李建蓉

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

隨著社會(huì)對(duì)能源需求的不斷增加，對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算方法和軟件實(shí)現(xiàn)的研究也越來(lái)越迫切。本研究采用混合粒子算法設(shè)計(jì)了一種合理的粒子群算法，并結(jié)合計(jì)算機(jī)編程工具實(shí)現(xiàn)了一套仿真軟件，驗(yàn)證了算法的合理性，為計(jì)算儲(chǔ)能提供科學(xué)的依據(jù)。研究的主要內(nèi)容是提出波阻抗反演算法的設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高地震數(shù)據(jù)分辨率的目的。

1 波速數(shù)據(jù)的反演公式設(shè)計(jì)

波阻抗的反演公式數(shù)據(jù)主要測(cè)試聲學(xué)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和密度數(shù)據(jù)。通過(guò)反Gardner方程和利用已經(jīng)校正的密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，可以計(jì)算速度數(shù)據(jù)[1]。兩種數(shù)據(jù)都將用作波阻抗反演公式的輸入值。

反演公式是v=AρB，使用的數(shù)據(jù)挖掘區(qū)3022煤礦煤層8個(gè)數(shù)值作為相關(guān)算法的一個(gè)例子進(jìn)行詳細(xì)描述，見(jiàn)表1。

由表1得到速度和密度之間的關(guān)系，如圖1所示。

表1 3022煤礦密度和速度值

圖1 密度和速度關(guān)系

根據(jù)反Gardner公式設(shè)計(jì)的原理[2]，結(jié)合圖1的數(shù)據(jù)，使用最小二乘法進(jìn)行插值計(jì)算A=1.380 4，B=0.939 9，得到密度和速度之間的關(guān)系為

式中：v表示速度，單位為m/s；ρ表示密度，單位為g/cm3。

由式(1)可計(jì)算深度從390.5～391.4 m的井的速度。根據(jù)已測(cè)量的密度，可計(jì)算出速度，據(jù)此得到井密度和速度關(guān)系，見(jiàn)表2。為了驗(yàn)證計(jì)算公式的正確性，將速度值保留小數(shù)點(diǎn)后三位。

由表2結(jié)果得出：由式(1)計(jì)算出的速度值和測(cè)量的速度值基本相同。測(cè)量速度時(shí)，可以使用這個(gè)公式計(jì)算，并通過(guò)式(2)計(jì)算地層密度ρ，其計(jì)算公式為

表2 井密度和速度關(guān)系

1.1 地震記錄數(shù)據(jù)的修正

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)符合連續(xù)采樣深度[3]，地震跟蹤數(shù)據(jù)符合采樣時(shí)序。因此，采樣深度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)深度—時(shí)間轉(zhuǎn)換為順序采樣[4]，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換公式為

式中Tj表示在分析地震記錄的組成部分時(shí)使用的時(shí)間窗函數(shù)。

指出首個(gè)j振動(dòng)圖部分處在i和i+1時(shí)刻的n矩量[5]之間，其計(jì)算公式為

式(4)中：ΔTj表示時(shí)間窗函數(shù)中的寬度，第一個(gè)j是小波函數(shù)[6]的地震記錄輪廓；Si是第一個(gè)i小波系數(shù)。k表示時(shí)間窗函數(shù)寬度的一半；n表示時(shí)間窗口的時(shí)間。小波函數(shù)ΔTj的時(shí)間窗寬度與比例參數(shù)成正比，其與頻率值成反比。所以隨著頻率分量的增加，ΔTj將逐漸減少。通過(guò)式(4)，地震記錄分量數(shù)據(jù)的公式可以進(jìn)一步校正，校正公式可以像式(5)那樣設(shè)定為

2 實(shí)際的場(chǎng)聲阻抗反演

挖掘數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟為：首先，采集地震數(shù)據(jù)解析[9]，不改變地震振幅，這是反演計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提條件。其次，結(jié)合遷移歸屬技術(shù)和卷積信號(hào)，提高地震記錄段的分辨率，注意處理時(shí)提高高頻信號(hào)的組成和帶寬，保持有效的低頻信號(hào)。

表3 第八礦區(qū)礦井井深3022時(shí)間轉(zhuǎn)換結(jié)果

以第八礦區(qū)井深3022地震資料為例，對(duì)混合粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行聲阻抗反演方法進(jìn)行驗(yàn)證。因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)有限，只有密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，采礦面積按式(1)速度反演計(jì)算值，這里j為序號(hào)的深度，v為速度。然后通過(guò)深度—時(shí)間變換，將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的深度轉(zhuǎn)化為時(shí)間數(shù)據(jù)。第八礦區(qū)井深3022礦山采樣間隔為Δh=0.1m深，采樣間隔為m。從1到n層的縱波是自激的，記住的運(yùn)行時(shí)間。在累積和的過(guò)程中，隨著j的增加可以使得時(shí)域采樣間隔整數(shù)倍，可以建立相應(yīng)的j點(diǎn)深度和時(shí)域之間的關(guān)系。據(jù)此得到第八礦區(qū)井深3022深度—時(shí)間轉(zhuǎn)換結(jié)果，如表3所示。

2.1 混合粒子群算法獲得地震小波

對(duì)于3022礦的第八礦區(qū)，設(shè)立了如公式(6)所示的混合粒子優(yōu)化(pso)算法的目標(biāo)函數(shù)方程。

式(6)中：E為目標(biāo)函數(shù)；N為樣本點(diǎn)；w(t)為地震小波；r(t)為反射系數(shù)；s(t)為井附近的地震軌跡。

小波的長(zhǎng)度是粒子尺寸；混合粒子群優(yōu)化(pso)算法是隨機(jī)初始小波序列。可以設(shè)置子波長(zhǎng)為150 nm，粒子群大小為100，通過(guò)3022礦小波提取，如圖2所示。

圖2 3022井的小波提取

2.2 混合粒子群反轉(zhuǎn)聲阻抗

在接收數(shù)據(jù)前，在反演的基礎(chǔ)上，提取小波頻率處理數(shù)據(jù)，聲波測(cè)井曲線計(jì)算對(duì)應(yīng)于井聲的聲反射系數(shù)曲線，采用混合粒子群算法提取小波和相鄰?fù)ǖ赖姆瓷湎禂?shù)，然后與地震記錄相結(jié)合，接下來(lái)鄰接反射系數(shù)反演計(jì)算。反過(guò)來(lái)循環(huán)直到需要計(jì)算所有方式的反射系數(shù)，反演計(jì)算過(guò)程結(jié)束。

基于3022礦井進(jìn)行反演試驗(yàn)，該試驗(yàn)采樣時(shí)間為200～400 ms，采樣率為1 ms，CDP為88～108，混合粒子群初始群體為200，顆粒尺寸為201粒子，最大速率值范圍介于1和-1之間，加速因子為2，突變概率為1%，約束水平為20，混合粒子群反演聲阻抗。

由圖3、圖4、圖5可知，使用混合粒子群算法反演波阻抗計(jì)算和波阻抗實(shí)際記錄基本相同。表明反演計(jì)算方法是可行的。

圖3 3022井道測(cè)試道路實(shí)際記錄

圖4 3022井道記錄的軌跡反演

圖5 阻抗和反相波阻抗之間的記錄比較結(jié)果

3 反向功能模塊的混合粒子群仿真

使用現(xiàn)有技術(shù)，運(yùn)用Microsoft Visual C ++ 6.0中的計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)前面描述的算法編程模塊對(duì)3022井實(shí)現(xiàn)了一套仿真軟件，軟件界面如圖6所示。圖中序號(hào)4，9，12分別表示速度和密度之間關(guān)系見(jiàn)表1。

由圖6可知，在仿真軟件中可確定煤層的位置。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，煤層底板分布情況在仿真軟件中清晰顯示。

圖6 反向功能模塊仿真界面

4 結(jié)論

在礦區(qū)計(jì)算中準(zhǔn)確歸納出井密度和速度之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一套聲阻抗混合粒子群反演方法，并通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，此方法可幫助確定煤層的位置。

混合粒子群在采煤中采用聲阻抗反演算法，可以幫助工作人員清晰識(shí)別煤層地層的勘探開(kāi)發(fā)，為準(zhǔn)確測(cè)定煤層，計(jì)算煤層厚度、煤儲(chǔ)量，具有積極的作用，可以解決一些實(shí)際問(wèn)題。

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