基于Hough变换的成像测井裂缝检测方法研究

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　　摘  要：作为储层中重要的油气储存空间，裂缝段储层的预测与定位，裂缝形态与发育程度的估计显得至关重要。裂缝倾角、角度及开度的参数分析是缝洞型油气储层勘探开发中的一个难点和热点。目前也有露头测量或钻井取芯描述的直接方法，更有地震资料预测以及井孔声波或电成像等间接方法，其中声/电成像测井由于其对井周的高覆盖和高分辨率，近年获得愈来愈多的关注。文章针对电成像测井数据，研究了裂缝的图像特征，针对电成像测井图形采用Hough变换法进行裂缝检测并应用于实际数据，结果表明能准确检测正弦曲线状裂缝的位置并且可以计算裂缝的角度。
　　关键词：Hough变换;裂缝检测;电成像测井
　　中图分类号：P631.44 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0023-04
　　Abstract： As an important oil and gas storage space in the reservoir， the prediction and location of the reservoir in the fracture section and the estimation of the fracture shape and development degree are very important. The parameter analysis of fracture inclination， angle and opening is a difficult and hot spot in the exploration and development of fracture-cave oil and gas reservoirs. At present， there are also direct methods for outcrop measurement or drilling coring description， as well as indirect methods such as seismic data prediction and borehole acoustic or electrical imaging， in which acoustic/electrical imaging logging has attracted more and more attention in recent years because of its high coverage and high resolution around the well. In this paper， the image characteristics of fractures are studied according to the electrical imaging logging data， and the Hough transform method is used to detect fractures according to the electrical imaging logging patterns and applied to the actual data. The results show that the location of sinusoidal fractures can be accurately detected and the angle of fractures can be calculated.
　　Keywords： Hough transform; fracture detection; electrical imaging logging
　　引言
　　世界總油气储量丰富，中国的油气储量占世界储量一半以上，而碳酸盐岩储层中的油气产量占世界总油气产量的一半以上，因此，对碳酸盐岩的勘探开发应当格外重视。在碳酸盐岩地层中，裂缝分布广泛，作为油气的重要储层空间尤其还是流体的渗流通道，裂缝同时还控制着地层中溶孔溶洞的发育，了解地层裂缝的分布情况。对其发育特征的正确认识，十分有利于油气藏的勘探开发工作。
　　对储层裂缝的预测、识别方法，按照分类可以归纳为地质方法、地震方法和测井方法。识别裂缝时应当选择操作性好、准确率较高的方法。而测井方法是目前能得到的地质数据中分辨率最高、连续性最好的，它蕴藏的丰富信息，能够不同程度上反映地层的影响因素和形成条件。电成像测井得到是井孔井壁的电导率分布，与井壁附近的孔隙分布密切相关。井壁附近的缝洞中完全为泥浆滤液充填，使之与非缝洞段的电导率存在较大差异，因此，采用不同颜色显示井壁电导率像可以较好地指示缝洞分布。然而，如何从电成像测井的电导率图像提取裂缝分布的定量信息仍是一个十分必要的任务。目前，国内外开发了许多商业软件可用于测井裂缝的检测，比如斯伦贝谢的GeoFrame软件、哈利伯顿的DeskTop Petrophysics软件，国内的Forward、Logvison和Ciflog等，但受到国外软件价格昂贵、裂缝发育层段检测工作量大和人为因素等影响，如何精准快速有效的识别成像测井图像中的裂缝变得十分重要。
　　本文旨在建立电成像测井数据完全自动的裂缝识别与监测的方法，在包含图像噪声的情况下，Hough变换法能很好地自动检测出电成像测井中的裂缝，并且得到角度和倾角信息。
　　1 电成像测井中裂缝形态
　　全井眼地层微电阻率成像测井（简称FMI），它是一种高分辨率地层成像测井仪。FMI仪器上包括8个极板，极板上共有192个微电极，电极直径0.2英寸，电极间距0.1英寸，通过贴在井壁的192个纽扣电极对地层进行微电阻率扫描，可覆盖井眼面积达80%。在测量过程中，极板紧贴井壁，对井周扫描，得到地层的电阻率值，经过一系列处理，转换图像上清晰的黑白或者彩色的图像。当地下介质出现断层、裂缝、溶蚀孔洞等情况，电阻率测量值发生异常，在特殊的技术处理之后，FMI图像上就可以表现为白-黄-棕-黑的一种40级色度彩色图像。假如地层中的裂缝充填有泥浆滤液或者低阻矿物，那么成像图上就对应出现暗黑色条带，而充填的是高阻矿物（如方解石）则相反，表现为高亮条带。如图1所示为某碳酸盐岩井段电成像测井图像。 　　电成像测井过程中，当有裂缝存在时，井筒穿过裂缝则会形成一个椭圆截面，按照井壁垂直展开这个截面就是一条正弦曲线，如图2所示。如果将椭圆图像沿着正北方向展开，那么曲线的最低点就对应着裂缝的倾斜方位，而裂缝的倾角θ可以由公式（1）表示，其中A代表振幅：
　　 2 Hough变换原理
　　Hough变换是一種能很好适用于含噪信号的特征提取技术[1]。霍夫变换原理是，直角坐标系下的一条正弦曲线，转为极坐标系下表示，则变成一个点，这个点则代表了通过该点的所有线的集合。因此，寻找图像空间中的正弦曲线可以通过寻找参数空间中点来实现。
　　一条正弦曲线的方程可以写为：
　　其中，A为振幅，？棕为频率，？渍为相位，b为正弦曲线的基线。这就是正弦曲线的四个参数。这就是正弦曲线的四个参数，为了提高效率、节省储存空间，需要先确定b的值。之后再对曲线的幅度和相位参数做霍夫变换确定大小。确定基线位置的方法是，先在正弦曲线上选取一个点P0，坐标记为（x0，y0），之后选取距离P0点T/2处的另一个点P1，坐标为（x1，y1），有x1=x0+T/2，设P0P1的中点为C，则得到yc=（y1+y2）/2，而C点刚好位于该正弦曲线的基线上，即b=yc。
　　由此可以确定基线位置b的大小，之后曲线的未知参数就剩幅度A和相位？渍，我们开始Hough变换来提取这两个参数。
　　3 Hough变换法提取模拟裂缝
　　在图像中应用Hough变换的步骤如下[2-3]：
　　（1）确定用于整幅图像的滑窗的采样间隔;
　　（2）对每个窗口做Hough变换;
　　（3）在3D空间内找到累计最大值;
　　（4）从这些局部最大值中获取振幅和相位。
　　接下来，我们模拟了多条裂缝的识别，为了更好的模拟实际测井裂缝数据，在模拟过程中添加了随机噪音和空白带。
　　如图3所示，图3（a）中包含一条单独的裂缝与两条相交的裂缝，以及随机噪音，裂缝的参数分别如表1所示，图3（b）-（d）为Hough变换检测到的三条裂缝，三个亮点对应的横纵坐标分别表示三条裂缝的振幅和相位。
　　 从图3看起来Hough变换的结果令人满意，可有效地抵抗噪声干扰，接下来我们将此方法应用于实际电成像测井图像中。
　　4 Hough变换法检测电成像测井裂缝
　　选取某井FMI图像，采用上述Hough变换的方法提取裂缝的倾向与倾角。由于实际电成像测井图像不是二值图像，因此需要先进行一些预处理，在此不做赘述。最终计算结果如表2所示。提取检测到的三条有效裂缝。在原图像上对应如图4所示。分别为两条低角度裂缝和一条高角度裂缝。
　　图4（a）给出的成像测井图像源于某硬岩石环境下的一口井，钻井岩性变化大，从不同种辉长岩到辉绿岩都有。图4（b）显示了该层段存在3条裂缝。图4（c）显示了原始电导率图像和对应层段的钻井岩心照片合成。图4（d）给出了3个极坐标图，显示了自动裂缝分析的结果，同时也列于表2。
　　使用Hough变换自动检测裂缝的结果与之前专业人员检测得到的结果进行分析对比，二者结果差异均不大于10%，认为本次自动检测结果有效、可靠。
　　5 结论与建议
　　在以上过程中，我们使用Hough变换检测了模拟成像测井图像中裂缝以及实际电成像测井中裂缝，结果表明Hough变换法可有效地抵抗噪声干扰，成功检测到裂缝信息，此方法可使用于成像测井图像自动裂缝检测。需要注意的是，在实际资料处理中如果遇到裂缝的曲线不是完整正弦曲线的情况，可能会导致检测结果不够准确，此情况则要求测井施工人员在测井的过程中尽量保持井孔为圆柱形、尽量避免井眼坍塌。
　　参考文献：
　　[1]村上，伸一.Use of the Hough Transform to Detect Lines and
　　Curves in Pictures[C]// Commun. ACM 1972.1972：11-15.
　　[2]Antoine J N， Delhomme J P. Method To Derive Dips From Bedding Boundaries in Borehole Images[J]. Spe Formation Evaluation， 1993，8（2）：96-102.
　　[3]Ye S J， BavillerP. Automated Fracture Detection on High Resolution Resistivity Borehole Imagery[J]. Oil Well， 1998.
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