一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置
阅读：1020发布：2021-02-16
专利汇可以提供一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种 地震 各向异性 参数全 波形 反演方法及装置，属于石油地球物理勘探中地震各向异性参数预测领域。所述方法包括以下步骤：(1)获取将要进行各向异性参数反演的地震数据，即观测波场数据；(2)对步骤(1)得到的地震数据进行去噪处理得到去噪后的数据；(3)使用步骤(2)得到的去噪后的数据，根据炮点和检波点的坐标， 抽取 共中心点 道集得到地震CMP道集资料，然后利用所述地震CMP道集资料计算出 水 平 地层 的层速度；(4)利用步骤(3)得到的水平地层的层速度，通过插值的方式构建用于反演的初始模型；(5)对初始模型的各参数进行微小扰动，生成参数扰动后的模型。，下面是一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置专利的具体信息内容。
1.一种地震各向异性参数全波形反演方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)获取将要进行各向异性参数反演的地震数据，即观测波场数据；
(2)对步骤(1)得到的地震数据进行去噪处理得到去噪后的数据；
(3)使用步骤(2)得到的去噪后的数据，根据炮点和检波点的坐标，抽取共中心点道集得到地震CMP道集资料，然后利用所述地震CMP道集资料计算出水平地层的层速度；
(4)利用步骤(3)得到的水平地层的层速度，通过插值的方式构建用于反演的初始模型；
(5)对初始模型的各参数进行微小扰动，生成参数扰动后的模型；
(6)基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分方法，对步骤(4)得到的初始模型和步骤(5)得到的参数扰动后的模型分别进行地震波场正演数值模拟，生成初始模型和参数扰动后的模型的正演地震波场数据，分别为模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据；
(7)对步骤(6)得到的正演地震波场数据进行带通滤波；
(8)由所述观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
(9)使用共轭梯度优化算法求解由所述雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，来获得更新的各向异性参数，包括水平方向上快纵波速度V90F、水平方向上慢纵波速度V90S、垂向纵波速度VP0、水平向快纵波速度的方位角α、地层厚度h，由更新的各向异性参数构成的模型即为更新的模型；
(10)对步骤(9)得到的更新的模型进行地震波场正演数值模拟，求取目标函数，如果目标函数的值没有达到足够小值e且还没有达到最大迭代次数，则返回步骤(5)，如果目标函数的值达到足够小值e或达到最大迭代次数，则转入步骤(11)；
(11)使用下面的三个公式将所述水平方向上快纵波速度V90F、水平方向上慢纵波速度V90S、垂向纵波速度VP0转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数ε1、ε2和δ3：
和
2.根据权利要求1所述的地震各向异性参数全波形反演方法，其特征在于：所述方法将初始模型从上至下分为N层，把反演全部参数的过程划分为多个独立的反演两层模型的反演过程，即依次对相邻的两层进行步骤(5)至步骤(10)的处理；将前面两层反演的结果作为后面两层反演的初始模型。
3.根据权利要求1或2所述的地震各向异性参数全波形反演方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述对初始模型的各参数进行微小扰动是这样实现的：对于参数a，由下式算出其扰动后的值ap：
ap＝a×(1+(rand-0.5)/10)
其中rand为0-1之间的一个随机数。
4.根据权利要求3所述的地震各向异性参数全波形反演方法，其特征在于：所述步骤(7)具体如下：
对所述地震数据进行频谱分析，确定带通滤波器的参数，包括低切频、低通频、高通频、高切频，然后对所述正演地震波场数据进行傅立叶变换，在频率域对地震数据进行滤波，然后再做反傅立叶变换。
5.根据权利要求4所述的地震各向异性参数全波形反演方法，其特征在于：所述步骤(10)中，e＝1.0E-3×O0，O0为初始模型的目标函数值。
6.一种实现权利要求5所述方法的各向异性参数反演装置，其特征在于：
地震数据获取单元：用于获取将要进行各向异性参数反演的地震数据；
去噪处理单元：用于对地震数据去除面波和其它干扰噪音的去噪处理；
速度分析单元：使用地震CMP道集资料计算出水平地层的层速度；
初始模型构建单元：使用速度分析单元计算的水平地层的层速度，通过插值的方式构建用于反演的初始模型；
模型参数扰动单元：对初始模型的各参数进行微小扰动，分别重新生成相应的新模型；
波场正演模拟单元：基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分的方法来模拟各向异性介质的地震波场响应；
滤波单元：对模型正演后生成的地震波场数据进行带通滤波，以便去除数值计算所带来的一些噪音信号；
并行计算单元：基于MPI消息传递模式实现地震波场正演数值模拟的并行计算；
雅克比矩阵生成单元：由观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
参数优化单元：使用共轭梯度优化算法，求解由雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，获得更新的各向异性参数；
各向异性参数换算单元：把反演得到的水平方向上快纵波速度V90F、水平方向上慢纵波速度V90S、垂向纵波速度VP0转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数ε1、ε2和δ3。
一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于石油地球物理勘探中地震各向异性参数预测领域，具体涉及一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置。
背景技术
[0003] 地下岩层和油气储层的各向异性特征是普遍存在的。而现有各种速度分析技术、储层预测技术和模型建立技术多是基于各向同性假设，与实际的地质情况往往存在很大的差异。例如裂缝储层通常可视为HTI或斜正交各向异性介质，如果假定为各向同性介质，就忽略了裂缝的密度和方向，然而这些属性对于储层特征而言是非常重要的。
[0004] 相关的研究已经扩展到针对Thomsen和Tsvankin各向异性参数的估计，并重点放在了VTI(横向各向异性介质)、HTI(横向各向异性介质)和斜正交各向异性介质。当前绝大多数方法都是基于纵波或转换横波走时信息来反演计算各向异性参数。例如，宽孔径数据采用非双曲动校就可以估计部分各向异性参数。然而，地表记录的纵波数据不足以往深度域估计全部的各向异性参数。如果没有额外的其他的约束(如提供下倾或起伏地表的多次震源，或转换波资料等)，纵波旅行时反演不能同时处理VTI或斜正交介质中的垂向速度和各向异性参数。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种地震各向异性参数全波形反演方法，包括以下步骤：
[0008] (1)获取将要进行各向异性参数反演的地震数据，即观测波场数据；
[0009] (2)对步骤(1)得到的地震数据进行去噪处理得到去噪后的数据；
[0011] (4)利用步骤(3)得到的水平地层的层速度，通过插值的方式构建用于反演的初始模型；
[0012] (5)对初始模型的各参数进行微小扰动，生成参数扰动后的模型；
[0013] (6)基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分方法，对步骤(4)得到的初始模型和步骤(5)得到的参数扰动后的模型分别进行地震波场正演数值模拟，生成初始模型和参数扰动后的模型的正演地震波场数据，分别为模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据；
[0014] (7)对步骤(6)得到的正演地震波场数据进行带通滤波；
[0015] (8)由所述观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
[0016] (9)使用共轭梯度优化算法求解由所述雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，来获得更新的各向异性参数，包括水平方向上快纵波速度V90F、水平方向上慢纵波速度V90S、垂向纵波速度VP0、水平向快纵波速度的方位角α、地层厚度h，由更新的各向异性参数构成的模型即为更新的模型；
[0017] (10)对步骤(9)得到的更新的模型进行地震波场正演数值模拟，求取目标函数，如果目标函数的值没有达到足够小值e且还没有达到最大迭代次数，则返回步骤(5)，如果目标函数的值达到足够小值e或达到最大迭代次数，则转入步骤(11)；
[0018] (11)使用下面的三个公式将所述水平方向上快纵波速度V90F、水平方向上慢纵波速度V90S、垂向纵波速度VP0转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数ε1、ε2和δ3：
[0019] 和
[0020] 所述方法将初始模型从上至下分为N层，把反演全部参数的过程划分为多个独立的反演两层模型的反演过程，即依次对相邻的两层进行步骤(5)至步骤(10)的处理；将前面两层反演的结果作为后面两层反演的初始模型。
[0021] 所述步骤(5)中所述对初始模型的各参数进行微小扰动是这样实现的：对于参数a，由下式算出其扰动后的值ap：
[0022] ap＝a×(1+(rand-0.5)/10)
[0023] 其中rand为0-1之间的一个随机数。
[0024] 所述步骤(7)具体如下：
[0026] 所述步骤(10)中，e＝1.0E-3×O0，O0为初始模型的目标函数值。
[0027] 一种实现所述方法的各向异性参数反演装置，所述装置包括：
[0028] 地震数据获取单元：用于获取将要进行各向异性参数反演的地震数据；
[0029] 去噪处理单元：用于对地震数据去除面波和其它干扰噪音的去噪处理；
[0030] 速度分析单元：使用地震CMP道集资料计算出水平地层的层速度；
[0031] 初始模型构建单元：使用速度分析单元计算的水平地层的层速度，通过插值的方式构建用于反演的初始模型；
[0032] 模型参数扰动单元：对初始模型的各参数进行微小扰动，分别重新生成相应的新模型；
[0033] 波场正演模拟单元：基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分的方法来模拟各向异性介质的地震波场响应；
[0035] 并行计算单元：地震波场正演数值模拟计算量大，非常耗费机时，基于MPI消息传递模式实现地震波场正演数值模拟的并行计算，提高计算效率；
[0036] 雅克比矩阵生成单元：由观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
[0037] 参数优化单元：使用共轭梯度优化算法，求解由雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，获得更新的各向异性参数；
[0038] 各向异性参数换算单元：把反演得到的水平方向上快纵波速度V90F、水平方向上慢纵波速度V90S、垂向纵波速度VP0转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数ε1、ε2和δ3。
[0039] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实施例的方法和装置，基于三维各向异性标量波动方程，采用逐层剥壳的策略和共轭梯度优化算法，使用全波形反演方法来反演地下介质的各向异性参数。通过本发明实施例，可以同时利用地震数据中的走时和振幅信息，仅使用从地表获得的地震纵波观测数据就可以准确反演得到地下介质的所有各向异性参数，且各向异性参数反演结果精度高、收敛快，一方面为地质目标的精确成像提供了基出，另一方面可以提高储层预测的精度，尤其是裂缝型储层预测的准确性，从而为石油与天然气的勘探开发提供技术支持。附图说明
[0040] 图1是本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演方法的整体流程图。
[0041] 图2是本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演方法的具体流程图。
[0042] 图3是本发明实施例仿真试验的地质模型示意图；
[0043] 图4是本发明实施例仿真试验地质模型的正演模拟得到的一个共中心点道集波形图；
[0044] 图5a是本发明实施例仿真试验中反演第一和第二层介质时的初始模型和正确模型的残差剖面图。
[0045] 图5b是本发明实施例仿真试验中反演第一和第二层介质时迭代两次后的误差剖面。
[0046] 图5c是本发明实施例仿真试验中反演第一和第二层介质时迭代五次后的误差剖面。
[0047] 图5d是本发明实施例仿真试验中反演第一和第二层介质时迭代七次后的误差剖面。
[0048] 图6a是本发明实施例仿真试验中反演第三和第四层介质时迭代两次后的初始模型和正确模型的残差剖面图。
[0049] 图6b是本发明实施例仿真试验中反演第三和第四层介质时迭代四次后的初始模型和正确模型的残差剖面图。
[0050] 图7是本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演装置的功能框图。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0052] 本发明提供了一种地震各向异性参数全波形反演方法及装置，基于三维各向异性标量波动方程，利用全波形反演来实现对VTI、HTI和正交各向异性介质的各向异性参数估计。通过全波形反演各向异性参数，可以同时利用地震数据中的走时和振幅信息，使得反演结果精度高、误差小、收敛快。
[0053] 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一部分实施例，而不是全部实施例。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，对于本领域的科研和技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。本领域的科研和技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
[0054] 本发明实施例中，首先对地震数据进行去噪处理，尽可能的消除面波等噪音的影响。利用传统的NMO速度分析手段计算NMO速度，建立初始速度模型。对初始模型的各参数进行微小扰动，分别重新生成相应的新模型。对初始模型和参数扰动后的模型分别进行地震波场正演数值模拟，生成相应的正演地震波场数据。然后计算波场误差矢量和雅克比矩阵，采用逐层剥壳的策略，使用共轭梯度优化算法进行反演，来获得更新的模型各向异性参数。
[0055] 图1为本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演方法的整体流程图。如图1所示，本发明方法包括如下步骤：
[0056] (1)获取将要进行各向异性参数反演的地震数据，即图1中的地震观测数据；
[0057] (2)对所述地震数据进行去噪处理，以消除面波等噪音的影响；
[0058] (3)使用地震CMP道集资料，利用传统的NMO速度分析手段，计算出水平地层的层速度；对CMP道集数据沿着双曲线轨迹用一个小的时窗计算道集信号的相干性，得到速度谱，在速度谱上根据有效同相轴出现的时间，拾取具有最高相干性的速度函数，解释为叠加速度，即NMO速度(一种均方根速度)，然后使用下面的Dix公式计算出水平地层的层速度，即NMO层速度。
[0059] (4)利用NMO层速度，通过插值的方式构建初始模型；使用NMO速度数据，利用距离反比加权插值计算的方式构建初始模型。
[0060] (5)对初始模型的各参数进行微小扰动，生成相应扰动后的新模型；
[0061] (6)基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分方法，对初始模型和参数扰动后的模型分别进行地震波场正演数值模拟(该反演方法的一个核心就是正演模拟程序，它基于3维各向异性标量波动方程，采用有限差分的方法来模拟各向异性介质的地震响应(Dong and McMechan，1991)。参考文献：Numericalmodeling of seismic waves with a3-D anisotropic scalar-waveequation：Bull.Seismic.Soc.Am.，1991，81，769-780)，生成各模型的正演地震波场数据；
[0062] (7)对模型正演后生成的地震波场数据进行带通滤波，以便去除数值计算所带来的一些噪音；
[0063] (8)由观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
[0064] 雅克比矩阵由下式计算得到：
[0065]
[0066] 公式中，n是模型参数的总个数，m是时间域采样点数，A是m×n阶雅克比矩阵，各元素为振幅Si相对于模型参数xj(j＝1，n)的偏导数。通过对n个参数分别进行微小的扰动，然后对n个扰动后的模型分别采用有限差分进行正演模拟，从而得到雅克比矩阵。
[0067] (9)使用共轭梯度优化算法(是一种反演算法，请参考《地球物理反演理论》一书123-132页，王家映编著，高等教育出版社)，求解雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，来获得更新的模型各向异性参数；
[0068] 具体来说，所述线性方程组如下：
[0069] AX＝B
[0070] 其中
[0071] 和
[0072] A为雅克比矩阵，B为波场误差矢量。
[0073] (10)对反演得到更新的模型进行地震波场正演数值模拟，求取目标函数，回到步骤(5)，重复迭代执行，当目标函数足够小或达到最大迭代次数，则结束反演；
[0074] (11)把反演得到的三个方向上的正交纵波速度转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数。
[0075] 本发明方法使用三维各向异性标量波动方程正演模拟得到理论波场，在目标函数中同时利用了地震数据中的走时和振幅信息，因此能够克服地震噪音的影响，采用全波形反演来实现对VTI、HTI和正交各向异性介质的各向异性参数估计，具有反演结果精度高、误差小、收敛快的特点，能够实现对地下储层各向异性介质的各向异性参数的准确预测，为各向异性介质储层的勘探开发提供支持。
[0076] 本发明方法是一种线性反演方法，即计算波场和观测波场数据之间的误差与各向异性速度模型所定义的各参数呈线性比例；在反演过程中采用逐层剥壳的策略，每次仅反演相邻两层的各向异性参数，直到反演完所有的地层；其核心就是波场正演数值模拟，基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分的方法，进行各向异性介质的地震波场正演数值模拟；其目标函数O为观测地震波场和正演数值模拟地震波场振幅残差的平方和：
[0077]
[0078] Apr为预测的数据，Aob为观测数据，N是时间域的样点数；通过线性反演得到更新的各参数，并用于下一次反演，迭代直到目标函数足够小值e为止，通常设定为e＝1.0E-3×O0，O0为初始模型的目标函数值；本发明方法需要计算误差矢量和雅克比矩阵。误差矢量为每个采样点对应的预测数据和观测数据的振幅差。雅克比矩阵为振幅相对于模型参数的偏导数，它通过对模型各参数进行微小的扰动，然后采用有限差分法分别进行正演模拟，从而得到雅克比矩阵；本发明方法使用垂向纵波速度、水平向快纵波速度和水平向慢纵波速度3个正交方向上的纵波速度代替弹性张量，来表征各向异性。反演结束后，利用反演得到3个正交方向上的纵波速度计算出等价的Thomsen无量纲各向异性参数；本发明方法对于每层的速度模型使用5个参数来描述，分别为：水平方向上快纵波速度、水平方向上慢纵波速度、垂向纵波速度、水平向快纵波速度的方位角、地层厚度
[0079] 图2为本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演方法的具体流程图。如图2所示，本发明实施例提供的地震各向异性参数全波形反演方法，具体包括以下步骤：
[0080] 步骤1：获取将要进行各向异性参数反演的地震观测数据，该地震观测数据既可以是野外地震采集得到的地震数据，也可以是用于验证反演算法正确与否的模型正演数据；
[0081] 步骤2：对地震观测数据进行去噪处理，以尽可能地消除面波等噪音的影响；
[0082] 步骤3：使用地震CMP道集资料，利用传统的NMO速度分析手段，计算出水平地层的层速度；
[0083] 步骤4：利用NMO层速度，通过插值的方式构建初始模型；
[0084] 步骤5：加载构建的初始模型或更新的模型，准备对其进行反演优化；
[0085] 步骤6：本实施例中采用逐层剥壳的策略(该策略是用来反演的，采用逐层剥壳策略的目的是为了减少每次需要反演的参数个数，即减小雅克比矩阵的规模，减小线性方程组未知数的个数，不至于使矩阵病态，反演容易收敛。当然也可以采用其它的方法或策略。)，每次只反演相邻两层的各向异性参数，这样每次就只需要反演9个参数，即：第一层i i i水平方向上快纵波速度V90F、第一层水平方向上慢纵波速度V90S、第一层垂向纵波速度VP0、i i
第一层水平向快纵波速度的方位角α、第一层地层厚度h、第二层水平方向上快纵波速度i+1 i+1 i+1
V 90F、第二层水平方向上慢纵波速度V 90S、第二层垂向纵波速度V P0、第二层水平向快纵i+1
波速度的方位角α ；
第一层水平向快纵波速度的方位角α、第一层地层厚度h、第二层水平方向上快纵波速度i+1 i+1 i+1
V 90F、第二层水平方向上慢纵波速度V 90S、第二层垂向纵波速度V P0、第二层水平向快纵i+1
波速度的方位角α ；
[0086] 步骤7：对初始模型的各参数进行微小扰动，生成相应扰动后的新模型；
[0087] 步骤8：基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分方法，对初始模型和参数扰动后的模型分别进行地震波场正演数值模拟，生成各模型的正演地震波场数据；
[0088] 步骤9：对模型正演后生成的地震波场数据进行带通滤波，以便去除数值计算所带来的一些噪音；
[0089] 步骤10：由观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
[0090] 步骤11：使用共轭梯度优化算法，求解雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，来获得模型修正量；
[0091] 步骤12：使用共轭梯度反演得到的模型修正量来更新模型各向异性参数，生成新的模型各向异性参数；
[0092] 步骤13：对反演得到更新的模型进行地震波场正演数值模拟，求取波场误差矢量和目标函数；
[0093] 目标函数O为观测地震波场和正演数值模拟地震波场振幅残差的平方和：Apr为预测的数据，Aob为观测数据，N是时间域的样点数
[0094] 步骤14：判断是否结束当前地层的优化反演，进入下一地层的优化反演。如果波场误差矢量的改变小于一个极小值或者达到最大层反演迭代次数，则结束对当前地层的优化反演，回到步骤6，开始对下一地层的优化反演；否则，继续对当前地层进行优化反演；
[0095] 步骤15：判断是否结束反演。当所有地层都执行过优化反演，且目标函数足够小，则结束本次反演；或对模型整体反演迭代的次数达到最大反演迭代次数，同样结束本次反演；否则，回到步骤5，更新模型，进入下一轮逐层剥壳反演优化；
[0096] 步骤16：把反演得到的三个正交方向上的纵波速度(V90F、V90S、VP0)转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数(ε1、ε2、δ1、δ2、δ3)。
[0097] 根据上述发明实施例进行仿真试验验证，设计了一个具有四层介质的水平层状地质模型进行仿真试验。
[0098] 本发明实施例仿真试验的地质模型示意图如图3所示。第一层介质为垂向对称轴的横向各向异性介质(Vertical Transverse Isotropy，VTI)，第一层介质水平方向快纵波1 1
速度V90F为：2300m/s，第一层介质水平方向慢纵波速度V90S为：2300m/s，第一层介质垂向
1 1 1
纵波速度VP0为：2000m/s，第一层水平向快纵波速度的方位角α 为：0度，厚度为：h450m，其Tsvankin无量纲各向异性参数的值相应为：ε1＝δ1＝0.15，ε2＝δ2＝0.15，δ3＝
0；第二层介质为正交各向异性介质(Orthorhombic anisotropy)，第二层介质水平方向快
2 2
纵波速度V90F为：2300m/s，第二层介质水平方向慢纵波速度V90S为：2300m/s，第二层介质
2 2
垂向纵波速度VP0为：2000m/s，第二层水平向快纵波速度的方位角α 为：29度，厚度为：
2
h ＝350m，其Thomsen无量纲各向异性参数的值相应为：ε1＝δ1＝0.17，ε2＝δ2＝
0.06，δ3＝0.11；第三层介质为水平对称轴的横向各向异性介质(HorizontalTransverse
3
Isotropy，HTI)，第三层介质水平方向快纵波速度V90F为：2003m/s，第三层介质水平方向
3 3
慢纵波速度V90S为：1830m/s，第三层介质垂向纵波速度VP0为：2003m/s，第三层水平向
3 3
快纵波速度的方位角α 为：60度，厚度为：h ＝150m，其Tsvankin无量纲各向异性参数的值相应为：ε1＝δ1＝0，ε2＝δ2＝-0.1，δ3＝0.11；第四层介质为各向同性介质
4
(Isotropy)，纵波速度为：Vp＝3500。
速度V90F为：2300m/s，第一层介质水平方向慢纵波速度V90S为：2300m/s，第一层介质垂向
1 1 1
纵波速度VP0为：2000m/s，第一层水平向快纵波速度的方位角α 为：0度，厚度为：h450m，其Tsvankin无量纲各向异性参数的值相应为：ε1＝δ1＝0.15，ε2＝δ2＝0.15，δ3＝
0；第二层介质为正交各向异性介质(Orthorhombic anisotropy)，第二层介质水平方向快
2 2
纵波速度V90F为：2300m/s，第二层介质水平方向慢纵波速度V90S为：2300m/s，第二层介质
2 2
垂向纵波速度VP0为：2000m/s，第二层水平向快纵波速度的方位角α 为：29度，厚度为：
2
h ＝350m，其Thomsen无量纲各向异性参数的值相应为：ε1＝δ1＝0.17，ε2＝δ2＝
0.06，δ3＝0.11；第三层介质为水平对称轴的横向各向异性介质(HorizontalTransverse
3
Isotropy，HTI)，第三层介质水平方向快纵波速度V90F为：2003m/s，第三层介质水平方向
3 3
慢纵波速度V90S为：1830m/s，第三层介质垂向纵波速度VP0为：2003m/s，第三层水平向
3 3
快纵波速度的方位角α 为：60度，厚度为：h ＝150m，其Tsvankin无量纲各向异性参数的值相应为：ε1＝δ1＝0，ε2＝δ2＝-0.1，δ3＝0.11；第四层介质为各向同性介质
4
(Isotropy)，纵波速度为：Vp＝3500。
[0099] 模拟观测数据使用了和反演中相同的正演模拟方法和程序，即基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分的方法来进行模拟产生各向异性介质的地震响应信号。对于水平分布的地层，共炮点道集与共中心点道集的地震响应信号是一样的，而该仿真试验使用的地质模型为水平层状介质模型，所以，在本发明实施例中，以对共炮点道集的地震响应信号进行全波形反演为例来介绍本发明技术方案。如图3所示，震源位置为(x，y，z)＝(30，30，40)米，正演模拟使用爆炸震源，检波器布置在一个二维矩形的网格上，和震源位于同样的深度，x和y方向上的偏移距都是从0到1000米，且道间距为10m，模型的侧面和底面均采用吸收边界条件，地表采用自由边界条件，子波采用中心频率为12Hz的雷克子波。
[0100] 通过检波器采集共炮点道集的地震响应信号数据，然后由共炮点道集的地震信号抽成共中心点道集数据，得到的共中心点道集的地震响应信号的波形图。如图4所示，D为直达波，R1为第一层和第二层介质之间的第一个反射界面的反射波，R2为第二层和第三层之间的第二个反射界面的反射波，R3为第三和第四层之间的第三个反射界面的反射波。
[0101] 对于同一个共中心点，分别对X和Y两个方向的共中心点道集，进行各向同性动校正来估计初始的模型参数。通过各向同性动校正建立的初始模型保证了模拟的合成记录在近道据有正确的旅行时，从而避免了周跳，使得线性反演能够迭代逐步逼近正确结果。
[0102] 每一层使用5个参数来描述各向异性。为了减少每次迭代过程中的未知数的个数，采用逐层剥壳的策略，把反演全部参数的过程划分为多个独立反演两层模型的反演过程，每次仅反演相邻两层，从而把每次反演的参数个数减少到9个，对应图2中的扰动参数i1至9，其中5个为上覆地层的参数(第一层水平方向上快纵波速度V90F、第一层水平方向i i i
上慢纵波速度V90S、第一层垂向纵波速度VP0、第一层水平向快纵波速度的方位角α、第一i i+1
层地层厚度h)，4个为下伏地层的参数(第二层水平方向上快纵波速度V 90F、第二层水i+1 i+1
平方向上慢纵波速度V 90S、第二层垂向纵波速度V P0、第二层水平向快纵波速度的方位角i+1
α )，下覆底层视为半无限空间，不反演第二层地层的厚度。
上慢纵波速度V90S、第一层垂向纵波速度VP0、第一层水平向快纵波速度的方位角α、第一i i+1
层地层厚度h)，4个为下伏地层的参数(第二层水平方向上快纵波速度V 90F、第二层水i+1 i+1
平方向上慢纵波速度V 90S、第二层垂向纵波速度V P0、第二层水平向快纵波速度的方位角i+1
α )，下覆底层视为半无限空间，不反演第二层地层的厚度。
[0103] 采用逐层剥壳的策略，从第一层开始到倒数第二层，逐层循环反演，直到反演完所有的地层。对于本实施例仿真试验的地质模型而言，共有4层介质，采用剥壳策略逐层循环反演所有地层需要反演3次，即第一次反演用于反演第一和第二层介质的各向异性参数，第二次反演用于反演第二和第三层介质的各向异性参数，第三次反演用于反演第三和第四层介质的各向异性参数。如果第一轮反演后，误差仍未达到足够小，则进入第二轮逐层循环反演，如此反复迭代，直到达到足够的精度为止。
[0104] 对于本实施例仿真试验的地质模型，首先反演第一和第二层。仿真试验的地质模型的第一层为VTI介质，第二层为正交各向异性介质；用于反演的初始模型是使用各向同性NMO动校得到的，初始模型参数见表1。初始模型和正确模型的残差剖面如图5a所示，残差剖面上可以看到直达波D和三个反射界面的反射波R1、R2和R3。如果反演得到的第一和第二层的参数接近真实模型的准确值，则在残差剖面上直达波D和第一层和第二层之间的第一反射界面反射波R1就会消失，而反射波R2和R3则保持不变。图5a至图5d所示为第一和第二层反演不同迭代次数时，在y＝1000m处的二维残差剖面。图5b为迭代两次后的残差剖面，图5c为迭代五次后的残差剖面，图5d为迭代七次后的残差剖面。如图5b所示，迭代两次后，直达波D就没有了。反射波R1也随着迭代次数的增加而逐渐减弱，但不会完全消失。
[0105]
[0106]
[0107] 表1
[0108]
[0109] 表2
[0110] 反演第一和第二层后，第一层的反演结果如表1所示，反演第一和第二层后，第二层的反演结果如表2所示，从表1和表2可以看出，经过七次迭代反演，第一层反演的参数最终已经非常接近真实准确的参数值。第二层的反演参数还存在一些误差，这与图5a至图5d所示的残差剖面看到的结果是一致的。这是因为第一层和第二层的反演，只能准确的反演出第一层的参数，对于第二层而言仍然存在误差，需要进行第二和第三层反演来获得第二层的准确参数。
[0111] 反演第二和第三层介质。用第一和第二层的反演结果作为第二和第三层反演的初始模型，该初始模型有三层介质组成。第二和第三层介质的模型参数通过反演拟合R1和R2反射波来实现。经过5次迭代反演后，第二层介质获得了很好的反演结果，反演第二和第三层后，第二层的反演结果如表3所示。
[0112]
[0113]
[0114] 表3
[0115] 反演第三和第四层介质。用前面两次反演的结果作为第三和第四层反演的初始模型，通过反演拟合R2和R3反射波来实现对第三层和第四层介质的反演。图6a和图6b所示分别为迭代两次和迭代4次后，在y＝1000m处的二维残差剖面。随着迭代次数的增加，残差剖面上R2和R3反射波逐渐减弱。迭代4次后，残差剖面上基本上已经没有反射波了，误差小于期望的最小误差值，终止反演程序，此结果即为最终反演结果。图6b所示为观测数据和最终反演得到的速度模型的正演模拟数据的波场残差。
[0116]
[0117]
[0118] 表4
[0119] 最终，四层模型的反演结果见表4。反演结果与正确的模型参数相比较，4层19个参数都得到了很好的反演结果，所有参数的误差都小于2％。第4层同样也拟合的非常好，这是由于第4层位各向同性半无限介质，只需要顶界面反射波的约束就可以获得很好的反演结果。
[0120] 通过对本发明实施例进行的上述仿真试验，验证了地震各向异性参数全波形反演方法的有效性，仅使用从地表获得的地震纵波观测数据就可以准确反演得到地下介质的所有各向异性参数。在本发明实施例中，同时利用地震数据中的走时和振幅信息，采用全波形反演的方法，使得各向异性参数反演结果精度高，一方面为地质目标的精确成像提供了基础，另一方面可以提高储层预测的精度，尤其是裂缝型储层预测的准确性，从而为石油与天然气的勘探开发提供技术支持。
[0121] 本发明实施例还提供了一种地震各向异性参数全波形反演的装置。图7为本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演装置的整体功能框图，如图7所示，该装置包括：
[0122] 地震数据获取单元，用于获取将要进行各向异性参数反演的地震纵波数据；
[0123] 去噪处理单元，用于对地震数据去除面波和其它干扰噪音的去噪处理；
[0124] 速度分析单元，使用地震CMP道集资料，利用传统的NMO速度分析方法，计算出水平地层的层速度；
[0125] 初始模型构建单元，使用速度分析单元计算的层速度，通过插值的方式构建用于反演的初始模型；
[0126] 模型参数扰动单元，对初始模型的各参数进行微小扰动，分别重新生成相应的新模型；
[0127] 波场正演模拟单元，基于三维各向异性标量波动方程，采用有限差分的方法来模拟各向异性介质的地震波场响应；
[0128] 滤波单元，对模型正演后生成的地震波场数据进行带通滤波，以便去除数值计算所带来的一些噪音信号；
[0129] 并行计算单元，地震波场正演数值模拟计算量大，非常耗费机时，基于MPI消息传递模式，来实现地震波场模拟的并行计算，提高计算效率；
[0130] 雅克比矩阵生成单元，由观测波场数据和模型正演波场数据计算波场误差矢量，由模型正演波场数据和模型参数扰动后的正演波场数据计算雅克比矩阵；
[0131] 参数优化单元，使用共轭梯度优化算法，求解雅克比矩阵和波场误差矢量组成的线性方程组，来获得更新的模型各向异性参数；
[0132] 各向异性参数换算单元，把反演得到的三个方向上的正交纵波速转化为等价的Tsvankin无量纲各向异性参数。
[0133] 本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演装置的工作过程已在前面的方法实施中详述，故不再赘述。
[0134] 本发明实施例的地震各向异性参数全波形反演装置的优点在于，可以同时利用地震数据中的走时和振幅信息，仅使用从地表获得的地震纵波观测数据就可以准确反演得到地下介质的所有各向异性参数，使得各向异性参数反演结果精度高、收敛快。
[0135] 本领域的普通科研和技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁盘、光碟、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
[0136] 以上实施例仅用以说明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细说明，本领域的科研和普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
[0137] 上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 基于OpenSees与MATLAB的逐步增量动力分析与数据处理方法 | 2020-05-11 | 335 |
| 井间弹性波层析成像系统和方法 | 2020-05-11 | 319 |
| 一种Rayleigh散射的近场散射解析方法 | 2020-05-11 | 112 |
| 流体饱和度地震反演方法及系统 | 2020-05-13 | 600 |
| 一种起伏地表偏移输入地震数据的静校正方法 | 2020-05-13 | 325 |
| 地震声学波动方程矢量并行计算方法 | 2020-05-08 | 951 |
| 一种偏移成像方法、装置及电子设备 | 2020-05-12 | 562 |
| 地面压裂的监测方法 | 2020-05-08 | 695 |
| 铁路客站用智能机器人 | 2020-05-12 | 796 |
| 新型水下MEMS双检检波器 | 2020-05-08 | 432 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈