CN109655891B - 克服全波形反演周波跳跃的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种克服全波形反演周波跳跃的方法及系统，该方法包括：基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；计算深度偏移剖面的结构特征张量；基于地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；基于结构特征张量对速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；基于预处理后的速度梯度，更新速度模型。其优点在于：包络反演具有重构低波数背景速度场能力，联合采用地质构造约束的梯度预条件算子，可有效解决传统全波形反演周波跳跃，易于陷入局部极值的问题，进而使实际资料反演更加稳健，更易收敛到全局极小值。
Description
技术领域
本发明涉及石油物探领域，更具体地，涉及一种克服全波形反演周波跳跃的方法及系统。
背景技术
随着油气勘探的日益精细化、复杂化，高精度的速度建模在地球物理处理中扮演着越来越重要的角色。由于地震波速度不仅决定偏移成像的质量而且与岩石性质关系密切，能够反映岩石类别和富含流体情况，最终还可以影响地震解释结果的可信性，因而地震波速度是一个非常重要的地层物性参数。
地震全波形反演方法在反演过程中会匹配地震波的走时、振幅和相位信息，目前是建模精度最高的一种方法，由于其具有高度非线性性，对初始模型具有高度依赖性，当初始模型较差时，在匹配过程中会出现周波跳跃问题，从而使全波形反演陷入局部极小值的问题。
目前业内为了克服全波形反演对初始速度模型的依赖，降低传统全波形反演的周波跳跃问题，采用Laplace域、Laplace-Fourier波形反演方法，利用阻尼波场Fourier变换的零频分量，反演得到低波数度模型；吴如山教授项目组、中国石油大学(华东)、同济大学借鉴天然地震中的包络反演思想，利用信号的包络开展低波数背景速度重建；法国傅里叶大学、吉林大学等知名高校采用旅行时主导匹配反演方法，在波形反演过程中更注重走时的匹配，在此条件下构建更加稳健的低波数背景速度方案。以上方法并不能使全波形反演收敛到全局极小值。
因此，有必要开发一种有效解决波形反演的周波跳跃问题，使全波形反演更易收敛到全局极小值的全波形反演周波跳跃的方法及系统。
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
本发明提出了一种克服全波形反演周波跳跃的方法及系统，其能够通过采用地震数据的包络对地下介质模型的低波数背景速度模型成分进行重构，在反演迭代过程中采用地质构造导向约束预条件方法对梯度预处理，解决了波形反演的周波跳跃问题，使全波形反演更易收敛到全局极小值。
根据本发明的一方面，提出了一种克服全波形反演周波跳跃的方法，所述方法包括：
基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
计算所述深度偏移剖面的结构特征张量；
基于所述地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
基于所述结构特征张量对所述速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
基于所述预处理后的速度梯度，更新速度模型。
优选地，获得所述深度偏移剖面包括：
基于CMP地震数据道集构建所述初始速度模型；
基于所述初始速度模型、所述地震数据和叠前深度偏移成像算子，获得所述深度偏移剖面。
优选地，所述叠前深度偏移成像算子为Kirchhoff叠前深度偏移算子、单程波深度偏移算子或逆时偏移算子。
优选地，通过图像学理论，计算所述深度偏移剖面的结构特征张量。
优选地，一阶对称半正定的结构特征张量矩阵为：
对上式进行特征值分解可得：
T＝λuuuT+λvvvT
式中，λu≥λv≥0为特征值；
u，v分别为特征值对应的特征向量。
优选地，所述速度梯度为：
其中，E＝esyn(t)-eobs(t)；
式中，y(t)为模拟的地震信号；
yH(t)为模拟地震信号的希尔伯特变换；
esyn(t)为模拟地震信号的包络
eobs(t)为观测地震信号的包络；
χ为L2范数约束下的地震信号包络和模拟地震信号包络的残差。
优选地，地震信号的包络为：
式中，u(t)为地震信号；
uH(t)为地震信号的希尔伯特变换。
优选地，地震信号包络和模拟地震信号包络的残差L2范数目标泛函数为：
其中，
优选地，所述更新速度模型为：
vn+1＝vn+αGn
式中，vn+1为第(n+1)次迭代的低波数背景速度；
Gn为基于结构特征张量平滑预处理后的梯度；
α为步长。
根据本发明的另一方面，提出了一种克服全波形反演周波跳跃的系统，所述系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
计算所述深度偏移剖面的结构特征张量；
基于所述地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
基于所述结构特征张量对所述速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
基于所述预处理后的速度梯度，更新速度模型。
本法提出了一种克服全波形反演周波跳跃的方法及系统，其优点在于：包络反演具有重构低波数背景速度场能力，联合采用地质构造约束的梯度预条件算子，可有效解决传统全波形反演周波跳跃，易于陷入局部极值的问题，进而使实际资料反演更加稳健，更易收敛到全局极小值。
本发明的方法和系统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例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例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例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种克服全波形反演周波跳跃的方法的步骤的流程图。
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例，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例所限制。相反，提供这些实施例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。
本发明提供了一种克服全波形反演周波跳跃的方法，该方法包括：
基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
计算深度偏移剖面的结构特征张量；
基于地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
基于结构特征张量对速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
基于预处理后的速度梯度，更新速度模型。
作为优选方案，获得深度偏移剖面包括：
基于CMP地震数据道集构建初始速度模型；
基于初始速度模型、地震数据和叠前深度偏移成像算子，获得深度偏移剖面。
其中，获得深度偏移剖面，得到地下介质构造f(x)，其中x表示空间向量。
作为优选方案，叠前深度偏移成像算子为Kirchhoff叠前深度偏移算子、是单程波深度偏移算子或逆时偏移算子。
其中，通过图像学理论，计算深度偏移剖面的结构特征张量。
在图像学领域中可以把深度偏移剖面看做一幅图像，偏移图像的地质构造具有显著的方向性文理结构，求解文理结构得到结构张量以用于表征偏移图像的局部结构信息，即构造特征的主要变化方向及变化速率。
作为优选方案，对于二维偏移剖面数据体，它在每点的一阶对称半正定结构张量矩阵为：
对上式进行特征值分解可得：
T＝λuuuT+λvvvT
式中，λu≥λv≥0为特征值；
u，v分别为特征值对应的特征向量。
其中，特征值及特征向量刻画了局部图像的特征。
当两个特征值均为零时，图像区域为常数；当两个特征值相等并都大于零时表示图像为各向同性；当两个特征值不相等并均大于零时表示图像为各向异性，且局部图像区域内存在主方向，较大特征值对应的特征向量表示图像梯度变化最快的方向，其与图像局部的线性特征方向垂直，相对而言较小特征值对应的特征向量代表了图像局部的线性方向。
作为优选方案，速度梯度为：
其中，E＝esyn(t)-eobs(t)；
式中，y(t)为模拟的地震信号；
yH(t)为模拟地震信号的希尔伯特变换；
esyn(t)为模拟地震信号的包络；
eobs(t)为观测地震信号的包络；
χ为L2范数约束下的地震信号包络和模拟地震信号包络的残差。
其中，地震信号的包络为：
式中，u(t)为地震信号；
uH(t)为地震信号的希尔伯特变换。
其中，地震信号包络和模拟地震信号包络的残差L2范数目标泛函数为：
其中，
基于初始速度模型，利用地震数据的包络信息进行低波数背景速度重构，在重构过程中采用地质构造导引的梯度预条件算子对包络梯度与条件平滑处理。
作为优选方案，包络反演在重构低波数背景速度过程中采用非线性优化迭代算法更新，更新速度模型为：
vn+1＝vn+αGn
式中，vn+1为第(n+1)次迭代的低波数背景速度；
Gn为基于结构特征张量平滑预处理后的梯度；
α为步长。
其中，Gn即为地质构造导引滤波算子对包络反演梯度沿构造各向异性滤波后得到的梯度。
其中，平滑滤波算子过程可采用近似的各向异性扩散方程构建：
式中，D(x)为扩散张量；
Gv(x)为构造约束滤波前的梯度；
β为光滑因子。
上式的主要作用是沿着构造的方向对梯度做平滑处理。
其中，扩散张量与求解出的结构特征张量的特征值相同。
进一步地，光滑因子β越大，原始梯度沿构造方向扩散程度越大，滤波后的梯度越平滑，当β＝0时代表扩散程度为0，此时并未对原始梯度做任何处理操作。
作为优选方案，经过双线性变换之后可得近似各向异性方程的紧致矩阵算子为：
HGv(x)＝gv(x)
式中，H是与扩散张量有关的稀疏矩阵。
其中，采用共轭梯度法求解线性方程组可得沿构造光滑后的包络反演梯度。上式的主要作用是求取构造光滑后的梯度。
包络反演具有重构低波数背景速度场能力，联合采用地质构造约束的梯度预条件算子，可有效解决传统全波形反演周波跳跃，易于陷入局部极值的问题，进而使实际资料反演更加稳健，更易收敛到全局极小值。
本发明还提供了提供了一种克服全波形反演周波跳跃的系统，该系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，处理器运行存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
计算深度偏移剖面的结构特征张量；
基于地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
基于结构特征张量对速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
基于预处理后的速度梯度，更新速度模型。
实施例
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种克服全波形反演周波跳跃的方法的步骤的流程图。
如图1所示，本实施例提供了一种克服全波形反演周波跳跃的方法，该方法包括：
步骤1，基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
步骤2，计算深度偏移剖面的结构特征张量；
步骤3，基于地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
步骤4，基于结构特征张量对速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
步骤5，基于预处理后的速度梯度，更新速度模型。
其中，步骤1具体包括：利用CMP地震数据道集构建偏移成像需要的初始速度模型，基于初始速度模型和地震数据完成叠前深度域偏移成像，得到地下介质构造f(x)，其中x表示空间向量。该步骤采用的叠前深度偏移成像算子可以是Kirchhoff叠前深度偏移算子，也可以是单程波深度偏移或逆时偏移算子。
步骤2具体包括：构建地质构造导引的梯度预条件平滑算子，采用图像学理论可以把步骤1中得到的偏移成像看做一幅图像，偏移图像的地质构造具有显著的方向性纹理结构，求解纹理结构得到结构张量以用于表征图像的局部结构信息，即构造特征的主要变化方向及变化速率。
对于二维偏移成像数据体，它在每点的一阶对称半正定结构张量矩阵为：
对上式进行特征值分解可得：
T＝λuuuT+λvvvT
式中，λu≥λv≥0为特征值；
u，v分别为特征值对应的特征向量。
当两个特征值均为零时，图像区域为常数；当两个特征值相等并都大于零时表示图像为各向同性；当两个特征值不相等并均大于零时表示图像为各向异性，且局部图像区域内存在主方向，较大特征值对应的特征向量表示图像梯度变化最快的方向，其与图像局部的线性特征方向垂直，相对而言较小特征值对应的特征向量代表了图像局部的线性方向。
步骤3具体包括：给予观测地震记录，构建相应的包络信息成分，利用地震数据的包络构建包络对速度的梯度。
对地震资料处理后的单炮地震记录构建数据信号包络分量，包络的求解表达式为：
式中，u(t)为地震信号；
uH(t)为地震信号的希尔伯特变换；
eobs(t)为地震信号的包络。
计算观测地震信号包络和模拟地震信号包络的残差L2范数目标反函数为：
其中，
y(t)为模拟的地震信号；
yH(t)为模拟地震信号的希尔伯特变换。
则目标泛函数对速度模型的梯度为：
其中，E＝esyn(t)-eobs(t)；
步骤4具体包括：基于速度初始模型，利用地震数据的包络信息进行低波数背景速度重构，在重构过程中采用地质构造导引的梯度预条件算子对包络梯度与条件平滑处理。
包络反演在重构低波数背景速度过程中采用非线性优化迭代算法更新，速度更新的表达式为：
vn+1＝vn+αGn
式中vn+1表示第n+1次迭代的低波数背景速度，当n＝0时，v1表示初始速度模型，Gn为采用地质构造导引滤波算子对包络反演梯度沿构造各向异性滤波后得到的梯度。
平滑滤波算子过程可采用近似的各向异性扩散方程构建：
式中，D(x)代表扩散张量，为保证扩散方向沿着地面地震构造方向进行，扩散张量应与步骤2求解出的构造张量特征值一致，Gv(x)为构造约束滤波后的图像，β代表光滑因子，β越大，原始图像沿构造方向扩散程度越大，滤波后的图像越平滑，当β＝0时代表扩散程度为0，此时并未对原始梯度图像做任何预处理操作。
经过双线性变换之后可得近似各向异性方程的紧致矩阵算子为：
HGv(x)＝gv(x)
式中，H是与扩散张量有关的稀疏矩阵。采用共轭梯度法求解线性方程组可得沿构造光滑后的包络反演梯度。
以上已经描述了本发明的实施例，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实施例。在不偏离所说明的实施例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，旨在最好地解释实施例的原理、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实施例。
Claims (10)
1.一种克服全波形反演周波跳跃的方法，其特征在于，所述方法包括：
基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
计算所述深度偏移剖面的结构特征张量；
基于所述地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
基于所述结构特征张量对所述速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
基于所述预处理后的速度梯度，更新速度模型。
2.根据权利要求1所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，获得所述深度偏移剖面包括：
基于CMP地震数据道集构建所述初始速度模型；
基于所述初始速度模型、所述地震数据和叠前深度偏移成像算子，获得所述深度偏移剖面。
3.根据权利要求2所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，所述叠前深度偏移成像算子为Kirchhoff叠前深度偏移算子、单程波深度偏移算子或逆时偏移算子。
4.根据权利要求1所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，通过图像学理论，计算所述深度偏移剖面的结构特征张量。
5.根据权利要求4所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，一阶对称半正定的结构特征张量矩阵为：
对上式进行特征值分解可得：
T＝λuuuT+λvvvT
式中，λu≥λv≥0为特征值；
u，v分别为特征值对应的特征向量。
6.根据权利要求1所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，所述速度梯度为：
其中，E＝esyn(t)-eobs(t)；
式中，y(t)为模拟的地震信号；
yH(t)为模拟地震信号的希尔伯特变换；
esyn(t)为模拟地震信号的包络；
eobs(t)为观测地震信号的包络；
χ为L2范数约束下的地震信号包络和模拟地震信号包络的残差。
7.根据权利要求6所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，地震信号的包络为：
式中，u(t)为地震信号；
uH(t)为地震信号的希尔伯特变换。
8.根据权利要求6所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，地震信号包络和模拟地震信号包络的残差L2范数目标泛函数为：
其中，
9.根据权利要求6所述的克服全波形反演周波跳跃的方法，其中，所述更新速度模型为：
vn+1＝vn+αGn
式中，vn+1为第(n+1)次迭代的低波数背景速度；
Gn为基于结构特征张量平滑预处理后的梯度；
α为步长。
10.一种克服全波形反演周波跳跃的系统，其特征在于，所述系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
基于初始速度模型和地震数据，获得深度偏移剖面；
计算所述深度偏移剖面的结构特征张量；
基于所述地震数据的包络信息获得包络反演的速度梯度；
基于所述结构特征张量对所述速度梯度沿构造平滑预处理，获得预处理后的速度梯度；
基于所述预处理后的速度梯度，更新速度模型。
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| Title |
|---|
| "Full waveform inversion method using envelope objective function without low frequency data";Benxin Chi el;《Journal of Applied Geophysics》;20140711;第36-46页 * |
| "陆上地震资料全波形反演策略研究";王杰 等;《石油物探》;20170131;第56卷(第1期);第81-88页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109655891A (zh) | 2019-04-19 |
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