一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法和系统

技术领域

本发明涉及一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法和系统，属于勘探地震学中的中深层速度建模技术领域。

背景技术

地震速度建模是地震成像的核心和难点。实际的速度建模流程依赖于模型低-中波数和高波数成分的分离，即先利用运动学信息建立宏观背景速度，再利用成像或全波形反演建立高波数成分，最终建立一个全/高波数谱的速度模型。随着经济的快速发展以及国际能源开发战略的重大调整，陆上勘探难度的增加与可利用资源的减少。人们逐渐将勘探对象转移到海上尤其是深海油气勘探。随着深海油气勘探的深入，作为中深层速度建模的重要技术，波动方程反射波走时反演由于其对模型长波长成分的敏感性，逐渐成为深海勘探工作中中深层背景速度建模的有力工具。

传统的数据域反射波走时反演借用连接函数隐式导出走时扰动与速度扰动的线性关系，即反射波走时敏感核函数，用以模型的迭代更新。然而，连接函数同时包含走时和压力场，这使得传统的反射波走时敏感核函数包含观测反反射波振幅项和走时(相位)项，即传统的反射波走时敏感核函数同时受到野外数据振幅变化和估计的走时误差的影响。当数据信噪比低或估计的反射走时差存在误差时，传统的反射波走时反演可能会得到错误的结果,仅仅是微弱的走时误差也可能导致错误的梯度，最终得到错误的速度反演结果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法和系统，其建模流程稳定、可靠，克服了传统方法对数据噪音、走时估计误差敏感的问题，建模结果的可靠性大大提高。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法，包括：基于初始背景速度模型，将地震数据进行逆时偏移成像，获得深度域成像剖面；从深度域成像剖面中拾取连续的目标地质界面；基于初始背景速度模型和目标地质界面，进行Rytov近似反射波波动方程走时反演，更新当前层位上的背景速度模型；重复上述步骤，直至完成所有目标层位上的速度反演。

进一步，对地震数据进行预处理，预处理过程包括：去噪、压制多次波和去直达波中至少一种。

进一步，进行Rytov近似反射波波动方程走时反演的方法为：基于初始背景速度模型和目标地质界面进行Born正演，获得震源端背景波场、散射波场和反偏移的反射波场；计算观测反射波和反偏移的反射波场的互相关函数，通过互相关函数的最大值估算时差；根据反偏移的反射波场和时差，通过Rytov近似计算伴随源；根据伴随源计算检波器端的反向传播的背景波场和散射波场；计算震源端的正向传播波场散和检波器端的反向传播的背景波场和散射波场的零延迟互相关，获得反射波走时反演的梯度；根据反射波走时反演的梯度求取每一步更新的步长，更新背景速度模型。

进一步，获得震源端背景波场、散射波场和反偏移的反射波场的方法为：通过有限差分法数值求解时间域声波方程，获得震源端背景波场；通过Born正演获得震源端散射波场；记录检波器位置处的散射波场，并获得反偏移的反射波场。

进一步，互相关函数的计算公式为：

C

其中，d

进一步，时差采用dynamic image warping算法中的反向或正向追踪获得，时差的计算公式为：

其中，Δt(x

进一步，通过Rytov近似计算伴随源的方法为：将反偏移的反射波场对时间的一阶导数和二阶导数；根据反偏移的反射波场和二阶导数求取伴随源的正则化因子；根据一阶导数、正则化因子和时差计算伴随源。

进一步，正则化因子的计算公式为：

E＝∫ü

伴随源的计算公式为：

其中，E是正则化因子，u

进一步，反射波走时反演的梯度的计算公式为：

其中，v(x)是任意空间位置x处的速度值，ü

本发明还公开了一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模系统，包括：深度域成像剖面获得模块，用于根据初始背景速度模型，将地震数据进行逆时偏移成像，获得深度域成像剖面；目标地质界面拾取模块，用于从深度域成像剖面中拾取连续的目标地质界面；速度模型更新模块，用于根据初始背景速度模型和目标地质界面，进行Rytov近似反射波波动方程走时反演，更新当前层位上的背景速度模型；速度反演模块，用于完成所有目标层位上的速度反演。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的方案建模精度高：其反演方法基于波动方程的正演引擎，精确考虑了地震波传播过程中的有限频带效应，理论分辨率可以达到菲涅尔体的尺度。

2、本发明的方案计算效率高，易于并行：其采用伴随状态法计算反射波走时反演的梯度，需要的波动方程模拟次数仅仅与震源数目有关，无需显式计算所有炮检对的梯度，计算时间大大减少。

3、本发明中方案建模流程稳定、可靠，克服了传统方法对数据噪音、走时估计误差敏感的问题，建模结果的可靠性大大提高。

附图说明

图1是本发明一实施例中层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法的流程图；

图2是本发明一实施例中真实速度模型图；

图3是本发明一实施例中初始速度模型图；

图4是本发明一实施例中初始模型成像的地表共偏移距道集图；

图5是本发明一实施例中迭代三轮后输出的背景速度建模结果图；

图6是本发明一实施例中迭代三轮后输出的背景速度模型进行叠前深度偏移的结果图；

图7是本发明一实施例中迭代三轮后输出的背景速度分别在x＝2.25km、3.75km、5.25km、6.75km处的速度剖面图；

图8是本发明一实施例中迭代三轮后输出的背景速度模型成像的地表共偏移距道集；

图9是本发明另一实施例中初始速度模型图；

图10是本发明另一实施例中输出的背景速度模型图；

图11是本发明另一实施例中的速度更新量图；

图12是本发明另一实施例中的初始模型的叠前深度成像剖面图；

图13是本发明另一实施例中基于采用本发明方法获得的速度模型的叠前深度成像剖面图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术中数据噪音和估计的走时误差的影响，本发明提出了一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法和系统，其基于Rytov近似进行层剥离反射波走时反演方法，由于Ryotv近似描述的是复相位和模型参数扰动之间的线性关系，其可以显式地导出走时扰动与速度扰动之间地线性关系。基于Rotov近似的反射波走时敏感核函数仅仅由波动理论所决定，消除或减弱了数据噪音和估计的走时误差对模型更新的影响。本发明提出的Rytov近似反射波走时反演消除了数据噪音的影响，对走时误差不敏感，因而是一种稳定、可靠的反射波走时反演方法。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细阐述。

实施例一

本实施例中公开了一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法，如图1所示，包括：

S1基于初始背景速度模型，将地震数据进行逆时偏移成像，获得深度域成像剖面；

对地震数据进行成像前预处理，预处理过程包括：去噪、压制多次波和去直达波中至少一种。

S2从深度域成像剖面中自动或手动拾取一个连续的目标地质界面；

S3基于初始背景速度模型和目标地质界面，进行Rytov近似反射波波动方程走时反演，更新当前层位上的背景速度模型；

进行Rytov近似反射波波动方程走时反演的方法为：

S3.1基于初始背景速度模型和拾取的目标地质界面进行Born正演，获得震源端背景波场、散射波场和反偏移的反射波场，并存储震源端背景波场、散射波场和反偏移的反射波场数据。

获得震源端背景波场、散射波场和反偏移的反射波场的方法为：

通过有限差分法数值求解时间域声波方程，获得震源端背景波场；

在沿时间轴延拓求取震源端背景波场的同时，通过Born正演同时获得震源端散射波场；

记录检波器位置处的散射波场，并获得反偏移的反射波场。

S3.2计算观测反射波和反偏移的反射波场的互相关函数，通过互相关函数的最大值自动估算时差。

在炮检循环内，计算每一个炮检对的互相关函数，该互相关函数的计算公式为：

C

其中，d

通过互相关函数C

在上式中，当x

S3.3根据反偏移的反射波场和时差，通过Rytov近似计算伴随源；

通过Rytov近似计算伴随源的方法为：

将反偏移的反射波场u

根据反偏移的反射波场和二阶导数求取伴随源的正则化因子；

正则化因子的计算公式为：

E＝∫ü

根据一阶导数、正则化因子和时差计算伴随源，伴随源的计算公式为：

其中，E是正则化因子，u

为了说明本实施例中计算伴随源的方法的优点，下面给出现有技术中的伴随源计算方法，伴随源的计算公式为：

对比本实施例中获得的伴随源f(t)和现有技术中的伴随源f

与现有技术相比，本实施例中的伴随源不受到数据中噪音的影响，尤其重要的，新的伴随源不包含时延或相延项，因此对走时差估计的误差不敏感。本实施例中方案能提供一种稳定、可靠的波动方程反射波走时背景速度建模方法。

S3.4根据伴随源，计算检波器端的反向传播的背景波场和散射波场；

S3.5计算震源端的正向传播波场和检波器端的反向传播的背景波场和散射波场的零延迟互相关，获得反射波走时反演的梯度；

反射波走时反演的梯度的计算公式为：

其中，v(x)是任意空间位置x处的速度值，ü

S3.6根据反射波走时反演的梯度求取每一步更新的步长，更新背景速度模型。

S4重复步骤S1-S4，直至完成所有目标层位上的速度反演。

随着勘探开发工作的进行，地震勘探逐渐从陆上向海洋尤其是深海进军。海上拖缆观测系统是最为经济、高效的采集方式，拖缆观测系统所采集的压力数据也是海洋地震数据的主体。由于拖缆长度有限，海上的地震数据往往观测孔径较小，常规的利用初至波的建模技术很难获得中深部目标区域的构造。此时，反射波建模方法成为中深部速度建模的主要技术工具。由于传统波动方程建模技术对数据噪音、走时估计误差敏感，因此，本实施例中方案提供了更加稳定、可靠的波动方程反射波走时中深层建模方法，其为野外勘探和室内资料处理的共同需求。

实施例二

基于相同的发明构思，如图2所述，本实施例以二维复杂理论模型作为真实模型，该二维复杂理论模型共有750×240个网格，网格间距15米×15米，速度最大值和最小值分别为2000米/秒和4200米/秒。在该二维复杂理论模上进行声波正演模拟，共正演125炮。炮点均匀分布于地表，炮间距为90米，第一炮在水平位置0米处。检波点以15米间隔均匀分布于地表。双边放炮，每炮的最大偏移距为3600米，最小偏移距为0米。建模流程共选择了3个目标层位。具体的：

采集地震数据，并对该地震数据进行滤波、压制多次波等不破坏地震数据运动学学特征的预处理，并切除直达波；

根据地下先验信息生成初始背景速度模型，将经过预处理的地震数据输入处理器，处理器根据初始背景速度模型，进行逆时偏移成像，获得深度域成像剖面；

从深度域成像剖面中自动或手动拾取一个连续的目标地质界面；

基于初始背景速度模型和拾取的目标地质界面进行Born正演，获得震源端背景波场、散射波场和反偏移的反射波场；

根据反偏移的反射波场和时差，通过Rytov近似计算伴随源，计算检波器端的反向传播的背景波场和散射波场；

计算震源端的正向传播波场和检波器端的反向传播的背景波场和散射波场的零延迟互相关，获得反射波走时反演的梯度；

根据反射波走时反演的梯度求取每一步更新的步长，更新背景速度模型。

重复上述步骤，直至完成所有目标层位上的速度反演，速度反演结果通过输出设备，如显示器等对结果进行显示。

图3是本实施例中初始速度模型图，通过该初始速度模型图获得如图4所示的地表共偏移距道集图。图3中同相轴普遍上翘，说明初始模型速度偏低，从粗糙的常梯度初始模型(即图3中模型)出发，利用本实施例中Rytov近似反射波走时反演迭代三轮的反演结果图如图5所示，利用反演的该速度模型得到的深度偏移成像结果见图6，参照图2中的真实模型可以发现，速度建模结果与真实模型有很高的相似度，绝大部分的速度层都能够被重建出来。

图7是本实施例中迭代三轮后输出的背景速度分别在x＝2.25km、3.75km、5.25km、6.75km处的速度剖面图；从图7的反演结果在x＝2.25km、3.75km、5.25km、6.75km处的速度剖面可以发现，利用本实施例中方法迭代三轮后得到的背景速度，其已经非常逼近真实速度，即图中的实线。利用迭代三轮的反演结果图(即图5)得到的地表共偏移距道集图，其结果如图8所示，图中的同相轴普遍被拉平，说明了本实施例中获得的反演结果可靠性较强。

需要注意的是，本实施例仅利用了较小偏移距的反射波，成功地重建了中深部的背景速度信息。本实施例流程中，不涉及手动拾取反射波走时，同时也不涉及手动拾取成像道集的剩余曲率，自动化程度高，稳定可靠，证明了本实施例中方法在实际应用中的巨大潜力。

实施例三

基于相同的发明构思，本实施例以我国东海某工区采集的拖缆数据为例，对本发明中层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法进行验证。图9是本实施例中初始速度模型图，该初始速度模型图为常梯度模型，该模型的大小为网格间距12.5米×12.5米。该拖缆数据共360炮，炮间距225米。每一炮315个检波器接收，道间距12.5米，观测系统最大偏移距4000米，最小偏移距0米。其具体过程与实施例二中类似，不同之处只在于本实施例中只选择了一个目标层位，本实施例中输出的背景速度模型图如图10所示，本实施例的速度更新量如图11所示。

从图10和图11中可以看出，经过本实施例中的速度建模方法，速度有了较大的更新，最大值约为500m/s，速度更新量也表明，初始模型的速度严重偏低。图12是本实施例中的初始模型的叠前深度成像剖面图；从图12中可知，初始模型的叠前深度成像剖面连续性很差，很难识别出有地质意义的层位，且含有明显的由于速度偏低造成的偏移画弧的假象。基于此剖面无法进行下一步的解释工作。本发明中层剥离波动方程反射波走时背景速度建模方法生成速度模型，基于该速度模型生成的叠前深度成像剖面，如图13所示。从图13中可知，图中同相轴连续性得到了极大的提高，成像剖面同相轴显示出较强的能量。同样地，本实施例中方法也不涉及手动拾取反射波走时，同时也不涉及手动拾取成像道集的剩余曲率，自动化程度高，稳定可靠，证明了本发明在实际应用中的效果。

实施例四

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种层剥离波动方程反射波走时背景速度建模系统，包括：

深度域成像剖面获得模块，用于根据初始背景速度模型，将地震数据进行逆时偏移成像，获得深度域成像剖面；

目标地质界面拾取模块，用于从深度域成像剖面中拾取连续的目标地质界面；

速度模型更新模块，用于根据初始背景速度模型和目标地质界面，进行Rytov近似反射波波动方程走时反演，更新当前层位上的背景速度模型；

速度反演模块，用于完成所有目标层位上的速度反演。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。