地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (5): 1973-1977   PDF    
基于反射强度交流分量滤波的蚂蚁追踪断层识别技术改进及应用
陈志刚1, 吴瑞坤2, 孙星1, 郭增虎1, 王恺1, 马辉1     
1. 东方地球物理公司研究院地质研究中心, 涿州 072751
2. 中国石油天然气勘探开发公司, 北京 100034
摘要:作为一种识别断层地震解释方法,蚂蚁追踪在勘探开发中应用越来越广泛.由于蚂蚁追踪抗噪能力较弱,在识别断层的过程中受地震资料品质的影响较大,效果往往过于破碎,改进的方法通常有两种,一种是对蚂蚁追踪的算法进行改进,另外一种是对地震资料进行去燥处理;由于算法的改进通常由研发人员提出,且集成到软件周期较长,对于解释人员而言,利用去燥处理的方式进行改进更加现实.本文提出一种利用反射强度交流分量滤波对蚂蚁追踪的效果进行改进的方法.首先对原始地震资料进行构造导向滤波,随后进行基于多道倾角扫描的相干体运算,然后利用反射强度交流分量对相干体进行滤波,并将滤波后的正值充零,最后对充零后的数据体进行蚂蚁追踪.改进后的蚂蚁追踪效果较好,提高了断层的识别精度,有利于更加精细地解释断层.
关键词蚂蚁追踪    反射强度交流分量    倾角扫描    相干体    断层识别    
Improvement and application effect of ant-tracking fault identification technique based on reflection strength AC component filtering
CHEN Zhi-gang1 , WU Rui-kun2 , SUN Xing1 , GUO Zeng-hu1 , WANG Kai1 , MA Hui1     
1. BGP Geological Research Center, Hebei Zhuozhou 072751, China
2. China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation(CNODC), Beijing 100034, China
Abstract: As a seismic interpretation method of identifying faults, ant tracking technique is more and more popular in the oil and gas exploration and development. The noise immunity of ant tracking is poor, and the fault identification effect by ant tracking technique is often broken due to the poor seismic quality. There are 2 kinds of method to improve the effect of ant tracking, one is to improve the algorithm, another one is filter processing. In this paper, a method of improving the effect of ant-tracking fault identification is put forward based on reflection strength AC component filtering. Firstly, the original seismic data is processed with structure oriented filtering and then coherence cube is calculated using the algorithm of multiple seismic trace dip scanning. Secondly, the coherence cube is processed with reflection strength AC component filtering and then the positive value is set zero. Finally, the zero-filling dataset is processed with ant tracking. After application of the improved ant-tracking fault identification technique, the final ant tracking dataset is more favorable for delicate fault interpretation and the fault identification accuracy is higher.
Key words: ant tracking     reflection strength AC component     dip scanning     coherence cube     fault identification    
0 引言

地球物理学家通过模拟自然界中蚂蚁觅食行为率先提出蚂蚁算法, 通过人工蚂蚁智能群体间的信息传递达到全局寻优目的, 其原理就是在地震数据体中设定大量电子“蚂蚁”,并让每个“蚂蚁”沿着可能的断层面向前移动,同时发出“信息素”,沿断层前移的“蚂蚁”能够追踪断层面,若遇到预期的断层面将用“信息素”做出明显的标记,而对不可能是断层的面将不做标记或只做不太明显的标记(Dorigo et al., 1996).Dorigo之后Pedersen系统地提出了蚂蚁追踪流程(Pedersen et al., 2002). Aqrawi将边缘保存平滑滤波与蚂蚁追踪相结合,进一步改进了蚂蚁追踪的流程(Aqrawi and Boe, 2011).随着斯伦贝谢公司将其集成进入软件,蚂蚁追踪作为一种低序级断层和裂缝识别的方法,在国内外油气田勘探开发中应用日益广泛(郭强和梁若渺,2008张欣,2010蒋雪峰等,2012林承灏等,2013周文等,2015).随着蚂蚁追踪的广泛应用,其抗噪能力差的缺点逐渐暴露出来.近年来,研究人员主要通过改进蚂蚁追踪的算法或者利用其他地震属性数据体代替相干类数据体与蚂蚁追踪相结合的方式进一步改进蚂蚁追踪的效果.其中,严哲等提出方向约束蚂蚁算法对裂缝进行识别(严哲等,2011);雷筱珍等提出了并行蚁群求解算法(雷筱珍和赖万钦,2009);张纪会提出进化蚁群算法(张纪会和徐心和,1999);Sun等利用分频技术和蚂蚁追踪相结合(Sun et al., 2011);赵伟利用灰度突变体与蚂蚁追踪相结合(赵伟,2009).

上述研究成果虽然改进了蚂蚁追踪的效果,但仍然存在两方面问题:一是算法的改进周期较长,不能及时集成到成熟软件中,因此得不到广泛应用;二是利用地震属性数据体代替相干类数据体的方式不能解决蚂蚁追踪抗噪能力差的缺点.反射强度交流分量是一种很常见的地震属性,主要用于储层预测,由于算法简单且出现较早,因而鲜有文献对其应用进行论述.该属性计算地震数据体与其在纵向上的中值滤波的差,可以将能量二分之一以上和二分之一以下的数据进行分离.本文在常规蚂蚁追踪流程的基础上,对相干数据体利用反射强度交流分量进行滤波,将表征断层的数据与非断层数据进行分离,以达到去噪的目的,实现对蚂蚁数据体降噪的作用.

1 方法原理 1.1 反射强度交流分量滤波

通常认为地震波是一种解析信号A(t), 地震处理中称A(t)为复数道.设实部地震道为x(t), 虚部地震道为y(t), 则复数道就可以写为

(1)

(1) 式中虚部地震道是实部地震道的正交道,可由希尔伯特变换求得.

实部地震道x(t)可以被认为是一个缓慢变化的余弦振动,公式为

(2)

(2) 式中:R(t)为振动的振幅包络;θ(t)为振动的相位.

虚部地震道y(t)可表示为

(3)

实部地震道和虚部地震道已知,可求得瞬时振幅R(t),也叫反射强度或振幅包络,即:

(4)

反射强度交流分量是反射强度减去反射强度的直流分量,直流分量相当于低频分量.如图 1a所示,蓝色波形代表数据体的反射强度或振幅包络,红线为其趋势线或低频分量,低频分量近似相当于相干数据的中值.由于反射强度交流分量为反射强度与低频分量的差,因此蓝色波形中大于红色中值的反射强度交流分量为正值,小于红色中值的为负值.由于相干数据体中,低相干值代表断层因素,高相干值代表非断层的噪声,因此对相干数据体进行反射强度交流分量运算后,代表断层的低相干数值变为负值,代表非断层干扰因素的高相干值变为正值,将正值充零即可实现对相干体噪声的滤波.对于很多解释人员,可能会想到利用恒定数值对非断层的相干噪声进行滤除,但由于相干数据体在不同深度、不同位置数值范围不同,因此恒定数值方法仅适用于局部范围和局部目的层,对于整个相干数据体不通用(图 1b).反射强度交流分量方法是随深度与平面范围变化的动态的数值滤波,对整个相干数据体具有通用性.

图 1 滤波示意图 (a)反射强度交流分量示意图; (b)恒定门槛值滤波示意图. Figure 1 Schematic diagram of filter (a) Schematic diagram of RST AC filter; (b) Schematic diagram of constant filter.
1.2 改进蚂蚁追踪的实现过程

改进的蚂蚁追踪分为四个步骤:

1) 边缘保存平滑滤波.边缘保存平滑滤波是为了在相干处理之前对原始地震资料进行断层增强,即对断层部分进行保存,对非断层部分进行平滑,从而达到增强断层的目的.构造导向滤波是一种目前比较先进的边缘保存平滑滤波的方法,其原理为:首先对地震数据体进行导向分析,沿线、道方向计算倾角;然后沿同相轴方向进行边缘探测,确定可能的反射终止形式,即探测可能的断层位置;最后沿导向进行边缘保存、非边缘平滑的滤波(Gijs et al., 2003).

2) 相干体运算.蚂蚁追踪的基础数据体是相干数据体,为了获得较好的蚂蚁追踪效果,宜采用基于多道倾角扫描的第三代相干算法即本征值相干(Bahorich et al., 1995Haskell et al., 1995Gersztenkorn and Marfurt, 1996;Gijs et al., 2003).

3) 反射强度交流分量滤波.反射强度交流分量滤波是本文的重点,分两步进行:首先对相干数据体进行反射强度交流分量运算,运算过程非常简单,各种地震解释软件均提供该方法,只需将相干数据体作为输入,选定运算的线、道范围,提供相应的数据体运算时间窗口,无其他任何参数,系统便可自动计算;然后,对运算结果将大于0的数值全部充零,即实现了最终的滤波.

4) 滤波后相干数据体蚂蚁追踪.影响蚂蚁追踪的效果通常最重要的参数为蚂蚁步长,步长范围为2~10,缺省步长为3.该参数用样点数定义蚂蚁的搜索步长,决定了每只蚂蚁在搜索局部极大值时的单步长度,增加该值将使每只蚂蚁搜索得更远,但会降低精度.

2 实际应用

以东部某油田为例,常规的蚂蚁追踪的过程、效果以及基于反射强度交流分量滤波的蚂蚁追踪的过程、效果示意如图 2-图 7所示.

图 2 构造导向滤波前后的剖面对比 (a)原始地震剖面;(b)构造导向滤波剖面. Figure 2 Comparison of seismic section (a) Original seismic section; (b) Seismic section after structural oriental filtering.

图 3 相干剖面和时间切片 (a)相干剖面; (b)相干1178 ms时间切片. Figure 3 Coherence section and time slice (a) Coherence section; (b) Time slice in 1178 ms.

图 4 蚂蚁追踪剖面和时间切片 (a)蚂蚁追踪剖面; (b)蚂蚁追踪1178 ms时间切片. Figure 4 Ant tracking section and time slice (a) Ant tracking section; (b) Ant tracking time slice in 1178 ms.

图 5 相干反射强度交流分量滤波剖面和时间切片 (a)相干反射强度交流分量滤波剖面; (b)相干反射强度交流分量滤波1178 ms时间切片. Figure 5 Coherence section with RST AC filter and time slice (a) Coherence section with RST AC filter; (b) Coherence time slice in 1178 ms with RST AC filter.

图 6 滤波后蚂蚁追踪剖面和时间切片 (a)滤波后蚂蚁追踪剖面; (b)滤波后蚂蚁追踪1178 ms时间切片. Figure 6 Ant tracking section and time slice after filtering (a) Ant tracking section after filtering; (b) Ant tracking time slice in 1178 ms after filtering.

图 7 地震数据融合剖面 (a)构造导向滤波相干与地震融合剖面; (b)蚂蚁追踪与地震数据融合剖面(常规); (c)相干反射强度交流分量滤波与地震融合剖面; (d)蚂蚁追踪与地震数据融合剖面(最终). Figure 7 Combination section with original seismic data and coherence or ant tracking data (a) Combination section with original seismic data and coherence data after structural oriental filtering; (b) Combination section with original seismic data and ant tracking data; (c) Combination section with original seismic data and coherence data after RST AC filtering; (d) Combination section with original seismic data and ant tracking after RST AC filtering.
2.1 常规蚂蚁追踪流程及效果

常规蚂蚁追踪的流程为:首先对原始地震资料进行边缘保存平滑滤波,以达到增强原始地震资料断点的目的;然后对滤波后的地震资料进行相干体运算;最后对相干数据体进行蚂蚁追踪.

1) 边缘保存平滑滤波.图 2是目前比较先进的边缘保存平滑滤波即构造导向滤波前后的地震剖面,与原始地震剖面(图 2a)相比,经过构造导向滤波处理后的地震剖面上(图 2b)断层面更清楚.

2) 相干体运算.对构造导向滤波后的地震资料进行基于多道倾角扫描的相干体运算(图 3),相干剖面(图 3a)和相干时间切片(图 3b)中断层清晰可见,数值范围在100以下,但数值大于110的干扰成分过多,对断层解释起到一定的负面作用,断层识别效果有进一步提高的空间.

3) 相干体蚂蚁追踪.对图 3所示的相干数据体进行蚂蚁追踪,蚂蚁追踪的剖面和平面都过于破碎(图 4),蚂蚁追踪算法抗噪能力差,图 3相干体中数值范围大于110的干扰因素经过蚂蚁追踪处理后放大了.对于解释人员而言,常规蚂蚁追踪结果不利于断层解释.

2.2 基于反射强度交流分量滤波的蚂蚁追踪流程及效果

基于反射强度交流分量滤波的蚂蚁追踪实际是在常规的蚂蚁追踪的流程基础上,对相干数据体进行去噪后再进行蚂蚁追踪处理.图 5所示的剖面和时间切片是对图 3所示的数据体进行反射强度交流分量滤波的结果,图 3中数值范围大于110的干扰成分在图 5中已经被基本消除.

图 6为对图 5的数据体进行蚂蚁追踪后对应的剖面和时间切片,与常规的蚂蚁追踪相比(图 4),断层识别效果明显改善,断层清晰可见,组合关系清楚,有利于解释断层.

图 7为滤波前后相干或蚂蚁追踪与地震资料的融合剖面,图 7a图 3所示的数据体与地震数据的融合剖面,断层较清晰,但可以进一步改进;图 7b图 4所示数据体与地震数据融合剖面,由于抗噪能力差,不利于解释断层;图 7c图 5所示数据体与地震数据融合剖面,相对于图 7a有一定改善;图 7d图 6所示数据体与地震数据的融合剖面,与其他三种数据体融合剖面相比,断层清晰程度有了较大改善,尤其是与常规蚂蚁追踪相比(图 7b),效果有了较大改进.

3 结论 3.1

针对常规蚂蚁追踪抗噪能力差的缺点,提出了利用反射强度交流分量滤波对相干数据体降噪的方法,能够将相干数据体的断层因素和非断层因素相分离,进而将非断层因素消除,在此基础上进行蚂蚁追踪可以解决常规蚂蚁追踪因抗噪能力差导致结果过于破碎的问题.

3.2

将改进后的蚂蚁追踪方法应用于东部某油田,新方法较常规的蚂蚁追踪方法的效果改善明显,处理结果可以清晰地识别断层,对地震解释人员参考价值较高.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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