CN110737018A - Vsp地震资料各向异性建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种VSP地震资料各向异性建模方法，该VSP地震资料各向异性建模方法包括：步骤1，读取地震观测记录，构建地震观测系统；步骤2，建立参数初始模型；步骤3，将震源波场正向延拓，求取记录残差；步骤4，将震源波场逆向延拓，求取梯度；步骤5，求取迭代步长，更新模型参数；步骤6，判断是否满足收敛条件，在满足收敛条件时，输出模型。该VSP地震资料各向异性建模方法针对VSP地震资料进行的全波场波形反演，能够在于地面记录不同的方向上接收地震波，使得全波形反演的过程中对于陡倾角的地质构造有很好的恢复效果，最终的反演结果，能够改善复杂地质构造的成像与解释结果。

Description

VSP地震资料各向异性建模方法
技术领域
本发明涉及地球物理学技术领域，特别是涉及到一种VSP地震资料各向异性建模方法。
背景技术
伴随地学研究与石油物探的水平与内涵不断增加，地震勘探的需求正逐步增多，地震勘探的精度也正在不断提高。为适应油气藏动态预测、岩性分析与构造分析等需求，因而进行更高质量的地震数据处理。常规地震勘探中，采用地表激发人工震源，通过分布于地表的检波器接收的方法，进而对地震资料进行叠加、去噪、偏移与反演等一系列处理流程，得到最后的地震处理结果。VSP地震技术(Vertical seismic profiling,垂直地震剖面)，是指在地表设置震源激发地震波，在井中安置检波器，即在垂直方向观测人工场。 VSP技术提供了地下地层结构与测量参数之间的最直接的对应关系。 VSP资料可以为地震勘探提供更多的波场信息，具有分辨率高，信噪比高，且井中接收到的地震记录只穿过一次低减速带，因此相比地面资料地震波能量的衰减更小，所以对深层成像有其特有优势。其次地面地震勘探由于观测限制，很难观测到目标层盐丘体及其侧翼的和盐下信息。而VSP技术可以弥补地面资料的这些不足。因此无论在勘探领域，还是在开发领域，VSP技术都有其特有的优势和作用。
各向异性性质是地球介质中的普遍现象，在沉积地层中，地震波的传播速度随着传播方向变化而发生变化，目前较为普遍的各向异性模型为VTI介质模型，即在横向上表现为各向同性性质，但是在垂直剖面上体现出各向异性性质。在油气勘探领域，有些复杂岩层或者地质构造的各向异性可达50％以上，如页岩、盐丘侧翼和岩下构造等等，在资料处理的过程中，考虑各向异性性质，能有效的提高的反演效果，为储层预测与地震资料解释提供更多的依据，提高勘探精度。在考虑各向异性的情况下，VSP技术能够提供垂直方向的地震记录，相比于常规地面接收，不同方向的波场信息对于各向异性介质反演效果尤其明显。为此我们发明了一种新的VSP地震资料各向异性建模方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对VSP地震资料，解决地球介质各向异性引起的处理结果上的偏差，提供精确的地下参数模型的VSP 地震资料各向异性建模方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：VSP地震资料各向异性建模方法，该VSP地震资料各向异性建模方法包括：步骤1，读取地震观测记录，构建地震观测系统；步骤2，建立参数初始模型；步骤3，将震源波场正向延拓，求取记录残差；步骤4，将震源波场逆向延拓，求取梯度；步骤5，求取迭代步长，更新模型参数；步骤6，判断是否满足收敛条件，在满足收敛条件时，输出模型。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，通过读取地震观测记录的位置坐标以及波场信息，构建VSP地震记录的观测系统；在算法中构建有限差分法所需的网格空间，使用交错网格技术，交错网格技术是同时开辟两套互相交错的网格，分别代表质点振动的速度与应力分量。
在步骤2中，进行全波形反演，全波形反演的任务就是通过初始的参数模型获得更加精细的模型。
在步骤3中，根据已有的地下介质参数以及横向各向同性介质中的伪纵波方程，使用有限差分解法，求取地震波场在每一个时刻的数值解。
在步骤3中，根据步骤1中的观测系统，在求取波场数值解的同时，记录检波点处波场信息；根据震源波场正向延拓得到的地震模拟记录与观测地震数据进行对比，求取残差；在求取波场残差中使用最小二乘意义下的波场残差，将所有地震记录残差求和，得到最小二乘意义下的目标函数，目标函数是反演过程中衡量参数模型与真实地下介质差距的重要指标，
Figure RE-GDA0002321041930000031
公式(1)是震源波场正向延拓所用的横向各向同性介质伪纵波方程；由于在各向异性介质中，地震波的偏振特性发生变化，纵波振幅不再与传播方向一致，因此被定义为伪纵波；公式中σV以及σH表示地震波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx和Vz分别代表波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，Vp表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性介质中的Thomsen参数，用以表征各向异性介质中的方向性差异；x表示地面水平方向坐标， z表示地下介质深度；t表示地震波的传播时间；使用有限差分法求解，设置初始状态，即t＝0波场值为0；按照公式(1)推导递推格式进行正向延拓；
有限差分的递推格式如下：
Figure RE-GDA0002321041930000041
式中，Δt,Δx分别表示时间离散与空间离散的步长；上标1代表所求时刻的波场变量，上标0代表当前时刻的波场变量。
在步骤4中，使用伴随状态法，进行波场逆推，求取更新梯度：伴随波场的满足方程：MTλ＝s'，在逆推过程中，使用如下方程进行有限差分法逆推：
Figure RE-GDA0002321041930000051
对目标函数求取梯度
Figure RE-GDA0002321041930000052
其中M表示伴随波场的方程矩阵，T表示矩阵的转置；λ表示伴随波场，s’表示伴随波场的源，通常为地震记录残差；E表示反演的目标函数；公式中σ'V以及σ'H表示伴随波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx'和Vz'分别代表伴随波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，v 表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性参数；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度；t表示地震波的传播时间；
基于伴随状态法求得梯度公式如下：
Figure RE-GDA0002321041930000053
Figure RE-GDA0002321041930000054
公式中σ'V以及σ'H表示伴随波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx'和Vz'分别代表伴随波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，v表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性参数；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度；t表示地震波的传播时间；
根据以上梯度公式，在记录残差逆推的过程中，结合初始模型正演波场的各个分量，求取梯度。
在步骤5中，将步骤4求得的梯度进行归一化处理，即梯度中的每一个数值的绝对值均小于1；由于线性近似，将全波形反演的试探步长控制在一定范围内，使得整个反演过程保持稳定；根据计算得到的步长与归一化的梯度，对vp，δ，ε三个参数进行更新，其中 vp代表横向各向同性介质轴向的纵波速度，δ和ε为各向异性VTI介质的Thomsen参数，得到新的参数模型。
在步骤6中，通过步骤5获得新的地下介质参数，进行地震波场正向延拓并且求取地震记录，求取残差并获得新的目标函数数值；如果地震记录的残差小于规定的数值，则停止迭代，输出已有的参数模型；若地震记录残差大于规定的数值，则返回到步骤3，继续迭代使目标函数保持收敛。
本发明中的VSP地震资料各向异性建模方法，针对VSP地震资料进行的全波场波形反演，能够在于地面记录不同的方向上接收地震波，使得全波形反演的过程中对于陡倾角的地质构造有很好的恢复效果，最终的反演结果，能够改善复杂地质构造的成像与解释结果。本发明的有益效果是具有更精确的全波场波形反演方法，能够克服地下介质各向异性影响，对VSP地震资料与地面资料进行处理，得到精确的地下介质参数模型。
附图说明
图1为本发明的VSP地震资料各向异性建模方法的一具体实施例的流程图；
图2为本发明的一具体实施例中洼陷模型的示意图；
图3为本发明的一具体实施例中洼陷模型VSP地震记录(多炮) 的示意图；
图4为本发明的一具体实施例中洼陷模型VSP全波形反演结果的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的VSP地震资料各向异性建模方法的流程图。
(1)读取地震观测记录，构建地震观测系统。
通过读取地震观测记录的位置坐标以及波场信息，构建VSP地震记录的观测系统。具体做法是在算法中构建有限差分法所需的网格空间，本发明使用交错网格技术，交错网格技术是同时开辟两套互相交错的网格，分别代表质点振动的速度与应力分量。交错网格能够有效提高空间精度，并且能够提高算法的稳定性。VSP地震记录。图3表示地震记录，是检波点在井中所记录的振动信息。其纵轴表示时间，横轴表示地震道。图3表示各向异性介质中的多炮记录，在横轴不变时，表示地震记录上的某一道信息所记录的单炮引起的井中检波器振动随着时间变化的情况。
(2)参数初始模型建立。
全波形反演作为一种反演的方法，初始模型参数对于反演过程来说是必不可少的，初始模型的建立依赖于速度谱，地震层析技术等方法。全波形反演的任务就是通过初始的参数模型获得更加精细的模型。图2是地震勘探中常见的洼陷模型的速度参数，其纵轴表示距离地表的深度，横轴表示在地面上的坐标。在理想状态下，全波形反演方法可以通过粗糙的速度模型获得图2中精细的模型。
(3)震源波场正向延拓，求取记录残差。
地震波场的正向延拓过程，即地震波场正演，根据已有的地下介质参数(速度参数、各向异性参数、密度)以及VTI介质中的qP 波方程(横向各向同性介质中的伪纵波方程)，使用有限差分解法，求取地震波场在每一个时刻的数值解。根据(1)中的观测系统，在求取波场数值解的同时，记录检波点处波场信息。根据震源波场正向延拓得到的地震模拟记录与观测地震数据进行对比，求取残差。本发明专利在求取波场残差中使用最小二乘意义下的波场残差，将所有地震记录残差求和，得到最小二乘意义下的目标函数。目标函数是反演过程中衡量参数模型与真实地下介质差距的重要指标。
Figure RE-GDA0002321041930000091
公式(1)是震源波场正向延拓所用的横向各向同性介质伪纵波方程也称VTI(vertical transversely isotropic)介质的qP 波(quasi—P waves)方程。由于在各向异性介质中，地震波的偏振特性发生变化，纵波振幅不再与传播方向一致，因此被定义为伪纵波(qP波)，公式中σV以及σH表示地震波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx和Vz分别代表波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，Vp表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性介质中的Thomsen参数，用以表征各向异性介质中的方向性差异；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度。t表示地震波的传播时间。使用有限差分法求解，设置初始状态，即t＝0波场值为0；按照公式(1)推导递推格式进行正向延拓。
有限差分的递推格式如下：
Figure RE-GDA0002321041930000092
Figure RE-GDA0002321041930000101
Figure RE-GDA0002321041930000102
式中，Δt,Δx分别表示时间离散与空间离散的步长。上标1代表所求时刻的波场变量，上标0代表当前时刻的波场变量。
(4)震源波场逆向延拓，求取梯度。
定义最小二乘目标函数为：
Figure RE-GDA0002321041930000103
加入约束条件：
Figure RE-GDA0002321041930000104
其中，λ为伴随波场，λ＝[v'x v'z σ'x σ'z]T，p为计算得到的波场，
Figure RE-GDA0002321041930000105
表示观测地震记录。Mp-s＝0代表了波场的各向异性方程。E表示反演的目标函数。通过伴随波场λ的求导，得到了伴随波场的方程：
Figure RE-GDA0002321041930000106
因此，伴随波场的满足方程：MTλ＝s'，即：
Figure RE-GDA0002321041930000111
对目标函数求取梯度
Figure RE-GDA0002321041930000112
其中M表示伴随波场的方程矩阵，T表示矩阵的转置。s表示波场的源。s’表示伴随波场的源。公式中σ'V以及σ'H表示伴随波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx' 和Vz'分别代表伴随波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，v表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性参数；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度。t表示地震波的传播时间。
Figure RE-GDA0002321041930000113
Figure RE-GDA0002321041930000114
Figure RE-GDA0002321041930000115
公式中σ'V以及σ'H表示伴随波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx'和Vz'分别代表伴随波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，v表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性参数；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度。t表示地震波的传播时间。根据以上梯度公式，可以在记录残差逆推的过程中，结合初始模型正演波场的各个分量，求取梯度。
(5)求取迭代步长，更新模型参数。
最小二乘目标函数下的全波形反演，在数学上可以近似表示为二次型问题，即系数矩阵近似为对称矩阵。因此可以将目标函数随步长的变化看做二次函数，使用三点法求出每次迭代所适合的最佳步长，即在二次型近似的条件下，目标函数的最小值点。将步骤(4) 求得的梯度进行归一化处理，即梯度中的每一个数值的绝对值均小于1。由于线性近似，全波形反演的试探步长需要控制在一定范围内(5％)，使得整个反演过程保持稳定。根据计算得到的步长与归一化的梯度，对vp，δ，ε(VTI介质轴向速度，以及Thomsen参数δ，ε)三个参数进行更新，得到新的参数模型。
(6)判断是否满足收敛条件，输出模型
通过(5)获得新的地下介质参数，进行地震波场正向延拓并且求取地震记录，求取残差并获得新的目标函数数值。如果地震记录的残差小于规定的数值，则停止迭代，输出已有的参数模型。若地震记录残差大于规定的数值，继续迭代使目标函数保持收敛。图4表示通过VSP地震记录反演所得到的速度参数。由于VSP地震记录的接收方向不同于地面接收，因此对于陡倾角的恢复达到了理想的效果。

Claims (8)

1.VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，该VSP地震资料各向异性建模方法包括：
步骤1，读取地震观测记录，构建地震观测系统；
步骤2，建立参数初始模型；
步骤3，将震源波场正向延拓，求取记录残差；
步骤4，将震源波场逆向延拓，求取梯度；
步骤5，求取迭代步长，更新模型参数；
步骤6，判断是否满足收敛条件，在满足收敛条件时，输出模型。
2.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤1中，通过读取地震观测记录的位置坐标以及波场信息，构建VSP地震记录的观测系统；在算法中构建有限差分法所需的网格空间，使用交错网格技术，交错网格技术是同时开辟两套互相交错的网格，分别代表质点振动的速度与应力分量。
3.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤2中，进行全波形反演，全波形反演的任务就是通过初始的参数模型获得更加精细的模型。
4.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤3中，根据已有的地下介质参数以及横向各向同性介质中的伪纵波方程，使用有限差分解法，求取地震波场在每一个时刻的数值解。
5.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤3中，根据步骤1中的观测系统，在求取波场数值解的同时，
记录检波点处波场信息；根据震源波场正向延拓得到的地震模拟记录与观测地震数据进行对比，求取残差；在求取波场残差中使用最小二乘意义下的波场残差，将所有地震记录残差求和，得到最小二乘意义下的目标函数，目标函数是反演过程中衡量参数模型与真实地下介质差距的重要指标。
横向各向同性介质伪纵波方程为：
Figure RE-FDA0002249403340000021
公式(1)是震源波场正向延拓所用的横向各向同性介质伪纵波方程也称VTI(verticaltransversely isotropic)介质的qP波(quasi—P waves)方程。由于在各向异性介质中，地震波的偏振特性发生变化，纵波振幅不再与传播方向一致，因此被定义为伪纵波(qP波)，公式中σV以及σH表示地震波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx和Vz分别代表波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，Vp表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性介质中的Thomsen参数，用以表征各向异性介质中的方向性差异；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度。t表示地震波的传播时间。使用有限差分法求解，设置初始状态，即t＝0波场值为0；按照公式(1)推导递推格式进行正向延拓。
有限差分的递推格式如下：
Figure RE-FDA0002249403340000022
式中，Δt,Δx分别表示时间离散与空间离散的步长。上标1代表所求时刻的波场变量，上标0代表当前时刻的波场变量。
6.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤4中，使用伴随状态法，进行波场逆推，求取更新梯度：伴随波场的满足方程：MTλ＝s，在逆推过程中，使用如下方程进行有限差分法逆推：
Figure RE-FDA0002249403340000032
对目标函数求取梯度
Figure RE-FDA0002249403340000033
其中M表示伴随波场的方程矩阵，T表示矩阵的转置。λ表示伴随波场，s′表示伴随波场的源，通常为地震记录残差。E表示反演的目标函数。公式中σV′以及σH′表示伴随波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx′和Vz′分别代表伴随波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，v表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性参数；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度。t表示地震波的传播时间。
基于伴随状态法求得梯度公式如下：
Figure RE-FDA0002249403340000041
Figure RE-FDA0002249403340000042
Figure RE-FDA0002249403340000043
公式中σV′以及σH′表示伴随波场的垂直应力分量与水平应力分量；Vx′和Vz′分别代表伴随波场的水平速度分量与垂直速度分量；ρ表示地下介质的密度，v表示VTI介质的轴向速度，ε和δ表示各向异性参数；x表示地面水平方向坐标，z表示地下介质深度。t表示地震波的传播时间。
根据以上梯度公式，在记录残差逆推的过程中，结合初始模型正演波场的各个分量，求取梯度。
7.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤5中，将步骤4求得的梯度进行归一化处理，即梯度中的每一个数值的绝对值均小于1；由于线性近似，将全波形反演的试探步长控制在一定范围内，使得整个反演过程保持稳定；根据计算得到的步长与归一化的梯度，对vp，δ，ε(vp代表VTI介质轴向的纵波速度，δ和ε为各向异性VTI介质的Thomsen参数)三个参数进行更新，得到新的参数模型。
8.根据权利要求1所述的VSP地震资料各向异性建模方法，其特征在于，在步骤6中，通过步骤5获得新的地下介质参数，进行地震波场正向延拓并且求取地震记录，求取残差并获得新的目标函数数值；如果地震记录的残差小于规定的数值，则停止迭代，输出已有的参数模型；若地震记录残差大于规定的数值，则返回到步骤3，继续迭代使目标函数保持收敛。
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