專利名稱：地球物理數(shù)據(jù)反演的有效方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及地球物理勘探領(lǐng)域，并且更具體地涉及地球物理數(shù)據(jù)處理。具體 地，本發(fā)明是一種對(duì)從多個(gè)地球物理源諸如地震源獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演的方法，涉及地球 物理仿真或模擬，其在仿真(模擬)的一次執(zhí)行中對(duì)來(lái)自很多同時(shí)活動(dòng)的地球物理源的數(shù) 據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
背景技術(shù)：
地球物理反演[1，2]嘗試找到一種地下性質(zhì)模型，該模型最優(yōu)解釋觀察到的數(shù)據(jù) 并且滿足地質(zhì)學(xué)和地球物理的約束。存在大量公知的地球物理反演方法。這些公知的方法 屬于迭代反演和非迭代反演兩種類別中的一種。以下內(nèi)容是兩種類別中的每種通常表示的 定義非迭代反演——通過(guò)假設(shè)某種簡(jiǎn)單背景模型以及基于輸入數(shù)據(jù)更新模型來(lái)實(shí)現(xiàn) 的反演。這種方法并不將更新的模型用作另一反演步驟的輸入。對(duì)于地震數(shù)據(jù)的情形，這 些方法通常被稱為成像、遷移、衍射層析成像或博恩(Born)反演。迭代反演——涉及地下性質(zhì)模型的反復(fù)改進(jìn)的反演，從而找到一種很好地解釋觀 察到的數(shù)據(jù)的模型。如果反演收斂，則最終的模型將更好地解釋觀察到的數(shù)據(jù)并且將更接 近地近似實(shí)際的地下性質(zhì)。迭代反演通常產(chǎn)生比非迭代反演更準(zhǔn)確的模型，但是計(jì)算更為
曰蟲 P卩貝。迭代反演通常優(yōu)于非迭代反演，因?yàn)槠洚a(chǎn)生更為準(zhǔn)確的地下參數(shù)模型。遺憾的是， 迭代反演在計(jì)算上如此昂貴以致于對(duì)很多感興趣的問(wèn)題應(yīng)用迭代反演是不現(xiàn)實(shí)的。這種高 計(jì)算開銷是所有反演技術(shù)需要很多密集型計(jì)算仿真的結(jié)果。任何單個(gè)仿真的計(jì)算時(shí)間與要 反演的源的數(shù)目成比例，并且地球物理數(shù)據(jù)中通常存在大量源。迭代反演加劇了此問(wèn)題，因 為必須要計(jì)算的仿真的數(shù)量與反演中迭代的次數(shù)成比例，并且需要的迭代次數(shù)通常大約是 數(shù)百到數(shù)千。地球物理中最常采用的迭代反演方法是成本函數(shù)優(yōu)化。成本函數(shù)優(yōu)化涉及相對(duì)模 型M的成本函數(shù)S (M)的值的迭代最小化或最大化，所述成本函數(shù)S(M)是對(duì)計(jì)算的和觀察 到的數(shù)據(jù)之間的不吻合(或不匹配)的度量(這有時(shí)也稱為目標(biāo)函數(shù))，其中計(jì)算的數(shù)據(jù)使 用計(jì)算機(jī)利用當(dāng)前地球物理性質(zhì)模型和在給定的地球物理性質(zhì)模型所表示的介質(zhì)中源信 號(hào)的物理學(xué)控制傳播來(lái)仿真。仿真計(jì)算可以利用多種數(shù)值方法中的任意一種來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些 方法包括但不限于有限差分、有限元或光線追蹤。模擬計(jì)算可以在頻域或者時(shí)域中執(zhí)行。成本函數(shù)優(yōu)化方法要么是局部的要么是全局的[3]。全局方法僅涉及計(jì)算模型群{M1;M2，M3，...}的成本函數(shù)S(M)以及從模型群中選擇一組一個(gè)或更多近似最小化S(M)的 模型。如果需要進(jìn)一步改進(jìn)，則之后可以將該新選擇的模型組用作產(chǎn)生新的模型群的基礎(chǔ)， 所述新的模型群可以相對(duì)成本函數(shù)S(M)被再次測(cè)試。對(duì)于全局方法，測(cè)試群中的每個(gè)模型 可以被視為一次迭代，或者在更高水平每組測(cè)試的模型群可以被視為一次迭代。眾所周知 的全局反演方法包括蒙特卡洛法(Monte Carlo)、仿真退火、遺傳和進(jìn)化算法。遺憾的是，全局優(yōu)化方法通常收斂得很慢并且因此大多數(shù)地球物理反演是基于局 部成本函數(shù)優(yōu)化。算法1概述了局部成本函數(shù)優(yōu)化。1.選擇初始模型，2.關(guān)于描述模型的參數(shù)，計(jì)算成本函數(shù)S (M)的梯度，3.搜索更新的模型，該模型是逆梯度方向中初始模型的擾動(dòng)，其更好地解釋了觀 察到的數(shù)據(jù)。算法1——用于執(zhí)行局部成本函數(shù)優(yōu)化的算法。這個(gè)過(guò)程通過(guò)將新更新的模型用作針對(duì)另一梯度搜索初始模型來(lái)進(jìn)行迭代。該過(guò) 程持續(xù)直到找到很好地解釋所觀察數(shù)據(jù)的更新模型。通常使用的局部成本函數(shù)反演方法包 括梯度搜索、共軛梯度和牛頓(Newton)方法。接下來(lái)，將略為詳細(xì)地解釋此背景信息。聲學(xué)近似中地震數(shù)據(jù)的局部成本函數(shù)優(yōu)化是普通的地球物理反演任務(wù)，并且通常 說(shuō)明其他類型的地球物理反演。當(dāng)反演聲學(xué)近似中的地震數(shù)據(jù)時(shí)，成本函數(shù)可以寫成
nS Nr N1
_ 7] S(M)=2； Σ Σ w^caic (似，r,t,wg)~ ￥obs (r, t,wg))(1)
g=l r-\ Z=I其中S=成本函數(shù)；M =描述地下模型的N個(gè)參數(shù)Oii1，m2，... mN)的向量，g=集合索引，Wg =集合g的源函數(shù)，其是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，對(duì)于點(diǎn)源，這是空間坐標(biāo)的δ 函數(shù)，Ng =集合的數(shù)量，r=集合內(nèi)的接收器索引，Nr =集合中接收器的數(shù)量，t=跡內(nèi)的時(shí)間樣本索引，Nt=時(shí)間樣本的數(shù)量，W =最小化標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)(我們通常選擇W(X) = X2，其為最小平方(L2)標(biāo)準(zhǔn))，Vcalc =自模型M計(jì)算的地震壓力數(shù)據(jù)，Vobs =測(cè)量的地震壓力數(shù)據(jù)。方程式1中的地震數(shù)據(jù)的集合可以是能夠在地震前向建模程序的一次運(yùn)行中被 模擬的任意類型的集合。通常，這些集合對(duì)應(yīng)于地震炮，然而這些地震炮可以比點(diǎn)源更為普 通。對(duì)于點(diǎn)源，集合索引g對(duì)應(yīng)于各點(diǎn)源的位置。對(duì)于平面波源，g將對(duì)應(yīng)于不同的平面波 傳播方向?？梢栽谝巴猥@得此廣義源數(shù)據(jù)或者可以從利用點(diǎn)源獲得的數(shù)據(jù)中合成此 廣義源數(shù)據(jù)Ψ-。另一方面，計(jì)算的數(shù)據(jù)Ψ-通?？梢栽谇跋蚪r(shí)通過(guò)利用廣義源函數(shù) 來(lái)直接計(jì)算。對(duì)于很多類型的前向建模，包括有限差分建模，廣義源所需的計(jì)算時(shí)間大致等
6于點(diǎn)源所需的計(jì)算時(shí)間。方程式1可以簡(jiǎn)化為
權(quán)利要求
一種用于反演測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)以確定地下區(qū)域的物理性質(zhì)模型的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，所述方法包括(a)獲得由所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個(gè)或更多編碼集合構(gòu)成的一個(gè)分組，其中，每個(gè)集合與單個(gè)的廣義源相關(guān)或者利用源接收器互反性與單個(gè)接收器相關(guān)，并且其中每個(gè)集合使用選自一組不等效的編碼函數(shù)的不同編碼函數(shù)被編碼；(b)通過(guò)對(duì)每個(gè)集合中與單個(gè)接收器對(duì)應(yīng)的(或者在使用互反性的情況下與源對(duì)應(yīng)的)所有數(shù)據(jù)記錄求和以及針對(duì)每個(gè)不同的接收器重復(fù)該求和，來(lái)求和所述分組中的編碼集合，產(chǎn)生同步的編碼集合；(c)假設(shè)所述地下區(qū)域的物理性質(zhì)模型，所述模型提供遍布所述地下區(qū)域各位置處的至少一個(gè)物理性質(zhì)的值；(d)反演所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)，每次反演一個(gè)同步的編碼集合，將假設(shè)的物理性質(zhì)模型用作初始模型，并迭代更新所述模型以將測(cè)量仿真模型的數(shù)據(jù)與所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)之間的不吻合度的成本函數(shù)最小化來(lái)產(chǎn)生更新的物理性質(zhì)模型，其中利用所述成本函數(shù)相對(duì)于至少一個(gè)模型參數(shù)的梯度進(jìn)行模型調(diào)整，所述梯度根據(jù)在時(shí)間上向前仿真的編碼的同步源數(shù)據(jù)和在時(shí)間上向后仿真的編碼的同步源數(shù)據(jù)的乘積的時(shí)間積分來(lái)計(jì)算；以及(e)下載所述更新的物理性質(zhì)模型或?qū)⑵浔４娴接?jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中反演測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)的同步編碼集合包括 (i)用計(jì)算機(jī)仿真與所述測(cè)量的數(shù)據(jù)的同步編碼集合對(duì)應(yīng)的同步編碼集合，利用所述假設(shè)的物理性質(zhì)模型，其中所述仿真使用源簽名，所述源簽名被編碼所采用的編碼函數(shù)與 編碼所述測(cè)量的數(shù)據(jù)的同步編碼集合使用的編碼函數(shù)相同，其中整個(gè)同步編碼集合在單次 仿真操作中被仿真；以及( )計(jì)算成本函數(shù)，其測(cè)量所述測(cè)量的數(shù)據(jù)的同步編碼集合與所述仿真的同步編碼集 合之間的不吻合度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將不同的不等效的編碼函數(shù)組用于所述模 型的所述迭代更新的至少一次迭代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中反演所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)包括(i)在單次仿真運(yùn)行期間，使用當(dāng)前物理性質(zhì)模型M并將同步源集合簽名用作源計(jì)算 所述編碼的同步源數(shù)據(jù)的前向仿真以獲得。，其中編碼所述同步源集合簽名所使用的 編碼函數(shù)Cg與編碼所述測(cè)量的數(shù)據(jù)使用的編碼函數(shù)相同；( )通過(guò)從步驟(i)的結(jié)果中減去所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)的同步編碼集合來(lái)計(jì)算 所述成本函數(shù)δ ；(iii)將S用作仿真源，計(jì)算反向仿真(即，時(shí)間上向后)，產(chǎn)生Vadj。int；(iv)計(jì)算。和Va(U。int的乘積對(duì)時(shí)間的積分以獲得所述成本函數(shù)的梯度；以及 (ν)將所述成本函數(shù)的所述梯度用于調(diào)整和更新模型Μ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量的數(shù)據(jù)的編碼集合通過(guò)將來(lái)自所述集合 的所有跡與對(duì)應(yīng)的編碼源簽名在時(shí)間上卷積而被編碼，所述編碼源簽名是所述集合的源函 數(shù)與為所述集合選擇的所述編碼函數(shù)的卷積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量的數(shù)據(jù)的兩個(gè)或更多編碼集合通過(guò)從地 球物理勘查獲得數(shù)據(jù)的集合而獲得，其中數(shù)據(jù)從多個(gè)同步運(yùn)行、唯一編碼的源裝置獲取。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)來(lái)自地震勘查。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中廣義的地震源或者是所有點(diǎn)源或者是所有平面波源。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)包括每個(gè)源激活的測(cè)量 的或算出的簽名并且在仿真操作中使用的編碼的源簽名是通過(guò)將所述測(cè)量的或算出的源 簽名與編碼函數(shù)在時(shí)間上卷積獲得的簽名，所述編碼函數(shù)和用于步驟(a)中編碼所述對(duì)應(yīng) 的測(cè)量集合的編碼函數(shù)相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述編碼函數(shù)的類型選自由以下項(xiàng)構(gòu)成的組線 性、隨機(jī)相位、啁啾、修改的啁啾、隨機(jī)時(shí)移編碼以及頻率無(wú)關(guān)相位編碼。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述編碼函數(shù)針對(duì)一些源是一種類型而針對(duì)其 他源是另一類型，每種類型選自由以下項(xiàng)構(gòu)成的組線性、隨機(jī)相位、啁啾、修改的啁啾、隨 機(jī)時(shí)移編碼以及頻率無(wú)關(guān)相位編碼。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述編碼函數(shù)相對(duì)使用的所述成本函數(shù)被優(yōu)化。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(d)中的所述前向或后向仿真操作使用有限 差分、有限元或有限體積仿真碼執(zhí)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述物理性質(zhì)模型是地震波速率、地震彈性參 數(shù)、地震各向異性參數(shù)或地震非彈性參數(shù)的模型。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中局部成本函數(shù)優(yōu)化方法諸如梯度線搜索、共軛梯 度或牛頓方法被用于更新所述模型。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述成本函數(shù)是Ll范數(shù)成本函數(shù)或L2范數(shù)成本 函數(shù)并且所述成本函數(shù)可包括正則化項(xiàng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述不等效的編碼函數(shù)是基本正交函數(shù)。
18.一種用于反演來(lái)自地下區(qū)域的測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)以勘探碳?xì)浠衔锏姆椒ǎ?述方法包括(a)獲得由所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)的兩個(gè)或更多編碼的集合構(gòu)成的一個(gè)分組，其中， 每個(gè)集合與單個(gè)的廣義源相關(guān)或者利用源接收器互反性與單個(gè)接收器相關(guān)，并且其中每個(gè) 集合使用選自一組不等效的編碼函數(shù)的不同編碼函數(shù)被編碼；(b)通過(guò)對(duì)每個(gè)集合中與單個(gè)接收器對(duì)應(yīng)的(或者在使用互反性的情況下與源對(duì)應(yīng) 的)所有數(shù)據(jù)記錄求和以及針對(duì)每個(gè)不同的接收器重復(fù)該求和，來(lái)對(duì)所述分組中的編碼集 合求和，產(chǎn)生同步的編碼集合；(c)假設(shè)所述地下區(qū)域的物理性質(zhì)模型，所述模型提供遍布所述地下區(qū)域的各位置處 的至少一個(gè)物理性質(zhì)的值；(d)反演所述測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)，每次反演一個(gè)同步的編碼集合將假設(shè)的物理性質(zhì) 模型用作初始模型，并迭代更新所述模型以最小化測(cè)量模型仿真的數(shù)據(jù)與測(cè)量的地球物理 數(shù)據(jù)之間的不吻合度的成本函數(shù)來(lái)產(chǎn)生更新的物理性質(zhì)模型，其中利用所述成本函數(shù)相對(duì) 于至少一個(gè)模型參數(shù)的梯度進(jìn)行模型調(diào)整，所述梯度根據(jù)在時(shí)間上向前仿真的編碼的同步 源數(shù)據(jù)和和在時(shí)間上向后仿真的編碼的同步源數(shù)據(jù)的乘積的時(shí)間積分來(lái)計(jì)算；以及(e)使用所述更新的物理性質(zhì)模型來(lái)勘探所述地下區(qū)域中的碳?xì)浠衔铩?br> 19.一種從地下區(qū)域開采碳?xì)浠衔锏姆椒?，其包?a)執(zhí)行所述地下區(qū)域的地球物理勘查；(b)獲得物理性質(zhì)模型，所述模型已使用權(quán)利要求1所述的方法構(gòu)建，權(quán)利要求1所述 的方法通過(guò)引用合并于此；(c)使用所述物理性質(zhì)模型識(shí)別所述地下區(qū)域中的含碳?xì)浠衔飬^(qū)；(d)向所述區(qū)內(nèi)鉆井以及從所述井開采碳?xì)浠衔铩?br> 全文摘要
一種對(duì)來(lái)自地下區(qū)域的測(cè)量的地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)行有效反演以勘探碳?xì)浠衔锏姆椒?。測(cè)量的數(shù)據(jù)的集合(40)使用一組不等效的編碼函數(shù)(30)編碼(60)。之后，與單個(gè)接收器對(duì)應(yīng)的每個(gè)編碼的集合中的所有數(shù)據(jù)記錄被求和(60)，針對(duì)每個(gè)接收器重復(fù)該步驟以產(chǎn)生同步的編碼集合(80)。該方法使用迭代的、成本函數(shù)的局部?jī)?yōu)化來(lái)反演同步源數(shù)據(jù)的編碼集合。一種伴隨方法用于計(jì)算局部?jī)?yōu)化過(guò)程(100)所需的成本函數(shù)的梯度。在迭代更新之后，反演的數(shù)據(jù)產(chǎn)生地下區(qū)域的物理性質(zhì)模型(110)，所述模型可以指示存在碳?xì)浠衔锒逊e物。
文檔編號(hào)G01V3/18GK101952743SQ200980106257
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者D·L·辛克利, J·R·克萊伯斯 申請(qǐng)人:埃克森美孚上游研究公司