CN115421192A - 利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法，包括以下步骤：获取待测目标地下介质层的地表地震记录；制作速度谱；拾取反射信号双程走时；对速度谱采用二值化进行图像增强处理；从图像增强处理后的速度谱中，拾取均方根速度和双程旅行时；基于拾取的反射信号双程走时、均方根速度和双程旅行时，采用广义反演方法，求解层速度。本发明提供一种稳定高效的层速度反演方法，基于图像增强技术和新的均方根速度拾取策略来提高反演算法的误差容忍度和操作便捷度，减小了均方根速度拾取误差对反演地下介质层速度模型的影响，能够较好地利用地下水平反射界面产生的反射波信息，高效稳定地反演出待测目标的地下介质层速度模型。
Description
技术领域
本发明涉及工程地质地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法。
背景技术
传统的反射地震资料解释中，往往需要给出地下介质的层速度模型。在无井资料或钻探资料的区域，时深转换的精度一直是一个亟待解决的难题。层速度的求取策略目前主要基于叠加速度谱和Dix公式。这一策略需要满足的要求主要有两个：(1)地下介质为水平层状介质；(2)叠加速度谱中能拾取出准确的均方根速度。实际上，对于沉积盆地和平原地区而言，基岩面以上的小尺度(如几十米)范围之内，均可以视为水平层状分布的沉积层，因此求取沉积盆地和平原地区的层速度分布主要在于问题2的限制。
Dix公式利用的是地下层状介质界面产生的反射波信息，若能较为准确地拾取出地下反射界面处的Vrms(反射界面的均方根速度)和Trms(反射界面的双程旅行时)，则可以直接递归估算出反射界面以上各层介质的层速度。用均方根速度反演层速度在数学上是一个典型的不适定问题，均方根速度的微小误差都有可能造成层速度估计值的发散。而在传统的地震数据处理中，Vrms和Trms的拾取通常存在较大误差，因此利用Dix公式直接估算的层速度结果往往不好。为了获得一个稳定可靠的层速度结果，Koren和Buland分别提出了一种约束Dix反演方法和贝叶斯Dix反演方法，其实质是在计算过程中加入了某些地质约束，从而获得一个稳定且地质上合理的层速度模型，但是如何获得先验的地质约束是另一个难点。为了改善层速度反演的稳定性，杨文采将反射信号的双程走时信息T也作为输入数据，联合反演层速度和反射面深度，但Vrms、Trms和T的拾取较为繁琐，且当均方根速度Vrms的拾取误差较大时，其层速度反演结果也容易产生较大的误差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高效稳定的层速度反演方法，该方法基于地表采集的反射波地震记录，通过地震数据处理和图像增强技术拾取地下界面反射波信息的均方根速度，利用反演方法稳定求解地下介质的层速度模型。本发明在反射界面的均方根速度Vrms和双程旅行时Trms存在误差的情况下，仍能够得到较为准确的结果。
本发明采取如下技术方案：
一种利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法，包括以下步骤：
步骤一：获取待测地下介质层的地表地震记录；
步骤二：制作速度谱；
步骤三：拾取反射信号双程走时T；
步骤四：对速度谱采用二值化进行图像增强处理；
步骤五：采用均方根速度拾取策略，从图像增强处理后的速度谱G中，拾取均方根速度Vrms和双程旅行时Trms；
所述均方根速度拾取策略为：基于图像增强后的速度谱G，识别出速度谱G中元素为1的分布区域，设置合理的时间采样间距，采用人机交互的方式手动拾取均方根速度Vrms；在手动拾取均方根速度Vrms时，需间隔选取速度谱G中元素为1的分布区域左边界和右边界附近处的均方根速度Vrms值，左边界和右边界均同时得到Vrms(L)向量和Trms(L)向量，L为时间采样长度；
步骤五：基于拾取的反射信号双程走时T、均方根速度Vrms和双程旅行时Trms，采用广义反演方法，求解层速度；所述步骤五通过如下的子步骤来实现：
(1)根据Trms和T中元素的大小关系和反射波时距曲线公式，列出如下方程组：
其中，Trms,1、Trms,2、Trms,3、Trms,L表示Trms(L)向量的第一个、第二个、第三个、第L个采样点的双程旅行时；Vrms,1、Vrms,2、Vrms,3、Vrms,L表示Vrms(L)向量的第一个、第二个、第三个、第L个采样点的均方根速度；K为地下介质层的数目，Ci为需要求解的层速度，i＝1,2,3,……,K，即C1、C2、CK表示第一层介质、第二层介质、第K层介质的层速度，且时间采样长度L大于地下介质层的数目K；T0＝0，T1表示从地表处到第一层介质与第二层介质之间的界面处的双程走时，T2表示从地表处到第二层介质与第三层介质之间的界面处的双程走时，TK-1表示从地表处到第K-1层介质与第K层介质之间的界面处的双程走时；Trms，1＜Trms,2＜T1＜Trms,3；
(2)由于上式是关于
的线性方程组，将方程组(1)写成矩阵方程形式：
b＝Aα (2)
(3)采用求解超定方程组的广义反演方法对式(2)求解估计，其最小二乘解估计α为：
α＝(ATA)-1ATb (3)
其中，AT表示A的转置，(ATA)-1表示ATA的逆；
(4)根据最小二乘解估计α，求得地下介质的层速度和深度。
进一步地，所述步骤二中，所述速度谱的制作是基于地震反射波的时距曲线公式：
式中，t(x)表示x炮检距时地震记录中反射信号的双程旅行时；t0表示零炮检距时地震记录中反射信号的双程旅行时，x表示炮检距，v表示扫描速度；
在速度谱制作过程中，采用相似系数作为速度分析的判别准则；
相似系数的定义为：
式中，
xi为第i道的炮检距，N表示道数，λ是时窗的宽度，u(ti+j,xi)表示地震数据的振幅；S表示相似系数的数值，S＝1即相似系数达到最大值，对应最佳动校正速度，而其他情况下，相似系数S＜1。
进一步地，所述步骤四通过如下的子步骤来实现：
(1)通过下式计算速度谱D数学意义上的平均值dm：
式中，D表示求得的地震记录速度谱，它是一个M×N的二维矩阵；
(2)统计速度谱D中元素值大于平均值dm的个数，定义为L；
(3)求速度谱D统计意义上的平均值ds，即：
式中，α为图像增强控制因子；
(4)将速度谱D中大于或等于ds的元素值赋值为1，小于ds的元素值赋值为0，得到图像增强处理后的速度谱G：
式中，G是一个M×N的二维矩阵。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了新的均方根速度拾取策略，降低了均方根速度的拾取偏差，有利于后续层速度反演的稳定性。
(2)本发明在制作出速度谱与进行层速度反演流程之间，新增了图像增强步骤，提高了反演算法的误差容忍度和操作便捷度，减小了均方根速度拾取误差对层速度模型的影响，有利于后续层速度反演的稳定性。
(3)本发明基于图像增强技术和新的均方根速度拾取策略来提高反演算法的误差容忍度和操作便捷度，减小了均方根速度拾取误差对层速度模型的影响，能够较好地利用地下水平反射界面产生的反射波信息，高效稳定地反演出地下介质的层速度模型。
附图说明
图1为本发明的一具体实施例1中设计的地下介质速度模型；
图2为本发明的一具体实施例1中基于图1生成的正演模拟地震记录；
图3为本发明的一具体实施例1中基于图2生成的地震记录速度谱；
图4为本发明的一具体实施例1中速度谱进行图像增强后的均方根速度拾取结果；
图5为本发明的一具体实施例1中最终反演求得的层速度和实际层速度的对比图；
图6为本发明的一具体实施例2中设计的地下介质速度模型；
图7为本发明的一具体实施例2中基于图6生成的正演模拟地震记录；
图8为本发明的一具体实施例2中基于图7生成的地震记录速度谱；
图9为本发明的一具体实施例2中速度谱进行图像增强后的均方根速度拾取结果；
图10为本发明的一具体实施例2中最终反演求得的层速度和实际层速度的对比图；
图11为本发明的一具体实施例3中采集的炮集地震记录；
图12为本发明的一具体实施例3中从炮集地震记录中截取的有效反射波信号；
图13为本发明的一具体实施例3中利用有效反射波信号计算得到的速度谱；
图14为本发明的一具体实施例3中速度谱进行图像增强后的均方根速度拾取结果；
图15为本发明的一具体实施例3中最终反演求得的层速度模型。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法包括以下步骤：
步骤一：获取待测地下介质层的地表地震记录。
步骤二：制作速度谱。常规速度谱的制作是基于地震反射波的时距曲线公式：
式中，t(x)表示x炮检距时地震记录中反射信号的双程旅行时；t0表示零炮检距时地震记录中反射信号的双程旅行时，x表示炮检距，v表示扫描速度。
在速度谱制作过程中，采用相似系数作为速度分析的判别准则。
相似系数的定义为：
其中，
xi为第i道的炮检距，N表示道数，λ是时窗的宽度，u(ti+j,xi)表示地震数据的振幅。S表示相似系数的数值。S＝1即相似系数达到最大值，对应最佳动校正速度，而其他情况下，相似系数S＜1。
步骤三：拾取反射信号双程走时T，它是一个一维向量，它可直接从速度谱中拾取获得。当速度谱的时间分辨率较低时，可以从预处理(包括去噪、规则化等)后的地震记录中提取获得，即拾取反射信号零偏移距的双程走时信息。
步骤四：对速度谱进行图像增强处理。本发明基于地震数据的时空分布特征，设计了一个与地震数据特征相适应的图像增强处理方法，该方法具体表现为数据的二值化。本发明的图像增强处理过程通过如下子步骤来实现：
(1)通过下式计算速度谱D数学意义上的平均值dm：
式中，D表示求得的地震记录速度谱，它是一个M×N的二维矩阵。
(2)统计速度谱D中元素值大于平均值dm的个数，定义为L。
(3)求速度谱D统计意义上的平均值ds，即：
式中，α为图像增强控制因子。
(4)将速度谱D中大于或等于ds的元素值赋值为1，小于ds的元素值赋值为0，得到图像增强处理后的速度谱G：
式中，G是一个M×N的二维矩阵。
步骤五：基于图像增强处理后的速度谱G，拾取均方根速度Vrms和双程旅行时Trms，此步骤即为本发明采用的新型的均方根速度Vrms拾取策略。基于图像增强后的速度谱G，可以方便的识别出速度谱G中元素为1的一个分布区域，通过设置合理的时间采样间距，采用人机交互的方式手动拾取均方根速度Vrms。在手动拾取均方根速度Vrms时，需要间隔选取速度谱G中元素为1的分布区域左边界和右边界附近处的均方根速度Vrms值，左边界和右边界均同时得到Vrms(L)向量和Trms(L)向量，L为时间采样长度。
在该均方根速度拾取策略下，拾取的均方根速度Vrms方差较大，但偏差较小，有利于后续层速度反演的稳定性。而传统的均方根速度拾取方法，是拾取速度谱D中的一条均方根速度分布曲线，容易产生较大的偏差，因此容易影响层速度反演的结果。
步骤六：基于Vrms、Trms和T，应用广义反演方法，求解层速度。
需要说明地是，Trms是沿时间轴均匀采样的，而Vrms是带有拾取误差的。
根据Trms和T中元素的大小关系和反射波时距曲线公式，可以列出如下方程组：
其中，Trms,1、Trms,2、Trms,3、Trms,L表示Trms(L)向量的第一个、第二个、第三个、第L个采样点的双程旅行时；Vrms,1、Vrms,2、Vrms,3、Vrms,L表示Vrms(L)向量的第一个、第二个、第三个、第L个采样点的均方根速度；K为地下介质层的数目，Ci为需要求解的层速度，i＝1,2,3,……,K，即C1、C2、CK表示第一层介质、第二层介质、第K层介质的层速度，且时间采样长度L大于地下介质层的数目K；T0＝0，T1表示从地表处到第一层介质与第二层介质之间的界面处的双程走时，T2表示从地表处到第二层介质与第三层介质之间的界面处的双程走时，TK-1表示从地表处到第K-1层介质与第K层介质之间的界面处的双程走时；Trms，1＜Trms,2＜T1＜Trms,3。
由于上式是关于
的线性方程组，因此可以将方程组(6)写成矩阵方程形式：
b＝Aα (7)
由于时间采样长度L一般大于反射界面数目K，因此采用求解超定方程组的广义线性反演技术对式(7)求解估计，其最小二乘解估计α为：
α＝(ATA)-1ATb (8)
其中，AT表示A的转置，(ATA)-1表示ATA的逆。
求得α后，由于α为仅包含层速度的参数，可以得到地下介质的层速度，在已知层速度Vrms和双程走时T的前提下即可求得深度。
相比于传统的Dix公式求解方法，本发明采用的反演求解方法减小了b中所含的均方根拾取误差对层速度模型的影响，也使得层速度求解变得稳定。此外，b中包含的均方根速度Vrms项是基于新的均方根速度拾取策略获得的，当均方根速度拾取存在较大误差的情况下，仍能够得到一个较为准确的地下介质层速度模型。
本发明中的层速度反演方法也称为探地镜方法，它能较好的利用水平反射界面产生的反射信息，并稳定地反演出地下的层速度模型。该方法将均方根速度和反射信号双程走时信息的获取也考虑在内，结合图像增强技术，形成了一套稳定高效的层速度反演流程。该方法考虑了均方根速度拾取的误差，通过更密集的时间采样列出一个超定方程组，然后利用广义线性反演技术求得该方程的解估计。
以下为应用本发明的几个具体实施例：
实施例1：
在该实施例中，利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法具体包括如下步骤：
步骤一：设计如图1所示的层速度随深度递增的层状速度模型；通过正演模拟方法得到如图2所示的该层状速度模型的地表地震记录；
步骤二：根据地表地震记录制作速度谱，得到的速度谱如图3所示，未做图像增强的速度谱浅层和深层能量十分不均衡，难以从中拾取出准确的均方根速度Vrms。
步骤三：拾取反射信号双程走时T。
步骤四：对速度谱进行图像增强处理，处理后的速度谱如图4所示，可以明显识别出一个近似条带状分布的均方根速度区域。
步骤五：采用均方根速度拾取策略，从图像增强处理后的速度谱中，拾取均方根速度Vrms和双程旅行时Trms。
步骤六：基于拾取的反射信号双程走时T、均方根速度Vrms和双程旅行时Trms，采用广义反演方法，求解层速度。最终反演得到的地下介质的层速度分布模型如图5所示，虽然此时拾取的均方根速度Vrms与准确的均方根速度Vrms存在较大误差，但其层速度反演结果与设计的层速度模型几乎一致。进一步验证了本发明提出的层速度反演方法(探地镜方法)可以稳定准确的求得地下介质的层速度分布模型。
实施例2：
在该实施例中，利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法具体包括如下步骤：
步骤一：设计如图6所示的含低速层或高速层的层状速度模型；通过正演模拟方法得到如图7所示的该层状速度模型的地表地震记录；
步骤二：根据地表地震记录制作速度谱，得到的速度谱如图8所示，未做图像增强的速度谱浅层和深层能量十分不均衡，部分区域几乎看不到任何信号能量，难以从中拾取出准确的均方根速度Vrms。
步骤三：拾取反射信号双程走时T。
步骤四：对速度谱进行图像增强处理，处理后的速度谱如图9所示，可以大致给出一个合理的均方根速度拾取区域。
步骤五：采用均方根速度拾取策略，从图像增强处理后的速度谱中，拾取均方根速度Vrms和双程旅行时Trms。
步骤六：基于拾取的反射信号双程走时T、均方根速度Vrms和双程旅行时Trms，采用广义反演方法，求解层速度。最终反演得到的地下介质的层速度分布模型如图10所示，虽然此时拾取的均方根速度Vrms与准确的均方根速度Vrms存在较大误差，但其层速度反演结果与设计的层速度模型几乎一致。进一步表明本发明提出的层速度反演方法对含低速层或高速层的地下介质模型仍然有效，且可以稳定准确的求得地下介质的层速度分布模型。
实施例3：
在该实施例中，利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法具体包括如下步骤：
步骤一：使用如图11所示的浙江大学紫金港校区某处采集的炮集地震记录，提取出如图12所示的该实际地震数据中的有效反射波信号。
步骤二：根据有效反射波信号制作速度谱，得到的速度谱如图13所示，未做图像增强的速度谱浅层和深层能量十分不均衡，难以从中拾取出准确的均方根速度Vrms。
步骤三：拾取反射信号双程走时T。
步骤四：对速度谱进行图像增强处理，处理后的速度谱如图14所示，可以大致给出一个合理的均方根速度拾取区域。
步骤五：采用均方根速度拾取策略，从图像增强处理后的速度谱中，拾取均方根速度Vrms和双程旅行时Trms。
步骤六：基于拾取的反射信号双程走时T、均方根速度Vrms和双程旅行时Trms，采用广义反演方法，求解层速度。最终反演得到的地下介质的层速度分布模型如图15所示，紫金港校区某处的岩土工程勘察结果如表1所示，该结果由浙江城建勘察研究院有限公司提供。
最终得到的反演结果与紫金港校区某处的岩土工程勘察结果大致吻合。本发明层速度反演结果的第一个界面大致位于47m，对应于岩土工程勘察结果中强风化砂岩和中等风化砂岩间的界面。考虑到紫金港校区岩土工程勘察的数据采集位置与该实施例的数据采集位置相差约400米，因此该实施例的层速度反演结果与岩土勘察结果会存在少许偏差。紫金港校区岩土工程勘察结果显示强风化砂岩与中等风化砂岩的界面深度为49.4米，与本发明层速度反演的界面深度相差小于3米，符合误差预期。强风化砂岩层与其上方各层由于未固结成岩或受到了强风化作用影响，孔隙度较大，因此近似表现为一个整体的低速层。而中等风化砂岩层固结程度较上层要好，层速度也相应更大，因此可形成一个较为明显的地下介质速度界面。此外，层速度反演结果表明中等风化砂岩层之下还存在一个较薄的低速层，该区域的基岩面大致位于77m。
表1 紫金港校区某处的岩土工程勘察结果
| 层介质序号 | 层介质名称 | 层介质底界面深度(单位：米) |
| 1 | 杂填土 | 2.3m |
| 2 | 粉质粘土 | 4.1m |
| 3 | 淤泥质粉质粘土 | 17.5m |
| 4 | 粉质粘土 | 23.9m |
| 5 | 粘土 | 27.5m |
| 6 | 粉质粘土 | 33.3m |
| 7 | 中砂 | 35.6m |
| 8 | 圆砾 | 45.4m |
| 9 | 强风化砂岩 | 49.4m |
| 10 | 中等风化砂岩 | 56.0m |
本发明提供一种稳定高效的层速度反演方法(探地镜方法)，该方法将图像增强技术与地震数据广义线性反演技术相结合，提出了一种基于反演方法和图像增强技术求取地下介质层速度模型的方法。该方法能够较好的利用地下反射界面产生的反射波信息，并考虑了处理过程中均方根速度拾取误差的影响，具有更好的稳定性。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取待测地下介质层的地表地震记录；
步骤二：制作速度谱；
步骤三：拾取反射信号双程走时T；
步骤四：对速度谱采用二值化进行图像增强处理；
步骤五：采用均方根速度拾取策略，从图像增强处理后的速度谱G中，拾取均方根速度Vrms和双程旅行时Trms；
所述均方根速度拾取策略为：基于图像增强后的速度谱G，识别出速度谱G中元素为1的分布区域，设置合理的时间采样间距，采用人机交互的方式手动拾取均方根速度Vrms；在手动拾取均方根速度Vrms时，需间隔选取速度谱G中元素为1的分布区域左边界和右边界附近处的均方根速度Vrms值，左边界和右边界均同时得到Vrms(L)向量和Trms(L)向量，L为时间采样长度；
步骤六：基于拾取的反射信号双程走时T、均方根速度Vrms和双程旅行时Trms，采用广义反演方法，求解层速度；所述步骤六通过如下的子步骤来实现：
(1)根据Trms和T中元素的大小关系和反射波时距曲线公式，列出如下方程组：
其中，Trms,1、Trms,2、Trms,3、Trms,L表示Trms(L)向量的第一个、第二个、第三个、第L个采样点的双程旅行时；Vrms,1、Vrms,2、Vrms,3、Vrms,L表示Vrms(L)向量的第一个、第二个、第三个、第L个采样点的均方根速度；K为地下介质层的数目，Ci为需要求解的层速度，i＝1,2,3,……,K，即C1、C2、CK表示第一层介质、第二层介质、第K层介质的层速度，且时间采样长度L大于地下介质层的数目K；T0＝0，T1表示从地表处到第一层介质与第二层介质之间的界面处的双程走时，T2表示从地表处到第二层介质与第三层介质之间的界面处的双程走时，TK-1表示从地表处到第K-1层介质与第K层介质之间的界面处的双程走时；Trms，1＜Trms,2＜T1＜Trms,3；
(2)由于上式是关于
的线性方程组，将方程组(1)写成矩阵方程形式：
b＝Aα (2)
(3)采用求解超定方程组的广义反演方法对式(2)求解估计，其最小二乘解估计α为：
α＝(ATA)-1ATb (3)
其中，AT表示A的转置，(ATA)-1表示ATA的逆；
(4)根据最小二乘解估计α，求得地下介质的层速度和深度。
2.根据权利要求1所述的利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法，其特征在于，所述步骤二中，所述速度谱的制作是基于地震反射波的时距曲线公式：
式中，t(x)表示x炮检距时地震记录中反射信号的双程旅行时；t0表示零炮检距时地震记录中反射信号的双程旅行时，x表示炮检距，v表示扫描速度；
在速度谱制作过程中，采用相似系数作为速度分析的判别准则；
相似系数的定义为：
式中，
xi为第i道的炮检距，N表示道数，λ是时窗的宽度，u(ti+j,xi)表示地震数据的振幅；S表示相似系数的数值，S＝1即相似系数达到最大值，对应最佳动校正速度，而其他情况下，相似系数S＜1。
3.根据权利要求1所述的利用反射波信息进行地下介质层速度反演的方法，其特征在于，所述步骤四通过如下的子步骤来实现：
(1)通过下式计算速度谱D数学意义上的平均值dm：
式中，D表示求得的地震记录速度谱，它是一个M×N的二维矩阵；
(2)统计速度谱D中元素值大于平均值dm的个数，定义为L；
(3)求速度谱D统计意义上的平均值ds，即：
式中，α为图像增强控制因子；
(4)将速度谱D中大于或等于ds的元素值赋值为1，小于ds的元素值赋值为0，得到图像增强处理后的速度谱G：
式中，G是一个M×N的二维矩阵。
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