一种电磁成像方法、系统、介质、设备及终端

1.本发明属于电磁成像技术领域，尤其涉及一种电磁成像方法、系统、介质、设备及终端。


背景技术：

2.目前，大地电磁成本低，探测深度大，可达几十公里甚至上百公里，不受高阻层屏蔽的影响，对低阻层反应灵敏，大地电磁反演结果可以进行构造区带划分，断裂系统分析，特殊岩体识别，在深地勘探中能发挥重要作用。但是随着勘探目标埋深变大，深部数据信息有限，反演与解释的非唯一性严重，也给勘探的可靠性带来了挑战。如何减少反演多解性问题，一直是地球物理反演中亟待解决的关键问题之一。
3.联合反演作为减少反演多解性、提高成像质量的一种有效途径，在地球物理反演领域已成为热点问题。可靠的电震联合反演的前提是可靠的岩石物理关系与单一反演结果。在传统的岩石物理关系耦合方法中，先定义模型之间的关系函数，并将该函数应用于整个区域。由于这种关系可能随地质环境而变化，因此该方法并不可靠，不适用于存在多个岩石物理关系的复杂地质构造区域。传统大地电磁反演方法对电性界面成像精度不足，不易于进行地质解释。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：统大地电磁反演方法对电性界面成像精度不足，不易于进行地质解释。传统的联合反演岩石物理关系耦合方法，使用固定的岩石物理关系，可靠性低，并且不适用于存在多个岩石物理关系的复杂地质构造区域。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电磁成像方法、系统、介质、设备及终端，尤其涉及一种基于岩石物理建模的电磁成像方法、系统、介质、设备及终端。
6.本发明是这样实现的，一种电磁成像方法包括：
7.在传统大地电磁反演目标函数中加入电阻率-速度的交叉-变差函数拟合项以表征速度和电阻率之间的关系；在nlcg算法中引入模糊聚类思想，得到一个改进的非线性共轭梯度算法，聚类输入为电阻率和速度，通过对聚类过程中的隶属度施加约束使反演受构造信息约束，实现基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演。
8.进一步，所述电磁成像方法包括以下步骤：
9.步骤一，构建大地电磁模糊约束反演得到电阻率模型；
10.步骤二，利用得到的电阻率模型与中浅层地震架构建立初始速度模型；
11.步骤三，构建地震层析反演得到速度模型；
12.步骤四，利用得到的速度模型与电阻率-速度模型建立初始电阻率模型；
13.步骤五，基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演得到电磁成像结果。
14.进一步，所述电磁成像方法中双重约束电震联合建模反演的目标函数包括：
15.将多元地质统计学中的交叉-变差函数整合到传统的大地电磁反演目标函数方程中，以表征速度和电阻率之间的关系，交叉-变差函数拟合项如下：
[0016][0017]
其中，γ
ρv
(m)表示从反演模型估计的交叉-变差函数，γ
ρv
obs是从先验岩石物理信息得到的先验-交叉变差函数；矩阵w
γ
表示先验岩石物理关系中的不确定性，w
γ
为一对角矩阵，对角线元素为交叉-变差函数失配的标准差的倒数。
[0018]
双重约束电震联合建模反演的目标函数为：
[0019][0020]
其中，φ(m)为总的目标函数，φd(m)表示大地电磁数据拟合项，φm(m)表示模型匹配项；φ
γ
(m)表示交叉-变差函数拟合项，是电阻率-速度关系拟合项；m是模型参数，d是实测mt数据，cd是数据误差的协方差，f(m)是正演的mt数据，m0是初始模型；λ是拉格朗日算子，是正则化参数；cm是模型协方差，是平滑算子；参数α控制期望反演得到的交叉-变差函数与先验交叉-变差函数的接近程度。
[0021]
通过添加交叉-变差函数拟合项，使得大地电磁反演结果拟合观测到的大地电磁数据同时满足先验的电阻率-速度关系。
[0022]
进一步，所述电磁成像方法中改进的非线性共轭梯度法包括：
[0023]
与传统的大地电磁反演算法流程相比，双重约束电震联合建模反演的算法流程包括以下三处改进：
[0024]
(1)由于目标函数中增加表征电阻率-速度关系的交叉-变差函数拟合项，所以计算目标函数梯度时增加了交叉-变差函数拟合项的梯度；
[0025]
(2)反演过程中，在nlcg算法中引入模糊聚类思想，得到一个改进的非线性共轭梯度算法,聚类输入为电阻率和速度，使得模型的更新同时受到电阻率和速度的影响；
[0026]
(3)聚类过程中对隶属度进行空间约束，使得模型更新受到电阻率-速度关系的影响和空间结构的约束。
[0027]
进一步，所述电磁成像方法中的交叉-变差函数正演公式及雅各比矩阵推导包括：
[0028]
将交叉-变差函数改写成如下形式：
[0029][0030]
其中，i为按照不同滞后距h分为的不同数据组的组编号；k和j代表了每个数据组中样本的序号，j≠k。
[0031]
交叉-变差函数关于每个序号为j的电阻率模型微分形式为：
[0032][0033]
如果序号为j的电阻率模型并不在第i个数据对中，那么并且第i个数据对
并没有对有所影响，则所述电阻率模型微分形式改写为：
[0034][0035]
其中，n(h)j是包含序号为j的电阻率模型的数据对的对数。
[0036]
则所述电阻率模型微分形式改写为：
[0037][0038]
将右边第一项展开合并，得：
[0039][0040]
交叉-变差函数关于序号为j的电阻率模型的偏导为：
[0041][0042]
求得的是交叉-变差函数雅各比矩阵的第h行第j列位置的值，记为j
γ:h,j
。
[0043]
在得到交叉-变差函数的正演公式和交叉-变差函数对电阻率模型的雅克比矩阵后，采用迭代求解方式进行反演。
[0044]
进一步，所述电磁成像方法中的聚类中心与隶属度计算包括：
[0045]
fcm聚类的输出是岩石物理信息的聚类中心值和隶属度。聚类中心值是模型的代表物性值，隶属度包含模型的空间信息。当聚类输入为电阻率和速度时，在聚类过程中交换大地电磁和地震模型的岩石物理信息和构造信息。
[0046]
当聚类中心值和隶属度已知时构建模型，不同于约束整个模型参数，分别独立地约束聚类中心值和隶属度变量。
[0047]
(1)聚类中心
[0048]
将地震模型s与大地电磁模型m共同使用以形成z＝[m，s]的模糊聚类输入数据，将地震模型包括在通过模糊聚类约束的大地电磁反演中。大地电磁模型的隶属度和聚类中心值受到地震模型的影响，地震信息通过fcm聚类过程间接地影响大地电磁模型。
[0049]
(2)边界约束隶属度
[0050]
隶属度是元素对某一类的归属度的量度，在地质分类或者地球物理反演中，视为某个模型单元属于某种岩性或岩石地层单位的可能性。反演模型中元素的隶属度矩阵包含空间信息，在反演过程中利用隶属度约束先验几何信息。
[0051]
空间信息b在模糊聚类过程中被简单视为分类特征数据。将功能与模型参数组合以形成用于模糊聚类的输入数据[m,b]，故第j个模型参数到第k类岩石聚类中心之间的距离表示为：
[0052]
[0053]
式中，当模型参数表示电阻率和速度时，ck是第k个岩石的聚类中心，wk是权重系数；第一项定义模型参数值与岩石聚类中心值之间的距离，第二项包含边界信息，定义如下：
[0054][0055]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的电磁成像方法的电磁成像系统，所述电磁成像系统包括：
[0056]
电阻率模型构建模块，用于构建大地电磁模糊约束反演得到电阻率模型；
[0057]
初始速度模型构建模块，用于利用得到的电阻率模型与中浅层地震架构建立初始速度模型；
[0058]
速度模型构建模块，用于构建地震层析反演得到速度模型；
[0059]
初始电阻率模型构建模块，用于利用得到的速度模型与电阻率-速度模型建立初始电阻率模型；
[0060]
电磁成像模块，用于基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演得到电磁成像结果。
[0061]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0062]
在传统大地电磁反演目标函数中加入电阻率-速度的交叉-变差函数拟合项以表征速度和电阻率之间的关系；在nlcg算法中引入模糊聚类思想，得到一个改进的非线性共轭梯度算法,聚类输入为电阻率和速度，通过对聚类过程中的隶属度施加约束使反演受构造信息约束，实现基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演。
[0063]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0064]
在传统大地电磁反演目标函数中加入电阻率-速度的交叉-变差函数拟合项以表征速度和电阻率之间的关系；在nlcg算法中引入模糊聚类思想，得到一个改进的非线性共轭梯度算法,聚类输入为电阻率和速度，通过对聚类过程中的隶属度施加约束使反演受构造信息约束，实现基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演。
[0065]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的电磁成像系统。
[0066]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0067]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0068]
本发明提供的基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演与传统的大地电磁反演相比主要做出如下改进：1.在传统大地电磁反演目标函数中加入电阻
率-速度的交叉-变差函数拟合项以表征速度和电阻率之间的关系；2.在nlcg算法中引入模糊聚类思想，得到一个改进的非线性共轭梯度算法,聚类输入为电阻率和速度，并通过对聚类过程中的隶属度施加约束使得反演受构造信息约束，实现基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演。
[0069]
本发明提出了一种基于岩石物理建模的电磁成像方法，以岩石物理模型为纽带，加入地震资料的约束，抑制大地电磁反演多解性、提高深部勘探的成像效果。本发明的方法在添加交叉-变差函数拟合项使反演结果可以反映物性参数的纵、横向变化规律的同时利用边界约束的模糊聚类方法在反演迭代过程中自适应的修正模型，进行岩石物理关系约束的同时增加了结构约束。
[0070]
本发明的流程来实现基于岩石物理建模的电磁成像，相比于单独大地电磁反演方法，可以减少反演的多解性，提高大地电磁成像精度，发挥电阻率-速度之间的互补特性，凸显地下物性分布和结构特征。
[0071]
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0072]
理论模型测试说明按照本发明的流程来实现基于岩石物理建模的电磁成像，相比于单独大地电磁反演方法，可以减少反演的多解性，提高大地电磁成像精度，发挥电阻率-速度之间的互补特性，凸显地下物性分布和结构特征。
[0073]
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0074]
(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
[0075]
本发明的技术方案提高了电阻率的成像精度，发挥电阻率-速度之间的互补特性，凸显地下物性分布和结构特征，在塔里木盆地山前带某区带，进行了初步实际应用研究，基于岩石物理建模的电磁成像结果与已知的先验信息具有更好的一致性，较好的刻画了山前带的砾岩层的展布。说明本发明的技术方案转化后将为后续构造分析和含油气的正确解释奠定基础和提供必要的地球物理依据，同时还可以为我国的深海和深地油气战略提供支持。
[0076]
(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
[0077]
本发明的技术方案填补了利用模糊聚类和地质统计学方法同时构建既满足先验岩石物理关系又具有相似结构的地下电阻率-速度模型，提高电磁成像精度这一技术空白。
[0078]
(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
[0079]
本发明的技术方案解决了传统大地电磁反演方法对电性界面成像精度不足，不易于进行地质解释，以及传统的基于岩石物理关系耦合方法的联合反演，使用固定的岩石物理关系，可靠性低，不适用于存在多个岩石物理关系的复杂地质构造区域的技术难题。
[0080]
(4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：
[0081]
本发明的技术方案克服了通常认为电磁成像精度低，不易于进行地质解释这一技术偏见。
附图说明
[0082]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使
用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0083]
图1是本发明实施例提供的电磁成像方法流程图；
[0084]
图2是本发明实施例提供的电磁成像系统结构框图；
[0085]
图3是本发明实施例提供的改进的非线性共轭梯度算法流程图；
[0086]
图4是本发明实施例提供的地球物理反演中使用fcm方法示意图；
[0087]
图5是本发明实施例提供的模型被划分为两个地质单元a(深灰色)和b(浅灰色)的示意图(模型单元[a1，b1]和[a2，b2]具有相同的物性值，但属于不同的地质单元)；
[0088]
图6是本发明实施例提供的理论模型立体图与岩石物理关系示意图；
[0089]
图6(a)是本发明实施例提供的三维电阻率模型示意图；
[0090]
图6(b)是本发明实施例提供的三维速度模型示意图；
[0091]
图6(c)是本发明实施例提供的电阻率-速度交会图；
[0092]
图6(d)是本发明实施例提供的电阻率-速度的交叉-变差函数示意图；
[0093]
图7是本发明实施例提供的理论模型过y＝4000二维切片示意图；
[0094]
图7(a)是本发明实施例提供的二维电阻率模型示意图；
[0095]
图7(b)是本发明实施例提供的二维速度模型示意图；
[0096]
图8是本发明实施例提供的反演电阻率模型过y＝4000二维切片示意图；
[0097]
图9是本发明实施例提供的反演速度模型过y＝4000二维切片示意图；
[0098]
图10是本发明实施例提供的基于岩石物理建模的最终大地电磁成像与岩石物理关系示意图；
[0099]
图10(a)是本发明实施例提供的基于岩石物理建模的最终大地电磁成像结果示意图；
[0100]
图10(b)是本发明实施例提供的反演交叉-变差函数与真实交叉-变差函数对比图；
[0101]
图10(c)是本发明实施例提供的反演结果与理论模型交会图对比示意图；
[0102]
图11是本发明实施例提供的钻井岩性图；
[0103]
图12是本发明实施例提供的研究区地层岩性速度-电阻率交会图显示了针对不同地层岩性的速度-电阻率值交会图；
[0104]
图13是本发明实施例提供的不同方向交叉-变差函数图；
[0105]
图14是本发明实施例提供的基于聚类分析的先验电阻率模型构建流程图；
[0106]
图15是本发明实施例提供的电磁成像结果对比与基于岩石物理建模的电磁成像解释结果；
[0107]
图16是本发明实施例提供的岩石物理建模的电磁成像所得电阻率分布图；
[0108]
图17是本发明实施例提供的岩石物理建模的电磁成像结果与先验信息对比图；
[0109]
图中：1、电阻率模型构建模块；2、初始速度模型构建模块；3、速度模型构建模块；4、初始电阻率模型构建模块；5、电磁成像模块。
具体实施方式
[0110]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0111]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电磁成像方法、系统、介质、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0112]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0113]
如图1所示，本发明实施例提供的电磁成像方法包括：在传统大地电磁反演目标函数中加入电阻率-速度的交叉-变差函数拟合项以表征速度和电阻率之间的关系；在nlcg算法中引入模糊聚类思想，得到一个改进的非线性共轭梯度算法，聚类输入为电阻率和速度，通过对聚类过程中的隶属度施加约束使反演受构造信息约束，实现基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演。
[0114]
具体包括以下步骤：
[0115]
s101，构建大地电磁模糊约束反演得到电阻率模型；
[0116]
s102，利用得到的电阻率模型与中浅层地震架构建立初始速度模型；
[0117]
s103，构建地震层析反演得到速度模型；
[0118]
s104，利用得到的速度模型与电阻率-速度模型建立初始电阻率模型；
[0119]
s105，基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演得到电磁成像结果。
[0120]
如图2所示，本发明实施例提供的电磁成像系统包括：
[0121]
电阻率模型构建模块1，用于构建大地电磁模糊约束反演得到电阻率模型；
[0122]
初始速度模型构建模块2，用于利用得到的电阻率模型与中浅层地震架构建立初始速度模型；
[0123]
速度模型构建模块3，用于构建地震层析反演得到速度模型；
[0124]
初始电阻率模型构建模块4，用于利用得到的速度模型与电阻率-速度模型建立初始电阻率模型；
[0125]
电磁成像模块5，用于基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演得到电磁成像结果。
[0126]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0127]
为了将大地电磁和地震数据联合，尽可能的发挥不同地球物理数据在分辨率和敏感度上的优势，获得垂向分辨率更高的电磁成像结果，本发明最终采用如下流程进行电磁成像：
[0128]
1.大地电磁模糊约束反演得到电阻率模型；
[0129]
2.由1.中得到的电阻率模型与中浅层地震架构建立初始速度模型；
[0130]
3.地震层析反演得到速度模型；
[0131]
4.由3.中得到的速度模型与电阻率-速度模型建立初始电阻率模型；
[0132]
5.基于岩石物理关系与结构相似双重约束的电震联合建模反演得到更可靠的电磁成像结果。
[0133]
1.双重约束电震联合建模反演的目标函数
[0134]
为了减少反演的多解性，综合不同地球物理数据的联合反演引起了极大的关注。对于基于岩石物理关系的联合反演而言，建立合理的岩石物理关系是关键。本发明将多元地质统计学中的交叉-变差函数整合到大地电磁反演的目标函数中，以表征速度和电阻率之间的关系。
[0135]
变差函数是一种很好的定量表征模型的地质统计方法，可以反映物性值的纵、横向变化规律。当不能精确地知道地下的地质体物性的统计特征时，变差函数可从间接来源获得，例如地球物理数据，露头、测井和先验地质信息给出。
[0136]
本发明将多元地质统计学中的交叉-变差函数整合到常用的大地电磁反演目标函数方程中，以表征速度和电阻率之间的关系，交叉-变差函数拟合项如下：
[0137][0138]
其中，γ
ρv
(m)表示从反演模型估计的交叉-变差函数，γ
ρv
obs是从先验岩石物理信息得到的先验-交叉变差函数。矩阵w
γ
表示先验岩石物理关系中的不确定性，w
γ
为一对角矩阵，其对角线元素为交叉-变差函数失配的标准差的倒数。
[0139]
双重约束电震联合建模反演的目标函数为：
[0140][0141]
其中，φ(m)为总的目标函数，φd(m)表示大地电磁数据拟合项，φm(m)表示模型匹配项，φ
γ
(m)表示交叉-变差函数拟合项，即电阻率-速度关系拟合项；m是模型参数，d是实测mt数据，cd是数据误差的协方差，f(m)是正演的mt数据，m0是初始模型，λ是拉格朗日算子(正则化参数)。cm是模型协方差，也称为平滑算子，参数α控制着本发明期望反演得到的交叉-变差函数与先验交叉-变差函数的接近程度。
[0142]
通过添加交叉-变差函数拟合项，使得大地电磁反演结果不仅可以拟合观测到的大地电磁数据同时满足先验的电阻率-速度关系。
[0143]
2.改进的非线性共轭梯度法
[0144]
反演算法选择进一步改进非线性共轭梯度法，改进的算法流程如图3所示。
[0145]
与大地电磁模糊约束反演算法流程相比，双重约束电震联合建模反演的算法流程有三处改进：
[0146]
1.由于目标函数中增加了表征电阻率-速度关系的交叉-变差函数拟合项，所以计算目标函数梯度时增加了交叉-变差函数拟合项的梯度；
[0147]
2.在反演过程中，聚类的输入由电阻率改为电阻率和速度，使得模型的更新同时受到电阻率和速度的影响；
[0148]
3.聚类过程中对隶属度进行了空间约束，使得模型更新不仅受到电阻率-速度关系的影响，也受到空间结构的约束。
[0149]
下面将对本发明的具体改进之处进行更详细的说明。
[0150]
2.1交叉-变差函数正演公式及雅各比矩阵推导
[0151]
计算目标函数的梯度是应用nlcg类算法求解大地电磁反演的重要内容。因为本发明在传统大地电磁反演的目标函数中引入了交叉-变差函数拟合项，所以需要推导出交叉-变差函数的雅各比矩阵才能进行nlcg反演。
[0152]
为了计算后续的交叉-变差函数雅各比矩阵，现将交叉-变差函数改写成如下形式：
[0153][0154]
其中，i为按照不同滞后距h分为的不同数据组的组编号；k和j代表了每个数据组中样本的序号，j≠k。例如一组样本数[m
1,j
,m
2,j
,m
3,j
,
…
]虽然都有相同的序号j，但是它们隶属于不同的数据对中。
[0155]
交叉-变差函数关于每个序号为j的电阻率模型微分形式为：
[0156][0157]
注意到，如果序号为j的电阻率模型并不在第i个数据对中，那么并且第i个数据对并没有对有所影响，因此，本发明将公式(4)改写为：
[0158][0159]
其中，n(h)j是包含序号为j的电阻率模型的数据对的对数。
[0160]
式(5)可以写作：
[0161][0162]
将右边第一项展开合并，可得：
[0163][0164]
因此，交叉-变差函数关于序号为j的电阻率模型的偏导为：
[0165][0166]
式(8)求得的是交叉-变差函数雅各比矩阵的第h行第j列位置的值，记为j
γ:h,j
[0167]
得到交叉-变差函数的正演公式和交叉-变差函数对电阻率模型的雅克比矩阵之后，便可以采用迭代求解方式进行反演。
[0168]
2.2聚类中心与隶属度计算
[0169]
fcm聚类的输出是岩石物理信息的聚类中心值和隶属度。聚类中心值是模型的代表物性值，隶属度包含模型的空间信息。因此，当聚类输入为电阻率和速度时，在聚类过程中可以交换大地电磁和地震模型的岩石物理信息和构造信息。
[0170]
当聚类中心值和隶属度已知时，可以构建模型，如图4所示。因此，不同于约束整个
模型参数，可以分别独立地约束聚类中心值和隶属度这两个变量。
[0171]
图4中，地球物理模型的模型参数可以分解为隶属度和聚类中心值，隶属度表示模型元素属于聚类的可能性，并且还包含模型的空间信息，聚类中心值表示模型的代表物性值。
[0172]
2.2.1聚类中心
[0173]
本发明已经说明了在传统大地电磁反演中引入模糊聚类思想可以很好的改进反演效果。为了将地震模型包括在通过模糊聚类约束的大地电磁反演中，将地震模型(s)与大地电磁模型(m)一起使用以形成z＝[m，s]的模糊聚类输入数据。因此，大地电磁模型的隶属度和聚类中心值也会受到地震模型的影响，即，地震信息会通过fcm聚类过程间接地影响大地电磁模型。
[0174]
2.2.2边界约束隶属度
[0175]
隶属度是元素对某一类的归属度的量度，在地质分类或者地球物理反演中，可以视为某个模型单元属于某种岩性或岩石地层单位的可能性。前人已经指出反演模型中元素的隶属度矩阵包含空间信息。因此，在反演过程中可以利用隶属度约束先验几何信息。
[0176]
具体算法中，空间信息b在模糊聚类过程中被简单地视为分类特征数据。将此功能与模型参数组合以形成用于模糊聚类的输入数据[m,b]。因此，第j个模型参数到第k类岩石聚类中心之间的距离可以表示为：
[0177][0178]
在式(9)中，当模型参数表示电阻率和速度时，ck是第k个岩石的聚类中心，wk是权重系数；第一项定义模型参数值与岩石聚类中心值之间的距离，第二项包含了边界信息，具体定义如下：
[0179][0180]
下面，以一个示例来说明空间信息如何约束聚类过程。假设模型被边界划分为多个地质单元，这些地质单元的物性特征是不同的。图5显示了反演过程中地球物理模型的16个模型单元，属于两个地质单元a和b的模型单元应具有不同的物性参数值。a组中几乎所有模型单元的物性值都小于b组。但是，有两个单元a1和b1具有相同的物性值2.6，同时另外两个单元a2和b2具有相同的物性值2.3，而a1和b1，a2和b2位于不同的地质单元中，这就导致不可能根据它们的物性特征将它们划分到正确的地质单元。因此，需要物性信息以外的其他信息来帮助反演过程将这些模型单元划分到不同的正确的地质单元。在这种情况下，可以将空间信息作为聚类过程的附加约束信息，在对模型参数进行聚类时不只依据物性特征，也受到空间信息的约束。
[0181]
表1 fcm聚类结果的隶属度值不包含边界信息(隶属度a和隶属度b)，而包含边界信息(隶属度a和隶属度b)彩色标记表示具有相同的物性值但属于不同地质单位的模型单元
[0182][0183]
表1显示了不施加边界信息约束和施加边界信息约束的模糊聚类结果之间的对比情况。如果在聚类过程中不施加空间信息进行约束，根据隶属度，将模型单元a1和b1划分在地质单元b中，模型单元a2和b2划分在地质单元a中。另一方面，借助于进一步的边界信息约束，根据隶属度，将模型单元a1和a2划分在地质单元a中，模型单元b1和b2划分在地质单元b中。施加边界信息约束的聚类结果将模型单元划分到了正确的地质单元，说明模型的更新确实受到先验边界信息的约束。
[0184]
此外，由于边界信息影响隶属度变化导致两次聚类结果的聚类中心值也并不相同。在此示例中，无边界信息约束时聚类中心为2.08和2.90，具有边界信息约束时聚类中心为2.05和2.82。这说明，通过用空间信息约束隶属度，不仅可以更改物性参数的空间分布，也会对物性参数的数值产生影响，几何特征和物性特征都有助于反演过程的更新模型，这意味着可以将先验地质信息纳入反演过程。这些信息可以指导反演的更新过程，以遵循地质信息并建立可以进行地质解释的模型。
[0185]
该示例还说明，可以通过模糊聚类将专家知识同时纳入地球物理反演过程。由于使用模糊聚类，因此可以容忍不精确和不确定性。这意味着可以在地球物理反演中引入“软约束”，比“硬约束”更好地解决先验信息和反演模型之间的矛盾。
[0186]
3、本发明提出了一种基于岩石物理建模的电磁成像方法。以岩石物理模型为纽带，加入地震资料的约束，抑制大地电磁反演多解性、提高深部勘探的成像效果。该方法在添加交叉-变差函数拟合项使反演结果可以反映物性参数的纵、横向变化规律的同时利用边界约束的模糊聚类方法在反演迭代过程中自适应的修正模型，进行岩石物理关系约束的同时增加了结构约束。
[0187]
理论模型测试说明按照本发明的流程来实现基于岩石物理建模的电磁成像，相比于单独大地电磁模糊约束反演方法，可以减少反演的多解性，提高大地电磁成像精度，发挥电阻率-速度之间的互补特性，凸显地下物性分布和结构特征。
[0188]
二、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0189]
本发明实施例提供的理论模型测试实验如下：
[0190]
上面对基于岩石物理建模的电磁成像方法作了详细阐述。本发明通过理论模型测试进一步说明本发明反演策略的实施过程并验证其有效性。设计了一个层状模型，该模型含强屏蔽层、高陡构造以及火山岩体，共有七个地层，第三地层与第四地层有波阻抗差，形成强屏蔽层。图6(a)和图6(b)所示的模型分别显示了理论的电阻率和速度模型，它们在结构上是相同的，在图6(c)的交会图中，将七个单点视为圆形聚类，图6(d)显示了电阻率模型与速度模型的先验的交叉-变差函数。
[0191]
图7是理论模型过y＝4000二维切片，图7(a)是二维电阻率模型，图7(b)是二维速度模型。
[0192]
本发明首先进行大地电磁模糊约束反演，仅使用大地电磁数据，初始模型为50ω.m的均匀半空间。图8为大地电磁模糊约束反演的电阻率模型切片，反演结果反映出了真实模型的构造起伏，高速火山岩体对应中部高隆起，但对地下的刻画精度有限，这说明加入地震数据进一步改进电磁成像的质量是有必要的。
[0193]
由于强屏蔽层的存在，地震记录难以接收到来自深部的信号，为了提高地震层析反演的可靠性，利用大地电磁反演结果构造地震反演的初始模型，而不是选择渐进模型作为初始模型。图9为地震层析反演的速度模型的切片，盐丘顶界以上地层的速度反演相对准确，而强屏蔽层以下反演速度与真实模型速度偏差较大。
[0194]
在大地电磁与地震单一反演结果的基础上，利用先验岩石物理关系进行电-震联合建模反演来提高电磁成像效果。对于交叉-变差函数只需要将先验信息引入双重约束电震联合建模反演的目标函数即可(公式2)。对于模糊约束反应方法，在岩石物理建模的部分已经说明了不同几何结构的聚类需要不同的距离度量，如前所述，fcm聚类算法适用于圆形聚类。在反演迭代过程中选择引导的fcm聚类，同时利用隶属度约束引入空间信息做约束。
[0195]
最终反演得到的电阻率模型，电阻率-速度交叉图以及交叉-变差函数如图10所示。从图10(a)可以看出，模型的七个地层以及火山岩体的形状和边界与图7(a)中的真实模型具有更高的一致性。与单独反演与相比，联合建模反演结果背景的分层结构要更好，并且图10(b)、(c)表明最终反演结果符合先验的岩石物理关系，反演结果更为可靠。
[0196]
三、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0197]
本发明应用实施例如下：
[0198]
基于某盆地山前带某区带的数据进行了单一大地电磁模糊约束反演与基于岩石物理建模的电磁成像，并对成像效果进行了对比分析。
[0199]
研究区位于塔里木盆地山前带某区带，主要发育两套巨厚砾石层，砾石层呈现发育巨厚的特点，砾石层本身岩性有较大变化，导致速度横向变化较大，横向不连续，无法对
深部地层精确成像。受多期构造影响，膏盐层顶界面和底界面形态复杂，盐层下断裂带破碎严重，且膏盐层厚度分布变化较大，加大了深度地层准确识别的难度，并对钻探井的确定产生影响。
[0200]
经过多年的勘探，前人对电法识别本区的砾石层和膏岩层已经有了一定认识，电法资料虽然对砾石层和膏盐层有所反映，仅利用电法资料难以精细刻画地层展布。地震资料虽然无法准确反映砾石层和膏岩层的展布，但可以正确刻画地层的格架，新近系砾石层以粗粒为主，对速度影响较小，因此可以进行细层刻画。电法数据与地震数据联合反演，可以扬长避短，各取所长，从而追踪地层，并实现砾石层和膏岩层的分布刻画。
[0201]
图11钻井岩性图，显示了由钻井资料统计得到的不同地层的主要岩性，钻井资料主要包括七个地层信息。
[0202]
图12研究区地层岩性速度-电阻率交会图显示了针对不同地层岩性的速度-电阻率值交会图。该图说明联合地震与大地电磁数据可以反映砾石层和膏盐层的空间展布，因为砾石岩和膏盐层的电阻率-速度关系与围岩有明显区分。同时也可以看出该地区的电阻率-速度关系适用基于模糊聚类的岩石物理建模。
[0203]
通过测井数据，露头数据等先验信息等到不同方向的交叉-变差函数如图13不同方向交叉-变差函数图所示。
[0204]
本发明利用单一大地电磁模糊约束反演的结果结合测井信息和地震数据得到综合解释结果，进而构建新的电阻率模型作为双重约束电震联合建模反演的初始模型。以过三口井的l1线说明构建先验电阻率模型的步骤：
[0205]
1.如图14基于聚类分析的先验电阻率模型构建流程图所示，大地电磁模糊约束反演得到电阻率模型(图14a)；
[0206]
2.psdm数据(图14b)对新近系粗粒的砾石层能形成正常的反射，但难以确定砾石层和膏岩层的分布。利用测井信息进行标定，综合psdm数据与大地电磁模糊约束反演得到的电阻率模型进行综合解释得到关键层位解释结果；
[0207]
3.地震反演得到速度模型(图14c)；
[0208]
4.利用岩石物理关系得到电阻率值作为双重约束电震联合建模反演的初始模型(图14d)。
[0209]
综合整理分析了工区的测井数据，岩芯露头及一维大地电磁块状反演结果，并基于识别砾石层与膏盐层这一目的的考虑，本发明最终确定聚类中心数为6，速度的聚类中心为4050m/s，4500m/s，5200m/s，5500m/s，5700m/s，6000m/s，电阻率的聚类中心为25ω
·
m，50ω
·
m，100ω
·
m，165ω
·
m，275ω
·
m，676ω
·
m作为聚类方法的先验信息，以优化反演结果。
[0210]
使用上述先验信息实施基于岩石物理建模的电磁成像，并利用测井数据与速度和电阻率剖面建立交叉-变差函数。如图15电磁成像结果对比与基于岩石物理建模的电磁成像解释结果所示，获得的电阻率模型如图15a基于岩石物理建模的电磁成像结果所示，与单一的大地电磁模糊约束反演(图15b大地电磁模糊约束反演成像结果)结果相比，本发明反演策略得到的电阻率剖面成层性更好，特别是对目的层砾石层与膏盐层的划分更清晰，反演结果与物性信息更加一致。双重约束电震联合建模反演结合了地震学与电磁学的优势，即地震学的优点是得到地层格架，电磁学的优点是反演电学性质的体分布。二者具有不同
的侧重，综合解释结果如图15c电磁成像结果对比与基于岩石物理建模的电磁成像解释结果。
[0211]
反演所得电阻率模型相应的直方图显示在图16岩石物理建模的电磁成像所得电阻率分布图中，可以很容易地识别出六个紧密簇的存在，其直方图中的电阻率值接近目标聚类中心。另外，如图17所示，岩石物理建模的电磁成像结果与先验信息对比图中，图17a显示了电-震联合建模约束反演结果得到交叉-变差函数与先验交叉-变差函数一致(图13)。图17b显示了反演结果与电阻率测井数据趋势一致，证实了本发明提出的反演策略的可靠性。
[0212]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0213]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。