CN106324662B - 一种针对目标层的全波形反演方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对目标层的全波形反演方法及***，该方法包括：基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型；优选偏移距，并基于优选的偏移距和初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟；基于模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型。本发明以全偏移距反演结果作为初始模型，利用中远偏移距信息再次进行全波形反演，使得反演结果有了大幅提高。

Description

一种针对目标层的全波形反演方法及***

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，具体地说，涉及一种针对目标层的全波形反演方法及***。

背景技术

采用海上地震资料进行全波形反演已经取得了应用上的成功，但采用陆地地震资料进行全波形反演还没有取得应用上的成功。这主要是因为常规的陆地地震资料缺少全波形反演所需的低频信息，而低频信息是全波形反演的基础，低频信息的缺失，在很大程度上限制了全波形反演的实用性，再加上陆地地震资料品质差，噪音干扰严重，更限制了全波形反演的应用。尤其地，在针对目标层进行描述时，不仅需要低频信息，还需要大偏移距信息，而常规反射波陆地地震勘探缺失这些信息。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种针对目标层的全波形反演方法及***，用以解决在缺失低频信息和大偏移距信息条件下，提高目标层的全波形反演精度。

根据本发明的一个方面，提供了一种针对目标层的全波形反演方法，包括：

基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型；

优选偏移距，并基于优选的偏移距和所述初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟；

基于模拟的特征波与所述优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对所述初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型。

根据本发明的一个实施例，建立基于全波场反演的初始速度模型的步骤进一步包括：

根据地质模型建立正演模型并进行正演，以获取针对该地质模型的模拟记录；

计算实际观测记录与所述模拟记录的残差，以获取第一残差回传波场；

基于所述第一残差回传波场计算第一迭代梯度，并基于所述第一迭代梯度计算速度更新量来更新正演模型，从而建立基于全波场反演的初始速度模型。

根据本发明的一个实施例，在优选偏移距时，以等价目标层深度1-2倍的偏移距作为优选的偏移距。

根据本发明的一个实施例，其特征在于，建立针对目标层的全波形反演模型的步骤进一步包括：

计算模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差；

基于模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差，以获取第二残差回传波场；

基于所述第二残差回传波场计算第二迭代梯度，并基于所述第二迭代梯度计算速度更新量来更新所述初始速度模型；

判断更新后的初始速度模型是否满足精度要求，若满足，则将该模型作为所述全波形反演模型输出，否则，以更新后的初始速度模型为基础进行特征波模拟，返回计算模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差的步骤。

根据本发明的一个实施例，基于第一迭代梯度计算速度更新量和基于第二迭代梯度计算速度更新量通过以下步骤得到：

通过伴随状态法计算迭代梯度，所述迭代梯度为第一迭代梯度或第二迭代梯度，所述迭代梯度通过下式计算得到：

对所述迭代梯度进行预处理以得到速度更新量Δm；

基于所述速度更新量Δm，利用下式完成模型的更新迭代：

m_i+1＝m_i+Δm

其中，m_i+1为当前迭代得到的模型，m_i为此次迭代的初始模型。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种针对目标层的全波形反演***，包括：

初始速度模型建立模块，基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型；

特征波模拟模块，用于优选偏移距，并基于优选的偏移距和所述初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟；

全波形反演模型建立模块，基于模拟的特征波与所述优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对所述初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型。

根据本发明的一个实施例，所述初始速度模型建立模块包括：

正演模型建立单元，根据地质模型建立正演模型进行正演，以获取针对该地质模型的模拟记录；

第一残差回传波场计算单元，计算实际观测记录与所述模拟记录的残差，以获取第一残差回传波场；

初始速度模型确定单元，基于所述第一残差回传波场计算第一迭代梯度，并基于所述第一迭代梯度计算速度更新量来更新正演模型，以确定所述初始速度模型。

根据本发明的一个实施例，在优选偏移距时，以等价目标层深度1-2倍的偏移距作为优选的偏移距。

根据本发明的一个实施例，所述全波形反演模型建立模块包括：

残差计算单元，计算模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差；

第二残差回传波场计算单元，基于模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差，以获取第二残差回传波场；

速度更新量计算单元，基于所述第二残差回传波场计算第二迭代梯度，并基于所述第二迭代梯度计算速度更新量来更新所述初始速度模型；

判断单元，判断更新后的初始速度模型是否满足精度要求，若满足，则将该模型作为所述全波形反演模型输出，否则，以更新后的初始速度模型为基础进行特征波模拟，返回计算模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差的步骤。

根据本发明的一个实施例，所述初始速度模型确定单元基于第一迭代梯度计算速度更新量和速度更新量计算单元基于第二迭代梯度计算速度更新量可以通过以下步骤得到：

通过伴随状态法计算迭代梯度，所述迭代梯度为第一迭代梯度或第二迭代梯度，所述迭代梯度通过下式计算得到：

对所述迭代梯度进行预处理以得到速度更新量Δm；

基于所述速度更新量Δm，利用下式完成模型的更新迭代：

m_i+1＝m_i+Δm

其中，m_i+1为当前迭代得到的模型，m_i为此次迭代的初始模型。

本发明通过偏移距优选，联合传统全波形反演策略，在缺少低频陆上地震资料的情况下，使用伴随状态法的全波形反演策略实现特征波的全波形反演，以全偏移距全波形反演结果作为后续反演的初始模型，再以中远偏移距利用通过目标层的特征波走时和波形信息不断改善目标层，逐步逼近全波形反演的结果和精度，完成利用陆上最低可用频段资料针对目标层的全波形反演。

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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1为根据本发明的一个实施例的方法流程图；

图2为根据本发明的一个实施例的算法流程图；

图3为根据本发明的一个实施例的最初的初始速度模型(正演模型)；

图4为基于图3得出的基于全波形反演的初始速度模型；

图5为基于图4得出的全波形反演模型；以及

图6为图5对应的真实地质模型。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例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，本发明中的各个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。

全波形反演技术(FWI)是当前勘探地球物理领域的研究热点，全波形反演的原理是：给定一个初始模型，通过正演模拟得到其传播波场，将模拟结果与实际采集资料进行对比，若两者的误差没有满足给定的精度要求，则修正模型，重复上述操作，直到达到设定要求。全波形反演是在实际资料约束下逐步寻优的过程。

全波形反演在采用海上地震资料进行反演已经取得了应用上的成功，但在采用陆上地震资料进行反演还没有看到应用成功的案例。针对这种情况，本发明提供了一种采用陆上地震资料进行全波形反演的方法及***。如图1为根据本发明的一个实施例的方法流程图，图2为根据本发明的一个实施例的算法流程图，以下参考图1和图2来对本发明进行详细说明。

首先，在步骤S110中，基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型。

在该步骤中，建立初始速度模型进一步包括以下的几个步骤。首先，在步骤S1101中，基于地质勘探数据，建立地质模型的正演模型来进行正演，以获取针对该地质模型的模拟记录。正演是反演的基础，正演在反演过程中的应用体现在模拟数据的计算，决定了模拟数据的计算效率和精度。

在该步骤中，通过地震、钻井等勘探技术及数据处理技术，获取建立正演模型所需的地质模型参数。然后，基于这些地质模型参数正演来建立正演模型，从而计算得到针对该地质模型的模拟地震数据(即模拟记录)。正演模拟的主要实现方法包括射线追踪法、积分方程法和波动方程法等。由于波动方程法既能够保持地震波的运动学特性，也能够保持地震波的动力学特性，因此，在地震波正演模拟中得到了广泛应用。

通过正演建立地质模型的模拟记录后，进入接下来的反演过程。在步骤S1102中，计算观测记录与模拟记录的残差(即第一残差)，以获取第一残差回传波场。残差回传又称为伴随波场，即将残差视为震源逆时传播而获取。正传波场与回传波场相关才能求取速度更新量，即所需的梯度信息。

接下来，在步骤S1103中，基于第一残差回传波场计算第一迭代梯度，并基于该迭代梯度计算速度更新量来更新正演模型，从而建立基于全波场反演的初始速度模型。

在该步骤中，首先需要基于第一残差回传波场计算第一迭代梯度。由于全波形反演是一个高度非线性问题，为了极大程度的降低问题的非线性，使用频率域多尺度迭代算法，从低频逐步走向高频的反演策略。在最为核心的频率域梯度求取过程中，利用伴随状态法。这一方法仅需一个震源正传波场和残差回传波场的相关得到梯度值，避开了Frechet矩阵的导数，使梯度计算更加方便、高效。因此，此处采用伴随状态法求取第一迭代梯度。第一迭代梯度可通过下式计算得到：

接下来对求取的梯度进行预处理即可到速度更新量Δm。此处的预处理可采用求取海瑟矩阵，利用海瑟矩阵对梯度进行校正。如果精度要求不高，也可以不做预处理。

最后，利用下式完成模型的更新迭代：

m_i+1＝m_i+Δm (2)

m_i+1为当前迭代得到的模型，m_i为此次迭代的初始模型。基于式(2)对模型进行更新迭代，直到得到的速度更新量Δm在设定的目标范围内，即停止迭代，从而得到基于全波场反演的初始速度模型。

步骤S110中建立的初始速度模型只能实现地质模型低波数的恢复，不能完成目标层的高精度重建，尤其在数据资料不满足大偏移距、全方位角以及低频信息的情况下。为了实现对目标层的重建，我们利用以上建立的初始速度模型作为我们针对目标层反演的初始模型，用以进一步地进行针对目标层的反演。

在接下来的步骤S120中，优选偏移距，并基于优选的偏移距和初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟。根据目标层的不同，选取不同的特征波，特征波即能表征目标层特征的有效波。例如，埋深在1.5km左右的储层，6km里左右的偏移距直达波和潜波信息都可以作为有效波利用。而埋深较深超过3km时，只能选取通过储层的折射波。

从包含全部偏移距的陆上地震资料中选择针对目标层的偏移距信息，在地质模型不太复杂的情况下，可选取等价目标层深度1-2倍的偏移距进行反演。例如，目标层埋深在2.5-3km，就可以利用2.5-6km的偏移距信息。

确定优选的偏移距后，基于优选的偏移距和初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟，以得到全波形反演的初始速度模型的模拟的特征波。

最后，在步骤S130中，基于模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型。在该步骤中，以优选的偏移距对应目标层的模拟的特征波与相同的优选的偏移距对应目标层的实际特征波的残差为基础，对初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型。针对目标层的全波形反演模型可通过以下的几个步骤实现。

首先，在步骤S1301中，计算模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差(即第二残差)。此处对偏移距进行优选预处理，即按以上的选取方法，选取等价目标层深度1-2倍的偏移距。

接下来，在步骤S1302中，基于模拟的特征波与优选的偏移距对应目标层的实际特征波的残差，以获取第二残差回传波场。计算第二残差回传波场与计算第一残差回传波场的方法相同，此处不再详述。

接下来，在步骤S1303中，基于第二残差回传波场计算第二迭代梯度，并基于第二迭代梯度计算速度更新量来更新初始速度模型。计算第二迭代梯度与计算第一迭代梯度的方法相同，此处不再详述

最后，在步骤S1304中，判断更新后的初始速度模型是否满足精度要求，若满足，则将该模型作为全波形反演模型输出，否则，以更新后的全波场初始模型为基础进行特征波模拟，返回步骤S1301。此处判断是否满足精度要求，通过观测速度场上是否有明显的速度异常，如无明显的速度异常，则满足精度要求，否则，不满足精度要求。

以下通过一个具体的实施例来对本发明的可行性进行验证说明。如图3所示为使用射线等手段获取的最初的初始速度模型，即根据地质模型建立的正演模型。图4为通过步骤S110建立的基于全偏移距全波形反演得到的初始速度模型，即全波场反演初始速度模型，也即现有的常规反演手段获得的反演结果。图5为经过步骤S110-S140后的反演结果，即全波形反演模型。图6为进行全波形反演的真实地质模型。

由图4和图5所示，从反演结果上看，本发明的反演分辨率(图5)较常规手段获得的反演结果(图4)有了明显提高，模型中的主要构造信息得到了高精度重建。尤其是断裂带、河道等细节信息，如图4和图5中的标记，在常规手段下无法恢复的信息都得到了准确归位。

本发明通过偏移距优选，联合传统全波形反演策略，在缺少低频的情况下，使用伴随状态法的全波形反演策略实现特征波的全波形反演。以全偏移距全波形反演结果作为后续反演的初始模型，再以中远偏移距利用通过目标层的特征波走时和波形信息不断改善目标层，逐步逼近全波形反演的结果和精度，完成在陆上最低可用频段资料针对目标层的全波形反演。

在陆上资料低频信息缺失的情况下，该方法旨在通过偏移距优选，利用特征波改善目标层的精度。在实际资料应用过程中，陆上资料最低可用频率一般为6Hz。我们利用推覆体模型进行测试，以6Hz为起始频率，全偏移距信息进行全波形反演。由于低频信息的缺失导致反演精度不够，层状以及河道信息模糊。通过偏移距优选，我们以全偏移距反演结果作为初始模型，利用中远偏移距信息再次进行全波形反演，使得反演结果有了大幅提高。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种针对目标层的全波形反演***，该***包括初始速度模型建立模块、特征波模拟模块和全波形反演模型建立模块。

其中，初始速度模型建立模块基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型。特征波模拟模块用于优选偏移距，并基于优选的偏移距和初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟。全波形反演模型建立模块基于模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型。

其中，初始速度模型建立模块还包括正演模型建立单元、第一残差回传波场计算单元和初始速度模型确定单元。正演模型建立单元，根据地质模型建立正演模型进行正演，以获取针对该地质模型的模拟记录。第一残差回传波场计算单元，计算实际观测记录与模拟记录的残差，以获取第一残差回传波场。初始速度模型确定单元，基于第一残差回传波场计算第一迭代梯度，并基于第一迭代梯度计算速度更新量来更新正演模型，以确定初始速度模型。

其中，在特征波模拟模块中，在优选偏移距时，以等价目标层深度1-2倍的偏移距作为优选的偏移距。

全波形反演模型建立模块包括残差计算单元、第二残差回传波场计算单元、速度更新量计算单元和判断单元。其中，残差计算单元，计算模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差。第二残差回传波场计算单元，基于模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差，以获取第二残差回传波场。速度更新量计算单元，基于第二残差回传波场计算第二迭代梯度，并基于第二迭代梯度计算速度更新量来更新初始速度模型。判断单元，判断更新后的初始速度模型是否满足精度要求，若满足，则将该模型作为全波形反演模型输出，否则，以更新后的初始速度模型为基础进行特征波模拟，返回计算模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差的步骤。

初始速度模型确定单元基于第一迭代梯度计算速度更新量和速度更新量计算单元基于第二迭代梯度计算速度更新量，可以通过以下步骤得到。

通过伴随状态法计算迭代梯度，迭代梯度为第一迭代梯度或第二迭代梯度，迭代梯度通过下式计算得到：

接下来，对迭代梯度进行预处理以得到速度更新量Δm。

最后，基于所述速度更新量Δm，利用下式完成模型的更新迭代：

m_i+1＝m_i+Δm

m_i+1为当前迭代得到的模型，m_i为此次迭代的初始模型。基于该式对模型进行更新迭代，直到得到的速度更新量Δm在设定的目标范围内停止迭代，以得到最终所需的速度模型。

虽然本发明所公开的实施方式如上，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，在不脱离本发明所公开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 (4)

1.一种针对目标层的全波形反演方法，包括：

基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型；

优选偏移距，并基于优选的偏移距和所述初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟；

基于模拟的特征波与所述优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对所述初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型，

建立基于全波场反演的初始速度模型的步骤进一步包括：

根据地质模型建立正演模型并进行正演，以获取针对该地质模型的模拟记录；

计算实际观测记录与所述模拟记录的残差，以获取第一残差回传波场；

基于所述第一残差回传波场计算第一迭代梯度，并基于所述第一迭代梯度计算速度更新量来更新正演模型，从而建立基于全波场反演的初始速度模型，

在优选偏移距时，以等价目标层深度1-2倍的偏移距作为优选的偏移距，

建立针对目标层的全波形反演模型的步骤进一步包括：

计算模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差；

基于模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差，以获取第二残差回传波场；

基于所述第二残差回传波场计算第二迭代梯度，并基于所述第二迭代梯度计算速度更新量来更新所述初始速度模型；

判断更新后的初始速度模型是否满足精度要求，若满足，则将该模型作为所述全波形反演模型输出，否则，以更新后的初始速度模型为基础进行特征波模拟，返回计算模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差的步骤。

2.根据权利要求1所述的全波形反演方法，其特征在于，基于第一迭代梯度计算速度更新量和基于第二迭代梯度计算速度更新量通过以下步骤得到：

通过伴随状态法计算迭代梯度，所述迭代梯度为第一迭代梯度或第二迭代梯度，所述迭代梯度通过下式计算得到：

其中，C(m)表示误差函数，u表示震源正传波场，λ表示残差回传波场，为共轭转置，*为共轭，R为取实部符号，表示相关计算，d_obs为观测记录值，ρ为密度，k＝ρv²，v为速度；

对所述迭代梯度进行预处理以得到速度更新量Δm；

基于所述速度更新量Δm，利用下式完成模型的更新迭代：

m_i+1＝m_i+Δm

其中，m_i+1为当前迭代得到的模型，m_i为此次迭代的初始模型。

3.一种针对目标层的全波形反演***，包括：

初始速度模型建立模块，基于包括全部偏移距的陆上地震资料进行反演，以建立基于全波场反演的初始速度模型；

特征波模拟模块，用于优选偏移距，并基于优选的偏移距和所述初始速度模型进行与目标层对应的特征波模拟；

全波形反演模型建立模块，基于模拟的特征波与所述优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差对所述初始速度模型进行更新迭代，以建立针对目标层的全波形反演模型，

所述初始速度模型建立模块包括：

正演模型建立单元，根据地质模型建立正演模型进行正演，以获取针对该地质模型的模拟记录；

第一残差回传波场计算单元，计算实际观测记录与所述模拟记录的残差，以获取第一残差回传波场；

初始速度模型确定单元，基于所述第一残差回传波场计算第一迭代梯度，并基于所述第一迭代梯度计算速度更新量来更新正演模型，以确定所述初始速度模型，

在优选偏移距时，以等价目标层深度1-2倍的偏移距作为优选的偏移距，

所述全波形反演模型建立模块包括：

残差计算单元，计算模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差；

第二残差回传波场计算单元，基于模拟的特征波与优选的偏移距针对目标层的实际特征波的残差，以获取第二残差回传波场；

速度更新量计算单元，基于所述第二残差回传波场计算第二迭代梯度，并基于所述第二迭代梯度计算速度更新量来更新所述初始速度模型；

判断单元，判断更新后的初始速度模型是否满足精度要求，若满足，则将该模型作为所述全波形反演模型输出，否则，以更新后的初始速度模型为基础进行特征波模拟，返回计算模拟的特征波与优选偏移距针对目标层的实际特征波的残差的步骤。

4.根据权利要求3所述的全波形反演***，其特征在于，所述初始速度模型确定单元基于第一迭代梯度计算速度更新量和速度更新量计算单元基于第二迭代梯度计算速度更新量可以通过以下步骤得到：

通过伴随状态法计算迭代梯度，所述迭代梯度为第一迭代梯度或第二迭代梯度，所述迭代梯度通过下式计算得到：

其中，C(m)表示误差函数，u表示震源正传波场，λ表示残差回传波场，为共轭转置，*为共轭，R为取实部符号，表示相关计算，d_obs为观测记录值，ρ为密度，k＝ρv²，v为速度；

对所述迭代梯度进行预处理以得到速度更新量Δm；

基于所述速度更新量Δm，利用下式完成模型的更新迭代：

m_i+1＝m_i+Δm

其中，m_i+1为当前迭代得到的模型，m_i为此次迭代的初始模型。