蔡志東,張固瀾,劉振亞
(東方地球物理公司新興物探開發(fā)處,河北 涿州072751)
受到地層中隨機(jī)噪聲、井徑大小、泥漿擾動(dòng)和儀器自身等諸多因素的影響,測(cè)井資料中總是存在著不同程度的噪聲。這些噪聲在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為許多與地層屬性無關(guān)的統(tǒng)計(jì)起伏變化或是毛刺干擾[1]。測(cè)井曲線去噪通常采用曲線平滑、中值濾波、頻率域低通濾波和小波變換等方法。
曲線平滑、中值濾波是直接、有效的高頻噪聲去除方法,但容易使測(cè)井曲線對(duì)地層屬性的反映變模糊,降低屬性界面的定位精度,影響了薄層和薄互層的識(shí)別能力;頻率域?yàn)V波也是一種常用的去噪方法,通常采用低通濾波濾除高頻噪聲,但不利于局部屬性細(xì)節(jié)分析[2];小波變換被用于抑制測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)噪聲,可以有效地對(duì)白噪聲進(jìn)行去除,但是對(duì)于脈沖噪聲的衰減有限,當(dāng)噪聲水平比較高時(shí)會(huì)使原始數(shù)據(jù)的高頻端信號(hào)受到損傷[3]。以上幾種方法都普遍應(yīng)用于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的去噪處理之中,但都是基于對(duì)測(cè)井曲線整體去噪處理的方法,不能有區(qū)別地對(duì)薄、厚層分別進(jìn)行處理。真實(shí)的地層屬性變化多種多樣,同一口井所在的地層可能同時(shí)存在著大套的同屬性介質(zhì)、屬性漸變的介質(zhì)、薄層與薄互層介質(zhì)等情況。本文以滑動(dòng)多項(xiàng)式擬合法為基礎(chǔ),提出一種自適應(yīng)改變多項(xiàng)式階次進(jìn)行測(cè)井曲線擬合的方法,通過統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)樣點(diǎn)值的變化規(guī)律,評(píng)估出最優(yōu)多項(xiàng)式階次,用該階次多項(xiàng)式擬合窗口內(nèi)的測(cè)井曲線,取擬合曲線的中點(diǎn)進(jìn)行樣點(diǎn)替換,然后向后移動(dòng)一個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)上面過程,最終完成測(cè)井曲線擬合重構(gòu)。
假設(shè)采集測(cè)井記錄用X(x)表示,噪聲成分用S(x)表示,實(shí)際測(cè)井記錄用Y(x)表示,則
式中,x為測(cè)井記錄中離散的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)。如果利用多項(xiàng)式對(duì)全部測(cè)井曲線Y(x)進(jìn)行擬合,則
式中,n為多項(xiàng)式階次,當(dāng)n=0時(shí),Y(x)為常數(shù)a0,適合用來擬合屬性不變的厚層;當(dāng)n=1,Y(x)適合用來擬合屬性線性漸變的厚層;當(dāng)n≥2時(shí),Y(x)則可用來擬合屬性非線性漸變的厚層、薄層和薄互層等,式(2)可以通過最小二乘法求得多項(xiàng)式Y(jié)(x)的系數(shù)ai。
當(dāng)采用逐個(gè)樣點(diǎn)連續(xù)滑動(dòng)多項(xiàng)目式擬合時(shí),以m表示滑動(dòng)窗口內(nèi)的樣點(diǎn)數(shù)(為了使擬合數(shù)據(jù)中點(diǎn)對(duì)原數(shù)據(jù)中點(diǎn)的替換,約定m為奇數(shù);程序?qū)崿F(xiàn)時(shí),如果判斷m為偶數(shù)時(shí)將自動(dòng)增加1個(gè)樣點(diǎn)),則第j個(gè)m長(zhǎng)度的窗口內(nèi)擬合多項(xiàng)式為
式中,nj為第j個(gè)擬合多項(xiàng)式的階次;l為測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)記錄的總樣點(diǎn)數(shù)。該段擬合多項(xiàng)式的自由度vj為
為了階次nj可以自適應(yīng)判斷選擇,引入了卡方檢驗(yàn)法,式(5)用來計(jì)算χ2值。
式中,mj和m′j分別為第j個(gè)m窗口的第1個(gè)和最后一個(gè)樣點(diǎn)序號(hào),均值則卡方檢驗(yàn)函數(shù)為
式中,Γ(z)為Γ函數(shù),即用 Δj表示擬合的良好度,則
分別對(duì)第j個(gè)窗口內(nèi)0階到最高階的擬合的良好度Δj進(jìn)行對(duì)比判斷,即可優(yōu)選出nj,此時(shí)擬合多項(xiàng)式為Yj(x),當(dāng)x=xj時(shí)取到該多項(xiàng)式的中點(diǎn)Yj(xj),即可得到最終的擬合測(cè)井曲線為
式(8)中邊界部分采用首尾多項(xiàng)式替換的方法,通過這種自適應(yīng)多項(xiàng)式擬合的方法可以有區(qū)別地對(duì)薄層和厚層進(jìn)行擬合,使測(cè)井曲線更能反映實(shí)際地層的屬性。
根據(jù)上述理論,為了確定自適應(yīng)多項(xiàng)式擬合測(cè)井曲線的參數(shù)和分析去噪效果,首先利用模型數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模型測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)由隨機(jī)變化的模擬測(cè)井曲線和隨機(jī)噪聲2種組分合成,數(shù)據(jù)采樣間隔為0.1m、記錄長(zhǎng)度100m。圖1(a)為模型數(shù)據(jù)的第1種組分隨機(jī)噪聲;圖1(b)為模擬數(shù)據(jù)的第2種組分模擬測(cè)井曲線;圖1(c)為由2種組分所合成的模型數(shù)據(jù)。
圖1 模型數(shù)據(jù)的生成
自適應(yīng)滑動(dòng)多項(xiàng)式擬合的最低擬合階次為0階,即允許利用常數(shù)直線擬合測(cè)井記錄,這是與記錄中同屬性厚層的測(cè)井曲線特征相符合的;同時(shí),也對(duì)最高擬合階次進(jìn)行了限制,如果階次過高,不僅將影響計(jì)算效率,又可能對(duì)有效數(shù)據(jù)薄層識(shí)別造成傷害。
圖2為隨機(jī)截取的一段10m長(zhǎng)的模型數(shù)據(jù),利用0~10階多項(xiàng)式分別進(jìn)行擬合。結(jié)果表明,隨著階次的增大,擬合曲線的波動(dòng)隨之增強(qiáng)。
通過不同時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算效率分析,認(rèn)為以6~8階為最高擬合階次比較合適。
圖2 模型數(shù)據(jù)(10m)不同階次的多次項(xiàng)式擬合
擬合優(yōu)良度門檻值是用來判斷多項(xiàng)式擬合效果的一個(gè)臨界值,用來自適應(yīng)的優(yōu)選多項(xiàng)式階次,這個(gè)參數(shù)可以不進(jìn)行設(shè)置,默認(rèn)取優(yōu)良度最好的階次進(jìn)行擬合。
如果給定了擬合優(yōu)良度門檻值,當(dāng)所有階數(shù)的擬合優(yōu)良度均不能滿足該門檻值時(shí),以優(yōu)良度最高的階次進(jìn)行擬合,效果等同于未設(shè)置該參數(shù);當(dāng)只有1個(gè)階次的擬合優(yōu)良度高于這一門檻值時(shí),就以這個(gè)階次進(jìn)行多項(xiàng)式擬合;當(dāng)存在多個(gè)階次同時(shí)滿足門檻值時(shí),將選擇最低階數(shù)的多項(xiàng)式擬合,這樣既減少了計(jì)算量也更符合測(cè)井曲線的地球物理特征。
圖2所示模型數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)良度如圖3所示,隨著擬合階次的增加,擬合的優(yōu)良度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),建議該門檻值設(shè)置不小于80%。
圖3 模型數(shù)據(jù)(10m)不同階次的擬合優(yōu)良度
模型數(shù)據(jù)采樣間隔為0.1m,如果要識(shí)別的薄層厚度為1m,假定擬合多項(xiàng)式的最高階次可以取到8次,則窗口樣點(diǎn)數(shù)最大可以取到70個(gè),超過這一數(shù)值將影響薄層的識(shí)別效果;同時(shí)要保證對(duì)高頻噪聲的去除效果,窗口樣點(diǎn)數(shù)也不能過??;通常選用與曲線平滑、中值濾波等計(jì)算方法相當(dāng)或略大的窗口長(zhǎng)度即可,建議窗口長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)測(cè)井深度在1~5m之間,對(duì)于不同的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),要根據(jù)具體情況在這一范圍內(nèi)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)確定最佳參數(shù)。
利用前面所分析確定的參數(shù),對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理。圖4(a)為自適應(yīng)滑動(dòng)多項(xiàng)式測(cè)井曲線擬合,顯示了擬合過程中用到的不同階次的所有多項(xiàng)式;圖4(b)為原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和自適應(yīng)擬合后的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù);圖4(c)為擬合數(shù)據(jù)與合成前不含噪聲數(shù)據(jù)的差值。處理結(jié)果表明,擬合效果較好,可以去噪還原得到較可靠的測(cè)井曲線,從殘差結(jié)果看處理誤差大多數(shù)在10%以內(nèi),可以驗(yàn)證該方法的有效性。
對(duì)于實(shí)際測(cè)井資料,為了獲得最好的去噪效果,擬合多項(xiàng)式階次范圍、卡方檢驗(yàn)優(yōu)良度門檻值和窗口長(zhǎng)度這3個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整。
圖4 模型數(shù)據(jù)的自適應(yīng)滑動(dòng)多項(xiàng)式擬合去噪
以土庫曼斯坦巴格德雷地區(qū)1口井的測(cè)井資料為實(shí)例進(jìn)行分析。該井區(qū)地層平緩、屬性穩(wěn)定,從錄井資料分析,該井段主要以層狀灰色泥巖為主,夾著多套厚度不大于5m的淺灰色粉砂巖薄層。圖5(a)為原始自然伽馬測(cè)井曲線,數(shù)據(jù)的噪聲水平較高,需要經(jīng)過去噪處理才能反映較真實(shí)的地層屬性。
圖5 實(shí)際測(cè)井資料的各種去噪方法對(duì)比
圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)是分別采用了移動(dòng)平均平滑、中值濾波、頻率域低通濾波等3種方法去噪得到的處理結(jié)果,3種方法均能達(dá)到一定的高頻噪聲去除效果。綜合對(duì)比3種方法,移動(dòng)平均光滑效果不如其他2種方法;中值濾波法的較厚地層屬性界面略清晰,但薄層反映不明顯;頻率域低通濾波法的對(duì)薄層有一定反映,但地層屬性界面卻較不清晰。
圖5(e)采用的是自適應(yīng)滑動(dòng)多項(xiàng)式擬合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)去噪的方法,擬合階次范圍為0~8階次、窗口長(zhǎng)度為2m(21個(gè)樣點(diǎn))、擬合優(yōu)良度門檻值為80%,從去噪效果看,其地層屬性界面清晰、薄層反應(yīng)良好,總體優(yōu)于其它幾種常規(guī)的去噪效果,通過與圖5(f)錄井剖面的對(duì)比可知地層屬性反應(yīng)良好,層界面位置準(zhǔn)確。
(1)提出了一種全新的利用自適應(yīng)滑動(dòng)多項(xiàng)式擬合測(cè)井曲線去噪方法,不需要進(jìn)行頻率域轉(zhuǎn)換,可以對(duì)目前測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中所存在的噪聲進(jìn)行有效去除,測(cè)井記錄的數(shù)據(jù)量較小,多次循環(huán)運(yùn)算對(duì)處理效率的影響不大。
(2)自適應(yīng)的階數(shù)選擇可以自行判斷并區(qū)別對(duì)薄層和厚層進(jìn)行不同階次的測(cè)井曲線擬合,從而達(dá)到去噪目的。
(3)該方法已應(yīng)用于土庫曼斯坦巴格德雷地區(qū)多口測(cè)井的去噪處理試驗(yàn),在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用效果較好。
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