(C3)，即本征值相干技术。近年来有不少学者为了提高相干算法的分辨率，利用基于构造导向滤波的相干体分析技术进行裂缝预测[5]，其计算流程主要包含2部分：对地震数据进行构造导向滤波(或基于倾角控制的构造导向滤波)来达到抑制随机噪声，使地震数据同相轴的连续性和错断特征更明显的目的，再做相干体分析技术。

构造导向滤波采用各向异性扩散平滑算法，其最早应用于图像处理和分析领域。Weickert 等[13]通过引入结构分析，计算结构张量，给出了各向异性扩散模型:

(1)

对结构张量S进行特征值分解得到特征值λ1和λ2及其对应的正交特征向量ω1(代表梯度变化最大方向)和ω2(梯度变化最小方向)。为了保证扩散方向沿着构造方向进行，扩散张量的特征值与结构张量的特征值应保持一致，即令：

c1=α，λ1=λ2

(2)

式中：k为一致性参数；k2=(λ1-λ2)3；0<α<1。由此可以得到具有地震波同相轴倾角信息的构造特征张量D：

(3)

将包含结构信息的扩张张量D作为扩散系数，得到非线性的各项异性扩散方程为式(4)。

(4)

1.2 基于改进的相干体分析技术

相对于常规的构造导向滤波的相干体分析技术而言，本文技术具有以下改进点：

1)对用于小网格相干体分析的输入数据体进行预处理：采用小尺度三维保边去噪，抑制三维地震振幅数据体中的噪声以及提高其保持阶跃边缘能力。

2)利用大网格相干数据体设定距离因子，将研究区域分为邻近断层区域(裂缝带较发育)和远离断层区域(裂缝带较不发育)，小网格相干数据体作为输入数据，根据分区结果进行自适应滤波处理：反距离加权构造导向滤波(邻近断层区域)和中值滤波(远离断层区域)。

本文新方法的计算流程如下：

1)对三维地震振幅数据体,进行大网格相干体分析(主要保留中大尺度的断层)。

2)预处理：对用于小网格相干体分析(包含小尺度裂缝带信息)的输入数据(三维地震振幅数据体),进行三维保边去噪处理抑制噪声。

3)针对大网格相干数据体：根据所研究工区目的层地下构造特征以及大网格相干切片的中、大尺度断层展布特征,设定距离因子L(L表征裂缝邻近大断层的程度，根据研究区实际情况自行设定尝试)。当裂缝计算点到大断层的距离LiL，表示该裂缝远离大断层。

4)小网格相干数据体作为输入数据：根据分区结果，在邻近断层区域(裂缝计算点到大断层的距离LiL)，进行中值滤波。

5)输出裂缝发育带预测结果。

计算流程图见图1。

上述计算流程共包含2项核心计算步骤：

1)预处理。常规去噪方法有多项式拟合、平滑滤波等方法，但这些方法均包含统计平均效应，会使信息的边界发生严重的畸变[14]。Yi Luo 等[15]提出了保边去噪方法，它的基本思想也是均值去噪，但其不同之处在于对每一个中心点，取一系列时窗，然后分别计算每个多边形中数据的标准差以及平均值，并选择具有最小标准差的时窗内的均值作为此中心点的输出，由此实现对阶跃边缘的保真。Nasher M A[16]将这种算法推广到三维，提出了三维保边去噪方法，其对噪声的抑制以及保持阶跃边缘能力有明显提高。

图1 计算流程图Fig.1 Flowchart

2)自适应滤波处理。根据所研究工区目的层地下构造特征以及大网格相干切片的中、大尺度断层的展布特征，设定距离因子L(L表征裂缝邻近大断层的程度),将研究区域分为邻近断层区域(裂缝带较发育)和远离断层区域(裂缝带较不发育)。当裂缝计算点到大断层的距离LiL，表示该裂缝远离大断层，进行中值滤波处理。

1.2.1 邻近断层区域(Li

反距离加权构造导向滤波是一种简单的空间局部加权增强方法，原理是通过计算裂缝计算点与邻近大断层的距离进行反距离加权滤波处理。根据裂缝所受构造力与裂缝发育的差异性，反距离加权权重随距离增大而减小。权重是距离Li的p次方的倒数：

(5)

式中:Li为裂缝计算点与邻近的大断层的距离，Li

引入反距离加权权重λi，公式(4)变化为式(6)。

(6)

式中，输入数据体(C3(x,y,t))为小网格第三代相干数据体。

1.2.2 远离断层区域(Li>L)

当裂缝计算点到大断层的距离Li>L，表示该小尺度裂缝远离断层区域，进行中值滤波处理。中值滤波是图像处理中一种常用的非线性滤波算法，对脉冲噪声有良好的滤除作用，在滤除噪声的同时能够有效保护信号的边缘使之不被模糊，因而这种方法在地震资料的处理中得到了广泛地应用[17]。在远离构造带，地层水平或地下地质体较简单时，采用普通的中值滤波可以很好地去除背景噪声，提高信噪比，突出成像效果。

2 应用实例

2.1 研究工区概况

研究区目的地层为某区A组七段地层，该地区构造活动强度大，频率高，断裂系统十分发育。采用常规裂缝预测方法,对研究区进行裂缝预测效果不佳(图2)。图2(a)是沿层振幅切片，图2(b)是采用第3代相干体算法计算得到的切片图，图2(c)是采用体曲率分析方法(采用小尺度计算参数，dx=9，dy=9，dz=18)计算得到的切片图，图2(d)是采用广义希尔伯特边缘检测方法计算得到的切片图。从图2可见，相干体方法对于图2(a)中的振幅变化(异常)条带刻画的非常清晰；图2(c)虽然也具有较高的清晰度，但是其包含了较多的垂直噪声；而图2(d)虽然宏观上与图2(b)类似，但是其对刻画裂缝异常条带的分辨率较低。

图2 研究工区沿层切片的裂缝检测分析图Fig.2 Analysis of fracture detection in the section along the layer(a)沿层振幅切片;(b)相干体属性切片;(c)最大正曲率属性切片;(d)边缘检测属性切片

2.2 预测的应用

如图2所示，针对在该研究工区基于最大正曲率及边缘检测的常规裂缝检测方法分辨率不高，相干体属性更能突出振幅异常条带，较其他两种裂缝检测技术效果更好，适用性较好的情况，笔者以相干体分析技术为基础，为了提高断裂带的平面连续性及精细刻画小尺度裂缝发育带的平面展布特征，研制了一种基于改进的相干体分析技术的裂缝发育带预测方法(图1)。

在研究工区内，分别采用常规的基于构造导向滤波的相干体分析技术和本文提出的基于改进的相干体分析技术预测裂缝带。提取的目的层A组七段裂缝属性切片对比图(时窗：目的层位上下5 ms)(图3)。对比图3(a)和图3(b)可以看出，常规分析技术得到的裂缝带预测平面图(图3(a))和本文提出的改进的裂缝带预测方法得到的裂缝预测平面图(图3(b))，描绘的裂缝条带大体趋势一致，沿北东南西方向延伸。但图3(a)在复杂断裂发育位置，出现了严重的背景随机噪声，噪音的严重干扰使得同相轴连续性变差、裂缝识别分辨率大大降低。相比图3(b)，背景噪音大大减少，使得裂缝条带更加清晰干净，对裂缝的识别能力有很大地提升，不仅能将大小不同尺度的断层清晰地刻画出来，主干断裂和次级断裂之间的关系也更加清楚。结合该工区的N1井(裂缝不发育)和N2井(裂缝较发育)，图3(b)相比图3(a)对于N1井和N2井的裂缝发育特征刻画得更加精细。显然，本文裂缝带预测方法相比常规方法得到的裂缝带分辨率更高，效果更好。

3 结论

1)裂缝发育带的准确预测，对于油气藏勘探开发起着至关重要的作用。基于常规的裂缝预测方法在中国南海某区的裂缝发育带预测结果信噪比较低、成像质量较差。因此，笔者提出了一种基于改进的相干体分析技术的裂缝发育带预测方法。

图3 裂缝带预测平面对比图Fig.3 Comparison of plane of fracture zone prediction(a)常规基于构造导向滤波的相干体分析技术裂缝预测平面图；(b)本文改进的相干体分析技术裂缝预测平面图

2)本文方法改进点在于：采用小尺度三维保边去噪对输入数据体进行预处理；利用大网格相干数据体设定距离因子将研究区域分为邻近断层区域(裂缝带较发育)和远离断层区域(裂缝带较不发育)；小网格相干体数据作为输入数据，根据分区结果进行自适应滤波处理：①邻近断层区域：反距离加权构造导向滤波；②远离断层区域：中值滤波。

3)将该方法应用到某研究区叠后裂缝发育带预测，对比常规的基于构造导向滤波的相干体分析技术得到的裂缝发育带预测平面图，结果表明，该方法不仅有效地压制了噪声，并保留了断层、裂隙等边缘细节信息，断裂展布更加清晰。

4)本文提出的方法实现了对裂缝发育条带的精细描述，提高了断裂带的平面连续性及精细刻画小尺度裂缝发育带的平面展布特征，具有非常重要的实际应用价值。