CN113281808B - 一种抗频散地震波正演方法、***、装置及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种抗频散地震波正演方法、***、装置及介质，方法包括以下步骤：获取地下介质速度场和正演子波主频，根据地下介质速度场以及正演子波主频设置第一投影关系；根据第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；根据第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟；方法实现了纵向频散压制，能够平衡效率和数据质量进行地震波正演，实现计算成本、地质构造特点、数据质量较好的平衡，可广泛应用于地震勘探技术领域。

Description

一种抗频散地震波正演方法、***、装置及介质

技术领域

本发明涉及地震勘探技术领域，尤其是一种抗频散地震波正演方法、***、装置及存储介质。

背景技术

地震波正演是地震勘探领域最基本的应用工具，无论是在观测***分析中、地震成像算法开发中、地震波形反演中等环节都是必不可少的基础工具。当前最为主流的地震波正演方法为高阶有限差分法，该方法利用高阶有限差分求解波动方程，得到地下介质中传播的地震波场。高阶有限差分法求解波动方程需要平衡如下问题：数值频散问题和计算量问题。如果地下介质剖分网格较大，则存在很强的数值频散，影响地震波正演数据的品质。减小剖分网格间距，能够降低数值频散，同时带来的问题是计算量快速增加，尤其是当地下介质速度较低时，需要很小的网格才能得到频散较弱的地震数据。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种高效、精确且实用的抗频散地震波正演方法，以及能够对应实现该方法的***、装置及计算机可读的存储介质。

第一方面，本申请的技术方案提供了一种抗频散地震波正演方法，其步骤包括：

获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系；

根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；

根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系这一步骤，其包括：

根据所述正演子波主频，和所述地下介质速度场中的介质速度计算得到地震波波长；

将所述地震波波长与纵向空间网格进行关联，根据关联关系确定第一投影关系。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场这一步骤，其包括：

根据所述第一投影关系对所述地震波波长进行采样，根据采样结果进行变网格剖分，得到低速区网格和高速区网格。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟这一步骤，其包括：

确定所述第一投影关系的一阶导数和所述第一投影关系的二阶导数；

所述波场传播方程为：

其中，为第一投影关系，/>为第一投影关系的一阶导数，/>为第一投影关系的二阶导数，u′(t,X)表示在变网格坐标***下的波场，X表示(x，y，z)空间坐标，v表示地下介质的速度，t表示传播的时间，γ为横向频散压制系数。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述横向频散压制系数是根据水平方向的采样间隔确定的，所述横向频散压制系数与所述水平方向的采样间隔呈正比例关系。

在本申请方案的一种可行的实施例中，当变网格传播的方向为沿深度传播，所述波场传播方程为：

其中，u(t,X)为传播到t和X点的波场。

在本申请方案的一种可行的实施例中，在横向空间网格中引入衰减方程，通过所述衰减方程平衡计算和数值频散压制。

第二方面，本发明的技术方案还提供一种抗频散地震波正演***，其包括：

参数确定模块，用于获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系；

重采样模块，用于根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；

正演模拟模块，用于根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟。

第三方面，本发明的技术方案还提供一种抗频散地震波正演装置，其包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器运行第一方面中的一种抗频散地震波正演方法。

第四方面，本发明的技术方案还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，处理器可执行的程序在由处理器执行时用于运行第一方面中的方法。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本申请的技术方案通过地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系，并根据该第一投影关系进行深度方向重采样，再通过波场传播方程进行地震波场正演模拟；方法引入横向抗频散的波动方程，减少波场横向传播的数值频散；然后在纵向上引入与速度有关的变网格传播技术，并将网格变化转化为方程系数，推导出新的方程，实现纵向频散压制，得到效率和数据质量均衡的地震波正演方法，实现计算成本、地质构造特点以及数据质量较好的平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种抗频散地震波正演方法的步骤流程图；

图2为实施例中采用波场传播方程(2)粗网格的二维三层声学介质波场快照图；

图3为实施例中采用波场传播方程(2)细网格的二维三层声学介质波场快照图；

图4为实施例中采用波场传播方程(1)粗网格且的二维三层声学介质波场快照图；

图5为实施例中采用波场传播方程(1)粗网格且γ＝0的二维三层声学介质波场快照图；

图6为实施例中采用波场传播方程(1)粗网格且横向弱衰减的二维三层声学介质波场快照图；

图7实施例中采用波场传播方程(1)粗网格且横向较强衰减的二维三层声学介质波场快照图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在第一方面，如图1所示，本申请的技术方案提供了一种抗频散地震波正演方法的实施例，其中，方法包括步骤S100-S300：

S100、获取地下介质速度场和正演子波主频，根据地下介质速度场以及正演子波主频设置第一投影关系；

其中，第一投影关系是指实施例中原始网格坐标到变网格坐标的投影关系；具体地，实施例根据绝大部分地下构造为层状介质和速度逐步增加的特点，结合变网格传播技术和高频衰减方程技术，实现高效的波场传播生成用于观测***设计、算法检验等目的使用的地震数据。实施例首先设置正演参数，该正演参数主要包括正演子波主频，然后确定地下介质速度场，根据读入的速度场和正演子波主频，设置原始网格坐标到变网格坐标的投影关系，即第一投影关系其通常根据介质速度和波场主频进行选择。

S200、根据第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；

具体地，将速度场根据形式进行深度方向重采样，生成新网格下的速度场即第二速度场。

S300、根据第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟；

具体地，引入横向抗频散的波动方程，减少波场横向传播的数值频散；然后在纵向上引入与速度有关的变网格传播技术，并将网格变化转化为方程系数，推导出新的方程，实现纵向频散压制，得到效率和数据质量平衡的地震波正演模拟方法。

在一些可行的实施例中，获取地下介质速度场和正演子波主频，根据地下介质速度场以及正演子波主频设置第一投影关系这一步骤S100，其可以更为细分为步骤S110-S120：

S110、根据正演子波主频，和地下介质速度场中的介质速度计算得到地震波波长；

S120、将地震波波长与纵向空间网格进行关联，根据关联关系确定第一投影关系。

具体地，实施例根据地下介质绝大部分为层状介质并且速度总体逐步增大的性质，将地震波长与纵向网格剖分进行关联，地震波波长λ与地震波的频率f和介质速度v相关，其计算公式为即速度越大，波长越长，频率越低，波长越长。在同样模拟精度的情况下，波长越长，剖分网格可以越大。同时，实施例中，为了降低处理的复杂度和减少横向频散，在横向引入衰减方程，达到计算量和数值频散压制的平衡。

在一些可行的实施例中，根据第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场这一步骤S200，其过程更为具体为：根据第一投影关系对地震波波长进行采样，根据采样结果进行变网格剖分，得到低速区网格和高速区网格。

示例性地，对地震主频波长进行n次采样，则通过对原始网格进行重新剖分，使得网格剖分满足n次采样条件。实现的效果为低速区域剖分网格更小，高速区域剖分网格更大的动态网格剖分。实施例还在变网格对波场重新采样，同样低速区域记录更密，高速区域记录稀疏。

在一些可行的实施例中，根据第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟这一步骤S300，其步骤包括确定第一投影关系的一阶导数和第一投影关系的二阶导数/>由于随着空间网格间距的增大，模拟波场的空间频散快速增大，导致模拟波场中具有很强的频散噪音，并且，频散噪音频率越高波长越短越显著。进而在实施例中，考虑到地下介质主要由层状介质构成并且速度逐步增大的特点，并且在反射地质学中与垂向夹角在一定范围内传播的地震波是主要应用的波场，结合了深度变网格和水平衰减技术，形成了新的波场传播方程：

在该波场传播方程中，为第一投影关系，即原始网格坐标到变网格坐标的投影关系，通常根据介质速度和波场主频进行选择，/>为第一投影关系的一阶导数，/>为第一投影关系的二阶导数，u′(t,X)表示在变网格坐标***下的波场，X表示(x，y，z)空间坐标，v表示地下介质的速度，t表示传播的时间，γ为横向频散压制系数。对波场传播方程进行高阶有限差分求解，实现地震波场的传播。波场传播方程/>的引入，实现了深度z传播方向的变网格传播，只要实施例选择合适的/>形式，使得每个地震子波波长内能够实现多个采样，就能够较好的压制深度方向的数值频散，/>实现了多介质和传播空间的变网格剖分，低速区剖分更密，高速区剖分更稀疏，自适应的根据地震波长的变化而变化，从而实现每个地震子波波长范围内多个采样，降低模拟的数值频散。

在一些可行的实施例中，横向频散压制系数是根据水平方向的采样间隔确定的，横向频散压制系数与水平方向的采样间隔呈正比例关系。

具体地，根据水平方向的采样间隔设置合适的γ，通常如果水平方向采样间隔较大，则γ也相应的大一些，以更好的压制水平方向频散，反之，则取值小一些。因为方程最右端项对时间方向求导，实际起到一个衰减作用。横向间隔大，高频更容易频散，这时候适当增大γ，可以达到衰减水平方向的高频能量，从而达到压制水平方向频散的效果。γ的引入则实现了水平方向的高频波场压制，从而控制频散，达到较好的波场模拟。

在一些可行的实施例中，当γ＝0，且时，即当变网格传播的方向为沿深度传播，波场传播方程为：

其中，X表示(x，y，z)空间坐标，v表示地下介质的速度，t表示传播的时间，u为传播到t和X点的波场。该波场传播方程最常用的解法就是利用有限差分进行求解，这需要对空间和时间方向进行细致剖分，以保证有限差分的稳定性和得到较高精度的地震波场，这就带来很高的计算量。实施例为保证计算稳定，时间方向的采样间隔必须满足：

其中，v_max表示最大速度。根据采样间隔的条件限制，显然，空间网格越小，需要对应的时间步长也越小，需要的计算量越大，所以尽量增大空间网格大小，来达到降低计算量的目的。

如图2-图7所示，本发明三层水平模型波场传播快照图。其中相关正演网格参数表1列出。

表1

图2为用方程(2)的粗网格传播的波场快照，可以看到明显的数值频散；图3为用方程(2)细网格传播的波场快照，数值频散得到较好的压制；图4为方程(3)粗网格传播的波场快照，即没有实现变网格，可以看到数值频散得到了较好的压制，但是波场主频降低明显；图5为方程(1)粗网格传播的波场快照，γ＝0，即没有进行水平方向数值频散压制，可以看到水平方向数值频散仍较严重；图6和图7为方程(1)粗网格传播的波场快照，γ分别为0.1和0.3，可以看到水平方向数值频散得到了较好的压制。可以根据图2-图7和表1得出，本申请实施例的方法可以在较低的计算成本的情况下，实现频散压制较好的地震波场传播。

在第二方面，本申请所提供的一种用于第一方面中方法的抗频散地震波正演***，其包括：

参数确定模块，用于获取地下介质速度场和正演子波主频，根据地下介质速度场以及正演子波主频设置第一投影关系；

重采样模块，用于根据第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；

正演模拟模块，用于根据第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟。

第三方面，本申请的技术方案还提供一种抗频散地震波正演装置，其包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器运行如第一方面中的一种抗频散地震波正演方法。

本发明实施例还提供了一种存储介质内存储有程序，程序被处理器执行，实现如第一方面中的方法。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

本申请的技术方案首先引入横向抗频散的波动方程，减少波场横向传播的数值频散；然后在纵向上引入与速度有关的变网格传播技术，并将网格变化转化为方程系数，推导出新的方程，实现纵向频散压制，得到效率和数据质量折中的地震波正演方法。新的方程可以在更少的网格上进行计算，算法简单高效，实用性强。本发明均衡考虑了计算成本、地质构造特点、数据质量，达到较好的平衡，为地震观测***设计、算法检验、偏移成像、速度反演等提供了基础引擎，从而能够降低相关计算的时间成本。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种抗频散地震波正演方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系；

根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；

根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟；

所述获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系这一步骤，其包括：

根据所述正演子波主频，和所述地下介质速度场中的介质速度计算得到地震波波长；

将所述地震波波长与纵向空间网格进行关联，根据关联关系确定第一投影关系；

所述根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场这一步骤，其包括：根据所述第一投影关系对所述地震波波长进行采样，根据采样结果进行变网格剖分，得到低速区网格和高速区网格；

所述根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟这一步骤，其包括：

确定所述第一投影关系的一阶导数和所述第一投影关系的二阶导数；

所述波场传播方程为：

其中，为第一投影关系，/>为第一投影关系的一阶导数，/>为第一投影关系的二阶导数，u′(t,X)表示在变网格坐标***下的波场，X表示(x，y，z)空间坐标，v表示地下介质的速度，t表示传播的时间，γ为横向频散压制系数。

2.根据权利要求1所述的一种抗频散地震波正演方法，其特征在于，所述横向频散压制系数是根据水平方向的采样间隔确定的，所述横向频散压制系数与所述水平方向的采样间隔呈正比例关系。

3.根据权利要求1所述的一种抗频散地震波正演方法，其特征在于，当变网格传播的方向为沿深度传播，所述波场传播方程为：

其中，u(t,X)为传播到t和X点的波场。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种抗频散地震波正演方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

在横向空间网格中引入衰减方程，通过所述衰减方程平衡计算和数值频散压制。

5.一种抗频散地震波正演***，其特征在于，包括：

参数确定模块，用于获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系；

重采样模块，用于根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场；

正演模拟模块，用于根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟；

所述获取地下介质速度场和正演子波主频，根据所述地下介质速度场以及所述正演子波主频设置第一投影关系这一步骤，其包括：

根据所述正演子波主频，和所述地下介质速度场中的介质速度计算得到地震波波长；

将所述地震波波长与纵向空间网格进行关联，根据关联关系确定第一投影关系；

所述根据所述第一投影关系进行深度方向重采样，生成第二速度场这一步骤，其包括：

根据所述第一投影关系对所述地震波波长进行采样，根据采样结果进行变网格剖分，得到低速区网格和高速区网格；

所述根据所述第二速度场，通过波场传播方程进行地震波场正演模拟这一步骤，其包括：

确定所述第一投影关系的一阶导数和所述第一投影关系的二阶导数；

所述波场传播方程为：

其中，为第一投影关系，/>为第一投影关系的一阶导数，/>为第一投影关系的二阶导数，u′(t,X)表示在变网格坐标***下的波场，X表示(x，y，z)空间坐标，v表示地下介质的速度，t表示传播的时间，γ为横向频散压制系数。

6.一种抗频散地震波正演装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器运行如权利要求1-4任一项所述的一种抗频散地震波正演方法。

7.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于运行如权利要求1-4中任一项所述的一种抗频散地震波正演方法。