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一种基于地震波场数值模拟的地震处理方法及装置

  • 国知局
  • 2025-01-10 13:35:39

本发明涉及地震勘探,尤其涉及一种基于地震波场数值模拟的地震处理方法及装置。

背景技术:

1、在石油和天然气等化石能源勘探中,地震勘探技术由于其精度和效率优势而广受欢迎。按照工作流程,地震勘探技术可以划分为野外数据采集、室内资料处理和成果剖面解释等三大环节。地震正演作为地震勘探技术的基础内容之一,能够指导地震采集观测系统的设计,检验地震资料处理方法的正确性,验证解释的合理性等,因此在近年来高精度地震勘探技术的研究和发展中受到更多关注。

2、采用不同数值算法对高精度地震波动方程进行数值求解是地震正演技术的核心内容之一。在精确描述地球介质中地震波的传播特征时,以各向异性声波方程和弹性波方程为代表的地震波动方程数值模拟得到广泛研究与应用。弹性波方程能够提供更丰富的波场信息,且动力学特征更完备。但是其问题在于,多波型(p波、s波和转换波)之间的耦合串扰、波场特征复杂、数值求解困难等。因此,在各向异性波场模拟、成像和反演中,基于声学假设的伪声波方程更受欢迎。但是,传统伪声波方程是从数学形式上简化推导而来,缺乏明确的物理含义,因此在各向异性参数不满足椭圆假设时,基于伪声波方程的模拟结果容易出现伪横波干扰及数值不稳定。鉴于此,为了消除或减弱伪声波方程存在的问题,学者们发展了多种形式的纯声波方程,该类方程能够有效规避伪横波干扰及不稳定。发展至今,纯声波方程主要源于采用不同近似方案对原始的精确纯p波相速度关系式进行处理得到。因此,问题聚焦到在求解过程中,所采取的近似方法的精度和效率。以一种最常使用的泰勒级数展开方法为例进行说明,采用一阶或高阶泰勒级数对精确纯p波相速度关系中的根号项进行展开,从而获得对应的近似展开式和波动方程。当然,随着展开阶数的增加,通常需要消耗更多的计算量。近年来,在泰勒技术展开的基础上,采用其它更高精度的近似展开方法,如参数替换展开法、优化展开法受到更多关注。

3、整体而言,在各向异性纯p波方程高精度数值模拟方面,目前主要存在两个问题:其一是纯p波频散关系及其波动方程的近似精度有待进一步提高;其二是常规方案在求取纯p波响应时,通常将sv波视为干扰源进行消除。因此,如何将sv波“变废为宝”,在研究纯p波时同时考虑纯sv波传播,有待进一步深入研究。鉴于此,针对二维和三维各向异性地震波场数值模拟、成像和反演,进一步提高纯p波方程的求解精度,同时充分考虑纯sv波的传播,成为重要的研究方向与目标。

4、在勘探地震学领域,大量的室内试验和野外实践表明,地球介质普遍存在各向异性现象,即地震波在介质中的传播速度会随方向的变化而改变。因此,随着高精度地震勘探技术的发展,持续提升基于各向异性理论的地震处理技术具有重要意义。地震波场数值模拟技术是认识地震波传播规律与特征的有效手段,对于后续的成像和反演至关重要。在各向异性地震波场数值模拟方面,与弹性波场相比,声波波场特征更为明确简单,实现容易,因此广受青睐。传统各向异性波场模拟主要采用基于声学近似的伪声波方程,该类方程容易遭受干扰及数值不稳定。针对此问题,学者们发展了多种形式的纯p波方程。但是,现有纯p波方程的相关研究主要存在两个问题:其一是纯p波方程的近似精度有待进一步提高,在精度不高的情况下难以准确预测地震情况,其二是在求取纯p波方程时,通常将sv波当做干扰进行去除,未对其进行有效研究,从而导致地震预测不准。

5、因此,有必要对现有的地震波数值模拟方式进行改进,以实现地震的精准预测和处理。

技术实现思路

1、有鉴于此,有必要提供一种地震波场数值模拟方法,用以实现各向异性纯p波方程和sv波高精度数值模拟,进而实现各向异性地震波的预测处理。

2、为了实现上述目的,第一方面,本发明提供一种地震波场数值模拟方法,包括:

3、对各向异性纯模式p波和sv波频散关系式进行多项式近似展开,获取展开多项式;

4、根据预设优化算法求解所述展开多项式对应的目标函数,获取所述展开多项式的多项式优化系数;

5、将p波和sv波优化频散关系式转换到时间-空间域,获取各向异性纯模式波动方程,其中,所述p波和sv波优化频散关系式为带入所述多项式优化系数后的展开多项式;

6、对所述各向异性纯模式波动方程进行求解,实现地震波场的数值模拟,并基于所述数值模拟结果对实时的地震进行预测处理。

7、在一种可能的实现方式中,在对各向异性纯模式p波和sv波频散关系式进行多项式近似展开之前,还包括:

8、获取各向异性介质中解耦后的p波相速度关系式和sv波相速度关系式;

9、基于波数、相速度和角频率之间的关系,将解耦后的p波相速度关系式和sv波相速度关系式转化为各向异性纯模式p波和sv波频散关系式。

10、在一种可能的实现方式中,对各向异性纯模式p波和sv波频散关系式进行多项式近似展开,获得展开多项式,包括:

11、采用改进展开法对各向异性纯模式p波和sv波频散关系式进行多项式近似展开,获得所述展开多项式。

12、在一种可能的实现方式中,在根据预设优化算法求解所述展开多项式对应的目标函数之前,还包括:

13、基于相速度与频散关系之间的关系式获取近似展开频散关系;

14、基于精确频散关系和近似展开频散关系构建所述目标函数。

15、在一种可能的实现方式中,根据预设优化算法求解所述展开多项式对应的目标函数,获取所述展开多项式的多项式优化系数,包括:

16、根据最小二乘优化算法求解所述目标函数,获取所述展开多项式的多项式优化系数。

17、在一种可能的实现方式中,所述对所述各向异性纯模式波动方程进行求解,得到所述各向异性纯模式波动方程的数值,包括:

18、联合有限差分和伪谱法对纯模式波动方程进行求解,得到所述各向异性纯模式波动方程的数值。

19、第二方面,本发明还提供一种基于地震波场数值模拟的地震处理装置,包括:

20、近似展开模块,用于对各向异性纯模式p波和sv波频散关系式进行多项式近似展开,获得展开多项式;

21、第一处理模块,用于根据预设优化算法求解所述展开多项式对应的目标函数,获取所述展开多项式的多项式优化系数;

22、转换模块,用于将p波和sv波优化频散关系式转换到时间-空间域,获取各向异性纯模式波动方程,其中,所述p波和sv波优化频散关系式为带入所述多项式优化系数后的展开多项式;

23、第二处理模块,用于对所述各向异性纯模式波动方程进行求解,实现地震波场的数值模拟,并基于所述数值模拟结果对实时的地震进行预测处理。

24、在一种可能的实现方式中,基于地震波场数值模拟的地震处理装置还包括:

25、获取模块,用于获取各向异性介质中解耦后的p波相速度关系式和sv波相速度关系式;

26、转化模块,用于基于波数、相速度和角频率之间的关系,将解耦后的p波相速度关系式和sv波相速度关系式转化为各向异性纯模式p波和sv波频散关系式。

27、第三方面,本发明还提供一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序,所述程序代码被所述处理器执行时,实现如上述的基于地震波场数值模拟的地震处理方法的步骤。

28、第四方面,本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于地震波场数值模拟的地震处理方法的步骤。

29、本发明的有益效果:上述基于地震波场数值模拟的地震处理方法、装置、电子设备及存储介质,通过对各向异性纯模式p波和sv波频散关系式进行多项式近似展开,获取展开多项式,从而考虑了两种模式的地震波,保留了更多的波场信息。而根据预设优化算法求解展开多项式对应的目标函数,获取展开多项式的多项式优化系数,可以以系数待定的改进展开多项式为基础构建目标函数,采用优化策略求取多项式系数,获取高近似度的展开多项式,即p波和sv波优化频散关系式。而后将p波和sv波优化频散关系式转换到时间-空间域,可以获取便于求解的各向异性纯模式波动方程,最后对各向异性纯模式波动方程进行求解,得到各向异性纯模式波动方程的高精度数值,实现纯模式地震波场的高精度数值外推,从而实现地震波场的高精度数值模拟,为后续的各向异性成像和反演提供有效波场外推工具,实现地震预测处理。

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