頂帽變換在川北長興組生物礁分布預(yù)測中的應(yīng)用

摘 要

摘要：四川盆地北部長興組碳酸鹽巖地層中生物礁發(fā)育，是該區(qū)油氣勘探的主要目的層之一。礁體的分布預(yù)測是該區(qū)油氣勘探面臨的現(xiàn)實課題。為此，根據(jù)生物礁沉積厚度較同期非礁相地層
摘要：四川盆地北部長興組碳酸鹽巖地層中生物礁發(fā)育，是該區(qū)油氣勘探的主要目的層之一。礁體的分布預(yù)測是該區(qū)油氣勘探面臨的現(xiàn)實課題。為此，根據(jù)生物礁沉積厚度較同期非礁相地層大的沉積地質(zhì)學(xué)原理，利用地震解釋獲得的含生物礁地層的時間厚度數(shù)據(jù)，應(yīng)用頂帽變換方法開展礁體的平面分布預(yù)測，取得滿意效果。與人工地震相分析方法相比，該方法具有準(zhǔn)確、快速高效和定量化的優(yōu)點。進(jìn)行頂帽變換時需要注意的是，結(jié)構(gòu)元素大小的選擇應(yīng)與實際地質(zhì)體的尺度相符，結(jié)構(gòu)元素過大或過小，均可能導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的偏差。此外，斷層發(fā)育等因素可能導(dǎo)致地層厚度出現(xiàn)異常，亦可能對頂帽變換結(jié)果造成影響，對此需予以區(qū)分。所采用的方法適用于構(gòu)造變形程度相對較弱的碳酸鹽巖地層中礁體的分布預(yù)測。
關(guān)鍵詞：生物礁；三維地震；地震資料解釋；頂帽變換；晚二疊世；四川盆地；北
    生物礁是重要的油氣儲集體之一，但其分布預(yù)測難度較大。自20世紀(jì)70年代后期以來，隨著地震地層學(xué)、三維地震解釋和地震屬性分析技術(shù)的推廣應(yīng)用，生物礁儲層的地震識別和預(yù)測取得了長足的進(jìn)步，已提出的方法主要有地震相分析和地震屬性分析兩大類。地震相分析利用生物礁在反射結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)等地震反射參數(shù)方面的特殊性，對其進(jìn)行定性識別；地震屬性分析則以振幅、相干、波形等屬性參數(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)等方法定量預(yù)測生物礁的分布[1～2]。筆者應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的頂帽變換(top hat transformation)算法，以含礁體地層的時間厚度數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)礁體分布的定量預(yù)測。
1 生物礁地震識別的地質(zhì)基礎(chǔ)
    生物礁是由造礁生物原地生長而形成的抗浪格架。其沉積速率高，在地貌上表現(xiàn)為“隆起”特征。特殊的發(fā)育條件和沉積特征，使得生物礁在地震剖面上具有以下特點[3]：①礁體外形呈底平頂凸的丘狀，礁體沉積厚度較相鄰的同期地層大；②礁體內(nèi)部一般呈雜亂反射或無反射；③礁體頂部的同相軸通常振幅較強(qiáng)，而底部同相軸較弱，有時出現(xiàn)同相軸間斷現(xiàn)象；④由于礁相與周圍非礁相之間在巖性和速度結(jié)構(gòu)上的差異，礁體下伏地層中有時可見到同相軸的上拉或下沉現(xiàn)象。
    從幾何特征出發(fā)，可以利用含礁體地層的厚度參數(shù)來刻畫礁體的分布。這需要在地震數(shù)據(jù)體上準(zhǔn)確地拾取含礁體地層的頂、底界面，然后計算出其間的厚度，據(jù)此推斷礁體的分布，其中厚度較大的區(qū)域是礁體的潛在分布區(qū)域。該方法原理簡單、易于操作，是定性判斷礁體分布的有效方法；其不足之處足只能大致圈定可能的礁體發(fā)育區(qū)域，不能定量地分離出各個孤立礁體的位置及分布范圍。筆者根據(jù)生物礁沉積厚度較同期非礁相地層大這一簡單的沉積地質(zhì)學(xué)原理。引入數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的頂帽變換方法，實現(xiàn)礁體分布的自動探測。
2 頂帽變換原理與方法
    “頂帽變換”是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(mathematical morphology)中的一種圖像處理方法，最初由Meyer提出[4]。它是一種有效的圖像檢測和圖像增強(qiáng)方法，常用于處理背景亮度不均勻的圖像，如去除雷達(dá)和衛(wèi)星圖像上的小斑點，或在高分辨率的深空圖像上識別星體等[4]。Huvenne等[5]將其引入地震解釋領(lǐng)域，用于自動探測愛爾蘭西南部Porcupine盆地深水丘狀沉積體的分布。
膨脹和腐蝕是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的兩類基本運算[6]。對于描述圖像的二維函數(shù)f(x，y)和b(x，y)，其膨脹運算定義為：
 
式中b稱為結(jié)構(gòu)元素；Db為其定義域。
   膨脹運算與二維卷積類似，相當(dāng)于將結(jié)構(gòu)元素b在函數(shù)f上平移，在每個平移位置計算結(jié)構(gòu)元素與函數(shù)f的和并取最大值作為該位置的計算結(jié)果。
函數(shù)f(x，y)和b(x，y)的腐蝕運算定義如下：
 
   該運算類似于膨脹運算，只是f與b之間的運算改為相減，求最大值改為求最小值。
   由上述定義可看出，結(jié)構(gòu)元素b的大小對膨脹和腐蝕運算的結(jié)果起關(guān)鍵作用。為不影響函數(shù)f的局部特征，結(jié)構(gòu)元素的值域通常被定義為｛0，1｝的二值函數(shù)，稱為平坦結(jié)構(gòu)元素[7]。膨脹運算的結(jié)果將增強(qiáng)函數(shù)f與結(jié)構(gòu)元素相應(yīng)的局部特征，而腐蝕運算則相反。
膨脹運算和腐蝕運算可以組合使用，以達(dá)到不同目的。一種簡單的組合稱為開運算，即函數(shù)f與結(jié)構(gòu)元素b作腐蝕運算后再與b作膨脹運算，記為：
 
   開運算的效果相當(dāng)于對圖像做平滑處理，與結(jié)構(gòu)元素相匹配的區(qū)域?qū)⒈黄蕉渌麉^(qū)域則保持不變。
    頂帽變換定義為函數(shù).廠減去其開運算的結(jié)果，即。這樣原圖像中與結(jié)構(gòu)元素相匹配的區(qū)域就得到增強(qiáng)，從而達(dá)到從圖像中提取給定目標(biāo)體的目的。
3 應(yīng)用實例與結(jié)果討論
    研究區(qū)位于四川盆地北部J地區(qū)，研究層位為上二疊統(tǒng)長興組。該組以臺地相碳酸鹽巖為主，臺地邊緣生物礁發(fā)育，是重要的油氣勘探目的層[7]。根據(jù)三維地震資料，對長興組頂、底反射層位進(jìn)行了精細(xì)的追蹤對比和閉合解釋，并求取長興組時間厚度(即底界與頂界之間雙程旅行時的差值)，然后應(yīng)用頂帽變換方法，預(yù)測礁體的平面分布。
為得到能夠準(zhǔn)確反映實際礁體分布的頂帽變換結(jié)果，需要選擇合適的結(jié)構(gòu)元素。根據(jù)頂帽變換原理，結(jié)構(gòu)元素大小應(yīng)與礁體大小相匹配。由地震解釋結(jié)果知，研究區(qū)內(nèi)的礁體在二維地震剖面上的視寬度一般為100～200道或2.5～5km(道間距為25m)。為了得到合理的適合于工區(qū)礁體大小的結(jié)構(gòu)元素，分別選取了邊長為50、100、150、200、250道的正方形結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行頂帽變換實驗，其結(jié)果如圖1、2所示。
 

    由圖可知，采用小尺寸的結(jié)構(gòu)元素所預(yù)測出來的礁體分布面積較?。浑S著結(jié)構(gòu)元素的邊長增大，所預(yù)測出來的礁體分布范圍亦相應(yīng)增加(圖1、2)。為了得到符合實際地質(zhì)情況的預(yù)測結(jié)果，將頂帽變換結(jié)果與地震剖面上的礁體的響應(yīng)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)邊長為150道的結(jié)構(gòu)元素所得結(jié)果與實際剖面礁體解釋結(jié)果吻合最好，邊長過小或太大，預(yù)測結(jié)果均偏離實際情況(圖1)。
最終選取邊長為150道的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行頂帽變換，其結(jié)果如圖3-a所示。由該圖可知，研究區(qū)內(nèi)長興組總共發(fā)育有110多個礁體，礁體尺寸大小不等，小的數(shù)百米，大的逾5km；礁體主要分布于研究區(qū)中部，呈北西 南東向展布。這一結(jié)果與時間厚度圖(圖3-b)所揭示的規(guī)律相同，但直接根據(jù)厚度圖很難明確地區(qū)分出各個礁體的具體位置和分布范圍。
 

    值得注意的是，在頂帽變換結(jié)果圖(圖3-a)上，其西南角有一長條狀高值異常區(qū)域，經(jīng)與地震剖面對比后確認(rèn)其為一小型逆斷層引起的地層局部加厚，并非礁體引起的厚度異常(圖4)。因此，頂帽變換預(yù)測的厚度高值異常區(qū)，除了生物礁外，還可能為斷層等其他因素引起。
4 結(jié)論
   筆者根據(jù)地震解釋獲得的含生物礁地層的時間厚度數(shù)據(jù)，利用礁相沉積厚度較同期非礁相地層大這一簡單的沉積地質(zhì)學(xué)原理，應(yīng)用數(shù)字形態(tài)學(xué)中的頂帽變換方法開展生物礁分布預(yù)測。應(yīng)用于四川盆地北部J地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組礁體分布預(yù)測，取得滿意效果。與人工地震相分析方法相比，該方法具有準(zhǔn)確、快速高效和定量化等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中需要注意的是，結(jié)構(gòu)元素尺寸的選擇應(yīng)與實際地質(zhì)體的大小相符，結(jié)構(gòu)元素的尺寸過大或過小，均可能導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的偏差。此外，斷層發(fā)育等因素可能導(dǎo)致地層厚度出現(xiàn)異常，進(jìn)而影響頂帽變換結(jié)果，對此需予以區(qū)分。筆者所用的方法適用于構(gòu)造變形程度較弱的碳酸鹽巖地層中礁體的分布預(yù)測。
參考文獻(xiàn)
[1] 程謙，閻建國，朱強(qiáng)，等.礁體及沉積特征在高分辨率相干屬性剖面上的特征分析[J].物探化探計算技術(shù)，2010，32(1)：48-53.
[2] 鄔光輝，黃廣建，王振宇，等.塔中奧陶系生物礁地震識別與預(yù)測[J].天然氣工業(yè)，2007，27(4)：40-42.
[3] BUBB J N，HATLELID WG.Seismic recognition of carbonate buildups[C]∥Payton C E.Seismic Stratigrphy-Applications to Hydrocarbon Exploration，AAPG Memoir 26.Tulsa：American Association of Petroleum Geologists，1977：185-204.
[4] SONKA M，HLAVAC V，BOYLE R.Image processing，analysis，and machine vision[M].2nd ed.Toronto：Thomson Learning，2008：657-693.
[5] HUVENNE V A I，MOL B D，HENRIET J P.A 3D seismic study of the morphology and spatial distribution of buried coral banks in the Porcupine Basin，SW of Ireland[J].Marine Geology，2003，198：5-25.
[6] SERRA J.Image analysis and mathematical morphology M.London：Academic Press，1982.
[7] 洪海濤，王一剛，楊天泉，等.川北地區(qū)長興組沉積相和生物礁氣藏分布規(guī)律[J].天然氣工業(yè)，2008，28(1)：38-41.
 
(本文作者：林霖1 鐘廣法1 殷紹如1 王萍2 鄧瑛2 1.同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室；2.川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司)