正交源和接收器编码的制作方法
【专利摘要】一种用于执行地球物理数据的并发已编码源反演以估计物理性能模型(41)的参数的方法，尤其适于没有固定接收器的采集几何结构的勘测，例如利用移动源和接收器的海洋地震勘测。在所述源上使用编码函数(32)以生成一个或更多并发已编码源数据集合(35)并对其模拟(34)，所述编码函数(32)相对于互相关是正交或伪正交的。另外，接收器也被编码，其中接收器编码被设计为使得给定接收器在勘测(38)期间对其没有监听的源较不敏感。编码函数可以是中心频率、相位或两者互不相同的时间带通滤波器。通过将若干源分组成超级源、将对应的集合分组为超级集合然后应用上述编码策略可以进一步提高所述方法的效率。
【专利说明】正交源和接收器编码
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年3月8日提交的名称为Orthogonal Source and ReceiverEncoding(正交源和接收器编码)的美国临时专利申请61/608，435和2012年11月14日提交的名称为Orthogonal Source and Receiver Encoding(正交源和接收器编码)的美国临时专利申请61/726，319的优先权，上述两个申请的全部内容通过引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明一般涉及地球物理勘探领域，并且更具体地，涉及地球物理数据处理。具体地，本发明是用于对从多个地球物理源诸如地震源获得的数据进行反演的方法，包括在模拟的一次执行中计算来自许多同时活动的地球物理源的数据的地球物理模拟。
【背景技术】
[0004]即使应用现代计算能力，地震全波场反演仍是计算量很大的工作。但是，用此方法获得详细的地下表示的益处预期克服该阻碍。获得更快处理时间的算法和工作流程的开发是将此技术可适用于现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(adjoint)模拟的若干迭代。因此，降低正向和伴随计算运行的成本的技术将允许用户在合理时间量内解决较大规模的问题。
[0005]地球物理反演[1，2]试图寻找一种最佳解释观测数据并满足地质和地球物理约束的地下属性模型。存在大量已知的地球物理反演方法。这些已知方法属于迭代反演和非迭代反演两种类别中的一种。以下定义是两种类别的每种通常表示的含义。
[0006]非迭代反演一该类反演通过假设一些简单背景模型并基于输入数据更新该模型实现。这种方法不将更新的模型用作反演的下一步骤的输入。对于地震数据的情形，这些方法通常被称为成像、移植、衍射、层析或博恩(Born)反演。
[0007]迭代反演一该类反演涉及地下属性模型的反复改进，从而找到圆满解释观测数据的模型。如果这种反演收敛，则最终的模型将更好地解释观测数据并且将更接近于实际的地下属性。迭代反演相对于非迭代反演通常产生更为准确的模型，但是计算费用更为昂贵。
[0008]迭代反演通常优于非迭代反演，因为迭代反演产生更准确的地下参数模型。遗憾的是，迭代反演在计算上是如此昂贵以致于将其应用到很多目标问题是不实际的。这种高额计算费用是因所有反演技术需要很多计算密集的模拟引起。任何单个模拟的计算时间与要反演的源的数量成比例，并且地球物理数据中通常有大量的源，其中以上用到的术语源指的是源设备的有效位置。在迭代反演中，这个问题恶化，因为在反演中必须计算的模拟数量与迭代的数量成比例，并且所需的迭代数量通常成百上千。
[0009]地球物理学中最常使用的迭代反演方法是成本函数优化。成本函数优化包括相对模型M的成本函数S (M)的值的迭代最小化或最大化，成本函数S(M)是计算数据和观测数据之间的不匹配性的度量(有时也被称为目标函数)，其中计算数据通过计算机使用当前地球物理属性模型以及在给定地球物理属性模型表示的媒介中的源信号的物理控制传播进行模拟。模拟计算可以通过包括但不限于有限差分、有限元或射线跟踪的若干数值方法中的任意一种来完成。模拟计算能够在频域或时域中执行。
[0010]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针对模型群体(Ml，M2，M3,...}计算成本函数S(M)并从该群体中选择近似地最小化S(M)的一个或更多模型的组。如果期望进一步改善，这个新选择的模型组接着能够被用作产生新模型群的基础，这些新模型群能够再次针对成本函数S(M)被测试。对于全局方法,测试群中的每个模型能够被认为进行迭代，或者在更高等级，每个受测群组能够被认为进行迭代。已知的全局反演方法包括蒙特卡罗(MonteCarlo)、模拟的退火、遗传和进化算法。
[0011]遗憾的是，全局优化方法通常收敛非常慢，因此大多数地球物理反演基于局部成本函数优化。算法I概括了局部成本函数优化。
[0012]
1.选择初始模型
2.计算关于描述模型的参数的成本函数S(M)的梯度
3.搜索更新模型，所述更新模型是初始模型在负梯度方向中的扰动，其更好地解释观测数据
[0013]算法I一用于执行局部成本函数优化的算法
[0014]通过将新更新的模型用作另一次梯度搜索的初始模型来迭代该过程。该过程继续直至找到圆满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、收敛梯度和牛顿法。
[0015]声学近似中的地震数据的局部成本函数优化是常见的地球物理反演任务，并且通常示例其它类型的地球物理反演。当在声学近似中反演地震数据时，成本函数能够被写为:
Ng Mr Nt
[0016]S(M)=YjYjYjW(ψ,.ιιΙ(.(Μ,r,/, νν?)- Wohs(r,?, νν^))(方程 I)
g=\ r=\ t=l
[0017]其中:
[0018]S =成本函数，
[0019]M =描述地下模型的N个参数向量Oii1, m2,...mN),
[0020]g =集合指数，
[0021]Wg=集合g的源函数，其是空间坐标和时间的函数，对于点源，其是空间坐标的δ函数，
[0022]Ng =集合数，
[0023]r=集合内的接收器指数，
[0024]Nr=集合中的接收器数，
[0025]t =迹线(trace)内的时间样本下标，
[0026]Nt=时间样本数，
[0027]W =最小化标准函数(首选为W(x) = X2,其为最小二乘法(L2)标准),
[0028]Ψε3?ε =根据模型M计算的地震压力数据
[0029]ΨΛβ =测量的地震压力数据
[0030]集合能够是能够在地震正向建模程序的一次运行中被模拟的任何类型的集合。通常情况下，集合对应于地震炮点，尽管所述炮点能够比点源更普遍。关于点源，集合指数g对应于各个点源的位置。对于平面波源，g将对应于不同平面波传播方向。这种广义源数据Ψ-能够现场得到或能够利用点源得到的数据合成。另一方面，计算数据ΨΜ1。通常能够在正向建模时利用广义源函数直接计算。对于许多类型的正向建模，包括有限差分建模，广义源所需的计算时间粗略地等于点源所需的计算时间。方程式(I)能够简化为:
【权利要求】
1.一种用于对测量的地球物理数据进行迭代反演以确定地下区域的物理属性模型的计算机实现方法，其包括: 使用计算机对所述测量的地球物理数据的多个已编码集合求和，每个集合与单个源或一组源相关并被不同编码函数编码，其中所述编码函数选自相对于互相关是正交或伪正交的编码函数组，从而形成表示多个源的测量的地球物理数据的并发已编码集合；然后使用来自先前迭代的假设的物理属性模型或更新的物理属性模型模拟测量的地球物理数据的所述并发已编码集合；然后计算测量所述测量的地球物理数据的并发已编码集合与所述模拟的并发已编码集合之间的不匹配性的目标函数；接着优化所述目标函数以确定模型更新；其中接收器被编码以使所述目标函数的计算对于给定接收器的所述多个源的一个或更多个较不敏感。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用于源的所述编码函数是其中心频率、相位或两者互不相同的带通滤波器组。
3.根据权利要求2所述的方法，其中的相位差包括极性开关。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收器的所述编码是对每个接收器使用不同的编码函数执行的，其中所述不同的编码函数被选择为相对于用于源的所述编码函数是正交或伪正交的，其中所述源在测量所述测量的地球物理数据时未被所述接收器监听。
5.根据权利要求4所述的方法，其中用于接收器的所述编码函数是陷波滤波器组，其中每个陷波滤波器的中心频率、相位或两者互不相同，并且其中每个接收器滤波器被设计为阻碍对应于接收器无效的源的编码函数的带通频率通过。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述模拟的并发已编码集合在单个模拟操作中被模拟，其中使用与对所述测量的地球物理数据的对应集合进行编码的编码形式相同的编码形式来编码所述模拟中的源特征。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述不匹配性被测量为所述测量的地球物理数据的并发已编码集合与所述模拟的并发已编码集合之间的差的范数或被测量为所述测量的地球物理数据的并发已编码集合与所述模拟的并发已编码集合之间的互相关。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量的地球物理数据在并发已编码源反演的固定接收器假设无效的情况下获得。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量的地球物理数据是来自地震勘测的全波场数据。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使计算对其较不敏感的所述源是所述给定的接收器未监听的所述源。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述接收器编码被选择以使用于给定源的选定编码函数相对于未监听所述源的接收器的编码函数是正交或伪正交的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在一些或所有迭代中，相比于前一个迭代使用不同的编码函数。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成测量的地球物理数据的一个或更多个附加并发已编码集合，其中所述模型更新基于对应于每个并发已编码集合的目标函数的和来确定。
14.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述目标函数包括:通过接收器计算所述测量的地球物理数据的并发已编码集合与所述模拟的并发已编码集合之间的差，称为残差，并且将所述接收器编码应用到每个接收器残差，所述接收器编码被选择以减弱所述接收器无效的所述源的贡献，然后根据所述接收器已编码残差计算所述目标函数。
15.一种用于反演测量的地球物理数据以确定地下区域的物理属性模型的计算机实现方法，其包括以下步骤: (a)获取所述测量的地球物理数据的两个或多个集合的分组，其中每个集合与单个源或一组源关联； (b)利用不同编码函数对每个集合编码，其中所述编码相对于互相关是正交或伪正交的； (C)通过对对应于单个接收器的每个集合中的所有数据记录求和并针对每个不同的接收器重复来对所述分组中的所述已编码集合求和，产生并发已编码源集合； (d)假设地下区域的物理属性模型，所述模型提供整个所述地下区域的位置处的至少一个物理属性的值； (e)使用所述假设的物理属性模型，模拟所述并发已编码源集合，在模拟中使用与用于编码测量数据的对应集合的相同的编码函数来编码源特征，其中整个并发已编码源集合在单个模拟操作中模拟； (f)针对每个接收器计算测量的地球物理数据组成的所述并发已编码源集合与所述模拟的并发已编码源集合之间的差，所述差被称作该接收器的残差； (g)将接收器编码应用到每个残差，所述接收器编码被选择为减弱所述接收器无效的源的贡献； (h)根据所述接收器已编码残差计算目标函数，并根据所述目标函数计算更新所述假设的物理属性模型； (i)重复步骤(b)至(h)至少一次以上迭代，将先前迭代的更新的物理属性模型用作假设的物理属性模型，以产生所述地下区域的进一步更新的物理属性模型；以及 U)下载所述进一步更新的物理属性模型或将其保存到计算机存储器； 其中步骤(a)至(j)中的至少一个利用计算机执行。
16.根据权利要求15所述的方法，其中步骤(a)中的每个集合是多炮点集合，每个多炮点集合包括具有通用照明接收器组的多个单炮点集合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中接收器编码是其中心频率、相位或两者互不相同的频率滤波器组。
18.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(b)和步骤(e)中的编码都伴随第二编码，使步骤(b)中的所述集合和步骤(e)中的所述源特征被双重编码。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二编码是+1/-1编码。
20.一种非临时性计算机可用介质，其具有包含在其中的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现用于测量的地球物理数据的迭代反演以确定地下区域的物理属性模型的方法，所述方法包括: 对所述测量的地球物理数据的多个已编码集合求和，每个集合与单个源或一组源相关并被不同编码函数编码，其中所述不同编码函数选自相对于互相关是正交或伪正交的编码函数组，从而形成表示多个源的测量的地球物理数据的并发已编码集合，然后使用来自先前迭代的假设的物理属性模型或更新的物理属性模型模拟测量的地球物理数据的所述并发已编码集合，然后计算测量所述测量的地球物理数据的并发已编码集合与所述模拟的并发已编码集合之间的目标函数的不匹配的目标函数，然后优化所述目标函数以确定模型更新，其中接收器被编码以使所述目标函数的计算对于给定接收器的所述多个源中的一个或更多个较不敏感。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述接收器的所述编码是针对每个接收器使用不同的编码函数执行的，其中所述不同的编码函数被选择为相对于用于源的所述编码函数是正交或伪正交的，其中所述源在测量所述测量的地球物理数据时未被所述接收器监听。
22.—种用于产生碳氢化合物的方法，其包括: 执行地下区域的地震勘探； 通过权利要求1所述的方法反演来自所述地震勘测的测量的地震数据以确定所述地下区域的物理属性模型； 利用所述物理属性模型处理所述测量的地震数据； 利用处理后的地震数据估计所述地下区域的碳氢化合物潜能；以及 在从所述处理后的地震数据识别碳氢化合物潜能时，向所述地下区域中钻井并生产碳氢化合物。
23.一种用于反演测量的地球物理数据以确定地下区域的物理属性模型的计算机实现方法，其包括以下步骤: (a)获取所述测量的地球物理数据的两个或更多个多炮点集合的分组，每个多炮点集合包括具有通用照明接收器组的多个单炮点集合； (b)使用不同的编码函数编码每个多炮点集合，其中所述不同的编码函数选自相对于互相关是正交或伪正交的编码函数组； (C)通过对对应于单个接收器的每个集合中的所有数据记录求和并针对每个不同的接收器重复来对所述已编码的多炮点集合求和，得到并发已编码源集合； (d)假设所述地下区域的物理属性模型，所述模型提供整个所述地下区域的位置处的至少一个物理属性的值； (e)利用所述假设的物理属性模型，模拟所述并发已编码源集合，在模拟中使用与用于编码测量数据的对应集合的相同的编码函数来编码源特征，其中整个并发已编码源集合利用已编程计算机在单个模拟操作中模拟； (f)针对每个接收器计算所述并发已编码源集合与所述模拟的并发已编码源集合之间的差，所述差被称作该接收器的残差； (g)将接收器编码应用到每个残差，所述接收器编码被选择以减弱所述接收器无效的源的贡献； (h)根据所述接收器已编码残差计算目标函数，并基于所述目标函数计算值更新所述假设的物理属性模型； (i)重复步骤(b)至(h)至少一次以上迭代，将来自先前迭代的所述更新的物理属性模型用作所述假设的物理属性模型，以产生所述地下区域的进一步更新的物理属性模型；以及 U)下载所述进一步更新的物理属性模型或将其保存到计算机存储器。
24.一种用于反演来自地球物理勘测的测量数据以确定地下区域的物理属性模型的计算机实现方法，其包括以下步骤: (a)利用假设的物理属性模型在单个模拟操作中模拟所述测量的地球物理数据的所有源集合，利用编码，从而生成模拟数据组； (b)确定分组策略，其有助于区分对应于接收器的数据记录和对应于在所述地球物理勘测期间所述接收器未监听的源的数据记录； (C)针对每个分组，对所述源进行编码，每个源利用在步骤(a)中使用的相同编码方式进行编码，并且执行包括以下项的步骤: (i)利用所述假设的物理属性模型在单个模拟操作中模拟所述分组中的所有源集合，从而生成模拟的分组数据组； (?)在所述模拟的分组数据组中确定未被所述组中的至少一个所述源照明的接收器位置； (iii)针对每个所述确定的接收器位置，从所述模拟的分组数据组中检索对应的数据，以及将其从所述模拟数据组中的相同接收器位置减去； (d)调整所述测量数据以使其仅包括步骤(iii)之后对应于所述模拟数据组中剩下的数据的数据，并计算数据残差，其是所述调整后的测量数据与所述模拟数据组之间的差； (e)调整所述假设的物理属性模型以减小所述数据残差；以及 (f)重复步骤(a)至(e)直到满足预定的收敛标准或其它停止条件。
25.根据权利要求24所述的方法，其中步骤(a)和(c)中的所述编码是利用不同的编码函数对每个源进行编码，其中所述编码相对于互相关是正交或伪正交的，并且同时在步骤(c) (i)中模拟一些或全部分组。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述正交或伪正交编码包括带通滤波器组，所述组中的带通滤波器的中心频率、相位或两者互不相同。
27.根据权利要求24所述的方法，其中步骤(a)中的所述编码和步骤(c)中的所述编码都伴随第二编码，使步骤(a)中的所述源集合和步骤(C)中的所述源被双重编码。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第二编码是+1/-1编码。
29.根据权利要求24所述的方法，其中所述分组策略是对具有通用被照明的接收器组的多个单个源集合进行分组。
【文档编号】G01V1/28GK104204857SQ201380012993
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年3月8日
【发明者】J·R·克雷布斯, Y·H·查, S·李, P·迪米特罗夫, A·A·穆勒, N·J·唐尼, P·S·如斯 申请人:埃克森美孚上游研究公司