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1、(10)申请公布号 CN 103499835 A (43)申请公布日 2014.01.08 CN 103499835 A (21)申请号 201310476248.0 (22)申请日 2013.10.13 G01V 1/28(2006.01) G01V 1/36(2006.01) (71)申请人 中国石油集团西北地质研究所 地址 730020 甘肃省兰州市城关区雁儿湾路 535 号 (72)发明人 胡自多 韩令贺 王宇超 王述江 雍运动 寇龙江 (74)专利代理机构 兰州振华专利代理有限责任 公司 62102 代理人 陈宝玲 (54) 发明名称 初至波波形反演近地表速度模型方法 (57) 摘要。
2、 本发明公开了初至波波形反演近地表速度模 型方法， 该方法包括声波方程波场正演和最速下 降法波形反演技术， 其方法步骤为 ： 提取时间 域初至波波形记录和初始模型 ； 利用声波方程 交错网格有限差分正演模拟计算模拟波场及波场 残差 ； 将波场残差反向传播得到回传波场 ； 利用回传波场和正向传播波场计算目标函数的梯 度， 并计算更新步长 ； 对速度模型进行更新 ； 检验是否满足迭代终止条件， 满足则输出速度模 型， 否则返回步骤， 继续迭代更新 ； 本发明借鉴 了基于波动方程理论的全波形反演技术， 利用了 能量较强、 波形比较稳定的初至波进行反演， 降 低了全波形反演的多解性， 提高了反演的稳定。
3、性 和计算效率 ； 提高了静校正和浅层深度成像的精 度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103499835 A CN 103499835 A 1/1 页 2 1. 一种初至波波形反演近地表速度模型方法， 该方法包括声波方程交错网格有限差分 正演模拟和最速下降法波形反演技术， 其特征在于 ： 实现过程的方法步骤如下 ： （1） 、 提取时间域初至波波形记录 Pobs和初始速度模型 ； （2） 、 利用声波方程交错网格有限差分正演模。
4、拟计算模拟波场Pcal， 并计算波场残差p Pobs-Pcal； （3） 、 将波场残差反向传播得到回传波场 P ； （4） 、 利用回传波场和正向传播波场计算目标函数的梯度， 即速度的更新方向， 并计算 更新步长 ； （5） 、 对速度模型进行更新 ； （6） 、 检验是否满足迭代终止条件， 满足则输出速度模型的反演结果， 否则返回步骤 （2） ， 继续迭代更新。 2. 根据权利要求 1 所述的初至波波形反演近地表速度模型方法， 其特征在于， 所述声 波方程交错网格有限差分正演模拟技术， 利用一阶声波方程有限差分方法， 数值模拟炮点 激发的正向传播波场 ； 非均匀介质一阶声波方程 ： 应力 。
5、- 质点速度方程 ； 时间 2 阶、 空间 12 阶的高阶有限差分， PML 边界条件， 交错网格。 3. 根据权利要求 1 所述的初至波波形反演近地表速度模型方法， 其特征在于， 所述最 速下降法波形反演技术， 地面观测记录加时窗函数初至波窗函数 , 作为一阶声波方程 的初值条件， 类似于炮点激发正向传播波场正演技术， 数值模拟初至波反向传播的地震波 场和数值模拟的正向传播波场求残差， 利用 L2 模建立反演目标函数 ； 利用正向传播波场 和波场残差函数， 计算目标函数的最速下降方向即梯度， 确定出速度扰动的最大变化方向 ； 利用梯度和 Frechet 导数计算出速度扰动的迭代步长 ； 利用。
6、速度更新方向和更新步长 更新速度。 权 利 要 求 书 CN 103499835 A 2 1/6 页 3 初至波波形反演近地表速度模型方法 技术领域 0001 本发明属于石油地震勘探地震资料处理技术领域， 旨在提高地震资料处理中的近 地表速度模型精度， 进而提高静校正精度和浅层深度成像精度， 具体地说是一种基于初至 波波形 （有别于传统的初至走时） 反演， 建立高精度近地表速度模型的新技术、 新方法。 背景技术 0002 目前反演近地表速度模型， 绝大部分是基于射线理论， 利用初至波旅行时间反演 近地表速度模型， 如折射静校正、 层析反演等等， 由于射线理论是对地震波场的高频近似， 只能反演出。
7、近地表速度模型的低波数成分 （模型尺度远大于地震波长） ， 反演的速度模型分 辨率受到限制。基于波动理论的全波形反演方法， 利用全波场信息， 反演地下速度模型， 虽 理论比较完善， 但受限于数据的信噪比、 反演方法本身的多解性和计算效率等问题， 实际应 用受到很大限制。 0003 为了提高近地表速度模型的反演精度， 借鉴全波形反演方法的技术路线， 研究了 利用初至波波形 （旅行时间、 振幅） 信息反演近地表速度模型方法。 发明内容 0004 鉴于已有技术的不足， 本发明的目的是提供一种基于初至波波形反演， 建立高精 度近地表速度模型的新技术、 新方法 ； 该方法基于波动方程理论， 和传统的基于。
8、射线理论的 走时层析反演相比， 能够反演出近地表速度模型的高波数成分 （模型尺度接近或小于地震 波长） ， 提高了近地表速度模型的分辨率 ； 和全波形反演方法相比， 该方法只利用能量较强、 波形比较稳定的初至波， 降低了全波形反演方法的多解性， 提高了计算精度和计算效率 ； 该 方法具有提高静校正精度和浅层深度成像精度的特点。 0005 实现解决技术问题的技术方案是 ： 初至波波形反演近地表速度模型方法， 该方法 包括声波方程交错网格有限差分正演模拟技术和最速下降法波形反演技术， 其实现过程的 方法步骤如下 ： 0006 （1） 、 提取时间域初至波波形记录 Pobs和初始速度模型 ； 000。
9、7 （2） 、 利用声波方程交错网格有限差分正演模拟计算模拟波场 Pcal， 并计算波场残 差 p Pobs-Pcal； 0008 （3） 、 将波场残差反向传播得到回传波场 P ； 0009 （4） 、 利用回传波场和正向传播波场计算目标函数的梯度， 即速度的更新方向， 并 计算更新步长 ； 0010 （5） 、 对速度模型进行更新 ； 0011 （6） 、 检验是否满足迭代终止条件， 满足则输出速度模型的反演结果， 否则返回步 骤 （2） ， 继续迭代更新。 0012 所述声波方程交错网格有限差分正演模拟技术， 利用一阶声波方程有限差分方 法， 数值模拟炮点激发的正向传播波场 ； 非均匀介。
10、质一阶声波方程 ： 应力 - 质点速度方程 ； 说 明 书 CN 103499835 A 3 2/6 页 4 时间 2 阶、 空间 12 阶的高阶有限差分， PML 边界条件， 交错网格。 0013 所述最速下降法波形反演技术， 地面观测记录加时窗函数初至波窗函数 , 作 为一阶声波方程的初值条件， 类似于炮点激发正向传播波场正演技术， 数值模拟初至波反 向传播的地震波场和数值模拟的正向传播波场求残差， 利用 L2 模建立反演目标函数 ； 利 用正向传播波场和波场残差函数， 计算目标函数的最速下降方向即梯度， 确定出速度扰动 的最大变化方向 ； 利用梯度和 Frechet 导数计算出速度扰动的。
11、迭代步长 ； 利用速度更 新方向和更新步长更新速度。 0014 本发明相比现有技术的显著效果是 ： 0015 1） 本发明基于波动方程理论而没有高频近似假设， 能够反演出近地表速度模型的 高波数成分 （模型尺度接近或小于地震波长） ， 提高了速度模型的分辨率， 进而提高静校正 的精度， 并为近地表和地下深度偏移奠定了良好的基础 ； 0016 2） 本发明借鉴了基于波动方程理论的全波形反演技术， 利用了能量较强、 波形 比较稳定的初至波进行反演， 降低了全波形反演的多解性， 提高了反演的稳定性和计算效 率 ； 0017 3） 本发明采用时间 2 阶、 空间 12 阶的高精度交错网格有限差分正演模。
12、拟方法， 并 利用 PML（完全匹配层） 边界条件消除边界效应， 提高了正演模拟精度， 有效地减小了人工 边界反射对有效波场的影响 ； 0018 4） 本发明采用声波方程正演模拟技术， 和传统的标量方程规则网格有限差分相 比， 该技术可以降低频散， 减少边界效应， 从而提高数值模拟的精度和稳定性 ； 0019 5） 本发明采用最速下降法速度反演技术， 并通过正演和反演的多次迭代， 直至目 标函数完全收敛， 就完成了初至波波形反演近地表速度模型 ； 为了提高反演的效率和精度， 初始模型可采用常规射线理论层析反演的近地表模型 ； 0020 6） 本发明采用波形反演的同时利用振幅和走时信息， 比传统。
13、基于射线理论的旅行 时层析反演方法具有更高的反演精度， 能够获取较为精确的境地表速度模型， 为静校正和 浅层深度域成像精度创造了条件。 附图说明 0021 图 1 是本发明近地表速度异常体模型的示意图 0022 图 2 是本发明声波方程有限差分正演模拟结果示意图 0023 图 2a 为规则网格有限差分正演模拟得到的单炮波形记录图 0024 图 2c 为规则网格有限差分正演模拟得到的 200ms 波场快照图 0025 图 2b 为本方法正演模拟得到的单炮波形记录示意图 0026 图 2d 为本方法正演模拟得到的 200ms 波场快照示意图 0027 图 3 是本发明实际速度模型示意图 0028 。
14、图 4 是本发明传统旅行时层析反演结果示意图 0029 图 5 是本发明初至波波形反演结果示意图 0030 图 5a 为第 1 次迭代反演结果示意图 0031 图 5b 为第 100 次迭代反演结果示意图 0032 图 5c 为第 500 次迭代反演结果示意图 说 明 书 CN 103499835 A 4 3/6 页 5 0033 图 6 是本发明初至波波形反演目标函数梯度示意图 0034 上述图 1- 图 6 均为计算机绘画软件 suffer 绘制的附图 具体实施方式 0035 下面结合附图和实例对该技术方案作进一步描述 0036 初至波波形反演近地表速度模型方法， 该方法包括声波方程交错网。
15、格有限差分正 演模拟和最速下降法波形反演两大技术， 其实现过程的方法步骤如下 ： 0037 提取时间域初至波波形记录 Pobs 和初始速度模型 ； 0038 利用声波方程交错网格有限差分正演模拟计算模拟波场 Pcal， 并计算波场残差 p Pobs-Pcal； 0039 将波场残差反向传播得到回传波场 P ； 0040 利用回传波场和正向传播波场计算目标函数的梯度， 即速度的更新方向， 并计 算更新步长 ； 0041 对速度模型进行更新 ； 0042 检验是否满足迭代终止条件， 满足则输出速度模型的反演结果， 否则返回步骤 2， 继续迭代更新。 0043 所述 1、 声波方程交错网格有限差分正。
16、演模拟技术 0044 利用一阶声波方程有限差分方法， 数值模拟炮点激发的正向传播波场 ； 0045 技术要点 ： 非均匀介质一阶声波方程 （应力 - 质点速度方程， 公式 (1)） ； 高阶有限 差分 （时间 2 阶、 空间 12 阶） ， PML 边界条件， 交错网格 ； 与传统的标量方程规则网格有限差 分相比， 该技术可以降低频散， 减少边界效应， 从而提高数值模拟的精度和稳定性。 0046 0047 公式中， k 为体变模量， 为密度， vx、 vy、 vz为质点振动速度， u 为波场函数。 0048 所述 2、 最速下降法波形反演技术 0049 1) 地面观测记录加时窗函数 （初至波窗。
17、函数） , 作为一阶声波方程的初值条件， 类 似于炮点激发正向传播波场正演技术， 数值模拟初至波反向传播的地震波场和数值模拟的 正向传播波场求残差， 利用 L2 模建立反演目标函数 （公式 (2)） ； 0050 说 明 书 CN 103499835 A 5 4/6 页 6 0051 公式中， 为检波点位置， 为炮点位置， t 为时间变量，为实际记录波 场，为初始模型正演模拟计算波场，为波场残差， E 为波场残差对所 有炮点、 检波点和记录时间的积分， 成为总的波场残差， 为全波形反演的目标函数。 0052 2） 利用正向传播波场和波场残差函数， 计算目标函数的最速下降方向 （梯度） ， 确 。
18、定出速度扰动的最大变化方向 （公式 (3)） 。 0053 0054 公式中，为速度模型， 波场函数 p 上的小点代表波场函数 p 对时间的导数。 0055 3） 利用梯度和 Frechet 导数计算出速度扰动的迭代步长 （公式 (4)） 。 0056 0057 公式中，为第 k 次迭代的初始速度模型，为速度更新方向， 为速度扰 动步长，为 Frechet 导数， 上标 t 表示向量的转置， k为速度更新步长。 0058 4） 利用速度更新方向和更新步长更新速度 （公式 (5)） 。 0059 0060 公式中，为第 k 次迭代的初始速度模型，为速度更新方向， k为速度更 新步长，为更新后的速。
19、度模型， 将作为第 k+1 次迭代的初始速度模型。 0061 至此， 完成了速度模型的一次反演 ； 通过正演和反演的多次迭代， 直至目标函数完 全收敛， 就完成了初至波波波形反演近地表速度模型。 为了提高反演的效率和精度， 初始模 型可以采用常规射线理论层析反演的近地表模型。 0062 初至波波形反演近地表速度模型方法的流程框图如下 ： 0063 说 明 书 CN 103499835 A 6 5/6 页 7 0064 理论模型测试 0065 为了进一步说明本方法的实现思路及实现过程并证明方法的有效性效果， 用一个 近地表具有 6 个不同尺度异常体地质模型进行试验， 并和常规层析反演的结果进行比。
20、较。 0066 1） 建立一个近地表速度异常体地质模型 （如图1所示） ， 模型分为上下两层， 上层速 度为 2000m/s， 下层速度为 2800m/s， 上层中还包含六个尺寸不同的异常体， 异常体速度均 为 3000m/s ； 0067 模型尺寸 ： 深度 2Km, 宽度 7Km ； 网格尺寸 20*20m ； 模型速度 ： 400m 以下， 2800m/ s， 400m 以上， 背景速度 2000m/s， 具有 6 个不同尺度的地质模型， 分别为 50*50m， 50*100m， 100*100m， 100*200m， 200*200m， 200*400m， 异常体顶界面深度 100m。。
21、 0068 2） 利用声波方程有限差分正演模拟技术， 得到炮点激发的正向传播波场 ； 观测系 统 ： 接收点距 20m， 炮点距 40m， 滚动放炮， 接收道数 350 道， 激发炮数 160 炮。震源子波 ： Ricker子波， 主频30Hz ； 与传统的正演模拟技术相比， 由于采用了时间2阶， 空间12阶的高 精度有限差分， 交错网格和 PML （完美匹配层） 边界条件等技术， 正演模拟的地震记录和传播 波场， 频散效应降低， 边界效应减少。如图 2a、 c 所示， 用传统交错网有限差分正演模拟得到 的单炮波形记录和 200ms 的波场快照， 可以看出边界反射明显 ； 本发明采用时间 2 。
22、阶， 空间 12 阶交错网格有限差分， 并采用 PML 边界条件消除边界反射。如图 2b、 d 所示， 用本方法模 拟的单炮记录和 200ms 的波场快照， 边界效应明显降低， 基本看不到边界反射。 0069 3） 由真实的实际速度模型模拟地震波场 （如图 3 所示） ， 地面观测波场作为单炮记 录， 进行初至波旅行时间拾取， 用传统射线理论层析反演技术， 反演近地表速度模型。如图 说 明 书 CN 103499835 A 7 6/6 页 8 4a 所示， 是旅行时层析反演近地表速度模型， 与图 3 相比， 只反演出大尺度异常体的大概位 置和轮廓， 没有反演出小尺度异常体， 精度较低 ； 但可。
23、以利用这个速度模型作为波形反演的 初始速度。 0070 4） 利用层析反演得到的初始速度模型， 模拟正向传播波场 ； 对真实速度模型模拟 的单炮记录进行时窗函数处理， 只保留初至波和异常体绕射波信息， 并作为初值条件， 进行 反向传播波场地震模拟 （速度用初始速度） ； 根据最速下降法求取速度扰动量， 修改速度模 型， 完成一次初至波波形反演迭代 ； 如图 5a 所示是第一次反演的近地表速度模型， 6 个不同 尺度的近地表异常体都有一定响应， 但精度较低。 0071 5） 把反演的结果作为初始模型， 重复 2） 和 4） 步骤， 逐级提高近地表速度模型的 精度， 直至结果满意为止。如图 5b、。
24、 图 5c 所示， 分别是 100 次、 500 次迭代反演的结果， 可以 看到， 随着迭代次数的增加， 模型精度逐级提高 ； 500 次反演的结果， 6 个异常体边界和 400m 处的水平层清晰， 速度值十分接近真实的速度值。如图 6 所示， 是第 1 次、 第 100 次、 第 300 次、 第 500 次迭代时的梯度剖面 （归一化显示） ， 可以看到随着速度精度的提高， 梯度剖面幅 值逐渐减少， 从另一方面也说明该方法的稳定性、 收敛性和有效性。 说 明 书 CN 103499835 A 8 1/6 页 9 图 1 图 2a 说 明 书 附 图 CN 103499835 A 9 2/6 页 10 图 2b 图 2c 说 明 书 附 图 CN 103499835 A 10 3/6 页 11 图 2d 图 3 说 明 书 附 图 CN 103499835 A 11 4/6 页 12 图 4 图 5a 说 明 书 附 图 CN 103499835 A 12 5/6 页 13 图 5b 图 5c 说 明 书 附 图 CN 103499835 A 13 6/6 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 103499835 A 14 。