基于激發主能量優化算法的全波形反演梯度算子的提取方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及石油地震勘探速度建模技術領域，尤其涉及一種基于激發主能量優化 算法的全波形反演梯度算子的提取方法。
【背景技術】
[0002] 地震波的傳播速度是地震勘探中的一個基本參數，在地震資料處理和地震解釋的 諸多環節中扮演著重要的角色。影響地震波傳播速度的因素有很多，諸如地下介質的巖性、 密度、孔隙度、埋藏深度等等，這些因素最終體現在地震波的走時、波形、振幅和相位等屬性 上變化。只有充分了解速度及影響因素的相互關系，才有可能更為準確地估計出地下的結 構和構造。我國大多數勘探區域越來越復雜，呈現出地表構造和地下構造雙復雜特征。傳 統的速度分析方法已經很難達到所需的精度要求，也會直接影響成像質量。常用的速度分 析方法有：疊加速度分析、偏移速度分析、層析速度反演和全波形反演。這四種速度分析方 法的準確性依次升高，復雜度也依次升高。
[0003] 全波形反演技術是目前精度很高的速度分析和反演工具，其利用疊前地震記錄與 正演模擬炮記錄之間的尋求最佳匹配來獲取最優反演速度場。在反演過程中不僅考慮了地 震波傳播的旅行時等運動學信息，而且加入了振幅、相位、波形等動力學信息，能夠適應強 橫向變速介質和各向異性介質的速度反演。
[0004] 全波形反演的發展大致可以分為三個階段，第一個階段是從20世紀80年代到90 年代，這一時期是全波形反演理論形成和初步驗證階段，Lailly、Tarantola等人建立了基 于波動方程的波形反演的理論構架，之后一批學者分別利用簡單模型對反射和透射波形反 演效果進行了理論驗證。Gauth i er等人率先對理論模型合成的多偏移距數據進行了聲波和 彈性波全波形反演測試，反演結果既展示了全波形反演方法的應用潛力，也暴露出其根本 缺陷--對初始模型的嚴重依賴性。
[0005] 第二個階段是從上世紀90年代初到21世紀初，為全波形穩定發展階段，全波形反 演方法形成了多個分支和變種，其中以Pratt等提出的頻率域波形反演方法最具代表性， Pratt提出頻率域聲波和彈性波波形反演理論，并利用實際井間地震數據對方法進行驗證。 該方法利用稀疏矩陣直接解法求解頻率域的離散化聲波或彈性波波動方程，只要頻率與物 性參數不改變，通過一次稀疏矩陣LU分解和多次高斯消元法中的前向、后向回代運算，即 可完成所有炮點的單頻波場響應計算；應用研究方面以井間地震波形反演和海洋天然氣水 合物的疊前波形反演最具影響力。此外為解決全波形反演因初始模型不準而陷入局部極小 問題，Zhou等人先后給出了波動方程走時和波形聯合反演方法，以充分利用走時和波形兩 類數據對不同尺度模型參數變化的敏感度的優勢，使井間數據全波形反演更為穩定。
[0006] 自21世紀初至今，全波形反演達到了蓬勃發展的階段，全波形反演逐步從二維反 演走向三維反演，從聲波走向彈性波反演，從單參數反演到多參數反演，從各向同性到各向 異性反演。此外還有Laplace/Laplace-Fourier域全波形反演、各向異性全波形反演、先驗 信息約束的全波形反演和基于超級炮和相位編碼的全波形反演。此外隨著計算機水平的進 步，全波形反演的計算效率進一步得到了提升，其實現平臺逐步從單機單核走向了多核多 節點并行平臺、GPU并行平臺。在一定程度上，全波形反演的計算效率完全取決于大數據的 I/O交換。
【發明內容】
[0007] 為了提高時間域全波形反演的計算效率，本發明提供了一種基于激發主能量優化 算法的全波形反演梯度算子的提取方法，其利用有限差分算法計算震源波場和波場誤差反 傳波場，再根據激發主能量優化算法計算模型更新量的梯度。該方法可以在保障計算精度 的同時，減少大量I/O操作，大大提高全波形反演的計算效率，相比于常規梯度算法，在保 持精度的前提下，提高了近3倍的效率。
[0008] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0009] -種基于激發主能量優化算法的全波形反演梯度算子的提取方法，包括：
[0010] 建立全波形反演參數模型；
[0011] 利用常規的疊前單炮數據作為觀測數據，建立正反演觀測系統；
[0012] 將震源置于地表炮點處，利用優化有限差分算法計算該震源產生的正傳波場；
[0013] 確定震源波場的正向傳播過程中地下各點震源波場最大值及其對應的時刻，并保 存地下各點在激發主能量時窗內的波場；
[0014] 利用優化有限差分模擬算法計算波場殘差逆時傳播波場，判斷地下各點不同時刻 的波場殘差逆時傳播波場是否位于該點激發主能量時窗之內，通過基于激發主能量優化算 法得到全波形反演梯度算子。
[0015] 前述的基于激發主能量優化算法的全波形反演梯度算子的提取方法，具體包括如 下步驟：
[0016] (1)建立全波形反演參數模型；
[0017] (2)采用常規的疊加前單炮數據作為觀測數據，建立正反演觀測系統；
[0018] (3)將震源置于地表炮點處，利用下式表示的優化有限差分算法計算該震源產生 的正傳波場：
[0019] t-[_ m=.i
_
[0020] 其中U為震源產生的正傳波場，Cni為優化有限差分系數
f為介質速 度，Λ X和Λ z為空間采樣間隔，Λ t為時間采樣間隔，i，k為X和z空間坐標，η為時間坐 標；
[0021] (4)確定震源波場的正向傳播過程中地下各點最大值及其對應的時刻Ts ; CV
[0022] (5)定義激發主能量時窗長度為正傳波場中一個子波的時間長度w，保存地下各 點在激發主能量時窗內的波場，即以地下各點的#最大值對應時刻Ts為時窗中心的整 Cf 個主能量時窗之內的波場值；
[0023] (6)利用步驟⑶中所述優化有限差分正演模擬算法得到疊前單炮合成數據RU， 并其與觀測地震數據Cl cibs求差得到波場殘差RU-Clcibs ;
[0024] (7)利用下式表示的優化有限差分模擬算法計算波場殘差逆時傳播波場：
[0025]
[0026] 其中RU-Clcibs為波場殘差，I；為反傳算子，Cni為優化有限差分系數，U b為波場殘差逆 時傳播波場，V為介質速度，Δ X和Δ z為空間采樣間隔，Δ t為時間采樣間隔，i, k為X和 z空間坐標，η為時間坐標；
[0027] (8)判斷地下任意一點的不同時刻波場殘差的逆時傳播波場是否位于該點激發主 能量時窗之內，如果位于，則按下式提取基于激發主能量優化算法的用于全波形反演的梯 度算子：
[0028]
[0029] 其中RU-Clcibs為波場殘差，I；為反傳算子，為正演波場對時間的二階偏導，V為 (；? 空間速度分布，Ts為激發最大振幅對應時間步，w為激發主能量時窗長度，g(v)為全波形反 演的梯度。
[0030] 上述方案更進一步包括：
[0031] 步驟（1)中全波形反演的模型參數求取采用迭代方法求解，迭代公式為
[0032] mk+1 = mk+ Δ m (I)
[0033] 其中mk+1，mk分別表示第k次迭代模型參數和第k+1次迭代模型參數，Λ m是參數 模型的更新量，其表達式為：
[0034] Am = -Qg (2)
[0035] 其中g是參數模型更新量的梯度算子；α是計算步長。所以利用先驗信息建立全 波形反演參數的初始模型；
[0036] 步驟（3)中將震源置于地表炮點處，采用優化有限差分算法計算震源激發的正傳 波場；
[0037] TF傳姑M Π M加下的姑動方IS :<