專利名稱：基于模型的時間保持不變的層析成像的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從地震數(shù)據(jù)導出的模型參數(shù)(如地下地質(zhì)模型)的改變以便生成新的改變后的模型，例如通過改變模型參數(shù)。

背景技術：
理想地，地震成像數(shù)據(jù)集可通過唯一的地下地質(zhì)模型來表示。然而，通常由地震成像導出的地下地質(zhì)模型不是唯一的；就是說，地下地質(zhì)模型表示和模型參數(shù)值的許多組合可用來滿足同一成像條件。通常，這種變化是由于在獲取地震數(shù)據(jù)方面的限制造成的，如震源和接收器之間的炮檢距小以及方位覆蓋范圍有限。對地下地質(zhì)模型的非唯一性有貢獻的其它因素例如是有限的頻帶、噪聲、影區(qū)以及所用的波傳播的射線方法和理論的限制(例如，其中沒有考慮某些因素，如各向異性(對方向的依賴性)或各向同性(不依賴于方向)、由衰減造成的頻散、散射、高頻損耗等)等。這樣，導出準確的模型是基于從地震成像、測井和先驗地質(zhì)知識得到的信息所進行的解釋過程。這一過程通常是要求很多的過程，通常需要大量計算能力和大量人力介入。
作為結果而導出的地下模型通常包括幾百萬個數(shù)據(jù)點，每個數(shù)據(jù)點包含關于結構的幾何形狀和介質(zhì)性質(zhì)的信息。所以，改變模型通常是很復雜和費力的任務。
需要一種準確和有效的手段來改變地下地質(zhì)模型同時將計算障礙和對用戶輸入的需求最小化。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例包括使用時間保持不變的層析成像進行地震數(shù)據(jù)建模的系統(tǒng)和方法，包括存儲表征初始地震數(shù)據(jù)模型的參數(shù)值的初始集。初始地震模型可對應于至少多個射線對。每個射線對可具有走時。通過對初始模型中的多個射線對中的每個射線對改變參數(shù)值的初始集中的兩個或更多個參數(shù)值，可產(chǎn)生改變后的模型。改變所述兩個或更多個參數(shù)值中的一個參數(shù)值而不改變其余參數(shù)值可對應于每個射線對的走時變化，而組合地改變所述兩個或更多個參數(shù)值通常對應于每個射線對的走時沒有凈變化。



下述附圖中顯示了本發(fā)明的各個實施例，它們只是作為示例，不對本發(fā)明的范圍構成限制，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的地震數(shù)據(jù)模型的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的為形成新的地震數(shù)據(jù)模型而改變的初始地震數(shù)據(jù)模型的示意圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的被層位垂直位移代替的層位法向位移的示意圖； 圖4是可根據(jù)本發(fā)明一個實施例而使用的系統(tǒng)的示意圖；以及 圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的流程圖。
應該理解，為了圖示簡單和清楚，圖中所示元素不一定精確地和成比例地繪制。例如，為了顯示清楚，某些元素的尺度相對于其它元素的尺度被放大，或多個物理部件被包括在一個功能塊或元素中。再有，在認為適當?shù)牡胤?，附圖標記可在附圖中重復，以指出相應的或相似的元素。而且，圖中描繪的某些塊可被組合為單個功能。

具體實施例方式 在下文的描述中將描述本發(fā)明的各個方面。為了便于解釋，將給出具體配置和細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，本領域技術人員顯然知道也可以不在本文所述的具體配置和細節(jié)的情況下實施本發(fā)明。再有，為了使本發(fā)明清楚，公知的特點可能被略去或簡化。
標準的地下模型可以是地震數(shù)據(jù)集的初始的、通用的或基本的表示，以用作該地震數(shù)據(jù)集的每個新的表示的構成塊。標準的地下模型可(例如至少是部分地)由運動學特性或參數(shù)值的初始集來定義。該參數(shù)值的初始集通常包括被模型化的數(shù)據(jù)的初始估計的、基本的或固有的性質(zhì)(例如地下位置、空間關系、介質(zhì)性質(zhì)等)。該參數(shù)值的初始集可設置成例如模板矩陣Q。
通過對標準模型進行改變或擾動來改變作為模板的、基本的或標準的模型，可以定義每個新的地震數(shù)據(jù)模型。造成這種改變的數(shù)據(jù)可設置成例如擾動矢量X。改變后的模型(例如在改變后的模型中的走時)可通過模板矩陣Q和擾動矢量X相乘得到。造成改變或擾動的數(shù)據(jù)或信息可存儲在除擾動矢量以外的其它數(shù)據(jù)結構中。
與地震數(shù)據(jù)集的新模型是通過對數(shù)據(jù)的每個改變進行“從無到有(from scratch)”地構建的傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的實施例可以再使用先前產(chǎn)生的例如存儲在模板矩陣Q中的標準模型數(shù)據(jù)。該模板矩陣可以是產(chǎn)生地震數(shù)據(jù)集的所有其它模型的構成塊。例如，每個不同的擾動矢量X可應用于唯一的模板矩陣Q，以構建同一數(shù)據(jù)的模型的新變體。這些不同的模型可進行比較，以選出最佳的建模參數(shù)值。
初始模型可例如由射線追蹤機制來處理，以至少產(chǎn)生相應的多個射線對。對應于初始模型的每個射線對可具有走時(例如，波沿著射線對路徑從震源傳播到接收器的時間)。由于地下模型是從地震數(shù)據(jù)集導出的，故假定沿模擬的反射射線對計算的走時是正確的。這樣，各模型參數(shù)的改變必須保持這些走時不變。對模型參數(shù)集的任何改變都可以伴隨有其它參數(shù)集的相應改變，以保持沿每個射線對的總走時不變。
可使用時間保持不變的層析成像通過初始模型來構建改變的模型。在時間保持不變的層析成像中，在初始模型和改變后的模型中，沿射線對的總走時通常是相同的。通常，對各個初始模型參數(shù)值的擾動，如水平位移或介質(zhì)性質(zhì)的改變，會造成沿所生成的改變后的模型的射線對的走時改變。然而，在時間保持不變的系統(tǒng)中，改變后的模型應沒有這種走時改變。由此，層析成像機制可產(chǎn)生一個或更多個額外的擾動，造成沿改變后的模型的射線對的走時發(fā)生補償性變化(例如，相消或大小相等符號相反的變化)。由此，對初始模型應用組合擾動可使得改變后的模型中的走時整體上不出現(xiàn)改變(例如，模型間的走時保持不變)。
1.標準地下模型 參考圖1，它是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的地震數(shù)據(jù)模型100的示意圖。模型100可以是三維(3D)空間地下模型?？赏ㄟ^處理地震數(shù)據(jù)(例如未加工數(shù)據(jù))來產(chǎn)生模型100。模型100可由對應于模型每個節(jié)點112的參數(shù)值集來定義。例如，參數(shù)值可包括用于TTI介質(zhì)性質(zhì)和層位110的位置的值，如軸向壓縮波速VA和兩個湯姆森(Thomsen)各向異性參數(shù)厄普西隆(ε)和德耳塔(δ)。
模型100可通過例如射線追蹤機制進行處理。射線追蹤機制可產(chǎn)生用于產(chǎn)生射線對的層析成像系數(shù)。這樣，在模型100中的數(shù)據(jù)或由它導出的數(shù)據(jù)(例如層析成像系數(shù))至少可對應于多個射線對。模型100中的數(shù)據(jù)可對應于射線對以外的其它數(shù)據(jù)，例如模型的結構布局(structurallayout)(例如大小或一組維度)、計算關系(例如時間保持不變)等。每個射線對可包括在反射點128相遇的入射射線124和反射射線126。每個射線對可從震源點130發(fā)出并在接收器點132被收集。每個射線對可具有走時，例如，波沿著射線對路徑從震源點130傳播到接收器點132的時間。
模型100可包括多個被界面或?qū)游?10(例如由反射點128形成的)分開的地層114。界面可由空間表面(例如層位110)確定，而該空間表面又可由節(jié)點112(例如，層位110與垂直網(wǎng)格線的交點)確定。可在層位節(jié)點112定義網(wǎng)格120，層位節(jié)點通常在橫向被有規(guī)律地隔開，而在垂直方向可能被不規(guī)則地隔開。在另一實施例中，節(jié)點112可在垂直方向被有規(guī)律地隔開，而在橫向被不規(guī)則地隔開。也可使用節(jié)點112的其它配置。
可在網(wǎng)格節(jié)點112定義地震數(shù)據(jù)，例如包括背景介質(zhì)性質(zhì)，如TTI(傾斜橫向各向同性)的軸向壓縮波速或各向同性波速。層位110的每一點可由相對于參考層位的局部法線122的方向來確定。法線122可由傾角和方位角表示。在每個網(wǎng)格節(jié)點可指定TTI介質(zhì)對稱軸的方向。另外，在每個網(wǎng)格節(jié)點112，還可指定其它參數(shù)，如湯姆森參數(shù)δ和ε。
對給定的地下模型100，影響系數(shù)或模板矩陣Q(可用除Q以外的其它名字)可表示未被擾動的或初始的模型100的性質(zhì)，例如，具有定義參數(shù)值的初始集或特性的系數(shù)?？赏ㄟ^針對初始模型100中的震源點130和接收器點132的不同組合追蹤射線來計算出參數(shù)值的初始集。通常，初始特性集包括模型100的固有特性，初始特性集可用其最基本的、通用的或標準的形式來描述模型100的物理約束。計算這些系數(shù)集可以作為模型100構建過程的一部分。模板矩陣Q可被存儲為初始模型100的表示，并可在后面用于對初始模型100參數(shù)值的不同擾動的快速和準確的模擬/預測。地震數(shù)據(jù)集的初始模型100表示可用作產(chǎn)生同一地震數(shù)據(jù)集的各個新的模型變體的基礎。
2.修改模型 參考圖2，它是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的為形成新的地震數(shù)據(jù)模型100a而改變的初始地震數(shù)據(jù)模型100的示意圖。在一個實施例中，改變或擾動可包括例如反射層位110的位移。在圖2中，反射點128可移動一個反射點位移142(例如，指向新位置反射點128a的矢量Δd)。由于層位110的表面可被認為是局部平坦的，反射點位移142可被分解成法向位移(例如沿指向?qū)游?10表面的法線122方向上的位移)和切向位移。通常，只有法向位移影響相應射線對的走時。
對于初始地下模型100的給定改變或擾動，可產(chǎn)生相應的擾動矢量X (對于擾動矢量，可用其它名字)來表示該改變。擾動矢量X可應用于模板矩陣Q(例如通過右乘)，以產(chǎn)生對應于更新后模型100a的新走時。擾動矢量X的系數(shù)可包括模型參數(shù)的改變量。
在一個實施例中，可在精細網(wǎng)格(例如圖1的網(wǎng)格120)上定義模板矩陣Q的初始模型100的參數(shù)值，而在稀疏網(wǎng)格上定義擾動矢量X的模型參數(shù)改變量。例如，精細網(wǎng)格的分辨率可為4毫秒，而稀疏網(wǎng)格的分辨率可為50毫秒。由于稀疏網(wǎng)格不如精細網(wǎng)格詳細，對各個稀疏網(wǎng)格單元定義的模型參數(shù)值的改變通常在稀疏網(wǎng)格的單元內(nèi)為分段常數(shù)，而在精細網(wǎng)格的單元內(nèi)，值通常是連續(xù)變化的?？墒褂闷渌木W(wǎng)格細化或配置。例如，“稀疏”和“精細”可以是彼此相對而言的術語。
對于模型100，模板矩陣Q的層析成像系數(shù)可通過沿鏡面射線對(例如入射射線124和反射射線126)的射線追蹤來計算。針對一組張角(opening angle)和基本上所有的方位角，可選擇不同的精細網(wǎng)格層位節(jié)點作為震源和接收器，來執(zhí)行射線追蹤。層析成像系數(shù)可設置在模板矩陣Q中，其中，矩陣的行數(shù)(例如線性方程)通常等于被追蹤射線的數(shù)目。對于較大規(guī)模的3D模型，該數(shù)目可能太大，以致于得到的模板矩陣Q通常不能被有效地存儲在某些盤上或某些計算機存儲器中。本發(fā)明的實施例可包括將矩陣Q轉(zhuǎn)換成相對較小的壓縮矩陣Qij。每個壓縮矩陣Qij的維度可等于例如在稀疏網(wǎng)格120中的節(jié)點個數(shù)。
本發(fā)明的實施例提供一種系統(tǒng)和方法，用于快速和準確地模擬/預測地下地質(zhì)模型100介質(zhì)性質(zhì)或構造層位110位置的改變。
在一些實施例中，時間可保持不變。在時間保持不變的層析成像系統(tǒng)中，地下模型100可從地震成像中導出，其中假定沿鏡面的入射射線124和反射射線126穿過模型100的走時是正確的(例如，與記錄的地震數(shù)據(jù)完全一致)。此外，對任何擾動的模型100a，這些走時可保持不變。例如，沿射線124和126的走時可近似等于沿射線124a和126a的走時。
每個參數(shù)值的單個改變通常會造成沿模型100鏡面射線走時的改變。然而，在時間保持不變的層析成像系統(tǒng)中可補償參數(shù)值的改變，使得當參數(shù)值的改變被組合起來時，所造成的走時改變被抵消，結果沒有沿鏡面射線的走時凈改變或總改變。
例如，不需要改變模型中所有點。本領域的技術人員可以理解，改變模型100可包括只改變模型100中相應于地震數(shù)據(jù)集的子集的那一部分(例如網(wǎng)格120的節(jié)點112)。在一些實施例中，模型的這一部分可只影響射線對的子集的走時。所以，可通過只改變初始模型的某些參數(shù)值的子集來改變模型。在一個實施例中，被改變的參數(shù)值可固有地只影響射線對的子集。
時間保持不變的層析成像可用于地球物理解釋和生產(chǎn)任務，如不確定性分析、預測由于介質(zhì)性質(zhì)的不同表示造成的層位模型變化(例如從各向同性到各向異性，或從某種程度的各向異性到另一種程度的各向異性)。再有，時間保持不變的層析成像可用于確定由于在井中測量的標準層位(horizon marker)和模型層位位置之間發(fā)生錯誤聯(lián)系或不一致所造成的各向異性參數(shù)值。如這里將進一步詳細討論的那樣，這種不一致還可用于快速和準確的交互式模型100校正，例如，在地震數(shù)據(jù)收集或鉆井過程中，由此得到最佳的地質(zhì)導向(geosteering)方案。
3.目標 例如，本發(fā)明的實施例可包括在給定介質(zhì)性質(zhì)擾動的情況下，對模型層位110位移的快速和準確的層析成像分析和預測。例如，本發(fā)明的實施例可包括在給定層位位移和其它介質(zhì)擾動的情況下，各向異性介質(zhì)參數(shù)值的變化的快速和準確的模擬。
本發(fā)明的實施例提供層析成像工具，例如基于各向異性模型參數(shù)的小變化與其它模型參數(shù)值的擾動之間的線性關系的層析成像工具。參數(shù)的每個變化通常造成雙向路徑(例如入射射線124和反射射線126)上的走時出現(xiàn)殘差或變化。然而，由于模型100滿足成像條件，可以假定總走時得到保持(例如保持不變)。
地下地質(zhì)模型100可包括由界面(例如地質(zhì)層位110)分開的一組地層(例如地層114)。地層界面(層位110)可以是反射和/或折射層位。通常假定各向異性介質(zhì)參數(shù)值的分布在每個地層114中是連續(xù)和平滑的，而在沿界面(例如層位110)的過渡區(qū)是不連續(xù)的。在一個實施例中，模型100的介質(zhì)可以是傾斜橫向各向同性(TTI)介質(zhì)，例如，在每一點或在每個地質(zhì)地層114具有給定的對稱軸取向和給定的層位法線122的方向。也可以使用其它類型或介質(zhì)，更一般地如橫向各向同性(TI)介質(zhì)。
在一個實施例中，模型100可由3D空間中的(例如兩個)獨立的方向來定義。一個獨立的方向可以是介質(zhì)(例如TTI)的對稱軸的取向，它可由例如頂點(zenith)和方位角來描述。另一個獨立方向可以是層位表面的法線，它可被定義在每個層位110的任何點(例如，但并非必需，在3D空間的任何點)。層位表面法線122的取向還可由例如頂點和方位角來描述。這樣，在與層位110相交的每個節(jié)點112，法線112的取向110通?？刹煌诮橘|(zhì)對稱軸的取向。在3D空間中不對應于節(jié)點112的點處，通常只存在對稱軸取向。
可變的模型100的參數(shù)可包括例如界面或?qū)游?10的位置和TTI介質(zhì)的性質(zhì)，如軸向壓縮波速VA，兩個湯姆森各向異性參數(shù)ε和δ(例如，總共四個參數(shù))。被擾動的模型參數(shù)可在層位節(jié)點112定義，例如按稀疏規(guī)則橫向網(wǎng)格進行定義。在模型網(wǎng)格120的精細網(wǎng)格節(jié)點和稀疏網(wǎng)格節(jié)點之間可有3D空間內(nèi)插。使用內(nèi)插函數(shù)，如果給定其它三個參數(shù)變化，則可以在任何模型節(jié)點112處模擬任何參數(shù)的變化。這里將進一步詳細解釋這項技術。
4.主要假設 在一些實施例中，時間保持不變的層析成像可用于改變標準地下模型100。時間保持不變的層析成像可基于下列假設 ·通常保持沿鏡面的入射射線124和反射射線126的走時不變。
·通常模型參數(shù)的擾動較小，例如在不同參數(shù)的擾動之間具有線性關系。
·通常每次針對一個參數(shù)集來進行預測/模擬(例如，假定其它參數(shù)是給定的)。
·通常入射射線124和反射射線126的軌跡是固定的。這樣，介質(zhì)性質(zhì)的小擾動可造成走時變化，該走時變化是由于沿射線路徑的射線速度的變化但通常不是由于射線軌跡的幾何變化造成的。
其它實施例可使用不同的或其它的假設。雖然這里描述的實施例使用時間保持不變的層析成像，但本領域技術人員會理解這并不是必須的。本發(fā)明的其它實施例可使用這些假設中的一個或更多個假設不成立的其它層析成像方法。例如，當模型參數(shù)被擾動或改變，沿鏡面的入射射線124和反射射線126的走時也改變。
5.在橫向各向同性介質(zhì)中的射線追蹤 可沿反射表面(例如層面110)從一組節(jié)點112執(zhí)行TI介質(zhì)(例如3D TTI介質(zhì))中的射線追蹤。例如，從每個反射點128，以針對基本上全部方位角的不同的張角來追蹤一組鏡面射線對(例如入射射線124和反射射線126)。沿入射射線124和反射射線126的軌跡，可計算走時、弧長和層析成像系數(shù)。數(shù)學上，射線追蹤通常是對一組有初始條件(例如起始點位置、反射點128以及相速度的方向)的常微分方程(ODE)的數(shù)值解。
為簡化射線追蹤過程，在數(shù)值求解過程的每一步可轉(zhuǎn)動參考系，從而使介質(zhì)的對稱軸變?yōu)榇怪?。這樣，射線追蹤問題可簡化為追蹤具有垂直對稱軸的TI介質(zhì)(VTI)。例如，可在VTI參考系內(nèi)計算慢度分量px、py、pz和射線路徑的增量Δx、Δy、Δz，然后返回全局參考系?？蛇M行轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)各個新的VTI參考系(例如，當軸的取向不同于前一個反射點128的軸取向時)。射線追蹤算法可使用介質(zhì)性質(zhì)的導數(shù)，這些導數(shù)通常是在VTI參考系中計算的。沿著射線軌跡，射線哈密頓算子G通常會消失。VTI哈密頓算子G可例如由下式定義 其中函數(shù)K和L可例如由下式定義 (5.2) 如同這里描述的其它公式一樣，也可使用其它公式。在國際單位制(SI)中，哈密頓算子G的單位可以是[G]＝s2/m2。參數(shù)pz和ph可以分別是射線慢度的垂直(例如軸向)和水平(例如垂直于軸向)分量，例如 參數(shù)VP可以是軸向壓縮波速，δ和ε可以分別是第一和第二湯姆森各向異性參數(shù)δ和ε。最后，參數(shù)f可以是軸向剪切波速VS的平方與軸向壓縮波速VP的平方之比。例如，對于壓縮波(例如，或準壓縮波)，可假定下列常數(shù)參數(shù) TI介質(zhì)可由(例如五個)參數(shù)描述。然而，其中至少一個參數(shù)，即湯姆森γ(湯姆森gamma)，通常是與其它參數(shù)不耦合的。例如，湯姆森γ可描述在水平面中的純剪切運動。參數(shù)f通常被假定為常數(shù)且已知。這樣，未知參數(shù)通常例如為軸向壓縮波速、湯姆森δ和ε。
6.更新慢度量值 由于哈密頓算子G通常沿射線(例如入射射線124和反射射線126)消失，所以例如在給定慢度方向的情況下，可在射線軌跡的每一點處更新慢度的量值p。假定θphs為慢度矢量的傾角(例如，或頂角(zenith angle))(例如，方位角通常對于VTI無關緊要)，慢度分量例如為 ph＝p·sin α， pz＝p·cos(6.1) 求解關于哈密頓算子G的方程，則歸一化相速度例如可以是 其中，當波在垂直平面極化時，如果研究的是準壓縮波，則最右邊一項通常為正值，而當研究的是準剪切波，它通常為負值。相速度的倒數(shù)是慢度的量值，而相速度的方向通常與慢度方向一致，例如有下列關系 7.射線追蹤方程組 通?？衫靡唤M射線追蹤方程來構建射線對軌跡。該方程組通常包括(例如6個)基本ODE，還包括一個或更多個附加補充ODE?；綩DE 方程可描述射線點位置的導數(shù)，例如下式

和慢度分量的導數(shù)，例如下式 其中σ可以是沿射線路徑的獨立參數(shù)，其SI單位是例如[σ]＝m2/s(例如，速度的平方×時間)。這樣，dr/dσ的SI單位可以是[dr/dσ]＝s/m，其中r表示x、y、z，dp/dσ的SI單位可以是[dp/dσ]＝s2/m3。哈密頓算子G的笛卡爾偏導數(shù)通常與3D模型100體中的介質(zhì)性質(zhì)的變化有關，例如，按照下列關系 哈密頓算子G對于介質(zhì)性質(zhì)的導數(shù)例如可以是 (7.4) ODE附加方程組可包括例如，弧長和/或走時(例如在題為“弧長和走時”的部分中進一步詳細描述的)和/或?qū)游龀上裣禂?shù)(例如在題為“層析成像系數(shù)”部分中進一步詳細描述的)。
8.弧長和走時 沿射線的弧長增量dL可例如由下式定義 這樣，弧長導數(shù)dL/dσ可例如由下式定義 結合方程(8.2)和射線追蹤方程(7.1)，例如得出 沿射線的走時導數(shù)可由鏈規(guī)則得到 結合式(8.4)和式(7.1)，例如得出 弧長導數(shù)dL/dσ的SI單位是[dL/d σ]＝s/m，dt/dσ的SI單位是[dt/dσ]＝s2/m2。在一些實施例中，射線路徑的弧長和走時可被“在線(on-the-fly)”積分，即在求解射線追蹤方程組(例如基本ODE)期間積分。
9.走時的變化 TI介質(zhì)性質(zhì)(例如軸向壓縮波速、ε、δ值)的小變化與生成的沿整個射線或雙向射線對(例如入射射線124和反射射線126)的走時變化有關。走時變化遵循走時方程(8.5)，例如如下 (9.1) 注意，當參數(shù)σ是獨立參數(shù)時，可給出任何任意的從屬函數(shù)F(σ)，如走時、弧長等，例如下式 用式(7.1)中的對應項代替式(9.1)中的右側(cè)項或“尾端”項，例如給出 (9.3) 當參數(shù)σ獨立于射線路徑位置x、y、z時，根據(jù)式(9.2)，得到例如 當射線軌跡固定時，介質(zhì)性質(zhì)的小擾動通常不會造成可以影響走時的射線路徑變化，所以射線路徑變化可以被忽略，例如給出 Δ(dx)＝Δ(dy)＝Δ(dz)＝0(9.5) 結合式(9.4)和式(9.5)，例如給出 如這里描述的那樣，哈密頓算子通常沿射線路徑消失。當哈密頓算子為常數(shù)時，它的全變化(full variation)ΔG消失，例如下式 G＝constΔG＝0(9.7) 式(9.7)中的const表示常數(shù)。射線哈密頓算子G通常依賴于慢度分量和介質(zhì)參數(shù)，因此例如有如下關系 哈密頓變化之和ΔG的最左邊三項可與走時變化有關。結合式(9.8)和式(9.6)，例如給出 在等式(9.9)中的下標“medium(介質(zhì))”可表示在本式中走時變化的導數(shù)通常是由于介質(zhì)性質(zhì)的小變化造成的，通常不考慮層位位移。
10.層析成像系數(shù) 層析成像系數(shù)可將層位位移及介質(zhì)性質(zhì)的小擾動與沿鏡面射線(例如入射射線124和反射射線126)的走時誤差聯(lián)系起來。為得到由介質(zhì)性質(zhì)變化造成的走時殘差，可沿射線路徑對等式(9.9)進行積分，例如如下式所示 層析成像系數(shù)AV、Aδ、Aε可以是走時對模型參數(shù)變化的導數(shù)，例如 于是，例如 其中可在各向同性介質(zhì)中或各向異性介質(zhì)中沿射線對軌跡進行積分。結合式(10.3)和(10.1)，例如給出 Δtmedium＝AV·ΔVP+Aδ·Δδ+Aε·Δε (10.4) 等式(10.4)對射線對的給定的具體軌跡成立。注意，等式(10.3)可排列成ODE方程組的形式，例如 方程組(10.5)表示定義模型100的射線追蹤方程組的(例如三個)附加ODE。附ODE可在基本射線追蹤方程組和/或計算走時和弧長的計算期間被積分。這樣，可在例如射線追蹤期間“在線(on-the-fly)”計算層析成像系數(shù)。對于模型參數(shù)值的每次改變，這些系數(shù)可用于預測其它模型參數(shù)值的相應改變，以保持沿模型100的射線對的總走時不變。然而，層析成像系數(shù)本身通常不因模型參數(shù)值的變化而變化。在題為“水平位移”的部分中將對考慮了水平位移變化的層析成像系數(shù)進一步詳細描述。
11.層位位移 射線的折射點、反射點和層位位置中的每一個的變化通常會影響射線的走時。
再參考圖2，其中層位從第一位置的層位110位移到第二位置的層位110a。模型100可包括由層位表面110分開的地質(zhì)地層114(例如，如參考圖1描述的那樣)。圖2中示出了雙向射線路徑，包括具有初始反射點128的初始反射射線126和初始入射射線124。例如，由于層位位移或其它擾動，初始反射點128可移動到改變的反射點128a，造成新的改變后的雙向射線路徑，該路徑具有改變后的入射射線124a和改變后的反射射線126a。
首先討論由反射點128位移造成的走時變化，然后討論在該變化之后由折射點(例如震源點130和接收器點132)位移造成的走時變化。這里可將走時變化稱作“走時殘差”。數(shù)學上，首先對二維(2D)模型考慮層位位移，然后將針對2D模型得到的結果外推到一般3D模型。射線對走時Told可例如由下式定義 等式中的上標或下標“old”表示與舊的反射點有關。其中Vin，Ray和Vre，Ray可分別是入射射線124和在鏡像或反射點128的反射射線126的群速度。震源點130和接收器點132可以分別是入射射線124和反射射線126的位于最近的上層位(例如折射層位)134的折射點。通常，只需要在反射點128的附近考慮反射點128的速度。
例如，在一個實施例中，為簡化數(shù)學推導，可假定所考慮的地層中的速度是相同的，但這并不是必需的。這部分的結果對于任何非均一速度場都是有效的。例如，在其它實施例中，在地層中的速度可以是非均一的或分段均一的。
從初始反射點128到改變后的反射點128a的反射或鏡像點的位移可包括兩個對應矢量矢量

140，它可以是層位110的位移，以及矢量

142，它可以是反射點沿層位110a的位移?？烧J為層位110a是局部平坦的。對于位移后的射線對124a和126a，走時Tnew可例如由下式定義 等式中的上標或下標“new”表示與新的反射點有關。其中“新的”改變后的反射點128a的位置可例如表示為 Δs可以是新反射點128a沿層位表面110a的位移矢量Δs142的帶符號長度。注意，圖2中的傾角α146是負的。圖2中的帶符號位移Δs也是負的。對于等于零的傾角146，正的位移方向通常與x軸148的正方向一致。折射點(例如震源點130和點132)可被認為是顯著地遠離初始的反射點128和改變后的反射點的128a。這樣，舊的和新的入射射線124和124a的方向可被認為是近乎相同。類似地，兩個反射射線126和126a的方向也可被認為是近乎相同。速度非均一性對走時變化的影響也可被認為是可以忽略的(例如，數(shù)學上是較高階無限小)。走時殘差通常主要是由射線路徑長度的變化造成的。結合式(11.3)和式(11.2)，例如給出 (11.4) 沿層位的位移Δs通常是未知的，可利用斯奈爾(Snell)定律來計算，它使新的走時Tnew為最小，例如下式 這導致 (11.6) 對于包括入射射線124和反射射線126的初始“舊”射線對或者背景射線對，斯奈爾定律也是成立的。在初始反射點128附近，點的位置可例如由下式給出 其中s是沿初始背景層位110(例如，也被描述為局部平表面)的標量參數(shù)。通過結合式(11.1)和(11.7)，可例如通過下式來定義初始射線對的走時Told (11.8) 使走時最小則給出參數(shù)s，例如如下式所示 這導致例如 (11.10) 結合式(11.7)和式(11.10)，例如給出 從等式(11.6)(例如在舊反射或鏡像點128a處的斯奈爾定律)中減去等式(11.11)(例如在新反射或鏡像點128b處的斯奈爾定律)，例如給出 (11.12) 等式(11.12)可簡化為例如下式 未知參數(shù)s可被定義為例如 Δs＝-Δdx·cosα+Δdzsinα (11.14) 在向內(nèi)法線122的分量可例如為 nx＝sinα，nz＝cosα(11.15) 反射點128的平面內(nèi)位移Δs 142的分量可例如為 Δsx＝Δscosα，Δsz＝-Δssinα (11.16) 結合式(11.14)和(11.16)，例如給出 Δsx＝-Δdx·cos2α+Δdz sinαcosα，Δsy＝+Δdx·sinαcosα-Δdzsin2α(11.17) 在等式(11.17)中定義的面內(nèi)位移Δs 142可表示為矢量形式，例如 在鏡像或反射點128的舊位置與反射或鏡像點128a的新位置之間的總位移可例如為 其中雙叉乘

例如由下式給出 如果假定該射線對的兩條射線，即入射射線124和反射射線126，到達鏡像或反射點128(例如，分別從震源和接收器到達)，則由反射點位移造成的走時殘差可例如為 對于3D模型，可使用局部參考系，其中兩個矢量(例如反射面層位110的法線n122和層位位移Δd140)中的每一個，都在xz平面內(nèi)(例如，由x軸148和z軸150形成的)。這意味著對上述2D模型導出的等式(11.19) 也對一般3D模型成立。引入符號

來表示在鏡像或反射點128的慢度和，例如 等式(11.21)可例如表示為 等式(11.23)的右側(cè)“最右”項是混合乘積，可被重新表示為例如 例如對于任意各向異性介質(zhì)的斯奈爾反射定律，可為 由斯奈爾定律得到鏡像或反射點128沿反射層位的小位移通常不影響射線對(例如，包括入射射線124和反射射線126)的總走時。這樣，對于走時計算，等式(11.18)可以不需要。等式(11.23)可簡化為例如 再有，層位位移矢量

140可分解為兩個分量，例如在層位110表面的法線122和在這一表面的切線。然而，切線位移通常沒有層析成像意義，所以可認為是可忽略的。這樣，可假定層位位移140只有法線分量，例如如下式所示 其中Δd是標量值。結合等式(11.26)和(11.27)可例如給出 層位位移140的層析成像系數(shù)可以是法線122方向和射線對慢度和的標量積。對于向內(nèi)法線122，兩射線(例如入射射線124和反射射線126)可分別從震源點130和接收器點132出發(fā)，到達鏡像或反射點128a。或者，這兩條射線可從反射或鏡像點出發(fā)，在這種情況下，法線122可以是“向外”指向的(例如，沿著與圖2中所示方向相反的方向)。
考慮一個特定情況，其中反射點位移是垂直的。可能已注意到，平面(例如局部平面)層位110的任何位移可表示為垂直位移，例如 Δdx＝0，Δdy＝0，Δdz＝Δz(11.29) 參考圖3，圖中示意性示出層位法線方向位移Δd 140被層位垂直位移Δz 136代替。法線位移140和垂直位移136之間的關系可例如由下式給出 Δd＝Δzcosα＝Δznz (11.30) 結合等式(11.30)和等式(11.26)，例如給出 展開等式(11.31)的標量積，例如給出 如等式(11.25)中所示的斯奈爾定律也可被展開為例如 由式(11.33)得到例如 結合等式(11.34)和(11.32)例如給出 這樣，用于反射點128的垂直位移136的層析成像系數(shù)可例如為 等式中的“reflection”表示與反射有關。對于折射點(例如，震源點130和接收器點132)，射線對(例如，入射射線124和反射射線126)通常到達層位110的上側(cè)，且從下側(cè)發(fā)出。如對反射點128所示，到達射線的慢度應被認為是正的，因此，例如 等式中的“refraction”表示與折射有關，“upper”表示與上部有關而“l(fā)ower”表示與下部有關。在等式(11.37)中的正號和/或負號的使用可例如由隨后的例子驗證?？紤]“向下”傳播的垂直或幾乎垂直的射線(例如從折射層位134的震源點130和接收器點132到反射點128)?？紤]在界面之上具有“慢”介質(zhì)而在界面之下具有“快”介質(zhì)的折射層位134。術語“慢”介質(zhì)或“快”介質(zhì)例如可指的是射線或波傳播穿過該介質(zhì)的速度。在折射層位134中的正垂直位移(例如向下位移)可增大射線傳播通過的慢區(qū)域，從而增大射線走時。在這種情況下，當走時trefraction增大時，它在等式(11.37)左側(cè)的導數(shù)Δtrefraction/Δz可為正值?，F(xiàn)在參考等式(11.37)的右側(cè)，由于在本例中上部介質(zhì)是“慢”介質(zhì)而下部介質(zhì)是“快”介質(zhì)，對于向下傳播的垂直射線，這樣，等式(11.37)的右側(cè)也可為正值。
12.管理方程 層析成像系數(shù)(例如AV、Aδ、Aε、As)可以是例如射線124和126的走時對介質(zhì)性質(zhì)、層位位移和/或其它改變的性質(zhì)或模型擾動的導數(shù)。例如 (12.1) 等式(12.1)中的下標h、i、j、k可例如被定義如下(其它定義也可使用) ·h是層位110的下標； ·i是為反射點128(例如在精細橫向網(wǎng)格120上的射線對124和126的起點)的下標，它可定義在線上的和跨線的位置； ·j是張角的下標，它可定義張角的量值和方位；以及 ·k是與給定系數(shù)關聯(lián)的稀疏網(wǎng)格(例如，沿著它可定義模型擾動)上的模型節(jié)點的下標，它可定義層位、稀疏網(wǎng)格的跨線、稀疏網(wǎng)格在線上的位置。
前三個下標h、i、j可完全定義包括入射射線124和反射射線126的射線對。為簡化各項，可引入全局下標l，使l＝{h，i，j}，其中l(wèi)類似地完全定義該射線對。例如，在等式(12.1)中定義的四個矩陣可重寫為 矩陣中的每個元素與射線對(例如下標為l)和模型節(jié)點k關聯(lián)，其中1≤l≤n，1≤k≤m，n是全部射線對的總數(shù)，m是模型輸出節(jié)點數(shù)。由于通常射線對方位和反射點128的數(shù)量很大，n可以顯著地大于m(例如，n＞＞m)。每個介質(zhì)性質(zhì)的改變(例如，層位的位移或另一個模型擾動)通常造成射線對走時的改變。然而，通過相應地改變在模型100每個節(jié)點的性質(zhì)(例如，層位位移)，可以以補償?shù)姆绞?例如，提供走時的大小相等符號相反的改變)使每個射線對的總走時通常保持不變，例如如下式所示 該等式描述了沿特定射線對路徑(例如對特定下標m)的走時保持不變。如式(12.3)所示，對于改變后的參數(shù)值集ΔV，Δδ，Δε，Δz，走時的相應改變分別為




走時的總變化等于這些貢獻之和，對于時間保持不變的層析成像，所造成的走時殘差消失。對于每個射線對，式(12.3)可寫成矩陣形式，例如 AV·ΔV+Aδ·Δδ+Aε·Δε+Az·Δz＝0 (12.4) 矩陣A可具有例如n×m的維度。由于n通常大于m(例如n＞＞m)，每個矩陣A可為矩形，該矩形的高度(例如n行)通常比長度(例如m列)大得多。
使用式(12.4)，如果給出其它三個參數(shù)值，可估計出每個未知參數(shù)，例如ΔV，Δδ，Δε，Δz。例如，可將等式(12.4)乘以相應的轉(zhuǎn)置矩陣以便估計未知參數(shù)的值，例如如下式所示，
例如，對等式(12.5)的矩陣乘積可引入下列符號
等式(12.6)的矩陣Q通常為小方陣(例如兩個維度相等且較小)。另外，矩陣Q通常為非負定矩陣。使用小的標準校正，這些矩陣可轉(zhuǎn)換成正定矩陣。具有相同左右下標的四個矩陣QVV，Qδδ，Qεε，Qzz中的每一個通常是對稱的(例如每個矩陣等于其轉(zhuǎn)置矩陣)。另外，其它十二個矩陣Q的每對之間通常是對稱的。例如，如果每個矩陣(例如QVδ)的左下標等于另一矩陣(例如QδV)的右下標且右下標等于所述另一矩陣的的左下標，則該矩陣相對于所述另一矩陣是對稱的，例如如下式所示 等式(12.6)中的十二個矩陣可有例如下式所示的對稱性 (12.8) 這樣，只有十個矩陣Q需要存儲四個有重復下標的矩陣和六個有不同下標的矩陣。例如，利用式(12.8)中定義的關系，其它六個矩陣可通過各自的對稱對導出。
結合等式(12.6)和(12.5)，例如給出
矩陣Q是模板矩陣，通常由背景或標準模型100的性質(zhì)完全定義。模板矩陣Q通常獨立于模型參數(shù)值的輸入和輸出變化(例如擾動)，并通過改變模型參數(shù)值保持其不變。當矩陣Q定義大量數(shù)目n的射線時，添加額外射線通常只能稍微改變這些矩陣。
13.喬里斯基(Cholesky)分解 由模板矩陣Q定義的標準地下模型100可通過(例如右)乘以擾動矢量X來適應改變。當用擾動矩陣X乘以模板矩陣Q時，通常產(chǎn)生由改變后的參數(shù)值定義的新的被擾動的模型。
為模擬不同的模型，相同的(例如左側(cè))模板矩陣例如QVV，Qδδ，Qεε，Qzz(例如共同定義同一標準模型100)可乘以(例如右乘以)不同的右側(cè)矢量。例如，用(例如三個)不同擾動矢量X1，X2，X3中的每一個乘以模板矩陣，可產(chǎn)生(例如三個)不同的新模型。通常應只改變擾動矢量(例如右側(cè))來產(chǎn)生模型改變。這樣，可使用和存儲單組模板矩陣作為用于快速和有效的建模算法的基礎，以便產(chǎn)生同一數(shù)據(jù)的其它模型。
模板矩陣Q可被分解為下三角矩陣ST和上三角矩陣S的乘積。下三角矩陣ST是上三角矩陣S的轉(zhuǎn)置，所以通常只存儲上三角矩陣和下三角矩陣中的一個。模板矩陣Q可以是對稱正定矩陣，例如由下式表示 Q＝ST·S(13.1) 可由矩陣方程來定義模板矩陣Q被擾動矢量X右乘，例如 Q·X＝B (13.2) 結合等式(13.1)和(13.2)，例如給出 STS·X＝B (13.3) 通過引入例如下列符號 S·X≡Y (13.4) 等式(13.3)中的S·X項可由Y替換(例如根據(jù)等式(13.4))，例如給出 ST·Y＝B(13.5) 在矩陣方程(13.1)被分成方程(13.4)和(13.5)之后，可進行兩次向后替換一次使用上三角矩陣S，一次使用下三角矩陣ST，例如如下式所示 ST·Y＝B 求解Y向后替換1 (13.6) S·X＝Y 求解X向后替換2 方程(13.1)可能求解得比較慢(例如具有大量的計算工作)，但通常對每類模擬只求解一次(例如，總共最多有四類模擬；模擬次數(shù)可基于在節(jié)點定義的參數(shù)個數(shù))。方程(13.4)和(13.5)可被相對較快地解出(例如具有相對較小數(shù)量的計算)，且可順序地求解或運算。例如，如果矩陣Q的維數(shù)是m且矩陣Q的帶寬是b，那么解方程(13.1)通常需要大約mb2/3次浮點運算而解方程(13.4)和(13.5)中的每個通常需要大約mb次浮點運算。使用右應用順序(right application sequence)，等式(13.6)可應用于方程(13.4)和(13.5)中的每個。
本領域的技術人員應該理解，本發(fā)明的實施例可使用除矩陣和/或矢量以外的其它數(shù)據(jù)排列以及除矩陣/矢量相乘以外的其它運算。具體而言，矩陣Q被矢量X右乘只是運算的舉例，不意味著構成限制。例如，可使用其它方法求解方程系統(tǒng)。
擾動矢量X可包括用于保持沿每個射線對的走時不變的改變后的模型100參數(shù)值的殘差值ΔVk，Δδk，Δεk，Δzk。k可以是模型網(wǎng)格120的稀疏網(wǎng)格間隔的下標。這四個參數(shù)值中的三個通常已知或被指定。等式(13.6)可用于確定擾動矢量X的未知部分。擾動矢量X的已知部分用于計算等式(13.6)的方程組的右側(cè)。
14.從各向同性到各向異性 本發(fā)明的實施例提供了用于從標準的各向同性模型100構建各向異性模型100a的建模算法。將模型100的介質(zhì)從各向同性介質(zhì)改變?yōu)楦飨虍愋越橘|(zhì)通常改變了沿模型射線對的走時。為了保持射線對的總走時，另一個參數(shù)，例如各向同性模型的層位110的位置，可以以補償?shù)姆绞轿灰埔员闾峁┐笮∠嗟确栂喾椿蛘呦嗟窒淖邥r改變。
各向異性模型可由介質(zhì)參數(shù)，諸如軸向壓縮波速和兩個湯姆森各向異性參數(shù)ε和δ來定義。初始時，可產(chǎn)生各向異性模型，該模型例如具有近似等于各向同性模型的壓縮波速的軸向壓縮波速，并具有都為零的湯姆森參數(shù)值。例如 VP＝VIso，δ＝0，ε＝0 (14.1) 應該指出，即使ε和δ都為零值，哈密頓算子的導數(shù)

和

通常也不為零。由此，相應的層析成像系數(shù)通常是存在的。通常在張角大到30°之前，沿射線對的走時可保持不變。在其它實施例中，在張角大到其它(例如更大的)張角之前，走時可保持不變。
可以以給定的介質(zhì)參數(shù)值，例如針對張角(例如可直到30°)，針對基本上所有方位角，來運行各向異性層析成像射線追蹤模擬。在其它實施例中，例如，當走時針對其它(例如更大的)張角保持不變時，在張角大到所述其它(例如更大的)張角之前可運行射線追蹤模擬。在又一個實施例中，可在超過使時間保持不變的張角的情況下運行模擬。
對于每個射線對(例如入射射線124和反射射線126)，可針對介質(zhì)參數(shù)值和針對沿層位的震源點130和接收器點132和/或折射點128的垂直位移136，來計算層析成像系數(shù)。接著，可計算小的正定方陣Qzz以及其它(例如非對稱)小方陣QzV，Qzδ，Qzε。方陣的維數(shù)可對應于模型節(jié)點112的個數(shù)。例如，維度為n×n的矩陣n＊n可對應于具有n個節(jié)點112的模型100。在每個節(jié)點112處可以存在多個(例如4個)參數(shù)值。這樣，可以有表示模型100的多個(例如4n個)參數(shù)值。然而，一些參數(shù)值(例如3n個)可以是已知的。因此，可以計算剩余的(例如n個)未知參數(shù)值(例如，或參數(shù)值更新)。例如，模型100可具有有n個參數(shù)值(例如模型的未知參數(shù)值的個數(shù))的n×n維的n＊n矩陣。
可根據(jù)例如方程組(12.9)的最后一個方程來定義矩陣Qzz，它是 Qzz·Δz＝Bz，Bz＝QzV·ΔV-Qzδ·Δδ-Qzε·Δε (14.2) 可使用層析成像方法計算矩陣Q。矩陣Qzz可被分解成下三角矩陣和上三角矩陣的乘積，例如下式所示 在一個實施例中，可產(chǎn)生矩陣Q并將其分解一次。矩陣Q可被保存在例如盤上或在存儲器中，以便為產(chǎn)生每個新的模型100a而重復訪問和使用。
對于由標準模型100改變而成的每個新模型100a，可使用不同的參數(shù)值，造成殘差ΔV，Δδ，Δε或輸入變化的不同組合?？捎墒?14.2)計算矢量Bz。
結合方程(14.2)和(14.3)，例如給出 通過對式(14.4)運行向后替換兩次，例如一次使用上三角矩陣Sz，一次使用下三角矩陣SzT，可得出垂直位移Δz 136(例如對應于將模型從各向同性模型改變成各向異性模型)。
15.利用井下研究預測湯姆森δ 本發(fā)明的實施例提供利用各向同性分析和井下信息對第一湯姆森參數(shù)δ的估計。各向同性分析給出層位節(jié)點zIso(例如反射點128和/或震源點130和接收器點132)的背景深度估計。使用井下信息，得到真實的或?qū)嶒灉y量的深度zWell。然后，假定層位節(jié)點深度的深度殘差為例如 ＝zWell-zIso(15.1) 可假定湯姆森參數(shù)值的背景值例如為零。由方程組(12.9)的第二方程得到軸向速度殘差和參數(shù)δ的殘差之間的關系是 Qδδ·Δδ＝Bδ，Bδ＝-QδV·ΔV-Qδε·Δε-Qδε·Δz (15.2) 第二湯姆森參數(shù)ε的殘差也可假定為例如零，Δε＝0。這樣，式(15.2)的右側(cè)簡化為例如 Bδ＝-QδV·ΔV-Qδz·Δz (15.3) 按照不同模擬針對模型100的不同擾動來求解方程(15.2)(例如用不同的右側(cè)擾動矢量去乘)，從而得到δ的殘差Δδ。
16.應用 對于多個關鍵地球物理解釋和生產(chǎn)任務，如不確定性分析、預測由于介質(zhì)性質(zhì)的不同表示造成的層位模型變化(例如從各向同性到各向異性，或從某種程度的各向異性到另一種程度的各向異性)以及確定由于模型層位位置和例如井中測量的標準層位之間的誤關聯(lián)造成的各向異性參數(shù)值等，時間保持不變的層析成像是特別有吸引力的解決方案。確定各向異性參數(shù)值還可用于在整個鉆井過程進行快速和準確的交互式模型校正，以提供最佳的地質(zhì)導向方案。本發(fā)明的實施例可具有其它好處和其它應用。
本發(fā)明的實施例可包括使用構造的層析成像矩陣(例如影響或模板矩陣Q)的特定對稱結構的方法。這些矩陣的系數(shù)通常依賴于背景模型(如模型100)的性質(zhì)，并且通常獨立于模型擾動或模型參數(shù)殘差。通過求解多個線性方程組(例如設置成模板矩陣Q)、利用不同的右側(cè)矢量(例如設置成擾動矢量X)來確定標準模型，這類方法可以實現(xiàn)標準模型的改變。多個線性方程組中的每個方程可由模板矩陣Qij確定，每個模板矩陣是小的對稱的正定方陣。在一些實施例中，模板矩陣可進行喬里斯基分解，例如通常只進行一次分解。然后可針對每個新的或改變后的模型，運行使用三角矩陣來求解方程組(例如，用參考方程(13.6)描述的向后替換)的處理。
本發(fā)明的實施例可實現(xiàn)面向任務的解釋性詢問。例如，本發(fā)明的實施例可用于解決以下問題“由于湯姆森參數(shù)值和軸向壓縮波速的給定擾動造成的層位節(jié)點的位置變化通常是怎樣的？”；或“由于給定的層位位移和/或給定的軸向波速變化造成的湯姆森參數(shù)值δ的變化(例如湯姆森參數(shù)ε為零)通常是怎樣的？”?？梢约俣ㄔ斐傻难厣渚€對的全雙向路徑的走時殘差為零。
本發(fā)明的實施例可實現(xiàn)模型的改變或變換，例如，從各向同性介質(zhì)到各向異性介質(zhì)。例如，在各向同性介質(zhì)(例如傾斜TI)的各向同性壓縮波速與該介質(zhì)的軸向壓縮波速一致且例如湯姆森參數(shù)值δ和ε為零的情況下，各向同性介質(zhì)可被認為是各向異性的。當前為零的湯姆森參數(shù)值δ和ε可被更新。本發(fā)明的實施例可實現(xiàn)模型層位的位置或介質(zhì)參數(shù)值的不同的改變，并確定這些改變對其它參數(shù)的影響。具體而言，通過測量沿各向同性地震模型提取的層位與沿測井確定的標準層位之間的誤關聯(lián)，可確定湯姆森參數(shù)δ。
本發(fā)明的實施例可提供用于確定放大因子的不確定性分析。例如，在給定一個或更多個給定的模型節(jié)點的一個或更多個參數(shù)值中的小誤差(例如，或者是不確定性)的情況下，則可確定在該模型的特定的一個或更多個節(jié)點或全部節(jié)點處的參數(shù)的不確定性。
本發(fā)明的實施例可實現(xiàn)地質(zhì)導向。地質(zhì)導向可包括調(diào)整井孔位置和方向以達到地質(zhì)目標的處理。這些改變可基于在鉆井期間收集的地質(zhì)信息，并可在數(shù)據(jù)匯集過程中或“在線地”進行這種改變。該信息可包括沿井孔的介質(zhì)性質(zhì)的測量結果，如不同地質(zhì)地層之間的過渡(例如標準層位)。使用時間保持不變的層析成像分析，可以更準確地進行這種對構造模型的“在線”調(diào)節(jié)以及井孔路徑的相應調(diào)整。
17.用于改變地震數(shù)據(jù)模型的系統(tǒng) 參考圖4，它示意性示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)。系統(tǒng)200可用于例如顯示、轉(zhuǎn)化或改變這里描述的地震數(shù)據(jù)模型。系統(tǒng)200可完成這里討論的任何方法和/或其它運算或計算的具體實施。
系統(tǒng)200可包括發(fā)射器210、接收器220、計算系統(tǒng)230、顯示器280以及輸入裝置290。發(fā)射器210(例如位于參考圖1和圖2描述的震源點130)可輸出任何適當?shù)男盘枺虍a(chǎn)生入射信號。例如，可從多個位置中的每一個位置發(fā)射一系列聲音或地震能量射線或波。接收器220(例如位于參考圖1和圖2描述的接收器點132)可接受對應于或關聯(lián)于發(fā)射器210發(fā)送的入射信號的反射信號。在其它領域的成像情況中，例如醫(yī)學成像，發(fā)射器210可輸出能量，諸如超聲波、磁能量、x-射線或其它適當?shù)哪芰俊?br> 計算系統(tǒng)230可包括例如處理器240、存儲器250和軟件260。處理器240可處理數(shù)據(jù)，例如從接收器220接收的原始數(shù)據(jù)。存儲器250可存儲數(shù)據(jù)，例如原始的或處理后的地震數(shù)據(jù)，如表征數(shù)據(jù)集的通用標準模型的模板矩陣Q，通過該模板矩陣Q可產(chǎn)生數(shù)據(jù)的其它模型。存儲器250可存儲根據(jù)本發(fā)明實施例執(zhí)行的操作的結果。例如可通過處理器240執(zhí)行軟件260來執(zhí)行或計算根據(jù)本發(fā)明實施例執(zhí)行的操作，例如產(chǎn)生模板矩陣、產(chǎn)生擾動矢量、諸如矩陣/矢量相乘的運算、求解前面提到的方程(5.1)至(15.3)中的任意一個、求解線性方程系統(tǒng)、二次方程、偏微分方程、常微分方程、射線追蹤、轉(zhuǎn)換模型等。其它單元或處理器也可執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實施例的這些操作或其它操作。
顯示器280可顯示來自發(fā)射器210、接收器220、計算系統(tǒng)230或任何其它適當系統(tǒng)、裝置或程序(例如成像程序或軟件)或者發(fā)射器或接收器、追蹤裝置的數(shù)據(jù)。顯示器280可顯示根據(jù)本發(fā)明實施例執(zhí)行的操作的結果。顯示器280可包括一個或更多個輸入，以顯示來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可包括多個顯示器，例如每個顯示器同時顯示同一數(shù)據(jù)的不同模型，例如用于觀察者的比較。顯示器280可顯示由數(shù)據(jù)產(chǎn)生的圖像。
輸入裝置290可包括例如可由用戶操作的鼠標或鍵盤，以錄入用戶的輸入數(shù)據(jù)。也可使用其它輸入裝置。用戶可將數(shù)據(jù)或命令輸入到用戶區(qū)域。
計算系統(tǒng)230可包括例如任何適當?shù)奶幚硐到y(tǒng)、計算系統(tǒng)、計算裝置、處理裝置、計算機、處理器等，可通過使用硬件和/或軟件的任何適當組合來實現(xiàn)。
處理器240可包括例如一個或更多個處理器、控制器或中央處理單元(“CPU”)。例如，軟件260可部分地或全部地存儲在存儲器250中。例如，軟件260可包括任何適當?shù)能浖员氵M行根據(jù)本發(fā)明實施例進行處理或成像。處理器240可至少是部分地根據(jù)軟件260中的指令進行操作。
例如，系統(tǒng)200可以對目標地球物理區(qū)域進行成像，例如使用軟件260和/或處理器240或其它部件，如專用的圖像或信號處理器。18.用于改變地震數(shù)據(jù)模型的方法的流程圖 參考圖5，圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的流程圖。
在操作300中，可產(chǎn)生參數(shù)值的初始集。該參數(shù)值的初始集可表示與地震數(shù)據(jù)集一致的初始模型(例如參考圖1描述的模型100)。該地震數(shù)據(jù)集可表征地下或地球物理區(qū)域。可利用各種方位數(shù)據(jù)獲取方法來獲取該地震數(shù)據(jù)集。也可使用其它數(shù)據(jù)，如用于醫(yī)學成像的數(shù)據(jù)。
可通過參數(shù)值集來定義模型。參數(shù)可以是模型的一種或一類性質(zhì)，例如界面或?qū)游?10的位置和TTI介質(zhì)的性質(zhì)，如軸向壓縮波速。參數(shù)值是相應模型參數(shù)的值(例如在節(jié)點112的參數(shù)值)。
例如，參數(shù)值的初始集可包括層位位置的值、湯姆森參數(shù)和軸向壓縮波速。例如，參數(shù)值的初始集可包括由沿著模型射線對進行的射線追蹤所產(chǎn)生的模型的層析成像系數(shù)。還可使用其它參數(shù)。
初始地震模型可用模擬同一地震數(shù)據(jù)集的各種擾動或模型的基礎。初始地震模型可包括其每個都具有走時的多個射線對。初始模型可具有大小和具有大小的一組維度。
在一個實施例中，參數(shù)值的初始集可以以矩陣形式表示(例如這里討論的模板矩陣Q)，或例如被表示成多個矩陣(如這里討論的模板矩陣Qij)。
例如，可在參考圖4描述的處理器240中產(chǎn)生參數(shù)值的初始集。參數(shù)值的初始集可存儲在參考圖4描述的存儲器250中。
在操作310中，參數(shù)值的初始集可存儲在存儲器中，例如參考圖4描述的存儲器250，或存儲在其它存儲裝置中，如盤驅(qū)動器。在每次將初始模型用于產(chǎn)生該地震數(shù)據(jù)集的新的改變后的模型時，可從存儲器中重復地提取參數(shù)值的初始集。
在操作320中，可改變參數(shù)值的初始集中的兩個或更多個參數(shù)值，從而對初始模型中的一些或全部射線對中的每個造成走時殘差。
兩個或更多個參數(shù)值可被改變，以響應用戶對模型相應特性的調(diào)節(jié)，在操作350中將對此進行進一步的詳細描述。
被改變的兩個或更多個參數(shù)值中的每一個(例如單獨地，或在不改變這兩個或更多個參數(shù)值中的其余參數(shù)值的情況下)可對應于每個改變的射線對的走時變化。模型的兩個或更多個參數(shù)值可被改變，分別造成每個射線對走時的第一和第二非零變化。被改變的參數(shù)值之一可對應于每個射線對的走時變化，該走時變化與其它兩個或更多個被改變的參數(shù)值所對應的變化大小相等符號相反。
然而，兩個或更多個參數(shù)值可以以互補的方式(例如組合地)被改變，對應于每個射線對的走時沒有凈變化。每個射線對走時的第一和第二非零變化(例如這里所描述的)可大小相等符號相反，因此組合地改變第一和第二參數(shù)值不造成沿每個射線對的走時的總改變。這樣，可保持沿每個被改變的射線對的走時。
時間保持不變的層析成像機制可用于模擬初始模型的射線對中的一些或每個的不同擾動或改變。可計算層析成像系數(shù)以保持沿每個改變后的射線對的總走時不變?？僧a(chǎn)生兩個或更多個參數(shù)值的變化，以響應例如經(jīng)由參考圖4描述的顯示器280所提供的用戶界面的用戶輸入。
為改變模型，通常用戶不直接改變模型參數(shù)值。這一任務通常太費力。作為替選，例如用戶可通過改變或?qū)⒏淖冚斎氲接脩艚缑鎱^(qū)域中的定義中，來改變或操控模型的特征(features)或定義。用戶界面區(qū)域可允許改變后的特征成為用戶可見的模型表征或特性。用戶界面區(qū)域可顯示給用戶(例如在計算機顯示器280上)。在一個例子中，用戶界面區(qū)域可被包括在模型本身的可視化顯示中。可視化顯示可以例如在監(jiān)視器上呈現(xiàn)給用戶，可視化顯示可包括可修改的或者可改變的特征，如層位位置、反射點或其它空間模型對象，它們可由用戶修改以使處理器改變模型。
例如。用戶可輸入命令、突出、選擇、拖曳和/或點擊，以將層位、反射點和/或其它空間區(qū)域從一個位置移動到另一個位置。在另一個例子中，用戶界面區(qū)域可以是文本、復選項、框或值區(qū)域，以便輸入用于改變模型特征的數(shù)據(jù)。在一個例子中，用戶可對框進行復選以指出模型是各向同性還是各向異性和/或輸入指出所希望的改變的模型的各向異性程度的數(shù)字。在另一個例子中，用戶可輸入軸向壓縮波速改變1-2％。例如，用戶可使用輸入裝置(例如輸入裝置290)，如鼠標或鍵盤。
這些對模型特征的改變通常是對模型100的子集或一部分局部地進行的。例如，用戶可在模型的特定層或地質(zhì)地層114改變軸向壓縮波速1-2％。然而，通常這種局部改變可造成在整個模型中級聯(lián)的走時改變，從而影響其它層。這樣，對于模型一部分的每個局部改變，本發(fā)明的實施例提供一種機制，用于確定模型其它部分的相應全局改變，以保持沿整個模型的所有射線對的走時不變。
通過用戶界面區(qū)域的這種局部改變可指示或觸發(fā)處理器(例如處理器240)改變模型的地層的所有受全局影響的參數(shù)值，以定義新的模型。以這種方式，用戶可通過在用戶界面區(qū)域中輸入對模型特性的改變來容易地修改模型，而不用考慮確定這些改變的剩余影響。
在一個實施例中，用戶可輸入對模型特性的兩組不同的改變。作為響應，例如，可在用戶界面上產(chǎn)生兩個不同的模型(例如，表征同一地震數(shù)據(jù)集，但有不同的特征)以便用戶比較。用戶可從不同的模型中選擇優(yōu)選的模型。
在一個實施例中，例如，兩個或更多個改變后的參數(shù)值可表示初始模型的一個或更多個結構層位的位置改變(例如，如參考圖1描述的從層位110到層位110a的改變)。在另一實施例中，例如，兩個或更多個改變后的參數(shù)值可表示初始模型的一個或更多個區(qū)域的介質(zhì)性質(zhì)的改變(例如，從各向同性到各向異性)。
在一個實施例中，兩個或更多個參數(shù)值的改變可表示為矢量形式(例如這里描述的擾動矢量X)。當每個射線對的兩個或更多個參數(shù)值由模板矩陣Q表示時，該矩陣可被擾動矢量X右乘。這種乘法運算可改變兩個或更多個參數(shù)值。所述改變可被定制以采取例如根據(jù)用戶輸入的形式。
在操作330中，可產(chǎn)生由兩個或更多個改變后的參數(shù)值表示的改變后的模型。由于每個模型由參數(shù)值集來定義，可通過改變參數(shù)值集將初始模型改變?yōu)楦淖兒蟮哪Ｐ汀?br> 改變后的模型可具有與初始地震模型的大小相同的大小。在一個實施例中，初始模型和改變后的模型中的每個可有一組維度，因此初始模型和改變后的模型維度的大小可以相同。例如，在一個實施例中，如果初始模型是n×m矩陣，則改變后的模型也是n×m矩陣。
對改變后的模型或改變后的模型本身進行定義的改變后的或最終的參數(shù)值集可被存儲在例如存儲器250中或其它存儲裝置中，如盤驅(qū)動器。
在操作340中，改變后的模型可顯示給用戶，例如在參考圖4描述的顯示器280上。
在操作350中，用戶可再次調(diào)節(jié)特征，使處理器改變初始模型的兩個或更多個參數(shù)值以產(chǎn)生第二改變模型。改變后的特征以及相應的改變后的參數(shù)值可不同于操作320中使用的那些。例如，可改變不同的特征，或以不同的方式或程度改變同一特征或改變?yōu)椴煌闹怠Ｔ俅握{(diào)節(jié)可造成對另外兩個或更多個參數(shù)值重復前述操作320-340?？赡M相應的不同模型擾動?？稍俅问褂贸跏嫉卣鹉Ｐ妥鳛榛A，以產(chǎn)生該地震數(shù)據(jù)集的第二改變模型。
可比較不同的模型，以選擇最佳的建模參數(shù)值。用戶可重復或“微調(diào)”這種再次調(diào)節(jié)，直至產(chǎn)生準確的模型。
盡管這里描述的實施例通常是指將初始模型改變?yōu)楦淖兒蟮哪Ｐ?，但顯然這種方法的實施例可應用于將任何第一模型改變?yōu)槿魏蔚诙Ｐ汀＠?，可重復地改變模?例如，從第一模型到第二模型再到第三模型等)直至用戶或自動控制機制確定該模型已足夠準確為止(例如，根據(jù)已知的檢驗或測試達到預定的誤差或變化范圍)。在另一例子中，例如，通過選擇用戶界面區(qū)域中的復位按鈕，改變后的模型可被改變回初始模型。
可使用其它操作或操作系列。
初始地震模型和改變后的模型均可具有一組維度。模型的這組維度可包括空間或坐標維度、參數(shù)維度和/或其它維度。例如，空間或坐標維度可由笛卡爾坐標x、y、z或極坐標定義。這組維度可對應于模型維度的度數(shù)(degree)或個數(shù)。例如，3D模型(例如3D立方體或棱柱)可具有三個空間維度，而2D模型(例如平面或3D模型的截面)可具有兩個空間維度。在一個實施例中，改變后的模型可具有與初始模型相同的一組維度。用于初始模型和改變后的模型中的每個的這組維度可具有大小。模型在每個維度的大小可對應于被模型化的地下體在該維度中的大小。在一個實施例中，改變后的模型可具有維度組，其大小與初始模型的維度組相同?？墒褂闷渌S度、維度組和/或其大小。
本領域技術人員可以理解，本發(fā)明的實施例可應用于地震數(shù)據(jù)處理和建模中涉及的任何系統(tǒng)。本發(fā)明的實施例可用于在各種區(qū)域或領域的建模，如油氣勘探和生產(chǎn)、用于環(huán)境研究的淺地球模型成像(例如使用由地震和/或探地雷達(GPR)方法收集的數(shù)據(jù))、建筑工程(例如識別管道的位置)、建筑安全與防護(例如識別井孔和渠道)、醫(yī)學成像(例如使用CT、MBI以及超聲波裝置)、無損材料探測、出于安全原因(例如國土安全)進行的對內(nèi)部物體的探測、海中聲納、天線和雷達系統(tǒng)。
本發(fā)明的實施例可包括計算機可讀介質(zhì)，如存儲器、盤驅(qū)動器或閃存，該計算機可讀介質(zhì)包括在被處理器或控制器執(zhí)行時實現(xiàn)這里描述的方法的指令。
上文中提供的對本發(fā)明實施例的描述是為了進行說明和描述。并非旨在將本發(fā)明窮盡于或限制于所公開的具體形式。本領域的技術人員應理解，借助于上述內(nèi)容，許多修改、改變、替代、變化和等效物是可能的。因此，應理解，所附權利要求旨在覆蓋所有落入本發(fā)明真實精神內(nèi)的修改和改變。
權利要求
1.一種使用時間保持不變的層析成像進行地震數(shù)據(jù)建模的方法，所述方法包括
存儲表征初始地震數(shù)據(jù)模型的參數(shù)值的初始集，其中所述初始地震模型對應于至少多個射線對，每個射線對包括走時；以及
通過對所述初始模型中的每個射線對改變所述參數(shù)值的初始集中的兩個或更多個參數(shù)值，產(chǎn)生改變后的模型，其中改變一個參數(shù)值而不改變所述兩個或更多個參數(shù)值中的其余參數(shù)值對應于每個射線對的走時變化，而組合地改變所述兩個或更多個參數(shù)值對應于每個射線對的走時沒有凈變化。
2.權利要求1的方法，其中被改變的所述兩個或更多個參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個構造層位位置的改變。
3.權利要求1的方法，其中被改變的所述兩個或更多個參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個區(qū)域中介質(zhì)性質(zhì)的改變。
4.權利要求1的方法，其中使用所述時間保持不變的層析成像來在保持沿每個射線對的總走時不變的情況下計算用于模擬所述初始模型的不同擾動的層析成像系數(shù)。
5.權利要求1的方法，其中所述參數(shù)值的初始集以矩陣形式表示。
6.權利要求5的方法，其中產(chǎn)生改變后的模型包括對模型應用矢量。
7.權利要求1的方法，包括接受用戶輸入和響應用戶輸入來改變所述兩個或更多個參數(shù)值。
8.權利要求1的方法，包括將所述改變后的模型存儲在存儲器中。
9.一種使用時間保持不變的層析成像進行地震數(shù)據(jù)建模的方法，所述方法包括
存儲表征地震數(shù)據(jù)集的初始地震模型的參數(shù)值的初始集，其中所述初始模型具有大小，且其中所述初始地震模型對應于至少多個射線對，每個射線對包括走時；
改變所述參數(shù)值的初始集中的兩個或更多個參數(shù)值，其中被改變的參數(shù)值中的一個對應于每個射線對的走時的改變，所述走時的改變與其余被改變的參數(shù)值所對應的改變大小相等符號相反，且其中所述兩個或更多個參數(shù)值以互補方式被改變，使得在每個射線對的走時中沒有凈改變；以及
產(chǎn)生至少是部分地通過所述兩個或更多個改變后的參數(shù)值表示的地震數(shù)據(jù)集的改變后的模型，其中所述改變后的模型具有與所述初始地震模型的大小相同的大小。
10.權利要求9的方法，其中每個初始模型包括第一組維度且所述改變后的模型包括第二組維度，其中所述第一組維度和所述第二組維度的大小相同。
11.權利要求9的方法，其中被改變的所述兩個或更多個參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個構造層位位置的改變。
12.權利要求9的方法，其中被改變的所述兩個或更多個參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個區(qū)域中介質(zhì)性質(zhì)的改變。
13.權利要求9的方法，其中使用所述時間保持不變的層析成像來在保持沿每個射線對的總走時不變的情況下計算用于模擬所述初始模型的不同擾動的層析成像系數(shù)。
14.權利要求9的方法，包括將所述改變后的模型存儲在存儲器中。
15.一種用于為地震數(shù)據(jù)建模的方法，所述方法包括
產(chǎn)生地震數(shù)據(jù)集的模型，其中所述模型對應于至少多個射線對，每個射線對包括走時；以及
改變所述模型的第一參數(shù)值，造成每個射線對走時的第一非零變化；
改變所述模型的第二參數(shù)值，造成每個射線對走時的第二非零變化，其中每個射線對走時的所述第一非零變化和所述第二非零變化大小相等符號相反，從而組合地改變所述第一參數(shù)值和所述第二參數(shù)值沒有造成沿每個射線對的走時的總體變化。
16.權利要求15的方法，其中改變所述模型的參數(shù)值沒有改變所述模型的大小。
17.權利要求15的方法，其中被改變的所述第一參數(shù)值和所述第二參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個構造層位位置的改變。
18.權利要求15的方法，其中被改變的所述第一參數(shù)值和所述第二參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個區(qū)域中介質(zhì)性質(zhì)的改變。
19.權利要求15的方法，其中使用所述時間保持不變的層析成像來在保持沿每個射線對的總走時不變的情況下計算用于模擬所述初始模型的不同擾動的層析成像系數(shù)。
20.權利要求15的方法，包括將所述改變后的模型存儲在存儲器中。
21.一種使用時間保持不變的層析成像進行地震數(shù)據(jù)建模的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
存儲器，用于存儲表征初始地震數(shù)據(jù)模型的參數(shù)值的初始集，其中所述初始地震模型對應于至少多個射線對，每個射線對包括走時；以及
處理器，用于通過對所述初始模型中的每個射線對改變所述參數(shù)值的初始集中的兩個或更多個參數(shù)值，產(chǎn)生改變后的模型，其中當所述處理器改變所述兩個或更多個參數(shù)值中的每個而不改變參數(shù)值中的其余參數(shù)值時，產(chǎn)生每個射線對的對應走時變化，且其中當所述處理器組合地改變所述兩個或更多個參數(shù)值時，每個射線對的走時沒有對應的凈變化產(chǎn)生。
22.權利要求21的系統(tǒng)，其中被改變的第一參數(shù)值和第二參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個構造層位位置的改變。
23.權利要求21的系統(tǒng)，其中被改變的第一參數(shù)值和第二參數(shù)值中的至少一個表示所述初始模型的一個或更多個區(qū)域中介質(zhì)性質(zhì)的改變。
24.權利要求21的系統(tǒng)，其中所述處理器使用時間保持不變的層析成像來在保持沿每個射線對的總走時不變的情況下計算用于模擬所述初始模型的不同擾動的層析成像系數(shù)。
25.權利要求21的系統(tǒng)，其中存儲器存儲所述改變后的模型。
全文摘要
使用時間保持不變的層析成像進行地震數(shù)據(jù)建模的系統(tǒng)和方法，包括存儲表征初始地震數(shù)據(jù)模型的參數(shù)值的初始集。初始地震模型對應于至少兩個或多個射線對。每個射線對可具有走時。通過對初始模型中的兩個或更多射線對中的每個射線對改變參數(shù)值的初始集中的兩個或更多個參數(shù)值，產(chǎn)生改變后的模型。改變所述兩個或更多個參數(shù)值中的一個參數(shù)值而不改變其余參數(shù)值可對應于每個射線對的走時變化，而組合地改變所述兩個或更多個參數(shù)值通常對應于每個射線對的走時沒有凈變化。
文檔編號G01T1/161GK101730854SQ200880007390
公開日2010年6月9日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權日2007年3月5日
發(fā)明者茲維·科倫, 阿隆·巴爾塔娜, 伊戈爾·拉韋 申請人:帕拉戴姆地球物理(盧森堡)有限公司