基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法与系统

本公开涉及地震全波形反演，具体涉及基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法与系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、地震反演是隧道超前地质预报的核心技术手段之一。其通过地震波在岩体中的传播规律，反推掌子面前方介质的速度结构、界面位置和物性分布，进而识别断层破碎带、软硬岩突变界面、富水弱化带、岩溶、蚀变带和构造裂隙密集区等不良地质体。若无法在超前钻探和施工过程中准确获得前方速度结构与地层界面位置，容易导致塌方、突水突泥、超欠挖、支护失效和施工延误等风险。

3、主动源地震难以满足快速施工条件下对连续超前探测的需求。钻孔被动源地震提供了重要解决途径。该方法利用超前钻探过程中钻头破岩、钻杆振动以及孔壁耦合产生的连续振动作为自然震源。然而，被动源震源时刻和震源函数不确定，单独依赖被动源地震全波形反演容易产生多解性和局部极小问题，速度结构反演稳定性不足。

4、钻进参数和地化参数是超前钻探过程中可连续或准连续获取的工程数据，具备约束被动源地震速度反演的潜力，能够从岩石力学响应和物质组成两个维度为速度场估计提供先验信息。

5、然而，钻进参数和地化参数主要沿钻孔轨迹获得，属于局部观测，不能简单作为全域硬约束。若将钻孔附近识别到的速度或岩性结果直接外推到整个探测区域，可能在地层横向变化明显或构造复杂区域造成错误约束，反而降低反演结果的可靠性。

技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题，提出了基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法与系统，提出一种能够表示“钻孔附近约束强、远处约束弱”“低熵值区域约束强、高熵值区域约束弱”的空间外推机制，并将其以数学函数形式纳入全波形反演损失函数，将钻进参数、地化参数与被动源地震全波形反演进行深度耦合，避免仅依赖被动源地震数据导致的反演多解性，也避免将钻进参数或地化参数作为全域硬约束造成的错误外推，为断层破碎带、软硬岩突变、富水弱化带及岩性变化区的超前识别提供依据。

2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

3、基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，包括：

4、获取隧道钻探过程中的钻进噪声被动源地震数据、钻进数据及地化数据，并对其预处理；

5、将预处理后的钻进数据及地化数据利用转换模型转换为钻孔处速度先验；

6、基于钻孔处速度先验，构造距离衰减、各向异性相关、地层趋势一致性和熵值调制空间外推权重函数，生成空间速度先验场与约束权重；

7、基于空间外推权重函数构建钻孔被动源地震全波形反演联合损失函数，对所述联合损失函数进行梯度求解和优化迭代，输出得到迭代优化结果；

8、基于迭代优化结果得到速度场结构、界面位置、异常体分布、风险区段和建议补充探测区域。

9、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

10、基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构系统，包括：

11、数据获取模块，用于获取隧道钻探过程中的钻进噪声被动源地震数据、钻进数据及地化数据，并对其预处理；

12、速度先验转换模块，用于将预处理后的钻进数据及地化数据利用转换模型转换为钻孔处速度先验；

13、空间外推函数构建模块，用于基于钻孔处速度先验，构造距离衰减、各向异性相关、地层趋势一致性和熵值调制空间外推权重函数，生成空间速度先验场与约束权重；

14、全波形反演模块，用于基于空间外推权重函数构建钻孔被动源地震全波形反演联合损失函数，对所述联合损失函数进行梯度求解和优化迭代，输出得到迭代优化结果；

15、不确定性评价及结果输出模块，用于基于迭代优化结果得到速度场结构、界面位置、异常体分布、风险区段和建议补充探测区域。

16、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

17、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法。

18、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

19、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法。

20、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

21、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法。

22、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

23、本公开的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，构建一种同时符合地质统计学空间相关性、地层空间趋势和解释不确定性调制的空间外推函数，使钻孔附近约束强、远离钻孔约束弱；使低熵值、高置信度区域约束强，高熵值、低置信度区域约束弱；并可根据层理、构造走向或隧道轴线方向设置各向异性相关长度。由该空间外推函数生成的速度先验均值、先验方差和约束权重被引入钻孔被动源地震全波形反演损失函数，以形成数据拟合项、钻进—地化速度先验约束项、地质统计学协方差约束项和空间趋势正则项组成的联合目标函数。通过迭代优化联合损失函数，最终获得隧道掌子面或钻孔前方的速度场结构、速度异常体位置、地层界面位置及其空间不确定性分布，可在被动源地震全波形反演过程中同时利用地震波形信息和钻孔直接扰动信息，避免仅依赖被动源地震数据导致的反演多解性，也避免将钻进参数或地化参数作为全域硬约束造成的错误外推，为断层破碎带、软硬岩突变、富水弱化带及岩性变化区的超前识别提供依据。

24、本公开的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，将钻进参数、地化参数和被动源地震全波形反演统一到一个联合损失函数中，使钻进和地化信息不再停留于人工辅助解释，而是直接进入速度场反演，通过岩石强度、岩性和波速之间的岩石物理关系，建立钻进—地化数据到速度先验的可解释映射，提高了约束项的物理合理性。

25、本公开的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，构建空间外推函数，使钻孔附近约束强、远离钻孔约束弱，使低熵值区域约束强、高熵值区域约束弱，避免将局部钻孔信息硬性外推到全域。

26、本公开的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，通过联合损失函数降低被动源地震 fwi 的多解性和局部极小风险，提高速度场结构、软硬岩界面和断层破碎带定位的稳定性。

1.基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，其特征在于，所述获取隧道钻探过程中的钻进噪声被动源地震数据、钻进数据及地化数据，并对其预处理，包括：

3.如权利要求1所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，其特征在于，所述将预处理后的钻进数据及地化数据利用转换模型转换为钻孔处速度先验，包括：

4.如权利要求1所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，其特征在于，所述基于钻孔处速度先验，构造距离衰减、各向异性相关、地层趋势一致性和熵值调制空间外推权重函数，生成空间速度先验场与约束权重，包括：

5.如权利要求1所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，其特征在于，所述基于空间外推权重函数构建钻孔被动源地震全波形反演联合损失函数，对所述联合损失函数进行梯度求解和优化迭代，输出得到迭代优化结果，包括：

6.如权利要求1所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法，其特征在于，所述基于迭代优化结果得到速度场结构、界面位置、异常体分布、风险区段和建议补充探测区域，包括：

7.基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构系统，其特征在于，包括：

8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-6任一项所述的基于随钻地化先验约束的地震反演速度场重构方法。