CN107918144A - 各向异性介质初至波射线追踪方法及系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种各向异性介质初至波射线追踪方法及系统。该方法可以包括:基于群角,获得相角;基于相角,获得群速度;基于群速度,获得初始旅行时;基于射线数据,获得射线宽度;以及基于初始旅行时与射线宽度,获得模型旅行时。本发明通过将射线形态扩展成有一定宽度的射线,能够更好的模拟对真实介质中波场的传播现象。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探领域,更具体地,涉及一种各向异性介质初至波射线追踪方法及系统。
背景技术
在地震勘探领域,传统的地震偏移成像技术大都是基于地球介质为各向同性的假设,但是大量的观察和实验表明地球内部介质的各向异性是普遍存在的,如果运用基于各向同性的假设的偏移成像方法来处理各向异性探区的地震数据,会对地震资料处理解释研究产生不利的影响,例如反射波不能归位、收敛效果不好等的现象。射线追踪作为一种快速有效的波场近似方法,对地震波层析反演、偏移成像、速度分析等过程具有重要意义。地震初至波射线追踪方法有很多种,传统的打靶法和试射法不能适应复杂介质下的旅行时计算,波前构建法的各向异性下地震波模拟,可通过利用群速度和相速度表达避免复杂特征值问题,但是实现方案较为复杂,各向异性介质的程函方程也较为复杂,即使对各向同性介质,这主要是因为相速度方向与群速度方向不同。因此,有必要开发一种各向异性介质初至波射线追踪方法及系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种各向异性介质初至波射线追踪方法及系统,其能够通过将射线形态扩展成有一定宽度的射线,实现对真实介质中波场的传播现象更好的模拟。
根据本发明的一方面,提出了一种各向异性介质初至波射线追踪方法。所述方法可以包括:基于群角,获得相角;基于所述相角,获得群速度;基于所述群速度,获得初始旅行时;基于射线数据,获得射线宽度;以及基于所述初始旅行时与所述射线宽度,获得模型旅行时。
根据本发明的另一方面,提出了一种各向异性介质初至波射线追踪系统,所述系统可以包括:用于基于群角,获得相角的单元;用于基于所述相角,获得群速度的单元;用于基于所述群速度,获得初始旅行时的单元;用于基于射线数据,获得射线宽度的单元;以及用于基于所述初始旅行时与所述射线宽度,获得模型旅行时的单元。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点,这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的,或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述,这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本发明示例性实施方式中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的各向异性介质初至波射线追踪方法的步骤的流程图。
图2示出了TTI介质波矢量与射线方向的关系的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的各向同性均匀介质模型的计算旅行时的等值线的示意图
图4示出了根据本发明的一个实施方式的各向同性均匀介质模型计算误差的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的各向异性介质模型的速度的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施方式的TTI介质各向异性的ε模型的示意图。
图7示出了根据本发明的一个实施方式的TTI介质各向异性的δ模型的示意图。
图8示出了根据本发明的一个实施方式的TTI介质各向异性的角度模型的示意图。
图9示出了根据本发明的一个实施方式的TTI各向异性介质模型的射线旅行时的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整,并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施方式1
图1示出了各向异性介质初至波射线追踪方法的步骤的流程图。
在该实施方式中,根据本发明的各向异性介质初至波射线追踪方法可以包括:步骤101,基于群角,获得相角;步骤102,基于相角,获得群速度;步骤103,基于群速度,获得初始旅行时;步骤104,基于射线数据,获得射线宽度;以及步骤105,基于初始旅行时与射线宽度,获得模型旅行时。
该实施方式通过将射线形态扩展成有一定宽度的射线,能够更好的模拟对真实介质中波场的传播现象。
下面详细说明根据本发明的各向异性介质初至波射线追踪方法的具体步骤。
在一个示例中,基于群角,获得相角。
图2示出了TTI介质波矢量与射线方向的关系的示意图。在TTI介质中,由于坐标轴的旋转,介质对称轴与z轴的夹角记为射线与z轴夹角φ0,射线与对称轴夹角(群角)记为φ,如图1所示,它们的关系为约定的范围为-90度到90度,且从z轴逆时针旋转到对称轴是取正;约定群角φ范围为-90度到90度,从对称轴逆时针旋转到射线时,φ取正,从对称轴顺时针旋转到射线时,φ取负。
基于群角,设函数:
其中,φ代表群角,v代表介质速度,θ代表波矢量与对称轴夹角,即相角。公式(1)的零点为群角φ对应的相角,由于各向异性介质的对称性,公式(1)的定义域可以限定为[0,π/2],由于qP波群角在[0,π/2]是相角的单调递增函数,所以f(θ)在定义域范围内只存在单根。
考虑牛顿迭代法,在多数各向异性情况下相角和群角相差不大,可以将群角作为迭代初始值,但在强各向异性条件下,在某些角度,群角和相角相差很大,可能导致牛顿法不收敛,或者一次迭代之后角度不在定义域内,为了防止这些问题的发生,采用牛顿下山法,迭代初值选为群角,得到公式(2)为
其中,λ表示下山因子,则有公式(3):
利用公式(2)进行迭代过程中,定义下降条件为f(θ)减小并且θk+1在定义域内,当不满足下降条件时,可以让下山因子λ从1开始减半,直到满足下降条件,当精度达到要求或者达到最大迭代次数时迭代停止,求得相角。本领域技术人员可以在实际计算中,控制迭代次数,来保证计算效率。
在一个示例中,基于相角,可以获得群速度。
在一个示例中,获得群速度可以为:
其中,表示群速度,V表示介质速度,表示群角,θ表示相角,表示群角关于相角的关系。
具体地,根据牛顿下山发求得的群相关系,将群角和相角代入公式(4)求得群速度。
在一个示例中,基于群速度,可以获得初始旅行时。
在一个示例中,初始旅行时可以为:
其中,tij表示从xi点到xi点的初始旅行时,Vg(xi,r)、Vg(xj,r)分别表示xi点与xj点的群速度,r表示射线方向。
具体地,可以将传统各向同性最短路径射线追踪推广到各向异性过程,得到公式(5)。
在一个示例中,基于射线数据,可以获得射线宽度。
在一个示例中,射线宽度可以为:
其中,Knp(s,q)表示射线宽度,(s,q)表示射线中心坐标系,s表示沿射线的弧长,q表示垂直于射线的距离,σ表示标准差。
具体地,最短路径射线追踪技术,即在全局速度场中寻找一点到另一点的最小走时,将其作为两点间的旅行时,将其路径作为两点间相应的射线路径。具体实现为:1)初始时Q集合包含所有节点,除震源S的旅行时已知为ts=0外,其余所有节点的旅行时均为ti(i属于Q但不等于S),集合为空集;2)在Q中找一个旅行时最小的节点i,它的旅行时为ti;3)确定与节点i相连的所有节点的集合V;4)求节点j(j属于V且j不属于P)与节点i连线的旅行时dt;5)求节点j的新旅行时tj(取原有旅行时tj与tj+dt的最小值);6)将i点从Q集合转到P集合;7)若P集合中的节点个数小于总节点数N,转2),否则结束旅行时追踪;8)从接收点开始倒推出各道从源点到接收点的射线路径,每个节点记下使它形成最小旅行时的前一个节点号,就可以倒推出射线路径。
由于射线传播理论基于波场的高频近似理论,所以与真实波传播规律不符,因此传统的最短路径基础上,将射线形态扩展成有一定宽度的射线,即射线的宽度沿垂直射线方向可以是常数或者按一定规律衰减。若垂直射线方向呈高斯衰减且其积分为1,那么射线宽度为公式(6)。
在一个示例中,基于初始旅行时与射线宽度,可以获得模型旅行时。
在一个示例中,模型旅行时可以为:
Tij=Knp(s,q)*tij (7)
其中,Tij表示模型旅行时。
具体地,将公式(5)与公式(6)带入公式(7),获得模型旅行时。
应用示例
为便于理解本发明实施方式的方案及其效果,以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解,该示例仅为了便于理解本发明,其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
设计一各向同性均匀介质模型,模型大小为1000m*1000m,网格大小为10m*10m,各向异性参数为,vp0=1000m·s-1,vs0=600m·s-1,ε=0.2,δ=0.1,炮点位置在(500m,500m)处。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的各向同性均匀介质模型的计算旅行时的等值线的示意图。由图可知,计算旅行时等值线波前为椭圆,符合地震波传播特性。
基于群角,设函数:
公式(1)的零点为群角φ对应的相角,由于各向异性介质的对称性,公式(1)的定义域限定为[0,π/2]。
采用牛顿下山法,迭代初值选为群角,得到公式(2)为:
其中,λ表示下山因子,则有公式(3):
利用公式(2)进行迭代过程中,定义下降条件为f(θ)减小并且θk+1在定义域内,当不满足下降条件时,可以让下山因子λ从1开始减半,直到满足下降条件,当精度达到要求或者达到最大迭代次数时迭代停止,求得相角。
根据牛顿下山发求得的群相关系,将群角和相角代入公式(4):
求得群速度。
将传统各向同性最短路径射线追踪推广到各向异性过程,得到公式(5):
设垂直射线方向呈高斯衰减且其积分为1,那么射线宽度为公式(6):
将公式(5)与公式(6)带入公式(7):
Tij=Knp(s,q)*tij (7),
获得模型旅行时。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的各向同性均匀介质模型计算误差的示意图。将每个网格点的计算走时与理论走时相减,得到模型旅行时与理论走时的计算误差,如图4所示,相对误差控制在0.1%以内,在可以接受的范围,证明本方法计算旅行时的准确性。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的各向异性介质模型的速度的示意图,模型共有3层,上下两层为各向同性介质,中间一层为各向异性介质,其内部夹有一个高速异常TTI介质。图6示出了根据本发明的一个实施方式的TTI介质各向异性的ε模型的示意图。图7示出了根据本发明的一个实施方式的TTI介质各向异性的δ模型的示意图。图8示出了根据本发明的一个实施方式的TTI介质各向异性的角度模型的示意图。模型大小1500m*200m,网格大小10m*5m,采取地表激发,地表接收的观测系统,炮点检波点均匀布置在地表,共151炮,每炮151道,炮距道距均为10m。
图9示出了根据本发明的一个实施方式的TTI各向异性介质模型的射线旅行时的示意图,如图9所示,通过各向异性初至波射线追踪,得到各向异性模型的真实射线路径。
综上所述,本方法通过将射线形态扩展成有一定宽度的射线,能够更好的模拟对真实介质中波场的传播现象。
本领域技术人员应理解,上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果,并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。
实施方式2
根据本发明的实施方式,提供了一种各向异性介质初至波射线追踪系统,所述系统可以包括:用于基于群角,获得相角的单元;用于基于相角,获得群速度的单元;用于基于群速度,获得初始旅行时的单元;用于基于射线数据,获得射线宽度的单元;以及用于基于初始旅行时与射线宽度,获得模型旅行时的单元。
该实施方式通过将射线形态扩展成有一定宽度的射线,能够更好的模拟对真实介质中波场的传播现象。
在一个示例中,获得群速度可以为:
其中,表示群速度,V表示介质速度,表示群角,θ表示相角,表示群角关于相角的关系。
在一个示例中,初始旅行时可以为:
其中,tij表示从xi点到xi点的初始旅行时,Vg(xi,r)、Vg(xj,r)分别表示xi点与xj点的群速度,r表示射线方向。
在一个示例中,射线宽度可以为:
其中,Knp(s,q)表示射线宽度,(s,q)表示射线中心坐标系,s表示沿射线的弧长,q表示垂直于射线的距离,σ表示标准差。
在一个示例中,模型旅行时可以为:
Tij=Knp(s,q)*tij (7)
其中,Tij表示模型旅行时。
本领域技术人员应理解,上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果,并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施方式,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。
Claims (10)
1.一种各向异性介质初至波射线追踪方法,包括:
基于群角,获得相角;
基于所述相角,获得群速度;
基于所述群速度,获得初始旅行时;
基于射线数据,获得射线宽度;以及
基于所述初始旅行时与所述射线宽度,获得模型旅行时。
2.根据权利要求1所述的各向异性介质初至波射线追踪方法,其中,获得所述群速度为:
其中,表示群速度,V表示介质速度,表示群角,θ表示相角,表示群角关于相角的关系。
3.根据权利要求2所述的各向异性介质初至波射线追踪方法,其中,所述初始旅行时为:
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其中,tij表示从xi点到xi点的初始旅行时,Vg(xi,r)、Vg(xj,r)分别表示xi点与xj点的群速度,r表示射线方向。
4.根据权利要求3所述的各向异性介质初至波射线追踪方法,其中,所述射线宽度为:
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其中,Knp(s,q)表示所述射线宽度,(s,q)表示射线中心坐标系,s表示沿射线的弧长,q表示垂直于射线的距离,σ表示标准差。
5.根据权利要求4所述的各向异性介质初至波射线追踪方法,其中,所述模型旅行时为:
Tij=Knp(s,q)*tij (7)
其中,Tij表示所述模型旅行时。
6.一种各向异性介质初至波射线追踪系统,包括:
用于基于群角,获得相角的单元;
用于基于所述相角,获得群速度的单元;
用于基于所述群速度,获得初始旅行时的单元;
用于基于射线数据,获得射线宽度的单元;以及
用于基于所述初始旅行时与所述射线宽度,获得模型旅行时的单元。
7.根据权利要求6所述的各向异性介质初至波射线追踪系统,其中,获得所述群速度为:
其中,表示群速度,V表示介质速度,表示群角,θ表示相角,表示群角关于相角的关系。
8.根据权利要求7所述的各向异性介质初至波射线追踪系统,其中,所述初始旅行时为:
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其中,tij表示从xi点到xi点的初始旅行时,Vg(xi,r)、Vg(xj,r)分别表示xi点与xj点的群速度,r表示射线方向。
9.根据权利要求8所述的各向异性介质初至波射线追踪系统,其中,所述射线宽度为:
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其中,Knp(s,q)表示所述射线宽度,(s,q)表示射线中心坐标系,s表示沿射线的弧长,q表示垂直于射线的距离,σ表示标准差。
10.根据权利要求9所述的各向异性介质初至波射线追踪系统,其中,所述模型旅行时为:
Tij=Knp(s,q)*tij (7)
其中,Tij表示所述模型旅行时。
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