专利名称：利用互相关目标函数进行的海洋拖缆数据同时源反演的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及地球物理勘探领域，更具体地涉及地球物理数据处理。具体地，本发明是得自多种地球物理源如震源的数据反演方法，包括地球物理模拟——在进行一次模拟中计算来自多个同时活动的地球物理源的数据。
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背景技术：
即使应用现代的计算能力，地震全波场反演仍是计算昂贵的工作。但是，用此方法获得详细的地下表示的益处预期超过该阻碍。导致更快周转时间的算法和工作流程的发展是使此技术适于场大规模数据的关键步骤。地震全波形反演包括数据的正向和伴随模拟的数次迭代(重复，iteration)。因此，降低正向和伴随计算运行成本的技术将致使用户在合理的时间量内解决较大规模的问题。 地球物理反演[1，2]尝试找到最优解释观测数据并满足地质和地球物理限制的地下性质的模型。存在大量众所周知的地球物理反演方法。这些众所周知的方法属于两种类别即迭代反演和非迭代反演中的一种。以下是两种类别中每一种的普遍意义的定义:非迭代反演——通过假设一些简单的背景模型和基于输入数据更新模型实现的反演。此方法不将更新模型用作另一反演步骤的输入。对于地震数据的情况，这些方法常被称为成象、偏移、绕射层析成象或博恩反演。迭代反演一涉及重复改进地下性质模型从而建立理想地解释观测数据的模型的反演。如果反演收敛，则最终模型将更好地解释观测数据并将更紧密地接近实际的地下性质。迭代反演通常生成比非迭代反演更准确的模型，然而计算起来昂贵得多。迭代反演总体上相对于非迭代反演是优选的，因为其生成更准确的地下参数模型。不幸地，迭代反演的计算费用如此昂贵，以致于将其应用于多种感兴趣的问题是不切实际的。这种高计算成本是源于所有反演技术均需要多个计算密集型模拟的事实。任何单独模拟的计算时间与所要反演的源数成比例，并且地球物理数据一般存在大量源，在此前述使用的术语源是指源设备的激活位置。迭代反演的问题加剧，因为必须计算的模拟数与反演的迭代数成比例，并且所需迭代数一般属于成百上千的级别。用于地球物理学的最常用迭代反演方法是成本函数优化。成本函数优化包括成本函数S (M)的数值相对于模型M的迭代最小化或最大化，该成本函数S (M)是计算数据与观测数据之间错配度的度量(其有时也被称为目标函数)，其中计算数据是通过计算机使用当前地球物理性质模型和源信号在由给定的地球物理性质模型表示的介质中的物理学支配传播(physics governing propagation)来模拟的。模拟计算可通过几种数值方法中任一种完成，该数值方法包括但不限于有限差分、有限元或射线追踪。模拟计算可在频率域或时间域中进行。成本函数优化方法是局部或全局的[3]。全局方法简单地包括计算模型群体{M1;M2, M3, -}的成本函数S(M)和从大约最小化S(M)的群体选择具有一个或多个模型的组。如需进一步改进，则此新选定的模型组可被用作生成新模型群体的基础，该新模型群体可关于成本函数S(M)再次进行测试。对于全局方法，测试群体中的各模型可被认为是迭代，或在较高水平上各组所测群体可被认为是迭代。公知的全局反演方法包括蒙特卡罗(MonteCar Ιο)、模拟退火、遗传和进化算法。不幸地，全局优化方法一般收敛极其缓慢，因此大多数地球物理反演是基于局部成本函数优化。算法I概括了局部成本函数优化。
1.选择起始模型，
2.汁1 :关于描述模型的参数的成木_数.％￥;的梯度，
3.搜索史好地解释观测数据的、成为起始模型在负梯度方[:' J的扰动 的史新模5!算法1-进行局部成本函数优化的算法。.
此程序通过利用新更新的模型作为另一梯度搜索的起始模型进行迭代。该过程持续，直到发现理想地解释观测数据的更新模型。常用的局部成本函数反演方法包括梯度搜索、共轭梯度和牛顿法。在声学近似中地震数据的局部成本函数优化是普遍的地球物理反演作业，并通常是其他类型的地球物理反演的示例。 当在声学近似中反演地震数据时，成本函数可写作:
JsJ
_7] S(M) = Σ Σ Σ w{wcak, {m ,r JjWg)^ i//,%.(r,rswj)
g=\ r=\ /=1(方程式I)在此:S=成本函数，M=N个描述地下模型的参数(Hi1, m2，...!％)的向量，g=道集(gather )指数，Wg=道集g的源函数，其是空间坐标和时间的函数，对于点源而言其是空间坐标的δ函数，Ng=道集数，r=道集中的接收器指数，Nr=道集中的接收器数，t=道(trace)中的时间样本指数，Nt=时间样本数，
W=最小化标准函数(我们通常选择W (X) =x2，其是最小二乘方(L2)标准)，Vcalc=从模型M计算的地震压力数据，测量地震压力数据。该道集可以是可在一轮地震正向建模程序中模拟的任何类型的道集。通常道集相应于地震炮点(shot),尽管炮点可比点源更普遍(general)。关于点源,道集指数g相应于各个点源的位置。关于平面波源，g将相应于不同的平面波传播方向。这种广义源(generalized source)数据可以在现场得到或可由利用点源得到的数据合成。另一方面，计算数据ΨΜ1。通常可通过利用正向建模时广义源函数直接计算。关于多种类型的正向建模——包括有限差分建模，广义源所需的计算时间粗略地等同于点源所需的计算时间。方程式(I)可简化为:
权利要求
1.用于测量地球物理数据的同时编码源反演以确定地下区域的物理性质模型的计算机执行方法，所述测量地球物理数据在同时编码源反演的固定接收器假设无效的条件下获得，所述方法包括下列步骤，其中所有加和、模拟、计算和更新在经编程以执行它们的计算机中进行: (a)获得具有所述测量地球物理数据的两个或更多个编码道集的组，所述测量地球物理数据在所述固定接收器假设无效的条件下获得，其中各道集与单个广义源相关，或可选地与单个接收器相关，并且其中各道集用选自非同等编码函数组的不同编码函数编码； (b)通过加和相应于单个接收器或可选地相应于单个源的各道集中的所有或选定的数据记录，加和所述组中的编码道集，并对于每个不同的接收器或可选地对于每个不同的源进行反复，生成同时编码道集； (c)假设所述地下区域的物理性质模型，所述模型提供整个所述地下区域中的位置处的至少一种物理性质的数值； (d)利用所述假设物理性质模型模拟数据的合成同时编码道集，其中所述模拟应用编码源特征，并且其中整个同时编码道集在单个模拟操作中被模拟； (e)计算度量所述测量数据的同时编码道集与所述模拟同时编码道集之间的互相关的目标函数； (f)通过优化所述目标函数更新所述物理性质模型； (g)利用来自前次迭代的所述更新物理性质模型作为步骤(C)所述的假设物理性质模型，再重复步骤(a) - (f)至少一次，生成进一步更新的物理性质模型；和 (h)下载、显示或保存所述进一步更新的物理性质模型于计算机存储器。
2.权利要求1所述的方法，其中所述目标函数P由如下给出或数学上等同于:
3.权利要求2所述的方法，进一步包括通过如下近似所述目标函数:
4.权利要求1所述的方法，其中步骤(a)的道集所用的所述编码函数在至少一次所述迭代中被改变。
5.权利要求4所述的方法，其中两组或更多组编码函数被用于每次迭代，并被设计以获得所述目标函数的平均梯度。
6.权利要求1所述的方法，其中所有编码函数在每次迭代中被改变。
7.权利要求1所述的方法，进一步包括如步骤(a)所述获得至少一个另外的编码道集组，所述编码道集组具有所述测量地球物理数据的两个或更多个编码道集，和对于每个另外的组进行步骤(b)，然后累积来自步骤(e)的所述相应计算目标函数，其中步骤(f)所述的所述物理性质模型更新通过最大化所述累积计算目标函数而确定。
8.权利要求1所述的方法，其中测量数据的所述编码道集通过如下被编码:利用对于所述道集选择的所述编码函数在时间上褶积来自所述道集的所有道。
9.权利要求1所述的方法，其中通过获得来自地球物理考察的数据的道集获得测量数据的所述两个或更多个编码道集，在所述地球物理考察中数据由多个同时运转、独特编码的源装置获得。
10.权利要求1所述的方法，其中所述测量地球物理数据来自所述地下区域的地震考察。
11.权利要求10所述的方法，其中广义震源是全部点源或全部平面波源。
12.权利要求1所述的方法，其中用于所述合成同时编码道集模拟的所述编码源特征采用与用于编码测量数据的所述同时编码道集相同的编码函数，或是通过利用与用于编码步骤(a)的相应测量道集相同的编码函数在时间上褶积测量或估测的源特征而作成的函数，其中所述测量地球物理数据包括每个源激活的测量或估测的源特征。
13.权利要求8所述的方法，其中所述编码函数是选自线性、随机相位、线性调频脉冲、改良线性调频脉冲、随机时移和频率不相关的相位编码的类型。·
14.权利要求8所述的方法，其中所述编码函数对于一些源是一种类型，并且对于其他源是另一种类型。
15.权利要求1所述的方法，其中所述编码函数被优化以提高所述目标函数的质量。
16.权利要求1所述的方法，其中步骤(d)所述的模拟利用有限差分、有限元或有限体积模拟代码进行。
17.权利要求10所述的方法，其中所述物理性质模型是地震波速度、地震弹性参数、地震各向异性参数或地震滞弹性参数的模型。
18.权利要求1所述的方法，其中利用选自蒙特卡罗、模拟退火、遗传或进化算法的全局目标函数优化方法更新所述模型。
19.权利要求1所述的方法，其中利用选自梯度线搜索、共轭梯度或牛顿法的局部目标函数优化方法更新所述模型。
20.权利要求1所述的方法，其中最大化所述目标函数包括计算所述目标函数相对于所述物理性质模型的参数的梯度。
21.用于测量地球物理数据的同时编码源反演以确定地下区域的物理性质模型的计算机执行方法，所述测量地球物理数据在同时编码源反演的固定接收器假设无效的条件下获得，所述方法包括: (a)从对所述固定接收器假设无效的所述地下区域的地球物理考察获得测量地球物理数据； (b)利用编程计算机，通过迭代反演，反演所述测量数据，包括利用假设或更新的物理性质模型同时模拟代表多个考察源或可选地多个接收器的考察数据，其中所述模拟中的源或接收器特征被编码，生成地球物理数据的模拟同时编码道集，所述反演进一步包括，通过优化度量所述模拟同时编码道集与所述测量地球物理数据相应的同时编码道集之间的互相关的目标函数，确定用于下一次迭代的模型更新；和 (C)下载或显示更新的物理性质模型或将其保存于计算机存储器或数据存储器。
22.权利要求21所述的方法，其中一些或全部所述地球物理数据，以各数据组中源活动位置之间的间距与分组前的所述一些或全部所述地球物理数据相比增加的方式，被分成多个数据组，并且每 次迭代的所述模拟同时编码道集相应于不同的数据组，并且所有组均在所述迭代的过程中被应用。
23.计算机程序产品，包括非临时性计算机可用介质，所述非临时性计算机可用介质中具有计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码适于被执行，以实施测量地球物理数据的同时编码源反演方法，从而确定地下区域的物理性质模型，所述测量地球物理数据在同时编码源反演的固定接收器假设无效的条件下获得，所述方法包括: (a)输入具有所述测量地球物理数据的两个或更多个编码道集的组，其中各道集与单个广义源相关或可选地与单个接收器相关，并且其中各道集用选自非同等编码函数组的不同编码函数编码； (b)通过加和相应于单个接收器或可选地相应于单个源的各道集中的所有数据记录，加和所述组中的所述编码道集，并对于每个不同的接收器或可选地对于每个不同的源进行反复，生成同时编码道集； (c)输入所述地下区域的物理性质模型，所述模型提供整个所述地下区域中的位置处的至少一种物理性质的数值； (d)利用假设物理性质模型模拟数据的合成同时编码道集，其中所述模拟应用编码源特征，并且其中整个同时编码道集在单个模拟操作中被模拟； (e)计算度量所述测量数据的同时编码道集与所述模拟同时编码道集之间的互相关的目标函数； (f)通过优化所述目标函数更新所述物理性质模型；和 (g)利用来自前次迭代的所述更新物理性质模型作为步骤(C)所述的假设物理性质模型，再重复步骤(a)_ (f)至少一次，生成进一步更新的物理性质模型。
24.从地下区域生产烃的方法，包括: Ca)进行所述地下区域的地震考察，其中不满足同时编码源反演的固定接收器假设； (b)获得所述地下区域的速度模型，所述速度模型通过包括如下的方法确定: 通过迭代反演，反演考察测量数据，所述迭代反演包括，利用假设或更新的速度模型同时模拟代表多个考察源或可选地多个接收器的考察数据，其中所述模拟中的源或接收器特征被编码，生成地球物理数据的模拟同时编码道集，所述反演进一步包括，通过优化度量所述模拟同时编码道集与所述测量数据相应的同时编码道集之间的互相关的目标函数，确定用于下一次迭代的速度模型更新； (c)将井眼钻探到至少部分由利用(b)的更新速度模型完成的对所述地下区域结构的阐释而确定的所述地下区域中的层中；和 (d)从所述井眼生产烃。
25.权利要求1所述的方法，其中所述编码通过选定的编码函数将各道集和各源特征相乘而进行，并且其中在步骤(g)的每次迭代中，一个或多个编码函数被设定为等于零，以使不归零的所述数据记录相应于平均比编码前的所述测量地球物理数据相距更远的源激活位置，并且随着所述迭代进行所有数据记录均被应用，即，不归零。
26.权利要求25所述的方法，其中所述编码函数用于随机选择每次迭代中的所述炮点，其导致炮点间距增加。
27.权利 要求1所述的方法，其中所述被反演的测量地球物理数据是全波场地震数据。
全文摘要
源(或接收器)编码(30)地球物理数据(80)道集的同时全波场反演方法，以确定地下区域的物理性质模型(20)，尤其适于在数据获取(40)中不符合固定接收器几何条件的考察。反演包括优化互相关目标函数(100)。
文档编号G06G7/48GK103238158SQ201180058068
公开日2013年8月7日 申请日期2011年9月1日 优先权日2010年12月1日
发明者P·S·如斯, J·R·克雷布斯, S·拉扎拉托斯, A·鲍姆斯泰因 申请人:埃克森美孚上游研究公司