CN111175822A - 改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法 - Google Patents
改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法，包络运算为非线性运算，在波场重叠处计算包络场存在较大误差。本发明是在计算正传包络场之前对地震波场进行了上下左右行波分解，有效缓解了波场重叠对正传包络场计算的影响。将改进的包络场代入直接包络反演算法中即为改进的直接包络反演，其能对强散射体速度结构进行更好的刻画。针对强散射屏蔽区速度建模，本发明提出采用构造约束的扰动分解方法。利用逆时偏移成像结果约束扰动分解参数的选取能避免参数选取导致对强散射体的错误识别。将改进的直接包络反演方法与构造约束扰动分解方法联合，既能得到好的强散射体速度建模，也能得到较好的屏蔽区速度构造。
Description
技术领域：
本发明涉及一种利用改进直接包络反演方法获得强散射体大尺度结构、利用构造约束扰动分解方法得到强散射体下边界与屏蔽区速度结构的强散射介质反演方法。
背景技术：
目前，在地震勘探领域，速度建模精度最高的方法是全波形反演方法。全波形反演方法将速度反演问题看作以数据残差为目标函数的最优化问题，往往采用局部优化算法求解。常规全波形反演之所以可以采用局部优化算法求解，是其采用了玻恩近似这一弱散射近似。这导致常规全波形反演方法只能用来处理弱散射问题的反演。
近年来，随着盐丘体构造中油气藏的发现，工业界对盐丘体的速度建模问题十分关注。盐丘体与围岩往往具有较大速度反差，是典型的强散射体。常规全波形反演方法进行这类问题的速度建模是十分困难的，除非依赖非常低频的地震数据。而低频波场的激发和接收均较为困难，因此，目前认为在常规地震采集中，低频成分往往是不充分的。因此，研究低频缺失情况下强散射介质的速度建模具有重要的理论意义和实际意义。
直接包络反演方法是一种能够在低频地震信息缺失情况下进行强散射体速度建模的方法。其利用地震数据的包络直接映射地下介质的速度，能够得到强散射体的大尺度速度更新。目前，该方法已经发展了不依赖震源直接包络反演方法、反射波直接包络反演方法、带极性直接包络反演方法等。但是，在已有方法中，对正传包络场的计算均是采用对地震波场取包络。由于包络运算为非线性运算，即波场叠加的包络不等于包络的叠加。因此，在波场叠加区域，直接计算包络将产生明显的误差。另外，现有方法针对强散射屏蔽区速度反演还没有达到理想的效果。
发明内容：
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法。
本发明的思想是：基于波场分解的直接包络反演方法通过提高正传包络场的计算精度来提升强散射体的速度建模效果，基于构造约束的扰动分解方法在进行强弱散射构造分解时更具物理依据，两种方法的联合应用能够构造高精度的强散射介质速度模型，结合改进直接包络反演与构造约束扰动分解来提升强散射介质的反演效果，克服现有技术的不足。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
首先，在初始速度模型上进行正演模拟，得到正传波场；然后，对正传波场进行上下左右行波分解，分别对分解后的行波取包络得到行波包络场，加和形成总的正传包络场；对模拟记录和观测记录分别取包络，作差得到伴随源，伴随源反传得到伴随包络场，正传包络场与伴随包络场进行零延迟互相关运算，得到反演的梯度；选择合适步长，采用最速下降法更新速度模型，更新完成后进行常规全波形反演得到强散射体边界信息；以反演结果作为速度模型，进行逆时偏移成像，并据此选取扰动分解参数，扰动分解后采用常规全波形反演得到屏蔽区速度结构，达到结束条件后得到最终反演结果；
本发明所述的改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法是通过MATLAB平台实现的；
本发明所述的改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法，包括以下步骤：
a、安装MATLAB软件平台，要求采用MATLAB R2016a及以上版本，并且已配备并行工具包；
b、对数据进行静校正、去噪等预处理，得到高质量的观测地震数据；
c、对地震数据进行子波估计，提取每一炮数据的震源子波；
d、通过背景速度分析，得到大致速度范围的最大和最小值，生成一个在速度范围内，随深度逐渐递增的线性梯度模型，其中不含有强散射体的任何先验信息，作为反演的初始模型v0；
e、在初始模型上计算模拟地震数据，对模拟数据取包络得到模拟包络数据esyn，对观测地震数据取包络得到观测包络数据eobs，通过公式(1)计算改进直接包络反演的目标函数：
式中，求和符号下角标sr表示对所有震源和检波点进行积分，T表示总的记录时间长度；
f、在初始模型上计算模拟地震波场Pf，存储所有时间点的波场快照，对模拟波场进行上下行波分解，分别得到上行波Pfup和下行波Pfdown，再分别对上行波和下行波进行左右行波分解，得到上左行波Pfupleft、上右行波Pfupright、下左行波Pfdownleft和下右行波Pfdownright，对这四种行波分别取包络得到上左行包络场
上右行包络场
下左行包络场
和下右行包络场
对这四种包络场加和得到改进的正传包络场
g、计算模拟包络数据与观测包络数据的差，得到伴随源，伴随源反传得到伴随包络场
h、改进的正传包络场与伴随包络场进行零延迟互相关得到改进直接包络反演的梯度；
i、选择合适的步长，采用最速下降法对速度模型进行更新；
j、在更新后的模型上，采用公式(1)计算目标函数，判断反演是否收敛；如果反演收敛且未达到最大迭代次数，返回第f步骤继续迭代计算；如果反演不收敛或者达到最大迭代次数，输出结果作为改进直接包络反演结果vIDEI；
k、以vIDEI为初始模型进行常规全波形反演，得到vIDEI+FWI；
l、以vIDEI+FWI为速度模型，进行常规逆时偏移成像，根据成像结果约束勾画强散射体形态和边界，确定扰动分解的参数α，扰动分解的公式如下：
其中，v是反演得到的速度，v0是初始速度，x和z分别为水平和垂直位置，根据公式(2)从vIDEI+FWI中分解出强扰动速度体，背景速度填充为v0速度值，得到构造约束扰动分解后的速度模型vpd；
m、以vpd为初始模型，进行常规全波形反演。观察强散射体屏蔽区下方速度反演结果。若有明显高速异常，则返回l步骤计算；若无明显高速异常，则输出最终反演结果vfinal。
有益效果：本发明利用波场方向分解计算了高精度的正传包络场，提高了直接包络反演对强散射体的速度建模精度，并采用扰动分解方法提升了屏蔽区下方速度结构的反演效果。
有以下优点：1.本发明通过对正传波场进行上下左右行波分解，大大减弱了正传波场的重叠效应，对分解后的波场取包络再合成正传包络场，减小了波场重叠导致的包络场近似计算误差。2.本发明提出的改进的直接包络反演利用了基于波场分解技术的包络场作为正传包络场，提升了最终的反演质量。3.利用改进的直接包络反演可以构建强散射体的速度模型，利用基于构造约束的扰动分解可以构建屏蔽区下方的速度构造，二者结合能够得到高质量的强散射介质速度反演结果。4.在扰动分解过程中采用构造约束，使得扰动分解过程更具地质意义，减少了纯人工确定参数而可能导致的分解误差。5.本发明可以在地震数据低频信息缺失情况下进行强散射介质的速度建模。
附图说明：
图1为改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法的流程图。
图2初始速度模型图与真实速度模型图的比较图
(a)真实速度模型图，(b)初始速度模型图。
图3震源子波及其频谱图
(a)震源子波图(b)震源子波频谱图。
图4反演结果对比。
(a)常规直接包络反演结果；(b)常规直接包络反演+常规全波形反演结果；(c)改进直接包络反演结果；(d)改进直接包络反演+常规全波形反演结果。
图5构造约束扰动分解结果。
(a)逆时偏移结果；(b)构造约束扰动分解结果；(c)本发明方法的最终反演结果。
具体实施方式：
下面结合附图和实例对本发明进一步的详细说明。
本发明所述的基于改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法，包括以下步骤：
a、在win7或Linux系统下安装MATLAB软件平台，要求采用MATLAB R2016a及以上版本，并且已配备并行工具包(Parallel Computing Toolbox)；
b、进行数据预处理，对数据进行静校正处理，校正起伏地表对反射同相轴的影响；对数据进行去噪处理，去除微震、低频和高频背景噪声及其他随机噪声；去除干扰波，包括声波、面波、工业电干扰、虚反射、多次反射、侧面波、底波、交混回响和鸣震等。最终得到高质量的观测地震数据；
c、对地震数据进行子波估计，估计方法可以采用直达波估计法和自相关法等，提取出每一炮数据的震源子波；
d、通过速度分析，得到背景模型速度的最大和最小值的估计，生成一个在速度范围内，随深度逐渐递增的线性梯度模型，作为反演的初始模型v0，其中不含有强散射体的任何信息。初始模型的表达式为(3)式
v0(i)＝vmin+(i-1)*(vmax-vmin)/(n-1), (3)
式中，v0为初始速度模型值，vmin和vmax分别为速度分析估计的最小和最大速度，i为模型纵向网格坐标，n为模型纵向最大网格点数。
e、在初始模型上计算模拟地震数据，对模拟数据取包络得到模拟包络数据esyn。对观测地震数据取包络得到观测包络数据eobs。通过公式(4)计算改进直接包络反演的目标函数：
式中，求和符号下角标sr表示对所有震源和检波点进行积分，T表示总的记录时间长度。
f、在初始模型上计算模拟地震波场Pf，存储所有时间点的波场快照。对模拟波场进行上下行波分解，分别得到上行波Pfup和下行波Pfdown，即
Pf＝Pfup+Pfdown. (5)
再分别对上行波和下行波进行左右行波分解，得到上左行波Pfupleft、上右行波Pfupright、下左行波Pfdownleft和下右行波Pfdownright，即
Pf＝Pfupleft+Pfupright+Pfdownleft+Pfdownright. (6)
对这四种行波分别取包络得到上左行包络场
上右行包络场
下左行包络场
和下右行包络场
对这四种包络场加和得到改进的正传包络场
即
g、计算模拟包络数据与观测包络数据的差，得到伴随源fs，即
fs＝esyn-eobs. (8)
伴随源反传得到伴随包络场
h、改进的正传包络场与伴随包络场进行零延迟互相关得到改进直接包络反演的梯度，即
式中，v表示速度；
i、选择合适的步长β，采用最速下降法对速度模型进行更新，即
vk＝vk-1+β*gk, (10)
式中，vk和vk-1分别表示第k次和第k-1次迭代的速度模型，gk表示第k次的更新方向，即当前的负梯度方向。
j、在更新后的模型上，采用公式(4)计算目标函数，判断反演是否收敛，如果反演收敛且未达到最大迭代次数，返回第f步继续迭代计算；如果反演不收敛或者达到最大迭代次数，输出结果作为改进直接包络反演结果vIDEI；
k、以vIDEI为初始模型进行常规全波形反演，得到vIDEI+FWI；
l、以vIDEI+FWI为速度模型，进行常规逆时偏移成像。根据成像结果约束勾画强散射体形态和边界，确定扰动分解的参数α。扰动分解的公式如下：
其中，v是反演得到的速度，v0是初始速度，x和z分别为水平和垂直位置。根据公式(11)从vIDEI+FWI中分解出强扰动速度体，背景速度填充为v0速度值，得到构造约束扰动分解后的速度模型vpd；
m、以vpd为初始模型，进行常规全波形反演。观察强散射体屏蔽区下方速度反演结果；若有明显高速异常，则返回l步骤计算；若无明显高速异常，则输出最终反演结果vfinal。
实施例1：
本发明的整体流程如图1所示。
采用的真实速度模型和初始速度模型如图2所示。真实速度模型中，背景速度在2000m/s左右，包含一些细节构造，模型中上部有一个高速盐丘体，速度为4482m/s，该模型为典型的强散射介质模型。采用的初始速度模型为线性变化的梯度模型，速度范围大致与真实模型的背景速度变化范围相当。
采用如图3所示的震源子波。为模拟实际地震采集中低频信息缺失的情况，对雷克子波进行高通滤波处理，切去了4Hz以下的低频信息，震源子波主频约为9Hz。
在初始速度模型上进行常规直接包络反演，迭代50次的结果如图4a所示。可见，常规直接包络反演可以得到盐丘体的大致范围，结果浅部存在一定异常。在图4a的基础上进行常规全波形反演，最终结果如图4b所示。可见，盐丘体轮廓被较好刻画，但是，盐丘体内部速度不均匀，盐丘体下方存在高速异常。
在初始速度模型上进行改进的直接包络反演，迭代50次的结果如图4c所示。可见，相对于图4a，改进的直接包络反演结果对盐丘体的形态刻画更为准确，盐丘体内部速度更为均匀，浅部异常得到一定压制。在图4c的基础上进行常规全波形反演，结果如图4d所示。可见，盐丘体轮廓被较好反演，盐丘体内部速度均匀，但是盐下仍然存在高速异常。
以图4d的结果为速度模型，进行逆时偏移，得到结果如图5a所示。可见，成像结果勾画出盐丘底界面，未勾画盐下高速异常。因此，可知速度模型中的盐下高速为异常，不对应强散射构造。以此为标准设置扰动分解参数，分解结果如图5b所示。可见，结果中强散射体被较好的保留下来，背景填充为初始速度。在图5b的基础上进行常规全波形反演，最终结果如图5c所示。可见，本发明提出方法的最终反演结果盐丘体内部速度较均匀，盐丘体边界较为准确，且盐下速度构造被较好的反演出来，其总体效果明显好于常规方法(图4b)。
Claims (1)
1.一种改进直接包络反演与扰动分解的强散射介质反演方法，其特征在于，是在地震数据缺失低频信息且没有模型先验信息的情况下，通过基于波场分解的改进直接包络反演得到强散射体的大尺度构造，通过基于构造约束的扰动分解方法得到强散射体的下边界以及下方屏蔽区速度构造的方法；
包括以下步骤：
a、安装MATLAB软件平台；
b、对数据进行静校正、去噪预处理，得到高质量的观测地震数据；
c、对地震数据进行子波估计，提取每一炮数据的震源子波；
d、通过背景速度分析，得到大致速度范围的最大和最小值，生成一个在速度范围内，随深度逐渐递增的线性梯度模型，其中不含有强散射体的任何先验信息，作为反演的初始模型v0；
e、在初始模型上计算模拟地震数据，对模拟数据取包络得到模拟包络数据esyn，对观测地震数据取包络得到观测包络数据eobs，通过公式(1)计算改进直接包络反演的目标函数：
式中，求和符号下角标sr表示对所有震源和检波点进行积分，T表示总的记录时间长度；
f、在初始模型上计算模拟地震波场Pf，存储所有时间点的波场快照，对模拟波场进行上下行波分解，分别得到上行波Pfup和下行波Pfdown，再分别对上行波和下行波进行左右行波分解，得到上左行波Pfupleft、上右行波Pfupright、下左行波Pfdownleft和下右行波Pfdownright，对这四种行波分别取包络得到上左行包络场
上右行包络场
下左行包络场
和下右行包络场
对这四种包络场加和得到改进的正传包络场
g、计算模拟包络数据与观测包络数据的差，得到伴随源，伴随源反传得到伴随包络场
h、改进的正传包络场与伴随包络场进行零延迟互相关得到改进直接包络反演的梯度；
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j、在更新后的模型上，采用公式(1)计算目标函数，判断反演是否收敛；如果反演收敛且未达到最大迭代次数，返回第f步骤继续迭代计算；如果反演不收敛或者达到最大迭代次数，输出结果作为改进直接包络反演结果vIDEI；
k、以vIDEI为初始模型进行常规全波形反演，得到vIDEI+FWI；
l、以vIDEI+FWI为速度模型，进行常规逆时偏移成像，根据成像结果约束勾画强散射体形态和边界，确定扰动分解的参数α，扰动分解的公式如下：
其中，v是反演得到的速度，v0是初始速度，x和z分别为水平和垂直位置，根据公式(2)从vIDEI+FWI中分解出强扰动速度体，背景速度填充为v0速度值，得到构造约束扰动分解后的速度模型vpd；
m、以vpd为初始模型，进行常规全波形反演。观察强散射体屏蔽区下方速度反演结果。若有明显高速异常，则返回l步骤计算；若无明显高速异常，则输出最终反演结果vfinal。
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