专利名称：全波形反演方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油地震勘探速度建模技术领域，尤其涉及基于时间域一阶速度-应力弹性波动方程的全波形反演方法及装置。
背景技术：
相对于旅行时层析成像方法，全波形反演不仅可以利用地震走时，还可以利用振幅、相位、波形等信息，因此能够得到精确的高分辨率速度模型。随着勘探的不断深入，地震成像需要解决的问题日益精细化和复杂化，单纯依靠纵波信息来推断地下介质模型已远远不够，为了较好地推测出地下介质模型，需要提供弹性多波的成像信息，因而弹性波全波形反演显得十分重要。全波形反演是根据观测的地震波场记录来推测地下介质参数的一种方法。基于最小二乘原理，当目标泛函取极小时所对应的模型就认为是要求解的模型。在利用最小二乘解求取地下介质模型参数时至关重要的一步是计算目标泛函关于模型参数的梯度即FWchet导数。直接求解模型FWchet导数往往比较困难，需要巨大的计算量，为此许多学者引入了其他思想来求解Fr6chet导数,其中伴随方法是求解Fr6chet导数的一个强有力工具。目前非线性全波形反演研究较为深入的是基于梯度类的迭代算法，准确的梯度将加快反演的收敛速度，提高反演的计算效率。基于弹性波动方程的传统目标泛函关于模型参数的梯度是通过二阶弹性波动方程系统导出的(Tarantola (1986),Mora (1987)，Liu和Tromp (2006))。Crase等(1990)引入更加稳健的目标泛函，采用一阶速度-应力弹性波动方程及相应的伴随方程(除右端项之外，其表达形式与正向一阶速度-应力方程一致)来计算正向传播波场和逆时外推伴随波场，利用基于二阶位移弹性波动方程导出的目标泛函关于模型参数的梯度表达式，对海洋实际数据资料进行了弹性波全波形反演研究。Shipp和Singh (2002)利用大角度海洋反射数据集对P波速度进行了反演，在反演过程中，同样采用一阶速度-应力方程对正演波场进行模拟，为了提高计算效率，他们对梯度表达式进行了变形，用正应力来代替位移对空间的导数。Baumstein等(2009)指出在采用上述策略求解梯度时，必然存在着质点位移和质点速度的转换问题，如果想要得到准确的梯度，需要在逆时外推波场残差之前对其进行预处理即求解波场残差对应力或位移的导数。这样，就使得计算效率较为低下。

发明内容
本发明实施例提供一种基于时间域一阶速度-应力弹性波动方程的全波形反演方法，用以提高反演的计算效率，该方法包括:采用基于摄动理论的伴随方法，确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程和相应的目标泛函关于模型参数的梯度表达式；根据所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程确定正向传播波场，根据所述伴随方程确定逆时外推伴随波场；根据所述正向传播波场、逆时外推伴随波场和所述梯度表达式确定所述目标泛函关于模型参数的梯度；利用梯度类迭代算法进行多尺度全波形反演。一个实施例中，采用基于摄动理论的伴随方法,确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程如下:
权利要求
1.一种基于时间域一阶速度-应力弹性波动方程的全波形反演方法，其特征在于，该方法包括: 采用基于摄动理论的伴随方法，确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程和相应的目标泛函关于模型参数的梯度表达式； 根据所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程确定正向传播波场，根据所述伴随方程确定逆时外推伴随波场； 根据所述正向传播波场、逆时外推伴随波场和所述梯度表达式确定所述目标泛函关于模型参数的梯度； 利用梯度类迭代算法进行多尺度全波形反演。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于摄动理论的伴随方法，确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程如下:
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 对所述伴随方程进行量纲分析如下:
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于摄动理论的伴随方法，确定所述梯度表达式如下:
5.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，根据所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程确定正向传播波场，包括: 对所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程进行离散求解，得到观测地震记录； 采用高斯平滑法获得初始模型，对初始模型进行正演模拟获得正向传播波场以及人工合成地震记录。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程进行离散求解，得到观测地震记录时，采用的数值方法为交错网格有限差分法，时间是二阶精度，空间是四阶精度，边界采用最佳匹配层PML吸收边界条件。
7.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，根据所述伴随方程确定逆时外推伴随波场，包括: 对所述伴随方程采用高阶交错网格有限差分法和PML吸收边界条件进行求解得到逆时外推伴随波场。
8.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，利用梯度类迭代算法进行多尺度全波形反演，包括: 采用预条件共轭梯度法进行多尺度全波形反演，反演过程中迭代步长采用非精确线性搜索进行求取。
9.一种基于时间域一阶速度-应力弹性波动方程的全波形反演装置，其特征在于，该装置包括: 第一确定模块，用于采用基于摄动理论的伴随方法，确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程和相应的目标泛函关于模型参数的梯度表达式；第二确定模块，用于根据所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程确定正向传播波场，根据所述伴随方程确定逆时外推伴随波场； 第三确定模块，用于根据所述正向传播波场、逆时外推伴随波场和所述梯度表达式确定所述目标泛函关于模型参数的梯度； 反演处理模块，用于利用梯度类迭代算法进行多尺度全波形反演。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块具体用于: 采用基于摄动理论的伴随方法，确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程如下:
11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括: 量纲分析模块，用于: 对所述伴随方程进行量纲分析如下:[WxJ = [WxJ = [WzJ = M/LT ； 对所述梯度表达式进行量纲分析如下:
12.按权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块具体用于: 采用基于摄动理论的伴随方法，确定所述梯度表达式如下:
13.按权利要求9至12任一项所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块具体用于: 对所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程进行离散求解，得到观测地震记录； 采用高斯平滑法获得初始模型，对初始模型进行正演模拟获得正向传播波场以及人工合成地震记录。
14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块具体用于: 对所述时间域一阶速度-应力弹性波动方程进行离散求解，得到观测地震记录时，采用的数值方法为交错网格有限差分法，时间是二阶精度，空间是四阶精度，边界采用PML吸收边界条件。
15.按权利要求9至12任一项所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块具体用于: 对所述伴随方程采用高阶交错网格有限差分法和PML吸收边界条件进行求解得到逆时外推伴随波场。
16.按权利要求9至12任一项所述的装置，其特征在于，所述反演处理模块具体用于: 采用预条件共轭梯度法进行多尺度全波形反演，反演过程中迭代步长采用非精确线性搜索进行求取。
全文摘要
本发明公开一种基于时间域一阶速度-应力弹性波动方程的全波形反演方法及装置，其中方法包括采用基于摄动理论的伴随方法，确定时间域一阶速度-应力弹性波动方程的伴随方程和相应的目标泛函关于模型参数的梯度表达式；根据时间域一阶速度-应力弹性波动方程确定正向传播波场，根据伴随方程确定逆时外推伴随波场；根据正向传播波场、逆时外推伴随波场和梯度表达式确定目标泛函关于模型参数的梯度；利用梯度类迭代算法进行多尺度全波形反演。本发明在逆时传播波场残差前不需要对波场残差进行预处理，不需要考虑质点速度和质点位移的转换问题，可提高反演计算效率。
文档编号G01V1/30GK103091711SQ201310027520
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者周辉, 王杰, 张红静, 张庆臣 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油大学(北京)