初至波波形反演近地表速度模型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了初至波波形反演近地表速度模型方法，該方法包括聲波方程波場正演和最速下降法波形反演技術(shù)，其方法步驟為：①提取時間域初至波波形記錄和初始模型；②利用聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬計算模擬波場及波場殘差；③將波場殘差反向傳播得到回傳波場；④利用回傳波場和正向傳播波場計算目標(biāo)函數(shù)的梯度，并計算更新步長；⑤對速度模型進行更新；⑥檢驗是否滿足迭代終止條件，滿足則輸出速度模型，否則返回②步驟，繼續(xù)迭代更新；本發(fā)明借鑒了基于波動方程理論的全波形反演技術(shù)，利用了能量較強、波形比較穩(wěn)定的初至波進行反演，降低了全波形反演的多解性，提高了反演的穩(wěn)定性和計算效率；提高了靜校正和淺層深度成像的精度。
【專利說明】初至波波形反演近地表速度模型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油地震勘探地震資料處理【技術(shù)領(lǐng)域】，旨在提高地震資料處理中的近地表速度模型精度，進而提高靜校正精度和淺層深度成像精度，具體地說是一種基于初至波波形(有別于傳統(tǒng)的初至走時)反演，建立高精度近地表速度模型的新技術(shù)、新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前反演近地表速度模型，絕大部分是基于射線理論，利用初至波旅行時間反演近地表速度模型，如折射靜校正、層析反演等等，由于射線理論是對地震波場的高頻近似，只能反演出近地表速度模型的低波數(shù)成分(模型尺度遠(yuǎn)大于地震波長)，反演的速度模型分辨率受到限制?；诓▌永碚摰娜ㄐ畏囱莘椒ǎ萌▓鲂畔?，反演地下速度模型，雖理論比較完善，但受限于數(shù)據(jù)的信噪比、反演方法本身的多解性和計算效率等問題，實際應(yīng)用受到很大限制。
[0003]為了提高近地表速度模型的反演精度，借鑒全波形反演方法的技術(shù)路線，研究了利用初至波波形(旅行時間、振幅)信息反演近地表速度模型方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于已有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于初至波波形反演，建立高精度近地表速度模型的新技術(shù)、新方法；該方法基于波動方程理論，和傳統(tǒng)的基于射線理論的走時層析反演相比，能夠反演出近地表速度模型的高波數(shù)成分(模型尺度接近或小于地震波長)，提高了近地表速度模型的分辨率；和全波形反演方法相比，該方法只利用能量較強、波形比較穩(wěn)定的初至波，降低了全波形反演方法的多解性，提高了計算精度和計算效率；該方法具有提高靜校正精度和淺層深度成像精度的特點。
[0005]實現(xiàn)解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是:初至波波形反演近地表速度模型方法，該方法包括聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬技術(shù)和最速下降法波形反演技術(shù)，其實現(xiàn)過程的方法步驟如下:
[0006]( I )、提取時間域初至波波形記錄Ptjbs和初始速度模型；
[0007](2)、利用聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬計算模擬波場PMl，并計算波場殘差 5 P = Pobs-Pcal ;
[0008](3)、將波場殘差反向傳播得到回傳波場P'；
[0009](4)、利用回傳波場和正向傳播波場計算目標(biāo)函數(shù)的梯度，即速度的更新方向，并計算更新步長；
[0010](5)、對速度模型進行更新；
[0011](6)、檢驗是否滿足迭代終止條件，滿足則輸出速度模型的反演結(jié)果，否則返回步驟(2)，繼續(xù)迭代更新。
[0012]所述聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬技術(shù)，利用一階聲波方程有限差分方法，數(shù)值模擬炮點激發(fā)的正向傳播波場；非均勻介質(zhì)一階聲波方程:應(yīng)力-質(zhì)點速度方程；時間2階、空間12階的高階有限差分，PML邊界條件，交錯網(wǎng)格。
[0013]所述最速下降法波形反演技術(shù)，⑴地面觀測記錄加時窗函數(shù)一初至波窗函數(shù)，作為一階聲波方程的初值條件，類似于炮點激發(fā)正向傳播波場正演技術(shù)，數(shù)值模擬初至波反向傳播的地震波場和數(shù)值模擬的正向傳播波場求殘差，利用L2模建立反演目標(biāo)函數(shù)；(2)利用正向傳播波場和波場殘差函數(shù)，計算目標(biāo)函數(shù)的最速下降方向即梯度，確定出速度擾動的最大變化方向利用梯度和Frechet導(dǎo)數(shù)計算出速度擾動的迭代步長利用速度更新方向和更新步長更新速度。
[0014]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的顯著效果是:
[0015]I)本發(fā)明基于波動方程理論而沒有高頻近似假設(shè)，能夠反演出近地表速度模型的高波數(shù)成分(模型尺度接近或小于地震波長)，提高了速度模型的分辨率，進而提高靜校正的精度，并為近地表和地下深度偏移奠定了良好的基礎(chǔ)；
[0016]2)本發(fā)明借鑒了基于波動方程理論的全波形反演技術(shù)，利用了能量較強、波形比較穩(wěn)定的初至波進行反演，降低了全波形反演的多解性，提高了反演的穩(wěn)定性和計算效率；
[0017]3)本發(fā)明采用時間2階、空間12階的高精度交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬方法，并利用PML (完全匹配層)邊界條件消除邊界效應(yīng)，提高了正演模擬精度，有效地減小了人工邊界反射對有效波場的影響；
[0018]4)本發(fā)明采用聲波方程正演模擬技術(shù)，和傳統(tǒng)的標(biāo)量方程規(guī)則網(wǎng)格有限差分相t匕，該技術(shù)可以降低頻散，減少邊界效應(yīng)，從而提高數(shù)值模擬的精度和穩(wěn)定性；
[0019]5)本發(fā)明采用最速下降法速度反演技術(shù)，并通過正演和反演的多次迭代，直至目標(biāo)函數(shù)完全收斂，就完成了初至波波形反演近地表速度模型；為了提高反演的效率和精度，初始模型可采用常規(guī)射線理論層析反演的近地表模型；
[0020]6)本發(fā)明采用波形反演的同時利用振幅和走時信息，比傳統(tǒng)基于射線理論的旅行時層析反演方法具有更高的反演精度，能夠獲取較為精確的境地表速度模型，為靜校正和淺層深度域成像精度創(chuàng)造了條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明近地表速度異常體模型的示意圖
[0022]圖2是本發(fā)明聲波方程有限差分正演模擬結(jié)果示意圖
[0023]圖2a為規(guī)則網(wǎng)格有限差分正演模擬得到的單炮波形記錄圖
[0024]圖2c為規(guī)則網(wǎng)格有限差分正演模擬得到的200ms波場快照圖
[0025]圖2b為本方法正演模擬得到的單炮波形記錄示意圖
[0026]圖2d為本方法正演模擬得到的200ms波場快照示意圖
[0027]圖3是本發(fā)明實際速度模型示意圖
[0028]圖4是本發(fā)明傳統(tǒng)旅行時層析反演結(jié)果示意圖
[0029]圖5是本發(fā)明初至波波形反演結(jié)果示意圖
[0030]圖5a為第I次迭代反演結(jié)果示意圖
[0031]圖5b為第100次迭代反演結(jié)果示意圖
[0032]圖5c為第500次迭代反演結(jié)果示意圖[0033]圖6是本發(fā)明初至波波形反演目標(biāo)函數(shù)梯度示意圖
[0034]上述圖1-圖6均為計算機繪畫軟件suffer繪制的附圖
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實例對該技術(shù)方案作進一步描述
[0036]初至波波形反演近地表速度模型方法，該方法包括聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬和最速下降法波形反演兩大技術(shù)，其實現(xiàn)過程的方法步驟如下:
[0037]⑴提取時間域初至波波形記錄Pobs和初始速度模型；
[0038]⑵利用聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬計算模擬波場Pcal,并計算波場殘差
5P = Pobs-Pcal ；
[0039]⑶將波場殘差反向傳播得到回傳波場P'；
[0040]⑷利用回傳波場和正向傳播波場計算目標(biāo)函數(shù)的梯度，即速度的更新方向，并計算更新步長；
[0041 ] (5)對速度模型進行更新；
[0042](6)檢驗是否滿足迭代終止條件，滿足則輸出速度模型的反演結(jié)果，否則返回步驟2，繼續(xù)迭代更新。
[0043]所述1、聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬技術(shù)
[0044]利用一階聲波方程有限差分方法，數(shù)值模擬炮點激發(fā)的正向傳播波場；
[0045]技術(shù)要點:非均勻介質(zhì)一階聲波方程(應(yīng)力-質(zhì)點速度方程，公式(I));高階有限差分(時間2階、空間12階)，PML邊界條件，交錯網(wǎng)格；與傳統(tǒng)的標(biāo)量方程規(guī)則網(wǎng)格有限差分相比，該技術(shù)可以降低頻散，減少邊界效應(yīng)，從而提高數(shù)值模擬的精度和穩(wěn)定性。
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種初至波波形反演近地表速度模型方法，該方法包括聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬和最速下降法波形反演技術(shù)，其特征在于:實現(xiàn)過程的方法步驟如下: (I )、提取時間域初至波波形記錄Ptjbs和初始速度模型； (2)、利用聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬計算模擬波場PMl，并計算波場殘差Sp=P -P.1 obs 1 cal 9 (3)、將波場殘差反向傳播得到回傳波場P'； (4)、利用回傳波場和正向傳播波場計算目標(biāo)函數(shù)的梯度，即速度的更新方向，并計算更新步長； (5)、對速度模型進行更新； (6)、檢驗是否滿足迭代終止條件，滿足則輸出速度模型的反演結(jié)果，否則返回步驟(2)，繼續(xù)迭代更新。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的初至波波形反演近地表速度模型方法，其特征在于，所述聲波方程交錯網(wǎng)格有限差分正演模擬技術(shù)，利用一階聲波方程有限差分方法，數(shù)值模擬炮點激發(fā)的正向傳播波場；非均勻介質(zhì)一階聲波方程:應(yīng)力-質(zhì)點速度方程；時間2階、空間12階的高階有限差分，PML邊界條件，交錯網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的初至波波形反演近地表速度模型方法，其特征在于，所述最速下降法波形反演技術(shù)，⑴地面觀測記錄加時窗函數(shù)一初至波窗函數(shù)，作為一階聲波方程的初值條件，類似于炮點激發(fā)正向傳播波場正演技術(shù)，數(shù)值模擬初至波反向傳播的地震波場和數(shù)值模擬的正向傳播波場求殘差，利用L2模建立反演目標(biāo)函數(shù)利用正向傳播波場和波場殘差函數(shù)，計算目標(biāo)函數(shù)的最速下降方向即梯度，確定出速度擾動的最大變化方向；⑶利用梯度和Frechet導(dǎo)數(shù)計算出速度擾動的迭代步長#)利用速度更新方向和更新步長更新速度。
【文檔編號】G01V1/28GK103499835SQ201310476248
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月13日
【發(fā)明者】胡自多, 韓令賀, 王宇超, 王述江, 雍運動, 寇龍江 申請人:中國石油集團西北地質(zhì)研究所