方向性邊界保持相干增強技術在開平復雜地震資料中的應用

張志偉, 劉 軍, 彭光榮, 吳 靜, 杜曉東, 張曉釗

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司研究院，深圳 518000)

0 引言

斷層在油氣生成、儲藏、運聚、保存等方面起著尤其重要的作用，準確地識別、刻畫斷層的位置、展布是油氣勘探開發中始終要面對的一個問題。研究區開平凹陷是珠江口盆地東部一塊勘探新區，從已鉆井獲得油氣發現來看，主要油層都集中在中深層，而且已發現的油氣藏均與斷裂有關，因此斷裂的識別和合理解釋對構造影響至關重要。但由于該區構造復雜，越往深層地震資料品質較差，信噪比低，進一步增加了斷層識別的難度，采用常規的相干體方法對斷裂進行識別效果較差，難以滿足勘探精度要求，需要對地震資料進行進一步處理[1]。

截止目前，對斷裂識別來說，國內、外很多學者已經做了大量研究并且發展了相關技術，如相干體技術、利用中值濾波[2]、擴散濾波[3]、傾角導向濾波[4-16]等方法，對地震資料處理進而識別斷層的技術等，但是這些技術都是相互獨立，有其應用的局限性，不一定能在本研究區取得較好的應用效果。因此，筆者在前人研究的基礎上，通過引入基于方向性邊界保持濾波方法對地震資料進行處理，去除噪聲，使地震圖像中斷層信息得到增強，結果顯示經過增強后的地震相干體信息更加豐富、信噪比更高，斷層斷面更加銳化，斷層更加清晰，取得了較好應用效果[17-20]。

1 方法原理

方向濾波與邊界保持濾波在圖像增強方法中都是最常見的一種。

1.1 方向場確定

提取方向場的方法有很多，這里提取是通過基于塊的方向圖方法。其主要采用的是梯度法，主要原理是計算原始數據中每一點在各個方向上的梯度，通過統計在各個方向上梯度量的差異來落實這一點的方向，由此來提取方向圖。

針對圖像函數f(x,y)，定義(x，y)處的梯度為式(1)。

(1)

梯度這個矢量的大小和方向分別為式(2)。

(2)

處理離散圖像時，經常采用梯度的大小，并且使用一階差分來近似表示一階偏導數。

?f/?x=f(i,j)-f(i+1,j)

?f/?y=f(i,j+1)-f(i,j)

(3)

通常使用公式(4)來簡化計算梯度。

(4)

針對N維圖像，求取圖像的梯度信息，我們通常是求取圖像和高斯函數的一階導數的卷積為式(5)。

i∈{1,…,N}

(5)

式中：I(x)代表圖像；G(x,σg)代表方差為σg的高斯函數。

因此將梯度結構張量(Gradient Structure Tensor , GST)表示為式(6)。

(6)

將梯度結構張量和方差為σT的高斯核函數做卷積，進而空間求積或者局部平均：

(7)

式中：Tij為式(6)計算的梯度結構張量；G(x,σT)代表方差為σT的高斯函數。

因此，三維圖像的梯度結構張量表示為式(8)。

(8)

圖1 方向濾波器示意圖Fig.1 Orientation filter

圖2 方向性邊界保持濾波器示意圖Fig.2 Orientation edge preserving filter

梯度結構張量中與最大特征值對應的特征向量里具有地震圖像的方向信息。因為基于塊的方向圖提取方法要求取梯度，相對來說速度較慢，方向的連續性由梯度的連續性決定，理論上可以選擇任意多個方向，方向和精度的準確性比較高。

利用前面獲取的方向場信息設計方向濾波器，使其順著紋線方向對圖像進行濾波，從而使得圖像在此方向上得到平滑，在垂直于它的方向上獲得分離，所以方向濾波的一個關鍵要素就是設計方向濾波器(圖1)。

1.2 邊界保持的方向自適應濾波

圖2為本文采用的廣義Kuwahara濾波器示意圖，也就是方向性邊界保持濾波器。由圖2可以看出，當濾波器遠離斷層的邊緣時，濾波點在濾波器的中點，隨著濾波器慢慢的靠近斷層，濾波器中濾波點的位置隨之發生了改變，同時濾波器停止于斷層的邊界，進而圖像中斷層的信息能夠保持很好。

1.3 方向性邊界保持斷層增強技術流程

圖3 斷層增強處理技術流程圖Fig.3 Flow of fault enhancement processing technology

斷層增強處理技術流程如下(圖3)：依據具體的地震數據，設計一個各向同性的高斯一階導數濾波器，讓其分別在不同方向開展高斯一階導數濾波，從而獲得各個樣點處的梯度結構張量矩陣，并且用各向同性的高斯濾波器對其平滑處理，然后計算三維對稱矩陣的特征值和特征向量，獲取各向異性參數和方向信息，接著利用這些信息開展廣義kuwahara濾波，也就是保持邊界的方向自適應濾波，最終得到斷層增強數據[17-20]。

2 應用實例

2.1 模型效果分析

斷層的地質模型如圖4所示，采用30 Hz雷克子波生成疊后地震記錄，采樣間隔為2 ms。圖5是信噪比為2時的模型數據斷層圖像增強效果，圖6是信噪比為4時的模型數據斷層圖像增強效果，對比圖5、圖6可以看出，斷層增強技術對于存在斷層的地方都使其圖像增強，但是對于信噪比較低的地震數據來說，效果不是很明顯，因此需要具有一定的信噪比的地震資料，一般來說，信噪比應大于4；經過增強后地震剖面的斷層圖像變得更加的清晰與準確，而且斷層增強剖面的信噪比也得到了明顯地提高[19-20]。

圖4 斷層地質模型Fig.4 Fault geological model

圖5 模型數據斷層圖像增強效果(信噪比=2)Fig.5 Fault enhancement of model seismic data(a)合成地震記錄;(b)斷層圖像增強剖面

圖6 模型數據斷層圖像增強效果(信噪比=4)Fig.6 Fault enhancement of model seismic data(a)合成地震記錄;(b)斷層圖像增強剖面

圖7 斷層增強前后剖面對比Fig.7 Comparison of fault enhancement profile(a)原始剖面;(b)斷層增強剖面;(c)原始相干;(d)斷層增強相干

2.2 實際應用

開平凹陷構造演化造成開平凹陷早期主要發育NEE-EW向斷層，中期主要發育NWW-NW向斷層，晚期斷層不發育。研究區構造演化背景復雜，加上受中深層地震資料品質的影響，采用常規的斷層識別方法信噪比低，效果不好。斷裂系統增強技術可以對原始地震數據進行斷層增強，增強后的地震數據的斷層斷面更加銳化，信噪比也得到一定的提高，增強后的地震相干體信息更加豐富、信噪比更高。

通過對比圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)可以看出，紅色橢圓框內通過斷層增強后的斷層清晰度和準確度都有明顯提高。

對比圖9、圖10可以看出，從箭頭所指的六處位置來看，斷層增強后的相干切片斷裂刻畫更加精細，斷裂走向更加清晰。

最終，通過采用方向性邊界保持濾波斷層增強技術，使得地震數據斷層信息增強，信噪比增強，斷裂刻畫更加清晰，斷裂識別精度更高，大大降低了目標區復雜斷裂的解釋難度，提高了斷圈構造解釋精度。

圖8 原始地震剖面Fig.8 Seismic profile

圖9 沿T70層原始相干切片Fig.9 Seismic coherence slice along T70 layer

圖10 沿T70層斷層增強相干切片Fig.10 Fault enhance coherence slice along T70 layer

3 結論

方向性邊界保持濾波斷層增強技術，可以對原始地震數據進行斷層增強，增強后的地震數據的斷層斷面更加銳化，信噪比也得到一定的提高，地震相干體信息更加豐富。其對地震數據信噪比也有一定要求，如果太低，效果就不明顯。研究區斷裂非常發育，構造復雜，此次通過此技術在目標區的應用，大大提高了斷裂識別精度，輔助了斷裂精細解釋，夯實了斷圈構造，為下一步目標評價工作、為提高研究區勘探潛力和降低勘探風險提供借鑒，具有很好的應用價值。