一种基于指数随机分布的海洋地震波模拟方法及系统与流程

1.本发明属于油气勘探开发中的地震波正演模拟领域，具体涉及一种基于指数随机分布的海洋地震波模拟方法及系统。


背景技术：

2.在调研了大量国内外可检测文献、专利，以及充分了解、研究了海洋地震波正演模拟方法后，发现目前在海洋地震波正演模拟过程中，海水介质通常简单近似为水平层状的均匀介质，速度通常为3500m/s。而事实上海水是一种复杂的非均匀介质，特别是在深水区，存在着大量的悬浮粒子，例如气溶胶、水汽凝成物、气泡等，使海水中地震波传播速度随位置变化而不同，并且呈一定随机性，引起地震波的散射和衰减。目前的水平层状模型很难描述这些特征，因此需开展海洋地震波正演模拟新方法的研究和应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于指数随机分布的海洋地震波模拟方法及系统，更真实地描述海水特征，提高海洋地震波正演模拟结果的精度和可靠性。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明的第一个方面，提供了一种基于指数随机分布的海洋地震波模拟方法，所述方法将海水介质模拟为大尺度背景场与小尺度扰动的组合，并利用指数型自相关函数描述海水介质的小尺度扰动的空间平稳随机过程，得到基于指数型随机分布的海水速度模型。
6.本发明的进一步改进在于，所述方法包括：
7.准备步骤；
8.步骤一：将海水介质模拟为大尺度速度背景场与小尺度速度扰动的组合；
9.步骤二：利用指数型自相关函数描述海水介质的小尺度扰动的随机过程，得到基于指数型随机分布的海水速度模型；
10.步骤三：对所述基于指数型随机分布的海水速度模型进行地震波正演模拟。
11.本发明的进一步改进在于，所述准备步骤的操作包括：
12.输入海水的背景速度，以及描述扰动的指数自相关函数x、z变量。
13.本发明的进一步改进在于，所述海水的背景速度为1500-1520m/s。
14.本发明的进一步改进在于，所述指数自相关函数x、z变量的取值范围为0.1米到9米。
15.本发明的进一步改进在于，所述步骤一的操作包括：
16.利用下式将海水介质模拟为大尺度速度背景场与小尺度速度扰动的组合：
17.v
水
(x，z)＝v0(x，z)+δv(x，z)＝v0(1+random)
ꢀꢀ
(1)
18.其中，v
水
(x,z)代表真实海水速度，v0(x,z)代表海水背景速度，δv(x,z)代表海水
小尺度速度扰动，random代表海水介质的小尺度速度扰动的随机过程。
19.本发明的进一步改进在于，所述步骤二的操作包括：
20.利用指数型自相关函数描述海水介质的小尺度速度扰动的随机过程：
[0021][0022]
其中，
[0023]
θ(k
x
,kz)代表随机过程相位谱，a，b为介质在x、z方向上的自相关长度，是表示x、z方向上相似程度大小的参量。
[0024]
本发明的进一步改进在于，所述步骤二中的得到的基于指数型随机分布的海水速度模型如下：
[0025][0026]
本发明的进一步改进在于，所述步骤三的操作包括：
[0027]
采用有限差分法对所述基于指数型随机分布的海水速度模型进行地震波正演模拟，能够真实反映由海水小尺度扰动引起的地震波散射和衰减现象。
[0028]
本发明的第二个方面，提供了一种基于指数随机分布的海洋地震波模拟系统，所述系统包括：存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时执行如下步骤：
[0029]
准备步骤：输入海水的背景速度，以及描述扰动的指数自相关函数x、z变量；
[0030]
步骤一：将海水介质模拟为大尺度速度背景场与小尺度速度扰动的组合；
[0031]
步骤二：利用指数型自相关函数描述海水介质的小尺度扰动的随机过程，得到基于指数型随机分布的海水速度模型；
[0032]
步骤三：对所述基于指数型随机分布的海水速度模型进行地震波正演模拟。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够克服常规方法水平层状的假设，更加真实地描述海水速度变化特征，有效地反映了海水中地震波散射和衰减现象。
附图说明
[0034]
图1本发明方法的步骤框图；
[0035]
图2海水速度指数随机分布模型；
[0036]
图3-1海水速度指数随机分布模型正演模拟结果；
[0037]
图3-2海水速度均匀模型模型正演模拟结果；
[0038]
图4选取海水速度指数随机分布与均匀分布模型正演模拟单道对比。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0040]
海水介质随机分布了大量悬浮粒子，使海水速度具有小尺度的随机性和不确定性，根据这一特点本发明从统计学出发来描述海水速度。具体的，本发明将海水介质模拟为大尺度背景场与小尺度扰动的组合，对于小尺度扰动，从统计学出发，利用指数型自相关函
数描述海水介质的小尺度扰动的空间平稳随机过程，克服常规方法海水水平层状的假设，更加真实的描述海水速度变化特征，基于指数型随机分布的海洋地震波模拟可以有效的反映海水中地震波散射和衰减现象。
[0041]
本发明一种基于指数型随机分布的海洋地震波模拟方法，利用指数型随机分布来描述海水速度的小尺度扰动，克服了常规水平层状介质假设，更加真实地描述海水速度变化特征，有效地反映海水中地震波散射和衰减现象。
[0042]
本发明方法的实施例如下：
[0043]
【实施例一】
[0044]
如图1所示，本发明方法包括：
[0045]
准备步骤：
[0046]
输入数据：
[0047]
1，海水的背景速度，这个通常是已知的常数，不同海域海水速度有稍微变化在1500-1520m/s之间。
[0048]
2，描述扰动的指数自相关函数x、z变量，单位是米，描述速度扰动的空间尺度。根据不同的值可以分析非均匀性对地震波场传播的影响，可以从零点几米到几米不等(例如0.1米到9米。)，这个变量根据不同的研究目的给定不同的值。
[0049]
步骤一：将海水介质模拟为大尺度速度背景场与小尺度速度扰动的组合，如公式(1)，而这种微小速度异常可以视为一种随机事件，可以用二维或三维平稳随机过程抽象描述。该平稳随机分布均值为0，具有一定的自相关函数。
[0050]v水
(x，z)＝v0(x，z)+δv(x，z)＝v0(1+random)
ꢀꢀ
(1)
[0051]
其中，v
水
(x,z)代表真实海水速度，v0(x,z)代表海水背景速度，δv(x,z)代表海水小尺度速度扰动，random代表海水小尺度速度扰动的随机过程。
[0052]
步骤二：对于random过程的描述和模拟，步骤二中采用指数型自相关函数方法来建立该平稳随机过程模型。指数自相关函数，如公式(2)，具有多尺度、自相似的特性。
[0053][0054]
式中：a，b为介质在x、z方向上的自相关长度，是表示x、z方向上相似程度大小的参量。
[0055]
具体的，将指数自相关函数进行空间傅里叶变换，得到波数域表达式，将波数域表达式开根号可以得到随机过程的幅度谱，结合随机过程的相位谱，就得到海水速度随机过程的波数域表达式，将该表达式进行空间傅里叶逆变换，并进行规则化，使其均值为零，从而得到最终的海水速度空间随机过程，通过该空间随机过程即可描述海水速度的小尺度扰动，如公式3所示：
[0056][0057]
其中，式中random(x,z)代表平稳随机过程，exponent(x,z)代表指数型自相关函数，f代表傅里叶正变换，f-1
代表傅里叶反变换，θ(k
x
,kz)代表随机过程相位谱。
[0058]
随机过程求取是对指数自相关函数exponent(x,z)做傅里叶变换，得到该函数的实部和虚部，其中实部做一个开根号，虚部保持不变，组合后做傅里叶反变换得到random
(x,z)。这样相位谱就是exponent(x,z)做傅里叶变换后的虚部，i是代表复数的一个数学符号，没有物理含义。
[0059]
自相关函数中的自相关长度是描述小尺度非均匀性的参数，根据实际非均匀性强弱，设置不同的自相关长度。自相关长度越大，海水的小尺度扰动越剧烈。
[0060]
将公式(3)代入到公式(1)中得到基于指数型随机分布的海水速度模型：
[0061][0062]
步骤三：对基于指数型随机分布的海水速度模型进行地震波正演模拟(利用海水的速度参数，采用现有的有限差分法正演模拟方法实现，是一种常用的模拟方法，在此不再赘述。)，可以更加真实反映由海水小尺度扰动引起的地震波散射和衰减现象。
[0063]
本发明用指数型自相关函数来模拟海水小尺度扰动，从而建立指数型随机分布的海水速度模型。后续就可以采用有限差分法正演模拟方法对得到的海水速度模型进行正演模拟。
[0064]
本发明还提供了一种基于指数随机分布的海洋地震波模拟系统，所述系统包括：存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时执行如下步骤：
[0065]
准备步骤：输入海水的背景速度，以及描述扰动的指数自相关函数x、z变量；
[0066]
步骤一：将海水介质模拟为大尺度速度背景场与小尺度速度扰动的组合；
[0067]
步骤二：利用指数型自相关函数描述海水介质的小尺度扰动的随机过程，得到基于指数型随机分布的海水速度模型；
[0068]
步骤三：对所述基于指数型随机分布的海水速度模型进行地震波正演模拟。
[0069]
所述海水的背景速度为1500-1520m/s。
[0070]
所述指数自相关函数x、z变量的取值范围为0.1米到9米。
[0071]
所述步骤一的操作包括：
[0072]
利用下式将海水介质模拟为大尺度速度背景场与小尺度速度扰动的组合：
[0073]v水
(x，z)＝v0(x，z)+δv(x，z)＝v0(1+random)
ꢀꢀ
(1)
[0074]
其中，v
水
(x,z)代表真实海水速度，v0(x,z)代表海水背景速度，δv(x,z)代表海水小尺度速度扰动，random代表海水介质的小尺度速度扰动的随机过程。
[0075]
所述步骤二的操作包括：
[0076]
利用指数型自相关函数描述海水介质的小尺度速度扰动的随机过程：
[0077][0078]
其中，
[0079]
θ(k
x
,kz)代表随机过程相位谱，a，b为介质在x、z方向上的自相关长度，是表示x、z方向上相似程度大小的参量。
[0080]
所述步骤二中的得到的基于指数型随机分布的海水速度模型如下：
[0081][0082]
所述步骤三的操作包括：
[0083]
采用有限差分法对所述基于指数型随机分布的海水速度模型进行地震波正演模拟，能够真实反映由海水小尺度扰动引起的地震波散射和衰减现象。
[0084]
本发明应用的实施例如下：
[0085]
【实施例三】
[0086]
海水速度模型大小为4000m
×
3000m，背景速度为2000m/s，自相关长度分别为a＝b＝1m，如图2为海水速度指数随机分布模型，从图2中可以看到海水速度以2000m/s为背景速度，随机的存在着高、低速扰动。对该模型进行地震波正演模拟，得到的地震记录如图3-1和图3-2所示，图3-1所示的指数随机分布模型正演模拟的直达波及反射波下方存在明显的散射波，而图3-2所示的海水速度均匀模型模型正演模拟结果没有显示出散射波，无法有效地反映海水中地震波散射现象。抽取单道记录局部放大对比，如图4所示，图4中实线代表均匀模型结果，虚线代表本发明指数随机分布结果，纵坐标代表振幅强度，横坐标为接收时间，从图4可知，指数随机分布模型的正演模拟结果明显受到海水速度小尺度扰动的影响，地震子波振幅强度相对较弱，接收时间与均匀模型相比存在一个相位差异，接受时间晚一些。
[0087]
本发明属于海洋地震勘探中的地震波正演模拟领域，主要用于研究地震波在海水中传播规律，为海洋地震资料处理和成像提供可靠参考。
[0088]
本发明在海洋油气勘探开发中的应用前景较广。首先，在技术方面，常规方法海水水平层状假设忽略了海水介质的小尺度扰动特征，必然会引入误差，从而影响正演模拟的精度，本发明可以更加真实地描述海水速度变化特征；其次，在生产应用方面，海上油气勘探的勘探难度越来越大，勘探目标逐渐从浅水区向深水区发展，工作的精细程度要求越来越高，本发明可以直接应用到实际生产中，能够为海洋油气勘探开发提供有力技术支撑。
[0089]
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。