煤层混合粒子群声阻抗反演算法设计与仿真

李建蓉

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

随着社会对能源需求的不断增加，对计算机计算方法和软件实现的研究也越来越迫切。本研究采用混合粒子算法设计了一种合理的粒子群算法，并结合计算机编程工具实现了一套仿真软件，验证了算法的合理性，为计算储能提供科学的依据。研究的主要内容是提出波阻抗反演算法的设计，以达到提高地震数据分辨率的目的。

1 波速数据的反演公式设计

波阻抗的反演公式数据主要测试声学测井数据和密度数据。通过反Gardner方程和利用已经校正的密度测井数据，可以计算速度数据[1]。两种数据都将用作波阻抗反演公式的输入值。

反演公式是v=AρB，使用的数据挖掘区3022煤矿煤层8个数值作为相关算法的一个例子进行详细描述，见表1。

由表1得到速度和密度之间的关系，如图1所示。

表1 3022煤矿密度和速度值

图1 密度和速度关系

根据反Gardner公式设计的原理[2]，结合图1的数据，使用最小二乘法进行插值计算A=1.380 4，B=0.939 9，得到密度和速度之间的关系为

式中：v表示速度，单位为m/s；ρ表示密度，单位为g/cm3。

由式(1)可计算深度从390.5～391.4 m的井的速度。根据已测量的密度，可计算出速度，据此得到井密度和速度关系，见表2。为了验证计算公式的正确性，将速度值保留小数点后三位。

由表2结果得出：由式(1)计算出的速度值和测量的速度值基本相同。测量速度时，可以使用这个公式计算，并通过式(2)计算地层密度ρ，其计算公式为

表2 井密度和速度关系

1.1 地震记录数据的修正

测井数据符合连续采样深度[3]，地震跟踪数据符合采样时序。因此，采样深度测井数据通过深度—时间转换为顺序采样[4]，设计的转换公式为

式中Tj表示在分析地震记录的组成部分时使用的时间窗函数。

指出首个j振动图部分处在i和i+1时刻的n矩量[5]之间，其计算公式为

式(4)中：ΔTj表示时间窗函数中的宽度，第一个j是小波函数[6]的地震记录轮廓；Si是第一个i小波系数。k表示时间窗函数宽度的一半；n表示时间窗口的时间。小波函数ΔTj的时间窗宽度与比例参数成正比，其与频率值成反比。所以随着频率分量的增加，ΔTj将逐渐减少。通过式(4)，地震记录分量数据的公式可以进一步校正，校正公式可以像式(5)那样设定为

2 实际的场声阻抗反演

挖掘数据的数据预处理步骤为：首先，采集地震数据解析[9]，不改变地震振幅，这是反演计算结果准确的前提条件。其次，结合迁移归属技术和卷积信号，提高地震记录段的分辨率，注意处理时提高高频信号的组成和带宽，保持有效的低频信号。

表3 第八矿区矿井井深3022时间转换结果

以第八矿区井深3022地震资料为例，对混合粒子群优化算法进行声阻抗反演方法进行验证。因为在现场记录数据有限，只有密度测井数据，采矿面积按式(1)速度反演计算值，这里j为序号的深度，v为速度。然后通过深度—时间变换，将测井数据的深度转化为时间数据。第八矿区井深3022矿山采样间隔为Δh=0.1m深，采样间隔为m。从1到n层的纵波是自激的，记住的运行时间。在累积和的过程中，随着j的增加可以使得时域采样间隔整数倍，可以建立相应的j点深度和时域之间的关系。据此得到第八矿区井深3022深度—时间转换结果，如表3所示。

2.1 混合粒子群算法获得地震小波

对于3022矿的第八矿区，设立了如公式(6)所示的混合粒子优化(pso)算法的目标函数方程。

式(6)中：E为目标函数；N为样本点；w(t)为地震小波；r(t)为反射系数；s(t)为井附近的地震轨迹。

小波的长度是粒子尺寸；混合粒子群优化(pso)算法是随机初始小波序列。可以设置子波长为150 nm，粒子群大小为100，通过3022矿小波提取，如图2所示。

图2 3022井的小波提取

2.2 混合粒子群反转声阻抗

在接收数据前，在反演的基础上，提取小波频率处理数据，声波测井曲线计算对应于井声的声反射系数曲线，采用混合粒子群算法提取小波和相邻通道的反射系数，然后与地震记录相结合，接下来邻接反射系数反演计算。反过来循环直到需要计算所有方式的反射系数，反演计算过程结束。

基于3022矿井进行反演试验，该试验采样时间为200～400 ms，采样率为1 ms，CDP为88～108，混合粒子群初始群体为200，颗粒尺寸为201粒子，最大速率值范围介于1和-1之间，加速因子为2，突变概率为1%，约束水平为20，混合粒子群反演声阻抗。

由图3、图4、图5可知，使用混合粒子群算法反演波阻抗计算和波阻抗实际记录基本相同。表明反演计算方法是可行的。

图3 3022井道测试道路实际记录

图4 3022井道记录的轨迹反演

图5 阻抗和反相波阻抗之间的记录比较结果

3 反向功能模块的混合粒子群仿真

使用现有技术，运用Microsoft Visual C ++ 6.0中的计算机软件，根据前面描述的算法编程模块对3022井实现了一套仿真软件，软件界面如图6所示。图中序号4，9，12分别表示速度和密度之间关系见表1。

由图6可知，在仿真软件中可确定煤层的位置。根据表1数据，煤层底板分布情况在仿真软件中清晰显示。

图6 反向功能模块仿真界面

4 结论

在矿区计算中准确归纳出井密度和速度之间的关系，设计了一套声阻抗混合粒子群反演方法，并通过测量数据验证，在计算机中进行仿真实现，此方法可帮助确定煤层的位置。

混合粒子群在采煤中采用声阻抗反演算法，可以帮助工作人员清晰识别煤层地层的勘探开发，为准确测定煤层，计算煤层厚度、煤储量，具有积极的作用，可以解决一些实际问题。

参考文献：

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