专利名称：调谐式先验约束初至波层析反演方法
涉及领域本发明涉及石油地震勘探数据处理方法，具体地说，是调谐式先验约束初至波层析反演方法。
背景技术：
初至波旅行时层析成像为非线性问题，基于正演模拟理论建立的方程组不存在精确解，人们只能借助于最小平方法，最终获得一系列满足精度要求的解，即一个解族，(多解)(Meju，1994；Scales et al.，2001)。反演的多解性严重损害层析成像精度。解决多解问题的办法是在反演过程中引入先验信息，使模型可选范围得到约束。引入先验信息的方法主要有数值法和非数值法两类，(1)数值法是地层速度在横向上变化不大时，引入平滑因子使反演速度在横向上平缓变化(VanDecar et al.，1994；Medeiros et al.，1996)。(2)非数值法是指人为引入先验信息的方法，例如当了解速度大概取值范围时，可以限定反演速度的上下限(Jupp et al.，1975)；或者当模型参数与标准解参数很接近时，要求每一个参数与标准解在数值上尽可能接近，这类约束又可称为等价约束(Le Stunff，1998；Medeiros et al.，1996)。不同的约束方法具有不同的特点。数值法能使解稳定，但不能保证所获解唯一合理；引入先验信息的方法使解趋于合理，但解不一定稳定。
技术内容针对背景技术中存在的问题，本发明方法针对我国西部复杂地表地区，将平滑约束与先验信息约束相结合，提出调谐式先验约束反演方法。本发明是这样实现的这种方法在微测井或地质露头提供准确信息的地点，采用先验信息约束，要求标准解与先验信息在数值上尽可能接近。使得先验信息成为较严格的约束信息，在其它地点则要求标准解参照先验信息空间展布平稳变化。
调谐式先验约束初至波层析反演方法设定观测数据和模型参数满足如下线性方程组Ax＝y (1)其中，x为模型修正量，y为走时残差，A为与射线路径有关的系数矩阵。
由于反演求解过程中，完全不同的模型参数能够适合相同的观测数据，特别当观测数据存在误差时。为了改善解的质量，在层析方程组中直接加入已知信息(先验信息)(Meju，1994；Medeiros et al.，1996)，对解进行约束，使解趋于唯一合理。假定先验信息具有如下一般形式Dm＝h (2)式中m代表模型参数，h代表先验信息，D是一个系数矩阵。用约束方程(2)修正方程(1)，即进行规划理论中的偏置估算(Meju，1994)，使方程组的解x朝先验信息h偏置。偏置估算是一个逐步迭代过程。
设定先验信息h和初始模型参数m0相互独立，定义拉格朗日函数L＝(Ax-y)T(Ax-y)+{β2[D(m0+x)-h]T[D(m0+x)-h]}(3)其中，β为拉格朗日乘子的对角矩阵。当与先验数据相对应时，元素βi为大于0的数值；否则，元素βi为0。拉格朗日函数描述了由模型期望参数计算出的预测值与实际观测值的匹配程度，以及在这个匹配程度上，模型期望参数与先验信息的吻合程度。要使(3)式取得极小值，可令L对x的导数为零，也就是∂L∂x=0,]]>得到ATAx+DTBDx＝ATy+DTBh-DTBDm0(4)其中，B＝βTβ，(4)式称为用先验信息约束的正则方程。由于约束方程是线性的，该方法又可称为线性先验约束反演或线性偏置估算。
实际地震勘探中，在微测井或地质露头可以提供准确的先验信息的地点，采用先验信息约束时，要求标准解与先验信息在数值上尽可能地接近(即等价约束(Stunff，1998；Medeiros et al.，1996))；在其它地点，要求标准解根据选择的平滑算子随先验信息空间展布平稳变化(即相对等价约束(Medeiros et al.，1992))。上述约束是在不断调谐的过程中实现的，可进行人工干预。
算法上，采用网络法最短路径射线追踪计算旅行时(Moser，1991)，采用最小平方正交分解法(LSQR)快速求解(4)式(Paige和Saunders，1982)。
本发明方法从实际勘探出发，将平滑约束和先验信息约束相结合，提出调谐式先验约束方法进行初至波层析反演。理论试算表明，平滑约束反演仅从宏观展现模型的面貌，分辨率低；调谐式先验约束反演能基本上再现真实模型，分辨率高、真实可信。实际应用也得出类似的结论，平滑约束层析反演可以得到较好的效果，但是在有先验信息时采用调谐式先验约束层析反演，可进一步提高反演精度，得到更令人满意的效果。
图1近地表数值模型分布2常速初始模型分布3平滑约束层析反演计算结果4调谐式先验约束层析反演计算结果图具体实施实施例近地表数值模型(图1)包含一个梯形低速体和一个弯曲折射界面，低速体的速度为600米/秒，折射界面两端平直，中间呈梯形下陷，折射界面上下速度分别为2200米/秒和4500米/秒，这是一个速度在纵向和横向上都剧烈变化的近地表模型。对于此模型进行正演模拟，并拾取初至时间，从常速初始模型(图2)开始，用LSQR方法迭代求解，得到平滑约束层析反演结果(图3)。平滑算子由两个算子复合而成，一个是二阶三点差分算子，即(-1，2，-1)，另一个是二阶五点差分算子，即(-3/35，12/35，-18/35，12/35，-3/35)。
根据5口微测井，桩号坐标和井深分别为(0，48)、(500，48)、(1000，72)、(1500，48)和(2000，48)，在近地表数值模型(图1)上相应位置提取速度信息作为先验信息，利用(4)式进行调谐式先验约束层析反演，得到调谐先验约束层析反演结果(图4)。在反演方程中，x为模型修正量，即速度修正量，y为走时残差，A为与射线路径有关的系数矩阵，它们具体形式为x＝[Δv1，Δv2，……，ΔvN]T，N代表模型参数个数；y＝[Δt1，Δt2，……，ΔtM]T，M代表射线条数；A＝[aij]，它代表射线对模型参数的微分，其中，i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N。m为模型参数，h为先验信息，即速度，D为对角矩阵，它们具体形式为m＝[v1，v2，……，vN]T；h＝[h1，h2，……，hL]T，L代表先验信息个数；D＝[dij]，当i＝j时dij＝1，而当i≠j时dij＝0。β为拉格朗日乘子的对角矩阵，β帮助识别与先验信息相一致的参数，与先验数据相对应时，元素βi为一个大于0小于1的数，βi值的大小依赖于先验信息的可靠程度，在此例中取为0.9；其它情况下，元素βi为0。
层析迭代过程一般分为四步①给定一个初始速度模型；②计算旅行时与射线路径；③分析计算旅行时与观测旅行时的残差，当精度满足要求时，迭代结束，否则计算模型的修正量，并修正初始速度模型；④将修正后的速度模型作为初始速度模型，重复②③步骤，并进行多次迭代。在“调谐式先验约束初至波层析反演方法”中，层析迭代过程大体上也分为四步。第一步，给定一个初始速度模型及各控制点上的先验信息；第二步，利用初始模型计算旅行时与射线路径；第三步，分析计算旅行时与观测旅行时的残差，同时分析速度模型与先验信息的吻合程度，当精度满足要求时迭代结束，否则在约束条件下计算模型的修正量，并修正初始速度模型；第四步，将修正后的速度模型作为初始速度模型，重复第二、三步骤，并进行多次迭代。在第三步，当残差较小，模型参数与先验信息吻合较好时，让拉格朗日乘子βi取一个较大的值，这个值接近于1，如0.9；相反，当残差较大，模型参数与先验信息吻合较差时，让拉格朗日乘子βi取一个较小的值，如0.1～0.5。这样，就可以突出可靠先验信息的约束作用，抑制不可靠先验信息的约束作用。当旅行时残差达到一定精度，而且反演模型与先验信息吻合较好时，才让迭代过程结束。由此可见，整个迭代过程既体现了先验约束的思想，又体现了人工干预的措施，即调谐控制过程。
将两种反演结果与近地表数值模型进行比较，我们发现平滑约束反演(图3)仅在宏观上展现了原模型的面貌，其中平直折射界面模糊不清，而调谐式先验约束层析反演(图4)基本上再现了真实模型。
权利要求
1.一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于处理步骤包括(1)根据已知的先验信息建立约束方程Dm＝h；(2)根据先验信息h和初始模型参数m0，定义拉格朗日函数，L＝(Ax-y)T(Ax-y)+{β2[D(m0+x)-h]T[D(m0+x)-h]} (公式3)；(3)由∂L∂x=0,]]>采用规划理论的偏置估算法，根据约束方程修正走时残差方程，其先验信息约束的正则方程为ATAx+DTBDx＝ATy+DTBh-DTBDm0(公式4)。
2.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于所述的走时残差方程为Ax＝y (公式1)其中，x为模型修正量，y为走时残差，A为与射线路径有关的系数矩阵。
3.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于所述的约束方程中的m代表模型参数，h代表先验信息，D是一个系数矩阵。
4.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于所述的拉格朗日函数中β为拉格朗日乘子的对角矩阵，当与先验数据相对应时，元素βi为大于0的数值；否则，元素βi为0。
5.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于所述的先验信息约束的正则方程中的B＝βTβ。
6.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于所述的偏置估算法是一个逐步迭代过程。
7.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于采用网络法最短路径射线追踪计算旅行时，采用最小平方正交分解法(LSQR)快速求解公式4。
8.如权利要求1所述的一种地震数据处理的调谐式先验约束初至波层析反演方法，其特征在于所述的已知的先验信息包括微测井或地质露头提供的准确的信息。
全文摘要
本发明方法从实际勘探出发，将平滑约束和先验信息约束相结合，提出调谐式先验约束方法进行初至波层析反演。理论试算表明，平滑约束反演仅从宏观展现模型的面貌，分辨率低；调谐式先验约束反演能基本上再现真实模型，分辨率高、真实可信。在实际数据处理应用也得出同样的结论，平滑约束层析反演可以得到较好的效果，但是在有先验信息时采用调谐式先验约束层析反演，进一步提高反演精度，可得到更令人满意的效果。
文档编号G01V1/28GK1497265SQ02123729
公开日2004年5月19日 申请日期2002年6月21日 优先权日2002年6月21日
发明者陈宝孚 申请人:中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司, 中国石油集团东方地球物理勘探有限责