地震参数解释的模式识别法.pdf

1 9 9 4 年4 月 石 油地球幽 理 撑 第2 9 卷 第2 期 f 4b f 0 地震参数解释 的模 式识别法 曹 辉(埘 吾 鬲 研 究 所)摘 要 1p 曹辉 地震 参数 解释 的模 式识 别 法 石 油地 球 物理勘 探，1 9 9 4，2 9(2)：1 4 0 1 4 6 H 应用模式识别方击对地震每赫进哥分类与评判的过程太体上百分为三步：学习；聚类；和 评 判。方 法的主 要特 点是 通过 对 已如 类别 群 本 的学 习建 丑 隶属 函数，并碍 其作 为分 类器 对未 知类别 样盘 的聚 类娉果 进暂 评判，从而使 地震 参 教能 直 地 豆哦 出地质 等 孽 文 中舟绍 了方；击的愿理 及其 宴现 过程 对宴 际地 震参 赫 的识别表 明，该 方 莹是 一种切 要 可行 的 地 震参 数解释 方 法，可作 为地 震资 料定 量解释 的 一种 有效措 施。一 主题 词 4 学 习 模 蝴 聚粪隶属 函数定量解 释制他 霰觳 巩 圯 氍 劫 撑 ABS TRACT Ca o H a1 A p a t t e r n r e co g ni t i o n me t ho d f or s ei s mi c pa r ame t e r i nt e r pr e t at j 0 OGP，1 99 4，2 9(2)：l 4 0 1 4 6 Ge n e r a l l y s p e a k i n g，t h e p r o c e d u r e f o r u s t o u s e p a t t e r n r e c o g n i t i o n me t h od t o d o c l a s s i f i c a t i o n a nd e v a l u a t i o n o f s e i s mi c p a r a me t e r s i n c l u d e s t h r e e s t e p s：l e a r n i n g，c l u s t e r i n g a n d e v a l u a t i o n Th e me t h o d i s ma i n l y c h a r a c t e r i z e d b y l e a r n i n g t h e k n o wn c l a s s s a mp l e s t o f o r m a me mb e r s h i p f u n c t i o n wh i c h i s t h e n t a k e n a s a c l a s s i f i e r t o e v a l u a t e t h e c l u s t e r i n g r e s u l t o f t h e u n k n o wn c l a s s s a mpl e s，t h u s c a u s i n g s e i s mi c p a r a me t e r s t o r e f l e c t v i s u a I g e o l o g i c a l i n f o r ma t i o n s Th e p a pe r d e s c r i b e s t h e me t h o d i n p r i n c i pl e a n d i t s p r o c e d u r e Th e p a t t e r n r e c o g n i t i o n o f r e a l s e i s mi c p a r a me t e r s p r o v e s i t a g o o d s e i s mi c p a r a me t e r i n t e r p r e t a t i o n me t h o d，wh i c h c a n b e c o n s i d e r e d a s a n e f f e c t i v e me a n s f o r qu a n t i t a t i v e s e i s mi c i n t e r p r e t a t i o n S u h j ect h e a di n g：p a t t e r n r e c o g n i t i o n 1 e a r n i n g，f u z z y c l u s t e r i n g，me mb e r s h i p f u n c t i o n q u a n t i t a t i v e i n t e r p r e t a t i o n，e v a l u a t i o n 引 言 地 震资料 的正确 解释是地 震勘探成 败的关键。随着油气勘探的不断发展，勘探 对象变得越 来越复杂，解释员需处理的数据量 以及参数 种类 也越来越多 以往那种仅 用地震资料作远景 区 Ca o Hu i，Oi l Ge o p h y s ka E x p l o r a t i o n I n s t i t u t e，Mi n i s t r y o f Ge o l o g y a n d Mi n e r a l s，No 2 1 W e i g a n g Na n)i n g Ci t y J i a n g s u P r o v i n c e，P o s t c o d e：2 1 O 0 l 4 本 文于 1 9 9 3年 5月 2 4日收到，修 改稿于 同年 8月 5阿收到 l 维普资讯 http:/ 第 2 9卷第 2期 曹 辉：地震 参数 解释 的模 式识 别 法 构造 图的作 法 已经跟 不上技术 发 展的需要，必须 另辟 蹊径 特 别是要 寻找和 研 究定量 解释方 法 然而，由于地下地 质 条件 的复 杂性 以及 地球 物理 反问题的非唯一性，地 震资料解释结果的 正确与否，始终是勘探学 家们争论 不休的问题。近期推 出并 得以迅速 发展的模式识别技术在地 震 资料解释 中已得到广泛应 用，并逐步显示 出其 优越 性。例如 B o i s(1 9 8 0)用 自回归模式识 别 方法 由地震剖面 固定油气边 界；何宝侃等(1 9 8 8)应用统计模式识 别方法 进行油气检测；张小平 等(1 9 9 0)应用模糊数学方法识别 含油气地 震反射异常等。此外，还有许多勘探学家 用模 式识 别 技术进行地震相解 释和 井中参数评价 等等。模式识别 技术之所以能在地震资料解释 中得 到广泛应 用，完全是 由方 法本身 的特 点决 定 的。许多论文的作者简单地将模式识别学称 为数量(数值)分类 学。但严格说来，它并不是简单 的分类学，而是一种借助 于大量 信息和经验进行逻 辑推理 的方法，方法 中包括对 系统 的描 述、理解与综合 模式识别的高级阶段是通过大量信息对复杂过程进行学习、判断和寻找规律(王 碧泉等，1 9 8 9)。不难看出，这些特点与当今地震资料解释的特点相一致。本文应用模式识 别方法对地震参 数进行分类 与评判，从而达到 识别 目的层含气情 况的 目 的 方法共分三步：学习；(模糊)聚 类；预测(或评判)。其 主要 特点是通 过对 已知类别样 本 的学习建立隶属函数 并将 其作为分类 器对未知类别样本 的聚类结果进 行评判，从而使地震 参数能直观地反映 出地下地质信息。文中应用该方法对实际反射地震 参数进 行了识别，以隶 属 度 的形式确定 出地震参数 所反 映的岩层 类型。其 结果 表明，这是一 种有效 的、切实可行 的地 震 参数解释方法 方法原理 学 习 对已知类别样本(学 习样本)进行分类，以确定分类器的过程称为学习(王碧泉等，1 9 8 9)。设共有 M 个 已知样 本可供利 用，每个样本有 个 特征值，用(一1，2 ，M；一1，2 ，)表示 第 个样本 的第 J个特征值。利用隶属函数的统计算法(贺仲雄，1 9 8 3)求 出已知样 本特征 的隶属函数，并将其 作为分类器。对 进行分组 现假设分为 L组，并设第 k组中 所 占的频数 为：J (=1，2，L)，则相对频数(隶属函数)为(k 一 1，2，L；J一 1 2，)(1)rai n +(一 1)户 i rai n 一 k&r”1 I M t I 为组间增量 将 归一化后，得(，一 (五 一1 2，L；J l 2，)1 即为所求 的隶 属函数。模糊聚类 应用模糊数学 对样本进行分 类的方法称为模糊 聚类。一 尼 满 声 中 其 维普资讯 http:/ 石 油 地 球 物 理 勘 探 设 y一 ，“，1 是 维 空间 R 的样本 向量 集，任意样本 向量，为 y，一(L，Y)R”其 中 Y，(1 2，m F j=1，2，)是第 i 个样本的第 J个特征值 式 中 T表 示矩 阵的转置。数 据 归 一 化 将数据 Y 压缩到 0，1 闭区间，得 一rai nY 慧(=1，2，m；J 一1，2，)(3)模糊 相似(异)关系 对归一化后的数据：进行相关、相异运算。利用夹角余弦与欧氏距离法(贺仲雄，1 9 8 3)分 别计算相 似系数矩 阵 R一(r )和相异系数矩 阵 D一()。其 中 rl J=k=1=：(=1，2，；J一 1，2，m)(4)i#摩(=12，；J 一 1，2，m)(5)R一()为模糊相似关系矩阵；D一()为模糊相异关系矩阵。模糊等价 关 系 为 了进行聚类，R与 D必须满足下列等价关 系：(1)自反性r 一 1，一0(一 1，2，)；(2)对称性r 一r J I 1，一(，=1，2，)；m m (3)传递性 V(，)“，(幽 V如)(，矗 一1，2，)其中 V、分别为取大、取小运算。上述建立的模糊矩 阵R与 D 已满足条件(1)和(2)，但不一 定满足 条件(3)。为此，可用合成运 算方 法对 它们进行 改造，于是有 R 0)一R。R R 0 一R。R：R“一R。R 直至 R 一R 一R 一-。则 R 即为模糊等价关 系矩 阵。同理，可得模糊等价关系矩 阵 D。对 于 R，有。R 一 R。R=V(r )(，一 1，2，m)(6)对于 D，有 D 一 D。D=V(A )(k一 1，2，)(7)为方 便起见，仍将模糊等价关 系矩 阵记为 R，而模 糊相异关 系矩阵记为 D。维普资讯 http:/ 第 2 9 卷第 2 期 曹辉：地震 参数 解释的 模式 识别 法 模 糊 聚 类 选择 水平截集 方法 进行 聚类。对任意 o，1 ，令 RJ=(2 r )，其 中 一 (8)【0 (r )评判 应用分类 器对 未知样本 的特征值进行分类称为评判(王碧泉等，1 9 8 9)。设样本可分为 k类，且每个样 本共有 m 个特征值。若某样本的第 i 个特征属于第 J类的隶 属度 为 0=1 2，m；=1 2，)，则矩阵 I 】2 z】22 1 2 称单因素(特征)评判矩阵。又设 该样本 第 i 个特征的权重为 则权 向量 W-(，。，)与矩 阵 的合成 C 一()一 W。一(w)。(肛)0 1，2，；一 1，2 ，)(1 0)称为综合评判矩阵。其 中=v()(，一 l，2 t )(1 1)应用实例 某研究区已发现工业性气流。但该区地质构造复杂，区内目的层横向上岩相、岩性变化大，纵向上又多为砂 泥岩薄互 层；气层多 而且这 些气层既与构造有关，又与岩性 有关，给天 然气 的 进一步勘探带来很大困难。笔者的研究目的是应用地震参数对区内目的层砂岩的含气情况进 行判别。下面 给出应用振幅、频率、频 带宽度等反射地震参数对其 中一组砂层进行判别 的过程 及所获得的结 果。判别 过程如下。(1)学 习 层位标定首先利用井 中资料对实际地震 剖面 的层 位进行 标定。将合 成地震记 录与实际 地震记录(自激 自收)进行 时深转换后 与钻井岩柱进行 对 比分析 即可实现层位标定 由于 该区砂层一般很薄，因此，笔者对其进行 了综 合与简化。图 1 是 某井的标定结 果，其 中图 1 a 是 简化后的层速度模型；图 1 b是模 型地 震记 录；图 1 c是合成地 震记录；图 1 d是实 际地震记录。对 区 内可供利用 的井中资料重复上述过 程 便完成 了全区过 井(或 井旁)地震剖面 的地质 层位 的标定工作。地震 参数 计算在 层位 标定的基础上，由实测过井 地震道 算出不 同岩层反射 地震参数 的 特 征值。笔者在现有条 件下。只选用 了振幅、频 率和频带宽度三种参数。如果 区内可供利用 的 维普资讯 http:/ 石 油 地 球 物 理 勘 探 a J 【b)c，d 囤 l 用台 成地 震记 录进行 屡位 标 定(a)层速 度模 塑；(b)模型记 录：(c)台成 记录；(d)过 井宴际记 采 2 类，样本 4、9、1 0属 于第 3类。葚 獬 l 群 睡 描 井 中资料较 少，则可 以在那些 井旁 地震记 录 特 征 与过 井 记录 特征 相 近 的剖 面 上 多选 几 道，以增加 已知样本 的数量。也 可以选择 那些 受两 口井以上控制的井 间地震道 来增加 已知 样本的数量。隶属 函数 的计算选 择区 内三种具有代 表性 的 砂岩、含气砂 岩 与砂泥岩 作 为 已知类 别，用式(1)、(2)分 别 求 出 模 糊 集“砂 岩 参 数、“含气砂岩参数”与“砂泥岩参数”的隶 属 函数。求得 的三 种 已知类 别参数的隶属函数 如 图 2、3、4所示。其 中图 2是砂岩振 幅、频率 与频带宽度的隶属函数；图 3 是含气砂岩的 结果；图 4是砂 泥岩的结 果。(2)聚类 计算 出待 识别砂 层 的参 数特征 值，并对 它们进行聚类。表 1是其 中 1 0个样本 的聚类 结果。由表 1可见，l o个样本 被分 为三 类 样 本 1、3、5、6、8属于第 1 类，样本 2、7属于第 鞭 率 Hz (b 图 2砂岩参 数特 征值 的隶 属 函数 曲线(a)振幅；(b)频 率；(c)频带 宽度 额竟 Hz 顿 率 Hz b)图 3古气砂 岩参 数特 征值 的隶 属 函数 曲线(a)振 幅；(b)领事 l(c)频带 宽度 赣 宽 F I z 维普资讯 http:/ 第 2 9卷第 2 期 曹辉：地 震参 数解 释 的模 式识 别法 茸 描 世 障 描 频率 Hz b)图 4 砂 泥岩 参数 特 征值 的隶 属函 数曲线(a)振 幅 (b)额率 c)颇 带宽 度 表 l 某砂 层 l 0个 样本 特征 值 的聚粪 结果 频宽，Hz 样 样本特征值 类 古 号 振 幅 频 率 频 带宽度 归一化 振幅 归一 化频 率 归 一 化带宽 别 l 1 074 0 7 0 4 1 86 D 29 0 78 00 0 l 2 576 3 46 4 298 O 00 0 00 0 6 7 2 3 111 3-0 77 3 255 0 32 1 00 04l l 4 2 26 5 0 681 285 1 00 0 70 05 9 3 r 0 1 28 2-0 70 6 26 2 O 42 O 78 0 4 5 l 6 89 9 4 68 7 20 5 019 07 2 0 11 l 7 76 3O 498 35 4 0 11 01 1 1 00 2 8 1 0 7 3 O 71 8 1 9 1 0 2 9 0 8 2 0 0 3 l 9 2 270 0 679 27 4 1 00 07 0 0 52 3 1 0 21 7 O 0 6 2 0 21 6 O 9 4 0 5 0 0 1 8 3 (3)评判 下面用隶 属函数对上述各类样本进行评判。首先进行 单因素评判。从每类 中任意抽取一 个样本，例如，抽取第 1类 中的样本 5、第 2类 中的样本 2、第 3类 中的样本 9，分 别求出它们属 于上述三个 已知类别 的隶 属度 即完 成 了单因素评 判。单固素评 判结果 见表 2。表 2样本 5、2、9的单 因素 评判 结果 隶 属 度 样 类 本 砂 岩 含气砂 岩 砂泥岩 号 别 振幅 频率 l频带宽度 振幅 频率 频带宽度 振幅 频率 频带宽度 5 0 3 0 8 I 0 9 0 9 O 9 0 5 0 9 0 8 l 0 2 0 3 O 8 0 9 O 3 0 9-2 0 1。9 i 0 9 03 O9 09 01 5 9 0 8 3 9 0 9 由表 2可知，这 三个样本 属于三个 已知类别 的隶 属 度除振幅相 差 明显外，频率、频带 宽度 的差别都很小。这可能是因为区内反射地震频率、频带宽度主要受薄互层的影响，而与其它因 素(如岩性特征)的关 系较小 的缘故。事实上，从 上述 已知类别 岩层参数特征值的隶属函数也可 以看出，除振幅外 三 者的频率 与频 带宽度均有较大 的重叠 区，是个较差的分类器。据此，并结 合 专家 知识，给出综台评判 中振幅、频率 与频带宽 度的权重分别 为：0 8、0 1、0 1 这 样+样 本 5 的综合 评判结果是 维普资讯 http:/ 石 油 地 球 物 理 勘 探 Ct W“一(0 8 0 1 日=(O 3 0 8 0 5)=(O 1 8 0 5 0 3 2)同理，可得样本 2、9的综合 评判结果，即 CE 一(O 0 9 0 1 8 0 7 3)=(O 6 6 0 2 5 0 0 9)可见，样本 5属于含气砂岩的 可能性最大(0 5)，样本 2属于砂泥岩的 可能性最大(o 7 3)，丽样本 9 属 于砂岩 的可能性最 大(0 6 6)。因此，可以认为样本 5、l、3、6、8均属 于含气砂岩，样 本 2、7属 于砂 泥岩，而样本 9、4、l 0 均 属于砂岩。然后，对 砂层所有样本的特 征值进行 聚类，并 对聚类结果进 行评 判，便完成 了对该砂层 含气情况 的识别 过程。结束语 本文应用模式识别方法对反射地震参数所包含的地质信息进行识别。对实际资料的试算 表 明，它是一种切实可行的定量地震解释方法。其主要特点是通 过对 井 中已知样本的学 习，建 立不同岩层特征值的隶属函数，并将其作为分类器对未知样本特征值的聚类结果进行评判。笔 者采用 统计法求隶属函数，要求有足够的 已知样本。然而，实际情况通常 并非如此，此时，采用 其它方法，如专家知识法等也能给出分类器。但这种分类器带有较强的主观性，会影响识别效 果，甚 至导致错误的识别，而统计 法则能有效地减少此类错误 的发 生。例如，在本次识别试验 的 开始，共选择了振幅、频率、频带宽度三种参数作为不同岩层的分类器，但通过学习使我们了解 到只有振幅的分类性较强，而频率、频带宽度有很大的重叠区，分类性较差。它们所反映的信息 可能是其它因素，如薄 层效应 等，而 与层中岩性关 系甚小 根据这一结果，我 们就可在综 合评 判 中给频率和频带宽度赋以较 小的权 重，而给 振幅赋较 大的权重，以提高识别的可 信度。赵改善先生提供了地震参数提取软件，陈伟先生和谢风兰女士在参数提取中给予了帮助，在此表 示衷 心感 谢。参考文献 L Bo i s P Au协 r e 窖 r e s B i v e p a t t e r r e c o g R(t i o n a p p l i e d t 0 t h e d e t i mi t a t o n o f o 1【a n d g a s r e B e f v o 证s-G,o p h y s i c al Pr o s p e c t i n g l 9 8 0,2 8(4)：5 2 7 59 2 何宝侃，汤磊 油气检测的统计模式识别法 中国南方油气勘查新领域探索论文集，地质 出版社，l 9 8 8 t l 3l 1 3 5 3 张 小平，向鼎璞，吴 太 奎 模 糊 数学方 法在 非背 斜油 气藏 地震 勘探 中的应 用 石油 地球 物理 勘 探，9 9 0，2 5 (8)：7 2 6 7 3 3 4 王碧 泉，陈祖 荫 模 式识 别 理 论、方法 和应 用，地 震出版 社，1 9 8 9 5 贺仲雄 模期数学 及其应用，天律科学技术出版社，1 9 8 3 3 8 8 O 0 0 D 0 维普资讯 http:/