CN1247603A - 自动检测穿过环境地层的平面不均匀体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及根据环境的井孔壁图像或展开的岩心样品,自动检测穿过该环境中地层的平面不均匀体的方法,它在于使用一个被定义在(X₁,Y₁,Z₁)轴系中的原始图像。该系统与其轴为Z₁的井孔相关联;对于被井孔穿过的一个区域,所述图像含有的平面不均匀体由地层平面(2至14)及与这些地层平面相交的平面不均匀体(15至23)组成。本发明的特征在于包括如下步骤:确定位于所述原始图像至少一部分中的地层平面的优势取向;对原始图像滤波,以消除位于该优势方向的地层平面(2至14)的平面不均匀体;在所述被滤波的图像上,确定与地层平面不均匀体相交的不均匀体的至少两个等值线段(15’至23’)。

Description

自动检测穿过环境地层的平面不均匀体的方法

本发明涉及根据环境的井孔壁图像或岩心样品的展开，自动检测穿过该环境或介质中地层的平面不均匀体的方法。

被参考文献称作FMI(全井孔地层微观成像器)和FMS(地层微观扫描器)并由SCHLUMBERGER公司推向市场的工具，使得能由测量井孔壁的局部电导率来获得电性图像。

井孔壁电性图像是一个展开图，它在一平面上有水平轴x代表所用工具台(pad)上电极的方位分布，且沿其垂直轴y确定该工具在井孔中的深度(线度)。

对于井孔壁电性图像或岩心样品展开的图像所进行的分析，是按照平面不均匀体和点不均匀体进行的。

根据图像分析，在图像上呈现出的平面不均匀体可按它们相对于图像背景的电导率、它们的锐度(灰度对比)、它们的组织(孤立的还是按族分组的)、它们的频率(根据方向和深度其频率高或低)，以及它们的能见度(在整个图像上可见或只在部分图像上可见)分类。

这样，在井孔壁高分辨率图像上和/或展开的岩心样品图像上，能观察到地质不均匀体的两种主要类型。第一类型一般是一个横断井孔且其广度范围大大超过井的直径的地质事件，诸如地层和破裂面，而第二类型具有被局限于井孔和采集装置尺度的径向和垂直向延伸，诸如孔隙、结核或生物扰动(bioturbation)类扰动等。

平面不均匀体是在一图像上以正弦曲线形式观察到的，该正弦曲线的一般表达式是y＝d+A(sinx+φ)，其中振幅A和相位φ分别对应于当横断井孔的平面与井孔轴线不平行时该平面的倾角和方位角，d是该正弦曲线所在的深度。

上面指出的分类判据往往使得能识别出该平面不均匀体的地质意义：地层或破裂面。一般认为地层是在图像上占主导的平面不均匀体；它是最能见到的事件，指示出图像的优势取向，且被组织成若干族(每个水平上为一族)。

破裂是更不经常的独立事件，它与地层交切而且往往是部分可见的，并且在一给定水平上能识别出若干个不同的破裂面族。

已经提出了一些自动检测地层平面的方法。方法之一涉及高频层面(high-frequency bedding plane)，另一种方法涉及层面边界。在专利申请FR-A-2 749 405和一些出版物中具体地描述了这些方法，这些出版物例如有S-J.Ye，J.Shen和N.Keskes(1995)的“从电性井孔图像中自动辨识层面”(第九届斯堪的那维亚图像分析大会，1995年6月6-9日，瑞典乌普萨拉)，以及S-J，Ye，Ph.Rabiller和N.Keskes(1997)的“在井孔图像上的自动高分辨率沉积层倾角检测”(SPWLA第38届年度测井记录专题研讨会，文章O)。这些方法使得可能检测到主要的平面不均匀体，如果它们没有被其他的面不均匀体或点不均匀体所干扰的话。

在多数情况中，由于会遇到多种面貌，所以破裂的自动检测要受到各种平面不均匀体和其他不均匀体的干扰。

在文献中还提出了检测不均匀体的其他方法，例如由J.N.Antoine和J.P.Delhomme(1990)写的“根据井孔图像中的层面边界导出倾角的方法”(文章SPE 20540Ω，第131-130页，由D.Torres，R.Strickland，和M.Gianzero(1990)写的“使用井孔图像确定倾角和走向的新途径”(SPWLA第31届年度测井记录专题研讨会，6月24-27，K，20P)或由J.Hall，M.Ponzi，M.Gonfalini和G.Maletti(1996)写的“从井孔图像和岩心照片中自动提取和表征地质特征及结构”(SPWLA第37届年度测井记录专题研讨会，文章CCC)所公开的方法。

Antoine等的方法在于根据等值线检测地层平面，这些等值线被称作流线(flow line)，它们位于该工具台生成的图像(the pad image)上，然后利用某些判据，使用动态编程算法，从工具台到工具台地拟合这些流线。这些流线是由追踪贯穿图像的地层的局部走向和选择拐点处流线而得到的。这种方法可检测图像中流线的最微小细节。当存在面不均匀体和点不均匀体相混合的复杂区域时，以及当所得到的工具台图像狭窄时，一种复杂的技术会造成严重的应用困难。这是因为尽管有高度发展的等值线拟合算法，但当以过于详细的流线为基础时，在所遇到的各种地质状况中要得到满意的结果是困难的，除非设置大量的参数作为所遇到面貌类型的函数，而这会导致其算法难于在操作条件下使用。

由Torres等人倡导的方法在于使用Hough变换，它使得能根据图像确定特定的参数以表征几何形状，诸如直线、圆、椭圆或正弦曲线，然后把所述形状的各点投影到称作Hough空间的参数空间中。在Hough空间中这些投影的交点代表所希望形状的参数。

这种方法的一个缺点在于这样的事实，即正弦曲线的深度未被纳入该参数空间，这导致深度的不准确性，所以由于Torres等所用窗口的大小，限制了正弦曲线的振幅。另一个缺点是它需要大量计算时间和存储器空间，它们作为Hough空间维数的函数而迅速增加，这里Hough空间的维数即为所希望的参数的个数。

Hall等人倡导的方法也使用Hough变换，但其特征是使用三维Hough空间，即平面的倾角、方位角和深度。Hough变换是在等值线检测之后被应用，其等值线检测或者是根据二值化图像或者是在对相邻象素分类之后完成的。应该指出，利用阈值限对具有多重灰度级的图像进行二值化会造成信息显著损失，所以难于在所用移动窗中检测和区分具有不同对比度的等值线。

上面简要描述的后几种方法试图以单一算法不经层次化地检测所有类型平面。然而，要被检测的平面有很不同的特征，例如对比度、频率等。由于这一理由，这些方法不能有效地用来可靠和安全地检测破裂不均匀体。

本发明的目的在于克服现有技术的方法存在的缺点并提供一种方法，该方法考虑地层和破裂不均匀体的不同特点，使能消除图像中的地层，以便更好地看到与地层相交的平面，从而有利于对这些平面的检测。

本发明涉及一种根据环境的井孔壁图像或岩心样品的展开，自动检测穿过该环境或介质中地层的平面不均匀体的方法，其中所用的原始图像被定义在(X₁，Y₁，Z₁)轴系中，该系统与一井孔相关联，该井孔的轴为Z₁；对于井孔穿过的环境区，所述图像含有平面不均匀体，这些平面不均匀体由地层平面及与这些地层平面相交的平面不均匀体组成，该方法的特征在于包括如下步骤：

—确定位于所述原始图像至少一部分中的地层平面的优势取向，

—对原始图像滤波，以消除位于该优势方向的地层平面的平面不均匀体，以及

—在所述被滤波的图像上，确定与地层平面不均匀体相交的不均匀体的至少若干个等值线段。

根据本发明的另一特征，该方法在于计算所述地层平面的视倾角，并使所述地层平面旋转，以使它们的倾角减小为零，从而使所述地层平面垂直于井孔轴(Z₁)，这样得到的结果图像中地层平面不均匀体被水平化。

根据本发明的另一特征，每个地层平面的视倾角是根据所述地层平面的直倾角和在井孔轴与所述地层平面相交处确定的井孔倾斜计算出来的。

根据本发明的另一特征，对结果图像的滤波是在频率域进行的。

根据本发明的另一特征，对结果图像的滤波使用付立叶变换过程。

根据本发明的另一特征，等值线段的确定是在被滤波图像的梯度图像上进行的。

根据本发明的另一特征，等值线段的确定是按照先为深度的树状路径(depth-first tree routing)进行峰值线追踪过程来实现的。

根据本发明的另一特征，被滤波的图像被变换成在其整个表面上具有相同对比度的归一化图像。

根据本发明的另一特征，梯度图像是从该归一化图像得到的。

根据本发明的另一特征，该梯度图像在两个垂直方向中的至少一个方向上被平滑。

根据本发明的另一特征，等值线检测是在两个垂直的方向上被平滑的梯度图像上完成的。

根据本发明的另一特征，它还在于选择满足一质量指数的等值线链之一的若干段。

根据本发明的另一特征，它还在于使对结果图像进行滤波的一些步骤完成之后得到的图像进行旋转，以使所述图像回到它的原始位置。

本发明的一个优点在于这样的事实，通过从破裂平面不均匀体中差分掉地层平面不均匀体，使得可能消除地层平面不均匀体，从而只保留破裂平面不均匀体，所以能很容易地检测到它们。

本发明的另一优点在于它能以不同的极性差分破裂面。

在阅读根据本发明的方法所作的如下描述并从附图中，能更清楚地看出本发明的其他特点和优点，其中：

图1是井孔壁原始图像的示意表示图；

图2是从该原始图像得到的图像的示意表示，该图像中包括水平化的地层平面；

图3是对图2中的图像滤波后得到的结果图像的示意表示，以及

图4是最后图像的示意表示，其中包含被检测到的破裂的等值线段。

井孔壁或岩心样品展开照片的原始图像I(x，y)示意性地表示在图1中。在这原始图像上能观察到几种类型的正弦曲线，它们代表各平面与井孔的交切线，例如那些对应于钻孔环境或从中取出岩心样品的环境中在不同深度处的地质层。

这些地质层在造成沉积层沉积之时曾是平面且是彼此平行的，而且每个地质层位于一水平平面内。随着地球的构造运动，这些同样的地质层发生了不同程度的变化，造成在某一方向上有不同程度倾的地层。在平静环境中沉积的粘土层基本上是水平的。这样，原始图像在一方面主要包含构成地层平面不均匀体的地层面，它们能按不同深度上的族分组，而且另一方面包含与这些地层面相交的平面不均匀体。

构成地层平面和破裂平面的平面不均匀体与在含有这些不均匀体的环境中所钻的井孔的交切线，在井孔壁图像上表现为正弦曲线形式。

对应于这些地层平面的正弦曲线是平行的而且分组成不同族。例如，位于图上部的族1与标号为2至5的正弦曲线组合在一起。基本上位于图中央的另一族6与对应其它地层平面的标号为7至9的正弦曲线组合在一起。对应于其它地层平面的其它正弦曲线，例如10、11、12、13、14，还出现在图1的下部。对应于破裂不均匀体的正弦曲线或部分正弦曲线也出现在图1中，而且这些正弦曲线与对应地层平面的正弦曲线相交。与所谓地层正弦曲线相交的这些正弦曲线中有一些用标号15至23表示。

在根据本发明的方法的第一步骤中，确定在井孔中被检测到并出现在图像I(x，y)上的地层平面的优势取向，并在井孔所在的(X₁、Y₁、Z₁)轴系中计算出所述地层平面的视倾角，井孔被倾斜的方向是Z1轴。

在第二步骤，所述地层面受到旋转，使它们的倾角减为零，从而使所述地层面垂直于井孔的Z1轴，这样得到的结果图像中地层面不均匀体被水平化了。在结果图像(图2)上能看到这种旋转的效果是把所谓地层正弦曲线变换成基本上水平的直线。这样，原始图像中的正弦曲线2至5在图2中的结果图像上由直线2′至5′标识，而正弦曲线7至14由直线7′至14′标识。

在图2中的结果图像上，对应于破裂不均匀体的正弦曲线虽然受到了旋转，且与原始图像上的曲线相比基本未变，因而用同样的标号15至23表示。

地层平面的水平化可由例如以下两种技术之一来完成：

a)检测出图像的优势取向，然后根据这一取向导出地层平面的正弦曲线(视地层面)，然后把这些正弦曲线变换成图像上的直线。

这是一个局部解，它不需要知道井孔的倾斜。这一技术不可能处理盲区，就是说没有优势方向的区域，而且它对检测地层正弦曲线过程中的偶然误差敏感。

b)检测图像的取向，并在此基础上完成如下相继操作：

—确定地层平面的正弦曲线；

—把视地层平面变换成真地层平面；

—在测地框架内寻找参考构造面；

—通过考虑每个深度上井孔的倾斜，把真参考平面变换成视平面；最后，

—在该图像上把地层正弦曲线(视平面)变换成直线。

这是一种全局性技术，它完成得好些，因为它能克服盲区带来的问题，以及由检测地层正弦曲线过程中的误差带来的问题。

从真平面到视平面(以及分别从视平面到真平面)的变换是由旋转来完成的，而且旋转把测地轴系(真倾角是相对于这一系统计算的)变换成H₁(X₁，Y₁，Z₁)轴系，其中Z₁是井孔轴，X₁是垂直于“东”和轴Z₁的轴，Y₁是垂直于X₁和Z₁两轴的轴。如Shin-Ju Ye在1997年1月16日的题为“井孔壁图像分析：自动检测沉积和构造不均匀体”的论文中描述的那样，这一变换按如下步骤进行是有好处的：即通过一个中间的H₂(X₂，Y₂，Z₂)轴系，在此系统中Z₂与Z₁重合；X₂是井孔的方位方向，垂直于Z₂；Y₂是垂直于X₂和Z₂的轴。

在第二步骤中，假定已在第一步骤中完成了对优势方向的确定，而且在适当的地方完成了对地层平面的旋转，于是图2中的结果图像在频率域中被滤波，例如通过作用于由付立叶变换得到的这一图像的频谱，从而从所述结果图像中消除具有优势取向的可能已被水平化的地层平面不均匀体。

付立叶变换能把空间域图像表示I(x，y)变换成频率域表示I(u，v)，其中观察到具有不同频率的分量的振幅和取向。接下来，以图像中的特定取向分布的某些频率被消除，例如通过把希望消除的频率取零(在水平化地层平面的情况下)。在快速付立叶变换(FFT)之后，在付立叶谱上完成定向滤波，然后对滤波结果进行付立叶逆变换(FFT^-1)，以产生空间域的被滤波图像I′(x，y)。

这一滤波过程可示意性表示如下：I(x，y)→FFT→*H(u，v)→FFT^-1→I′(x，y)这里

r是要被压缩的元素的取向。这样便得到了被滤波的图像，其中所有取向为r的线被消除掉。水平化地层不均匀体的取向r等于零。

在图3中能观察到滤波的结果，图3示意性表示被滤波的图像。

虽然并非是必须的，但最好完成一次与先前旋转相反的旋转，以便恢复其余平面的原始或最初的几何形状。应该指出，可在对结果图像滤波之后的任何时候完成逆旋转，就是说，在以下操作之一的后面。

在第三步骤中，确定所确被滤波图像上剩余的交切平面不均匀体的等值线段。

这种对等值线或等值线段的确定最好是由进行如下操作序列来完成：

1.对被滤波图像的直方图作动态范围归一化

如果被滤波图像的动态范围和对比度(因而原始图像的动态范围和对比度)在不同类型岩石中有很大的变化，就要进行被滤波图像直方图的动态范围归一化，以便在各种岩石类型中破裂的能见性均一化，并使图像在其整个表面上显示出同样的对比度。

为此目的，使用了一个滑动窗。对每个深度，完成对直方图y＝f(x)的线性变换，其中新的直方图范围[a，b](它对于每个深度是全相同的)对应于原始直方图的某一百分比(例如96％)的最小值c和最大值d。这样，便得到了一个归一化的被滤波图像(未表示)。图像归一化对于本领域的技术人员是公知的，故不再详细描述。

2.得到被滤波图像的梯度(一阶导数)图像

虽然能从被滤波的图像直接计算出梯度图像，但最好是从归一化的被滤波图像来计算它。

图像的一阶和二阶导数是很重要的特征；例如，一阶导数的极大值和极小值以及二阶导数的过零点能用于检测图像的等值线。高斯滤波器和指数滤波器是在图像处理中广泛使用的平滑滤波器。使图像(例如归一化图像)与平滑滤波器的导数褶积，便能同时完成平滑和计算图像的导数。

指数滤波器被认为是为此目的的最佳滤波器。再有，能用很简单的快速递归算法来构成指数滤波器及其导数〔作法是把单侧上(左侧和右侧)的两个指数滤波器级联，每个由一一阶递归算法构成〕。

每个指数滤波器是下式的脉冲响应：

f_c(X)＝(α/2)e^-α|x|

使用褶积定理，于是有两个指数滤波器级联的脉冲响应为

f(x)＝f_c(x)^*f_c(x)

    ＝(α²/4)[(1/α)+|x|]e^-α|x|f(x)的一阶导数是

f′(x)＝f_c(x)^*f_c′(x)

       ＝-(α³/4)xe^-α|x|

在归一化的被滤波图像上，对图像一阶导数的滤波是沿井孔深度完成的。这使得能平滑梯度图像，并同时增强(即改善)所希望的信息频率的能见度。α值越小，则平滑相应地越好。例如，对于α＝0.3得到了满意的结果。这种一维应用还使得能消除由于某些传感器失灵造成的井孔壁图像上垂直方向人为造成的缺陷。于是得到了沿井孔方向(Z₁轴)平滑过的梯度图像。

3.梯度图像的补偿平滑

为了在其后的操作中更容易地检测等值线，最好在垂直于井孔深度的方向也对梯度图像进行平滑。如果给定井孔壁工具台图像的宽窄，则可由均值滤波器、算术滤波器或中位值滤波器来完成。中位值滤波器在于对相邻象素和当前象素按增值(或减值)分类，然后把分类过的象素的中位值赋予当前象素。这样便得到沿垂直于Z₁轴方向平滑过的另一图像。

4.平面不均匀体等值线的检测

在梯度图像(一阶导数图像)上可见的平面不均匀体的等值线图是屋顶形等值线形式的，就是说等值线点位于信号的局部极大值或极小值。

如果检测平面不均匀体等值线的目的是重建穿过井壁的平面的话，那么仅仅提取等值线点是不够的，而要代之以提取等值线链，其中每一点都在同一平面上排序。这需要很精巧的等值线追踪算法。设计了专门用于寻找平面等值线的处理过程，即按先为深度的树状路径进行峰值线追踪。它能检测有浅的或很陡的梯度(垂直除外)的等值线，它们是直线、锯齿线、或甚至是点线(即由孤立的但排成一行的点构成的线)。这种按先为深度的树状路径进行峰值线追踪的方法在Shin-Ju Ye女士的论文第49至52页中描述过。同样，递归的指数滤波器在上述论文中的45至52页已作解释。所述论文的相关部分被纳入本说明书中。

为了确定一个链是否实际是平面不均匀体的等值线段，使用了定量相干性判据，即：

—能见度：为了使一平面能被检测到，它必须在该图像上是可见的，所以它要有高振幅，

—能见度的连续性，线性和长度：与点不均匀体相比，面不均匀体的痕迹应是连续可见的，线性的，而且足够长。

这些判据使能对每个等值线给于一个质量指数值：

         Q＝βVCL这里β是一归一化常数，V是能见度，C能见度的连续性，L是线性度： $V={\stackrel{\‾}{A}}_{\mathrm{mp}},C=N_{\mathrm{pv}}\frac{\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{mp}}}}{V_{\mathrm{amp}}},L=\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{D(P_0,P_1)}{N}\right)}^2$ 这里A_mp     是该段的平均振幅，N_pv     是可见的点数，如果该点振幅大于阈值S_amp，则该点是可见

     的，V_amp    是该段点的振幅的方差，ε       是该段的厚度，是连接该段两个端点的直线和该段各点之间

     的最大距离，D(P₀，P₁)是该段两个端点P₀和P₁之间的距离，N        是该段的点数。

对于有最小长度的那些链，对段的质量Q用阈值检验，以从检测到的一组链中选出破裂链。如果图像的对比度动态范围已被归一化，则对整个图像使用量Q的单一阈值便足够了。

在本方法中，如果一个链有低质量Q，则该链被距离连接该链两端的直线最远的点分割成两段；这两部分被分别检验，如此继续下去。这使得能检测出在图像上能被看见的某些段。

图4表示对破裂面等值线段的检测结果。实线段，如段16′，19′，20′或23′，以及点线段，如段15′，17′，意味着存在不同的极性，对应于局部极小值和极大值。点线段对应于局部极小值，而实线对应于局部极大值。

比较图3和图4，可以看到，图3中的一些正弦曲线，如正弦曲线部分19，可能对应于图4中的线段19′(实线)和线段19″(点线)，它们有不同的极性。

由于地层平面的水平化影响整个图像，从而影响与地层相交的平面不均匀体，所以最好在水平化地层被消除之后进行一次逆旋转，以便恢复与地层相交的平面不均匀体的原始几何形态。

显然，前面所描述的内容也适于其他井孔壁图像，不论构成图像的测量参数是什么，例如磁化率，光电因子，地层的密度，声反射振幅等。

Claims (13)

1.一种根据环境的井孔壁图像或岩心样品的展开，自动检测穿过该环境中地层的平面不均匀体的方法，其中所用的原始图像被定义在(X₁，Y₁，Z₁)轴系中，该系统与一井孔相关联，该井孔的轴为Z₁；对于井孔穿过的环境区，所述图象含有平面不均匀体，这些平面不均匀体由地层平面(2至14)及与这些地层平面相交的平面不均匀体(15至23)组成，该方法的特征在于包括如下步骤：

—确定位于所述原始图像至少一部分中的地层平面(2至14)的优势取向，

—对原始图像滤波，以消除位于该优势方向的地层平面(2至14)的平面不均匀体，以及

—在所述被滤波的图像上，确定与地层平面不均匀体相交的不均匀体的至少若干个等值线段(15′至23′)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法进一步包括计算所述地层平面的视倾角，并使所述地层平面旋转，以使它们的倾角减小为零，从而使所述地层平面垂直于井孔轴(Z₁)，这样得到的结果图像中地层平面不均匀体被水平化。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于每个地层平面的视倾角是根据所述地层平面的真倾角和在井孔轴与所述地层平面相交处确定的井孔倾斜计算出来的。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于对结果图像的滤波是在频率域进行的。

5.根据权利要求2或3的方法，其特征在于对结果图像的滤波使用付立叶变换过程。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于等值线段(15′至23′)的确定是在被滤波图像的梯度图像上进行的。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于等值线段(15′至23′)的确定是按照先为深度的树状路径进行峰值线追踪过程来实现的。

8.根据权利要求1至5中任一权利要求的方法，其特征在于被滤波的图像被变换成在其整个表面上具有相同对比度的归一化图像。

9.根据权利要求6或8的方法，其特征在于梯度图像是从该归一化图像得到的。

10.根据权利要求6或9的方法，其特征在于该梯度图像在两个垂直方向中的至少一个方向上被平滑。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于等值线检测是在两个垂直的方向上被平滑的梯度图像上完成的。

12.根据权利要求1，2，6，7，11之一的方法，其特征在于选择满足一质量指数的等值线链之一的若干段。

13.根据权利要求1，2，6至13之一的方法，其特征在于它还对结果图像进行滤波的一些步骤完成之后得到的图像进行旋转，以使所述图像回到它的原始位置。

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