CN111290016A - 一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法 - Google Patents

Abstract

一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法。本发明通过输入地震数据反演参数、初始速度模型、实际观测炮记录、构造解释数据，根据初始速度模型进行正演模拟得到正演炮记录和正传波场，利用地质构造模型构建地质构造反演算子，约束常规FWI反演模型正则化项，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，求取所有正演炮记录与其对应的实际观测炮记录间的残差并反传，结合正传波场，计算各炮记录的单炮梯度和总速度梯度，设定测试步长及循环次数，利用实际观测炮记录更新步长，完成速度场的迭代更新，得到速度反演结果。本发明将地质模型作为约束条件，有效地增强了反演效果，提高了速度反演精度，在复杂断块区域勘探中具有重要意义。

Description

一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法

技术领域

本发明涉及石油勘探领域，具体涉及一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法。

背景技术

叠前深度偏移技术应用于速度横向变化剧烈及高倾角构造区域已经取得了较好的成像效果，但是叠前深度偏移技术对初始速度模型较为敏感，成像精度受速度精度制约，因此获取高精度的速度模型对于提高成像质量具有重要意义。

速度反演过程中将速度场分为低波数段(速度值)和高波数段(速度分界面)，目前通常使用层析反演和偏移速度来估计低波数成分，将反射界面解释数据及其它先验信息(井数据、VSP数据等)作为约束加入速度反演过程中，获得高波数成分。然而任何一种速度分析或反演方法都需要反复迭代运算从而尽可能的接近真实速度场，为进一步提高速度场精度，获取更多波数段速度场成分，通常采用多种技术手段相结合的方法使速度建模结果更加精细，包含多细节、多尺度速度变化情况。

全波形反演(FWI)作为一种高精度速度建模和油藏描述的方法，能够建立准确的速度模型，具有反映地下地质构造细节以及岩性类别等特征，该方法利用叠前地震波场中的动力学、运动学信息来估计地层介质弹性参数，在低频速度模型建立和中高频地震成像之间建立联系，经过多年的发展研究，已被证实是反演高精度地球物理参数的有效手段。

然而，全波形反演作为非线性问题，存在收敛性和多解性的问题，必须进行先验信息约束，排除部分错误模型，帮助反演结果收敛到先验模型附近的最优解，同时全波形反演方法没有考虑地质构造情况的影响，导致其在复杂断块区域的反演精度和成像效果有待进一步提高。

发明内容

针对现有技术中全波形反演方法未考虑地质构造情况的影响、在复杂断块区域的反演精度和成像效果有待提高的现状，本发明提出了一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法，通过将地震解释数据作为约束条件，构建基于地质模型约束的误差泛函表达式，增强反演效果，提高了速度反演精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法，具体包括如下步骤：

步骤1：输入地震数据反演参数、初始速度模型、实际观测炮记录、构造解释数据；

步骤2：根据初始速度模型进行正演模拟，得到正演模拟炮记录和正传波场；

步骤3：利用地质构造模型，结合构造解释数据，通过对常规全波形速度反演模型的正则化项进行约束，构建地质构造反演算子Γ和Λ，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型；

步骤4：求取所有正演模拟炮记录与其相对应的实际观测炮记录之间的残差，将残差反传并结合步骤2得到的正传波场，利用基于地质构造模型约束的全波形速度梯度计算公式，计算各炮记录对应的单炮梯度，再将所有单炮梯度相加，得到基于地质构造模型约束的总速度梯度；

步骤5：速度场迭代更新；通过设定测试步长及测试循环次数并记录残差，更新基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，结合实际观测炮记录更新步长，并将更新后的步长作用到总速度梯度上，得到更新后的速度；

步骤6：判断当前循环次数是否已达到设定的循环次数，若未达到设定次数，则利用更新后的速度替代初始速度模型返回步骤2继续进行迭代计算，若已达到设定次数，则输出速度反演结果；

步骤7：输出速度反演结果。

优选地，所述步骤3中：

常规全波形反演FWI方法求取反演速度场v，全波形速度反演模型如下所示：

Δd＝||W_d(s_obs-s)||²+α²||W_n(v-v_input)||² (1)；

式中，v_input表示输入速度场矢量，s_obs表示记录的波场矢量，s表示模拟地震波场矢量，α表示正则化参数，W_d表示m道原始记录的标准方差

的对角矩阵，W_n表示m道模拟地震波场标准方差

的对角矩阵；

利用全波形速度反演模型求取反演速度场v，如下所示：

v＝A^-1b (2)；

式中，

式中，G表示正演算子，

表示第j炮的实际观测炮记录；

利用地质构造模型，结合构造解释数据，通过对振幅在垂向方向的一阶时间导数R_x(x,z)和横向方向的一阶空间导数R_z(x,z)进行一阶Tikhonov正则化，构建平行地层倾角的正则项Γ和垂直地层倾角的正则项Λ，如下所示：

Γ＝Q_cosR_x+Q_sinR_z (7)；

Λ＝-Q_sinR_x+Q_cosR_z (8)；

其中，

式中，

表示实际观测炮记录第j炮所在位置处的倾角，m表示总炮数；

将地质构造反演算子Γ和Λ运用到常规全波形速度反演模型中，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，如下所示：

Δd＝||W_d(s_obs-s)||²+ξ(α||W_n(L-L_input)||²+β||ΓL||²+γ||ΛL||²) (11)；

式中，α,β,γ,ξ表示正则化参数，L_input表示输入速度场矢量，L表示反演速度场；

其中，反演速度场L求取公式如下所示：

6L＝A-¹B (12)；

式中，

式中，W_d1表示矩阵W_d的列向量，

表示W_n的列向量。

优选地，所述步骤4中：

单炮梯度计算公式如下所示：

式中，L_i表示速度，i表示炮记录序号，i＝1,2,…,ns，<·>表示向量或矩阵的内积运算，T(L_i)表示单炮梯度，f表示波场传播算子，S(L_i)表示速度L_i处的位移，τ表示时间，W_d表示m道原始记录的标准方差的对角矩阵，W_n表示m道模拟地震波场标准方差的对角矩阵，S_obs表示记录的波场矢量，α,β,γ,ξ为正则化参数，L_input表示输入速度场矢量，Γ和Λ表示地质构造反演算子。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明为了提高复杂断块区域反演精度和成像效果，提出了一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法，通过将地震解释数据作为约束条件，构建基于地质模型约束的误差泛函表达式，增强了反演效果，有效地提高了速度反演精度，改善了复杂地质构造结构的成像质量，对复杂断块区域研究具有重要意义。

附图说明

图1为构造模型约束全波形反演流程图。

图2为输入的初始速度模型。

图3为本实施例的构造解释数据。

图4为反演速度结果对比图；(a)为常规FWI方法的反演结果，(b)为本发明方法的反演结果。

图5为速度对比结果，其中竖线表示解释地层所在位置，X₁表示真实速度，X₂表示输入速度，X₃表示常规FWI方法的反演结果，X₄表示本发明方法的反演结果。

图6为解释数据和反演速度结果，(a)为解释数据的水平切片，(b)为常规FWI方法的反演速度切片，(c)为本发明方法的反演速度切片。

图7为不同反演速度的成像剖面，(a)为常规FWI方法的反演速度成像剖面，(b)为本发明方法的反演速度成像剖面。

图8为不同速度的NMO道集，(a)为常规FWI方法反演速度的偏移道集，(b)为本发明方法反演速度的偏移道集。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

本发明提出了一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1：输入地震数据反演参数、初始速度模型、实际观测炮记录、构造解释数据；

步骤2：根据初始速度模型进行正演模拟，得到正演模拟炮记录和正传波场；

步骤3：利用地质构造模型，结合构造解释数据，通过对常规全波形速度反演模型的正则化项进行约束，构建地质构造反演算子Γ和Λ，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型；

常规全波形反演FWI方法求取反演速度场v，全波形速度反演模型如下所示：

Δd＝||W_d(s_obs-s)||²+α²||W_n(v-v_input)||² (1)；

式中，v_input表示输入速度场矢量，s_obs表示记录的波场矢量，s表示模拟地震波场矢量，α表示正则化参数，W_d表示m道原始记录的标准方差

的对角矩阵，W_n表示m道模拟地震波场标准方差

的对角矩阵；

利用全波形速度反演模型求取反演速度场v，如下所示：

v＝A^-1b (2)；

式中，

式中，G表示正演算子，

表示第j炮的实际观测炮记录；

利用地质构造模型，结合构造解释数据，通过对振幅在垂向方向的一阶时间导数R_x(x,z)和横向方向的一阶空间导数R_z(x,z)进行一阶Tikhonov正则化，构建平行地层倾角的正则项Γ和垂直地层倾角的正则项Λ，如下所示：

Γ＝Q_cosR_x+Q_sinR_z (7)；

Λ＝-Q_sinR_x+Q_cosR_z (8)；

其中，

式中，

表示实际观测炮记录第j炮所在位置处的倾角，m表示总炮数；

将地质构造反演算子Γ和Λ运用到常规全波形速度反演模型中，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，如下所示：

Δd＝||W_d(s_obs-s)||²+ξ(α||W_n(L-L_input)||²+β||ΓL||²+γ||ΛL||²) (11)；

式中，α,β,γ,ξ表示正则化参数，L_input表示输入速度场矢量，L表示反演速度场；

其中，反演速度场L求取公式如下所示：

6L＝A^-1B (12)；

式中，

式中，

表示矩阵W_d的列向量，

表示W_n的列向量；

步骤4：求取所有正演模拟炮记录与其相对应的实际观测炮记录之间的残差，将残差反传并结合步骤2得到的正传波场，利用基于地质构造模型约束的全波形速度梯度计算公式，计算各炮记录对应的单炮梯度，再将所有单炮梯度相加，得到基于地质构造模型约束的总速度梯度；

单炮梯度计算公式如下所示：

式中，L_i表示速度，i表示炮记录序号，i＝1,2,…,ns，<·>表示向量或矩阵的内积运算，T(L_i)表示单炮梯度，f表示波场传播算子，S(L_i)表示速度L_i处的位移，τ表示时间，W_d表示m道原始记录的标准方差的对角矩阵，W_n表示m道模拟地震波场标准方差的对角矩阵，S_obs表示记录的波场矢量，α,β,γ,ξ为正则化参数，L_input表示输入速度场矢量，Γ和Λ表示地质构造反演算子；

步骤5：速度场迭代更新；通过设定测试步长及测试循环次数并记录残差，更新基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，结合实际观测炮记录更新步长，并将更新后的步长作用到总速度梯度上，得到更新后的速度；

步骤6：判断当前循环次数是否已达到设定的循环次数，若未达到设定次数，则利用更新后的速度替代初始速度模型返回步骤2继续进行迭代计算，若已达到设定次数，则输出速度反演结果；

步骤7：输出速度反演结果。

实施例2

将本发明提出的一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法应用于Marmousi模型，取得了理想的计算效果。用于测试的Marmousi模型地层倾角变化剧烈，存在高速异常体，记录的地震波场中以复杂反射波场为主，输入的初始速度模型如图2所示；利用地质构造模型，与构造解释数据相结合，构建地质构造反演算子Γ和Λ，图3所示为本实施例的构造解释数据，成像剖面中包含强反射地层和断层，通过分析解释数据中地层与地层、地层与断层之间的接触关系，构建地质构造反演算子Γ和Λ；本实施例中采用时间2阶、空间8阶的有限差分波动方程进行正演模拟，选用主频为15HZ、采样率为1.5ms的雷克子波作为震源，间隔20米，炮间距100米，执行93个炮点的正演模拟，得到所有炮点的正演模拟炮记录和正传波场；分别采用常规FWI方法和本发明提出的基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法进行600次迭代，完成速度更新，得到如图4所示的反演速度结果对比图，其中图4a为常规FWI方法的反演结果，图4b为本发明的反演结果，通过提取同一位置的原始速度、输入速度和反演速度值，如图5所示，对比发现在输入速度模型较为精确的情况下，常规FWI方法可以较好反演出与真实速度相匹配的速度场，但是对于细节的反映与真实速度相差较大，而本发明提出的基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法能够很好的克服这一不足，其反演结果能够真实地显示速度细节情况，反演速度与真实速度匹配高。

应用实验

将本发明提出的一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法应用于某工区中，结合该工区地震数据进行测试，采用深度偏移层速度作为初始输入速度模型，提取子波作为震源子波进行正演模拟，解释数据的水平切片如图6a所示，利用解释数据中强反射界面之间的地层接触关系构建地质构造反演算子，利用解释数据对常规FWI方法的正则化项进行约束，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，模拟得到如图6b所示的常规FWI方法的速度结果和如图6c所示的基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法的速度结果。

通过对比可以得到，本发明方法相对于常规FWI方法，由于利用地质模型作为速度更新的约束条件，因此，能够根据约束条件获取不同模型位置处的速度变化值和不同地质构造分界面处的速度值变化，有效地提高了速度精度。

选取同一位置的成像剖面进行对比，分析发现常规FWI方法的偏移剖面(图7a所示)和基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法的偏移剖面(图7b所示)整体构造形态大致相同，但后者断面成像清晰，构造形态更加符合地质认识，断面下部反射特征明显，波阻特征清楚，成像质量好于前者。

进一步，抽取剖面中相同位置处的道集进行对比，如图8所示，发现常规FWI方法得到的反演速度的成像道集同相轴扭曲，没有完全校平，而基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法得到的反演速度，其成像道集同相轴已经被明显拉平，且能量聚焦，说明在相同位置处，本发明方法得到的速度真实准确。

通过对比可以得到本发明提出的一种基于地质模型约束的全波形速度建模反演方法，能够有效反演精度较高、与真实速度误差较小的速度场，通过利用地震解释数据建立的地质模型约束，优化了全波形速度反演模型，具更好的反演效果，有效地提高了成像质量。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：输入地震数据反演参数、初始速度模型、实际观测炮记录、构造解释数据；

步骤2：根据初始速度模型进行正演模拟，得到正演模拟炮记录和正传波场；

步骤3：利用地质构造模型，结合构造解释数据，通过对常规全波形速度反演模型的正则化项进行约束，构建地质构造反演算子Γ和Λ，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型；

步骤4：求取所有正演模拟炮记录与其相对应的实际观测炮记录之间的残差，将残差反传并结合步骤2得到的正传波场，利用基于地质构造模型约束的全波形速度梯度计算公式，计算各炮记录对应的单炮梯度，再将所有单炮梯度相加，得到基于地质构造模型约束的总速度梯度；

步骤5：速度场迭代更新；通过设定测试步长及测试循环次数并记录残差，更新基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，结合实际观测炮记录更新步长，并将更新后的步长作用到总速度梯度上，得到更新后的速度；

步骤6：判断当前循环次数是否已达到设定的循环次数，若未达到设定次数，则利用更新后的速度替代初始速度模型返回步骤2继续进行迭代计算，若已达到设定次数，则输出速度反演结果；

步骤7：输出速度反演结果。

2.如权利要求1所述的一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法，其特征在于，所述步骤3中：

常规全波形反演FWI方法求取反演速度场v，全波形速度反演模型如下所示：

Δd＝||W_d(s_obs-s)||²+α²||W_n(v-v_input)||² (1)；

式中，v_input表示输入速度场矢量，s_obs表示记录的波场矢量，s表示模拟地震波场矢量，α表示正则化参数，W_d表示m道原始记录的标准方差

的对角矩阵，W_n表示m道模拟地震波场标准方差

的对角矩阵；

利用全波形速度反演模型求取反演速度场v，如下所示：

v＝A^-1b (2)；

式中，

式中，G表示正演算子，

表示第j炮的实际观测炮记录；

利用地质构造模型，结合构造解释数据，通过对振幅在垂向方向的一阶时间导数R_x(x,z)和横向方向的一阶空间导数R_z(x,z)进行一阶Tikhonov正则化，构建平行地层倾角的正则项Γ和垂直地层倾角的正则项Λ，如下所示：

Γ＝Q_cosR_x+Q_sinR_z (7)；

Λ＝-Q_sinR_x+Q_cosR_z (8)；

其中，

式中，

表示实际观测炮记录第j炮所在位置处的倾角，m表示总炮数；

将地质构造反演算子Γ和Λ运用到常规全波形速度反演模型中，得到基于地质构造模型约束的全波形速度反演模型，如下所示：

Δd＝||W_d(s_obs-s)||²+ξ(α||W_n(L-L_input)||²+β||ΓL||²+γ||ΛL||²) (11)；

式中，α,β,γ,ξ表示正则化参数，L_input表示输入速度场矢量，L表示反演速度场；

其中，反演速度场L求取公式如下所示：

6L＝A^-1B (12)；

式中，

式中，

表示矩阵W_d的列向量，

表示W_n的列向量。

3.如权利要求1所述的一种基于地质构造模型约束的全波形速度建模反演方法，其特征在于，所述步骤4中：

单炮梯度计算公式如下所示：

式中，L_i表示速度，i表示炮记录序号，i＝1,2,…,ns，＜·＞表示向量或矩阵的内积运算，T(L_i)表示单炮梯度，f表示波场传播算子，S(L_i)表示速度L_i处的位移，τ表示时间，W_d表示m道原始记录的标准方差的对角矩阵，W_n表示m道模拟地震波场标准方差的对角矩阵，S_obs表示记录的波场矢量，α,β,γ,ξ为正则化参数，L_input表示输入速度场矢量，Γ和Λ表示地质构造反演算子。

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