CN103913768A - 基于地震波资料对地表中浅层进行建模的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地震波资料对地表浅层进行建模的方法和装置，该方法包括：对地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型，基于该第一模型和感兴趣深度来确定早至波的传播时间和偏移距；根据传播时间和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据；在第一模型基础上根据确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据；对观测数据和计算数据进行数据域拟合，以得到梯度，从而进一步得到速度更新模型；将第一模型与速度更新模型进行叠加得到第二模型，上述步骤重复执行，直到求取的速度更新模型达到全局最优。仅使用部分早至波信息，减小了目标函数的非线性，采用小偏移距信息，减少了误差积累，因此本发明更易收敛到全局最优解。

Description

基于地震波资料对地表中浅层进行建模的方法及装置

技术领域

本发明涉及地震勘探技术，具体说，涉及一种在地震勘探中基于地震波资料对地表中浅层进行建模的方法及装置。

背景技术

地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是钻探前勘测石油、天然气资源、固体资源地质找矿的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面得到广泛应用。

在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面。地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。地震勘探在分层的详细程度和勘查的精度上，都优于其他地球物理勘探方法。

然而，在地震勘探中，对地表浅层进行建模的技术一直是速度建模的难点。目前，较为常用的是基于射线类的初至走时层析反演的方法。这类方法计算简单，不要求准确的背景速度场，适用于复杂地表情况，是近年来解决近地表及浅层速度建模的常用方法。但是，这种方法基于高频假设的最短路径原理，在低速体发育的情况下，该技术存在建模的“盲区”。此外，射线类方法对射线密度敏感。当速度变化剧烈，即使是高速异常体，由于全反射现象的发生，将严重影响射线的密度，继而降低反演的精度。

此外，在实际资料应用中，初至波资料的拾取工作量巨大，人工拾取存在误差，且当地表复杂的情况下很难准确地拾取到所有的初至波资料。

虽然，现有技术中还存在通过全波形反演（Full Waveform Inversion，FWI）方法来进行建模的技术。但这一新方法的实现还有很多的限制，如需要针对资料具有大偏移距、低频信息等的特点，才能使用。

因此，需要提供一种对原始资料要求不那么严格并且又能准确反映实际地表结构的建模方法和技术。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于地震波资料对地表浅层进行建模的方法，其包括以下步骤：

S101、对地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型，基于该第一模型和感兴趣深度来确定早至波的传播时间t_s和偏移距；

S102、根据所述传播时间t_s和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据d_obs；

S103、采用波动方程方法在所述第一模型基础上根据确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据d_cal；

S104、基于反演算法对所述观测数据d_obs和所述计算数据d_cal进行数据域拟合，以得到梯度，从而进一步得到速度更新模型；

S105、将所述第一模型与速度更新模型进行叠加得到第二模型，将所述第二模型作为第一模型并反复执行步骤S103和步骤S104，直到求取的速度更新模型达到一预设值时，将最后这次得到的第二模型作为反映真实地层结构的最终速度模型进行输出。

在本发明中，早至波为到达检波器的所有在第一层基岩传播的波。

根据本发明的一个实施例，在步骤S101中，传播时间t_s选取为小于零炮距反射波到达的时间。

根据本发明的一个实施例，在步骤S101中，结合近地表实际情况来确定偏移距。

根据本发明的一个实施例，在步骤S104中，所述反演算法的目标函数为误差函数C（m）：

$C\left(m\right)=\frac{1}{2}<d_{\mathrm{cal}}-d_{\mathrm{obs}}|d_{\mathrm{cal}}-d_{\mathrm{obs}}>$

所述预设值为当观测数据d_obs和计算数据d_cal的最小二乘的误差函数接近零时的速度更新模型。

根据本发明的一个实施例，在步骤S104中，所述梯度通过采用伴随状态法来得到。

在一个实施例中，所述梯度通过以下公式来计算：

其中，B为正演算子，表示对正演算子的模型参数求导，为正传波场，B^-lt为残差反传算子，Δd为观测数据d_obs和计算数据d_cal之间的误差。

为了使模型更快速、准确地收敛到全局最优，在步骤S101中，可采用初至层析反演方法得到所述第一模型。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于地震波资料对地表浅层进行建模的装置，其包括：

预处理装置，其对地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型，基于该第一模型和感兴趣深度来确定早至波的传播时间t_s和偏移距；

早至波观测数据提取装置，其根据所述传播时间t_s和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据d_obs；

早至波计算数据提取装置，其采用波动方程方法在所述第一模型基础上针对确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据d_cal；

拟合装置，其基于反演算法对所述观测数据d_obs和所述计算数据dcal进行数据域拟合，从而求取梯度，进而求取速度更新模型；

最终速度模型迭代输出装置，其将所述第一模型与速度更新模型进行叠加得到第二模型，将所述第二模型作为第一模型传送给所述早至波计算数据提取装置，并反复进行早至波计算数据提取和拟合，直到在所述拟合装置中求取的速度更新模型达到一预设值时，将最后这次得到的第二模型作为反映真实地层结构的最终速度模型进行输出。

本发明带来了以下有益效果：

早至波波形反演，较全波形反演而言，仅使用部分早至波信息，减小了目标函数的非线性，采用小偏移距信息，减少了误差积累，因此早至波波形反演更易收敛到全局最优解，减少周期跳跃的风险。这种方法仅适合解决近地表和中浅层的建模问题，对早至波影响范围以外的区域有局限性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例对早至波的定义的示意图；

图2显示了采用本发明方法进行进行地表浅层建模的流程图；

图3显示了地表浅层的真实速度模型的示意图；

图4显示了采用本发明方法进行反演时给定的初始速度模型示意图；

图5显示了初至走时层析反演结果的示意图；

图6显示了采用本发明的方法进行建模得到的速度模型示意图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

地震勘探过程由地震数据采集、数据处理和地震资料解释三个阶段组成。本发明主要针对采集的原始资料进行处理以利于最终的资料解释。

下面，首先简单介绍本发明提出的早至波的基本概念。

早至波和初至波一样，在物理意义上并不特指某一类型的波。它实际上包含了很多波的信息，如直达波、首播、透射波、回折波、折射波等。早至波的英文全称为early arrival waves。因此和初至波（first arrival wave）是有很大区别的。

初至波是指被检波器首先记录的最先到达的直达波、首播、透射波等波中的一种。早至波则是指初至到达之后一段时间内被检波器记录下来的这些波的集合，如图1所示，由标记10和11表示的线之间的区域内包含的均为早至波信息。

在近偏移距，早至波主要表现为，在第一层反射界面以上传播的波的集合。这些波没有经过反射界面改造，其波形信息中含有该区域内速度异常体的丰富信息。因此，本发明利用这些特征波，通过波形反演的手段，来完成对这些速度异常体的重建。

而在大偏移距主要有来自深层的折射波信息，这些信息在全波形反演过程中，对深部模型的估计有着重要的意义。因此，对于近地表、中间层速度建模来说，我们将避开这些折射信息。

早至波在炮集记录上主要表现为线性特征。在常规处理去面波等线性干扰时，往往损坏了早至波的信息，而常规建模、成像手段基本不需要早至波信息，因此很多情况下早至波被当作噪音干扰去除。早至波波形反演建模，主要使用近偏移距的早至波的走时及波形信息，因此在实际资料应用过程中需要对早至波予以保幅、保真的处理。

早至波波形反演建模方法利用早至波这一特征波波形信息，基于全波形反演理论实现对近地表、中浅层的速度建模。和全波形反演一样，基于波动方程理论，使用波传播的运动学和动力学信息。不同的是，本发明仅使用早至波的信息，而并不像全波形反演那样模拟全波场的信息，完成全波场的数据拟合。因此，降低了问题的复杂度，使收敛过程更容易达到全局最优解。另外，根据针对的问题，近地表及中浅层的速度异常体的重建，因此我们采用小偏移距的信息，减少初始模型不准确带来的累计误差，降低周期跳跃的风险，加速收敛过程。

图1显示了初至波与早至波的对比。其中，初至波为线11指示的那些波，而早至波为线11以下200ms左右线10以上部分。因此，可以看出，本发明定义的早至波是初至波到达之后一段时间内的波的集合，其比初至波含有更丰富的地层信息。

在近地表及中浅层建模过程中，早至波发挥了重要作用。利用拾取初至波及初至后一段时窗内的信息，会带来低层折射波等干扰信息而造成反演的错误收敛。因此，正演准确的模拟出与实际资料匹配的早至波是早至波的波形反演的基础。

针对复杂近地表速度异常及复杂介质情况下，波形反演方法可以弥补传统射线理论建模的“盲区”。因此，我们不仅需要准确模拟早至波的运动学信息，早至波的动力学信息也十分重要。基于此，针对近地表及中浅层的速度建模，需要避开来自深层的含有深层地层信息的折射波等在大偏移距检波器接收到的信息，所以在近偏移距的第一层反射界面反射波到达之前的早至波是我们模拟的重点。

为了准确模拟其运动学和动力学特征，本发明对早至波的模拟采用波动方程的方法，其中声波波动方程近似可以写成式（1）的形式。而偏移距的选择视模型及近地表情况而定，一般在2km～3km左右。模拟时间小于零偏移距反射波到达时间，该时间可从实际资料中拾取。

$\frac{1}{k(x,z)}\frac{\&PartialD;p(x,z,t_s)}{\&PartialD;t}=\frac{{\&PartialD;v}_x(x,z,t_s)}{\&PartialD;x}+\frac{{\&PartialD;v}_z(x,z,t_s)}{\&PartialD;z}$

$\frac{{\&PartialD;v}_x(x,z,t_s)}{\&PartialD;t}=\frac{1}{\mathrm{\&rho;}(x,z)}\frac{\&PartialD;p(x,z,t_s)}{\&PartialD;x}---\left(1\right)$

$\frac{{\&PartialD;v}_z(x,z,t_s)}{\&PartialD;t}=\frac{1}{\mathrm{\&rho;}(x,z)}\frac{\&PartialD;p(x,z,t_s)}{\&PartialD;z}$

式中：P为压力场，Vx、Vz分别为横向和纵向速度场，k=ρv2，ts为早至波传播时间，一般选取至零偏移距反射波到达时间（或较明显反射层反射波到达时间）。

接下来，讨论波形反演的问题。地球物理反演问题分为射线类反演、线性反演和非线性反演三大类。射线类反演存在建模的“盲区”，尤其在中浅层低降速带发育的区块，这类方法很难提供比较准确的速度模型。而线性反演需要假设数据局部线性，通常对局部反演有很好的效果，且要求一个比较准确的背景速度场。

因此，非线性的反演方法将是处理中浅层建模的理想方法。Tarantola提出的基于最小二乘的全波形反演理论对波形反演起到了很大推进作用。本发明将早至波引入这一理论体系，利用早至波信息，完成早至波的波形反演。

首先，定义误差泛函为：

其中：C为误差函数，L2为误差泛函，Δd为观测数据及模拟数据残差。计算数据与观测数据拟合的过程，也就是模型逼近真实模型的过程。梯度求取为了避开Frechet矩阵的海量计算，可采用伴随状态法，可写为下式：

其中：m为模型参数，U为正传波场，B为正演算子，Δd为观测数据和计算数据之间的误差，B^-lt为残差反传算子。令梯度函数为0，即求得扰动模型。

最终，真实模型为初始模型和扰动模型之和，如4式：

M＝M₀+ΔM   （4）

其中：M为真实模型，M₀为初始模型，ΔM为扰动模型。

早至波波形反演是一个非线性的过程。因此，该过程往往需要多次迭代。此外，由于梯度仅能表示误差的收敛方向，往往还需要求取一个合适的步长。合适的步长选取可以加快反演的计算效率和精度。该步长可以通过例如共轭梯度法、L-BFGS等高效的解法来计算。然而，现有技术中还有很多其它关于初至波波形反演的方法和步长选取的技术。为了不模糊本发明，这里不详细论述各种这样的技术。

下面，按照计算机实现的方式结合图2介绍本发明方法的整个实现过程。

如图2所示，基于地震波资料对地表浅层进行建模的方法开始于步骤S101。在该步骤中，对采集的地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型M₀，基于该第一模型M₀和感兴趣深度来确定早至波的传播时间t_s和偏移距。其中，结合近地表实际情况来确定偏移距。在本发明的一个实施例中，为使模型更准确、快速地收敛到全局最优，可采用初至层析反演方法得到初始模型M0，即第一模型。

在步骤S102中，根据传播时间t_s和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据d_obs。

在步骤S103中，采用波动方程方法在第一模型M₀基础上根据确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据d_cal。

在步骤S104中，基于反演算法对观测数据d_obs和计算数据d_cal进行数据域拟合，以得到梯度，从而进一步得到速度更新模型ΔM。

在步骤S105中，将第一模型M₀与速度更新模型ΔM进行叠加得到第二模型M，将第二模型作为第一模型M₀并反复执行步骤S103和步骤S104，直到求取的速度更新模型达到一预设值时，将最后这次得到的第二模型M作为反映真实地层结构的最终速度模型进行输出。

在步骤S104中，反演算法的目标函数为误差函数C（m）：

$C\left(m\right)=\frac{1}{2}<d_{\mathrm{cal}}-d_{\mathrm{obs}}|d_{\mathrm{cal}}-d_{\mathrm{obs}}>---\left(5\right)$

其也可以按照公式（2）那样表示。

预设值为当观测数据d_obs和计算数据d_cal的最小二乘的误差函数接近零时的速度更新模型。

在步骤S104中，梯度通过采用伴随状态法来得到，如上所述。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于地震波资料对地表浅层进行建模的装置，其包括：

预处理装置，其对地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型，基于该第一模型和感兴趣深度来确定早至波的传播时间t_s和偏移距；

早至波观测数据提取装置，其根据所述传播时间t_s和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据d_obs；

早至波计算数据提取装置，其采用波动方程方法在所述第一模型基础上针对确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据d_cal；

拟合装置，其基于反演算法对所述观测数据d_obs和所述计算数据dcal进行数据域拟合，从而求取梯度，进而求取速度更新模型；

最终速度模型迭代输出装置，其将所述第一模型与速度更新模型进行叠加得到第二模型，将所述第二模型作为第一模型传送给所述早至波计算数据提取装置，并反复进行早至波计算数据提取和拟合，直到在所述拟合装置中求取的速度更新模型达到一预设值时，将最后这次得到的第二模型作为反映真实地层结构的最终速度模型进行输出，

其中，早至波信息为到达检波器的所有在第一层基岩传播的波的信息。

图3显示了地表浅层的真实速度模型。如图所示，深色圆圈表示高速异常体，白色圆圈表示低速异常体。

图4显示了采用本发明方法进行反演时给定的初始速度模型。而图5显示了初至走时层析反演结果。由此看出，其并未准确地反映真实速度模型。在图6中，可以看出采用本发明的方法进行建模得到的速度模型比较准确地反映了实际情况。为了使本发明的方法更快速地收敛到全局最优，其采用的初始速度模型可以是初至走时层析得到的模型。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于地震波资料对地表浅层进行建模的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、对地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型，基于该第一模型和感兴趣深度来确定早至波的传播时间t_s和偏移距；

S102、根据所述传播时间t_s和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据d_obs；

S103、采用波动方程方法在所述第一模型基础上根据确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据d_cal；

S104、基于反演算法对所述观测数据d_obs和所述计算数据d_cal进行数据域拟合，以得到梯度，从而进一步得到速度更新模型；

S105、将所述第一模型与速度更新模型进行叠加得到第二模型，将所述第二模型作为第一模型并反复执行步骤S103和步骤S104，直到求取的速度更新模型达到一预设值时，将最后这次得到的第二模型作为反映真实地层结构的最终速度模型进行输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，早至波为到达检波器的所有在第一层基岩传播的波。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S101中，传播时间t_s选取为小于零炮距反射波到达的时间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S101中，结合近地表实际情况来确定偏移距。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S104中，所述反演算法的目标函数为误差函数C（m）：

$C\left(m\right)=\frac{1}{2}<d_{\mathrm{cal}}-d_{\mathrm{obs}}|d_{\mathrm{cal}}-d_{\mathrm{obs}}>$

所述预设值为当观测数据d_obs和计算数据d_cal的最小二乘的误差函数接近零时的速度更新模型。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S104中，所述梯度通过采用伴随状态法来得到。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述梯度通过以下公式来计算：

其中，B为正演算子，表示对正演算子的模型参数求导，为正传波场，B^-lt为残差反传算子，Δd为观测数据d_obs和计算数据d_cal之间的误差。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S101中，采用初至层析反演方法得到所述第一模型。

9.一种基于地震波资料对地表浅层进行建模的装置，其特征在于，包括：

预处理装置，其对地震波原始资料进行预处理，并得到第一模型，基于该第一模型和感兴趣深度来确定早至波的传播时间t_s和偏移距；

早至波观测数据提取装置，其根据所述传播时间t_s和偏移距来从原始资料中提取关于早至波的观测数据d_obs；

早至波计算数据提取装置，其采用波动方程方法在所述第一模型基础上针对确定的传播时间t_s和偏移距来产生关于早至波的计算数据d_cal；

拟合装置，其基于反演算法对所述观测数据d_obs和所述计算数据dcal进行数据域拟合，从而求取梯度，进而求取速度更新模型；

最终速度模型迭代输出装置，其将所述第一模型与速度更新模型进行叠加得到第二模型，将所述第二模型作为第一模型传送给所述早至波计算数据提取装置，并反复进行早至波计算数据提取和拟合，直到在所述拟合装置中求取的速度更新模型达到一预设值时，将最后这次得到的第二模型作为反映真实地层结构的最终速度模型进行输出，

其中，早至波信息为到达检波器的所有在第一层基岩传播的波的信息。