CN107728206A - 一种速度场建模方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种速度场建模方法，所述方法包括：S1，确定多个射线参数和多个参考炮点；S2，根据观测数据和所述多个射线参数、多个参考炮点获取平面波数据；S3，确定目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，其中，所述目标函数与所述平面波数据相关；S4，根据所述目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，对初始模型进行迭代更新，生成速度场模型。本申请实施例通过选择多个参考炮点和射线参数，获得多个平面波数据，有效的提高了观测数据对地下模型的覆盖次数，提高了模型的准确度。此外，通过对射线参数按照绝对值由高到低逐次迭代反演，反演过程更为稳定，生成的速度场模型更为准确。
Description
技术领域
本申请涉及地震资料处理方法，尤其涉及一种速度场建模方法。
背景技术
当前技术中，在对地下构造反演时，较为先进的是全波形反演方法。全波形反演是一个极强的非线性问题，其反演能力在很大程度上依赖于初始模型的准确性。在实际应用中，初始模型往往是通过速度分析或走时层析获得的，其精度有限。
现阶段低频数据采集能力较弱，以及地震波对地下介质照明强度较低(照明强度即地震波对模型的覆盖次数，覆盖次数越多，则照明强度越强)。低频成分的缺失导致初始模型的中低波数成分往往难以恢复，造成波数成分的不连续，进而影响了全波形反演的稳定性。而地震波照明强度低导致波形反演的非线性和多解性增强，导致反演难度增大。
基于此，我们需要一种更准确的速度场模型作为全波形反演的初始模型。
发明内容
本申请实施例提供一种速度场建模方法，用于解决如下问题：为全波形反演提供更准确的速度场模型。
基于此，本申请实施例提供一种速度场建模方法，所述方法包括：
S1，确定多个射线参数和多个参考炮点；
S2，根据观测数据和所述多个射线参数、多个参考炮点获取平面波数据；
S3，确定目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，其中，所述目标函数与所述平面波数据相关；
S4，根据所述目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，对初始模型进行迭代更新，生成速度场模型.
相较于现有技术而言，本申请实施例通过选择多个参考炮点，每个射线参数获得多个平面波数据，有效的提高了观测中对地下模型的覆盖次数，生成的速度场模型更为准确。此外，通过对射线参数按照绝对值由高到低逐次迭代反演，实现了对地下介质由低波数到高波数的多尺度反演，生成模型的过程更为稳定；利用平面波合成中的叠加效应，具有压制噪音的作用，对含噪音数据具有较高的实用性；利用波数与散射角的关系，降低了波形反演对低频数据的依赖性。
附图说明
图1为本实施例中反演时波数与平面波入射角之间的关系示意图；
图2为本实施例中不同射线参数时得到的反演结果，其中：(a)为数值实验采用的真实模型，(b)为入射角参数为0.8时的反演结果；(c)为射线参数为0.4时的反演结果；(d)为以(c)为初始模型的常规全波形反演结果。
图3为本发明实施例中当低频数据缺失时反演所得结果，其中：(a)为高通滤波后雷克子波的频谱；(b)为高通滤波后雷克子波的时间域波形；(c)为低频信息缺失情况下的反演结果；(d)为以(c)为初始模型的常规全波形反演在低频缺失下的反演结果；
图4为本发明实施例中添加噪音数据时反演所得结果：(a)为含噪音数据情况下的反演结果；(b)为以(a)为初始模型的全波形反演结果。；
图5为本发明实施例中地震数据随机缺少50炮的反演结果：(a)为数据缺失情况下的反演结果；(b)为以(a)为初始模型的全波形反演结果；
图 6为本发明实施例中采用不同个数的平面波进行反演所得结果，其中(a)采用5个平面波进行多尺度反演所得到的背景速度场；(b)采用2个平面波进行多尺度反演所得到的背景速度场。
图7为本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
基于前述内容，初始模型可以直接通过对真实模型进行平滑或者人为给定一个与真实模型接近的初始模型，或者，针对观测数据，通过利用速度分析，走时层析等方法获得；在平面波波形反演中，波数与入射角之间存在的关系如图1所示，入射角为平面波波前与地表的夹角，在地下反射界面与地表平行的情况下，入射角为散射角θ的一半。通过控制平面波反演的射线参数，能够直接控制地震波在地下的传播角度，由于全波形反演对地下模型的恢复能力不仅仅与地震数据的频率成分有关，也与地震波在地下的传播角度有关，因此，本发明中方法通过控制射线参数，控制地震波在地下的传播角度，实现对地下模型的有低波数到高波数的多尺度反演，为全波形反演提供初始模型。
基于如图1所示的基本原理，本申请实施例提供一种速度场建模方法，，如图7所示，所述方法包括：
S1，确定多个射线参数和多个参考炮点。
参考炮点和射线参数的选择是人为确定的，没有固定的规则，可以通过测试等方法来确定。一种可实施的方法是，对于射线参数，首先确定反演射线参数的最大值最小值，然后取其中的等差序列；对于参考炮点，可以选观测系统中位于两端的炮点，然后在两者中间取等差序列。
S2，根据观测数据和所述多个射线参数、多个参考炮点获取平面波数据。
本发明中的平面波的合成与射线参数和炮点到参考炮点的相对距离有关。可以选择多个参考炮点，实现在同一个射线参数情况下得到多个平面波。具体的说，对观测数据中的单炮数据进行时移，获取多个中间数据，进而根据多个中间数据，生成平面波数据。在参考炮点已确定的情形下，每一个射线参数对应一组平面波数据，平面波数据合成具体采用的方法如下:
其中t表示记录时间，xs和xr分别表示炮点和检波点位置，xsref表示参考炮点位置,p表示射线参数,其中表示入射角，v0表示表层速度，U表示观测数据中的单炮数据，Up表示平面波数据，*表示卷积算子。
公式(1)的含义在于通过对观测数据进行时移叠加，获得平面波数据。其中U(xs,xr,t)表示观测数据，与时移函数δ(t-|p(xs-xsref)|)卷积后实现时移，然后对时移后的中间数据进行叠加以获得平面波数据。
所述的一组平面波数据通常包含多个平面波，在射线参数确定的情况下，平面波的个数只与参考炮点的多少有关，参考炮点越多，平面波的个数越多，照明越好，即平面波个数的提高可以提高照明强度。本发明中通过控制射线参数，控制地震波在地下的传播角度，实现对地下模型的多尺度反演。而且利用平面波合成中的叠加效应，具有压制噪音的作用，适于含噪音较高的地震数据。
S3，确定目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，其中，所述目标函数与所述平面波数据相关。
要针对初始模型进行迭代，需要确定迭代过程中的目标函数和函数中迭代参数的计算顺序。
通常来说，目标函数是预先确定和平面波数据相关的一个泛函，具体包括如下步骤：
(1)，确定所述平面波数据所对应的平面波震源。
即合成正演模拟平面波数据的平面波震源，平面波震源应该与合成观测平面波数据所用的时移函数是一一对应的，所述平面波震源由对原始点震源编码获得:
其中SDS为平面波震源，S为原始点震源。利用平面波的震源，平面波正演方程可以表示为：
B(m)uDS＝SDS(xs,t；p)
其中B(m)表示声波条件下的正演算子，uDS表示由平面波震源生成的合成平面波数据。
(2)，根据所述平面波震源，获取平面波数据的正演模拟数据。
根据正演方程获得平面波数据的正演模拟数据，即利用波动方程做正演获得当前模型下的平面波正演模拟数据，这里采用的波动方程为常规的常密度声波正演方程，但震源采用的是对传统点震源编码后生成的平面波震源，具体不再赘述。
(3)根据所述正演模拟数据和所述平面波数据，确定目标函数。
具体为：其中uobs和ucal分别表示平面波数据和正演模拟数据。
在本发明针对初始模型的迭代反演过程中，绝对值大的入射角度合成的平面波对应地下介质中的低波数成分，绝对值小的入射角合成的平面波对应于地下介质中的高波数成分；速度场建模为保证波叔的连续性，须在低波数准确的情况下进行高波数的反演。即，波形反演从恢复地下介质中的低波数成分开始，然后逐步恢复地下介质中的高波数成分的。因此，需要对射线参数进行排序，以保证反演过程中先恢复低波数成分。例如，即在迭代过程中，对于多个射线参数p的计算顺序，采用入射角绝对值由大到小的顺序。
S4，根据所述目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，对初始模型进行迭代更新，生成速度场模型，
即，根据入射角绝对值由大到小，遍历确定好的多个射线参数，以上一个射线参数的计算结果作为下一个射线参数的初始模型，对初始模型进行迭代，生成速度场模型。
具体来说，迭代计算的过程为，确定目标泛函关于模型参数的梯度，根据梯度对初始模型进行迭代更新，可采用如下方法：
首先获得伴随震源，平面波方程的伴随震源可以表示为：
其中Sadj(xs,xr,t)表示单炮情况下的伴随震源，Sadj(xs,xr,t)＝-▽uχ，上式的含义在于通过对单炮情况下的伴随震源进行编码以获得平面波的伴随震源。
然后，利用伴随波动方程，对伴随震源进行反传，其中伴随波动方程可以表示为:
其中表示伴随波场，其伴随震源由公式(5)确定，表示伴随正演算子。
之后，通过对正传波场与伴随震源反传波场互相关来获得目标泛函关于模型参数的梯度：
其中表示伴随震源波场，由对伴随震源进行反传得到，uDS表示震源波场，由平面波震源正演得到，B表示正演算子，本发明中将其定义为常密度声波正演算子，δm表示模型扰动。
在获取梯度之后，根据梯度计算目标函数，以上一个射线参数的计算结果作为下一个射线参数的初始模型，对初始模型进行迭代更新。通常可以利用优化算法对模型进行更新，例如，采用共轭梯度法或拟牛顿算法(例如BFGS算法)，生成速度场模型。迭代的方法目前已经较为成熟，此处不再赘述。
本申请实施例通过选择多个参考炮点，每个射线参数获得多个平面波数据，有效的提高了观测中对地下模型的覆盖次数，生成的速度场模型更为准确。此外，通过对射线参数按照绝对值由高到低逐次迭代反演，实现了对地下介质由低波数到高波数的多尺度反演，生成模型的过程更为稳定；利用平面波合成中的叠加效应，具有压制噪音的作用，对含噪音数据具有较高的实用性；利用波数与散射角的关系，降低了波形反演对低频数据的依赖性。
为使本申请的方案更加的浅显明白，下面给出一个具体的示例：
采用如图2a所示的速度场作为真实速度场，利用声波有限差分做正演获得地震记录作为观测数据；以初始模型选取为等梯度模型为例。
基于前述内容，射线参数可以选取为在表层速度相同的情况下，此时射线参数由入射角决定的。本例中给定入射角绝对值最大值为0.8，最小值0.4，变化步长为-0.05，获得一组射线参数。确定多个参考炮点，根据观测数据在对值为0.8的射线参数进行时移，获取一组平面波数据，根据该平面波数据和目标函数对初始模型(即等梯度模型)进行一次建模过程，生成该射线参数对应的速度场模型。然后，以该速度场模型作为下一个射线参数(即值为0.75所对应的射线参数)建模的初始模型。直至遍历至值为0.4所对应的射线参数，生成最终的速度场模型，以便作为传统全波形反演的初始模型。
图2b和图2c分别给出了迭代过程中，入射角为0.8和入射角为0.4时的反演结果，可见：入射角较大时主要以反演模型的浅层背景场为主，在一定程度上等价于早至波反演；随着入射角逐渐变小，一方面模型更新的深度变大，另一方面模型的细节有所体现，包括深层的一些主要的速度层位。
由于本申请实施例的反演结果能够提供较为准确的速度场模型，以本申请实施例所获得的速度场模型作为初始模型，常规全波形反演可以得到与真实速度场十分接近的反演结果。其主要原因在于，常规全波形反演方法基于散射理论，因此需要较为准确的初始速度场，常规方法所提供的初始模型通常不能提供准确的低波数速度场，在初始速度场不准确的情况下，全波形反演方法难以给出较为准确的反演结果。由于本申请的方案中提供了较为准确的低波数速度成分，初始模型更加准确，因此全波形反演在此基础上能够给出较好的反演结果，由图2c所提供的速度场模型作为全波形反演的初始模型，所得反演结果如图2d所示。
图3a与图3b分别为高通滤波后的雷克子波频谱与时间域波形图，由于低频数据缺失，波形抖动变强，全波形反演非线性增强。而采用本发明的方法所得结果如图3c所示，可见本发明的方法在低频缺失情况下反演效果较好：一方面，模型的背景结果被准确解释，包括主要的速度层位、以及浅层的低速界面，即使是在深层的反演结果也与真实模型吻合较好。另一方面，与采用完整雷克子波的反演结果相比较，低频缺失情况下的反演结果与采用完整雷克子波的反演结果十分接近，说明了该方法能够在低频缺失情况下给出较好的反演结果。以图3c为初始模型的常规全波形反演结果如图3d所示，反演结果与真实模型十分接近，也说明了该方法在低频信号缺失情况下的稳定性，由于全波形反演能够恢复的地下波数成分不仅仅与数据中的低频成分有关，也与地震波在地下的散射角有关。本发明中方法通过控制射线参数来间接控制地震波在地下的散射角，能够弥补低频缺失所难以恢复的低波数成分。即利用波数与散射角的关系，降低了波形反演对低频数据的依赖性，现阶段由于低频数据采集能力较低，因此本发明的方法进而降低了反演过程对数据质量的依赖性。
图4为对地震数据添加噪音情况下的反演结果，通过采用本发明的方法所得结果如图4a所示，以图4a所得速度场模型的作为初始模型，进行常规全波形反演所得结果如图4b所示，一方面，反演所得到的背景速度场(图4a)与真实模型的背景结构和采用不含噪音情况下的反演结果(图2c)十分相似；另一方面，以此反演结果为初始模型，传统全波形反演方法能够较好的解释地下结构，尽管含有一定的噪音，其反演结果仍然较为准确。分析可证明该方法对含噪音数据的稳定性。
图5为在地震数据随机缺失50炮情况下的反演结果，通过对本发明的方法所得结果如图5a所示，以图5a所得速度场模型作为初始模型，进行常规全波形反演所得结果如图5b所示，一方面，该方法在地震数据缺失情况下的反演结果与采用完整地震数据情况下的反演结果十分接近；另一方面，采用该反演结果作为初始模型，传统全波形反演能够较为准确的反演地下模型，最终反演结果与真实模型十分接近。分析可证明该方法在地震数据随机缺失情况下的稳定性。
图6a和图6b分别给出了选用2个平面波和5个平面波情况下的平面波波形反演结果。对结果分析可见，在仅仅采用两个平面波时(与传统的平面波反演方法相似)，由于平面波对地下介质照明有限，反演所得到的背景速度场较差，与真实模型相差较远；而采用5个平面波时，反演所得到的初始速度场较好，与真实速度场的吻合度较高，也就是采用本发明的方法，提供了更充分的中低波数成分，对地下介质照明强度有较好的补偿作用。
采用本发明前述的方法，可以根据单一射线参数获得平面波数据，有效的提高了数据对介质参数的照明强度，增加了反演稳定性；利用平面波合成中的叠加效应，具有压制噪音的作用，对含噪音数据具有较高的应用价值；通过控制射线参数，实现了对地下介质由低波数到高波数的多尺度反演，有效降低了传统全波形反演方法对初始模型的依赖性，对应于实施例中S5采用多个射线参数部分；利用波数与散射角的关系，降低了波形反演对低频数据的依赖性，对应于实施实例中S5与图1。此外，以反演所获得的最终背景速度场作为初始模型，由于反演结果能够提供较为准确的低波数信息，常规全波形反演可以得到更准确的反演结果。
Claims (5)
1.一种速度场建模方法，包括：
S1，确定多个射线参数和多个参考炮点；
S2，根据观测数据和所述多个射线参数、多个参考炮点获取平面波数据；
S3，确定目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，其中，所述目标函数与所述平面波数据相关；
S4，根据所述目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，对初始模型进行迭代更新，生成速度场模型。
2.如权利要求1所述的速度场建模方法，根据观测数据和所述多个射线参数、多个参考炮点获取平面波数据，采用如下方法：
其中，t表示记录时间，xs和xr分别表示炮点和检波点位置，xsref表示参考炮点位置,p表示射线参数， 表示入射角，v0表示表层速度，U表示观测数据中的单炮数据，Up表示平面波数据，*表示卷积算子。
3.如权利要求1所述的速度场建模方法，确定目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，包括：
确定所述平面波数据所对应的平面波震源；
根据所述平面波震源，获取平面波数据的正演模拟数据；
根据所述正演模拟数据和平面波数据，确定目标函数。
4.如权利要求3所述的速度场建模方法，根据所述正演模拟数据和平面波数据，确定目标函数，采用如下方法：
其中，m表示模型参数，uobs表示平面波数据，ucal表示平面波数据的正演模拟数据，t表示记录时间，xr表示检波点位置，p表示射线参数。
5.如权利要求1所述的速度场建模方法，确定目标函数和所述多个射线参数的计算顺序，包括：
根据所述多个射线参数的绝对值大小，确定所述多个射线参数的计算顺序。
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- 2017-09-14 CN CN201710829216.2A patent/CN107728206B/zh not_active Expired - Fee Related
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