CN106353799A - 一种纵横波联合层析速度反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵横波联合层析速度反演方法，包括：获取纵横波初始速度模型；纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集；计算纵横波走时残差；纵横波射线追踪；计算纵横波灵敏度矩阵；正则化约束；建立纵横波层析反演方程组；解该反演方程组；将纵横波速度模型换成上一步纵横波速度模型，重复以上步骤，即可得到最终的纵横波速度模型。该方法考虑了纵横波速度的联合，相比单独进行纵横波速度反演精度更高，同时也更适合三分量这种特殊的复杂的地震资料，所得到的结果效果明显。该方法流程及参数设置简单，运算速度快，适合应用于三维多分量地震资料处理。

Description

一种纵横波联合层析速度反演方法

技术领域

本发明属于油气勘探地震资料处理技术领域中的速度反演与建模的方法,具体是一种纵横波联合层析速度反演方。

现有技术

目前，地震层析反演方法主要有波形层析和走时层析。

波形层析是根据地面接收到的地震动力学信息地震波形来反演地下速度分布，它是基于波动方程，理论上其反演的速度精度高，但它需要计算地震波的正向传播及剩余波场的反向传播，还要计算二者的相关沿时间的积分，计算效率非常低，其反演的目标函数和速度摄动之间表现为强烈的非线性关系，对初始模型要求很高，并且非常不稳定，很难在实际中进行应用。

走时层析通过观测的地震波旅行时来反演地下速度分布，它是基于射线理论，地震波走时是对慢度沿激发点和接收点之间的射线路径的线积分。它的原理不复杂，容易实现，并且计算效率高，虽然反演的速度精度没有波动层析高，但是通过多次迭代也能够获取非常准确的速度模型。

常规的走时层析速度反演是分别进行计算纵波和横波走时残差来获取速度模型，在转换波勘探中，入射是纵波，反射是横波，横波走时残差的计算公式中需要纵波的速度，如果纵波的速度不准确，将给横波的速度反演结果带来很大的误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题,特别是针对转换波射线路径的不对称，提出了一种纵横波联合层析速度反演方法.该方法基于纵横波联合得到的走时残差更为精确可靠，反演的速度结果精度更高。

本发明的一种纵横波联合层析速度反演方法包括

(1)获取纵横波初始速度模型；

(2)纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集；

(3)计算纵横波走时残差；

(4)纵横波射线追踪；

(5)计算纵横波灵敏度矩阵；

(6)正则化约束；

(7)建立纵横波层析反演方程组；

(8)解该反演方程组；

(9)将第(1)步的纵横波速度模型换成第(8)步的纵横波速度模型，重复第(1)-(8)步，即可得到最终的纵横波速度模型。

上述方案进一步细化为：

(1)获取纵横波初始速度模型；

(2)纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集，采用基于双平方根延拓叠前深度偏移方法；

(3)计算纵横波走时残差，根据纵横波走时残差与深度残差转换关系式进行计算；

(4)纵横波射线追踪，每条射线以地层界面的成像点为起点，根据共成像点道集中出射角度，采用常速度梯度法进行射线追踪；

(5)计算纵横波灵敏度矩阵，矩阵中行代表某一射线在每一个网格中的路径，列代表每一条射线在某一网格中路径，利用纵横波射线追踪的结果进行计算；

(6)正则化约束，加入正则化矩阵是为了解决反演方程的病态问题和平滑速度场；

(7)建立纵横波层析反演方程组，根据路径、慢度和走时的关系，建立纵横波走时残差与网格节点慢度修正量之间满足的线性方程；

(8)解该反演方程，利用LSQR方法解这个线性方程；

(9)将第(1)步的速度模型换成第(8)步的速度模型，重复第(1)-(8)步5-15次，即可得到最终的速度模型。

本发明具体技术方案：

(1)获取纵横波初始速度模型；

(2)纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集，采用基于双平方根延拓叠前深度偏移方法；

(3)计算纵横波走时残差，根据纵横波走时残差与深度残差转换关系式进行计算，其中纵波和横波走时残差计算公式为：

Δt_pp＝2s_pΔz_pp cosαcosβ

${\mathrm{\Δt}}_{ps}=(1+\frac{tan\mathrm{\β}}{tan\mathrm{\θ}})s_p{\mathrm{\Δz}}_{ps}cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}$

(4)纵横波射线追踪，每条射线以地层界面的成像点为起点，根据共成像点道集中出射角度，采用常速度梯度法进行射线追踪，其中常速度梯度法射线追踪计算公式为：

$\stackrel{\→}{r}\left(s\right)={\stackrel{\→}{r}}_0+{\stackrel{\→}{\hat{n}}}_{0}s\[1+\frac{s}{2c_0}(\mathrm{\λ}.{\stackrel{\→}{\hat{n}}}_0)\]-\frac{{\mathrm{\λs}}^2}{2c_0}+O\left({\mathrm{\λ}}^2\right)$

$n\left(l\right)=n_0\[1+\frac{l}{v_0}\left(\mathrm{\λ}\·n_0\right)\]-\frac{\mathrm{\λ}l}{v_0}-\frac{n_0}{2v_0^2}{l}^2\[{\mathrm{\λ}}^2-{\left(\mathrm{\λ}\·n_0\right)}^2\]+O\left({\mathrm{\λ}}^3\right)$

$t\left(s\right)=\frac{s}{c_0}\{1-(\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}\·{\stackrel{\→}{\hat{n}}}_0\left)\frac{s}{2c_0}\right\}+O\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^2\right)$

r₀为射线在每个单元入口处的坐标,c₀是单元入口处的速度,n₀是入口处的射线方向,r(s)是射线在单元出口处的坐标,n(s)为射线出口处的方向,t(s)是射线在单元内的旅行时。

(5)计算灵敏度矩阵，矩阵中行代表某一射线在每一个网格中的路径，列代表每一条射线在某一网格中路径，利用纵横波射线追踪的结果进行计算；

(6)正则化约束，加入正则化矩阵是为了解决线性方程组的病态问题和平滑速度场，其中正则化矩阵为：

横向一阶导数型正则化矩阵

纵向一阶导数型正则化矩阵

(7)建立纵横波层析反演方程组，根据路径、慢度和走时的关系，建立纵横波走时残差与网格节点慢度修正量之间满足的线性方程组，线性方程组如下：

$\left[\begin{array}{c}L\\ \mathrm{\μ}\mathrm{\Γ}\end{array}\right]\mathrm{\Δ}s=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}t\\ 0\end{array}\right]$

L是灵敏度矩阵，Δs是慢度更新量，Δt是走时残差。

(8)解该反演方程，利用LSQR方法解这个线性方程；

(9)将第(1)步的纵横波速度模型换成第(8)步的纵横波速度模型，重复第(1)-(8)步8-12次，即可得到最终的纵横波速度模型。

发明效果

本发明的方法能够较好的获取纵横波速度模型，有着其他技术不具备的优势，其具体优势和特点表现在以下几个方面：

第一、技术效果的可靠性。该方法考虑了纵横波联合速度反演，相比于传统的速度反演方法精度更高，所得到的结果效果明显。

第二、操作简单易实现。该方法流程及参数设置简单，运算速度快，适合应用于三维地震资料处理。

附图说明

图1本发明的纵横波联合层析速度反演方法流程图。

图2为纵波初始速度模型。

图3为横波初始速度模型。

图4更新后的纵波速度。

图5更新后的横波速度。

图6为纵波速度更新后的偏移剖面。

图7为横波速度更新后的偏移剖面。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的技术方案做进一步说明。

1)依据步骤1，采用常规速度分析方法获取纵横波初始速度模型。

2)其依据步骤2，采用基于双平方根延拓叠前深度偏移方法获取共成像点道集。

3)依据步骤3，利用初始偏移剖面获取地层的倾角，利用初始共成像点道集获取深度残差，代入纵横波走时残差的计算公式，计算出纵横波的走时残差。

纵波和横波走时残差计算公式为：

Δt_pp＝2s_pΔz_pp cosαcosβ

${\mathrm{\Δt}}_{ps}=(1+\frac{tan\mathrm{\β}}{tan\mathrm{\θ}})s_p{\mathrm{\Δz}}_{ps}cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}$

4)依据步骤4，采用常速度梯度法射线追踪方法确定纵横波射线路经。

确定地下网格成像点的深度，给定该处的初始入射方向，初始速度，初始路经长度，计算模型的速度梯度，将这些数值代入出射方向公式，从而获得该成像点的一个射线路经，根据角度域共转换点道集的入射角度，即可得到该成像点的所有射线路经。

5)依据步骤5，计算纵横波灵敏度矩阵。在正演计算得到射线路经后，统计每一条射线在地下网格中路经长度，把这些射线组合一个矩阵，即可得到该道集的灵敏度矩阵。

6)依据步骤6，在灵敏度矩阵中加入正则化矩阵。

7)依据步骤7，建立纵横波层析反演方程组。

8)依据步骤8，解反演方程，得到纵横波速度模型。至此，第一次循环结束。

9)将步骤1的纵横波速度模型换成步骤8的纵横波速度模型，循环步骤1至步骤8，如此循环10次，就可以得到较为准确的纵横波速度模型。

图2为纵波初始的速度模型，图3为横波初始速度模型，图4是第10次反演出来的纵波速度模型，图5是第10次反演出来的横波速度模型。

为了检验层析反演的纵横波速度模型的有效性，我们利用该速度模型应用于模型数据，用来验证速度模型的准确性。图6为纵波速度更新后的偏移剖面，图7为横波速度更新后的偏移剖面，从图中可以看出，偏移效果明显，说明采用纵横波联合层析速度反演方法建立的纵横波速度模型较准确。

Claims (3)

1.一种纵横波联合层析速度反演方法，包括

(1)获取纵横波初始速度模型；

(2)纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集；

(3)计算纵横波走时残差；

(4)纵横波射线追踪；

(5)计算纵横波灵敏度矩阵；

(6)正则化约束；

(7)建立纵横波层析反演方程组；

(8)解该反演方程组；

(9)将第(1)步的纵横波速度模型换成第(8)步的纵横波速度模型，重复第(1)-(8)步，即可得到最终的纵横波速度模型。

2.根据权利要求1所述的纵横波联合层析速度反演方法，包括：

(1)获取纵横波初始速度模型；

(2)采用基于双平方根延拓叠前深度偏移方法将纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集；

(3)根据纵横波走时残差与深度残差转换关系式进行计算纵横波走时残差；

(4)每条射线以地层界面的成像点为起点，根据共成像点道集中出射角度，采用常速度梯度法进行纵横波射线追踪；

(5)矩阵中行代表某一射线在每一个网格中的路径，列代表每一条射线在某一网格中路径，利用纵横波射线追踪的结果进行计算纵横波灵敏度矩阵；

(6)正则化约束是加入正则化矩阵解决反演方程的病态问题和平滑速度场；

(7)建立纵横波层析反演方程组是根据路径、慢度和走时的关系，建立纵横波走时残差与网格节点慢度修正量之间满足的线性方程；

(8)利用LSQR方法解这个线性方程；

(9)将第(1)步的速度模型换成第(8)步的速度模型，重复第(1)-(8)步5-15次，即可得到最终的纵横波速度模型。

3.根据权利要求2所述的纵横波联合层析速度反演方法，包括：

(1)获取纵横波初始速度模型；

(2)采用基于双平方根延拓叠前深度偏移方法将纵横波叠前深度偏移生成共成像点道集；

(3)计算纵横波走时残差，根据纵横波走时残差与深度残差转换关系式进行计算，其中纵波和横波走时残差计算公式为：

Δt_pp＝2s_pΔz_pp cosαcosβ

(4)纵横波射线追踪，每条射线以地层界面的成像点为起点，根据共成像点道集中出射角度，采用常速度梯度法进行射线追踪，其中常速度梯度法射线追踪计算公式为：

r₀为射线在每个单元入口处的坐标,c₀是单元入口处的速度,n₀是入口处的射线方向,r(s)是射线在单元出口处的坐标,n(s)为射线出口处的方向,t(s)是射线在单元内的旅行时；

(5)计算灵敏度矩阵，矩阵中行代表某一射线在每一个网格中的路径，列代表每一条射线在某一网格中路径，利用纵横波射线追踪的结果进行计算；

(6)正则化约束，加入正则化矩阵是为了解决线性方程组的病态问题和平滑速度场，其中正则化矩阵为：

横向一阶导数型正则化矩阵，

纵向一阶导数型正则化矩阵，

(7)建立纵横波层析反演方程组，根据路径、慢度和走时的关系，建立纵横波走时残差与网格节点慢度修正量之间满足的线性方程组，线性方程组如下：

L是灵敏度矩阵，Δs是慢度更新量，Δt是走时残差。

(8)解该反演方程，利用LSQR方法解这个线性方程；

(9)将第(1)步的纵横波速度模型换成第(8)步的纵横波速度模型，重复第(1)-(8)步8-12次，即可得到最终的纵横波速度模型。