降低弹性波全波形反演强烈非线性的分步反演策略

弹性波全波形反演是一种高精度估计地下弹性参数的有效工具,然而其面临的非线性问题比声波更加突出。本文提出一种降低非线性程度的分步反演策略,用于纵、横波速度的高精度重建。首先利用基于包络的弹性波波形反演方法重建纵横波速度的背景模型;然后应用基于时间域正演的频率域弹性波全波形反演方法,利用多尺度策略进一步降低弹性波全波形反演的非线性程度,恢复模型的中、高波数成分。数值实验结果表明,当地震数据中缺少低频和大炮检距成分时,这种分步反演策略对于重建高精度纵、横波速度模型非常有效,对于提高横波速度的反演精度效果尤其明显。     

基于分频编码的弹性波全波形反演

计算量与计算效率限制了全波形反演方法的应用，震源编码技术可以有效减少全波形反演的计算量，提升反演效率。传统震源编码技术要求各炮具有相同的接收点排列，在观测系统适应性方面存在不足，无法直接应用于滚动排列观测系统。为此，提出一种基于分频编码的弹性波全波形反演方法，即在正演过程中仍可同时对多个炮记录进行正向延拓，给每一炮赋以不同频率的谐波震源，使同时进行正向延拓的各炮波场在频谱上互不重合；在炮点波场正传和残差反传过程中，采用相位灵敏度检测技术提取每炮的单频波场，实现各炮波场的完全分离，用于构建波形反演梯度，实现模型更新。同传统震源编码技术相比，该方法不受观测系统限制，能应用于排列滚动的观测系统，具有更广的应用范围。     

基于GPU/CPU和震源随机编码技术的混合域全波形反演

传统的全波形反演利用普通炮集进行反演,反演计算量过大;且利用传统的相位编码技术进行全波形反演,会产生炮间串扰问题,因此,提出了基于GPU/CPU和震源随机编码技术的混合域全波形反演。该方法将参与反演的多个炮集随机组合并分成炮集数相同的组,各组炮集叠加形成多个组合炮集,然后将组合炮集代替普通炮集进行反演。与传统的相位编码反演方法相比,震源随机编码技术在反演效率和收敛速度方面均有优势,且减少了炮间串扰噪声;并且在GPU的加速下,计算效率会再次提升。Marmousi模型数据测试结果表明:组合炮集方法得到了与普通炮集方法相同的反演效果,但计算效率却比普通炮集方法明显提高,且相较于传统的相位编码技术,组合炮集方法有效抑制了串扰噪声。     

VSP波场研究与应用现状

垂直地震剖面法(VSP)通常采用三分量(3C)检波器记录地震波场信息,而纵、横波震源的应用使其波场进一步丰富和复杂化,开展VSP各种波场特征的研究具有重要的理论和实际应用价值。首先对VSP记录的波场特征进行分析,进而讨论了不同类型震源和不同介质模型的复杂波场分离方法,包括光纤观测VSP波场的噪声特点及压制方法,井筒波与电缆波的产生机理、压制及应用方法,绕射波与断面波的特征及其应用方法,多次波的特征及其压制和应用方法,折射波与导波的传播特征及其应用方法等,重点研究了上行横波和转换波的传播特征、波场分离与矢量合成及多波信息的综合应用方法等。最后,对多分量VSP波场处理中存在的问题进行了分析并对多波应用的前景进行了展望,认为拓展VSP记录中波场传播特征的研究有益于揭示地下复杂构造与地层物性信息,VSP多波解释与反演研究、多波属性的提取与应用有助于油气储层的勘探与开发等,预期VSP多种波场的研究将具有持续攻关和推广应用价值。     

弹性波全波形反演目标函数性态与反演策略

弹性波全波形反演面临的主要技术难题是源于弹性波传播的复杂性所引起的强烈非线性问题。基于弹性波有限差分正演模拟方法,数值分析了多波多分量地震数据的不同反演目标函数在纵、横波速度,阻抗以及Lamé常数3种参数化方式下随弹性参数摄动尺度的变化关系和非线性程度,具体分析了不同偏移距数据的L2范数目标函数随纵、横波速度摄动尺度的变化关系和非线性程度,为分步骤、分尺度弹性波全波形反演方法和反演策略的选择提供了理论指导。     

频率域多尺度弹性波全波形反演

弹性波全波形反演对于多分量地震勘探的矢量波场处理具有重要研究意义。基于弹性波方程进行全波形反演能够充分利用多波多分量地震数据,获取地下多参数信息。针对弹性波波形反演具有强非线性性,局部寻优过程中容易陷入局部极值,采用频率域多尺度反演策略可以在一定程度上降低这一风险。将声波假设下的频率选择策略拓展到弹性波,并且为了避免离散频率逐级反演存在不稳定性问题,将频率划分为合适的频组,通过从低频到高频的逐频组反演可分别获取模型的低、中、高波数成分,减少陷入局部极值的可能性。模型试算结果表明,基于多尺度反演策略的弹性波全波形反演方法能够相对稳定地反演纵、横波速度信息,实现多参数反演。     

三维多波地震双反演储层预测技术在苏里格气田的应用

三维多波地震双反演储层预测技术基于AVO原理,其输入数据是PP波和PS波的角度道集(或者叠加数据),反演结果综合了时间域和振幅域的信息。通过在反演过程中使用一个初始模型约束反演,使结果吻合低频初始纵、横波速度比的趋势。具体步骤如下:①选择目的层反演层段进行PP/PS层位匹配,求出目的层段纵、横波速度比,并将PS波数据压缩至PP波时间域;②通过一系列的模拟退火运算以及参数控制,让约束条件方程不断收敛,不断逼近一个最小值,直至得到一个全局最优反演的纵、横波速度比;③利用得到的纵、横波速度比,进一步反演得到纵、横波速度和密度;④最终由纵、横波速度和密度信息计算出泊松比、拉梅系数和流体因子等弹性参数。本文通过对鄂尔多斯苏里格气田多波三维地震转换波静校正、波场分离、速度分析、振幅恢复等处理技术进行深入研究,得到了品质较高的地震多分量资料,在此基础上,利用双反演方法进行纵、横波联合解释,细化了储层的非均质性,找出了相对含气富集区。     

多波联合反演研究进展

纵波和横波虽然同为地震弹性波,但是动力学特征差异显著。与地震纵波相比,地震横波对地下介质的横波速度和密度更为敏感,因此联合反演地震纵波和横波有助于更好地估算速度和密度参数,提高储层描述和流体检测的精度。回顾了多波联合反演的发展历程,其中纵横波旅行时反演具有较高的计算效率,但由于反演结果精度有限,难以直接用于油气检测;多波AVO反演利用地震波振幅信息反演多个弹性参数,有效提升了横波速度、横波阻抗、密度等参数的反演精度。大量实际应用结果表明,多波联合反演为提高储层定量化预测精度提供了有效途径,而多波数据匹配是保证多波联合反演结果可靠性的重要基础。继续发展深度域反演技术、智能化反演算法将有助于推动多波联合反演的应用。近年来横波可控震源技术的快速发展,极大地提升了纯横波地震数据的品质。最新现场试验结果表明,纯横波地震数据已具备与纵波地震数据相当的品质,并在实际生产中显示出较好的应用前景:SH-SH波可用于疏松砂岩气云区的高精度成像,SV-SV波可用于准确、可靠的高分辨率密度反演。因此基于横波震源的九分量地震勘探将是未来多波勘探技术的重要发展方向,需要进一步提升和完善对地震横波响应特征的认识,明确横波与纵波的动力学特征差异,为地震纵、横波油气直接检测提供重要的理论依据和方法支持。     

弹性波逆时偏移的角度域共成像点道集提取方法

对于多分量地震勘探,由于介质中纵、横波的耦合作用,多波角道集存在能量串扰和低波数噪声干扰等问题。针对横波Poynting矢量构建过程中存在的应力串扰问题,基于解耦延拓方程及伪横波应力构建方法,对质点振动速度和应力进行解耦,实现了无能量串扰的纵波和横波Poynting矢量构建;在基于Poynting矢量提取PP波反射角和PS波反射角的基础上,提出了基于弹性逆时偏移的PP波和PS波角道集提取方法;针对PP波角度域共成像点道集存在的低波数噪声干扰问题,提出了角度域共成像点道集的角度衰减叠加策略,提高了偏移成像精度。应用模型数据验证了方法的正确性。     

基于多卡GPU的随机炮分配相位编码全波形反演

针对传统时间域相位编码全波形反演的炮间串扰问题,提出了一种基于随机炮分配的相位编码时间域全波形反演策略,并实现了基于多卡GPU的加速。基于四卡GPU加速的模型反演实验表明:在GPU和相位编码技术的共同加速下,时间域全波形反演的计算效率可得到显著提升,同时由于各卡间的随机炮分配,基于随机炮分配的相位编码时间域全波形反演策略能更有效地压制串扰噪声,因此其比传统的相位编码全波形反演具有更高的反演精度和收敛效率。     

弹性波波场P波和S波分解的数值模拟

通常采用完全弹性波波动方程进行弹性波波场数值模拟，只能得到P波和S波的混合波场。若要进一步获得P波和S波的波场，一般是在得到混合波场之后再进行波场分离，或用声波方程单独模拟P波和S波波场，但是这些方法往往很难确保P波和S波的振幅不出现畸变。本文给出了完全弹性波波动方程的一种等价方程，该方程既含混合波场变量，也含纯P波和纯S波波场变量。用伪谱法求解该波动方程，在得到混合波场的同时，也得到了完全分离的纯P波或纯S波波场，并保留了P波和S波能量相互转换的信息。模拟波场分析表明，采用这种弹性波波场分解的数值模拟方法对认识弹性波的传播规律有重要意义。     

弹性波交错网格高阶有限差分法波场分离数值模拟

 地震波中的弹性波传播会产生纵波和横波，所以用完全弹性波波动方程进行弹性波波场数值模拟时，只能得到纵横波耦合的混合波场。本文从P波波场为无旋场，而S波波场为无散场的思路出发，推出满足此条件的一阶速度—应力弹性波波场分离方程，并利用交错网格高阶有限差分法对波场分离方程进行数值模拟。模拟实例表明，此方法不但成功地将P波波场和S波波场从混合波场中分离出来，而且这种方法的稳定性好、模拟精度高，可用于弹性波传播规律研究及地震资料处理。     

基于横纵波速度比值迭代的纵横波联合反演方法

在利用弹性阻抗EI反演纵、横波速度和密度时,若无速度信息,通常设定横纵波速度比k为常数,从而与真实的k值存在误差,将导致反演结果不准确。进一步研究发现,当缺乏大入射角信息时单独基于EI反演纵、横波速度和密度,反演结果易受噪声影响而很不稳定。为此,利用参数分辨矩阵分析了k值对反演结果的影响,发现纵波速度和密度几乎不受k值误差的影响,横波速度对k值的变化十分敏感。基于此提出了非线性k值迭代方法,通过逐次迭代求取准确的k值,相应得到准确的横波速度,进而基于Aki-Richards转换横波反射系数近似方程推导了转换横波弹性阻抗(SEI)方程,提出了基于k值迭代的纵横波联合反演方法。利用层状模型和Marmous 2的部分模型测试了上述方法,结果表明该方法能使k值较快地收敛到真实值,可更加稳定地反演纵、横波速度和密度。     

基于最优输运原理的陆上单分量资料弹性波全波形反演

陆上地震单分量地震数据只包含纵波信息,没有横波信号。声波全波形反演是最常用的利用纵波数据反演地下纵波速度、密度的方法,但忽略了单分量资料的弹性AVO特征和转换纵波的存在。为此,基于弹性介质假设推导了伪压力弹性波方程,该方程数值模拟结果仍为标量波信号,但具备弹性AVO特征和转换纵波信息,能够指示横波速度的变化。在此基础上构建了利用纵波数据进行弹性参数全波形反演的理论框架。由于全波形反演的高度非线性,准确的初始速度建模尤为重要,引入基于最优输运理论的二次Wasserstein距离（W₂范数）,在不增加计算量的前提下优化了目标函数的凸性,克服了周期性跳跃导致的局部极值问题。在此基础上,再进行常规的基于L₂范数反演,克服了对初始模型的依赖。应用重采样的Marmousi模型验证了该方法仅用纵波数据反演纵、横波速度的有效性,以及避免周期性跳跃方面的优势。将该方法应用于中国东部M工区的实际地震资料,验证了该方法的实用性和稳定性。     

三维一阶速度-应力声波方程全波形反演

基于时间域三维一阶速度—应力声波方程,采用基于摄动理论的伴随状态法,推导出时间域三维一阶速度—应力声波方程的伴随方程及相应的纵波速度的梯度计算公式,并采用交错网格有限差分法计算正向传播波场及逆时外推的伴随波场,进而计算出纵波速度的梯度,在此基础上采用共轭梯度法更新纵波速度模型,实现了基于一阶速度—应力声波方程的三维全波形反演方法。由于基于一阶速度—应力声波方程,该方法能够方便地采用交错网格有限差分法求解。由于基于GPU在时间域实现,波场正向传播及逆时外推时较直接、快速。模型测试结果证明了方法的可行性和有效性。     

基于弹性波动方程的叠后地震反演方法

本文提出一种新的基于弹性波动方程的叠后反演技术,即利用反射率法求解弹性波动方程的一维解析解。反射率法利用向量化的递推计算求取地震波反射系数并以此模拟全波场（反射波和多种转换波以及多次波）,并考虑透射损失和地层厚度对波场的影响。新方法首先分析纵波速度、横波速度与密度之间的关系,然后直接从叠加数据中反演纵波速度。本文在贝叶斯反演框架基础上,通过微分拉普拉斯分布引入弹性参数的先验信息,降低了反演的不适定性,提高了反演分辨率和稳定性。模型数据和实际资料反演结果证明了新方法的有效性。     

SKC—B大数控声波全波测井仪的数值研究

SKC－B大数控声波全波测井仪是国内20世纪90年代研制的产品，本文对其进行了数值模拟，并计算了井中不同地层的全波波形，用波形的二维谱对全波波形中的纵波、横波及伪瑞利波和Stoneley波的特征进行了分析讨论。纵波的固有频率因仪器的存在而增大，纵波幅度还受地层的纵、横波速度比的影响。当地层的声速度低，横波速度与井内流体的声速接近时，伪瑞利波的频散特性减弱，速度逐渐接近于地层的横波速度；全波波形中，横波的幅度比较大，而Stoneley波的幅度、速度均比较小，与横波是分离的。     

层状半空间地震数据的弹性波方程反演

由于叠前地震数据同时含有丰富的纵波和横波信息，而且这些信息与岩性密切相关，因此根据叠前数据的反演可以得到比常规叠后波阻抗反演更丰富、更有效的岩性信息。由于层状弹性半空间的地震波传播规律具备模拟AVO分析的条件，所以可采用一种基于弹性波波动方程的方法来合成叠前记录。文中推导了球面波在层状半空间形成的反射公式，此式包含了波前扩散效应、层状地层的横波反射及自由表面的反射，以此正演模拟算法为基础，建立了一套叠前弹性波方程反演方法，其中反演问题的求解用遗传算法完成。为了能有效地搜索到最佳地层参数，遗传算法的具体实现完全依照叠前反演这一特定的多参数非线性优化问题而设计。由叠前弹性波反演得到的纵横波速度和密度可用来计算泊松比、弹性模量等岩石物性参数，为识别储层孔隙中的流体性质提供了新手段。     

各向异性介质弹性波高斯束偏移方法

弹性波高斯束偏移是一种兼顾成像精度与计算效率的多分量地震成像方法,但当前的研究多集中在各向同性介质声波、弹性波成像和各向异性介质声波成像,针对各向异性介质弹性波偏移的文献相对较少。为此,在前人的研究基础上,发展了各向异性介质弹性波射线追踪方程,以二维各向异性弹性波Kirchhoff-Helmholtz积分为基础,利用弹性动力学表征的格林张量推导了各向异性介质中弹性波波场正、反向延拓公式,提出了一种针对各向异性介质多分量地震数据的成像方法。通过在成像公式中引入权函数,很好地压制各向异性介质成像中不同波型引起的串扰。通过引入符号函数,解决了转换波成像过程中的极性反转问题。TTI介质洼陷模型和TTI介质多层构造模型试算结果表明：与各向同性介质弹性波高斯束偏移方法相比,各向异性介质弹性波高斯束偏移成像结果的信噪比较高、同相轴连续性较好、构造位置更准确;使用多分量地震记录,利用纵、横波波场信息成像,有效提高了成像分辨率;与传统的基于标量波场的成像方法相比,所提方法的适应性更好。