CN116009074A - 基于afda自由表面模拟的浅层全波形反演方法及装置 - Google Patents

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CN116009074A CN202111234630.1A CN202111234630A CN116009074A CN 116009074 A CN116009074 A CN 116009074A CN 202111234630 A CN202111234630 A CN 202111234630A CN 116009074 A CN116009074 A CN 116009074A
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法及装置。其中，基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，包括：获取面波信号；将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；基于所述速度变化量得到浅层地质信息。通过基于AFDA的自由表面模拟方法对自由表面处面波进行正演模拟，与野外实测资料的残差进行全波形反演迭代计算，获得较为准确的近地表速度，提高地震资料成像精度。

Description

基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法及装置
技术领域
本发明属于地震勘探资料处理技术领域，更具体地，涉及一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法及装置。
背景技术
随着油气资源勘探的重心逐渐向地下复杂构造区转移，对地下构造成像质量的要求也越来越高。高精度的速度建模是提高地震数据偏移成像质量的关键。浅层面波携带大量近地表信息，可以为地震勘探提供重要浅层速度信息。目前，石油地震勘探中主要通过微测井、小折射、大炮初至折射波法和初至波走时层析反演类等方法获取近地表速度。当地震资料信噪比低、初至波能量弱、折射界面不稳定时，折射波法和小折射法往往难以奏效。微测井技术是近地表调查中获得表层低速带速度和厚度的最直接手段，其显著优点是不受复杂地表条件限制。但其在求取近地表速度时一般通过对深度-旅行时数据采用分段拟合求斜率的方法进行，这种方法在“分段”的选择上依赖于解释人员的处理经验，具有主观任意性。此外，钻井的成本较高，使得微测井分布密度受到限制，工作效率较低，不适宜大范围使用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法及装置，至少解决现有技术中地震资料成像精度低的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，包括：
获取面波信号；
将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；
基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；
基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；
基于所述速度变化量得到浅层地质信息。
可选的，所述基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型，包括：
正演模拟波场；
基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度；
基于所述全局梯度求取迭代步长；
基于所述迭代步长更新模型参数。
可选的，所述正演模拟波场，包括：
计算AFDA正演模拟的正传波场，得到计算结果。
可选的，所述基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度，包括：
基于所述计算结果计算波场残差；
基于所述波场残差计算单炮梯度；
基于所述单炮梯度计算全局梯度。
可选的，所述基于所述全局梯度求取迭代步长，包括：
基于所述全局梯度得到给试探步长；
基于所述试探步长计算正传波场；
基于所述正传波场计算单炮残差；
基于所述单炮残差计算全局残差；
基于所述全局残差计算迭代步长。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演装置，包括：
信号获取模块，用于获取面波信号；
带入模块，用于将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；
求取模块，用于基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；
速度变化量模块，用于基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；
浅层地质信息模块，用于基于所述速度变化量得到浅层地质信息。
可选的，所述求取模块，还用于：
正演模拟波场；
基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度；
基于所述全局梯度求取迭代步长；
基于所述迭代步长更新模型参数。
可选的，所述正演模拟波场，包括：
计算AFDA正演模拟的正传波场，得到计算结果。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：
存储器，存储有可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现第一方面任一项所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法。
本发明通过基于AFDA的自由表面模拟方法对自由表面处面波进行正演模拟，与野外实测资料的残差进行全波形反演迭代计算，获得较为准确的近地表速度，提高地震资料成像精度。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明的一个实施例的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法的流程图；
图2示出了本发明的一个实施例的水平层状结构模型的示意图；
图3示出了本发明的一个实施例的初始横波速度模型示意图；
图4示出了本发明的一个实施例的横波速度反演结果示意图；
图5a示出了本发明的一个实施例的水平方向30米处横波速度随深度变化曲线示意图；
图5b示出了本发明的一个实施例的水平方向60米处横波速度随深度变化曲线示意图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
地震勘探是进行石油天然气等矿产资源勘查的重要手段，通过处理分析反射波信息推断地下构造、岩性及含流体情况。从地表到低速带底界的整个范围内的地层，包含了两个重要的界面----地表自由面、低速带底界的强反射面，和一个低速地层，统称为近地表介质。近地表介质厚度不大，但其具有“自由面、低速度、高吸收”等性质，使得接收的信号发生畸变，严重制约着地震勘探的精度，同时，浅层面波携带大量近地表信息，可为地震勘探提供重要浅层速度信息。所以，获取比较可靠的近地表介质速度信息，一直是油气地震勘探领域十分重视的问题。
(1)技术原理：
随着近些年来勘探程度的进一步提高，如何获得更为准确的地下速度及地震成像质量越来越成为广大专家学者关心的重中之重。长期以来，石油勘探主要利用地震反射波寻找油气，而将面波信号作为干扰波而在地震资料处理的初期阶段就通过去噪、切除等多种手段去除。实际上，震源激发的能量有约2/3都以面波的形式被记录下来。这种面波表现出明显的低速、低频、强振幅、频散的特点。如果将面波视为有效信号，充分利用其携带大量近地表信息这一特点，结合全波形反演，可得到较为准确的浅层速度模型。
(1.1)自由表面数值处理方法
自由表面将地球分成两个半空间，真空和弹性半空间，虽然在自由表面两侧介质性质不连续，但是介质的运动是连续的。真空中无波的传播，即在界面处满足应力为零的条件，此时位移可以是任意的。在二维平面z＝0处满足：
Figure BDA0003317065730000051
其中σzz表示垂直方向上的正应力，τxz表示切应力。
由于速度导数与应力分量满足二维各向同性一阶速度-应力方程式，零应力条件导致自由表面的速度导数受限：
Figure BDA0003317065730000052
其中vx表示水平方向上的速度，vz表示垂直方向上的速度，λ、μ为拉梅常数。将上式带入速度-应力方程，在自由表面处σxx可表示为式(3)：
Figure BDA0003317065730000061
其中σxx表示水平方向上的正应力。
在全波形反演过程中，选择交错网格有限差分法进行正演，此时可将自由表面放置在速度分量vz和应力分量τxz所在的水平表面，结合自由表面应力条件，实现自由表面处波场模拟。
由于在地震波场数值模拟中，自由表面为上边界，以上再无场分量，因此自由表面附近场分量的求取不适合再用传统的交错网格有限差分法，而应该用交错网格下的可变有限差分近似方法(AFDA)。这时的有限差分近似式如式(4)：
Figure BDA0003317065730000062
那么自由表面波场模拟处理过程如下：
1、τxz(0)＝0；
2、σxx(h/2)可由速度-应力方程的四阶有限差分近似求得，其中导数
Figure BDA0003317065730000063
可有式(4)中#2近似求得，σzz(h/2)也做相同处理；
3、τxz(h)可由速度-应力方程的四阶有限差分近似求得，其中导数
Figure BDA0003317065730000064
可有式(4)中#3求得，并用
Figure BDA0003317065730000065
代替
Figure BDA0003317065730000066
4、vz(0)可由速度-应力方程得四阶有限差分近似求得，
Figure BDA0003317065730000067
可由式(4)中#1求得，并且τzz(0)＝0；
5、vx(h/2)可由速度-应力方程得四阶有限差分近似求得，
Figure BDA0003317065730000071
可由式(4)中#2求得；
6、vz(h)可由速度-应力方程得四阶有限差分近似求得，
Figure BDA0003317065730000072
可由式(4)中#4求得，并且τxz(0)＝0；
(1.2)全波形反演速度建模技术
全波形反演的流程大体分为三部分：正演模拟波场、梯度求取、步长的求取。
地震波场的正传播过程可以记为，
d＝L(m)                                          (5)
式中，m为介质弹性参数，如速度、密度等，d是观测地震数据,L(·)是描述地震波正传播过程的算子，研究模型m的波场传播得到数据d的过程称之为正演，反之，由数据d反推得到模型参数m的过程称之为反演，反演可以表示为，
m＝L-1(d)                                        (6)
其中L-1(·)代表反演过程。L(m)是依赖于模型参数m的非线性函数。定义误差泛函E为，
Figure BDA0003317065730000073
上标t表示矩阵转置，dobs表示实际观测地震记录，将上式中误差泛函由离散形式改写为积分形式：
Figure BDA0003317065730000074
δu即为波场残差。以m表示模型参数，则E(v)对模型参数的导数可推导为：
Figure BDA0003317065730000081
其中sources代表震源，Nrec代表检波器个数，dmod表示模型正演的地震记录。通过上式可实现模型参数的微小扰动在数据空间和模型空间的相互映射。模型空间中一个点的参数扰动会引起波场值的变化，而如果Fréchet微商
Figure BDA0003317065730000082
已知，则整个数据空间的波场残差就可以通过对模型空间参数扰动积分求得：
Figure BDA0003317065730000083
其中dV表示模型空间的扰动。同样的，模型参数扰动也可以通过波场残差积分求得：
Figure BDA0003317065730000084
其中
Figure BDA0003317065730000085
是
Figure BDA0003317065730000086
的伴随状态，且有
Figure BDA0003317065730000087
由此可推导下式：
Figure BDA0003317065730000088
其中δm'为模型参数扰动，δu为波场残差，sources代表震源，Nrec代表检波器个数，ui中i＝3，其中u1＝σxx，u2＝τxz，u3＝σzz，分别代表水平方向上的正应力、切应力、垂直方向上的正应力。将以上物理量之间的关系运用到声波多参数全波形反演中。
因此，通过AFDA进行正演模拟，再通过(12)式求取速度变化量，可实现对横波速度反演，获得浅层地质信息。
如他图1所示，一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，包括：
获取面波信号；
将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；
基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；
基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；
基于所述速度变化量得到浅层地质信息。
可选的，所述基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型，包括：
正演模拟波场；
基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度；
基于所述全局梯度求取迭代步长；
基于所述迭代步长更新模型参数。
可选的，所述正演模拟波场，包括：
计算AFDA正演模拟的正传波场，得到计算结果。
可选的，所述基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度，包括：
基于所述计算结果计算波场残差；
基于所述波场残差计算单炮梯度；
基于所述单炮梯度计算全局梯度。
可选的，所述基于所述全局梯度求取迭代步长，包括：
基于所述全局梯度得到给试探步长；
基于所述试探步长计算正传波场；
基于所述正传波场计算单炮残差；
基于所述单炮残差计算全局残差；
基于所述全局残差计算迭代步长。
实施例一：
在地震勘探中，面波信号占据了浅地层地震波场能量的主要部分，瑞雷面波由P波和SV波相互干涉形成，包含大量浅层横波信息，因此对面波进行分析可以用于求取浅层横波速度中。因此我们在全波形反演过程中将AFDA用于正演模拟，保留浅层面波信息，用于反演浅层横波速度，并通过简单水平介质进行方法验证。
如图2所示，选用水平层状结构模型，网格网格大小200×75，纵横向网格间距均为0.5m。水平坐标范围为0～100m。地表放炮，共放40炮，炮间距为2.5m，第一炮的位置在第0.5m处。震源子波为20Hz的零相位雷克子波。由于地表速度较低，这里设置水平模型的两层横波速度分别为200m/s，310m/s。由于瑞雷面波对横波速度比较敏感，对纵波速度和密度敏感度都比较低，这里只反演横波速度。初始横波速度模型如图3所示。
图4为横波速度反演结果。由于全波形反演浅层震源点附近能量很大，影响反演结果，为保证反演精度，在反演过程中设置第一层和第二层网格点速度更新量为零。从图中可以看到浅层速度有了较好的恢复，但是由于梯度能量衰减，较浅层的地方速度更新不是很明显，存在反演误差，但是在层位反界面处速度有较好的恢复。由此可以看到面波对于浅层横波速度的恢复是有帮助的。图5a和图5b为不同水平方向处横波速度随深度变化曲线，也可以看到整体反演效果是较好的，特别是在浅层和平层分界面处，速度有较好的恢复。
实施例二：
一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演装置，包括：
信号获取模块，用于获取面波信号；
带入模块，用于将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；
求取模块，用于基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；
速度变化量模块，用于基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；
浅层地质信息模块，用于基于所述速度变化量得到浅层地质信息。
可选的，所述求取模块，还用于：
正演模拟波场；
基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度；
基于所述全局梯度求取迭代步长；
基于所述迭代步长更新模型参数。
可选的，所述正演模拟波场，包括：
计算AFDA正演模拟的正传波场，得到计算结果。
实施例三：
本发明实施例提供一种电子设备包括存储器和处理器,
存储器，存储有可执行指令；
处理器，处理器运行存储器中的可执行指令，以实现基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法。
该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。
该处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本发明的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本发明的保护范围之内。
有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。
实施例四：
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本发明各实施例方法的全部或部分步骤。
上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：CD－ROM和DVD)、磁光存储介质(例如：MO)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如：ROM盒)。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，其特征在于，包括：
获取面波信号；
将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；
基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；
基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；
基于所述速度变化量得到浅层地质信息。
2.根据权利要求1所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，其特征在于，所述基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型，包括：
正演模拟波场；
基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度；
基于所述全局梯度求取迭代步长；
基于所述迭代步长更新模型参数。
3.根据权利要求2所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，其特征在于，所述正演模拟波场，包括：
计算AFDA正演模拟的正传波场，得到计算结果。
4.根据权利要求3所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，其特征在于，所述基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度，包括：
基于所述计算结果计算波场残差；
基于所述波场残差计算单炮梯度；
基于所述单炮梯度计算全局梯度。
5.根据权利要求4所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法，其特征在于，所述基于所述全局梯度求取迭代步长，包括：
基于所述全局梯度得到给试探步长；
基于所述试探步长计算正传波场；
基于所述正传波场计算单炮残差；
基于所述单炮残差计算全局残差；
基于所述全局残差计算迭代步长。
6.一种基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演装置，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取面波信号；
带入模块，用于将所述面波信号带入预建立的自由表面处波场模型；
求取模块，用于基于AFDA求取所述自由表面处波场模型，得到求取后的自由表面处波场模型；
速度变化量模块，用于基于求取后的自由表面处波场模型得到速度变化量；
浅层地质信息模块，用于基于所述速度变化量得到浅层地质信息。
7.根据权利要求6所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演装置，其特征在于，所述求取模块，还用于：
正演模拟波场；
基于所述正演模拟波场结果求取全局梯度；
基于所述全局梯度求取迭代步长；
基于所述迭代步长更新模型参数。
8.根据权利要求7所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演装置，其特征在于，所述正演模拟波场，包括：
计算AFDA正演模拟的正传波场，得到计算结果。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
存储器，存储有可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现权利要求1至5任一所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一所述的基于AFDA自由表面模拟的浅层全波形反演方法。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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