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    An Optimization Technique for EstimatingVelocities and Fracture Orientation in

    Orthorombic Media

    by

    Debora Cores

    José G. Meza

    Universidad Simón Boĺıvar

    ISPM2000 - ATLANTA

    August 2000

    1

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    An Optimization Technique for EstimatingVelocities and Fracture Orientation in

    Orthorombic Media

    by

    Debora Cores

    José G. Meza

    Universidad Simón Boĺıvar

    III Jornadas IBO

    Intevep, Noviembre 2000

    2

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    The Influence of the Seismic ParameterAcquisition on the Optimization Problem for

    Estimating Velocities and Fracture Orientation

    by

    Debora Cores

    José G. Meza

    Universidad Simón Boĺıvar

    Optimization 2001

    Aveiro-Portugal, July 2001

    3

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    OUTLINE

     

    An orthorombic media (OM)

     

    The Reflection Tomography Problem in OM

     

    Historical Overview

     

    Discretized Problem

     

    Numerical Approach

      Numerical Results

     

    Conclusions

    4

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    Anisotropy

    The velocity does not changes

    with the wave propagation direc-

    tion.

        V

     1

        6  =

        V

     2

    The velocity changes with the wave propa-

    gation direction.

    5

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    Anisotropy: An Orthorombic Media (OM)

    An orthorombic media is ananisotropic stratified medium with

    vertical fractures.

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    PROBLEM: Reflection Tomography (SRT) Problem in OM

        M i n i m i z e

     1

     2

        k      T

     r

      ;     T ( 

        V ) 

        k 

     2

     2

        T : I R

     m

       ! I R

     n

    travel time function,     T = ( 

        T

     1

     ( 

        V )    T

     2

     ( 

        V )    : : : T

     n

     ( 

        V ) ) 

      where,

        T

     i

     (      V  ) =

    Z        

     R a y 

     i

     1

        V (     x y z  ) 

        d l

     i

        T

     r

       2 I R

     n

    real travel time

    vector.

        V    2 I R

     m

    is the velocity

    vector in OM.

       n is the number of layers.

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    Historical Overview

    ISOTROPIC MEDIA :

    Normal Equations:

    Gauss Seidel with Successive Over-

    relaxation:  T. Bishop et al, 1985

    Levenberg and Marquardt Method

    with SVD descomposition :  Lines and

    Treitel, 1985: S. Chiu el al, 1986; T.

    Zhu and L. Brown, 1987; Farra and

    Madariaga, 1998.

    Low Storage Opt. Techniques:

    Spectral Gradient Method:   Castillo,

    Cores and Raydan , 2000.

    ANISOTROPIC MEDIA:

    In 2D elliptical anisotropic medium

    Michelena et al. 1994.

    In 2D medium with a sinusoidal aproxi-

    mation of the velocity:  Toshiki et al 1995.

    In a 3D Transversally anisotropic

    medium :  Grechka, 1995.

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    DISCRETIZED PROBLEM: Ellipsoidal Aproximation

    Contreras et al, 1997

     1

     V

     2

     j

     =

     1

     V

     2

     z

     j

     c o s

     2

     (       

     1

     ) +

     1

     V

     2

     x

     j

     c o s

     2

     (       

     2

     ) s i n

     2

     (       

     1

     ) +

     1

     V

     2

     y

     j

     s i n

     2

     (       

     2

     ) s i n

     2

     (       

     1

     ) 

    where     j  =     P S V S H

    correspond to the different

    wave propagation modes.

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    DISCRETIZED PROBLEM: Travel tiem Function

    The travel time function for a ray corresponding to the      (      i j 

         )    pair reflecting in

    the layer     k   ,

        T

     i j k

     (      X Y  ) =

    P    

     2  k  + 1

     h  = 2

     r         

     (   x

     i j k

     h

     ;  x

     i j k

     h  ;  1

     ) 

     2

     v

     2

     x

     h

     +

     (   y 

     i j k

     h

     ;  y 

     i j k

     h  ;  1

     ) 

     2

     v

     2

     y

     h

     +

     (   z

     i j k

     h

     ;  z

     i j k

     h  ;  1

     ) 

     2

     v

     2

     z

     h

        X = ( 

       x

     1

      x

     2

      : : : x

     2  n  + 1

     ) 

        Y = ( 

       y 

     1

      y 

     2

      : : : y 

     2  n  + 1

     ) 

        Z = ( 

       z

     1

      z

     2

      : : : z

     2  n  + 1

     ) 

        V

     x

     = ( 

       v

     x

     1

      v

     x

     2

      : : : v

     x

     2  n  + 1

     ) 

        V

     y 

     = ( 

       v

     y 

     1

      v

     y 

     2

      : : : v

     y 

     2  n  + 1

     ) 

        V

     x

     = ( 

       v

     z

     1

      v

     z

     2

      : : : v

     z

     2  n  + 1

     ) 

       z

     i

     =     f 

     i

     (     x

     i

      y 

     i

     )   :

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    DISCRETIZED PROBLEM

    Consider any symmetry axes, (Group angle 6

       =

      Ray angle)

    11

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    DISCRETIZED PROBLEM

    Azimutal Rotation

     0       

     @      

     c o s (      ) s i n (      ) 0

     ;  s i n (      ) c o s (      ) 0

     0 0 1

     1       

     A      

      Polar Rotation

     0       

     @      

     c o s (     ) 0  ;  s i n (     ) 

     0 1 0

     s i n (     ) 0 c o s (     ) 

     1       

     A      

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    GENERAL DISCRETIZED PROBLEM

        T

     i j k

         (       S     ) =

     k  + 1

    X     

     h  = 2

     v  

     u  

     u  

     t       

                

         

     i j k

     x

     h

       v

     x

     h

     !           

     2

        +

                

         

     i j k

     y 

     h

       v

     y 

     h

     !           

     2

        +

                

         

     i j k

     z

     h

       v

     z

     h

     !           

     2

        +

     2  n  + 1

    X     

     h  = 2  n  + 2  ;  k

     v  

     u  

     u  

     t       

                

         

     i j k

     x

     h

       v

     x

     h

     !           

     2

        +

                

         

     i j k

     y 

     h

       v

     y 

     h

     !           

     2

        +

                

         

     i j k

     z

     h

       v

     z

     h

     !           

     2

    14

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    GENERAL DISCRETIZED PROBLEM

         

     i j k

     x

     h

       =     D

     x

     h

       c o s (      

     h

         ) c o s (       

     h

         ) +    D

     y 

     h

       c o s (      

     h

         ) s i n (       

     h

         )   ;

        D

     z

     h

       s i n (      

     h

         )  

         

     i j k

     y 

     h

       = ;

        D

     x

     h

       s i n (       

     h

         ) +    D

     y 

     h

       c o s (       

     h

         )  

         

     i j k

     z

     h

       =     D

     x

     h

       s i n (      

     h

         ) c o s (       

     h

         )   ;

        D

     y 

     h

       s i n (       

     h

         ) s i n (      

     h

         ) +    D

     z

     h

       c o s (      

     h

         )  

        D

     x

     h

       =    x

     i j k

     h

     ;

       x

     i j k

     h  ;  1

        D

     y 

     h

       =    y 

     i j k

     h

     ;

       y 

     i j k

     h  ;  1

        D

     z

     h

       =    z

     i j k

     h

     ;

       z

     i j k

     h  ;  1

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    NUMERICAL APPROACH

    An optimization scheme for solving

        M i n i m i z e k      T

     r

     ;     T      (       S      )    k 

     2

       s : t : L       S

      

        U

    that satisfies the following conditions:

     

    Only function and gradient evaluations (first order information) arerequired

     r

        f       (       S     ) =

        J

     T

     f 

         (       S     ) (  

        T      (       S      )   ;

        T

     r

         )  

     

    Global convergence

     

    Fast local convergence

     

    Low computational cost and storage

     

    Box constraints

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    NUMERICAL APROACH

      Low cost and storage orthorombic ray tracing algorithm (Loreto and

    Cores, 1998-1999)

        M i n i m i z e T     (  

        X Y Z     )  

     

    The Spectral Proyected Gradient Method (SPG) (Birgin, Martinez and

    Raydan, 1999) to solve,

        M i n i m i z e  k     T

     r

     ;

        T      (       S      )   k 

     2

       s : t : L       S

      

        U

    17

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       %

    NUMERICAL APPROACH

    Spectral Projected Gradient Method (SPG)

    Step 1:   If     k      P  (      S k

      ; r    f 

     ( 

        S

     k

     ) ) 

      ;     S

     k

        k      t o l  , then Stop.

    Step 2: Nonmonotone Line-search

    Step 2.1:  Set      =

       

     k

    Step 2.2:  Set     S +

     =

        P ( 

        S

     k

      ;          r     f  ( 

        S

     k

     ) ) 

    Step 2.3:   If     f  ( 

        S

     +

     ) 

          m a x

     0     j      k M  ;  1

        f  ( 

        S

     k  ;  j 

     ) +

         ( 

        S

     +

      ;     S

     k

     ) 

     T

        r     f  ( 

        S

     k

     ) 

      then

        

     k

     =

         ,     S k  + 1

     =

        S

     +

      ,     W k

     =

        S

     k  + 1

      ;     S

     k

      ,    y  k

     =

        r     f  ( 

        S

     k  + 1

     )    ; r    f 

     ( 

        S

     k

     ) 

      , go

    to Step 3.

    else,         2  

       

     1

        

     2

         ] 

      go to Step 2.2

    Step 3:     b k

     =

        W

     T

     k

       y 

     k

    If     b k

           0  ,     k  + 1

     =    

     m a x

      ,

    else    a k

     =

        W

     T

     k

        W

     k

      and     k  + 1

     = m i n

        f     

     m a x

       m a x

        f     

     m i n

      

     a

     k

     b

     k

        g g 

    18

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       &

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       %

    NUMERICAL RESULTS

    We consider the following two synthetic models.

    −4

    −2

    0

    2

    4

    −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    MODEL 1

    Model 1

    −4

    −2

    0

    2

    4−4 −3

    −2 −10 1

    2 34

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    MODEL 2

    Model 2

    19

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       %

    NUMERICAL RESULTS

    The distribution of the sources and recievers was made in:Squared Mesh:  a    a

     

        b  squared   Radial Mesh: a circle of radious    r   .

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3

    3.5

    4Squared Mesh

    −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4−4

    −3

    −2

    −1

    0

    1

    2

    3

    4Radial Mesh

    20

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       %

    NUMERICAL RESULTS

    Let the vector      (      L U

         )  

     T  be the lower and upper bounds of the velocities and

    fracture orientation angles respectively.

    Unconstrained Case: For    i

     = 1   : : :    2       n

     + 1

        l ( 

        i ) = 0

     : 0 0 2

              V

     x

     ( 

        i ) 

          5 0 0 =

       u ( 

        i ) 

        l ( 

        i ) = 0

     : 0 0 2

              V

     y 

     ( 

        i ) 

          5 0 0 =

       u ( 

        i ) 

        l  (      i  ) = 0  :  0 0 2           V

     z

     (      i  )         5 0 0 =    u  (      i  ) 

        l ( 

        i ) = 0

           ( 

        i ) 

          9 0 =

       u ( 

        i ) 

        l ( 

        i ) = 0

           ( 

        i ) 

          9 0 =

       u ( 

        i ) 

    Constrained Case: For     i = 1   : : :    2

           n + 1

        l ( 

        i ) = 0

     : 2

              V

     x

     ( 

        i ) 

          5 =

       u ( 

        i ) 

        l ( 

        i ) = 0

     : 2

              V

     y 

     ( 

        i ) 

          5 =

       u ( 

        i ) 

        l ( 

        i ) = 0

     : 2

              V

     z

     ( 

        i ) 

          5 =

       u ( 

        i ) 

        l ( 

        i ) = 1 0

           ( 

        i ) 

          3 0 =

       u ( 

        i ) 

        l  (      i  ) = 2         (      i  )         9 =    u  (      i  ) 

    21

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    22/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    Initial Iterates:

        V

     0

     x

       =     V

     0

     y 

       =     V

     0

     z

       = ( 3        4         5         5         4   

         3 )  

     T

         

     0

       =

     0

       = ( 1 0  

         1 0  

         1 0  

         1 0  

         1 0  

         1 0 )  

     T

    Note: The velocities are measuared in Km

    Angles are measuared in degrees.

    Stopping Criterium :

     k 

        P      (       S

     k

     ; r

        f       (       S

     k

         ) )    ;    S

     k

     k 

     2

            1 0

     ;  6

    Sun Station Ultra 10

    M=8 in the SPG Method

    22

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    23/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 1 (P-Wave), Unconstrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.35 1.7 1.69 1.9 2.12 1.28 1.7 2.23

    2 2.97 2.3 2.29 2.5 1.68 2.56 2.3 1.95

    3 3 2.8 2.79 3.3 3.3 3.45 2.8 2.86

    3 3 2.8 2.8 3.3 3.3 3.45 2.8 2.86

    2 2.97 2.3 2.3 2.5 1.68 2.65 2.29 1.94

    1.5 1.35 1.7 1.7 1.9 2.1 1.28 1.69 2.23

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 34.43 20 20 39.7 19.99

    7 48.88 15 14.91 68.52 14.993 4.47 25 23.62 58.25 24.98

    3 4.38 25 23.28 58.25 24.98

    7 48.84 15 14.91 68.52 14.99

    5 35.24 20 20 39.71 19.99

    23

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    24/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 1 (P-Wave), Constrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.49 1.7 1.7 1.9 1.91 1.49 1.69 1.91

    2 1.99 2.3 2.29 2.5 2.5 1.99 2.3 2.5

    3 3 2.8 2.8 3.3 3.3 2.99 2.8 3.3

    3 3 2.8 2.8 3.3 3.3 2.99 2.79 3.3

    2 1.99 2.3 2.29 2.5 2.5 1.99 2.29 2.51

    1.5 1.49 1.7 1.7 1.9 1.91 1.49 1.7 1.91

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 8.95 20 19.99 8.97 19.99

    7 8.68 15 14.91 8.79 14.993 5.81 25 23.42 5.78 24.95

    3 5.81 25 23.42 5.78 24.98

    7 8.68 15 14.91 8.79 14.99

    5 8.95 20 19.99 8.97 19.99

    24

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    25/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    25

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    26/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    26

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    27/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 1 (P-S Wave), Unconstrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.92 1.7 1.66 1.9 1.24 1.14 1.59 2.12

    2 1.95 2.3 3.13 2.5 2.37 2.77 2.11 1.58

    3 2.85 2.8 2.85 3.3 3.19 3.7 2.85 2.46

    2.7 2.83 2.9 2.85 3.1 3.21 3.69 2.84 2.48

    1.8 1.81 2 2.17 2.3 2.45 2.76 2.2 1.69

    1.3 1.9 1.6 1.64 1.8 1.46 1.28 1.69 2.15

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 71.82 20 19.99 34.49 19.99

    7 14.64 15 14.89 53.22 14.993 6.78 25 0 48.34 18.61

    3 6.78 25 1.74 46.94 18.55

    7 10.44 15 15.03 48.78 14.99

    5 64.52 20 19.97 40.57 19.99

    27

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    28/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 1 (P-S Wave), Constrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.42 1.7 1.64 1.9 1.84 1.29 1.59 1.83

    2 1.89 2.3 2.14 2.5 2.38 1.98 2.22 2.39

    3 2.86 2.8 2.84 3.3 3.17 2.85 2.85 3.19

    2.7 2.84 2.9 2.86 3.1 3.23 2.85 2.84 3.21

    1.8 1.89 2 2.16 2.3 2.42 1.81 2.09 2.4

    1.3 1.38 1.6 1.66 1.8 1.87 1.49 1.7 1.87

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 8.08 20 19.89 5.28 20

    7 8.96 15 14.97 8.62 14.98

    3 5.48 25 10 5.42 13.02

    3 5.45 25 10.25 5.94 14.91

    7 8.99 15 15.28 6.62 14.99

    5 8.41 20 19.91 8.76 19.99

    28

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    29/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    29

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    30/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    30

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    31/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 2 (P Wave), Unconstrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.9 1.7 1.7 1.9 1.5 1.49 1.7 1.91

    2 2.6 2.3 2.08 2.5 2.07 2.01 2.29 2.48

    3 3.96 2.8 2.82 3.3 2.62 3.46 2.81 2.96

    3 3.97 2.8 2.89 3.3 2.69 3.36 2.8 2.95

    2 2.82 2.3 2.49 2.5 1.47 2.01 2.31 2.5

    1.5 1.88 1.7 1.69 1.9 1.49 1.49 1.69 1.9

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 90 20 19.8 6.7 19.99

    7 38.69 15 0 3.3 12.83

    3 48.46 25 45.68 62.77 36.31

    3 36.77 25 49.29 57.28 34.31

    7 71.88 15 0 3.13 12.88

    5 90 20 20.15 6.73 20

    31

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    32/56

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    33/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    33

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    34/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    34

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    35/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 2 (P-S Wave), Unconstrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.92 1.7 1.71 1.9 1.503 1.502 1.69 1.89

    2 2.39 2.3 1.87 2.5 1.92 1.76 2.02 2.25

    3 3.73 2.8 3.02 3.3 2.29 3.51 2.89 2.96

    2.7 3.63 2.9 2.75 3.1 2.71 2.91 2.81 2.76

    1.8 2.89 2 2.44 2.3 1.35 1.96 2.28 2.69

    1.3 1.77 1.6 1.59 1.8 1.303 1.302 1.59 1.79

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 88.92 20 18.4 0 20

    7 32.38 15 0 18.36 22.73

    3 66.92 25 22.55 89.16 13.05

    3 28.39 25 36.24 86.88 40.32

    7 74.75 15 0 14.57 21.16

    5 90 20 21.22 1.07 19.98

    35

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    36/56

     '  

       &

     $  

       %

    Model 2 (P-S Wave), Constrained Case

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

     V

     x

     V

     a

     x

     V

     y

     V

     a

     y

     V

     z

     V

     a

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     z

    1.5 1.5 1.7 1.69 1.9 1.86 1.49 1.69 1.903

    2 1.91 2.3 2.22 2.5 2.37 1.81 2.06 2.21

    3 2.86 2.8 2.85 3.3 3.21 3.01 2.81 3.55

    2.7 2.83 2.9 2.85 3.1 3.19 2.73 2.88 2.91

    1.8 1.89 2 2.07 2.3 2.42 2.01 2.27 2.59

    1.3 1.29 1.6 1.61 1.8 1.84 1.29 1.6 1.81

    Squared Mesh, ns=2, nr=15 Radial Mesh, ns=5, nr=16

      (Aprox.)     (Aprox.)    (Aprox.)    (Aprox.)

    5 5.84 20 21.49 8.46 20.1

    7 7.36 15 15.46 4.93 13.46

    3 6 25 20.31 2 25.13

    3 5.78 25 19.14 6 20.43

    7 7.47 15 14.29 4.47 12

    5 5.01 20 18.94 7.64 19.86

    36

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    37/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    37

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    38/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    38

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    39/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    0 1000 2000

    0

    0.02

    0.04

    0.06

    0.08

    0.1# rays vs. velocity error

    S

    R

    0 1000 2000

    4

    4.5

    5

    5.5

    6

    6.5

    7

    7.5# rays vs. polar error

    S

    R

    0 1000 2000

    0

    1

    2

    3

    4# rays vs. azimutal error

    S

    R

    0 1000 2000

    0

    20

    40

    60

    80

    100# rays vs. cpu−time

    S

    R

    0 1000 2000

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    4000# rays vs. # iteration

    S

    R

    0 1000 2000

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700# rays vs. # back−tracking

    S

    R

    39

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    40/56

     '  

       &

     $  

       %

    CONCLUSIONS

     

    We solve the velocity and fracture orientation inversion problem in OM

    using the Spectral Projected Gradient Method (SPG) and an ellipsoidal

    approximation of the velocity.

     

    This is a highly nonlinear problem that has many solutions, so

    regularization of the problem is required.

      The SPG method obtain good precision for the velocities estimates using

    a relative small number of rays and no regularization.

     

    To obtain a good estimate of the azimuthal and polar angle vectors

    regularity is essential.

     

    To get a constrained region (regularity ) is not a difficult task in seismic

    since the maximum and minimum values of the velocities in the medium

    is know a priori.

    40

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    41/56

     '  

       &

     $  

       %

     

    A better estimate of the azimuthal angle vector can be obtained if there

    are rays in all different azimuths (For example, using Radial Mesh).

     

    None of the Mesh distributions used in this work give enough information

    for obtaining a good estimate of the polar angle vector.

      The problem in obtaining a better estimate of the polar angle vector is not

    the optimization scheme used, but depends on the seismic data

    acquisition.

     

    Increasing the number of rays, the error in the velocity vector and in the

    azimuthal angle vector can be reduced, obviously this imply an increase

    in the cpu-time.

     

    Also, increasing the number of rays, the number of iterations and number

    of back-trackings may be reduced.

     

    On the other hand, the error in the polar angle vector increases even if

    the number of rays increase, since the seismic data distribution is not the

    adequated for estimating the polar angle vector.

    41

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    42/56

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    43/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 1: Corresponding to Model 1

     L  = (   l

     1

      : : : l

     3 0

     ) 

     T

    and U  = (   u

     1

      : : : u

     3 0

     ) 

     T

      where l

     i

     = 0  :  0 0 2   i  = 1   : : :    1 8    l

     i

     = 0   i  = 1 9   : : :    3 0

     u

     i

     = 5 0 0   i  = 1   : : :    1 8    u

     i

     = 5   i  = 1 9   : : :    3 0

     n l s  = 3 ,  n s  = 6  ,  n l r  = 4  and  n r  = 2 8

    Initial Velocities Real Velocities Approximated Velocities

     V

     0

     x

     V

     0

     y

     V

     0

     z

     V

     R

     x

     V

     R

     y

     V

     R

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     x

    2 2 2 1.5 1.7 1.9 1.4999973 1.7019851 1.9019638

    3 3 3 2 2.3 2.5 1.9984656 2.3011494 2.5005751

    4 4 4 3 2.8 3.3 2.9998747 2.7991592 3.3009248

    4 4 4 3 2.8 3.3 2.9997968 2.8008410 3.2994352

    3 3 3 2 2.3 2.5 2.0011699 2.2988378 2.4999144

    2 2 2 1.5 1.7 1.9 1.5062839 1.6980178 1.8985726

    43

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    44/56

     '  

       &

     $  

       %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 1: Corresponding to Model 1

     L  = (   l

     1

      : : : l

     3 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     3 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  0 0 2   i  = 1   : : :    1 8    l

     i

     = 0   i  = 1 9   : : :    3 0

     u

     i

     = 5 0 0   i  = 1   : : :    1 8    u

     i

     = 5   i  = 1 9   : : :    3 0

     n l s  = 3

    , n s  = 6

      , n l r  = 4

      and n r  = 2 8

    Initial Angles Real Angles Approximated Angles

     

     0

      

     0

     

     R

      

     R

     

     a

      

     a

    1 1 0 0 1.5322834 0.0033316

    1 1 0 0 1.3463286 0.0049373

    2 2 0 0 1.4478746 0.0000000

    2 2 0 0 1.4356391 0.3929935

    2 2 0 0 1.3585243 0.0341731

    2 2 0 0 1.5861549 0.0000000

     C P U  ;  t i m e  = 2 2  :  8 2  m i n ,  i t e r  = 5 0 7  and  l i n e  ;  s e a r c h e s  = 1 2 6

    44

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    45/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 2: Corresponding to Model 1

     L  = (   l

     1

      : : : l

     3 0

     ) 

     T

    and U  = (   u

     1

      : : : u

     3 0

     ) 

     T

      where l

     i

     = 0  :  0 0 2   i  = 1   : : :    1 8    l

     i

     = 0   i  = 1 9   : : :    3 0  

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    1 8    u

     i

     = 4 0   i  = 1 9   : : :    3 0

     n l s  = 3 ,  n s  = 6  ,  n l r  = 4  and  n r  = 2 8

    Initial Velocities Real Velocities Approximated Velocities

     V

     0

     x

     V

     0

     y

     V

     0

     z

     V

     R

     x

     V

     R

     y

     V

     R

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     x

    3 3 3 1.5 1.7 1.9 1.4867472 1.6086736 1.7609429

    3.5 3.5 3.5 2.7 2.5 2.9 2.7073193 2.4508121 2.7925423

    4 4 4 3 2.8 3.3 3.0203938 2.7488306 3.1746943

    4 4 4 2.9 2.7 3.2 3.0147983 2.7494752 3.1800087

    3.5 3.5 3.5 2.6 2.4 2.8 2.6841448 2.4514979 2.8105226

    3 3 3 1.4 1.6 1.8 1.5616237 1.6898496 1.7545015

    45

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    46/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 2: Corresponding to Model 1

     L  = (   l

     1

      : : : l

     3 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     3 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  0 0 2   i  = 1   : : :    1 8    l

     i

     = 0   i  = 1 9   : : :    3 0  

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    1 8    u

     i

     = 4 0   i  = 1 9   : : :    3 0

     n l s  = 3

    , n s  = 6

      , n l r  = 4

      and n r  = 2 8

    Initial Angles Real Angles Approximated Angles

     

     0

      

     0

     

     R

      

     R

     

     a

      

     a

    0 0 30 10 1.4881100 9.9471689

    0 0 30 10 5.3222734 10.2593893

    0 0 30 10 0.3525908 9.8410988

    0 0 30 10 1.2738337 9.7745561

    0 0 30 10 5.3366231 9.8324231

    0 0 30 10 4.7458023 10.0201751

     C P U  ;  t i m e  = 4 1  :  9  m i n ,  i t e r  = 3 7 9  and  l i n e  ;  s e a r c h e s  = 9 3

    46

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    47/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 3: Corresponding to Model 1

     L  = (   l

     1

      : : : l

     3 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     3 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    1 8    l

     i

     = 2 0   i  = 1 9   : : :    2 4    l

     i

     = 5   i  = 2 5   : : :    3 0  

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    1 8    u

     i

     = 4 0   i  = 1 9   : : :    2 4    u

     i

     = 2 0   i  = 2 5   : : :    3 0

     n l s  = 4 ,  n s  = 2 0  ,  n l r  = 6  and  n r  = 6 6

    Initial Velocities Real Velocitie s Approximated Velocities

     V

     0

     x

     V

     0

     y

     V

     0

     z

     V

     R

     x

     V

     R

     y

     V

     R

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     x

    3 3 3 1.5 1.7 1.9 1.4376400 1.7011965 1.9290055

    3.5 3.5 3.5 2.7 2.5 2.9 2.6773830 2.4507081 2.8187457

    4 4 4 3 2.8 3.3 2.9590742 2.7493184 3.2417599

    4 4 4 2.9 2.7 3.2 2.9503655 2.7497884 3.2461665

    3.5 3.5 3.5 2.6 2.4 2.8 2.6758592 2.4530501 2.8238717

    3 3 3 1.4 1.6 1.8 1.3586700 1.5958847 1.9018278

    47

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    48/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 3: Corresponding to Model 1

     L  = (   l

     1

      : : : l

     3 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     3 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    1 8    l

     i

     = 2 0   i  = 1 9   : : :    2 4    l

     i

     = 5   i  = 2 5   : : :    3 0  

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    1 8    u

     i

     = 4 0   i  = 1 9   : : :    2 4    u

     i

     = 2 0   i  = 2 5   : : :    3 0

     n l s  = 4

    , n s  = 2 0

      , n l r  = 6

      and n r  = 6 6

    Initial Angles Real Angles Approximated Angles

     

     0

      

     0

     

     R

      

     R

     

     a

      

     a

    0 0 30 10 37.5290024 9.9980061

    0 0 30 10 22.9054416 10.0189242

    0 0 30 10 29.4423860 9.9919281

    0 0 30 10 28.9710453 9.9914708

    0 0 30 10 23.3144158 10.0187249

    0 0 30 10 33.8245728 9.9980831

     C P U  ;  t i m e  = 1 4  h o u r s ,  i t e r  = 2 6 3 3  and  l i n e  ;  s e a r c h e s  = 4 9 1

    48

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    49/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 4: Corresponding to Model 2 L  = (   l

     1

      : : : l

     5 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     5 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    3 0    l

     i

     = 0   i  = 3 1   : : :    5 0

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    3 0    u

     i

     = 4 0   i  = 3 1   : : :    4 0    u

     i

     = 5   i  = 4 1   : : :    5 0

     n l s  = 1 ,  n s  = 2  ,  n l r  = 2  and  n r  = 1 5

     V

     0

     x

     V

     0

     y

     V

     0

     z

     V

     R

     x

     V

     R

     y

     V

     R

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     x

    2.5 2.6 3 1.5 1.7 1.9 1.5161705 1.7044085 1.8036717

    3.5 3.2 3.6 2.7 2.5 2.9 2.6627301 2.4650854 2.8372655

    4 3.8 4.1 3 2.8 3.3 2.9680257 2.7636329 3.2310795

    4.1 4.3 4.5 3.3 3.5 3.6 3.1759822 3.4724621 3.6971851

    4.3 4.5 4.5 3.5 3.6 3.8 3.7108556 3.7538805 3.5634800

    4.3 4.5 4.5 3.4 3.5 3.7 3.8196233 3.5490186 3.5673048

    4.1 4.3 4.5 3.2 3.4 3.5 3.1410118 3.4148884 3.5903418

    4 3.8 4.1 2.9 2.7 3.2 2.9575074 2.7362643 3.2367196

    3.5 3.2 3.6 2.6 2.4 2.8 2.6577356 2.4378346 2.8389060

    2.5 2.6 3 1.4 1.6 1.8 1.4447071 1.5913248 1.8147302

    49

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    50/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 4: Corresponding to Model 2 L  = (   l

     1

      : : : l

     5 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     5 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    3 0    l

     i

     = 0   i  = 3 1   : : :    5 0

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    3 0    u

     i

     = 4 0   i  = 3 1   : : :    4 0    u

     i

     = 5   i  = 4 1   : : :    5 0

     n l s  = 1 ,  n s  = 2  ,  n l r  = 2  and  n r  = 1 5

     

     0

      

     0

     

     R

      

     R

     

     a

      

     a

    23 3 30 0 26.9826548 0.0023920

    23 3 30 0 27.8955924 0.0056462

    23 3 30 0 28.1072325 0.0169888

    23 3 30 0 32.2204377 0.9686877

    23 3 30 0 36.8106643 3.5928424

    23 3 30 0 6.5430180 0.9112516

    23 3 30 0 38.4896379 1.0487732

    23 3 30 0 27.2661348 0.0000001

    23 3 30 0 28.0762195 0.0000000

    23 3 30 0 22.3459052 0.0065288

     C P U  ;  t i m e  = 2  :  1 7  h o u r s ,  i t e r  = 2 2 6 4  and  l i n e  ;  s e a r c h e s  = 5 2 9

    50

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    51/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 5: Corresponding to Model 2 L  = (   l

     1

      : : : l

     5 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     5 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    3 0    l

     i

     = 0   i  = 3 1   : : :    5 0

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    3 0    u

     i

     = 4 0   i  = 3 1   : : :    4 0    u

     i

     = 5   i  = 4 1   : : :    5 0

     n l s  = 2 ,  n s  = 6  ,  n l r  = 4  and  n r  = 2 8

     V

     0

     x

     V

     0

     y

     V

     0

     z

     V

     R

     x

     V

     R

     y

     V

     R

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     x

    2.5 2.6 3 1.5 1.7 1.9 1.5146239 1.6834034 1.8664965

    3.5 3.2 3.6 2.7 2.5 2.9 2.6520520 2.4716170 2.8821383

    4 3.8 4.1 3 2.8 3.3 2.9540754 2.7565136 3.2766908

    4.1 4.3 4.5 3.3 3.5 3.6 3.2934095 3.5050076 3.6028292

    4.3 4.5 4.5 3.5 3.6 3.8 3.7115094 3.6230909 3.5623813

    4.3 4.5 4.5 3.4 3.5 3.7 3.7822892 3.5025558 3.5610915

    4.1 4.3 4.5 3.2 3.4 3.5 3.2050763 3.3926163 3.4969652

    4 3.8 4.1 2.9 2.7 3.2 2.9172908 2.7421486 3.2543635

    3.5 3.2 3.6 2.6 2.4 2.8 2.6143580 2.4293056 2.8551777

    2.5 2.6 3 1.4 1.6 1.8 1.3901383 1.6163345 1.8183832

    51

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    52/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 5: Corresponding to Model 2 L  = (   l

     1

      : : : l

     5 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     5 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    3 0    l

     i

     = 0   i  = 3 1   : : :    5 0

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    3 0    u

     i

     = 4 0   i  = 3 1   : : :    4 0    u

     i

     = 5   i  = 4 1   : : :    5 0

     n l s  = 2 ,  n s  = 6  ,  n l r  = 4  and  n r  = 2 8

     

     0

      

     0

     

     R

      

     R

     

     a

      

     a

    23 3 30 0 32.3391389 0.0000489

    23 3 30 0 34.1106580 0.0000030

    23 3 30 0 32.3994191 0.0060426

    23 3 30 0 28.2734365 0.2313614

    23 3 30 0 33.7757315 1.8283798

    23 3 30 0 14.0161269 1.4759419

    23 3 30 0 31.3560557 0.2281124

    23 3 30 0 31.2219247 0.0000007

    23 3 30 0 32.5670208 0.0000002

    23 3 30 0 26.4797392 0.0000259

     C P U  ;  t i m e  = 1 6  h o u r s ,  i t e r  = 5 6 6 1  and  l i n e  ;  s e a r c h e s  = 1 2 4 7

    52

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    53/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 6: Corresponding to Model 2 L  = (   l

     1

      : : : l

     5 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     5 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    3 0    l

     i

     = 0   i  = 3 1   : : :    5 0

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    3 0    u

     i

     = 4 0   i  = 3 1   : : :    4 0    u

     i

     = 5   i  = 4 1   : : :    5 0

     n l s  = 3 ,  n s  = 1 2  ,  n l r  = 5  and  n r  = 4 5

     V

     0

     x

     V

     0

     y

     V

     0

     z

     V

     R

     x

     V

     R

     y

     V

     R

     z

     V

     a

     x

     V

     a

     y

     V

     a

     x

    2.5 2.6 3 1.5 1.7 1.9 1.5015321 1.6815115 1.8446112

    3.5 3.2 3.6 2.7 2.5 2.9 2.6330562 2.4550646 2.8898359

    4 3.8 4.1 3 2.8 3.3 2.9731147 2.7550248 3.2525118

    4.1 4.3 4.5 3.3 3.5 3.6 3.3050384 3.453214 3.6168122

    4.3 4.5 4.5 3.5 3.6 3.8 3.9870890 3.8343516 3.0960452

    4.3 4.5 4.5 3.4 3.5 3.7 3.9948479 3.7634267 3.1293398

    4.1 4.3 4.5 3.2 3.4 3.5 3.2320777 3.3985567 3.5229264

    4 3.8 4.1 2.9 2.7 3.2 2.9321892 2.7441214 3.2395075

    3.5 3.2 3.6 2.6 2.4 2.8 2.6083586 2.4465557 2.8750930

    2.5 2.6 3 1.4 1.6 1.8 1.3929838 1.6172687 1.8505478

    53

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    54/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    TEST 6: Corresponding to Model 2 L  = (   l

     1

      : : : l

     5 0

     ) 

     T

    and  U  = (   u 1

      : : : u

     5 0

     ) 

     T

      where

     l

     i

     = 0  :  2   i  = 1   : : :    3 0    l

     i

     = 0   i  = 3 1   : : :    5 0

     u

     i

     = 6   i  = 1   : : :    3 0    u

     i

     = 4 0   i  = 3 1   : : :    4 0    u

     i

     = 5   i  = 4 1   : : :    5 0

     n l s  = 3 ,  n s  = 1 2  ,  n l r  = 5  and  n r  = 4 5

     

     0

      

     0

     

     R

      

     R

     

     a

      

     a

    23 3 30 0 34.3991447 0.0043882

    23 3 30 0 35.4810917 0.0013095

    23 3 30 0 30.9784433 0.0881668

    23 3 30 0 33.9740601 0.0000000

    23 3 30 0 33.5488468 3.7197016

    23 3 30 0 37.6389450 0.3137009

    23 3 30 0 32.450822 0.0000000

    23 3 30 0 28.059081 0.087736

    23 3 30 0 34.2884020 0.0047640

    23 3 30 0 25.9546206 0.0020617

     C P U  ;  t i m e  = 6 0  h o u r s ,  i t e r  = 3 9 7 4  and  l i n e  ;  s e a r c h e s  = 9 6 2

    54

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    55/56

       &    %

    NUMERICAL RESULTS

    150 rays 840 rays 2700 rays

     k 

        S

     r

     ;

        S

     k

     k 

     2

    1.749 0.622 1.27

     k 

        V

     r

     ;

        V

     k

     k 

     2

    0.631 0.54 1.25

     k       (

     r

            

     r

         )   ;      (

     k

            

     k

         )   k 

     2

    1.63 0.317 0.24

    Iterations 2264 5661 3974

    Line-searches 529 1247 962

    CPU-time 2 16 60

    55

     '    $  

  • 8/20/2019 estimacion de velocidades

    56/56

       &    %

    CONCLUSIONS

     

    We solve the velocity and fracture orientation inversion problem in OM

    using the Spectral Projected Gradient Method (SPG) and an ellipsoidal

    approximation of the velocity.

     

    This is a highly nonlinear problem that has many solutions, so

    regularization of the problem is required..

     

    The SPG method obtain good precision for the velocities estimates using

    a relative small number of rays and no regularization.

     

    To estimate de azimuthal and polar angles regularity is essential.

     

    A better estimate of the azimuthal angle can be obtained if there are rays

    in all different azimuths (For example using Radial Mesh).

     

    The ray tracing takes most CPU time required for the inversion, so a

    parallel low cost ray tracing will reduce the CPU time.

    56