CN115201896B - 吸收衰减介质逆时偏移方法、装置、成像方法、介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸收衰减介质逆时偏移方法、装置、成像方法、介质，第一阶段研究主要进行吸收衰减介质中新的频散关系表关系式推导，推导能量衰减和相位频散效应解耦的频散关系，将推导方程对应频散关系与采用的理论吸收衰减介质模型频散关系进行对比，分析其理论精度。第二阶段主要基于推导的频散关系，进一步导出其对应的控制方程，发展高效且精确的数值模拟方法，在简单参考模型下，将数值求解波场与波场理论解波形进行对比，分析数值求解格式精度。通过以上两阶段研究内容，解决传统Q‑RTM中波场模拟计算精度、稳定性和计算效率等瓶颈，推动该项技术在实际地质勘探问题中发挥更大作用。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探资料处理技术领域，具体的说，涉及一种吸收衰减介质逆时偏移方法、装置、成像方法、介质。
背景技术
通过将吸收衰减介质中频散关系变换到时空域，得到包含拟微分算子的控制方程，利用傅里叶积分等方法对拟微分算子进行求解，得到吸收衰减介质中的地震波场。通过吸收衰减介质中地震波场的相关运算得到对地质体的成像结果，该过程即为当前吸收衰减介质逆时偏移方法(Q-RTM)的典型实现方案。
由于当前Q-RTM方案中依赖吸收衰减介质中地震波场的获取需求解包含拟微分算子的控制方程，而拟微分算子无法利用常规时空域有限差分算子进行数值逼近求解，使得当前Q-RTM实现方案数值计算存在计算精度、稳定性和计算效率较差等诸多问题，很大程度上限制了Q-RTM在实际地质勘探问题中的适用性。
发明内容
本发明提供了一种吸收衰减介质逆时偏移方法、装置、成像方法、介质，以有效解决背景技术中所提及的技术问题。
本发明的具体技术方案如下：
根据本发明的第一技术方案，提供一种高效稳定的吸收衰减介质逆时偏移方法，包括：
通过下式(1)构建包含多个迟豫机制的标准线性体模型对应的应力-应变关系：
其中，σ和ε分别为应力和应变张量，符号*代表时间褶积算子，
代表迟豫函数的时间导数，通过下式(2)表示：
其中，τσl，τεl分别为第l个迟豫机制对应的应力和应变迟豫时间，t为波场传播时间，L为迟豫机制总数，θ(t)为Heaviside函数，MR为迟豫模量；
对于各向同性声学介质，MR通过下式(3)表示：
其中，ca为声波速度，ρ为密度；
根据所述公式(1)，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组：
其中，r是记忆变量，vx,vz分别为波场速度x和z分量，p为压力场分量，λ为模型的Lamé系数，τσ，
分别为单个迟豫机制下应力和应变迟豫时间，
为时间微分算子，
分别为空间x及z方向微分算子。
通过下式(5)建立所述标准线性体模型的单个迟豫机制下频散关系：
其中，kc为复波数，i为虚数单位，ω为频率变量。在吸收衰减较弱情况下具有下式(6)所示的近似关系：
kc≈k,(6)
其中k为实波数。基于所述式(5)以及所述式(6)，确定如下式(7)，以将由于介质吸收衰减引起的能量衰减和相位频散效应进行解耦：
其中，式(7)右端括号中的三项分别对应于原始声波方程、粘声介质中额外的频散效应、粘声介质中额外的振幅吸收效应对应的频散关系。
根据本发明的第二技术方案，提供一种高效稳定的吸收衰减介质逆时偏移装置，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：
通过下式(1)构建包含多个迟豫机制的标准线性体模型对应的应力-应变关系：
其中，σ和ε分别为应力和应变张量，符号*代表时间褶积算子，
代表迟豫函数的时间导数，通过下式(2)表示：
其中，τσl，τεl分别为第l个迟豫机制对应的应力和应变迟豫时间，t为波场传播时间，L为迟豫机制总数，θ(t)为Heaviside函数，MR为迟豫模量；
对于各向同性声学介质，MR通过下式(3)表示：
其中，ca为声波速度，ρ为密度；
根据所述公式(1)，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组：
其中，r是记忆变量，vx,vz分别为波场速度x和z分量，p为压力场分量，λ为模型的Lamé系数，τσ，
分别为单个迟豫机制下应力和应变迟豫时间，
为时间微分算子，
分别为空间x及z方向微分算子。
通过下式(5)建立所述标准线性体模型的单个迟豫机制下频散关系：
其中，kc为复波数，ω为频率变量，i为虚数单位，在吸收衰减较弱情况下具有下式(6)所示的近似关系：
kc≈k,(6)
其中k为实波数。基于所述式(5)以及所述式(6)，确定如下式(7)，以将由于介质吸收衰减引起的能量衰减和相位频散效应进行解耦：
其中，式(7)右端括号中的三项分别对应于原始声波方程、粘声介质中额外的频散效应、粘声介质中额外的振幅吸收效应对应的频散关系。
根据本发明的第三技术方案，提供一种对地质体进行成像的方法，包括：利用如本发明第一技术方案所述方法计算吸收衰减介质逆时偏移；震源波场正传记录边界处波场值，利用记录边界处波场和最后两个时刻波场反传震源波场；同时反传检波器波场；令所述震源波场和所述检波器波场在同一时刻相关成像。
根据本发明的第四技术方案，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行本发明任一实施例所述的方法。
本发明通过推导吸收衰减介质中能量衰减和相位频散效应解耦频散关系式及其对应控制方程，并发展高效精确数值计算格式，拟解决传统Q-RTM中计算精度、稳定性和计算效率等问题。本发明可较为显著降低Q-RTM在大规模实际油气勘探问题中应用成本，提高其适用范围，较大程度增加人工地震数据对吸收衰减介质中地质体成像的精确度，提高油气勘探成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例的一种对地质体进行成像的方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
地震波在地下介质传播通常存在能量衰减和相位频散效应，称之为吸收衰减介质中的地震波场传播效应。利用人工地震数据对吸收衰减介质中地质体进行精确成像是油气勘探中关键步骤之一。在诸多成像方法中，吸收衰减介质中的逆时偏移方法(Q-RTM)是目前实现对地质体成像精度最高的成像方法。然而受制于数值模拟格式计算效率和精度问题，传统Q-RTM方法在计算成本和精确度以及计算稳定性方面难以达到平衡，这限制了该方法在实际大规模地质勘探问题中的应用。
本发明拟发展一种高效稳定的吸收衰减介质逆时偏移(Q-RTM)方法，主要分为如下两阶段研究内容。第一阶段研究主要进行吸收衰减介质中新的频散关系表关系式推导，推导能量衰减和相位频散效应解耦的频散关系，将推导方程对应频散关系与采用的理论吸收衰减介质模型频散关系进行对比，分析其理论精度。第二阶段主要基于推导的频散关系，进一步导出其对应的控制方程，发展高效且精确的数值模拟方法，在简单参考模型下，将数值求解波场与波场理论解波形进行对比，分析数值求解格式精度。通过以上两阶段研究内容，解决传统Q-RTM中波场模拟计算精度、稳定性和计算效率等瓶颈，推动该项技术在实际地质勘探问题中发挥更大作用。
本发明实施例提供的高效稳定的吸收衰减介质逆时偏移(Q-RTM)方法主要包括：
研究勘探地震学常用吸收衰减模型。对勘探地震学特别是地震波场模拟和成像中常用吸收衰减模型的物理机制及其对应的频散关系进行对比分析，选取合适吸收衰减机制模型作为研究基础。
吸收衰减介质频散关系的解耦。对选取的吸收衰减模型，通过数学变换分离频散关系中的能量衰减项和相位频散项，为波场传播模拟奠定理论基础。
解耦控制方程的导出。对解耦频散关系做合理近似，导出对应的控制方程和定解问题，该控制方程需不包含拟微分算子或分数阶微分算子以有利于后续高效数值求解，为吸收衰减介质逆时偏移(Q-RTM)提供高效稳健的波场模拟工具。
本发明拟具体采用如下方式获取Q-RTM中高效稳健波场模拟波动方程传播算子。包含多个迟豫机制的标准线性体模型对应的应力-应变关系为：
其中σ和ε分别为应力和应变张量，符号*代表时间褶积算子。
代表迟豫函数的时间导数，G的定义为：
其中τσl，τεl分别为第l个迟豫机制对应的应力和应变迟豫时间。t为波场传播时间，L为迟豫机制总数，θ(t)为Heaviside函数，MR为迟豫模量。对于各向同性声学介质MR的形式为：
这里ca为声波速度，ρ为密度。对(1)式两端求取时间导数并结合运动方程，我们有二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组：
其中，r是记忆变量，vx,vz分别为波场速度x和z分量，p为压力场分量，λ为模型的Lamé系数，τσ，
分别为单个迟豫机制下应力和应变迟豫时间，
为时间微分算子，
分别为空间x及z方向微分算子。方程(4)可以利用基于标准交错网格的显式有限差分方法进行数值求解。然而，由于数值求解方程(4)得到波场中能量衰减和相位频散相互耦合，不利于针对成像的波场精细模拟，需对标准线性体模型中的频散和吸收效应进行进一步的解耦。为了获得基于标准线性体模型的解耦控制方程，我们考虑该模型下的单个迟豫机制下频散关系，我们有其具体形式为：
其中，kc为复波数，ω为频率变量。在吸收衰减较弱情况下具有下式(6)所示的近似关系：
kc≈k,(6)
其中k为实波数。将(6)带入(5)并进行一些代数计算有：
(7)式右端括号中的三项分别对应于原始声波方程、粘声介质中额外的频散效应、粘声介质中额外的振幅吸收效应对应的频散关系，可以看出通过(7)可以将由于介质吸收衰减引起的能量衰减和相位频散效应进行解耦。由前面讨论可知，(7)对应波场反传播方程的频散关系可以表达为：
通过引入合理的物理假设和代数计算，使得(7)和(8)的变形方程可以利用全显式有限差分方法求解，因此可以构造高效稳健的数值计算格式，有利于三维情况下大规模实际资料Q-RTM方法的应用。
如图1所示，本发明实施例提供一种对地质体进行成像的方法，包括：
步骤S100，计算吸收衰减介质逆时偏移，计算方法为利用如本发明各个实施例所述的吸收衰减介质逆时偏移方法。
在步骤S200中，震源波场正传记录边界处波场值，利用记录边界处波场和最后两个时刻波场反传震源波场；
同时进行步骤S300，反传检波器波场；
随后，在步骤S400，令所述震源波场和所述检波器波场在同一时刻相关成像；
最后通过步骤S500，输出成像结果。
本发明实施例还提供了一种高效稳定的吸收衰减介质逆时偏移装置。所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：
通过下式(1)构建包含多个迟豫机制的标准线性体模型对应的应力-应变关系：
其中，σ和ε分别为应力和应变张量，符号*代表时间褶积算子，
代表迟豫函数的时间导数，通过下式(2)表示：
其中，τσl，τεl分别为第l个迟豫机制对应的应力和应变迟豫时间，L为迟豫机制总数，θ(t)为Heaviside函数，MR为迟豫模量；
对于各向同性声学介质，MR通过下式(3)表示：
其中，ca为声波速度，ρ为密度；
根据所述公式(1)，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组：
其中，r是记忆变量，vx,vz分别为波场速度x和z分量，p为压力场分量，λ为模型的Lamé系数，τσ，
分别为单个迟豫机制下应力和应变迟豫时间，
为时间微分算子，
分别为空间x及z方向微分算子。
通过下式(5)建立所述标准线性体模型的单个迟豫机制下频散关系：
其中，kc为复波数，ω为频率变量。在吸收衰减较弱情况下具有下式(6)所示的近似关系：
kc≈k,(6)
其中k为实波数。基于所述式(5)以及所述式(6)，确定如下式(7)，以将由于介质吸收衰减引起的能量衰减和相位频散效应进行解耦：
其中，式(7)右端括号中的三项分别对应于原始声波方程、粘声介质中额外的频散效应、粘声介质中额外的振幅吸收效应对应的频散关系。
需要注意的是处理器可以是包括一个以上通用处理设备的处理设备，诸如微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等。更具体地，处理器可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、运行其他指令集的处理器或运行指令集的组合的处理器。处理器还可以是一个以上专用处理设备，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、片上系统(SoC)等。
在一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：
根据所述式(7)，确定如下式(8)所示的对应波场反传播方程的频散关系：
在一些实施例中，所述处理器被进一步配置为：
对所述式(1)的两端求取时间导数，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机本发明实施例中的任一所述的方法。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种吸收衰减介质逆时偏移方法，其特征在于，包括：
通过下式(1)构建包含多个迟豫机制的标准线性体模型对应的应力-应变关系：
其中，σ和ε分别为应力和应变张量，符号*代表时间褶积算子，G代表迟豫函数的时间导数，通过下式(2)表示：
其中，τσl，τεl分别为第l个迟豫机制对应的应力和应变迟豫时间，t为波场传播时间，L为迟豫机制总数，θ(t)为Heaviside函数，MR为迟豫模量；
对于各向同性声学介质，MR通过下式(3)表示：
其中，ca为声波速度，ρ为密度；
根据所述式(1)，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组：
其中，r是记忆变量，vx,vz分别为波场速度x和z分量，p为压力场分量，λ为模型的Lamé系数，τσ，
分别为单个迟豫机制下应力和应变迟豫时间，
为时间微分算子，
分别为空间x及z方向微分算子；
通过下式(5)建立所述标准线性体模型的单个迟豫机制下频散关系：
其中，kc为复波数，ω为频率变量，i为虚数单位，在吸收衰减较弱情况下具有下式(6)所示的近似关系：
kc≈k, (6)
其中k为实波数；基于所述式(5)以及所述式(6)，确定如下式(7)，以将由于介质吸收衰减引起的能量衰减和相位频散效应进行解耦：
其中，式(7)右端括号中的三项分别对应于原始声波方程、粘声介质中额外的频散效应、粘声介质中额外的振幅吸收效应对应的频散关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述式(7)，确定如下式(8)所示的对应波场反传播方程的频散关系：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述公式(1)，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组，包括：
对所述式(1)的两端求取时间导数，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组。
4.一种吸收衰减介质逆时偏移装置，其特征在于，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：
通过下式(1)构建包含多个迟豫机制的标准线性体模型对应的应力-应变关系：
其中，σ和ε分别为应力和应变张量，符号*代表时间褶积算子，
代表迟豫函数的时间导数，通过下式(2)表示：
其中，τσl，τεl分别为第l个迟豫机制对应的应力和应变迟豫时间，t为波场传播时间，L为迟豫机制总数，θ(t)为Heaviside函数，MR为迟豫模量；
对于各向同性声学介质，MR通过下式(3)表示：
其中，ca为声波速度，ρ为密度；
根据所述式(1)，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组：
其中，r是记忆变量，vx,vz分别为波场速度x和z分量，p为压力场分量，λ为模型的Lamé系数，τσ，
分别为单个迟豫机制下应力和应变迟豫时间，
为时间微分算子，
分别为空间x及z方向微分算子；
通过下式(5)建立所述标准线性体模型的单个迟豫机制下频散关系：
其中，kc为复波数，ω为频率变量，i为虚数单位，在吸收衰减较弱情况下具有下式(6)所示的近似关系：
kc≈k, (6)
其中k为实波数，基于所述式(5)以及所述式(6)，确定如下式(7)，以将由于介质吸收衰减引起的能量衰减和相位频散效应进行解耦：
其中，式(7)右端括号中的三项分别对应于原始声波方程、粘声介质中额外的频散效应、粘声介质中额外的振幅吸收效应对应的频散关系。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：
根据所述式(7)，确定如下式(8)所示的对应波场反传播方程的频散关系：
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：
对所述式(1)的两端求取时间导数，获得如式(4)所示的在二维情况下基于标准线性体(SLS)模型单个迟豫机制下粘声介质中速度-应力方程组。
7.一种对地质体进行成像的方法，其特征在于，包括：
利用如权利要求1-3任一项所述方法计算吸收衰减介质逆时偏移；
震源波场正传记录边界处波场值，利用记录边界处波场和最后两个时刻波场反传震源波场；
同时反传检波器波场；
令所述震源波场和所述检波器波场在同一时刻相关成像。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行权利要求1-3中的任一项所述的方法。
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