專利名稱：全波形反演方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油地震勘探速度建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的全波形反演方法及裝置。
背景技術(shù)：
相對于旅行時(shí)層析成像方法，全波形反演不僅可以利用地震走時(shí)，還可以利用振幅、相位、波形等信息，因此能夠得到精確的高分辨率速度模型。隨著勘探的不斷深入，地震成像需要解決的問題日益精細(xì)化和復(fù)雜化，單純依靠縱波信息來推斷地下介質(zhì)模型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了較好地推測出地下介質(zhì)模型，需要提供彈性多波的成像信息，因而彈性波全波形反演顯得十分重要。全波形反演是根據(jù)觀測的地震波場記錄來推測地下介質(zhì)參數(shù)的一種方法。基于最小二乘原理，當(dāng)目標(biāo)泛函取極小時(shí)所對應(yīng)的模型就認(rèn)為是要求解的模型。在利用最小二乘解求取地下介質(zhì)模型參數(shù)時(shí)至關(guān)重要的一步是計(jì)算目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度即FWchet導(dǎo)數(shù)。直接求解模型FWchet導(dǎo)數(shù)往往比較困難，需要巨大的計(jì)算量，為此許多學(xué)者引入了其他思想來求解Fr6chet導(dǎo)數(shù),其中伴隨方法是求解Fr6chet導(dǎo)數(shù)的一個(gè)強(qiáng)有力工具。目前非線性全波形反演研究較為深入的是基于梯度類的迭代算法，準(zhǔn)確的梯度將加快反演的收斂速度，提高反演的計(jì)算效率。基于彈性波動方程的傳統(tǒng)目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度是通過二階彈性波動方程系統(tǒng)導(dǎo)出的(Tarantola (1986),Mora (1987)，Liu和Tromp (2006))。Crase等(1990)引入更加穩(wěn)健的目標(biāo)泛函，采用一階速度-應(yīng)力彈性波動方程及相應(yīng)的伴隨方程(除右端項(xiàng)之外，其表達(dá)形式與正向一階速度-應(yīng)力方程一致)來計(jì)算正向傳播波場和逆時(shí)外推伴隨波場，利用基于二階位移彈性波動方程導(dǎo)出的目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度表達(dá)式，對海洋實(shí)際數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了彈性波全波形反演研究。Shipp和Singh (2002)利用大角度海洋反射數(shù)據(jù)集對P波速度進(jìn)行了反演，在反演過程中，同樣采用一階速度-應(yīng)力方程對正演波場進(jìn)行模擬，為了提高計(jì)算效率，他們對梯度表達(dá)式進(jìn)行了變形，用正應(yīng)力來代替位移對空間的導(dǎo)數(shù)。Baumstein等(2009)指出在采用上述策略求解梯度時(shí)，必然存在著質(zhì)點(diǎn)位移和質(zhì)點(diǎn)速度的轉(zhuǎn)換問題，如果想要得到準(zhǔn)確的梯度，需要在逆時(shí)外推波場殘差之前對其進(jìn)行預(yù)處理即求解波場殘差對應(yīng)力或位移的導(dǎo)數(shù)。這樣，就使得計(jì)算效率較為低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的全波形反演方法，用以提高反演的計(jì)算效率，該方法包括:采用基于攝動理論的伴隨方法，確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程和相應(yīng)的目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度表達(dá)式；根據(jù)所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程確定正向傳播波場，根據(jù)所述伴隨方程確定逆時(shí)外推伴隨波場；根據(jù)所述正向傳播波場、逆時(shí)外推伴隨波場和所述梯度表達(dá)式確定所述目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度；利用梯度類迭代算法進(jìn)行多尺度全波形反演。一個(gè)實(shí)施例中，采用基于攝動理論的伴隨方法,確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程如下:
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的全波形反演方法，其特征在于，該方法包括: 采用基于攝動理論的伴隨方法，確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程和相應(yīng)的目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度表達(dá)式； 根據(jù)所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程確定正向傳播波場，根據(jù)所述伴隨方程確定逆時(shí)外推伴隨波場； 根據(jù)所述正向傳播波場、逆時(shí)外推伴隨波場和所述梯度表達(dá)式確定所述目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度； 利用梯度類迭代算法進(jìn)行多尺度全波形反演。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于攝動理論的伴隨方法，確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程如下:
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括: 對所述伴隨方程進(jìn)行量綱分析如下:
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于攝動理論的伴隨方法，確定所述梯度表達(dá)式如下:
5.按權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程確定正向傳播波場，包括: 對所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程進(jìn)行離散求解，得到觀測地震記錄； 采用高斯平滑法獲得初始模型，對初始模型進(jìn)行正演模擬獲得正向傳播波場以及人工合成地震記錄。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，對所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程進(jìn)行離散求解，得到觀測地震記錄時(shí)，采用的數(shù)值方法為交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法，時(shí)間是二階精度，空間是四階精度，邊界采用最佳匹配層PML吸收邊界條件。
7.按權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述伴隨方程確定逆時(shí)外推伴隨波場，包括: 對所述伴隨方程采用高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法和PML吸收邊界條件進(jìn)行求解得到逆時(shí)外推伴隨波場。
8.按權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，利用梯度類迭代算法進(jìn)行多尺度全波形反演，包括: 采用預(yù)條件共軛梯度法進(jìn)行多尺度全波形反演，反演過程中迭代步長采用非精確線性搜索進(jìn)行求取。
9.一種基于時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的全波形反演裝置，其特征在于，該裝置包括: 第一確定模塊，用于采用基于攝動理論的伴隨方法，確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程和相應(yīng)的目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度表達(dá)式；第二確定模塊，用于根據(jù)所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程確定正向傳播波場，根據(jù)所述伴隨方程確定逆時(shí)外推伴隨波場； 第三確定模塊，用于根據(jù)所述正向傳播波場、逆時(shí)外推伴隨波場和所述梯度表達(dá)式確定所述目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度； 反演處理模塊，用于利用梯度類迭代算法進(jìn)行多尺度全波形反演。
10.按權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第一確定模塊具體用于: 采用基于攝動理論的伴隨方法，確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程如下:
11.按權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括: 量綱分析模塊，用于: 對所述伴隨方程進(jìn)行量綱分析如下:[WxJ = [WxJ = [WzJ = M/LT ； 對所述梯度表達(dá)式進(jìn)行量綱分析如下:
12.按權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第一確定模塊具體用于: 采用基于攝動理論的伴隨方法，確定所述梯度表達(dá)式如下:
13.按權(quán)利要求9至12任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第二確定模塊具體用于: 對所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程進(jìn)行離散求解，得到觀測地震記錄； 采用高斯平滑法獲得初始模型，對初始模型進(jìn)行正演模擬獲得正向傳播波場以及人工合成地震記錄。
14.按權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述第二確定模塊具體用于: 對所述時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程進(jìn)行離散求解，得到觀測地震記錄時(shí)，采用的數(shù)值方法為交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法，時(shí)間是二階精度，空間是四階精度，邊界采用PML吸收邊界條件。
15.按權(quán)利要求9至12任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第二確定模塊具體用于: 對所述伴隨方程采用高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法和PML吸收邊界條件進(jìn)行求解得到逆時(shí)外推伴隨波場。
16.按權(quán)利要求9至12任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述反演處理模塊具體用于: 采用預(yù)條件共軛梯度法進(jìn)行多尺度全波形反演，反演過程中迭代步長采用非精確線性搜索進(jìn)行求取。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的全波形反演方法及裝置，其中方法包括采用基于攝動理論的伴隨方法，確定時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程的伴隨方程和相應(yīng)的目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度表達(dá)式；根據(jù)時(shí)間域一階速度-應(yīng)力彈性波動方程確定正向傳播波場，根據(jù)伴隨方程確定逆時(shí)外推伴隨波場；根據(jù)正向傳播波場、逆時(shí)外推伴隨波場和梯度表達(dá)式確定目標(biāo)泛函關(guān)于模型參數(shù)的梯度；利用梯度類迭代算法進(jìn)行多尺度全波形反演。本發(fā)明在逆時(shí)傳播波場殘差前不需要對波場殘差進(jìn)行預(yù)處理，不需要考慮質(zhì)點(diǎn)速度和質(zhì)點(diǎn)位移的轉(zhuǎn)換問題，可提高反演計(jì)算效率。
文檔編號G01V1/30GK103091711SQ201310027520
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者周輝, 王杰, 張紅靜, 張慶臣 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油大學(xué)(北京)