CN100383558C - 一种三维地震偏移成像的块追赶方法 - Google Patents

Abstract

一种通过提出的简便算法将得到的地震反射波数据进行计算，准确地确定油井或其它地下资源最佳位置的方法。把二维计算中的正定三对角系数矩阵的追赶法推广到三维分块三对角系数矩阵的分裂逼近中，实现了对三维地震数据的快速准确的波场外推处理，把三维有限差分法偏移成像处理技术真正用于勘探工业生产。本发明在数据处理过程中完全保持波场传播的圆对称性，使最终成像精度得到可靠保证，计算效率比传统方法提高许多。

Description

一种三维地震偏移成像的块追赶方法

技术领域

本发明属于勘探地球物理领域中地震偏移成像方面所研究的课题，地震勘探数据是通过现场仪器设备记录到磁性介质并且在地震数据处理软件平台中形成图像，本发明提出一种的简便计算方法对地震反射波数据进行偏移成像处理计算，为了解地下介质结构从而准确地确定勘探井位或其它地下资源所处位置提供了一种的切实可行的可靠方法。

背景技术

利用地震反射波数据资料对地层结构进行成像是地震勘探的核心技术之一。这种称为偏移成像(migration imaging)的技术，很像医学中的CT成像，但是其复杂程度却是难以类比。地震偏移成像的困难在于：资料数据量特别大；信号源不确定；介质结构复杂；地震波传播中干扰噪声强大，绕射、屏蔽、吸收等无法掌握的不利因素都对最终成像精度产生坏的影响。与此同时，就成本而言，一口勘探井的工业投入一般达到数千万圆人民币。因此工业上总是要求快速准确的偏移成像成果，作为部署勘探方案、确定井位的依据。因此三维地震偏移成像技术的进步是期待已久的，在地球物理学领域，从理论到工业应用是长期以来受到普遍关注、吸引了大批优秀科学家和工程技术人员来从事这方面的研究。

近二、三十年来，借助于计算机技术的迅猛发展，在专门用于地震资料处理大型计算机系统或网络机群上已经建立了不少各具特色的软件平台，这是能源工业勘探中必不可少的基本的常规信号处理工具。但是，任何一种平台都迫切需要提高偏移成像处理的速度和精度，目前还没有一种平台是令人满意的，大批的技术力量在致力于研究开发新的方法。当前，受到普遍重视的是三维隐格式有限差分偏移方法，这种方法的优点是：适应地下速度的横向变化，精度高；缺点是计算量太大。

1、数据量问题：对于10km×10km的叠后数据资料，如果线距和CDP间距为25m，采样间隔为4.00ms，那么在每个时间点上的数据达到400×400＝160000个，在这个时间点上需要求解的方程阶数为160000×160000，对于记录长度为6秒的资料需要求解上述阶数的方程3000-6000次。

2、计算效率问题：由于数据量大，计算繁杂，通常已知的求解方法无法胜任。现有的计算理论一般只研究一次或几次求解的算法。但是对于一块很小面积的三维地震数据却需要数千次地求解阶数如此巨大的方程。这其实已经不再是效率和成本的问题了，而是有没有工业应用的前景问题了。

3、方向畸变问题：由于波场外推过程中数千次，使用已算出的数据，如果处理中不能控制好畸变，那么误差的传递积累，足以使得最终成果毫无实际意义。。

长期以来，人们期待的是快速准确的计算技术，计算技术方面的问题解决了，成像方面的问题也就变的非常简单。现有已知的计算技术中分裂求逆是比较常用的，大致有交替方向隐式(ADI)法也称为沿X-Y方向分裂(Brown，1983等)、基于螺旋边界的降维LU分解(Rickett and Claerbout，1998)。后者是一种非线性方法，计算中无法避免混沌现象，边界处理也有问题。方向畸变问题主要是由于方向分裂算法产生的，由于方向分裂算法十分快捷所以一直被沿用着，但是方向畸变问题却几十年来都没有地解决，在外推过程中由于圆对称性被破坏，无法克服的方向畸变使最终成果被歪曲。在后面的图例和应用例，将给出具体说明。

发明内容

1、发明目的：本发明把二维计算中的正定三对角系数矩阵的追赶法推广到三维分块三对角系数矩阵的分裂逼近计算中，其主要目的在于解决现有的地震偏移成像领域中所存在的计算量大、精度差、无法避免混沌现象及无法克服方向畸变等方面存在的问题。

2、技术方案：本发明给出一种使用三维地震偏移成像的块追赶方法的提高地震数据处理精度的方法，具体的处理技术是按下列步骤进行：

一种提高地震数据处理精度的方法，其包括首先采用常规手段采集地震勘探数据，然后对采集到的地震勘探数据使用三维地震偏移成像的块追赶方法处理；所述三维地震偏移成像的块追赶方法按下列步骤进行：

a、首先将有限差分法偏移的波场外推方程的系数矩阵做定点的块LU分解：

分解前矩阵为

其中T_k，E_K为子块矩阵，T_k为三对角矩阵，E_k为对角矩阵，作块两对角分解，就有A＝LL^T，其中L为块下三角矩阵，具有如下块两对角形式：

块下三角矩阵L的主对角线上为对称正定三对角矩阵L_k，k＝1，2，…，n，主对角线上非零矩阵的左侧除相邻列有非零块矩阵之外，其余位置为零矩阵；L^T为L的转置矩阵；

b、对称正定块三对角矩阵的计算：

递推使用Cholesky分解计算分块矩阵L：

$L_k{L}_k^T=T_k-E_k{L}_{k-1}^{-T}{L}_{k-1}^{-1}{E}_k,k=\mathrm{2,3}\·\·\·,n,$

对上式进行分块逐行递推计算，循环使用存储单元；

c、稀疏化处理：

利用上面的Cholesky分解计算Lk时，对L_k-1 ^-1采用了稀疏化处理，使用下三角矩阵求逆的递推算法在逆矩阵中远离主对角线的元素在主对角元占优时绝对值迅速变小，同时E_k的元素的绝对值也远小于主对角元绝对值，利用这种严格单调地绝对值递减规律，大幅度地简化计算；

d、分块计算时，把三维的问题降为二维，在其中使用非常快捷常规的追赶法计算；

e.使用上述步骤中所描述的块追赶法计算方法，通过选定合适的步长等一些参数，可得到精度较高的计算结果和较为精确的地下介质结构的图像；

f.通过得到的计算结果和地下介质结构的图像，为部署勘探方案确定钻井井位或勘察其他矿产资源提供可靠依据。

3、优点及效果：本发明为解决长期困扰勘探地球物理工业界的三维地震偏移成像精度问题，把二维计算中的正定三对角系数矩阵的追赶法计算技术推广到三维分块三对角系数矩阵的分裂逼近中，这是传统的分裂逼近技术中没法实现的一种新方法。本方法实现了对三维地震数据的快速准确的波场外推处理。把三维有限差分法偏移成像处理技术真正用于勘探工业生产。此前由于要么是计算量过于巨大已至于没法承受，要么是波场外推中产生畸变，使有限差分法三维偏移长期停留在理论研究的状态。本发明在数据处理过程中完全保持了波场传播的圆对称性，使最终成像精度得到可靠保证，又由于计算效率比传统方法提高许多，计算成本是工业中可以接受的。本发明为勘探地球物理工业解决了一个长期的技术难题。实际应用中已经能够证实，所采用的计算方法在辽河油田计算所实施中具有明显的技术效果和显著的经济效益。

附图说明：

附图1为三维地震偏移方法的分类图；

附图2为针对波场外推算子圆对称性畸变所作的各种校正图；

附图3为CG偏移的脉冲响应图；

附图4为波场外推圆对称性效果图；

附图5为另一波场外推圆对称性效果图；

附图6为本发明的波场外推圆对称性效果图；

附图7为0351线偏移前叠加剖面图；

附图8为0351线偏移效果图；

附图9为另一0351线偏移效果图；

附图10为本发明的0351线偏移效果图；

附图11为三种0351线偏移效果对比图；

附图12为0381线偏移效果图；

附图13为另一0381线偏移效果图；

附图14为本发明的0381线偏移效果图；

附图15为三种0251线偏移效果对比图。

具体实施方式

本发明主要是通过快速准确的计算技术，将地震反射波数据资料进行计算，然后对得到的数据结果通过地震数据处理软件平台中形成图像，从而准确地完成了对地层结构的勘探工作。现有的三维偏移成像方法有很多种，见附图1所示。但对于地震勘探形成地层结构的图像却很难做出来，主要是由于计算量过大、计算中无法避免混沌现象，边界处理也有问题等方面的原因。目前较常采用的计算方法有交替方向隐式(ADI)法和螺旋边界非线性降维LU分解法，螺旋边界非线性降维LU分解法在计算中总出现混沌现象，附图2、3、4、5就采用了交替方向隐式(ADI)法形成的图像。附图2为针对波场外推算子圆对称性畸变所作的各种校正，资料中采用9点、13点、17点、25点和六角形McCllalen变换。附图3为外国软件CG软件偏移的脉冲响应，从图中可以看出偏移的噪声严重。附图4为外国软件CG偏移的脉冲响应水平切片，从图中可以看出圆对称性明显畸变，偏移噪声严重。附图5为软件GR偏移的脉冲响应水平切片，从图中可以看出圆对称性明显畸变，偏移噪声严重。下面通过实施例对本发明做近一步说明：

实施例：对于10km×10km的叠后数据资料，采用线距和CDP间距为25m，采样间隔为4.00ms，将得到的数据可以形成波场外推方程的系数矩阵如下：

a、首先将有限差分法偏移的波场外推方程的系数矩阵做定点的块LU分解：其中T_k，E_K为子块矩阵，T_k为三对角矩阵，E_k为对角矩阵，作块两对角分解，就有A＝LL^T，其中L为块下三角矩阵，具有如下块两对角形式：

下三角矩阵L的主对角线上为对称正定三对角矩阵L_k，k＝1，2，…，n，主对角线上非零矩阵的左侧除相邻列有非零元之外，其余位置为零矩阵；L^T为L的转置矩阵；

b、对称正定三对角矩阵的计算：

为了计算分块矩阵L，本方法递推地使用Cholesky分解：

$L_k{L}_k^T=T_k-E_k{L}_{k-1}^{-T}{L}_{k-1}^{-1}{E}_k,k=\mathrm{2,3}\·\·\·,n,$

对上式进行分块逐行递推可以大幅度节省存储空间，因为计算只涉及k-1，k两个参数，因此可以循环使用存储单元；

c、稀疏化处理：

利用上面的Cholesky分解计算L_k时，本方法对L_k-1 ^-1采用了稀疏化处理，由下三角矩阵求逆的递推算法表明逆矩阵中远离主对角线的元素在主对角元占优时，是绝对值迅速变小的，同时E_k的元素的绝对值也是远小于主对角元绝对值的，利用了这种严格单调地绝对值递减规律，大幅度地简化了计算；

d、在嵌入到地震数据处理软件平台中的软件模块中，使用上述的块追赶计算方法，通过选定合适的步长等一系列参数，即可得到精度较高的图像。

附图6所示的图像为模型数据，从图中能够清楚的看出其严格保持圆对称性，没有偏移噪声。附图7为0351线偏移前叠加剖面。附图8为CG软件0351线偏移效果图，从图中可以看出右侧圆圈处很差，可见到横斜两组同向轴交叉，左侧圆圈处略有改进。附图9为GR软件0351线偏移效果图，从图中可以看出左侧圆圈处高角度反射出现偏移假象。附图10为本发明块追赶法的0351线偏移效果图，从图中可以看出两个圈出部位的形态清楚，效果明显。附图11为三种0351线偏移效果对比图，左边是GR软件成像效果图，中间为块追赶法成像效果图，右边是外国软件CG成像效果图，通过比较可以看出中间图像纹路清晰，成像效果明显好于左、右两图像的成像效果。附图12为GR软件偏移结果，图像中圆圈部位看不到断层痕迹。附图13为CG软件偏移结果，图像中圆圈处未见到断层特征。附图14为本发明的块追赶法的偏移结果，图中可以看出圆圈处可见到断层特征。附图15为三种0251线偏移效果对比图，左边是软件GR形成的图像，中间是块追赶法形成的图像，右边是外国软件CG形成的图像，从图中可以看出矩形框内中间图像的对称性明显优于两边的图像，成像效果明显好于左、右两边的图像。

这里需要说明一点，在资料处理的实践中，地层的声波速度、道间距，CDP间距，外推步长的选取，也对本方法的计算效率有一定影响。我们已经掌握了一整套控制误差提高计算速度的方案。外推方程的系数矩阵总是主元占优的。如果在采集和予处理阶段作出恰当的处理，比如通过道内插，或适当地简化地层声波速度的分布模型，将会使计算效率得到一定程度的提高。

通过本技术方案的实施，地震资料偏移成像成果能比较准确的反映地下介质的构造，为部署勘探方案确定钻井井位或勘察其他矿产资源提供可靠依据。

Claims (1)

1.一种三维地震偏移成像的块追赶方法，为一种提高地震数据处理精度的方法，其包括首先采用常规手段采集地震勘探数据，然后对采集到的地震勘探数据使用三维地震偏移成像的块追赶方法处理；所述三维地震偏移成像的块追赶方法按下列步骤进行：

a、首先将有限差分法偏移的波场外推方程的系数矩阵做定点的块LU分解：

分解前矩阵为

其中T_k，E_K为子块矩阵，T_k为三对角矩阵，E_k为对角矩阵，作块两对角分解，就有A＝LL^T，其中L为块下三角矩阵，具有如下块两对角形式：

块下三角矩阵L的主对角线上为对称正定三对角矩阵L_k，k＝1，2，…，n，主对角线上非零矩阵的左侧除相邻列有非零块矩阵之外，其余位置为零矩阵；L^T为L的转置矩阵；

b、对称正定块三对角矩阵的计算：

递推使用Cholesky分解计算分块矩阵L：

$L_k{L}_k^T=T_k-E_k{L}_{k-1}^{-T}{L}_{k-1}^{-1}{E}_k,k=\mathrm{2,3}\·\·\·,n,$

对上式进行分块逐行递推计算，循环使用存储单元；

c、稀疏化处理：

利用上面的Cholesky分解计算L_k时，对L_k-1 ^-1采用了稀疏化处理，使用下三角矩阵求逆的递推算法在逆矩阵中远离主对角线的元素在主对角元占优时绝对值迅速变小，同时E_k的元素的绝对值也远小于主对角元绝对值，利用这种严格单调地绝对值递减规律，大幅度地简化计算；

d、分块计算时，把三维的问题降为二维，在其中使用非常快捷常规的追赶法计算；

e.使用上述步骤中所描述的块追赶法计算方法，通过选定合适的步长等一些参数，可得到精度较高的计算结果和较为精确的地下介质结构的图像；

f.通过得到的计算结果和地下介质结构的图像，为部署勘探方案确定钻井井位或勘察其他矿产资源提供可靠依据。

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