CN104749631A - 一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，包括根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；利用剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；利用非线性迭代算法求解速度模型；返回执行，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。本发明还公开了一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置。通过本发明的技术方案，可以快速反演出偏移速度模型，并且可以减少多解性，在大规模地震速度建模应用中具有良好的应用价值。

Description

一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法及装置

技术领域

本发明属于勘探地震技术领域，涉及一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，本发明还涉及基于稀疏反演的偏移速度分析装置。

背景技术

地震叠前深度偏移结果对速度模型敏感性强，使得基于偏移数据的速度分析方法成为速度建模的一种有力工具。近年来，随着复杂地质构造成像精度的不断提升，偏移速度分析在地震勘探领域所体现的价值越来越重要。从反演理论的角度来看，偏移速度分析是一个非线性反演问题，通过叠前深度偏移和速度分析两大步骤相互迭代更新弹性参数。由于在每次偏移速度分析迭代过程中，都需要在叠前深度偏移剖面上拾取反射界面倾角、在共成像道集上拾取剩余校正量等作为反演的输入数据。因此，偏移速度分析是一项很耗时、耗力的处理过程。

在实际应用中，偏移速度分析模型大都是利用最小二乘构建的目标函数，往往使得反演结果稳定性差且具有多解性，并且该求解过程通常采用线性共轭梯度法数值求解，存在迭代不足或迭代过度的缺点。本发明通过引入L2范数和非光滑范数L1范数构建了新的最优化稀疏模型，能够以更少的迭代次数达到较好的收敛效果，并且反演获得的速度模型误差较小，具有一致收敛性，从而提高了偏移速度分析效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，该方法基于稀疏优化反演算法，充分考虑了地下介质的物理特征，从而形成了一种专门偏移速度分析技术，该技术考虑了非光滑特性，因此反演模型分辨率高，并且可以快速逼近真实模型，大大减少人工作业强度。

本发明的另一目的是提供了一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置。

本发明所采用的技术方案是，一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤101，根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；

步骤102，拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；

步骤103，利用剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；

步骤104，利用非线性迭代算法求解速度模型；

步骤105，返回执行上述共成像点道集生成、拾取、模型构建与求解步骤，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。

本发明所采用的另一技术方案是，一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，包括共成像点道集生成单元，用于根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；

剩余深度拾取单元，用于拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；

稀疏反演模型构建单元，用于利用所述剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；

模型非线性求解单元，用于非线性迭代算法求解速度模型；

模型更新迭代单元，用于返回执行上述包括共成像点道集生成、拾取、模型构建与求解步骤，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。

本发明的有益效果是根据本发明技术实施例的技术方案，利用L2光滑范数和L1非光滑范数建立稀疏反演模型，该模型一方面通过L2范数拟合实际数据，另一方面通过非光滑L1范数约束减少多解性。在目标函数求解过程中，采用非线性迭代算法，该求解方法具有全局收敛性，并且是一种正则化方法，因此，在大规模地震速度建模应用中具有良好的应用价值，在经济效益方面，本发明公开的技术方案可大大释放人工劳动力，缩短速度建模周期。

附图说明

图1是偏移速度分析方法流程图。

图2是装置结构框图。

图3是实施例的方法流程图。

图4为本实施例利用初始模型获得的叠前深度偏移结果图。

图5为本实施例最终叠前深度偏移结果图。

图6为本实施例偏移速度模型图。

图7为本实施例迭代过程中共成像点道集内同相轴变化情况图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤101，根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；

步骤102，拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；

步骤103，利用所述剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；

步骤104，利用非线性迭代算法求解速度模型；

步骤105，返回执行上述步骤，包括共成像点道集生成、拾取、模型构建与求解步骤，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。

在步骤101中，共成像点道集生成方法，依据克希霍夫叠前深度偏移实现，其中走时表计算由射线追踪得出。

在步骤102中，共成像点道集中同相轴剩余深度拾取方法，通过相似性扫描获得；

在步骤103中，偏移速度分析稀疏反演模型，通过L2光滑范数和L1非光滑范数构建，该模型一方面通过L2范数拟合实际数据，另一方面通过非光滑L1范数约束减少多解性，模型如下：

$J^{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\Δ\κ}\right)=\frac{1}{2}{\left|\right|\mathrm{A\Δ\κ}+b\left|\right|}_{l_2}^2+\mathrm{\α}{\left|\right|\mathrm{\Δ\κ}-{\mathrm{\Δ\κ}}^0\left|\right|}_{l_1}$

其中，J^α为构建的目标函数，Δκ为速度模型参数更新量，A为矩阵，其中元素为偏移深度对速度模型相关参数导数，Δκ为矢量，其中元素由速度模型变换求得，b为向量，通过拾取剩余深度获得，α为正则化因子，分别表示L1、L2范数。

对于矢量κ＝[k₁₁,k₁₁,L k_1n,k₂₁,k₂₂,L k_2m]，假定其与速度模型关系式表述为：

v_i＝κ₁₁x+κ₁₂x²+κ₁₃x³+κ₁₄x⁴+L+κ_1nxⁿ+κ₂₁z+κ₂₂z²+κ₂₃z³+κ₂₄z⁴+L+κ_2mz^m

其中，κ_1i i＝1,2,L,n为速度横向变化拟合系数，κ_2i i＝1,2,L,m为纵向变化拟合项。

在步骤105中，速度模型求解方法，通过非线性迭代算法实现。

本发明还提供了一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，如图2所示，由于一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置解决问题的原理与一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法相似，因此一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置的实施可以参见一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。结构包括：

共成像点道集生成单元201，用于根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；

剩余深度拾取单元202，用于拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；

稀疏反演模型构建单元203，用于利用所述剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；

模型非线性求解单元204，用于非线性迭代算法求解速度模型；

模型更新迭代单元205，用于返回执行所述，包括共成像点道集生成、拾取、模型构建与求解等步骤，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。

可选的，共成像点道集生成单元，依据克希霍夫叠前深度偏移实现，其中走时表计算由射线追踪得出。

可选的，剩余深度拾取单元，通过相似性扫描获得；

可选的，剩余深度拾取单元，通过L2光滑范数和L1非光滑范数构建，该模型一方面通过L2范数拟合实际数据，另一方面通过非光滑L1范数约束减少多解性，模型如下：

$J^{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\Δ\κ}\right)=\frac{1}{2}{\left|\right|\mathrm{A\Δ\κ}+b\left|\right|}_{l_2}^2+\mathrm{\α}{\left|\right|\mathrm{\Δ\κ}-{\mathrm{\Δ\κ}}^0\left|\right|}_{l_1}$

其中，J^α为构建的目标函数，Δκ为速度模型参数更新量，A为矩阵，其中元素为偏移深度对速度模型相关参数导数，Δκ为矢量，其中元素由速度模型变换求得，b为向量，通过拾取剩余深度获得，α为正则化因子，分别表示L1、L2范数。

对于矢量κ＝[k₁₁,k₁₁,L k_1n,k₂₁,k₂₂,L k_2m]，假定其与速度模型关系式表述为：v_i＝κ₁₁x+κ₁₂x²+κ₁₃x³+κ₁₄x⁴+L+κ_1nxⁿ+κ₂₁z+κ₂₂z²+κ₂₃z³+κ₂₄z⁴+L+κ_2mz^m

其中，κ_1i i＝1,2,L,n为速度横向变化拟合系数，κ_2i i＝1,2,L,m为纵向变化拟合项。

可选的，所述剩余深度拾取单元，通过非线性迭代算法迭代实现。

在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案，流程如图3所示。

实施例

通过二维模型数据，说明一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法应用效果。以VTI介质为例，包含两个反射界面。共炮点观测，炮点间隔50米，道间距50米，道数40个，时间采样间隔4毫秒，样点数1000，雷克子波主频30Hz。为避免边界效应影响，偏移速度分析从CMP为2000米处开始。利用初始模型参数实施的叠前深度偏移剖面如图4所示，经10次迭代后得出的偏移结果如图5所示，速度模型如图6所示，偏移结果中深层反射面的位置有显著改善。为清楚的说明在速度模型更新过程中，共成像点道集中同相轴变化情况，如图7所示，本实施例给出了3km处共中心点道集，模型分别为(a)初始模型；(b)3次，(c)5次，(d)7次，(e)9次，(f)10次迭代。可见，成像点道集中同相轴逐渐校平，剩余深度逐渐趋于零。第九次迭代结果共成像点道集中，同相轴已拉平，为保证模型收敛性，选择第十次作为最终迭代结果。

Claims (10)

1.一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤101，根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；

步骤102，拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；

步骤103，利用剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；

步骤104，利用非线性迭代算法求解速度模型；

步骤105，返回执行上述共成像点道集生成、拾取、模型构建与求解步骤，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，其特征在于，在步骤101中，共成像点道集生成方法，依据克希霍夫叠前深度偏移实现，其中走时表计算由射线追踪得出。

3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，其特征在于，在步骤102中，共成像点道集中同相轴剩余深度拾取方法，通过相似性扫描获得。

4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，其特征在于，在步骤103中，偏移速度分析稀疏反演模型，通过L2光滑范数和L1非光滑范数构建，该模型一方面通过L2范数拟合实际数据，另一方面通过非光滑L1范数约束减少多解性，模型如下：

$J^{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\Δ\κ}\right)=\frac{1}{2}{\left|\right|\mathrm{A\Δ\κ}+b\left|\right|}_{l_2}^2+\mathrm{\α}{\left|\right|\mathrm{\Δ\κ}-{\mathrm{\Δ\κ}}^2\left|\right|}_{l_1}$

其中，J^α为构建的目标函数，Δκ为速度模型参数更新量，A为矩阵，其中元素为偏移深度对速度模型相关参数导数，Δκ为矢量，其中元素由速度模型变换求得，b为向量，通过拾取剩余深度获得，α为正则化因子，分别表示L1、L2范数，

对于矢量κ＝[k₁₁,k₁₁,L k_1n,k₂₁,k₂₂,L k_2m]，假定其与速度模型关系式表述为：

v_i＝κ₁₁x+κ₁₂x²+κ₁₃x³+κ₁₄x⁴+L+κ_1nxⁿ+κ₂₁z+κ₂₂z²+κ₂₃z³+κ₂₄z⁴+L+κ_2mz^m

其中，κ_1i i＝1,2,L,n为速度横向变化拟合系数，κ_2i i＝1,2,L,m为纵向变化拟合项。

5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析方法，其特征在于，在步骤105中，速度模型求解方法，通过非线性迭代算法实现。

6.一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，其特征在于，包括共成像点道集生成单元(201)，用于根据地震数据与初始速度模型，通过叠前深度偏移，得到共成像点道集；

剩余深度拾取单元(202)，用于拾取共成像点道集中同相轴剩余深度，作为系统输入数据；

稀疏反演模型构建单元(203)，用于利用所述剩余深度与待求速度模型，建立偏移速度分析稀疏反演模型；

模型非线性求解单元(204)，用于非线性迭代算法求解速度模型；

模型更新迭代单元(205)，用于返回执行上述包括共成像点道集生成、拾取、模型构建与求解步骤，直至满足停机准则，反演出最终偏移速度模型。

7.根据权利要求6所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，其特征在于，所述共成像点道集生成单元，依据克希霍夫叠前深度偏移实现，其中走时表计算由射线追踪得出。

8.根据权利要求6所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，其特征在于，所述剩余深度拾取单元，通过相似性扫描获得。

9.根据权利要求6所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，其特征在于，所述剩余深度拾取单元，通过L2光滑范数和L1非光滑范数构建，该模型一方面通过L2范数拟合实际数据，另一方面通过非光滑L1范数约束减少多解性，模型如下：

$J^{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\Δ\κ}\right)=\frac{1}{2}{\left|\right|\mathrm{A\Δ\κ}+b\left|\right|}_{l_2}^2+\mathrm{\α}{\left|\right|\mathrm{\Δ\κ}-{\mathrm{\Δ\κ}}^2\left|\right|}_{l_1}$

其中，J^α为构建的目标函数，Δκ为速度模型参数更新量，A为矩阵，其中元素为偏移深度对速度模型相关参数导数，Δκ为矢量，其中元素由速度模型变换求得，b为向量，通过拾取剩余深度获得，α为正则化因子，分别表示L1、L2范数，

对于矢量κ＝[k₁₁,k₁₁,L k_1n,k₂₁,k₂₂,L k_2m]，假定其与速度模型关系式表述为：v_i＝κ₁₁x+κ₁₂x²+κ₁₃x³+κ₁₄x⁴+L+κ_1nxⁿ+κ₂₁z+κ₂₂z²+κ₂₃z³+κ₂₄z⁴+L+κ_2mz^m

其中，κ_1i i＝1,2,L,n为速度横向变化拟合系数，κ_2i i＝1,2,L,m为纵向变化拟合项。

10.根据权利要求6所述的一种基于稀疏反演的偏移速度分析装置，其特征在于，所述剩余深度拾取单元，通过非线性迭代算法迭代实现。