CN115951402A

CN115951402A - 基于向量反射率正演算子的偏移成像方法、系统及介质

Info

Publication number: CN115951402A
Application number: CN202211702119.4A
Authority: CN
Inventors: 卢绍平; 吴涵; 邓小凡
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2042-12-29
Also published as: CN115951402B

Abstract

本发明涉及地球物理勘探技术领域，为基于向量反射率正演算子的偏移成像方法、系统及存储介质。包括：获取目标工区地下速度模型及观测地震记录，并设定初始成像结果；根据目标工区地下速度模型及成像结果，使用向量反射率正演算子生成对应的模拟地震记录，并计算其与观测地震记录之间的记录残差；根据记录残差，应用与正演算子相共轭的向量反射率敏感核，获得记录残差对应的成像结果更新梯度；根据成像结果更新梯度，通过非线性反演求解器，获取更新后的成像结果，直至迭代终止。本发明能够实现在观测地震记录包含层间多次波及表面多次波干扰情况下，获取无多次波相关串扰噪声的高质量成像结果，为地震勘探提供丰富的地下构造信息。

Description

基于向量反射率正演算子的偏移成像方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，具体涉及一种基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像方法、系统及存储介质。

背景技术

地震成像是获取地下信息最有效的技术之一。它经历了从射线类偏移成像方法到波动方程类偏移成像方法的漫长发展过程，在此期间偏移成像方法对于地下复杂构造的成像效果也日益提高。随着利用地震数据进行油气勘探的需求不断提高，业界需要从地震成像中获得结构信息以外更详细的地下信息(如地下反射率信息)。

最小二乘逆时偏移成像方法具有精确计算地下反射率的潜力，其成像结果比常规逆时偏移具有更高的分辨率和信噪比。然而，传统的最小二乘逆时偏移成像方法通常采用基于一阶Born近似的反偏移算子，而这一算子仅能模拟包含一次反射波的地震记录。在这种情况下，使用最小二乘逆时偏移成像方法精确计算地下反射率，需要提前消除观测地震记录中的“冗余信息”(特别是多次波信息)，否则在成像结果中可能出现串扰噪声，影响算法的收敛性及后续对成像结果的解释。

然而，这些“冗余信息”很难从地震记录中完全消除。特别是当目标工区地下结构较为复杂时，多次波信号往往与一次波信号混杂在一起，这导致多次波信号难以在不伤害地震记录中有效信号的情况下完全去除。近年来，研究人员提出了一些新型成像方法来消除地震记录中多次波信号干扰。然而这些方法大多仅能处理表面多次波及层间多次波中的一种，不能同时处理全部多次波干扰，这在实际应用中同样会受到一定限制。

因此，当前业界迫切需要一种在地震记录包含多次波等“冗余信息”时依旧能够准确获取地下反射率信息的成像方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种基于向量反射率正演算子的偏移成像方法，该方法基于最小二乘全波场，在地震记录包含多次波等“冗余信息”的情况下，准确获取地下构造信息及反射率信息。

基于同样的发明构思，本发明的第二个目的在于提供一种基于向量反射率正演算子的偏移成像系统。

基于同样的发明构思，本发明的第三个目的在于提供一种存储介质。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案实现：一种基于向量反射率正演算子的偏移成像方法，包括以下步骤：

获取目标工区地下速度模型及观测地震记录，并设定初始成像结果；

根据目标工区地下速度模型及成像结果，使用向量反射率正演算子生成对应的包含一次波和多次波信号的模拟地震记录，并计算模拟地震记录与观测地震记录之间的记录残差；

根据所述记录残差，应用与所述向量反射率正演算子相共轭的向量反射率敏感核，获得记录残差对应的成像结果更新梯度；

根据成像结果更新梯度，通过非线性反演求解器，获取更新后的成像结果；

判断是否满足预设的迭代终止条件，若满足则输出最终的成像结果；否则继续计算记录残差和更新成像结果，进行迭代。

在优选的实施例中，根据目标工区地下速度模型及成像结果，使用向量反射率正演算子生成对应的包含一次波和多次波信号的模拟地震记录，并计算模拟地震记录与观测地震记录之间的记录残差，包括以下步骤：

根据目标工区地下速度模型及成像结果，通过向量反射率正演算子生成对应的模拟地震记录；

根据观测地震记录，将其与所述模拟地震记录作差，获得观测地震记录与模拟地震记录之间的记录残差。

优选地，所述向量反射率正演算子表示为：

其中，p为地下波场，v为地震波在地下传播的速度，t为时间，

为梯度算子，

表示拉普拉斯算子，R为地下向量反射率模型，S为正演算子中的震源项。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案实现：一种基于向量反射率正演算子的偏移成像系统，包括以下单元：

获取单元，用于获取目标工区地下速度模型及观测地震记录，并设定初始成像结果；

模拟记录及残差计算单元，用于根据目标工区地下速度模型及成像结果，使用向量反射率正演算子生成对应的包含一次波和多次波信号的模拟地震记录，并计算模拟地震记录与观测地震记录之间的记录残差；

成像结果更新梯度单元，用于根据所述记录残差，应用与所述向量反射率正演算子相共轭的向量反射率敏感核，获得记录残差对应的成像结果更新梯度；

非线性反演求解器单元，用于根据成像结果更新梯度，通过非线性反演求解器，获取更新后的成像结果；

判断单元，用于判断是否满足预设的迭代终止条件，若满足则输出最终的成像结果；否则继续计算记录残差和更新成像结果，进行迭代。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述偏移成像方法的各步骤。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

(1)应用本发明提供的基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像方法，可以在观测地震记录中包含多次波等“冗余信息”时产生无多次波相关串扰噪声的高质量成像结果；且获得的成像结果为一个向量，其中垂直分量揭示地下水平分布的构造及反射率信息，水平分量揭示垂直分布信息，能够为地震勘探提供更加丰富的地下信息。

(2)相比于传统最小二乘逆时偏移方法，本发明进行模拟地震记录计算时仅需一次波场计算，而传统方法需要两次，这为本发明的技术方案带来了更高的计算效率优势。

(3)总体而言，本发明提供的技术方案能够在无需对观测数据进行复杂处理的前提下获取地下高质量成像结果，相比于传统方法而言，本发明在提高计算效率的同时，提高了成像分辨率及信噪比，能够为地震勘探提供更加丰富的地下信息。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像方法的流程示意图。

图2是本发明实施例1中具有低密度层的目标工区地下速度模型、密度模型、向量反射率模型示意图；其中(a)示意的是速度模型，(b)示意的是密度模型，(c)示意的是向量反射率垂直分量，(d)示意的是矢量反射率水平分量。

图3为对本发明实施例1中具有低密度层的速度模型进行传统逆时偏移及最小二乘逆时偏移获取的成像结果示意图；其中(a)示意的是传统逆时偏移获取的成像结果，(b)示意的是传统最小二乘逆时偏移获取的成像结果。

图4为对本发明实施例1中具有低密度层的模型进行基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移获取的成像结果示意图，其中(a)示意的是成像结果的垂直分量，(b)示意的是成像结果的垂直分量。

图5为本发明实施例1中Marmousi地下速度模型、密度模型、向量反射率模型示意图；其中(a)示意的是速度模型，(b)示意的是密度模型，(c)示意的是向量反射率垂直分量，(d)示意的是矢量反射率水平分量。

图6为本发明实施例1中对Marmousi模型进行成像试验时输入观测地震数据示意图。

图7为对Marmousi模型进行传统逆时偏移及最小二乘逆时偏移获取的成像结果示意图；其中(c)示意的是传统逆时偏移获取的成像结果，(d)示意的是传统最小二乘逆时偏移获取的成像结果。

图8为本发明实施例1中对Marmousi模型进行基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移获取的成像结果示意图；其中(a)示意的是成像结果垂直分量，(b)示意的是成像结果水平分量。

图9为本发明实施例1中对Marmousi模型进行成像试验时传统方法与本发明提供方法的目标函数收敛性对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像方法，包括以下步骤：

S100、获取目标工区地下速度模型及观测地震记录，并设定初始成像结果为零，包括以下步骤：

S110、获取观测地震记录。本实施例中，观测地震记录为人工爆炸源激发(陆上工区为炸药、海上工区为气枪)，高密度地震检波器阵列接收的主动源地震数据。为提高地震成像质量及记录改造效果，可对观测地震数据进行去噪(去除随机噪音、面波噪音、无线电干扰、邻炮干扰、线性噪音等)、切除(切除地震记录中的折射波成分)、反褶积等操作。

S120、获取目标工区地下速度模型。本实施例中，地下速度模型通过层析成像或全波形反演等速度建模手段获取。

S130、设定初始成像结果为零。本实施例中，根据目标工区地下速度模型，创建一个与所述地下速度模型同样尺寸的初始成像结果，并将其数值设定为零。

S200、根据目标工区地下速度模型及成像结果，使用向量反射率正演算子生成对应的包含一次波和多次波信号的模拟地震记录，并计算模拟地震记录与观测地震记录之间的记录残差。

本步骤生成的模拟地震记录是为了拟合观测地震记录，生成模拟地震记录后，将其与观测地震记录作差，后续随着迭代的进行，此残差会越来越小。本步骤包括以下步骤：

S210、根据目标工区地下速度模型及成像结果，通过向量反射率正演算子生成对应的模拟地震记录。

本实施例中，利用的向量反射率正演算子，具体形式如下式所示：

为梯度算子，

在优选的实施例中，本步骤首先将目标工区地下速度模型及初始成像结果作为输入，通过向量反射率正演算子计算地下包含一次波及多次波信号的全地震波场信息；然后记录地表检波点处每一时刻的波场信息，生成模拟地震记录。

S220、根据观测地震记录，将其与S210生成的模拟地震记录作差，获得观测地震记录与模拟地震记录之间的记录残差。

S300、根据观测地震记录与模拟地震记录之间的记录残差，应用与所述向量反射率正演算子相共轭的向量反射率敏感核，获得记录残差对应的成像结果更新梯度，包括以下步骤：

S310、将观测地震记录与模拟地震记录之间的记录残差，通过伴随方程反传回地下，获取地下每一时刻的伴随波场。

本实施例中，伴随方程的具体形式如下式所示：

其中λ为伴随波场，x表示地下空间位置，x_r为检波点空间位置，d_syn为模拟地震记录，d_obs为观测地震记录，δ代表狄拉克函数。

S320、根据所述伴随波场，利用向量反射率敏感核获取成像结果更新梯度。

本实施例中，利用的向量反射率敏感核，具体形式如下式所示：

利用上述公式生成的结果即为成像结果更新梯度。

S400、根据成像结果更新梯度，通过非线性反演求解器，如非线性共轭梯度法或L-BFGS算法等，获取更新后的成像结果。

本步骤中，根据成像结果更新梯度，应用非线性反演求解器获取更新后的成像结果，具体可表示为：

Rⁱ⁺¹＝Rⁱ-αⁱzⁱ,

其中上标i表示迭代次数，α表示更新步长，z表示更新方向。

本实施例中，更新方向的具体形式为：

其中s_i＝Rⁱ⁺¹-Rⁱ，

I是单位矩阵，

是初始逆海森矩阵，σ＝8。

进一步的，应用的更新步长可由线搜索方法获得。

S500、判断是否满足预设的迭代终止条件，若满足则输出最终的成像结果；否则继续计算记录残差和更新成像结果，进行迭代。

本实施例中，进行迭代的方法是：将步骤S400获取的新的成像结果作为步骤S200的成像结果输入，并再次执行步骤S200-S500。

本实施例中，预设的迭代终止条件为：满足预设条件中的任意一条，预设条件包括：

第一预设条件，与记录残差相关的目标函数小于设定阈值；

第二预设条件，算法迭代次数大于设定阈值。

图2为本实施例中具有一个低密度层的目标工区地下速度模型、密度模型、向量反射率模型示意图。该模型大小为10km×2.5km，由于该低密度层的存在，在该模型中生成的观测地震记录中会存在许多层间多次波。因此利用此模型验证本发明提供的方法对于消除层间多次波相关串扰噪声、提供高质量成像结果的能力。

图3为对上述具有低密度层的目标工区模型进行传统逆时偏移及最小二乘逆时偏移获取的成像结果示意图，其中子图(a)示意的是传统逆时偏移获取的成像结果，子图(b)示意的是传统最小二乘逆时偏移获取的成像结果；可以看出，如箭头所指处，有许多串扰噪声出现在传统方法的成像结果中。图4为对上述具有低密度层的目标工区模型采用本发明提供方法获取的成像结果示意图；可以看出，层间多次波相关的串扰噪声未出现在成像结果中，且成像结果分辨率、信噪比更高。另外，本发明提供方法生成的成像结果为一向量，如图4的子图(a)中成像结果垂直分量所示，该垂直分量揭示地下水平分布的构造及反射率信息；如图4的子图(b)中成像结果水平分量所示，该水平分量揭示地下垂直分布的构造及反射率信息。综上，本发明提供方法能够消除传统方法无法消除的层间多次波相关串扰噪声，提供高质量的成像结果并提供更多的地下信息。

图5为本实施例中的Marmousi地下速度模型、密度模型、向量反射率模型示意图。图6为本实施例中对Marmousi模型进行成像试验时使用的观测地震数据，箭头所指处为表面多次波。图7为对Marmousi模型进行传统逆时偏移及最小二乘逆时偏移获取的成像结果示意图，其中子图(c)示意的是传统逆时偏移获取的成像结果，子图(d)示意的是传统最小二乘逆时偏移获取的成像结果；可以看出，如箭头所指处，与表面多次波相关的串扰噪声出现在传统方法成像结果中。图8为本实施例中对Marmousi模型采用本发明提供方法获取的成像结果示意图，子图(a)示意的是成像结果垂直分量，子图(b)示意的是成像结果水平分量；可以看出，表面多次波相关的串扰噪声未出现在成像结果中，且成像结果分辨率、信噪比同样更高。图8的子图(b)中成像结果水平分量揭示了更多地下垂直分布的构造及反射率信息。综上，本发明提供方法能够消除传统方法无法消除的表面多次波相关串扰噪声，提供高质量的成像结果。

图9为本发明实施例中对Marmousi模型进行成像试验时传统方法与本发明提供方法的目标函数收敛性对比示意图，可见本发明提供的方法具有更快的收敛速度及更小的误差函数值，这说明本发明提供的方法能够更加快速有效地反演地下反射率信息。

因此，应用本发明提供的基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像方法，可以在观测地震记录中包含多次波等“冗余信息”时产生无多次波相关串扰噪声的高质量成像结果。且获得的成像结果为一个向量，其中垂直分量揭示地下水平分布的构造及反射率信息，水平分量揭示垂直分布信息，能够为地震勘探提供了更加丰富的地下信息。

实施例2

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例提供了一种基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像系统，包括以下单元：

其中，所述向量反射率正演算子表示为：

为梯度算子，

本实施例的各单元分别用于实现实施例1所提供成像方法的各步骤，其详细过程参见实施例1，不赘述。

实施例3

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的基于向量反射率正演算子的最小二乘全波场偏移成像方法的各个步骤。

需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读存储介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读存储介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读存储介质可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本实施例的计算机程序，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Python、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如C语言或类似的程序设计语言。程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

由以上实施例可知，本发明通过基于向量反射率的全波场正演算子获取包含一次反射波及多次反射波的模拟地震记录，利用与该正演算子严格共轭的向量反射率敏感核对模拟地震记录及实际观测地震记录之间的残差，求取成像结果更新梯度，结合高效非线性反演求解器进行地震波偏移成像。本发明能够实现在观测地震记录包含层间多次波及表面多次波干扰情况下，获取无多次波相关串扰噪声的高质量成像结果。同时本发明提供的成像结果是一个向量，能够为地震勘探提供更加丰富的地下构造信息，尤其是高陡地下构造信息。

显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的保护范围。