方向性边界保持相干增强技术在开平复杂地震资料中的应用

张志伟, 刘 军, 彭光荣, 吴 静, 杜晓东, 张晓钊

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司研究院，深圳 518000)

0 引言

断层在油气生成、储藏、运聚、保存等方面起着尤其重要的作用，准确地识别、刻画断层的位置、展布是油气勘探开发中始终要面对的一个问题。研究区开平凹陷是珠江口盆地东部一块勘探新区，从已钻井获得油气发现来看，主要油层都集中在中深层，而且已发现的油气藏均与断裂有关，因此断裂的识别和合理解释对构造影响至关重要。但由于该区构造复杂，越往深层地震资料品质较差，信噪比低，进一步增加了断层识别的难度，采用常规的相干体方法对断裂进行识别效果较差，难以满足勘探精度要求，需要对地震资料进行进一步处理[1]。

截止目前，对断裂识别来说，国内、外很多学者已经做了大量研究并且发展了相关技术，如相干体技术、利用中值滤波[2]、扩散滤波[3]、倾角导向滤波[4-16]等方法，对地震资料处理进而识别断层的技术等，但是这些技术都是相互独立，有其应用的局限性，不一定能在本研究区取得较好的应用效果。因此，笔者在前人研究的基础上，通过引入基于方向性边界保持滤波方法对地震资料进行处理，去除噪声，使地震图像中断层信息得到增强，结果显示经过增强后的地震相干体信息更加丰富、信噪比更高，断层断面更加锐化，断层更加清晰，取得了较好应用效果[17-20]。

1 方法原理

方向滤波与边界保持滤波在图像增强方法中都是最常见的一种。

1.1 方向场确定

提取方向场的方法有很多，这里提取是通过基于块的方向图方法。其主要采用的是梯度法，主要原理是计算原始数据中每一点在各个方向上的梯度，通过统计在各个方向上梯度量的差异来落实这一点的方向，由此来提取方向图。

针对图像函数f(x,y)，定义(x，y)处的梯度为式(1)。

(1)

梯度这个矢量的大小和方向分别为式(2)。

(2)

处理离散图像时，经常采用梯度的大小，并且使用一阶差分来近似表示一阶偏导数。

∂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)来简化计算梯度。

(4)

针对N维图像，求取图像的梯度信息，我们通常是求取图像和高斯函数的一阶导数的卷积为式(5)。

i∈{1,…,N}

(5)

式中：I(x)代表图像；G(x,σg)代表方差为σg的高斯函数。

因此将梯度结构张量(Gradient Structure Tensor , GST)表示为式(6)。

(6)

将梯度结构张量和方差为σT的高斯核函数做卷积，进而空间求积或者局部平均：

(7)

式中：Tij为式(6)计算的梯度结构张量；G(x,σT)代表方差为σT的高斯函数。

因此，三维图像的梯度结构张量表示为式(8)。

(8)

图1 方向滤波器示意图Fig.1 Orientation filter

图2 方向性边界保持滤波器示意图Fig.2 Orientation edge preserving filter

梯度结构张量中与最大特征值对应的特征向量里具有地震图像的方向信息。因为基于块的方向图提取方法要求取梯度，相对来说速度较慢，方向的连续性由梯度的连续性决定，理论上可以选择任意多个方向，方向和精度的准确性比较高。

利用前面获取的方向场信息设计方向滤波器，使其顺着纹线方向对图像进行滤波，从而使得图像在此方向上得到平滑，在垂直于它的方向上获得分离，所以方向滤波的一个关键要素就是设计方向滤波器(图1)。

1.2 边界保持的方向自适应滤波

图2为本文采用的广义Kuwahara滤波器示意图，也就是方向性边界保持滤波器。由图2可以看出，当滤波器远离断层的边缘时，滤波点在滤波器的中点，随着滤波器慢慢的靠近断层，滤波器中滤波点的位置随之发生了改变，同时滤波器停止于断层的边界，进而图像中断层的信息能够保持很好。

1.3 方向性边界保持断层增强技术流程

图3 断层增强处理技术流程图Fig.3 Flow of fault enhancement processing technology

断层增强处理技术流程如下(图3)：依据具体的地震数据，设计一个各向同性的高斯一阶导数滤波器，让其分别在不同方向开展高斯一阶导数滤波，从而获得各个样点处的梯度结构张量矩阵，并且用各向同性的高斯滤波器对其平滑处理，然后计算三维对称矩阵的特征值和特征向量，获取各向异性参数和方向信息，接着利用这些信息开展广义kuwahara滤波，也就是保持边界的方向自适应滤波，最终得到断层增强数据[17-20]。

2 应用实例

2.1 模型效果分析

断层的地质模型如图4所示，采用30 Hz雷克子波生成叠后地震记录，采样间隔为2 ms。图5是信噪比为2时的模型数据断层图像增强效果，图6是信噪比为4时的模型数据断层图像增强效果，对比图5、图6可以看出，断层增强技术对于存在断层的地方都使其图像增强，但是对于信噪比较低的地震数据来说，效果不是很明显，因此需要具有一定的信噪比的地震资料，一般来说，信噪比应大于4；经过增强后地震剖面的断层图像变得更加的清晰与准确，而且断层增强剖面的信噪比也得到了明显地提高[19-20]。

图4 断层地质模型Fig.4 Fault geological model

图5 模型数据断层图像增强效果(信噪比=2)Fig.5 Fault enhancement of model seismic data(a)合成地震记录;(b)断层图像增强剖面

图6 模型数据断层图像增强效果(信噪比=4)Fig.6 Fault enhancement of model seismic data(a)合成地震记录;(b)断层图像增强剖面

图7 断层增强前后剖面对比Fig.7 Comparison of fault enhancement profile(a)原始剖面;(b)断层增强剖面;(c)原始相干;(d)断层增强相干

2.2 实际应用

开平凹陷构造演化造成开平凹陷早期主要发育NEE-EW向断层，中期主要发育NWW-NW向断层，晚期断层不发育。研究区构造演化背景复杂，加上受中深层地震资料品质的影响，采用常规的断层识别方法信噪比低，效果不好。断裂系统增强技术可以对原始地震数据进行断层增强，增强后的地震数据的断层断面更加锐化，信噪比也得到一定的提高，增强后的地震相干体信息更加丰富、信噪比更高。

通过对比图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)可以看出，红色椭圆框内通过断层增强后的断层清晰度和准确度都有明显提高。

对比图9、图10可以看出，从箭头所指的六处位置来看，断层增强后的相干切片断裂刻画更加精细，断裂走向更加清晰。

最终，通过采用方向性边界保持滤波断层增强技术，使得地震数据断层信息增强，信噪比增强，断裂刻画更加清晰，断裂识别精度更高，大大降低了目标区复杂断裂的解释难度，提高了断圈构造解释精度。

图8 原始地震剖面Fig.8 Seismic profile

图9 沿T70层原始相干切片Fig.9 Seismic coherence slice along T70 layer

图10 沿T70层断层增强相干切片Fig.10 Fault enhance coherence slice along T70 layer

3 结论

方向性边界保持滤波断层增强技术，可以对原始地震数据进行断层增强，增强后的地震数据的断层断面更加锐化，信噪比也得到一定的提高，地震相干体信息更加丰富。其对地震数据信噪比也有一定要求，如果太低，效果就不明显。研究区断裂非常发育，构造复杂，此次通过此技术在目标区的应用，大大提高了断裂识别精度，辅助了断裂精细解释，夯实了断圈构造，为下一步目标评价工作、为提高研究区勘探潜力和降低勘探风险提供借鉴，具有很好的应用价值。