專利名稱：一種三維地震偏移成像的逆算子逼近方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于勘探地球物理領(lǐng)域中地震偏移成像方面所研究的課題，地震勘探數(shù)據(jù)是通過現(xiàn)場儀器設(shè)備記錄到磁性介質(zhì)并且在地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺中數(shù)據(jù)體也可以用特定軟件顯示為地震剖面圖像。本發(fā)明提出一種的簡便算法對地震反射波數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移成像處理計(jì)算，為了解地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)勘探方案的部署，進(jìn)而準(zhǔn)確地確定勘探井位或其它地下資源的真實(shí)位置提供一種切實(shí)可行的可靠方法。
背景技術(shù)：
利用地震反射波數(shù)據(jù)資料對地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像是地震勘探的核心技術(shù)之一。這種稱為偏移成像(migration imaging)的技術(shù)，很像醫(yī)學(xué)中的CT成像，但是其復(fù)雜程度卻是難以類比。地震偏移成像的困難在于資料數(shù)據(jù)量特別大；信號源不確定；介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；地震波傳播中干擾噪聲強(qiáng)大，繞射、屏蔽、吸收等無法掌握的不利因素都對最終成像精度產(chǎn)生壞的影響。與此同時(shí)，就成本而言，一口勘探井的工業(yè)投入一般達(dá)到數(shù)千萬圓人民幣。因此工業(yè)上總是要求快速準(zhǔn)確的偏移成像成果，作為部署勘探方案、確定井位的依據(jù)。因此三維地震偏移成像技術(shù)的進(jìn)步是期待已久的，在地球物理學(xué)領(lǐng)域從理論到工業(yè)應(yīng)用，三維地震偏移成像技術(shù)長期以來受到普遍關(guān)注、吸引了大批優(yōu)秀科學(xué)家和工程技術(shù)人員來從事這方面的研究。
近二、三十年來，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在專門用于地震資料處理大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)機(jī)群上已經(jīng)建立了不少各具特色的軟件平臺，這是能源工業(yè)勘探中必不可少的基本的常規(guī)信號處理工具。但是，任何一種平臺都迫切需要提高偏移成像處理的速度和精度，目前還沒有一種平臺是令人滿意的，大批的技術(shù)力量在致力于研究開發(fā)新的方法。當(dāng)前，受到普遍重視的是三維隱格式有限差分偏移方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)地下速度的橫向變化，精度高；缺點(diǎn)是計(jì)算量太大。
1、數(shù)據(jù)量問題對于10km×10km的疊后數(shù)據(jù)資料，如果線距和CDP間距為25m，采樣間隔為4.00ms，那么在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)達(dá)到400×400＝160000個(gè)，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上需要求解的方程階數(shù)為160000×160000，對于記錄長度為6秒的資料需要求解上述階數(shù)的方程3000-6000次。
2、計(jì)算效率問題由于數(shù)據(jù)量大，計(jì)算繁雜通常已知的求解方法無法勝任?，F(xiàn)有的理論，一般只研究一次或幾次求解的算法。對于一塊很小面積的三維地震數(shù)據(jù)如果數(shù)千次地求借階數(shù)如此巨大的方程，已經(jīng)不再是效率和成本的問題了，是有沒有工業(yè)應(yīng)用的前景問題了。
3、方向畸變問題由于波場外推過程中數(shù)千次，使用已算出的數(shù)據(jù)，如果處理中不能控制好畸變，那么誤差的傳遞積累，足以使得最終成果毫無實(shí)際意義。
所以長期以來，人們期待的是快速準(zhǔn)確的計(jì)算技術(shù)，計(jì)算技術(shù)方面的問題解決了，成像方面的問題也就變的非常簡單?，F(xiàn)有已知的計(jì)算技術(shù)中分裂求逆是比較常用的，大致有交替方向隱式(ADI)法也稱為沿X-Y方向分裂(Brown，1983等)、基于螺旋邊界的降維LU分解(Rickett andClaerbout，1998)。后者是一種非線性方法，計(jì)算中無法避免混沌現(xiàn)象，邊界處理也有問題。前者在外推過程中由于圓對稱性被破壞，無法克服方向畸變使最終成果被歪曲。在后面的圖例和應(yīng)用例，將給出具體說明。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明提供一種三維地震偏移成像的逆算子逼近方法，其主要目的在于解決現(xiàn)有的地震偏移成像領(lǐng)域中所存在的計(jì)算量大、精度差、無法避免混沌現(xiàn)象及無法克服方向畸變等問題。
2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種三維地震偏移成像的逆算子逼近方法，其特征在于該方法主要按下列步驟進(jìn)行
a、首先進(jìn)行矩陣冪級數(shù)的計(jì)算與截?cái)喽囗?xiàng)式的計(jì)算將二階差分算子在波場外推的矩陣方程中表示為一個(gè)超大規(guī)模的對稱正定系數(shù)矩陣，這個(gè)矩陣事實(shí)上為隱格式外推方程Au＝p的系數(shù)矩陣，外推方程還可以表示為如下形式(I-Q)u＝(I+Q)p，當(dāng)矩陣Q的譜半徑滿足ρ(Q)＜1時(shí)，有(I-Q)-1＝I+Q+Q2+…，這是個(gè)矩陣冪級數(shù)，在實(shí)際使用時(shí)截?cái)酁轫?xiàng)數(shù)很少的矩陣多項(xiàng)式；b、然后進(jìn)行矩陣的譜半徑估計(jì)由于Q＝αxTx+αyTy，Tx，Ty分別表示沿x和y方向的二階差分算子矩陣，取Δx＝Δy，即有α＝αx＝αy，對矩陣Q取行和范數(shù)||Q||∞=max1≤i≤nΣj=1n||qij||≤8α,]]>只要α<18,]]>算法的收斂性就有保證；c、對實(shí)際資料處理中的對策由于地層的聲波速度v、道間距Δy，CDP間距Δx，時(shí)間采樣間隔Δt和外推步長Δl的選取，對本方法的收斂性、計(jì)算效率有一定影響，在采集和予處理階段做道內(nèi)插，或簡化地層聲波速度的分布模型，可使計(jì)算效率得到一定程度的提高；d、在嵌入到地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺中的軟件模塊中，使用上述逆算子逼近技術(shù)，并通過適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇，即可快速得到精度較高的圖像。
3、優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明為解決長期困擾勘探地球物理工業(yè)界的三維地震偏移成像精度問題，采用一種全新求解方法。本發(fā)明的新穎之處在于它完全放棄了本領(lǐng)域沿用了幾十年的、現(xiàn)在處在研究探索中的分裂逼近求逆的傳統(tǒng)思路。采用偏微分算子的矩陣冪級數(shù)及其截?cái)喽囗?xiàng)式直接逼近逆算子。用顯格式方法的極小的計(jì)算量實(shí)現(xiàn)了絕對穩(wěn)定的隱格式計(jì)算。它完全是一種隱式方法，所以絕對穩(wěn)定。但是它的計(jì)算量卻是出人意外地小，以至于在求出系數(shù)矩陣的同時(shí)就已經(jīng)得到了二階或四階的近似，這種全新方法把隱式方法的計(jì)算量降到最低。此前由于要么是計(jì)算量過于巨大已至于沒法承受，要么是波場外推中產(chǎn)生畸變，使有限差分法三維偏移長期停留在理論研究的狀態(tài)。本發(fā)明在數(shù)據(jù)處理過程中完全保持波場傳播的圓對稱性，使最終成像精度得到可靠保證，又由于計(jì)算效率比傳統(tǒng)方法提高百倍以上，使三維有限差分法隱式偏移成像技術(shù)成為真正實(shí)用的工業(yè)技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)能夠證實(shí)，所采用的計(jì)算方法在遼河油田計(jì)算所實(shí)施中具有明顯的技術(shù)效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
四

附圖1為三維地震偏移方法的分類圖；附圖2為針對波場外推算子圓對稱性畸變所作的各種校正圖；附圖3為CG偏移的脈沖響應(yīng)圖；附圖4為波場外推圓對稱性效果圖；附圖5為另一波場外推圓對稱性效果圖；附圖6為本發(fā)明與交替方向隱式(ADI)法波場外推圓對稱性效果比較圖；附圖7為Q171線偏移前疊加剖面圖；附圖8為Q171線偏移效果圖；附圖9為另一Q171線偏移效果圖；附圖10為本發(fā)明的Q171線偏移效果圖；附圖11為三種Q171線偏移效果對比圖；附圖12為Q201線偏移前疊加剖面圖；附圖13為Q201線偏移效果圖；附圖14為另一Q201線偏移效果圖；附圖15為本發(fā)明的Q201線偏移效果圖；附圖16為三種Q201線偏移效果對比圖；附圖17為GR軟件0471線偏移效果對比圖；附圖18為CG軟件0471線偏移效果對比圖。
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要是通過一種全新的快速準(zhǔn)確的計(jì)算技術(shù)，對地震反射波數(shù)據(jù)資料進(jìn)行偏移成像計(jì)算，得到的數(shù)據(jù)處理成果在地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺，可以顯示為地震偏移剖面圖像，這是油氣資源勘探和開發(fā)中所依賴的核心技術(shù)。精確的偏移成像成果會提高勘探的精度，其在礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)工業(yè)中的作用是至關(guān)重要的。現(xiàn)有的三維偏移成像方法有很多種，見附圖1所示。但偏移成像的精度并不理想，主要是因?yàn)榇嬖谥?jì)算量過大、計(jì)算中無法避免混沌現(xiàn)象，邊界處理等方面的問題。目前較常采用的計(jì)算方法有交替方向隱式(ADI)法和螺旋邊界非線性降維LU分解法，螺旋邊界非線性降維LU分解法在計(jì)算中總出現(xiàn)混沌現(xiàn)象，附圖2、3、4、5就采用了交替方向隱式(ADI)法形成的圖像。附圖2為針對波場外推算子圓對稱性畸變所作的各種校正，資料中采用9點(diǎn)、13點(diǎn)、17點(diǎn)、25點(diǎn)和六角形McCllalen變換。附圖3為外國軟件CG軟件偏移的脈沖響應(yīng)，從圖中可以看出偏移的噪聲嚴(yán)重。附圖4為外國軟件CG偏移的脈沖響應(yīng)水平切片，從圖中可以看出圓對稱性明顯畸變，偏移噪聲嚴(yán)重。附圖5為軟件GR偏移的脈沖響應(yīng)水平切片，從圖中可以看出圓對稱性明顯畸變，偏移噪聲嚴(yán)重。下面通過實(shí)施例對本發(fā)明做近一步說明實(shí)施例對于10km×10km的疊后數(shù)據(jù)資料，采用線距和CDP間距為25m，采樣間隔為4.00ms，使用本方法，主要涉及的技術(shù)要點(diǎn)有1、矩陣冪級數(shù)計(jì)算理論與截?cái)喽囗?xiàng)式的計(jì)算二階差分算子在波場外推的矩陣方程中表示為一個(gè)超大規(guī)模的對稱正定系數(shù)矩陣，這個(gè)矩陣與右端項(xiàng)計(jì)算有許多共同的部分，在傳統(tǒng)的分裂逼近方法中，這些實(shí)際上是冗余計(jì)算，在本方法對其加以利用，簡化或省略大量的計(jì)算。事實(shí)上隱格式外推方程Au＝p還具有如下形式(I-Q)u＝(I+Q)p當(dāng)矩陣Q的譜半徑滿足ρ(Q)＜1時(shí)，有(I-Q)-1＝I+Q+Q2+…，這是個(gè)矩陣冪級數(shù)實(shí)際上表示的是差分算子冪級數(shù)。在實(shí)際使用時(shí)截?cái)酁轫?xiàng)數(shù)很少的矩陣多項(xiàng)式。這樣一來就把求逆運(yùn)算變成了乘法運(yùn)算，把反演變成正演，其中的意義是十分重大的。用顯式的計(jì)算實(shí)現(xiàn)了絕對穩(wěn)定的隱式方法，避免了許多計(jì)算中必須解決的問題。
2、矩陣的譜半徑估計(jì)由于Q＝αxTx+αyTy，Tx，Ty分別表示x和y方向的二階差分算子矩陣，取Δx＝Δy，即有α＝αx＝αy，對矩陣Q取行和范數(shù)||Q||∞=max1≤j≤nΣj=1n||qij||≤8α,]]>只要α<18,]]>算法的收斂性就完全有保證。
3、實(shí)際資料處理中的考慮在資料處理的實(shí)踐中，地層的聲波速度v、道間距Δy，CDP間距Δx，時(shí)間采樣間隔Δt和外推步長Δl的選取，對本方法的收斂性，計(jì)算效率有一定影響。這與通常地震偏移中選取外推步長的經(jīng)驗(yàn)是一致的。當(dāng)然我們還有一整套控制誤差提高收斂速度的方案。采集和予處理階段所作的恰當(dāng)?shù)奶幚恚热绲纼?nèi)插，或適當(dāng)?shù)睾喕貙勇暡ㄋ俣鹊姆植寄Ｐ停矊⑹褂?jì)算效率得到一定程度的提高。
d、在嵌入到地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺中的軟件模塊中，使用上述的逆算子逼近技術(shù)，并通過合適的參數(shù)選擇，即可快速得到精度偏移成果并顯示為較真實(shí)的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖像。
附圖6所示的圖像為模型數(shù)據(jù)，圖中上部為交替方向隱式(ADI)法偏移脈沖響應(yīng)水平切片，從圖中能夠清楚的看出其圓對稱性明顯畸變；圖中下部為逆算子逼近(IOA)法偏移脈沖響應(yīng)水平切片，從圖中能夠清楚的看出其嚴(yán)格保持圓對稱性，沒有偏移噪聲。附圖7為Q171線偏移前疊加剖面。附圖8為CG軟件Q171線偏移效果圖，從圖中可以看出比較部位在圓圈處，成像不清楚。附圖9為GR軟件Q171線偏移效果圖，從圖中可以看出比較部位在圓圈處，成像模糊。附圖10為本發(fā)明逆算子逼近法的Q171線偏移效果圖，從圖中可以看出圓圈部位比其它方法成像清晰。附圖11為三種Q171線偏移效果對比圖，上邊是GR軟件成像效果圖，中間為逆算子逼近法成像效果圖，下邊是外國軟件CG成像效果圖，通過比較可以看出中間圖像紋路清晰，成像效果明顯好于上、下兩圖像的成像效果。附圖12為Q201線偏移前疊加剖面，附圖13為GR軟件Q201線偏移效果圖，圖像中圓圈部位成像不清晰。附圖14為CG軟件偏移結(jié)果，圖像中圓圈處成像不清楚。附圖15為本發(fā)明逆算子逼近法(IOA)的偏移結(jié)果，圖中可以看出圓圈部位信噪比高，成像清楚。附圖16為三種Q201線偏移效果對比圖，左邊是軟件GR形成的圖像，中間是逆算子逼近法形成的圖像，右邊是外國軟件CG形成的圖像，從圖中可以看出中間成像效果明顯好于左、右兩邊的圖像。
通過本技術(shù)方案的實(shí)施，得到的偏移成像成果精度高，計(jì)算十分快捷，能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映出地下介質(zhì)構(gòu)造，為勘探開發(fā)方案布暑，精確確定油井井位或勘察其他礦產(chǎn)資源提供可靠的依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種三維地震偏移成像的逆算子逼近方法，其特征在于該方法主要按下列步驟進(jìn)行a、首先進(jìn)行矩陣冪級數(shù)的計(jì)算與截?cái)喽囗?xiàng)式的計(jì)算將二階差分算子在波場外推的矩陣方程中表示為一個(gè)超大規(guī)模的對稱正定系數(shù)矩陣，這個(gè)矩陣事實(shí)上為隱格式外推方程Au＝p，其具有如下形式(I-Q)u＝(I+Q)p，當(dāng)矩陣Q的譜半徑滿足ρ(Q)＜1時(shí)，有(I-Q)-1＝I+Q+Q2+…，這是個(gè)矩陣冪級數(shù)，在實(shí)際使用時(shí)截?cái)酁轫?xiàng)數(shù)很少的矩陣多項(xiàng)式；b、然后進(jìn)行矩陣的譜半徑估計(jì)由于Q＝αxTx+αyTy，Tx，Ty分別表示沿x和y方向的二階差分算子矩陣，取Δx＝Δy，即有α＝αx＝αy，對矩陣Q取行和范數(shù)||Q||∞=max1≤i≤nΣj=1n||qij||≤8α]]>，只要α<18]]>，算法的收斂性就有可靠保證；c、對實(shí)際資料處理中的對策由于地層的聲波速度v、道間距Δy，CDP間距Δx，時(shí)間采樣間隔Δt和外推步長Δt的選取，對本方法的收斂性、計(jì)算效率有一定影響，需要在采集和予處理階段做道內(nèi)插，或簡化地層聲波速度的分布模型，可使計(jì)算效率得到一定程度的提高；d、在嵌入到地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺中的軟件模塊中，使用上述的逆算子逼近技術(shù)，并通過選定合適的參數(shù)，即可快速得到精度較高的圖像。
全文摘要
本發(fā)明特別涉及一種通過提出的簡便、快速算法將得到的地震反射波數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移成像計(jì)算，在嵌入到地震數(shù)據(jù)處理軟件平臺中，形成地震資料處理的最終成果資料并顯示為地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的剖面圖像，從而為勘探開發(fā)方案的布署、確定油氣井井位或其它礦產(chǎn)資源勘察提供一種可靠方法。本發(fā)明采用偏微分算子矩陣冪級數(shù)的截?cái)喽囗?xiàng)式直接逼近逆算子。在求得方程系數(shù)矩陣的同時(shí)能得到二階或四階的近似解。由于沒有在方向上采用分裂計(jì)算，不會產(chǎn)生方向畸變。本發(fā)明的目的在于解決目前所存在的計(jì)算量大、精度差、無法避免混沌現(xiàn)象及無法克服方向畸變等方面存在的問題，模型實(shí)驗(yàn)和大量的實(shí)際資料處理成果表明本發(fā)明已經(jīng)很好地解決了這些問題。
文檔編號G01V1/28GK1971308SQ200610047210
公開日2007年5月30日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者石殿祥 申請人:石殿祥