專利名稱：來自并發(fā)地球物理源的數(shù)據(jù)的迭代反演的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0002本申請一般涉及地球物理勘探領(lǐng)域，且更具體地涉及地球物理 數(shù)據(jù)處理。具體的，本發(fā)明是從多個地球物理源諸如地震源獲得的數(shù)據(jù) 的一種反演方法，包含地球物理仿真，該方法在仿真的一次執(zhí)行中計算 來自許多同時活動的地球物理源的數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
0003地球物理反演[1,2]試圖找到一種最佳解釋觀測到的數(shù)據(jù)并滿足 地質(zhì)和地球物理約束的地下屬性模型。存在大量眾所周知的地球物理反 演的方法。這些眾所周知的方法屬于迭代反演和非迭代反演兩種類別中 的一種。以下是兩種類別的每種通常表示的定義
非迭代反演——該類反演通過假設(shè)某個簡單的背景模型并基于輸入數(shù) 據(jù)更新該模型來實(shí)現(xiàn)。這種方法并不將更新的模型用作反演的下一步驟 的輸入。對于地震數(shù)據(jù)的情形，這些方法通常被稱為成像、移植、衍射、 層析或博恩(Bom)反演。
迭代反演一一該類反演涉及地下屬性模型的反復(fù)改進(jìn)，以便找到圓滿 解釋觀測數(shù)據(jù)的模型。如果這種反演收斂，則最終的模型將更好地解釋 觀測的數(shù)據(jù)并且將更接近于實(shí)際的地下屬性。迭代反演相對于非迭代反 演通常產(chǎn)生更為準(zhǔn)確的模型，但是計算費(fèi)用更為昂貴。
0004地球物理學(xué)中通常使用的兩種迭代反演方法是成本函數(shù)優(yōu)化和 級數(shù)方法。成本函數(shù)最優(yōu)化涉及有關(guān)模型M的成本函數(shù)S (M)的值的 迭代最小化或最大化，該成本函數(shù)S (M)是對計算的數(shù)據(jù)和觀測的數(shù)據(jù) 不匹配(misfit)的度量(有時也被稱為目標(biāo)函數(shù))，其中計算的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)使用當(dāng)前的地球物理屬性模型以及在給定的地球物理屬性模型所 表示的媒介中源信號的物理控制傳播進(jìn)行仿真。仿真計算可以通過包括
但不限于有限差分、有限元或光線跟蹤(ray tracing)的眾多數(shù)值方法中 的任意一種來完成。級數(shù)方法涉及散射方程(Weglein[3])的迭代級數(shù)解 的反演。解以級數(shù)的形式書寫，其中級數(shù)中的每一項(xiàng)對應(yīng)散射的較高階。 此情形下的迭代對應(yīng)于向解中添加級數(shù)中更高階的項(xiàng)。
0005成本函數(shù)優(yōu)化方法可以是局部的或全局的[4]。全局方法只是涉 及為模型群體(MhM2，M3，…)計算成本函數(shù)S(M)，以及從該群體中選擇一 個或多于一個模型的集合，該集合近似地將S(M)最小化。如果期望進(jìn)一 步的改善，這個新選擇的模型集然后可以被用作產(chǎn)生新模型群體的基礎(chǔ)， 這些新模型可再次針對成本函數(shù)S(M)被測試。對于全局方法，測試群體 中的每個模型可被視為一次迭代，或者在更高等級，每個被測試群體的 集合可被視為一次迭代。眾所周知的全局反演方法包括蒙特卡羅(Monte Carlo)、仿真的退火、遺傳和進(jìn)化算法。
0006局部成本函數(shù)優(yōu)化涉及
1. 選擇初始模型；
2. 計算關(guān)于描述模型的參數(shù)的成本函數(shù)S(M)的梯度；
3. 搜索更新的模型，該模型是起始模型在梯度方向的擾動，其更好 地解釋了觀測的數(shù)據(jù)。
對于另一次梯度搜索，通過將新更新的模型用作初始模型來將此過程進(jìn) 行迭代。該過程繼續(xù)直至找到可以令人滿意地解釋觀測的數(shù)據(jù)的更新模 型。常用的局部成本函數(shù)反演方法包括梯度搜索、收斂梯度和牛頓 (Newton)的方法。
0007如上所述，迭代反演優(yōu)于非迭代反演，因?yàn)榈囱莓a(chǎn)生更準(zhǔn) 確的地下參數(shù)模型。遺憾的是，迭代反演在計算上是如此昂貴以致于將 其應(yīng)用到很多興趣問題是不實(shí)用的。這個高額的計算費(fèi)用是由以下事實(shí) 導(dǎo)致的所有反演技術(shù)需要很多計算密集的正向和/或反向仿真。正向仿 真指前面時間數(shù)據(jù)的計算，而反向仿真指后面時間數(shù)據(jù)的計算。任何單 個仿真的計算時間與要反演的源的數(shù)量成比例，并且地球物理數(shù)據(jù)中通 常有大量的源。在迭代反演中，這個問題惡化，因?yàn)樵诜囱葜斜仨氂嬎愕姆抡鏀?shù)量與迭代的數(shù)量成比例，并且需要的迭代數(shù)量通常成百上千。
0008可通過對來自源的組合的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演而不單個地反演源來降 低所有類別的反演的計算成本。這可以稱為并發(fā)源反演。若干類型的源 組合是已知的，包括對緊密間隔的源連續(xù)求和以產(chǎn)生有效源，該有效 源產(chǎn)生某一期望形狀的波陣面(例如，平面波)，對寬間隔的源求和，或 在反演之前完全或部分堆疊數(shù)據(jù)。
0009通過反演組合的源所獲得的計算成本的降低借助以下事實(shí)至少 部分地得到彌補(bǔ)組合數(shù)據(jù)的反演通常產(chǎn)生不太準(zhǔn)確的反演模型。精確 性的損耗是因?yàn)橐韵率聦?shí)對各個源求和時信息會被損耗，并且因此被 求和的數(shù)據(jù)對被反演模型的約束沒有不被求和的數(shù)據(jù)對該模型的約束
強(qiáng)。求和過程中這種信息損耗可通過在求和之前編碼每個激發(fā)記錄(shot record)而被最小化。組合前的編碼明顯地保存了并發(fā)源數(shù)據(jù)中的更多信 息，并且因此更好地約束了反演。編碼還允許緊密間隔的源的組合，因 此允許為給定計算區(qū)域組合更多源。各種編碼方案可與這種技術(shù)一起使 用，包括時間位移編碼和隨機(jī)相位編碼。
背景技術(shù)：
部分的剩余部分簡要 地回顧了各種公開的地球物理并發(fā)源技術(shù)，包括己編碼的和不編碼的。0010Van Manen [5]提出利用地震干涉測量法來加速正向仿真。地震 干涉測量通過將源放在興趣區(qū)域的邊界上的每個地方來進(jìn)行。這些源被 單獨(dú)建模，并且需要Green (格林)函數(shù)的所有位置處的波場被記錄。之 后，通過將在兩個記錄的位置獲得的微量互相關(guān)以及對所有邊界源求和 來計算任何兩個記錄的位置之間的Green函數(shù)。如果要反演的數(shù)據(jù)具有 在興趣區(qū)域之內(nèi)的大量源和接收器(與在邊界上具有一個或另一個相 反)，則這是一種計算期望的Green函數(shù)的很有效的方法。但是，對于地 震數(shù)據(jù)的情形，要反演的數(shù)據(jù)的源和接收器均處于興趣區(qū)域內(nèi)是罕見的。 因此，這種改善對地震反演問題的適用性很有限。
0011Berhout問和Zhang[7]提出反演通?？梢酝ㄟ^反演不編碼的并發(fā) 源得到改善，所述并發(fā)源被連續(xù)求和以產(chǎn)生在地下某一區(qū)域內(nèi)的某一期 望的波陣面。例如，可以利用時間位移求和點(diǎn)源數(shù)據(jù)以在相對平面的某 一特定角度產(chǎn)生下行平面波，所述時間位移是源位置的線性函數(shù)。這種 技術(shù)可以應(yīng)用到所有類別的反演。這種方法的問題是源集合的連續(xù)求和必然減少數(shù)據(jù)中的信息量。所以，例如，為產(chǎn)生平面波的求和去除了地 震數(shù)據(jù)中與傳播時間和源-接收器偏移有關(guān)的所有信息。該信息對于更新
緩慢變化的背景速率模型是關(guān)鍵的，因此Berkhout的方法沒有被徹底約 束。為了克服這個問題，可以反演數(shù)據(jù)的很多不同的連續(xù)和(例如，具 有不同傳播方向的很多平面波)，但是之后損失了效率，這是因?yàn)榉囱莸?成本與反演的不同和的數(shù)量成比例。這種連續(xù)求和的源被稱為廣義的源。
因此，廣義的源可以是點(diǎn)源或點(diǎn)源的和，其產(chǎn)生某一期望形狀的波陣面。0012Van Rid [8]提出通過不編碼地堆疊或局部堆疊(相對源-接收器 偏移)輸入地震數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演，之后定義將被優(yōu)化的關(guān)于該堆疊的數(shù) 據(jù)的成本函數(shù)。因此，此出版物提出利用不編碼的并發(fā)源改善基于成本 函數(shù)的反演。和對Berhout[6]的并發(fā)源反演方法成立的一樣，該方法提出 的堆疊減少了要被反演的數(shù)據(jù)中的信息量，并且因此反演被約束的程度 比用原始數(shù)據(jù)約束反演的程度低。
0013Mora [9]提出了對作為寬隔離源的和的數(shù)據(jù)的反演。因此，此出 版物提出利用不編碼的并發(fā)源仿真提高反演的效率。對寬間隔源求和的 優(yōu)點(diǎn)是保存的信息比Berkhout提出的連續(xù)和保存的信息多。但是對寬間 隔的源求和暗示了必須增加在反演中必須使用的孔(反演的模型區(qū)域) 來容納所有寬間隔的源。由于計算時間與該孔的面積成比例，因此Mora 的方法不產(chǎn)生與被求和的源彼此接近的情況下所達(dá)到的效率增長一樣的 效率增長。
0014Ober [IO]提出通過利用并己發(fā)編碼源加速地震移動， 一種非迭 代反演的特殊情形。在測試各種編碼方法后，Ober發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的移動圖像 已經(jīng)明顯降低了信噪比，原因在于寬帶(broadband)編碼函數(shù)必然只是 近似正交。因此，當(dāng)對16次以上激發(fā)(shot)求和時，反演的質(zhì)量并不令人 滿意。由于非迭代反演在開始的成本并不是很昂貴，并且高信噪比反演 是所需的，所以這種技術(shù)沒有廣泛地實(shí)踐于地球物理業(yè)。
0015Ikelle [ll]提出一種通過對不同時間間隔被激活(在仿真中)的 點(diǎn)源進(jìn)行同步仿真來快速正向仿真的方法。還討論了一種將這些時間移 位的并發(fā)源仿真的數(shù)據(jù)解碼回分離的仿真的方法，這些分離的仿真本該
從各個點(diǎn)源獲得。之后，這些已解碼的數(shù)據(jù)可以用作任E4^aSiaa程的一部分。Ikelle的方法的問題是提出的解碼方法將產(chǎn)生具有噪聲等級
的分離的數(shù)據(jù)，噪聲等級與來自鄰近源的數(shù)據(jù)間的差異成比例。對于橫向上不是恒定不變的地下模型來說，例如來自包含浸漬反射物的模型，這個噪聲將會變得明顯。而且，這種噪聲將與并發(fā)源的數(shù)量成比例地增長。由于這些困難，如果在橫向上并非恒定不變的地表下區(qū)域的反演中
使用，則Ikelle的并發(fā)源方案可能產(chǎn)生無法接受的噪聲等級。0016需要一種迭代反演數(shù)據(jù)的更高效的方法，同時產(chǎn)生的反演的準(zhǔn)確性不明顯降低。

發(fā)明內(nèi)容
0017
一種物理屬性模型，其將一個或更多個地下屬性作為一個區(qū)域中的位置的函數(shù)。地震波速率一種這樣的物理屬性，但是(例如)p波速率、切變(shear)波速率、若干各向異性參數(shù)、衰減(q)參數(shù)、多孔性、滲透性和電阻率也是這樣的物理屬性。參見圖10的流程圖，在一個實(shí)施例中，本發(fā)明是一種計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法用于反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以確定地下區(qū)域的物理屬性模型，其包括
(a) 獲取由測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個己編碼集合構(gòu)成的一個分組，其中每個集合與單個廣義源關(guān)聯(lián)，或者利用源-接收器的互換性而與單個接收器關(guān)聯(lián)，并且其中每個集合使用選自不等同的編碼信號集的不同編碼信號進(jìn)行編碼；
(b) 通過對每個集合中對應(yīng)于單個接收器(或者源，如果利用互換性)的所有數(shù)據(jù)記錄求和來對分組中的已編碼集合求和(4)，以及為每個不同接收器重復(fù)求和，從而產(chǎn)生并發(fā)己編碼集合；
(c) 假設(shè)地下區(qū)域的物理屬性模型5，所述模型提供遍及地下區(qū)域的各位置處的至少一個物理屬性的值；
(d) 計算假設(shè)的物理屬性模型的更新6，該更新與來自步驟(b)的并發(fā)
已編碼集合更為一致，所述計算包含一個或一個以上已編碼的并發(fā)源正向(或反向)仿真操作，所述仿真操作使用所假設(shè)的物理屬性模型和已編碼的源信號，所述已編碼的源信號使用的編碼函數(shù)與對所測量數(shù)據(jù)的對應(yīng)集合,編碼m用的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿真操作中被仿真；
(e) 重復(fù)步驟(d)至少一次以上迭代，將來自步驟d的先前迭代的更新的物理屬性模型用作假設(shè)的模型，以產(chǎn)生地下區(qū)域的進(jìn)一步更新的物理屬性模型7，該模型與所測量數(shù)據(jù)的相應(yīng)并發(fā)已編碼集合更為一致，將與形成所測量數(shù)據(jù)的相應(yīng)并發(fā)已編碼集合中使用的編碼信號相同的編碼信號用于仿真中的源信號；以及
(f) 下載進(jìn)一步更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。0018為了保持反演質(zhì)量或其它理由，令人期望的是在多于一個的分
組中執(zhí)行步驟(b)中的并發(fā)已編碼源仿真。在這種情形下，針對每個額外分組，步驟(a) - (b)被重復(fù)，并且來自每個分組的反演的物理屬性模型在執(zhí)行步驟(d)中的模型更新之前被累積。如果所獲得的已編碼集合不是從下文所述的地球物理勘探中被編碼，則地球物理數(shù)據(jù)1的集合通過應(yīng)用選自不等同的編碼信號集2的編碼信號3而被編碼。0019在另一實(shí)施例中，本發(fā)明是用于反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為地下區(qū)域確定物理屬性模型的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括
(a) 獲取由測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個己編碼集合構(gòu)成的一個分組，其中每個集合與單個廣義源關(guān)聯(lián)，或者利用源-接收器的互換性與單個接收器關(guān)聯(lián)，并且其中每個集合使用選自一不等同的編碼信號集的不同編碼信號進(jìn)行編碼；
(b) 通過對每個集合中對應(yīng)于單個接收器(或者源，如果利用互換性)的所有數(shù)據(jù)記錄求和來對分組中的已編碼集合求和，以及為每個不同接收器重復(fù)求和，從而產(chǎn)生并發(fā)已編碼集合；
(c) 假設(shè)地下區(qū)域的物理屬性模型，所述模型提供遍及地下區(qū)域的各位置處的至少一個物理屬性的值；
(d) 利用假設(shè)的物理屬性模型，仿真與所測量數(shù)據(jù)的并發(fā)已編碼集合對應(yīng)的合成的并發(fā)已編碼集合，其中仿真使用己編碼的源信號，所述已編碼的源信號使用的編碼函數(shù)與對所測量數(shù)據(jù)的并發(fā)已編碼集合進(jìn)行編碼所使用的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿真操作中被仿真；
(e) 計算成本函數(shù)，該函數(shù)度量所測量數(shù)據(jù)的并發(fā)已編碼集合與所仿真
14的并發(fā)已編碼集合之間的不匹配程度；
(f) 重復(fù)步驟(a)、 (b)、 (d)和(e)至少多于一次循環(huán)，累積來自步驟(e)的成本；
(g) 通過優(yōu)化累積的成本更新物理屬性模型；
(h) 利用來自先前迭代的更新的物理屬性模型作為步驟(c)中假設(shè)的
物理屬性模型迭代步驟(a) - (g)至少一次以上，其中不同的不等同編碼信號集可用于每次迭代，產(chǎn)生進(jìn)一步更新的物理屬性模型；以及
(i) 下載進(jìn)一步更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。0020在另一實(shí)施例中，本發(fā)明是用于反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為
地下區(qū)域確定物理屬性模型的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括
(a) 獲取由測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個己編碼集合構(gòu)成的一個分組，其中每個集合與單個廣義源關(guān)聯(lián)，或者利用源-接收器的互換性與單個接收器關(guān)聯(lián)，并且其中每個集合使用選自不等同的編碼信號集的不同編碼信號進(jìn)行編碼；
(b) 通過對每個集合中對應(yīng)于單個接收器(或者源，如果利用互換性)的所有數(shù)據(jù)記錄求和來對分組中的已編碼集合求和，以及為每個不同接收器重復(fù)求和，從而產(chǎn)生并發(fā)已編碼集合；
(c) 假設(shè)地下區(qū)域的物理屬性模型，所述模型提供遍及地下區(qū)域的各位置處的至少一個物理屬性的值；
(d) 選擇描述地下區(qū)域中波散射的散射方程的迭代級數(shù)解；
(e) 以級數(shù)的前n項(xiàng)作為開始，其中n^，所述前n項(xiàng)對應(yīng)地下區(qū)域的假設(shè)的物理屬性模型；
(f) 計算級數(shù)的下一項(xiàng)，所述計算包含一個或一個以上已編碼的并發(fā)源正向(或反向)仿真操作，所述仿真操作使用所假設(shè)的物理屬性模型和己編碼的源信號，所述已編碼的源信號使用的編碼函數(shù)與用于對所測量數(shù)據(jù)的對應(yīng)集合進(jìn)行編碼的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿真操作中被仿真，并且仿真的已編碼集合和測量的已編碼集合以與步驟(d)中被選迭代級數(shù)一致的方式被組合；
(g) 通過向假設(shè)的模型中添加步驟(f)中計算的級數(shù)的下一項(xiàng)來更新模型；少一次，以向級數(shù)添加至少一個以上的項(xiàng)，從而進(jìn)一步更新物理屬性模型；以及
(i) 下載進(jìn)一步更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。
0021在另一實(shí)施例中，本發(fā)明是用于反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為
地下區(qū)域確定物理屬性模型的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括
(a) 從對地下區(qū)域的地球物理勘探中獲取測量的地球物理數(shù)據(jù)；
(b) 假設(shè)最初的物理屬性模型并通過迭代反演對其進(jìn)行反演，反演包含表示多個勘探源(或接收器，如果使用源一接收器互換性)的地震勘探數(shù)據(jù)的并發(fā)仿真，其中所述仿真中的源信號被編碼，產(chǎn)生地球物理數(shù)據(jù)的一個仿真的并發(fā)已編碼集合，反演過程包含更新物理屬性模型以減少仿真的并發(fā)已編碼集合與相應(yīng)的并發(fā)已編碼集合之間的不匹配，所述相應(yīng)的并發(fā)已編碼集合通過對測量的勘探數(shù)據(jù)的集合進(jìn)行求和形成，所述測量的勘探數(shù)據(jù)的集合使用與仿真中使用的編碼函數(shù)相同的編碼函數(shù)來進(jìn)行編碼；以及
(c) 下載更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。


0022參考以下詳細(xì)說明和附圖將更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
0023圖1是示出為并發(fā)已編碼源反演準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的方法步驟的流程圖；0024圖2是流程圖，示出本發(fā)明的數(shù)據(jù)反演成本函數(shù)的并發(fā)源計算方法的一個實(shí)施例中的步驟；
0025圖3是對全波場地成本函數(shù)的計算進(jìn)行示范的示例的基本速率模型；
0026圖4是一數(shù)據(jù)顯示，其示出了在圖3基本模型的示例中仿真的256個有序源數(shù)據(jù)記錄的前三個；
0027圖5示出了從其前三個在圖4中示出的256個有序源數(shù)據(jù)記錄產(chǎn)生的單個并發(fā)已編碼源集合；
0028圖6圖示了圖3中的基本模型的多個擾動中的一個擾動，該模型在示例中用于示范利用并發(fā)源計算全波反演成本函數(shù)；
10029圖7示出了為圖5示出的本發(fā)明的并發(fā)源數(shù)據(jù)計算的成本函數(shù);
0030圖8示出了為圖4示出的有序源數(shù)據(jù)計算的成本函數(shù)，即利用傳統(tǒng)反演；
0031圖9示出了現(xiàn)有技術(shù)"超級激發(fā)(super-shot)"集合的成本函數(shù)，其通過只是對圖4所示的有序源數(shù)據(jù)求和而形成；0032圖IO是示出本發(fā)明方法的一個實(shí)施例中的基本步驟的流程圖。0033本發(fā)明將與其優(yōu)選實(shí)施例一起描述。但是，就以下詳細(xì)說明具體到特定實(shí)施例或本發(fā)明的特定使用來說，這只是為了說明的目的，而不解釋為對本發(fā)明的范圍的限制。相反，如所附權(quán)利要求限定的，是為了覆蓋可包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的所有替代、修改和等價物。
具體實(shí)施例方式
0034本發(fā)明是一種通過使用并發(fā)的己編碼源仿真減少迭代反演地球物理數(shù)據(jù)所需計算時間的方法。
0035地球物理反演試圖找到一種地下彈性屬性的模型，該模型可最佳解釋觀測的地球物理數(shù)據(jù)。地震數(shù)據(jù)的示例始終用于說明本發(fā)明的方法，但是該方法可以方便地應(yīng)用到任何地球物理勘探方法，地球物理勘探包括在多個位置激活的至少一個源以及至少一個接收器。數(shù)據(jù)反演通過使用迭代方法最為準(zhǔn)確地執(zhí)行。遺憾的是，迭代反演計算上的昂貴程度通常是令人望而卻步的。迭代反演中的主要計算時間花費(fèi)在計算地球物理數(shù)據(jù)的正向和/或反向仿真(這里的正向表示時間上向前，而反向表示時間上向后)。這些仿真的高成本部分是由于以下事實(shí)輸入數(shù)據(jù)中的每個地球物理源必須在一臺運(yùn)行仿真軟件的單獨(dú)計算機(jī)上計算。因此，仿真的成本與地球物理數(shù)據(jù)中源的數(shù)目成比例(對于一次地球物理勘探通常大約為1000到10000個源的數(shù)量級)。在此發(fā)明中， 一組源的源信號被編碼，并且這些已編碼的源在軟件的單次運(yùn)行中被模擬，導(dǎo)致與并發(fā)計算的源的數(shù)目成比例的計算加速。
0036如以上在背景技術(shù)部分中的討論，并發(fā)源方法已經(jīng)在若干出版物中提出，用于降低地球物理數(shù)據(jù)反演的各種過程的成本[3， 6， 7， 8，9]。在數(shù)量比較有限的情形下，并發(fā)已編碼源技術(shù)被公開用于某些目的[10， ll]。己經(jīng)顯示所有這些方法可提高效率，但是質(zhì)量總是降低很多， 當(dāng)使用大量并發(fā)源時通常是較低信噪比形式的質(zhì)量下降。本發(fā)明通過示 出并發(fā)己編碼源仿真可有利地與迭代反演共同使用，緩解了這種反演質(zhì) 量降低。迭代在減少由使用并發(fā)已編碼源所導(dǎo)致的不期望有的噪聲方面 具有驚人的效果。根據(jù)反演需要最高可能質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)的常見想法， 這被認(rèn)為是出乎意外的。事實(shí)上，并發(fā)已編碼源技術(shù)產(chǎn)生看起來與單個 源仿真相比明顯降級的仿真數(shù)據(jù)(由于數(shù)據(jù)編碼和求和，其看起來是將 數(shù)據(jù)隨機(jī)化)，并且使用這個明顯降級的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生反演，如將在下文示 出的，該反演實(shí)際上與從各個源反演數(shù)據(jù)的昂貴得讓人望而卻步的過程 獲得的結(jié)果具有相同的質(zhì)量。(為了反演的目的，在勘探中的每個源位置 被視為不同的"源"。)
0037這些明顯降級的數(shù)據(jù)可用來執(zhí)行高質(zhì)量迭代反演的原因是通過
在對源求和之前編碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的信息內(nèi)容只是輕微地降級。由于只存 在不明顯的信息損耗，所以這些看起來降級的數(shù)據(jù)只約束了迭代反演和 傳統(tǒng)的有序源數(shù)據(jù)。由于在反演的仿真步驟中使用并發(fā)源，所以與傳統(tǒng) 有序源反演相比顯著減少了計算時間。
0038地球物理學(xué)中通常使用的兩種迭代反演方法是成本函數(shù)優(yōu)化和 級數(shù)方法。本發(fā)明可應(yīng)用到這兩種方法。首先討論并發(fā)己編碼源成本函 數(shù)優(yōu)化。
迭代成本函數(shù)優(yōu)化
0039成本函數(shù)優(yōu)化通過將與地下模型M的成本函數(shù)S (M)(有時被 稱為目標(biāo)函數(shù))有關(guān)的值最小化來執(zhí)行，成本函數(shù)是觀測(測量)的地 球物理數(shù)據(jù)和通過假設(shè)模型的仿真計算的對應(yīng)數(shù)據(jù)之間的不匹配的度 量。在地球物理反演中通常使用的簡單的成本函數(shù)S為
<formula>formula see original document page 18</formula>
iV-成本函數(shù)的范數(shù)(norm)(在N:2的情形下通常使用最小的平方或L2 作為范數(shù))，M-地下模型，
^=集合下標(biāo)(index)(對于點(diǎn)源數(shù)據(jù)，其對應(yīng)個體源)， =集合的數(shù)量，
^=集合內(nèi)的接收器下標(biāo)， 乂=集合內(nèi)的接收器數(shù)量，
,=數(shù)據(jù)記錄內(nèi)的時間樣本下標(biāo)，
^=時間樣本數(shù)量，
4^,j來自模型M的計算的地球物理數(shù)據(jù)， ^。6,=測量的地球物理數(shù)據(jù)，以及
^-集合g的源信號(soure signature),即沒有地面過濾效果的源信號。
0040方程1中的集合可以是在正向建模程序的一次運(yùn)行中被仿真的 任何類型的集合。對于地震數(shù)據(jù)，該集合對應(yīng)地震激發(fā)，雖然激發(fā)比點(diǎn) 源[6]更為普通。對于點(diǎn)源，集合下標(biāo)g對應(yīng)單獨(dú)點(diǎn)源的位置。對于平面 波源，g將對應(yīng)不同的平面波傳播方向。這個廣義的源數(shù)據(jù)甲^可以在礦 區(qū)中獲取，或者可以從利用點(diǎn)源獲取的數(shù)據(jù)合成。另一方面，計算的數(shù) 據(jù)^。k通?？梢栽谡蚪r通過利用廣義的源函數(shù)直接計算得到(例 如，對于地震數(shù)據(jù)，正向建模通常指各向異性、黏彈性波傳播方程的求 解或其某一近似)。對于很多類型的正向建模，包括有限差建模，廣義源 所需的計算時間大約等于點(diǎn)源所需的計算時間。模型M是地下區(qū)域的一 個或更多個物理屬性的模型。地震波速率是一個這樣的物理屬性，但(例 如)p波速率、切變波速率、若干各向異性參數(shù)、衰減(q)參數(shù)、多孔 性和滲透性也是這樣的物理屬性。模型M可以表示單個的物理屬性，或 者它可以包含很多不同的參數(shù)，這依賴于反演的復(fù)雜程度。通常，地下 區(qū)域被細(xì)分成離散單元，每個單元的特征在于每個參數(shù)的單個值。
0041方程l可以簡化為

S(M) = ^(M,g，g)「 (2) g=i
其中，該方程現(xiàn)在表示在接收器和時間樣本上的和，并且 5(M， g, w )=』(乾g, w ) - L, (g, w ) ( 3 )
19迭代反演的一個主要問題是計算K^花費(fèi)大量的計算機(jī)時間，因此成本函 數(shù)S的計算是很耗時的。而且，在典型的反演項(xiàng)目中，必須為很多不同 的模型M計算此成本函數(shù)。
0042^。,。的計算時間與集合的數(shù)目Ng成比例(對于點(diǎn)源數(shù)據(jù)，集合 的數(shù)目等于源的數(shù)目)，對于典型的地震勘探，Ng是大約IO，OOO到IOO，OOO 的數(shù)量級。本發(fā)明極大減少了地球物理反演所需的時間，這可通過顯示 以下情況實(shí)現(xiàn)通過為同時激活的很多已編碼的廣義源計算^^，可以很 好地近似S(M)。這將計算^。,。所需的時間減少了，即減少到該時間除以 和并發(fā)源的數(shù)目相等的因子。上述技術(shù)問題將更詳細(xì)地在下文中得以解 決。
0043方程2中的成本函數(shù)使用以下方程代替
<formula>formula see original document page 20</formula>
其中，和方程2—樣，表示在接收器和時間樣本上的求和，并且
定義了利用集合的子分組在集合上的求和，
S^-并發(fā)源數(shù)據(jù)的成本函數(shù)， G-并發(fā)的廣義源的分組，以及 Nf分組的數(shù)目，
Cf時間函數(shù)，使用每個集合的源信號對其進(jìn)行巻積( )以對集合進(jìn)行 編碼，對于每個集合下標(biāo)g這些編碼函數(shù)被選成不同的，g卩，不等同的(例 如，隨機(jī)相位函數(shù)的不同實(shí)現(xiàn))。
0044方程5中的外求和是在與集合類型(例如，普通激發(fā)集合的點(diǎn) 源)對應(yīng)的并發(fā)廣義源的分組上的求和。在g上的內(nèi)求和是針對為并發(fā) 計算而分組的集合的求和。對于一些仿真方法，諸如有限差建模，被求 和源(在geG上的內(nèi)求和)的模型計算的執(zhí)行時間量與計算單個源的時 間量相同。因此，計算方程5的時間比計算方程2的時間快Ng/Ncrl倍。 在有限的情形下，所有集合被同時計算(即，G包含所有Ng源，且Nfl) 并且一個集合達(dá)到Ng因子的加速。
0045通常，這種加速實(shí)現(xiàn)的代價是通常方程5中的Ssim(M)不像方程2中定義的S(M)那樣適合作為反演的成本函數(shù)。高質(zhì)量成本函數(shù)的兩
水
1. 當(dāng)模型M接近真正的地下模型時，成本函數(shù)具有全局最小值，
2. 成本函數(shù)具有少量局部最小值，并且這些距離真正的地下模型很遠(yuǎn)。 容易看到，在無噪聲的情形下，M等于真正的地下模型時將出現(xiàn)S(M)和 SUM)的全局最小值，并且它們在全局最小值時的值是零。經(jīng)驗(yàn)表明在 數(shù)據(jù)有噪聲的情形下，S^(M)的全局最小值也接近于實(shí)際的地下模型。 因此，S^(M)滿足了上述要求1。接下來，將顯示如何使S，(M)滿足第 二個列舉的要求。
0046
一般說來，無法為數(shù)據(jù)反演開發(fā)出沒有局部最小值的成本函數(shù)。 所以，如以上要求2所期望的，期望S^(M)沒有局部最小值是不合理的。 但是，至少可以期望S^(M)具有的局部最小值結(jié)構(gòu)不比S(M)差。根據(jù)本 發(fā)明，這可通過適當(dāng)選擇編碼信號來實(shí)現(xiàn)。
0047當(dāng)成本函數(shù)使用L2范數(shù)時，將編碼信號選成隨機(jī)的相位函數(shù)提 供了其局部最小值結(jié)構(gòu)與有序源成本函數(shù)相類似的并發(fā)源成本函數(shù)。這 一點(diǎn)可以通過開發(fā)如下的S^(M)與S(M)之間的關(guān)系看到。首先，方程5 被限定專用于L2范數(shù)的情形
G=l geG
在分組上的和內(nèi)的平方可擴(kuò)展如下
(6)
&,m(^) = Z(Zk(M,g,cg w》| + Z ^(M,g,Cg(8)Wg)l^(M，g',Cg,(g),.)1) (7)
通過選擇Cg使得它們具有穩(wěn)定的振幅范圍，方程7中的第一項(xiàng)完全是
S(M)，從而產(chǎn)生
S,朋(M) = S(M) +藝Z k(M,g,S W》|—(M,g'，、 )| ( 8 )
方程8表明S^(M)等于S(M)加上一些截項(xiàng)。請注意，由于包含的時間樣 本上的和，截項(xiàng)^(M,g,Cg(8)Mg^(M,g'々0,)l是來自兩個不同集合的剩
余部分的真正的互相關(guān)。該互相關(guān)噪聲可以通過選擇編碼函數(shù)Cg使得cg
21和Cg，是隨機(jī)相位函數(shù)的不同實(shí)現(xiàn)而在模型中展開。其它類型的編碼信號 也可以起作用。因此，使用Cg的這種選擇，S^(M)近似等于S(M)。所以，
S"M)的局部最小值結(jié)構(gòu)近似等于S(M)。
0048實(shí)際上，本發(fā)明可以根據(jù)圖1和2示出的流程圖來實(shí)現(xiàn)?？梢?緊接著圖1的流程圖來編碼并求和要反演的地球物理勘探數(shù)據(jù)，以形成 并發(fā)集合數(shù)據(jù)。在步驟20中，輸入數(shù)據(jù)IO被分成集合分組，它們將被 編碼并被求和以形成并發(fā)已編碼集合。在步驟40中，來自步驟20的其 中一個集合分組的每個集合被編碼。編碼通過從集合分組中選擇集合以 及從不等同的編碼信號集30選擇編碼信號來執(zhí)行。之后，來自該集合的 所有微量(trace)用選擇的編碼信號進(jìn)行時間巻積。集合分組中的每個 集合以相同的方式被編碼，同時為每個集合從30中選擇不同的編碼信號。 在所有集合在40中被編碼后，所有集合在50中被求和。集合求和采取 的方式是對與來自每個集合的相同接收器對應(yīng)的所有微量求和。這形成 了并發(fā)已編碼源集合，之后并發(fā)已編碼源集合在步驟60中被保存到仿真 的并發(fā)已編碼集合70的輸出集中。在步驟80中，通常重復(fù)步驟40-60 直至來自步驟20的所有集合分組已經(jīng)被編碼。當(dāng)所有集合分組已經(jīng)被編 碼時，該過程結(jié)束，并且包含并發(fā)已編碼集合70的文件將為在步驟20 中形成的每個集合分組包含一個并發(fā)的已編碼集合。在單個分組中放入 多少集合是一種判斷。涉及的考慮包括成本函數(shù)的質(zhì)量和反演時間的加 速。人們能夠運(yùn)行如下文的示例部分中的測試，并且確保分組會產(chǎn)生高 質(zhì)量的成本函數(shù)。在一些示例中，優(yōu)選地，對所有集合求和得到一個并 發(fā)集合，也就是使用單個分組。
0049圖1描述了在本發(fā)明的一些實(shí)施例中如何獲得并發(fā)的已編碼集 合。在其它實(shí)施例中，地球物理數(shù)據(jù)從并發(fā)的已編碼源中獲得，不需要 圖1中的過程。應(yīng)當(dāng)注意到，在礦區(qū)中獲取并發(fā)的已編碼源數(shù)據(jù)可以顯 著降低獲得地球物理數(shù)據(jù)的成本，并且也可以提高相對周圍噪聲的信噪 比。因此，本發(fā)明可以有利地應(yīng)用到(利用地震振動器勘探作為示例) 有序移動到多個位置的單個振動器卡車，或者應(yīng)用到兩個或更多個振動 器卡車同時運(yùn)轉(zhuǎn)的勘探中，在此勘探中不同的已編碼掃描足夠接近，以 至于勘探接收器記錄所有振動器的組合響應(yīng)。僅僅在后一種情形中，可以在礦區(qū)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。0050圖2的流程圖示出了本發(fā)明用于為并發(fā)的已編碼源數(shù)據(jù)計算數(shù)
據(jù)反演成本函數(shù)的方法的基本步驟。并發(fā)的已編碼集合120優(yōu)選為在圖1 的70處形成的數(shù)據(jù)或者是在礦區(qū)中獲得的并發(fā)的已編碼集合。在步驟130 中，利用來自編碼信號集110的合適信號對來自120的并發(fā)的已編碼集 合進(jìn)行正向建模，編碼信號集IIO用來形成并發(fā)的已編碼集合120。在步 驟140中，計算此并發(fā)的已編碼集合的成本函數(shù)。如果成本函數(shù)是L2范 數(shù)成本函數(shù)，則步驟140將設(shè)立在所有收發(fā)器和所有時間樣本上求和以 及來自120的并發(fā)的已編碼集合與來自130的被正向建模的并發(fā)的已編 碼集合之間差的平方。之后，在步驟150， 140中計算的成本值被累加到 總成本中。通常，為來自120的另一并發(fā)的已編碼集合重復(fù)步驟130-150， 并且重復(fù)該循環(huán)，直至來自120的所有期望的并發(fā)已編碼集合已經(jīng)被處 理(160)。
0051存在反演數(shù)據(jù)的很多技術(shù)。這些技術(shù)的大多數(shù)需要計算成本函 數(shù)，并且本發(fā)明計算的成本函數(shù)提供了執(zhí)行這種計算的更為高效的方法。 很多類型的編碼函數(shù)cg可用于確保S^(M)近似等于S(M)，這些編碼函數(shù) 包括但不限于
'在Romero等人[12]中提出的線性、隨機(jī)、啁啾聲信號(chirp)和修 改的啁啾聲信號依賴頻率的相位編碼； ，在Jing等人[13]中提出的頻率獨(dú)立相位編碼； 隨機(jī)時間位移編碼。
取決于應(yīng)用，這些編碼技術(shù)中的一些比其它編碼技術(shù)工作更好，并且一 些技術(shù)可以進(jìn)行組合。具體地，已經(jīng)通過以下方式取得了好的結(jié)果利 用依賴頻率的隨機(jī)相位編碼，還可通過將附近源的頻率獨(dú)立編碼和多個 寬分隔源的依賴頻率的隨機(jī)相位編碼結(jié)合。不同編碼的相對優(yōu)點(diǎn)表示可 以通過使用每個編碼函數(shù)集運(yùn)行測試反演以確定哪個收斂更快來獲得。0052應(yīng)當(dāng)注意到并發(fā)的已編碼源技術(shù)可以用于很多類型的反演成本 函數(shù)。特別地，它可以用于基于除上述L2范數(shù)以外的其它范數(shù)的成本函 數(shù)。它還可以用于比方程2表示的成本函數(shù)更為復(fù)雜的成本函數(shù)，包括 規(guī)則化的成本函數(shù)。最后，并發(fā)的已編碼源方法可以與任何類型的全局或局部成本函數(shù)反演方法一起使用，包括蒙特卡羅、仿真退火、遺傳算 法、進(jìn)化算法、梯度線搜索、共軛梯度和牛頓的方法。
迭代級數(shù)反演
0053除了成本函數(shù)優(yōu)化外，地球物理反演還可以利用迭代級數(shù)方法 實(shí)現(xiàn)。這樣做的常見方法是迭代Lippmann-Schwinger (李普曼一施溫格) 方程[3]。 Lippmann-Schwinger方程將感興趣的物理屬性模型表示的介質(zhì) 中的波散射描述為較簡易模型的擾動。方程是級數(shù)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，級數(shù)擴(kuò) 展用于確定來自感興趣模型的波散射，其優(yōu)點(diǎn)是級數(shù)只需要在較簡易的 模型中進(jìn)行計算。還可轉(zhuǎn)變該級數(shù)以形成迭代級數(shù)，其允許根據(jù)所測量 數(shù)據(jù)確定興趣模型，并且也只要求在較簡易的模型中進(jìn)行計算。 Lippmann-Schwinger方程是可應(yīng)用到所有類型的地球物理數(shù)據(jù)和模型包 括地震波的通用形式。該方法以以下兩個方程開始
LG=—I (9) L。Go二一I (10) 其中L、 L。是實(shí)際運(yùn)算符(operator)和參考微分運(yùn)算符，G和G。分別是 實(shí)際運(yùn)算符和參考Green運(yùn)算符，而I是單元運(yùn)算符。請注意，G是測量 的點(diǎn)源數(shù)據(jù)，而G。是來自最初模型的仿真點(diǎn)源數(shù)據(jù)。用于散射原理的 Lippmann- S chwinger方禾呈是
G=G0+G0VG (11) 其中，V=L-LQ，根據(jù)該式可以推導(dǎo)出真正模型和最初模型之間的差。0054通過方程11迭代地求解V，首先通過將方程11擴(kuò)展成級數(shù)(假 設(shè)G^G。是G的第一個近似值，以此類推)以獲得
G=G0+G0VG0+ G0VG0VG0+... (12)
之后，V被擴(kuò)展為級數(shù)
V=v(1)+V(2)+V(3)+… (13) 其中，vW是在數(shù)據(jù)的剩余部分中第n階的那部分V (這里數(shù)據(jù)的剩余部 分是在表面測量的G-G。)。將方程13代入方程12并合并相同階的項(xiàng)將產(chǎn) 生前3階的以下方程組
G-G0= G。V("G。 (14)
240= G0V(2)G0+ G0V(1)G0V(1)G0 (15) 0=G0V(3)G0+GoV(1)G0V(2)G0+GoV(2)G0V(1)G0+G0V(1)G0V(1)GoV(1)G0 (16) V中較高的階與此類似。這些方程可以迭代求解，首先通過方程14求解 V(1)，方式是變換V"兩側(cè)的Go，從而產(chǎn)生
V(1)= Go" (G-G0) G/ (17)0055之后，將來自方程17的V"代入到方程15中，為V②求解該方 程產(chǎn)生
V^-G/ G0V(1)G0 V(l) GoGo" (18) 并且為更高階的V依此類推。
0056方程17包含在源和頻率上的求和，可將其明確寫為 nZW(G、.-G。,)Gq:' (17)
其中，Gs是源s的測量的數(shù)據(jù)，G。s是對源s的通過參考模型仿真的數(shù)據(jù)， G。s—1可解釋為從源s向下外推的源信號。當(dāng)在頻域?qū)崿F(xiàn)方程17時，方程 17可解釋為(1)通過參考模型為每個源向下外推源信號(G(^'項(xiàng))，(2) 為每個源通過參考模型向下外推剩余數(shù)據(jù)的接收器(G?！? (Gs-GQs)項(xiàng))，
(3)將這兩個域相乘，然后在所有源和所有頻率上求和。此方案中的向 下外推可以通過地球物理仿真軟件實(shí)現(xiàn)，例如利用有限差。
0057并發(fā)的己編碼源技術(shù)可以應(yīng)用到方程17中，如下
其中，己經(jīng)選擇通過應(yīng)用相位函數(shù)A(w)進(jìn)行編碼，相位函數(shù)A(w)依賴于 源，且可能依賴于頻率w。如方程17中的情形，方程18可以通過以下方 式實(shí)現(xiàn)(1)編碼并求和測量的數(shù)據(jù)(括號內(nèi)的第一次求和)，(2)對利 用與步驟1相同的編碼從并發(fā)的己編碼源獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行正向仿真(括 號中的第二項(xiàng))，(3)用步驟1的結(jié)果減去步驟2的結(jié)果，(4)向下外推 步驟3中計算的數(shù)據(jù)(第一個Go"項(xiàng)，被施加到括號中的項(xiàng))，(5)向下 外推利用與步驟1相同的編碼進(jìn)行編碼的并發(fā)的已編碼源，(6)將這兩 個域相乘，并在所有頻率上求和。請注意，在此方案中，所有仿真對于 整個并發(fā)的已編碼源集合只執(zhí)行一次，與方程17情形下的為每個源只執(zhí) 行一次相反。因此，與方程17相比，方程18需要更少的計算時間。
20058在方程18中將在s和s，上的求和分成^ 和w 的部分將產(chǎn)生: r (1)=i;i:G。-乂G廣G。,)Gq;1 + W Z;一 W)(G廣G。,)G。-) ( 19)
方程19中的第一項(xiàng)可以識別為方程17，因此
r W=j/("+截項(xiàng) (20)
0059如果當(dāng)w,時A^&，方程19中的截項(xiàng)將很小。因此，正如成 本函數(shù)優(yōu)化的情形，并發(fā)的己編碼源方法加快級數(shù)第一項(xiàng)的計算，并給 出與更為昂貴的有序源方法類似的結(jié)果。相同的并發(fā)已編碼源技術(shù)可以 應(yīng)用到級數(shù)中的較高階的項(xiàng)，諸如方程15和16中的第二或第三階項(xiàng)。
進(jìn)一步考慮
0060本發(fā)明的方法還可以與各種類型的廣義源(generalized source)技 術(shù)結(jié)合使用，諸如Berkhout[6]提出的那些技術(shù)。在這種情形下，人們將 為不同的合成平面波編碼信號而不是編碼不同的點(diǎn)源集合信號。
0061本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是允許大量集合被同時計算。而且，不需要 犧牲成本函數(shù)的質(zhì)量即可達(dá)到此效率。本發(fā)明受噪聲假象的影響小于其 它并發(fā)源技術(shù)，因?yàn)榈囱莅凳驹肼暭傧髮⒂捎谶_(dá)到了成本函數(shù)的全 局最小值而在很大程度上受到抑制。
0062以上描述的實(shí)施例的一些變化包括
cg編碼函數(shù)可以因成本函數(shù)的每次計算而改變。至少在一些實(shí)例中， 為成本函數(shù)的每次計算利用不同的隨機(jī)相位編碼進(jìn)一步降低了截項(xiàng)在方 程8中的影響。
，在一些情形下(例如，當(dāng)源采樣比接收器采樣密集時)，利用互換性將 實(shí)際的接收器視為計算源并將接收器編碼而不對源進(jìn)行編碼是有利的。
*本發(fā)明并不局限于單組件點(diǎn)接收器。例如，接收器可以是接收器陣列 或它們可以是多組件接收器。
該方法可以通過優(yōu)化編碼來產(chǎn)生質(zhì)量最高的成本函數(shù)而得到改善。例 如，可以優(yōu)化編碼函數(shù)以減少成本函數(shù)中局部最小值的數(shù)目。可以通過 對利用不同的編碼函數(shù)執(zhí)行的測試的手動檢查或利用自動的優(yōu)化過程來 優(yōu)化編碼函數(shù)。 并發(fā)的已編碼源數(shù)據(jù)的獲取可顯著節(jié)省地球物理數(shù)據(jù)獲取成本。
對于海洋地震數(shù)據(jù)勘探，從運(yùn)動時持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時運(yùn)轉(zhuǎn)的海上振動器 獲取已編碼源數(shù)據(jù)是很高效的。
可以使用成本函數(shù)的其它定義，包括使用不同的范數(shù)(例如，Ll范數(shù) (絕對值)代替L2范數(shù))和附加項(xiàng)來調(diào)整并穩(wěn)定反演(例如，對不平滑 的模型或不稀少的模型不利的項(xiàng))。
0063盡管本發(fā)明包括很多實(shí)施例，但是典型的實(shí)施例可以包括以下
特征
1. 輸入集合是常見的點(diǎn)源集合。
2. 編碼信號30和110在迭代之間被改變。
3. 根據(jù)Romero等人的[12]，編碼信號30和110被選為隨機(jī)相位信 號。只是通過產(chǎn)生由時間樣本組成的序列可以產(chǎn)生這樣的信號，所述時 間樣本是始終如一的偽隨機(jī)序列。
4. 在步驟40中，通過使用集合的編碼信號來巻積集合中的每個微 量來編碼集合。
5. 在步驟130中，使用空間時間域中的有限差建模碼來實(shí)施正向建模。
6. 在步驟140中，利用L2范數(shù)計算成本函數(shù)。
示例
0064圖3-8表示利用本發(fā)明計算成本函數(shù)的綜合示例以及與傳統(tǒng)有 序源方法的對比。此簡單示例中的地球物理屬性模型只是聲波速率的一 個模型。圖3是此示例的基本的速率模型(該模型將被反演)。陰影表示 每個深度處的速率。此模型的背景是在模型頂部起始于1500m/s的線性 梯度，梯度值為0.5秒—、具有正或負(fù)100m/s速率的32個64m厚度的水 平層(210)被添加到背景梯度。圖3中較暗的水平帶表示100m/s被添 加到線性梯度背景的層，而交替的較亮水平帶表示從線性梯度背景減去 100m/s的層。最后，高256m、寬256m且具有500m/s速率擾動的不規(guī)則 矩形(220)被添加到水平分層模型。
0065傳統(tǒng)的有序點(diǎn)源數(shù)據(jù)(對應(yīng)圖1中的項(xiàng)10)根據(jù)圖3的模型被仿真。256個常見的點(diǎn)源集合被計算，并且圖4示出了這些集合的前三個。 這些集合具有6個第二微量長度并且以0. 8msec取樣。源信號(對應(yīng)方 程2中的ws)是20Hz的Ricker小波。源之間的距離是16m，而接收器之 間的距離是4m。源和接收器覆蓋模型的整個表面，并且接收器是固定的。0066圖1概述的流程用于從圖4中所示的有序源數(shù)據(jù)產(chǎn)生并發(fā)的己 編碼源數(shù)據(jù)。在圖1的步驟20中，所有的256個仿真的有序集合被形成 一個分組。之后，這些集合被編碼，采用的方式是使用一 2048樣本(l. 6384 秒長)始終如一的偽隨機(jī)序列巻積來自每個點(diǎn)源集合的微量。不同的偽 序列被用于每個點(diǎn)源集合。之后，這些集合被求和以產(chǎn)生圖5所示的單 個的并發(fā)已編碼源集合。應(yīng)當(dāng)注意到該過程已經(jīng)將256個有序源集合轉(zhuǎn) 變?yōu)閱蝹€的并發(fā)已編碼源集合。
0067為了計算成本函數(shù)，基礎(chǔ)模型被干擾，并且根據(jù)該干擾的模型 來仿真地震數(shù)據(jù)。對于此示例，通過更改不規(guī)則矩形的深度來干擾模型。 不規(guī)則的深度相對于其在基礎(chǔ)模型中的深度被干擾的范圍為從-400到 +400。圖6中示出該模型的一個擾動，310處表示不規(guī)則。
0068對于基礎(chǔ)模型的每個擾動，并發(fā)的已編碼源數(shù)據(jù)的單個集合被 仿真以產(chǎn)生類似于圖5所示基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的微量的集合。用于仿真這些被擾 動集合的編碼信號與用于編碼圖5中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信號完全相同。對于 每個擾動的模型，通過從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中減去擾動的數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果的L2 范數(shù)來計算方程6的成本函數(shù)。圖7是該并發(fā)的已編碼源成本函數(shù)的圖 形。對于圖8所示的同樣的模型擾動，可以將該成本函數(shù)與傳統(tǒng)的有序 源成本函數(shù)相比(將圖4中的數(shù)據(jù)用作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，然后仿真來 自擾動的模型的有序源數(shù)據(jù))。圖8對應(yīng)方程2中,2的成本函數(shù)。圖7 和圖8中的水平軸是不規(guī)則矩形的深度相對于其在基礎(chǔ)模型中深度的擾 動。因此，零擾動對應(yīng)基礎(chǔ)模型。重要的是要注意到，對于此示例，對 并發(fā)的已編碼源成本函數(shù)進(jìn)行計算比有序源成本函數(shù)快256倍。
0069檢查圖7和圖8，可立即注意到兩件事。 一是兩種成本函數(shù)在零 擾動時都具有其全局最小值(對于并發(fā)源數(shù)據(jù)為410，對于有序源數(shù)據(jù)為 510)，這應(yīng)當(dāng)是準(zhǔn)確反演的情形。注意的第二件事是兩種成本函數(shù)都具 有相同數(shù)目的局部最小值(對于并發(fā)源數(shù)據(jù)為420，對于有序源數(shù)據(jù)為
28520)，并且這些局部最小值位于大約相同的擾動值。盡管不期望在成本 函數(shù)中出現(xiàn)局部最小值，但是并發(fā)的已編碼源成本函數(shù)的局部最小值結(jié) 構(gòu)類似于有序源成本函數(shù)。因此，對于地震反演來說，并發(fā)的已編碼源
成本函數(shù)(圖7)只是與有序源成本函數(shù)(圖8) —樣。0070并發(fā)的已編碼源成本函數(shù)的計算時間減少到1/256，以及兩種成 本函數(shù)對于地震反演的相似質(zhì)量導(dǎo)致這樣的結(jié)論對于此示例，并發(fā)的 已編碼源成本函數(shù)是十分優(yōu)選的成本函數(shù)。擾動的模型表示各種模型推 測，其可在實(shí)際的練習(xí)中用于確定哪種模型對所測量的數(shù)據(jù)給出了最接 近的適配，如成本函數(shù)所度量的。
0071最后，為了驗(yàn)證在求和之前對集合進(jìn)行編碼的重要性，圖9示 出了利用Mora [9]的反演超級激發(fā)集合的建議所產(chǎn)生的成本函數(shù)。該成 本函數(shù)被計算的方式類似于圖7，除了源集合并不在求和之前被編碼之 外。該和違反了Mora有關(guān)源應(yīng)當(dāng)被寬間隔的建議(這些源以16m被間隔)。 但是，這是與本專利提出的并發(fā)己編碼源方法的公平對比，因?yàn)閳D9的 成本函數(shù)的計算加速與圖7相等，而Mora的寬間隔的源方法將導(dǎo)致少得 多的加速。請注意超級激發(fā)集合數(shù)據(jù)的全局最小值是零擾動(610)，這 是很好的。另一方面，圖9示出的成本函數(shù)具有很多比圖7或圖8中的 成本函數(shù)更為局部的最小值(620)。因此，盡管此成本函數(shù)達(dá)到了與本 專利的并發(fā)已編碼源方法相同的計算加速，但是其反演的質(zhì)量低得多。
0072為了說明的目的，前述申請闡述了本發(fā)明的特定實(shí)施例。但是， 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，對本文描述的實(shí)施例作出許多更改和變 化是可能的。所有這種更改和變化都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，如所附權(quán)項(xiàng) 限定的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，至 少本發(fā)明方法中的一些步驟在計算機(jī)上執(zhí)行，即本發(fā)明是計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。 在這種情形下，產(chǎn)生的更新的物理屬性模型可以被下載或保存到計算機(jī) 存儲器中。
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權(quán)利要求
1.一種反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為地下區(qū)域確定物理屬性模型的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括(a)獲取由所述測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個已編碼集合構(gòu)成的一個分組，其中每個集合與單個廣義源關(guān)聯(lián)，或者利用源-接收器的互換性而與單個接收器關(guān)聯(lián)，并且其中每個集合使用選自不等同的編碼信號集的不同編碼信號進(jìn)行編碼；(b)通過對每個集合中對應(yīng)于單個接收器(或者源，如果利用互換性)的所有數(shù)據(jù)記錄求和及為每個不同接收器重復(fù)上述求和，來對所述分組中的所述已編碼集合求和，從而產(chǎn)生并發(fā)已編碼集合；(c)假設(shè)所述地下區(qū)域的物理屬性模型，所述模型提供遍及所述地下區(qū)域的各位置處的至少一個物理屬性的值；(d)計算所假設(shè)的物理屬性模型的更新，所述更新與來自步驟(b)的所述并發(fā)已編碼集合更為一致，所述計算包含一個或一個以上已編碼的并發(fā)源正向(或反向)仿真操作，所述仿真操作使用所假設(shè)的物理屬性模型和已編碼的源信號，所述已編碼的源信號使用的編碼函數(shù)與對所測量數(shù)據(jù)的對應(yīng)集合進(jìn)行編碼所使用的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿真操作中被仿真；(e)重復(fù)步驟(d)至少一次以上迭代，將來自步驟(d)的先前迭代的更新的物理屬性模型用作所假設(shè)的模型，以產(chǎn)生所述地下區(qū)域的進(jìn)一步更新的物理屬性模型，該進(jìn)一步更新的物理屬性模型與所測量數(shù)據(jù)的相應(yīng)并發(fā)已編碼集合更為一致，將與形成所測量數(shù)據(jù)的相應(yīng)并發(fā)已編碼集合中使用的編碼信號相同的編碼信號用于仿真中的源信號；以及(f)下載所述進(jìn)一步更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中成本函數(shù)被優(yōu)化以更新步驟(d) 中的所述模型，所述成本函數(shù)度量所述并發(fā)已編碼集合和仿真的并發(fā)已 編碼集合之間的不匹配程度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在步驟(d)之后和步驟(e)之前 進(jìn)一步包括更改步驟(a)中分配的所述編碼信號，以及重復(fù)步驟(b) 以獲得所測量數(shù)據(jù)的不同的并發(fā)己編碼集合，然后在執(zhí)行步驟(e)時使 用該不同的并發(fā)已編碼集合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括如步驟(a)中那樣獲 取所測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個已編碼集合的至少一個附加分 組，以及為每個附加分組執(zhí)行步驟(b)，然后積累來自步驟(d)的所述 物理屬性模型的對應(yīng)更新，其中步驟(e)中要使用的所更新的物理屬性 模型基于所累積的更新。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所測量數(shù)據(jù)的所述已編碼集合 通過使用為所述集合選擇的編碼信號對所述集合的所有微量進(jìn)行時間巻 積而被編碼。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所測量數(shù)據(jù)的所述兩個或更多 個已編碼集合通過從地球物理勘探獲得數(shù)據(jù)的集合而獲得，在所述地球 物理勘探中，數(shù)據(jù)從多個并發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)、獨(dú)特編碼的源設(shè)備中獲取。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測量的地球物理數(shù)據(jù)來自 地震勘探。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述廣義的地震源或者是所有 點(diǎn)源或者是所有平面波源。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述測量的地球物理數(shù)據(jù)包括 測量或估計的每個源激活的信號并且所述仿真操作中使用的所述已編碼 源信號是通過使用與步驟(a)中用于編碼對應(yīng)的所測量集合的編碼函數(shù) 相同的編碼函數(shù)對所述測量或估計的源信號進(jìn)行時間巻積而得到的信 號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述編碼函數(shù)的類型選自線性 的、隨機(jī)相位、啁啾聲信號、修改的啁啾聲信號、隨機(jī)時間位移和頻率 獨(dú)立的相位編碼。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述編碼函數(shù)具有用于一些 源的一種類型和用于其它源的另一類型。
12. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述編碼函數(shù)被優(yōu)化以提高所 述選擇的成本函數(shù)的質(zhì)量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(d)中的所述正向或反 向仿真操作使用有限差、有限元或有限體積仿真碼執(zhí)行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述物理屬性模型是地震波速 率、地震彈性參數(shù)、地震各向異性參數(shù)或地震滯彈性參數(shù)的模型。
15. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中諸如蒙特卡羅、仿真的退火、 遺傳或進(jìn)化算法的全局成本函數(shù)優(yōu)化方法被用于更新所述模型。
16. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中諸如梯度線搜索、共軛梯度或 牛頓方法的局部成本函數(shù)優(yōu)化方法被用于更新所述模型。
17. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述成本函數(shù)是L1范數(shù)成本 函數(shù)或者L2范數(shù)成本函數(shù)，并且所述成本函數(shù)可以包含正則化項(xiàng)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(d)通過以下步驟執(zhí)行(i) 選擇描述所述地下區(qū)域中波散射的散射方程的迭代級數(shù)解；(ii) 以所述級數(shù)的前n項(xiàng)開始，其中w》1，所述前n項(xiàng)對應(yīng)所述地 下區(qū)域的假設(shè)的物理屬性模型；(iii) 計算級數(shù)中的下一項(xiàng)，所述計算包含一個或一個以上已編碼的并發(fā)源正向(或反向)仿真操作，這些操作使用所述假設(shè)的物理屬性模 型和編碼的源信號，所述編碼的源信號采用的編碼函數(shù)與用于編碼所測 量數(shù)據(jù)的對應(yīng)集合的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿 真操作中被仿真，并且所仿真的已編碼集合和測量的已編碼集合以和步驟(i)中被選迭代級數(shù)一致的方式被組合；以及(iv)通過向所述假設(shè)的模型中添加步驟(iii)中計算的所述級數(shù)的 所述下一項(xiàng)來更新所述模型。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括為所述級數(shù)中的至少 一個以上的項(xiàng)重復(fù)步驟(iii)和(iv)。
20. —種反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為地下區(qū)域確定物理屬性模型 的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括(a) 獲取由所述測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個已編碼集合構(gòu) 成的一個分組，其中每個集合與單個廣義源關(guān)聯(lián)，或者利用源-接收器的 互換性而與單個接收器關(guān)聯(lián)，并且其中每個集合使用選自不等同的編碼 信號集的不同編碼信號進(jìn)行編碼；(b) 通過對每個集合中對應(yīng)于單個接收器(或者源，如果利用互換 性)的所有數(shù)據(jù)記錄求和及為每個不同接收器重復(fù)上述求和，來對所述 分組中的已編碼集合求和，從而產(chǎn)生并發(fā)已編碼集合；(c) 假設(shè)所述地下區(qū)域的物理屬性模型，所述模型提供遍及所述地 下區(qū)域的各位置處的至少一個物理屬性的值；(d) 利用所假設(shè)的物理屬性模型，仿真與所測量數(shù)據(jù)的所述并發(fā)已 編碼集合對應(yīng)的合成的并發(fā)已編碼集合，其中所述仿真使用已編碼的源 信號，所述己編碼的源信號使用的編碼函數(shù)與編碼所測量數(shù)據(jù)的所述并 發(fā)已編碼集合所用的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿 真操作中被仿真；(e) 計算成本函數(shù)，該函數(shù)度量所測量數(shù)據(jù)的所述并發(fā)已編碼集合 與所仿真的并發(fā)已編碼集合之間的不匹配程度；(f) 重復(fù)步驟(a)、 (b)、 (d)和(e)至少多于一次的循環(huán)，累積來自步驟(e)的成本；(g) 通過優(yōu)化所累積的成本更新所述物理屬性模型；(h) 利用來自先前迭代的更新的物理屬性模型作為步驟(c)中所假 設(shè)的物理屬性模型迭代步驟(a) - (g)至少多于一次，其中不同的不等 同的編碼信號集可用于每次迭代，產(chǎn)生進(jìn)一步更新的物理屬性模型；以 及(i)下載所述進(jìn)一步更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。
21. —種反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為地下區(qū)域確定物理屬性模型 的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括(a) 獲取由所述測量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個或更多個已編碼集合構(gòu) 成的一個分組，其中每個集合與單個廣義源關(guān)聯(lián)，或者利用源-接收器的 互換性而與單個接收器關(guān)聯(lián)，并且其中每個集合使用選自不等同的編碼 信號集的不同編碼信號進(jìn)行編碼；(b) 通過對每個集合中對應(yīng)于單個接收器(或者源，如果利用互換 性)的所有數(shù)據(jù)記錄求和以及為每個不同接收器重復(fù)上述求和，來對所 述分組中的已編碼集合求和，從而產(chǎn)生并發(fā)已編碼集合；(c) 假設(shè)所述地下區(qū)域的物理屬性模型，所述模型提供遍及所述地 下區(qū)域的各位置處的至少一個物理屬性的值；(d) 選擇描述所述地下區(qū)域中波散射的散射方程的迭代級數(shù)解；(e) 以所述級數(shù)的前n項(xiàng)開始，其中"H，所述前n項(xiàng)對應(yīng)所述地下 區(qū)域的所述假設(shè)的物理屬性模型；(f) 計算所述級數(shù)的下一項(xiàng)，所述計算包含一個或一個以上己編碼的 并發(fā)源正向(或反向)仿真操作，這些操作使用所述假設(shè)的物理屬性模 型和編碼的源信號，所述編碼的源信號采用的編碼函數(shù)與用于編碼所測 量數(shù)據(jù)的對應(yīng)集合的編碼函數(shù)相同，其中整個并發(fā)已編碼集合在單個仿 真操作中被仿真，并且所仿真的已編碼集合和測量的編碼集合以與步驟(d)中被選的迭代級數(shù)一致的方式被組合；(g) 通過向所述假設(shè)的模型中添加步驟(f)中計算的所述級數(shù)的下一項(xiàng)來更新所述模型；(h) 重復(fù)步驟(f)和(g)至少一次，以向所述級數(shù)添加至少一個以上的項(xiàng)，從而進(jìn)一步更新所述物理屬性模型；以及(i) 下載所進(jìn)一步更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。
22. —種反演測量的地球物理數(shù)據(jù)以為地下區(qū)域確定物理屬性模型 的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，該方法包括(a) 從對地下區(qū)域的地球物理勘探中獲取測量的地球物理數(shù)據(jù)；(b) 假設(shè)最初的物理屬性模型并通過迭代反演對其進(jìn)行反演，所述 反演包含表示多個勘探源(或接收器，如果利用源-接收器互換性)的勘 探數(shù)據(jù)的并發(fā)仿真，其中所述仿真中的源信號被編碼，產(chǎn)生地球物理數(shù) 據(jù)的一個仿真的并發(fā)己編碼集合，所述反演過程包含更新所述物理屬性 模型以減少所述仿真的并發(fā)已編碼集合與對應(yīng)的并發(fā)已編碼集合之間的 不匹配，所述對應(yīng)的并發(fā)己編碼集合通過對測量的勘探數(shù)據(jù)的集合進(jìn)行 求和形成，所述測量的勘探數(shù)據(jù)的集合使用與所述仿真中使用的編碼函 數(shù)相同的編碼函數(shù)進(jìn)行編碼；以及(c) 下載所更新的物理屬性模型或?qū)⑵浔４娴接嬎銠C(jī)存儲器上。
23. —種從地下區(qū)域生產(chǎn)碳?xì)浠衔锏姆椒?，該方法包?a) 執(zhí)行所述地下區(qū)域的地震勘探；(b) 通過包括以下步驟的方法獲取所述地下區(qū)域的速率模型假設(shè)最初的速率模型并通過迭代反演對其進(jìn)行反演，反演包含 表示多個勘探源(或接收器，如果使用源一接收器互換性)的 地震勘探數(shù)據(jù)的并發(fā)仿真，其中所述仿真中的源信號被編碼， 產(chǎn)生地球物理數(shù)據(jù)的一個仿真的并發(fā)已編碼集合，所述反演過 程包含更新所述速率模型以減少所述仿真的并發(fā)已編碼集合 與測量的勘探數(shù)據(jù)的相應(yīng)并發(fā)已編碼集合之間的不匹配，所述 測量的勘探數(shù)據(jù)的相應(yīng)并發(fā)已編碼集合使用與所述仿真中使用的編碼函數(shù)相同的編碼函數(shù)來進(jìn)行編碼；以及(c) 利用所述速率模型解釋所述地下區(qū)域中的結(jié)構(gòu)；(d) 在至少部分根據(jù)所解釋的結(jié)構(gòu)識別的所述地下區(qū)域中的一層鉆 井；以及(e) 從所述井生產(chǎn)碳?xì)浠衔铩?br> 全文摘要
一種減少執(zhí)行地球物理反演所需時間的方法，該方法通過在反演過程的仿真步驟中利用并發(fā)的已編碼源來實(shí)現(xiàn)。地球物理勘探數(shù)據(jù)通過編碼(3)一組源集合(1)，為每個集合采用選自不等同的編碼信號集(2)的不同編碼信號來準(zhǔn)備。然后，通過求和與每個集合的相同接收器對應(yīng)的所有微量來對已編碼的集合求和(4)，從而產(chǎn)生并發(fā)已編碼集合。(可替代地，從并發(fā)的已編碼源獲得地球物理數(shù)據(jù)。)然后，反演需要的仿真步驟利用特定的假設(shè)速率(或其它物理屬性)模型(5)來計算，而并發(fā)激活的已編碼源利用與所測量數(shù)據(jù)使用的相同編碼方案來計算。結(jié)果是產(chǎn)生更新的物理屬性模型(6)，該模型可利用額外的迭代被進(jìn)一步更新(7)。
文檔編號G06F19/00GK101681394SQ200780036018
公開日2010年3月24日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者C·E·克魯思, C·京, D·金克利, J·E·安德松, J·R·克雷博斯, P·翠寧, R·尼拉曼尼, T·A·迪肯斯 申請人:埃克森美孚上游研究公司