一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法
【專利摘要】一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法，屬于地震波形反演領(lǐng)域，具體包括以下步驟：在基于海上單邊觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相位編碼全波形反演的過(guò)程中，對(duì)于每次迭代時(shí)求取的模擬超級(jí)記錄和實(shí)際超級(jí)記錄，首先在引入滑動(dòng)時(shí)窗的基礎(chǔ)上計(jì)算記錄中每道每個(gè)采樣點(diǎn)的基于局部歸一化最小平方的記錄殘差加權(quán)值，然后利用這些加權(quán)值求取記錄中各點(diǎn)的記錄殘差；模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方法可有效細(xì)化每個(gè)時(shí)窗內(nèi)各個(gè)模擬道與實(shí)際記錄道的相關(guān)度，有效壓制殘差記錄中的觀測(cè)殘差，使得殘差記錄能更精確地反映速度模型擾動(dòng)產(chǎn)生的波場(chǎng)變化。
【專利說(shuō)明】
一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于地震波形反演領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于單邊觀測(cè)地震數(shù)據(jù)的相位編 碼全波形反演中求取記錄殘差的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀(jì)八十年代，Tarantola等人首先基于最小平方理論提出了時(shí)間域全波形反 演方法，該方法充分利用實(shí)測(cè)地震記錄的走時(shí)、振幅以及相位等信息來(lái)重建地下介質(zhì)的速 度結(jié)構(gòu)，理論上對(duì)于理想觀測(cè)系統(tǒng)其精度可達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，因此全波形反演被認(rèn)為是能 夠進(jìn)一步提升地震勘探的油氣勘探能力的重要方法，有望在未來(lái)的油氣勘探中發(fā)揮重要作 用。
[0003] 經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的發(fā)展，時(shí)間域全波形反演方法在理論上和應(yīng)用上都取得了長(zhǎng)足的 進(jìn)步，但超大的計(jì)算量阻礙了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了提高時(shí)間域全波形反演的計(jì)算 效率，2009年，Krebs提出了基于相位編碼技術(shù)的全波形反演方法，其利用相位編碼技術(shù)將 所有炮合成一個(gè)超級(jí)炮集，由于應(yīng)用一個(gè)超級(jí)炮集進(jìn)行反演計(jì)算，因此大大提高了時(shí)間域 全波形反演的計(jì)算效率。
[0004] 相對(duì)而言，應(yīng)用相位編碼技術(shù)進(jìn)行全波形反演（以下簡(jiǎn)稱相位編碼全波形反演)是 目前提升全波形反演計(jì)算效率的最為經(jīng)濟(jì)有效的手段，但相位編碼全波形反演更適應(yīng)于全 排列觀測(cè)系統(tǒng)（即炮移動(dòng)而接收道不動(dòng)的采集方式），而對(duì)于海上常規(guī)拖纜式單邊觀測(cè)地震 數(shù)據(jù)，相位編碼全波形反演會(huì)受到因觀測(cè)系統(tǒng)差異導(dǎo)致的殘差記錄（以下簡(jiǎn)稱觀測(cè)殘差）的 影響而變得不收斂或降低反演精度。鑒于此，近年來(lái)Routh等、Choi等通過(guò)修改反演目標(biāo)函 數(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了基于歸一化全局互相關(guān)法算法的相位編碼全波形反演，大大提高了海上 單邊觀測(cè)地震數(shù)據(jù)的相位編碼的穩(wěn)定性和反演精度。RouthXhoi等提出的基于全局互相關(guān) 算法的相位編碼全波形反演是通過(guò)應(yīng)用歸一化全局互相關(guān)算法求取出每一道的模擬記錄 和實(shí)際記錄互相關(guān)值，并以此計(jì)算得到相位編碼全波形反演的殘差記錄，其可在一定程度 上弱化觀測(cè)殘差，但應(yīng)用歸一化全局互相關(guān)算法求取的各道每個(gè)采樣點(diǎn)的互相關(guān)值均相 同，其忽視了各道不同時(shí)窗的信息差異，導(dǎo)致參與反演計(jì)算的殘差記錄中依然存在部分觀 測(cè)殘差，降低了反演的精度，因此，研究一種可以考慮各道不同時(shí)窗信息差異的方法對(duì)于壓 制觀測(cè)殘差、提尚反演精度具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求 取方法。在基于海上單邊觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相位編碼全波形反演的過(guò)程中，對(duì)于每次迭代 時(shí)求取的模擬超級(jí)記錄和實(shí)際超級(jí)記錄，首先在引入滑動(dòng)時(shí)窗的基礎(chǔ)上計(jì)算記錄中每一道 每個(gè)采樣點(diǎn)的局部歸一化最小平方的記錄殘差加權(quán)值，然后利用這些加權(quán)值求取記錄中各 點(diǎn)的記錄殘差，從而精確地反映速度模型擾動(dòng)產(chǎn)生的波場(chǎng)變化。
[0006] 本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0007] 一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法，具體包括以下步驟：
[0008] (1)假設(shè)模擬超級(jí)地震記錄為U1^觀測(cè)超級(jí)地震記錄為du，其中i和j分別為地震 道號(hào)和時(shí)間采樣點(diǎn)號(hào);假定地震道數(shù)為Sn，記錄長(zhǎng)度為TN，則1〈5^_〈1^基于以上假設(shè)條件， 給定時(shí)窗長(zhǎng)度IV，則可基于局部歸一化最小平方理論，按以下步驟計(jì)算每道每個(gè)采樣點(diǎn)的 記錄殘差加權(quán)值：
[0009] ①在第一個(gè)Tw時(shí)窗內(nèi)，基于式（1)計(jì)算出模擬超級(jí)記錄和實(shí)際超級(jí)記錄的記錄殘 差加權(quán)值/說(shuō),4),
[0010]
(1)
[0011] 式中，!^和心分別為時(shí)窗的起始時(shí)間，
記錄道中各采樣點(diǎn)的殘差平方的最大值，并將該值作為時(shí)窗中心點(diǎn)IV/2的記錄殘差加權(quán) 值，對(duì)于t〈Tw/2的時(shí)間采樣點(diǎn)，令f (t) = f (IV/2);
[0012] ②將時(shí)窗向下滑動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)，并重復(fù)①操作，從而得到第二個(gè)時(shí)窗中心點(diǎn)的記 錄殘差加權(quán)值；
[0013] ③隨著時(shí)窗不斷向下滑動(dòng)，最終可得到Tw/2至Tn-Tw/2范圍內(nèi)所有點(diǎn)的記錄殘差加 權(quán)值；
[0014] ④對(duì)于t>TN-Tw/2的時(shí)間采樣點(diǎn)，令f (t) = f (Tn-Tw/2 )，這樣即可得到該道每個(gè)采 樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值；
[0015] (2)根據(jù)步驟（1)對(duì)每一道都進(jìn)行局部歸一化最小平方的記錄殘差加權(quán)值的求取， 即可得到模擬超級(jí)地震記錄和觀測(cè)超級(jí)地震記錄每道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值 /@,4),在此基礎(chǔ)上可根據(jù)式(2)計(jì)算出記錄殘差I(lǐng)。
[0016]
(2)
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：
[0018] 本發(fā)明提出的一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法，在引入滑動(dòng)時(shí) 窗的基礎(chǔ)上計(jì)算記錄中每道每個(gè)采樣點(diǎn)的局部歸一化最小平方的記錄殘差加權(quán)值，然后利 用這些加權(quán)值求取記錄中各點(diǎn)的記錄殘差。相比于傳統(tǒng)全波形反演的殘差記錄求取方法以 及歸一化全局互相關(guān)算法，基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取算法可更有效壓制殘 差記錄中的觀測(cè)殘差，從而使殘差記錄能夠更精確地反映速度模型擾動(dòng)產(chǎn)生的波場(chǎng)變化， 可有效提升單邊觀測(cè)系統(tǒng)地震數(shù)據(jù)其相位編碼全波形反演的精度，并有望在實(shí)際數(shù)據(jù)的全 波形反演中發(fā)揮重要作用。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖 I Marmousi速度模型；
[0020] 圖2第200炮地震記錄；
[0021] 圖3初始速度模型；
[0022] 圖4實(shí)際記錄的相位編碼超級(jí)炮集；
[0023] 圖5模擬的超級(jí)記錄；
[0024] 圖6局部歸一化最小平方的殘差記錄；
[0025] 圖7基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取流程圖；
[0026]圖8傳統(tǒng)全波形反演的殘差記錄；
[0027]圖9歸一化全局互相關(guān)法的殘差記錄。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明提出的一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法，具體的實(shí)施過(guò) 程主要分為以下三步：（1)基于觀測(cè)地震記錄計(jì)算得到實(shí)際超級(jí)地震記錄，基于超級(jí)震源模 擬得到模擬超級(jí)地震記錄；（2)對(duì)求取的模擬超級(jí)地震記錄和實(shí)際超級(jí)地震記錄，在滑動(dòng)時(shí) 窗內(nèi)計(jì)算每道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值；（3)在得到模擬超級(jí)地震記錄和觀測(cè)超級(jí)地 震記錄每道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式計(jì)算得出最終的記錄殘差。 [0029] Marmousi模型是一個(gè)測(cè)試地震數(shù)據(jù)處理、反演方法準(zhǔn)確性的著名模型，模型橫向 長(zhǎng)9200m、縱向深3000m，共有160層，含有大量的反射界面、陡傾角和強(qiáng)烈的橫向、縱向的速 度變化，現(xiàn)已成為偏移、反演算法和速度分析方法的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)數(shù)據(jù)集。圖1為擴(kuò)展的 Marmousi模型，是在Marmousi速度模型的基礎(chǔ)上左邊擴(kuò)展4.5km，右邊擴(kuò)展2km，擴(kuò)展出的部 分其速度值與原始模型的左右邊界值相同，這里僅顯示模型4.5km~13.7km區(qū)域。
[0030] 基于該擴(kuò)展的Marmousi模型，采用右邊放炮、左邊接收的單邊觀測(cè)方式，模擬得到 共561炮地震記錄(第200炮地震記錄如圖2所示)作為反演的觀測(cè)地震記錄。該炮集記錄每 炮為220道接收，最小偏移距為120m，炮間隔和道間隔均為20m，炮點(diǎn)深度和接收點(diǎn)深度也均 為 20m。
[0031] 對(duì)真實(shí)模型進(jìn)行100000次平滑處理，并以此作為反演的初始模型進(jìn)行相位編碼全 波形反演實(shí)驗(yàn)(初始模型如圖3所示）。為降低相位編碼全波形反演的串?dāng)_影響，每次迭代時(shí) 本文采用隨機(jī)炮分組方式將所有炮分為四組進(jìn)行相位編碼全波形反演計(jì)算，下面將詳細(xì)闡 述本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程：
[0032] (1)基于觀測(cè)地震記錄計(jì)算得到實(shí)際超級(jí)地震記錄(如圖4所示），記錄長(zhǎng)度為4s;
[0033] (2)基于超級(jí)震源模擬得到模擬超級(jí)地震記錄(如圖5所示），記錄長(zhǎng)度為4s;
[0034] (3)選定時(shí)窗長(zhǎng)度為500ms，按以下步驟計(jì)算模擬超級(jí)地震記錄和觀測(cè)超級(jí)地震記 錄中每一道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值：
[0035] ①在第一個(gè)時(shí)窗0-500ms內(nèi)，基于式(3)計(jì)算模擬超級(jí)記錄和實(shí)際超級(jí)記錄的記錄 殘差加權(quán)值，
[0036]
(3)
[0037]并將其作為時(shí)窗中心點(diǎn)250ms的記錄殘差加權(quán)值，對(duì)于t〈250ms的時(shí)間采樣點(diǎn)，令f (t)=f(250)；
[0038]②將時(shí)窗向下滑動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)，并重復(fù)①操作，從而得到第二個(gè)時(shí)窗中心點(diǎn)的記 錄殘差加權(quán)值；
[0039]③隨著時(shí)窗不斷向下滑動(dòng)，最終可得到250-3750ms范圍內(nèi)所有點(diǎn)的記錄殘差加權(quán) 值；
[0040] ④對(duì)于t>3750ms的時(shí)間采樣點(diǎn)，令f (t) = f (3750)，這樣就得到該道每個(gè)采樣點(diǎn)的 記錄殘差加權(quán)值。
[0041] (4)根據(jù)步驟(3)對(duì)每一道都進(jìn)行記錄殘差加權(quán)值的求取，得到模擬超級(jí)地震記錄 和觀測(cè)超級(jí)地震記錄每道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值，在此基礎(chǔ)上根據(jù)式(4)計(jì)算出記 錄殘差（Kl β 、
[0042] (4)
[0043] 以上步驟的流程圖如圖7所示。
[0044] 為了說(shuō)明本發(fā)明所述方法的有效性，這里與基于傳統(tǒng)全波形反演的殘差記錄(如 圖8所示）和基于歸一化全局互相關(guān)法的殘差記錄(如圖9所示)進(jìn)行了對(duì)比。由圖8可知，由 于觀測(cè)炮集記錄采用單邊觀測(cè)系統(tǒng)，因而由其經(jīng)相位編碼技術(shù)得到的超級(jí)炮集記錄僅由左 邊接收的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成，而基于超級(jí)震源模擬得到的超級(jí)記錄中卻包含了左右兩邊接收的 地震數(shù)據(jù)，因此常規(guī)相位編碼全波形反演的殘差記錄中包含了大量觀測(cè)殘差(如圖8中箭頭 所示）。相對(duì)而言，歸一化全局互相關(guān)相位編碼全波形反演其殘差記錄已經(jīng)大大弱化觀測(cè)殘 差，但其依然可見(jiàn)部分殘余（圖9中箭頭所示）；而對(duì)比圖6和圖9可知，在基于局部歸一化最 小平方的殘差記錄中，觀測(cè)殘差的壓制效果明顯優(yōu)于基于歸一化全局互相關(guān)算法的相位編 碼全波形反演。通過(guò)以上的對(duì)比分析，可以充分驗(yàn)證本發(fā)明所述方法在壓制觀測(cè)殘差方面 的有效性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于局部歸一化最小平方的記錄殘差求取方法，其特征在于它具體包括W下步 驟： (1) 假設(shè)模擬超級(jí)地震記錄為m J，觀測(cè)超級(jí)地震記錄為di J，其中i和j分別為地震道號(hào) 和時(shí)間采樣點(diǎn)號(hào);假定地震道數(shù)為Sn，記錄長(zhǎng)度為TN，則i<SN，j<TN;基于W上假設(shè)條件，給定 時(shí)窗長(zhǎng)度村，則可基于局部歸一化最小平方理論，按W下步驟計(jì)算每道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄 殘差加權(quán)值： ① 在第一個(gè)Tw時(shí)窗內(nèi)，基于式（1)計(jì)算出模擬超級(jí)記錄和實(shí)際超級(jí)記錄的記錄殘差加權(quán) 值 mi,.)，(1) 式中，Τι和T2分別為時(shí)窗的起始時(shí)間，為第i記錄 道中各采樣點(diǎn)的殘差平方的最大值;并將該值作為時(shí)窗中屯、點(diǎn)Tw/2的記錄殘差加權(quán)值，對(duì) 于t<Tw/2的時(shí)間采樣點(diǎn)，令f (t) = f (Tw/2); ② 將時(shí)窗向下滑動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)，并重復(fù)①操作，從而得到第二個(gè)時(shí)窗中屯、點(diǎn)的記錄殘 差加權(quán)值； ③ 隨著時(shí)窗不斷向下滑動(dòng)，最終可得到Tw/2至Tn-Tw^范圍內(nèi)所有點(diǎn)的記錄殘差加權(quán) 值； ④ 對(duì)于t〉TN-Tw/2的時(shí)間采樣點(diǎn)，令f(t) = f(TN-Tw/2)，運(yùn)樣即可得到該道每個(gè)采樣點(diǎn)的 記錄殘差加權(quán)值； (2) 根據(jù)步驟（1)對(duì)每一道都進(jìn)行局部歸一化最小平方的記錄殘差加權(quán)值的求取，即可 得到模擬超級(jí)地震記錄和觀測(cè)超級(jí)地震記錄每道每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄殘差加權(quán)值/仙,，<)， 在此基礎(chǔ)上可根據(jù)式(2)計(jì)算出記錄殘差氣(2)
【文檔編號(hào)】G01V1/28GK105842730SQ201610149669
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月16日
【發(fā)明人】宋鵬, 張曉波, 夏冬明, 李金山, 譚軍, 姜秀萍, 趙波, 李沅衡, 李婧
【申請(qǐng)人】中國(guó)海洋大學(xué)