CN111505714A - 基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法，是通过波场模式分解与弹性波直接包络反演获得强散射介质的纵波速度结构，并根据岩石物理关系计算介质的横波速度结构。首先，对弹性波波场进行波场模式分解获得纵波波场，通过正传纵波与伴随纵波波场的互相关获得纵波速度梯度；其次，根据岩石物理关系可计算得到横波速度的更新量，更新可得强散射介质的大尺度纵、横波速度结构；最后，将弹性波直接包络反演结果作为初始模型，进行弹性波全波形反演可得到强散射介质高精度纵、横波速度模型。提升了强散射介质纵、横波速度解耦效果，得到了高质量的纵波速度结构，通过在反演中施加岩石物理约束，得到了强散射介质的横波速度结构。

Description

基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法

技术领域：

本发明涉及一种利用波场模式分解与弹性波直接包络反演获得强散射介质纵波速度结构、在弹性波直接包络反演中施加岩石物理约束获得强散射介质横波速度结构的方法。

背景技术：

强散射介质通常能够形成油气资源的良好封存介质，因此，强散射介质的高精度参数建模方法已经在勘探地球物理领域引起高度重视。全波形反演方法是目前勘探地震领域参数建模精度最高的方法，其能充分利用地震波场的运动学和动力学信息。近年来，人们希望利用全波形反演方法对实际勘探中遇到的强散射介质(如盐丘等)进行高精度参数建模，以提高强散射体及其屏蔽区的成像质量。但是，常规全波形反演方法基于波恩近似这一弱散射近似，且实际地震数据往往缺失有效低频信息，这使得直接利用常规全波形反演方法进行强散射介质的参数建模存在一定难度。近年来，国内外学者从不同角度对全波形反演的方法理论框架进行了改进，以适应强散射介质的参数反演，这些研究绝大多数均是基于声波介质，主要包括Laplace-Fourier域波形反演方法、标准设置方法、全变分约束方法、深度学习方法、以及直接包络反演方法等。关于弹性强散射介质的多参数建模研究仍处于起步探索阶段，现有方法或者只能对纵波速度模型进行较好的构建，或者需要强散射体的先验信息。总之，缺乏一种能够在低频数据缺失且无先验信息情况下对强散射介质进行纵、横波速度建模的方法。

直接包络反演方法能够在地震数据缺失低频且无先验信息情况下，对强散射介质进行大尺度参数建模，且其具有相对较高的计算效率。直接包络反演方法与全波形反演方法的最大区别是其定义了直接包络敏感核函数(区别于常规包络反演的波形敏感核函数)，能够将低频包络数据扰动直接映射为强散射介质的大尺度参数扰动。但是，目前的直接包络反演方法均是在声波介质下展开的，只能对强散射介质的纵波速度进行建模，还未见弹性波直接包络反演方法的相关研究。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种新的强散射介质弹性波多参数反演方法，进而解决油气资源地震勘探中强散射储层纵、横波速度建模问题，为复杂强散射储层成像提供高精度速度模型。

本发明的思想是：通过波场模式分解分离纵、横波包络场，从而提升强散射纵、横波速度解耦效果，通过纵波包络场得到强散射介质的纵波速度，根据岩石物理关系(纵横波速度比)在反演中计算横波速度更新量，并得到强散射介质的横波速度，最终结合弹性波全波形反演技术获得强散射介质的高精度纵、横波速度模型，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，准备好预处理后的弹性波多分量观测地震数据；利用观测地震数据估计震源子波，给出纵、横波速度的初始模型(无需先验信息)；在初始速度模型上进行正演模拟，得到模拟地震数据与正传地震波场；对正传地震波场进行波场模式分解，得到纵波正传波场，求取相应的包络场，分别得到纵正传包络场；对观测包络数据和模拟包络数据作差得到包络伴随源；在初始纵、横波速度模型上进行伴随包络场计算与模式分解，得到纵波伴随包络场；利用纵波正传包络场与纵波伴随包络场计算纵波速度梯度，根据岩石物理关系(纵横波速度比)计算横波速度梯度；求取步长，并进行纵、横波速度模型的更新；进行迭代更新，直到满足停止条件，得到强散射介质的大尺度纵、横波速度结构；以强散射介质的大尺度纵、横波速度模型为初始模型，进行弹性波全波形反演，得到强散射介质的高精度纵、横波速度建模结果。

本发明所述的基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法是通过MATLAB平台实现的；

本发明所述的基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法，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，得到高质量的弹性波多分量观测地震数据；

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，得到大致的背景纵波速度值，生成均匀背景速度模型，其中不含有强散射体的任何先验信息，作为反演的初始纵波模型v_p0，根据岩石物理关系(纵横波速度比)，利用v_p0计算得出初始横波速度模型v_s0；

e、在初始纵、横波速度模型上计算弹性波多分量模拟地震数据，对模拟数据取包络得到模拟包络数据

上角标i表示i方向的分量，对于二维情况，x为水平方向，z为垂直方向；对观测地震数据取包络得到观测包络数据

通过公式(1)计算弹性波直接包络反演的目标函数σ_EDEI：

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表示时间，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，对模拟地震波场进行波场模式分解得到正传纵波波场，取包络得到纵波正传包络场

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；对伴随包络场进行波场模式分解得到纵波伴随包络场

h、纵波正传包络场与纵波伴随包络场进行零延迟互相关得到弹性波直接包络反演的纵波速度梯度，如公式(2)所示：

式中，v_p表示纵波速度，ρ表示密度。利用岩石物理关系(纵横波速度比)，通过纵波速度梯度计算出横波速度梯度；

i、选择合适的步长，采用最速下降法对纵、横波速度模型进行更新；

j、在更新后的模型上，进行迭代停止条件判断；如果不满足停止条件，将更新后的纵、横波速度模型作为初始模型，返回第f步骤继续迭代计算；如果满足停止条件，输出结果为强散射介质的大尺度纵、横波速度结构v_pt和v_st；

k、以v_pt和v_st作为初始模型，进行常规弹性波全波形反演，得到最终反演结果，即强散射介质的高精度纵、横波速度结构。

有益效果：本发明将波场模式分解融入弹性波直接包络反演方法中，提升了强散射介质纵、横波速度解耦效果，得到了高质量的纵波速度结构，通过在反演中施加岩石物理约束，得到了强散射介质的横波速度结构。

有以下优点：1.本发明通过波场模式分解方法分离纵、横波场，从而得到分解的纵、横波包络场，并利用纵波包络场反演强散射介质的纵波速度，提升了多参数解耦效果。2.本发明提出在反演中施加岩石物理约束，使得强散射介质横波速度得以更新，能够促进反演过程的收敛效率和提升最终反演结果质量。3.将弹性波直接包络反演与弹性波全波形反演方法串联，能够兼顾介质大尺度宏观构造与小尺度细节构造的反演，并最终获得强散射介质的高精度纵、横波速度结构。4.本发明可以在地震数据低频信息缺失且无模型先验信息情况下进行强散射介质的弹性波多参数建模。

附图说明：

图1基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法的流程图。

图2真实速度模型图。

(a)真实纵波速度模型图，(b)真实横波速度模型图。

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初始速度模型图。

(a)初始纵波速度模型图，(b)初始横波速度模型图。

图5常规弹性波全波形反演结果。

(a)常规弹性波全波形反演纵波速度结果；(b)常规弹性波全波形反演横波速度结果。

图6基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演结果。

(a)基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演纵波速度结果；(b)基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演横波速度结果；(c)纵波速度最终反演结果；(d)横波速度最终反演结果。

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。

本发明所述的基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演，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、对录入的数据进行数据预处理，预处理包括静校正处理，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。最终高质量的弹性波多分量观测地震数据。

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，得到背景纵波速度的估计，生成均匀背景速度模型，作为反演的初始纵波模型v_p0，其中不含有强散射体的任何信息。根据岩石物理关系(纵横波速度比)，利用v_p0计算得出初始横波速度模型v_s0。

e、在初始纵、横波速度模型上计算弹性波多分量模拟地震数据，对模拟数据取包络得到模拟包络数据

上角标i表示i方向的分量，对于二维情况，指x(水平)和z(垂直)方向；对观测地震数据取包络得到观测包络数据

通过公式(3)计算弹性波直接包络反演的目标函数σ_EDEI：

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表示时间，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，对模拟地震波场进行波场模式分解得到正传纵波波场，取包络得到纵波正传包络场

其中，波场模式分解采用公式(4)的方法：

其中，u表示弹性波位移矢量，u_p表示纵波波场，ρ表示密度，λ和μ表示拉梅常数，

表示梯度运算，

·表示散度运算。

g、计算模拟包络数据与观测包络数据的差，得到伴随源f_s，即

伴随源反传得到伴随包络场；对伴随包络场进行波场模式分解得到纵波伴随包络场

波场模式分解方法见公式(4)。

h、纵波正传包络场与纵波伴随包络场进行零延迟互相关得到弹性波直接包络反演的纵波速度梯度，如公式(6)所示：

式中，v_p表示纵波速度，ρ表示密度。利用岩石物理关系(纵横波速度比)，通过纵波速度梯度计算出横波速度梯度。

i、选择合适的步长β₁和β₂，采用最速下降法对纵、横波速度模型进行更新，即

式中，

和

分别表示第k次和第k-1次迭代的纵波速度模型，

表示第k次的纵波速度更新方向，即当前的纵波速度梯度负方向；

和

分别表示第k次和第k-1次迭代的横波速度模型，

表示第k次的横波速度更新方向，即当前的横波速度梯度负方向。

j、在更新后的模型上，进行迭代停止条件判断；如果不满足停止条件，将更新后的纵、横波速度模型作为初始模型，返回第f步骤继续迭代计算；如果满足停止条件，输出结果为强散射介质的大尺度纵、横波速度结构v_pt和v_st。

k、以v_pt和v_st作为初始模型，进行常规弹性波全波形反演，得到最终反演结果，即强散射介质的高精度纵、横波速度结构。

实施例1：

本发明的整体流程如图1所示。

假设地下真实纵、横波速度模型分别如图2a和2b所示。在真实速度模型中，背景速度均匀，中部有一强散射盐丘体。纵横波速度比为1.5。在真实模型上进行正演模拟可以得到观测地震记录，震源子波波形和频谱分别如图3a和3b所示，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。利用观测记录进行背景速度分析，得到背景纵波速度，建立纵波初始速度模型如图4a所示。根据纵横波速度比，计算得出初始横波速度模型如图4b所示。初始纵、横波速度模型中均不含强散射体的先验信息。

为对比本发明方法的反演效果，首先在初始纵、横波速度模型上进行常规弹性波全波形反演，纵、横波速度反演结果分别如图5a和5b所示。可见，由于缺失低频信息，常规弹性波全波形反演只能得到强散射体顶界面的部分信息，无法恢复强散射体内部的速度信息与强散射体的形态信息。

然后，进行利用本发明方法进行反演。以图4所示模型为初始模型，根据步骤(e)到步骤(j)，可以得到的纵波速度模型如图6a所示，可见，强散射体的大尺度纵波速度构造信息已经被成功恢复。在反演中，设定纵横波速度比为1.5，可同时得到横波速度反演结果如图6b所示，可见，强散射体的大尺度横波速度结果同样被反演出来。以图6a和6b为初始模型，执行步骤(k)，即进行弹性波全波形反演，最终纵、横波速度反演结果如图6c和6d所示。可见，强散射体的边界信息与内部速度被较好地反演出来，且背景异常干扰较弱。总之，本发明提出方法的最终反演结果盐丘体内部速度与盐丘体边界均较为准确，其总体效果明显好于常规方法(图5)。

Claims (1)

1.一种基于岩石物理约束的弹性波直接包络反演方法，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，通过波场模式分解与弹性波直接包络反演获得强散射介质的大尺度纵波速度结构，通过在反演过程中施加岩石物理约束获得强散射介质的大尺度横波速度结构，将获得的大尺度纵、横波速度结构作为弹性波全波形反演的初始模型，获得强散射介质的高精度纵、横波速度结构；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，得到高质量的弹性波多分量观测地震数据；

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，得到大致的背景纵波速度值，生成均匀背景速度模型，其中不含有强散射体的任何先验信息，作为反演的初始纵波模型v_p0，根据纵横波速度比，利用v_p0计算得出初始横波速度模型v_s0；

e、在初始纵、横波速度模型上计算弹性波多分量模拟地震数据，对模拟数据取包络得到模拟包络数据

上角标i表示i方向的分量，对于二维情况，x为水平方向，z为垂直方向；对观测地震数据取包络得到观测包络数据

通过公式(1)计算弹性波直接包络反演的目标函数σ_EDEI：

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表示时间，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，对模拟地震波场进行波场模式分解得到正传纵波波场，取包络得到纵波正传包络场

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；对伴随包络场进行波场模式分解得到纵波伴随包络场

h、纵波正传包络场与纵波伴随包络场进行零延迟互相关得到弹性波直接包络反演的纵波速度梯度，如公式(2)所示：

式中，v_p表示纵波速度，ρ表示密度，利用纵横波速度比，通过纵波速度梯度计算出横波速度梯度；

i、选择合适的步长，采用最速下降法对纵、横波速度模型进行更新；

j、在更新后的模型上，进行迭代停止条件判断；如果不满足停止条件，将更新后的纵、横波速度模型作为初始模型，返回第f步骤继续迭代计算；如果满足停止条件，输出结果为强散射介质的大尺度纵、横波速度结构v_pt和v_st；

k、以v_pt和v_st作为初始模型，进行常规弹性波全波形反演，得到最终反演结果，即强散射介质的高精度纵、横波速度结构。

Images