專利名稱：Q層析成像方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及地球物理探測領域，更具體涉及地震數(shù)據(jù)處理。具體地，本發(fā)明涉及Q層析成像的技術領域。
背景技術：
針對巖石屬性的特性描述和適當?shù)恼穹S偏移距變化(AVO)分析，需要考慮地震衰減效應。在遷移過程中，需要地震衰減信息來補償吸收效應，以提高遷移圖像質量。因此， 地震衰減的估算對于儲油層的檢測和監(jiān)視是必要的。地震衰減可以由品質因數(shù)Q量化描述。簡單假設地震衰減是頻率相關的，但品質因數(shù)Q是頻率不相關的。這個假設在勘探地球物理應用的頻率范圍內是有效的。Q層析成像是Q估算的方法。這個方法嘗試從地震數(shù)據(jù)重構地下2D或3D的Q模型。通常，Q層析成像算法被分為兩個主要類別。一個類別是基于射線的層析成像(Quan和Harris, 1997 ；Plessix,2006 ；Rossi等人，2007)。另一個類別是基于波方程的層析成像(Liao和McMechan，1996 ；Hicks 和 Pratt, 2001 ；Pratt 等人，2003 ；ffatanabe 等人，2004 ；Gao 等人，2005)?；诓ǚ匠痰膶游龀上裨谖锢砩细鼮榫_但是計算昂貴并且對3D情況不適用。本發(fā)明屬于基于射線的Q層析成像類別。Q層析成像的一個主要問題是如何以最小的近似值和最大的靈活性建立Q模型與地震數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。廣泛使用的方法是基于Q與地震振幅衰減之間的關系。另一個方法使用地震形心頻率降檔來估算品質因數(shù)Q。后面的這個方法被認為更加穩(wěn)健，這是因為這個方法與幾何擴散效應和反射/傳輸損失無關。不過，常規(guī)形心頻率遷移方法僅能使用高斯函數(shù)、矩形波函數(shù)或三角形函數(shù)來擬合源振幅譜，這會引入明顯的誤差，這是因為在多數(shù)情況下，源譜不能由這些函數(shù)近似。本發(fā)明包括加權頻率指數(shù)函數(shù)，其被設計為擬合各種不對稱源振幅譜，從而通過大大減少源振幅譜擬合誤差，改善Q層析成像的精度。在多數(shù)現(xiàn)有Q層析成像算法中，優(yōu)化部分是基于無約束的優(yōu)化方法或基于簡單的非負約束的優(yōu)化方法。因此，這些Q層析成像算法花費大量計算時間或產生許多人工產物和不合實際的Q模型(例如，負的Q值或極端低的Q值)，尤其是當?shù)卣饠?shù)據(jù)被噪音污染時。包括帶有箱約束的高效優(yōu)化算法的本發(fā)明能夠改善重構Q模型的質量和可靠性。下面進行現(xiàn)有技術的更詳細討論。地震衰減層析成像(Q層析成像)已被研究許多年并取得很大進展?；谏渚€Q層析成像算法的兩個主要組成部分是I)用于構建Q層析成像的數(shù)學模型的簡單但是精確的地震數(shù)據(jù)與Q模型之間的關系；2)解這個數(shù)學問題的可靠且穩(wěn)健的優(yōu)化算法。已經開發(fā)或提議用于構建這兩個組成部分的許多技術。這些技術討論如下。
建立地震數(shù)據(jù)與Q模型之間的聯(lián)系估算Q的最簡單直接的方法是譜比方法(Spencer等人，1982 ;Tonn, 1991),其中兩個地震波形之間譜比的對數(shù)被計算為頻率的函數(shù)，并且這個函數(shù)由線性頻率函數(shù)近似，其斜率被視為累積的地震衰減并最終與沿波傳播路徑的Q值相關。理想地，這個方法假設幾何擴散效應和反射/傳輸損失效應與頻率無關，消除了幾何擴散效應和反射/傳輸損失效應。在實際應用中，由于子波重疊、線性擬合的不確定性以及許多其他因素，這個方法是相對不可靠的。Rickett (2006)提出利用時間-頻率分析技術輔助的譜比層析成像擴展方法。這個方法被宣稱對絕對比例不敏感并應用于利用垂直地震剖面(VSP)的Q剖面估算的應用中。在這個方法中，描述與頻率無關的振幅變化的對數(shù)-振幅標量包含在未知數(shù)中，這大大增加了未知數(shù)的數(shù)量并降低算法的效率。而且，在利用表面地震波反射數(shù)據(jù)的2D/3DQ層析成像中，對數(shù)-振幅標量不僅是位置的函數(shù)，而且是射線的函數(shù)，這使過程非常復雜。基于地震子波上升時間的變化與沿傳播路徑的1/Q剖面是線性相關的，Wu和Lees (1996)報告了利用地震學中的上升時間的地震衰減層析成像方法。遺憾的是，這個方法在勘探地球物理中是不實用的，這是因為子波不可避免地被噪音、散射效應、重疊等污染。應當指出，地震子波振幅譜的形狀幾乎完全受品質因數(shù)Q影響，并且開發(fā)了用于Q估算的峰值頻率變化方法(Zhang, 2008)。這個方法是有吸引力的，但是在實際中，存在精確測量峰值頻率變化的困難。而且，由于僅使用在單個頻率的信息，所以Q估算的不確定性大。更穩(wěn)健的方法由Quan和Harris引入(1997)，其中，地震波形的整個頻段的信息被用于計算形心頻率降檔，接著通過簡單封閉形式公式，使形心頻率遷移與沿射線路徑的Q剖面相關。這個方法本質上是完全不受幾何擴散和反射/傳輸損失影響的。這個方法的局限在于源振幅譜必須是高斯、矩形波或三角形函數(shù)。眾所周知的是地震振幅譜從來都不是矩形波或三角形函數(shù)。而且，其通常是不對稱的并且與高斯函數(shù)有很大不同。若這個不對稱振幅譜由高斯函數(shù)近似，則會在Q模型的重構中引入明顯誤差。因此，若在不丟失記錄的地震數(shù)據(jù)的形心頻率與沿射線路徑的Q剖面之間關系的簡單性質的情況下，存在能夠用于更精確擬合各種地震頻譜的函數(shù)，則這個穩(wěn)健方法在實際Q層析成像應用中會更加精確。用于Q層析成像的約束優(yōu)化算法當建立地震數(shù)據(jù)與Q模型之間的關系時，基于射線的Q層析成像問題可以由線性優(yōu)化問題描述。在大多數(shù)現(xiàn)有Q層析成像算法中，這個線性優(yōu)化問題通過利用Krylov子空間方法迭代求解,例如共軛梯度方法和LSQR方法，而不應用任何約束(Quan和Harris，1997 ；Plessix2006, Rossi等人，2007)。只要地震數(shù)據(jù)具有高信噪比(SNR)，那么這些算法工作得很好。不過，地震數(shù)據(jù)從來都不是干凈的；在處理真實的場數(shù)據(jù)時，這些非約束的優(yōu)化算法總是產生某些負的Q值或極端小的正Q值，這些是物理上不現(xiàn)實的。而且，在某些情況下，Q值范圍的先驗信息是已知的。在這些情況下，這個信息需要通過箱約束包含在層析成像算法中，以便提供更加可靠的Q層析成像結果。Rickett (2006)開發(fā)出具有約束的Q估算算法。但是他的算法采用非負約束，而不是箱約束，這意味著消除了負的Q值，但仍然存在極低的正Q值。Rickett (2006)報告了應用非負約束的兩種方法。第一種方法是非線性變換方法。在這個非線性變換方法中，變量Q Sey代替，并且求解y而不是1/Q。通過這樣做，Q被迫為正，但是整個系統(tǒng)會是非常非線性的。為了實現(xiàn)這個目標，由此產生的優(yōu)化系統(tǒng)利用高斯-牛頓途徑求解，而這是很昂貴的。這個方法的另一個缺點是，在優(yōu)化過程中當Q值很大時，基于梯度的優(yōu)化算法將是停滯的或收斂非常緩慢，即Q值會保持在那里并且不再變化。在最惡劣情況下，若在開始模型中的y值是無限的，那么成本函數(shù)的梯度是O并且優(yōu)化算法不執(zhí)行搜索。應用Rickett(2006)報告的非負約束的第二個方法是通過平滑技術，強制衰減的單調遞增特性。這個方法利用VSP數(shù)據(jù)對Q估算是有效起作用的，但在利用表面反射地震數(shù)據(jù)的2D Q層析成像中會失效。本發(fā)明人知道，不存在帶有箱約束的現(xiàn)有Q層析成像算法來實施在上邊界和下邊界規(guī)定范圍內的估算Q值。不過，在某些其他地球物理應用中，例如速度層析成像中采用帶有箱約束的優(yōu)化算法。例如，Delbos等人(2006)開發(fā)出具有箱約束的地震反射層析成像算法。在他們的算法中，利用高斯一牛頓增強朗格拉日方法求解約束優(yōu)化問題，而關聯(lián)的朗格拉日問題——另一個約束優(yōu)化問題，通過梯度投影方法、有效集方法以及共軛梯度方法的組合來求解。他們使用的有效集方法是常規(guī)的，并且由于該算法更新有效集，一次一個約束，因此是低效的(Bierlaire 等人，1991 ；Lostedt, 1984 ；Nocedal 和 Wright, 1999)。當箱 約束的數(shù)量巨大時，該算法的收斂速率可以非常慢。在本發(fā)明中，在數(shù)學領域中的最近進展(其被稱為多指標有效集方法(Morigi等人，2007))被用于執(zhí)行帶有箱約束的Q層析成像，相比于非約束的Q層析成像算法和利用常規(guī)有效集方法的約束算法，其明顯改善在Q重構質量和算法效率方面的Q層析成像算法的性能。

發(fā)明內容
在一個實施例中，本發(fā)明是基于射線的形心頻率遷移Q層析成像方法，其從在利用地震源的勘測中由接收器測量的地震數(shù)據(jù)重構1/Q的地下深度模型，其包括選擇數(shù)學函數(shù)來近似地震源的振幅譜，以便計算由于地球衰減引起的譜的形心頻率遷移，并且將所述形心頻率遷移與由品質因數(shù)Q的倒數(shù)表示的衰減相關，以及通過迭代的線性優(yōu)化求解Q或1/Q，其中所述優(yōu)化具有箱約束，以將估算的Q值保持在由上邊界和下邊界規(guī)定的與位置相關的范圍內。該約束優(yōu)化可以由多指標有效集方法求解，該方法允許一次多網(wǎng)格指標的有效集更新，其中網(wǎng)格指標表示地下位置。選擇的數(shù)學函數(shù)可以是頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)。無論在優(yōu)化中是否使用箱約束，使用這個函數(shù)來近似地震源的振幅譜將是有利的。除了其他優(yōu)點之外，由本發(fā)明方法產生的重構的地下Q模型可以有利地用于地震成像中，以補償振幅模糊、頻率損失以及由粘聲波覆蓋層，例如天然氣儲集層導致的相位失真效應。通過在地震成像過程中包含由本發(fā)明提供的更精確Q模型，能夠明顯改善地質結構圖像的質量。此外，由于Q對某些巖石和流體屬性，例如流體飽和度與孔隙度很敏感，所以重構的Q模型在儲集層特征描述的應用中是有益的。在這樣的應用中，本發(fā)明成為碳氫化合物勘探、開發(fā)或生產的方法。Q層析成像領域的技術人員應該意識到本發(fā)明方法的至少某些步驟優(yōu)選在計算機上執(zhí)行，根據(jù)本文所述教導編程，即本發(fā)明在大多數(shù)或全部實際應用中是計算機實施的。


通過參考下列詳細描述及其隨附繪圖，可以更好理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，其中 圖1示出本發(fā)明至少某些實施例中設計用于擬合各種不對稱源振幅譜的加權頻率指數(shù)函數(shù)的帶寬變化，針對特性頻率參數(shù)的各種值和稱為對稱指標的第二參數(shù)的選擇值在n=2時的情況；
一(Λ圖2示出加權頻率指數(shù)函數(shù)
權利要求
1.一種基于射線的形心頻率遷移Q層析成像方法，用于從接收器在利用地震源的勘探中測量的地震數(shù)據(jù)重構地下Q模型，所述方法包括選擇數(shù)學函數(shù)近似所述地震源的振幅譜，以便計算由于地面衰減而造成的所述譜的形心頻率遷移，并使所述形心頻率遷移與由品質因數(shù)Q的倒數(shù)表示的衰減相關，以及利用計算機通過迭代、線性優(yōu)化求解Q或1/Q，其中所述優(yōu)化具有箱約束，以將估算的Q值保持在由上邊界和下邊界規(guī)定的與深度有關范圍內的。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述具有箱約束的優(yōu)化通過多指標有效集方法求解，所述多指標有效集方法允許一次多網(wǎng)格指標的有效集更新，其中網(wǎng)格指標表示地下位置。
3.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所選擇的數(shù)學函數(shù)是頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)具有兩個參數(shù)，所述參數(shù)被調整以提供到所述地震源的振幅譜的擬合。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述兩個參數(shù)是用于帶寬控制的特征頻率和對稱指標，每個是正實數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)可以表述成下面的形式
7.根據(jù)權利要求I所述的方法，其進一步包括 (a)估算所述源的振幅譜和計算其形心頻率； (b)通過頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)近似所述源的振幅譜； (C)計算所述地震數(shù)據(jù)的軌跡的第一批到達者的振幅譜； (d)計算形心頻率遷移，其是在(c)中計算的振幅譜的形心頻率與所述源的振幅譜的計算形心頻率之間的差異； Ce)以所述形心頻率遷移和在(C)中計算的振幅譜的形心頻率建造測量矢量d ; (e)利用地下聲學速度模型和來自所述勘探的源接收器信息，在計算機上運行射線追跡代碼； Cf)以射線段長度和相應聲學速度建造核心矩陣A ; (g)從可用信息建造地下的開始Q模型，所述開始模型為所述開始模型中的每個單元規(guī)定1/Q的值； (h)生成貫穿所述模型為1/Q提供箱約束的1/Q范圍地圖，所述箱約束基于可用信息； (i)執(zhí)行迭代優(yōu)化，其中計算機為矢量X的元素求解問題min||Ax-d| |，服從箱約束，其中\(zhòng) = 1/ ，指標j表示所述模型中的第j個單元，從而重構1/Q值的體積作為地下的深度和橫向位置的函數(shù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中服從箱約束的所述迭代優(yōu)化通過采用一類型的有效集方法執(zhí)行，所述有效集方法在所述優(yōu)化期間更新有效集的多個指標。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述迭代優(yōu)化具有外迭代循環(huán)和內迭代循環(huán)，以及所述內迭代循環(huán)執(zhí)行確定對Xi的調整的非約束優(yōu)化，以使I |Ax-d| I最小。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中在每個內循環(huán)迭代后產生針對每個模型單元i的Xi，通過以下步驟開始下一個外循環(huán)對照箱約束測試Xi和約束違反所述約束的那些Xi，所述受約束的Xi稱為所述有效集，接著測試I |Ax-d| I是否小于ε，如果不是，則進行下一個內迭代。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中直到所述內循環(huán)的非約束迭代收斂以滿足選擇的最優(yōu)條件，才更新所述有效集的總體。
12.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述多指標有效集方法使用共軛梯度求解程序或LSQR求解程序。
13.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述使所述形心頻率遷移Af與1/Q相關可以數(shù)學表示為
14.根據(jù)權利要求I所述的方法，其進一步包括使用在地震成像中的Q或1/Q的求解值，用于碳氫化合物勘探或用于碳氫化合物儲集層特性描述。
15.一種基于射線的形心頻率遷移Q層析成像方法，用于從接收器在利用地震源的勘探中測量的地震數(shù)據(jù)重構地下Q或1/Q模型，所述方法包括利用頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)近似所述地震源的振幅譜，以便計算由于地面衰減而造成的所述譜的形心頻率遷移，并使所述形心頻率遷移與由品質因數(shù)Q的倒數(shù)表示的衰減相關，以及通過利用計算機執(zhí)行的迭代、線性優(yōu)化求解Q或1/Q。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述優(yōu)化具有箱約束，以將估算的Q值保持在由上邊界和下邊界規(guī)定的與深度有關的范圍內。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述帶箱約束的優(yōu)化通過多指標有效集方法求解，所述多指標有效集方法允許一次多網(wǎng)格指標的有效集更新，其中網(wǎng)格指標表示地下位置。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)具有兩個參數(shù)，所述參數(shù)被調整以提供到所述地震源的振幅譜的擬合，其中所述兩個參數(shù)是用于帶寬控制的特征頻率和對稱指標，每個是正實數(shù)。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述頻率的加權頻率指數(shù)函數(shù)可以表述成下面的形式
20.根據(jù)權利要求15所述的方法，其進一步包括使用在地震成像中的Q或1/Q的求解值，用于碳氫化合物勘探或用于碳氫化合物儲集層特性描述。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過執(zhí)行基于射線(60)的形心頻率遷移(50)Q層析成像，從地震數(shù)據(jù)(10)重構地下Q模型(110)的方法。地震源波形的振幅譜由頻率(40)的加權頻率指數(shù)函數(shù)近似，具有兩個參數(shù)以便調整以擬合頻率遷移數(shù)據(jù)，從而提供對各種不對稱源振幅譜的擬合。箱約束可用于優(yōu)化程序，以及用于速度層析成像的多指標有效集方法是用于實施箱約束(100)的優(yōu)選技術。
文檔編號G01V1/00GK102884447SQ201180022623
公開日2013年1月16日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權日2010年5月5日
發(fā)明者W·胡 申請人:?？松梨谏嫌窝芯抗?br>