一种近地表层析速度分析方法.pdf

本发明公开了一种近地表层析速度分析方法，包括针对叠前数据拾取初至旅行时，通过叠前处理得到反映地下介质速度分布的初始模型；对模型利用最短路径射线追踪方法获取模拟旅行时；对模型利用频率域波动方程进行波场模拟，求取反映介质对旅行时扰动的敏感核函数；建立相应的反演方程并求解，得到慢度更新量。本发明基于菲涅尔带的层析速度分析，解决了传统基于射线理论的层析速度分析存在的大型稀疏矩阵求解不稳定的问题，更加真实地刻画了地震波传播规律，具有地球物理意义明显，稳定性强，效率高，计算结果更加真实可靠的优点。

1.  一种近地表层析速度分析方法，其特征在于，该方法包括如 下步骤：
1）针对叠前数据的初至旅行时的拾取，为反演提供准确的真实 旅行时信息；
2）对叠前数据进行初步处理得到大致反映地下介质速度分布的 初始速度模型；
3）对得到的初始速度模型进行最短路径射线追踪，求取相应的 模型旅行时，并与真实旅行时做差，得到旅行时残差,在此基础上根 据筛选法确定第一菲涅尔带的范围；
4）针对初始模型建立波动方程模拟波场，求取反映旅行时残差 对介质扰动的敏感核函数，所述敏感核函数为第一菲涅尔带限定的 Frechet核函数；
5)建立层析反演方程组；求解该层析反演方程组得到慢度更新 量；根据得到的慢度更新量对初始速度模型进行修改，得到第一次迭 代的结果；
6）重复上述步骤，直到获得满足精度要求的反映地下介质速度 分布的真实速度场，流程结束。

2.  根据权利要求1所述的近地表层析速度分析方法，其特征在于: 在步骤1）中，在拾取初至旅行时之前，还包括输入叠前数据的步骤， 所述叠前数据包括观测系统数据，激发点数据，接收点高程。

3.  根据权利要求2所述的近地表层析速度分析方法，其特征在 于:在步骤3）中，在进行最短路径射线追踪时要分别以炮点、检波 点为激发点计算正、反向旅行时。

4.  根据权利要求3所述的近地表层析速度分析方法，其特征在 于：在步骤3）中，所述根据筛选法确定第一菲涅尔带的范围采用的 公式是：
T SP + T RP - T SR < λ n - - - ( 2 ) , ]]>
T_SP代表震源S到介质任意一点P的旅行时，T_RP代表由接收点R 到P点的旅行时，T_SR为震源S到接收点R的最短旅行时，λ为地震 波主频对应的波长。

5.  根据权利要求4所述的近地表层析速度分析方法，其特征在 于：在步骤4）中，所述波动方程模拟波场为能准确模拟野外采集时 采用的观测系统的频率域波动方程模拟波场。

6.  根据权利要求5所述的近地表层析速度分析方法，其特征在 于：在步骤4）中，所述第一菲涅尔带限定的Frechet核函数的具体 表达式为：
F T ( r , ω ) = - 2 ω v 0 2 ( r ) &CenterDot; Im [ G 0 ( g , r ) G 0 ( r , s ) G 0 ( g , s ) ] - - - ( 1 ) , ]]>
其中ω为圆频率，G₀为背景介质的格林函数，Im代表取虚部。

7.  根据权利要求5所述的近地表层析速度分析方法，其特征在 于：在步骤5）中，求解层析反演方程组时，选取LSQR方法来求解 反演方程，并加入适当的正则化因子，使反演结果更加稳定，加快收 敛速度。

一种近地表层析速度分析方法
技术领域
本发明涉及地震物理勘探领域，涉及地震数据处理中的速度分 析，具体涉及一种近地表层析速度分析方法。
背景技术
地震速度建模方法主要有三类：常规叠加速度分析，基于道集分 析类的偏移速度建模方法，反演类的速度建模方法，三类方法经历了 交叉发展，精度依次提高。层析成像作为目前理论上精度相对较高的 速度建模方法被广泛应用于速度建模工作当中。
层析反演方法主要包括：射线层析和波动层析两大类。在传统的 地震层析成像中，射线理论一直扮演着重要的角色。射线理论流行的 重要原因主要在于以下两个方面：（1）计算机计算和存储能力的不 足；（2）射线理论在地震成像方法中容易实现。但是，射线理论是 波动方程的一种高频近似。射线理论的适用要满足两个假设条件：首 先，速度扰动体在相当于地震波波长尺度上的变化要非常平滑，在这 种情况下，是不存在散射的，也就是说相位的扰动是与频率成线性关 系并且地震子波不会发生畸变；另一方面，因为不存在散射，射线是 一条无限细的直线，只会覆盖速度场非常小的部分，且射线对经过的 速度扰动体具有记忆能力，因此无法根据观测到的旅行时扰动来确定 速度扰动的位置，因此射线层析要求观测系统必须提供足够的观测视 角，这就要求大量的炮检点，而在实际中，并不能满足这个要求，因 此射线层析求解存在很大的不适定性。上述问题严重制约了射线层析 反演的发展。
为了解决层析反演存在的上述问题，上世纪80年代出现了波动 方程层析成像方法。波动方程层析不存在射线的高频假设，因此理论 上应该有更高的反演精度。但是相对于射线层析而言，波动方程层析 中速度扰动与目标函数之间往往呈现非常强的非线性关系，要求精度 很高的初始速度模型，这就为初始速度建模以及迭代反演带来的很大 的困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种近地表层析速度分析方 法。
本发明采用的技术方案是：一种近地表层析速度分析方法，其特 征在于，该方法包括如下步骤：
1）针对叠前数据的初至旅行时的拾取，为反演提供准确的真实 旅行时信息；
2）对叠前数据进行初步处理得到大致反映地下介质速度分布的 初始速度模型；
3）对得到的初始速度模型进行最短路径射线追踪，求取相应的 模型旅行时，并与真实旅行时做差，得到旅行时残差,在此基础上根 据筛选法确定第一菲涅尔带的范围；
4）针对初始模型建立波动方程模拟波场，求取反映旅行时残差 对介质扰动的敏感核函数，所述敏感核函数为第一菲涅尔带限定的 Frechet核函数；
5)建立层析反演方程组；求解该层析反演方程组得到慢度更新 量；根据得到的慢度更新量对初始速度模型进行修改，得到第一次迭 代的结果；
6）重复上述步骤，直到获得满足精度要求的反映地下介质速度 分布的真实速度场，流程结束。
进一步，在步骤1）中，在拾取初至旅行时之前，还包括输入叠 前数据的步骤，所述叠前数据包括观测系统数据，激发点数据，接收 点高程。
进一步，在步骤3）中，在进行最短路径射线追踪时要分别以炮 点、检波点为激发点计算正、反向旅行时。
进一步，在步骤3）中，所述根据筛选法确定第一菲涅尔带的范 围采用的公式是：
T SP + T RP - T SR < λ n - - - ( 2 ) , ]]>
T_SP代表震源S到介质任意一点P的旅行时，T_RP代表由接收点R 到P点的旅行时，T_SR为震源S到接收点R的最短旅行时，λ为地震 波主频对应的波长。
进一步，在步骤4）中，所述波动方程模拟波场为能准确模拟野 外采集时采用的观测系统的频率域波动方程模拟波场。
进一步，在步骤4）中，所述第一菲涅尔带限定的Frechet核函 数的具体表达式为：
F T ( r , ω ) = - 2 ω v 0 2 ( r ) &CenterDot; Im [ G 0 ( g , r ) G 0 ( r , s ) G 0 ( g , s ) ] - - - ( 1 ) , ]]>
其中ω为圆频率，G₀为背景介质的格林函数，Im代表取虚部。
进一步，在步骤5）中，求解层析反演方程组时，选取LSQR方 法来求解反演方程，并加入适当的正则化因子，使反演结果更加稳定， 加快收敛速度。
本发明为一种介于射线和波动方程层析之间并兼顾两者优点的 层析方法。本发明依据有限频层析成像理论，即针对带限地震波的事 实，考虑地震波在非均匀介质中的绕射引起的波前弥合效应；在Born 与Rytov近似的理论基础上，建立了旅行时残差与介质速度扰动之间 的线性关系。有限频层析既有射线理论线性反演的高效率，同时兼有 波动理论的高反演精度。考虑到有限频理论中带限地震波的传播能量 主要分布在第一菲涅尔带内，我们把敏感核函数具体定义在第一菲涅 尔带限定的Frechet核函数，称为菲涅尔带层析核函数。
本发明解决了传统基于射线理论的层析速度分析存在的大型稀 疏矩阵求解不稳定的问题，更加真实地刻画了地震波传播规律，具有 地球物理意义明显，稳定性强，效率高，计算结果更加真实可靠的优 点。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2a是本发明中最短路径射线追踪时父节点追踪的示意图。
图2b是利用图2a中得到的父节点作为新的接收点继续追踪父节 点的示意图。
图2c是重复图2b的追踪计算到激发点所在网格时的示意图。
图3为本发明实施例2得到的第一菲涅尔带限定的敏感核函数。
图4为利用频率域波动方程模拟波场示意图。
图5a为传统射线层析方法反演得到得到的速度模型。
图5b为本发明实施例1的方法反演得到的速度模型。
图5c为本发明设置的真实的速度模型。
图6a为给定的常梯度初始速度模型。
图6b为实施例2的方法计算的层析速度场。
图7a为传统射线层析静进行静校正得到的结果。
图7b为实施例2的方法进行静校正得到的。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文 特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
实施例1。如图1所示，一种近地表层析速度分析方法，其特征 在于，该方法包括如下步骤：
在步骤101，往常规处理软件中输入参数数据，包括原始跑记录、 观测系统等信息并得到真实初至旅行时。流程进入到步骤102。
在步骤102，根据步骤101得到的初始速度模型，进行最短路径 射线追踪得到模型旅行时，并得到旅行时残差。流程进入到步骤103。
在步骤103，根据步骤101得到的初始速度模型，进行波动方程 模拟波场求取核函数。所述波动方程为频率域波动方程，求取的敏感 核函数如图4所示。流程进入到步骤104。
在步骤104，根据之前步骤得到的敏感核函数以及旅行时残差信 息，组建相应的层析反演方程组。流程进入到步骤105。
在步骤105，选取LSQR方法求解反演方程，并加入适当的正则 化因子，得到慢度更新量。流程进入到步骤106。
在步骤106，根据步骤106的到慢度更新量，对初始速度模型进 行修改，得到第一次迭代的结果，重复上述步骤，最终获得满足精度 要求的反映地下介质速度分布的地质模型，流程结束。
图2a到图2c出示了本实施例中的最短路径射线追踪的方法。图 2a表达的是在接收点所在的单元寻找所有的插值段，利用抛物旅行 时插值方法，在不同插值段分别计算从子震源到达接收点的局部最小 旅行时，然后把旅行时最小的作为接收点的旅行时，记录相应的差值 点作为父节点；图2b表达的是在将图2a计算得到的父节点，作为新 的接收点，重复步骤上述步骤，直到计算到激发点所在网格即图2c。
实施例2。本实施例与实施1的不同之处在于：在步骤101，往 常规处理软件中输入参数数据还包括激发点、接收点高程等相关信 息；在步骤102中，在进行最短路径射线追踪时要分别以炮点，检波 点为激发点计算正、反向旅行时，计算第一菲涅尔带的范围。在步骤 103，所述敏感核函数为第一菲涅尔带限定的Frechet核函数（结果 如图3a到图3c所示）通过频率波动方程计算核函数的具体表达式为：
F T ( r , ω ) = - 2 ω v 0 2 ( r ) &CenterDot; Im [ G 0 ( g , r ) G 0 ( r , s ) G 0 ( g , s ) ] - - - ( 1 ) ]]>
其中ω为圆频率，G₀为背景介质的格林函数，Im代表取虚部。
T SP + T RP - T SR < λ n - - - ( 2 ) ]]>
T_SP代表震源S到介质任意一点P的旅行时，T_RP代表由接收 点R到P点的旅行时，T_SR为震源S到接收点R的最短旅行时， λ为地震波主频对应的波长，通过公示（2）进一步圈定第一菲 涅尔带范围内的核函数。
图5a到图5c出示了采用传统的射线层析方法和实施例1的方法 对一具体实施例模型数据进行速度分析的结果对比。对比图5a、图 5b，图5c，可以看出，传统的射线层析方法虽然对速度构建和界面 有了一定程度的反映，但是反演结果很不稳定，产生了很多假象，这 对后续的偏移、解释等工作产生不利影响；通过对传统层析速度分析 方法的理论上的创新性修改，对于近地表速度复杂速度结构的反演精 度和分辨率，都有了较大的提高，结果更加真实可靠。
实验例。本发明近地表层析速度分析方法，应用于胜利油田多块 区的实际地震数据，取得了理想的成像效果。
图6a到图6b出示了本发明的实施例2中对初始速度模型进行菲 涅尔带层析速度分析的到的反演结果。对比图6a、图6b，可以看出， 利用本发明的方法充分反演出低降速带底界面，低速带底界面的复杂 抖动得到了清晰的表现，说明本发明的效果明显。
图7a到图7b出示了采用传统层析方法和本发明利用实施例2 的方法对某一实际数据进行静校正得到的效果的对比。对比图7a、 图7b，可以看出，利用本发明的方法得到的速度信息进行静校正的 炮集有效波信号的双曲线规律更加明显，同相轴波动现象得到明显消 除，同相轴更加平滑，说明本发明效果明显，结果更加真实可靠。
本发明所提供的层析速度分析方法包括针对叠前数据拾取初至 旅行时，通过叠前处理得到反映地下介质速度分布的初始模型；对模 型利用最短路径射线追踪方法获取模拟旅行时；对模型利用频率域波 动方程进行波场模拟，求取反映介质对旅行时扰动的敏感核函数；建 立相应的反演方程并求解，得到慢度更新量。特别是该方法基于菲涅 尔带的层析速度分析，解决了传统基于射线理论的层析速度分析存在 的大型稀疏矩阵求解不稳定的问题，更加真实地刻画了地震波传播规 律，具有地球物理意义明显，稳定性强，效率高，计算结果更加真实 可靠的优点。