确定三维地层速度结构的地震层析成像技术

观测数据与地层参数之间呈线积分关系的反演称作地球物理层析成像。本文介绍在连续曲界面均匀各向同性层状介质情形下,根据地震反射资料反演三维地层结构及地震速度的地震射线层析成像方法。正演模型射线追踪是根据Fermat原理实现的,即求解由时间最小原理列出的非线性方程组得到射线与界面的交点。反演的目标就是求解这样的地层模型,使其射线追踪走时与观测走时的残差为极小。具体做法是根据走时残差求取模型参数修正量的阻尼极小二乘解,循环迭代直至满足要求为止。 文中给出了两个合成资料反演的例子。一个是合成的P波走时数据(加随机噪声)的反演,其结果与真实模型能较好吻合。另一个例子则同时考虑P波及反射P—SV转换波走时,反演包括P波速度和SV波速度对三维速度结构。利用P—SV波进行P波和SV波速度结构的成像是本文的一个进步。     

初至波层析影响因素分析

 在山地地震勘探中，目前广泛采用初至波走时层析方法反演起伏地表速度结构，但其最终反演结果受许多因素影响。本文通过大量数值试验对影响表层模型层析反演精度的方程解法、先验信息利用、观测系统、初始模型及平滑因子等主要因素进行了详细的分析对比，总结出了最佳参数的选择原则和范围，并建立了内部约束方程。将本文方法应用于实际资料处理，取得了较好的成像效果。     

全走时反演及其应用

波动方程速度建模方法是利用地震数据或成像道集中的旅行时信息或运动学特征自动反演出背景速度模型,但是已有方法普遍面临一个严重的问题,即反演过程无法避免受振幅信息的影响。为此,提出了一种基于波动方程的旅行时反演方法,称之为全走时(即完全依赖于走时信息)反演,从地震数据中自动估计出运动学意义上正确的速度模型,其核心思想是使反演完全依赖于走时信息,从而防止反演受到振幅信息的干扰。基于速度扰动只产生旅行时变化这一假设,介绍了数据域和成像域两种全走时反演方法,分别对应透射波和反射波走时反演。全走时反演不需要准确的初始速度模型和地震数据中的低频信息。理论模型和实际资料测试结果表明,全走时反演在常速度初始模型的情况下也能得到令人满意的反演结果。     

高斯束偏移与高斯束层析反演速度建模

当前的层析反演速度建模方法大多基于射线传播算子,以射线长度为层析反演敏感度核函数,对复杂构造偏移成像的适应性不强,反演精度有待提高。基于波动方程的一阶Born近似和Rytov近似,从高斯束偏移成像条件出发,推导了成像域波动方程线性化走时层析反演核函数,该核函数的本质是有限频核函数,可通过高斯束积分表达的格林函数计算得到。利用该核函数替换常规射线层析核函数能提高层析反演精度。发展的高斯束层析反演速度建模方法通过方位-反射角度域共成像点道集与高斯束偏移串联并迭代实现复杂构造成像,该技术路线实用化程度高,能进一步提高当前工业界广泛应用的常规射线层析及射线偏移的成像精度,尤其是改善了低信噪比资料的成像质量。数值计算及实际数据应用证明了基于高斯束算子的偏移成像与成像域走时层析方法的有效性。     

立体层析反演方法理论分析与应用测试

立体层析反演方法是针对传统反射层析数据拾取困难这一问题提出的.该方法重新定义了层析反演的数据分量和模型分量,使得数据的提取不再需要沿着连续的层位进行；除地震波走时之外,炮、检点位置与炮、检点处射线的局部传播方向也被用来约束速度模型,且将模型分量映射到数据分量这一正过程只需要进行初值射线追踪.这些特点都增强了反演的稳定性.根据立体层析反演方法的特点,简化了立体层析反演的数据分量与模型分量,从而减小了反演的规模.考虑到射线扰动理论在射线中心坐标系下实现更简捷,Fr∈chet导数的计算在该坐标系下进行.通过3个二维理论模型数据反演实验,对简化后的方法进行了测试.实验一在理想无噪声数据中进行,验证了简化后方法的有3效性；实验二在含噪声数据中进行,进一步测试了方法的稳定性以及对噪声的适应能力；实验三以拾取的运动学属性作为反演的数据输入,为下一步将简化方法应用于实际数据反演奠定了基础.     

根据VSP初至走时反演地层速度

本文介绍了根据VSP初至走时反演地层速度的广义线性反演方法.其主要特点是同步地确定所有地层的速度解,即在确定某层速度值时,同时考虑了所有的初至走时.通过电算模型资料及实际观测资料的反演,可直观地显示出该方法的效果.文章还讨论了走时误差对反演结果的影响,这对设计最佳的VSP观测系统会有一定帮助.     

初至波走时层析成像中的正则化方法

 波场的等效性、观测数据的有限性和观测误差等因素导致地球物理反演本身具有严重的多解性，降低这种多解性的一种重要途径就是对反演过程进行约束。传统的初至波走时层析成像方法，通常是在外部对模型空间施加显式的约束和平滑处理，这样就会破坏模型参数与传播算子之间的相关性，难以达到有效利用先验信息的目的, 甚至会影响反演的稳定性。针对这一问题，本文将先验信息分为三类，在此基础上阐述了通过正则化手段将各种先验信息纳入到反演方程当中，替代传统的外部约束模式。理论试验结果表明，正则化方法比外部约束方法有效地提高了反演的精度和分辨率；将该正则化方法应用于实际二维资料处理，也得到了比较好的反演结果。     

无井多道反演

在深入研究波阻抗反演技术的基础上，针对其单道计算的特点，提出了一种简单易行的多道反演方法。该方法具体的实现步骤是：（１）采用频域归一化滤波算子将中、低频分量相加，形成无井多道反演的初步模型；（２）采用常规最小平方法制取最小相位反子波，求出子波，然后转换成零相位子波；（３）对数据拟合差剖面进行信噪分离或做压制噪声处理。应用结果表明，本文方法明显优于单道反演方法。     

潜水波胖射线走时层析速度反演及其在深度偏移速度建模中的应用

探讨了潜水波胖射线走时层析速度反演的方法原理、处理流程以及关键步骤、关键参数和影响因素,给出了基于该技术建立深度偏移初始速度模型的方法。潜水波胖射线走时层析速度反演技术针对既定的观测系统,通过拓宽射线路径,降低了层析反演矩阵的稀疏性,提高了速度模型反演的稳定性,较常规折射波层析反演获得的近地表速度模型深度更大,将其与深层速度模型进行合理拼接,可以为深度偏移提供更为准确的初始速度模型。实际资料处理结果表明:采用该方法建立初始速度模型,可以明显改善深度偏移成像品质,消除浅层速度剧烈变化引起的构造假象,提高地震剖面的信噪比,降低井震误差。     

共聚焦点层析速度建模方法

讨论了基于双聚焦成像理论的层析速度反演方法的基本原理，利用该反演方法实现成像速度模型的迭代更新，使最终模型速度更接近于实际地层速度。由双聚焦成像产生的共聚焦点（CFP）道集是一个部分偏移过的道集，借助于反射层析思想，利用逆时聚焦算子和共聚焦点响应两者之问的时移，通过算子的更新来反演地层速度的更新量。该方法用向量参数化来描述速度模型，用摄动法来更新模型参数，因此提高了计算的稳定性。利用大庆油田的模型数据和胜利油田的实际地震数据对该方法进行了验证。结果表明，用该方法得到的速度模型进行叠前深度偏移，成像效果得到了改善。     

最大熵井间逆散射层析成像

在地球物理波动方程反演层析成像的诸方法中,典型的算法是地球物理衍射 CT 和迭代逆散射层析成像方法。为了提高层析图像的分辨率,本文根据最大熵原理提出了最大熵逆散射层析成像算法。该法在求逆散射问题时,采用最大熵作为约束条件,从满足数据的多解模型中,选取熵最大的解作为反演结果。此算法对反演不完全和有噪声的波场数据时,十分有效,而且给出的层析图像分辨率要比衍射 CT 成像结果好,同时具有较强的抗噪能力。     

初至波与反射波旅行时多尺度渐进联合层析成像

针对应用单-波反演难以更准确、更全面地重构地下速度信息及层析正反演中网格剖分大小相互矛盾的问题,本文采用Humphreys等^[1]的数据加权算法,对模型空间和数据空间进行加权,并在反演中采用多尺度渐进层析反演;通过比较模型上各种波的理论旅行时与实际拾取的旅行时残差,更新模型速度及界面深度参数。模型资料试算结果表明,应用初至波与反射波旅行时联合层析整体上要优于单-波旅行时层析的结果;多尺度渐进层析反演能有效地解决层析正反演网格剖分大小的矛盾;在-定范围内,随着反演网格尺度的逐渐减小,反演精度也会逐渐提高。实际资料试算结果表明该方法是可行的,可以为高精度地震勘探提供精细的速度模型。     

初至波波形反演方法及其数值模拟试验

近地表速度模型的反演精度是影响复杂地表条件下地下地质构造成像效果的主要因素之一。初至波波形反演方法将速度建模问题转化为寻求地震数据信息和理论模型的最佳拟合,即转化为求解目标函数极小化问题,利用观测记录和模型正演记录之间的最佳匹配关系建立地下模型。梯度类波形反演方法的关键因素是目标函数、梯度和步长,梯度问题可以通过确定合适的目标函数来解决,选取合适的步长可以有效地提高波形反演的计算效率和反演精度。初至波波形反演方法类似于对地表模型同时做偏移和层析,能够同时分辨出高波数和低波数成分,并且同时恢复速度值和速度界面。初至波波形反演结果与初至波射线走时层析反演结果的对比分析表明,对于速度变化比较缓慢的起伏地表,前者的反演效果明显优于后者。     

高斯束层析与全波形反演联合速度建模

基于叠前地震波场模拟的全波形反演（FWI）技术走向实用化充满挑战性。陆上地震资料的低信噪比、缺失低频、复杂近地表及三维数据的巨大内存需求和海量计算等因素都制约了FWI技术的应用推广。为此,研究并开发了高斯束层析速度建模技术,弥补了传统射线层析无法反演得到的中波数速度成分,为FWI提供了高精度宏观速度模型,有效避免了周波跳跃现象;利用基于相位匹配的互相关目标泛函取代L₂范数求解梯度,降低了反演对低频数据的依赖,有效解决了FWI海量计算难题;利用伪保守波动方程形成自伴随的正演算子,大幅度提升了基于伴随状态法的梯度计算能力,增强了反演对陆地数据的适应性,实现了陆地资料的FWI高分辨率速度建模能力。     

最大熵谱估计中振幅谱和相位谱的求法

最大熵谱估计克服了窗函数对传统谱估计的不利影响,特别在数据短的情况下,它比传统谱估计优越得多。但最大熵谱估计所确定的信号最佳频率成分,其对应的振幅值并不反映原来振幅值,且随自回归模型的阶数的不同而变化。这是最大熵谱估计法的最大缺点,也是此法目前还不能很好地用于地震数据处理的主要原因。本文介绍两种由得到的最佳频率成分来恢复原振幅值和相位值的方法。     

井间地震资料全变差正则化波形反演

针对井间地震资料走时层析成像分辨率低、稳定性差的问题,研究了一种井间地震资料成像新方法——全变差正则化波形反演方法(TVWI)。该方法基于Gauss-Newton波动方程反演,将井间地震资料的速度求取问题归结为波动方程反演问题,通过极小化合成地震记录与观测地震记录的差实现波动方程反演;利用局部线性化逐步迭代的方法实现非线性泛函优化问题的求解;将波动方程反演的目标泛函加入全变差约束项,提高反演过程的稳定性和反演结果的分辨率。设计了一个复杂的速度模型验证了TVWI方法的有效性,结果表明,在给定不同速度初值的情况下,反演结果都具有较高的精度。选取与真实速度相差较大的初始速度模型讨论了TVWI方法对初值选取的依赖性：反演结果对初值选取的依赖性不强,但初值选取不好,会增加迭代次数和计算成本。最后进行了抗噪能力试验,结果表明,TVWI方法具有较强的抗噪能力。     

一般TI介质中多震相旅行时层析成像——以井间成像为例

传统的各向异性介质中的正、反演研究大多基于弱各向异性假设下的VTI介质,且主要是有关初至波的射线追踪和相应的旅行时反演。然而,随着勘探精度要求的不断提高,一般普适的(含强)TI介质中的多震相射线正、反演方法,则成为急需解决的问题。鉴于此,本文将基于各向同性介质多震相分区多步最短路径射线追踪算法推广到一般各向异性TI介质,结合相、群速度导数的一阶旅行时扰动方程,采用共轭梯度求解带约束的阻尼最小二乘问题,进而提出了一种利用多震相旅行时进行一般TI介质弹性参数反演的方法。井间地震数值实验结果表明,多震相旅行时联合反演可有效提高成像分辨率,验证了方法的有效性和正确性。     

初至波射线层析成像在复杂区静校正中的应用

在复杂地表和复杂构造地区，静校正问题突出。为此，根据目前静校正存在的问题和实际需要，进行了地震初至波射线层析成像方法的研究。给出了初至旅行时层析成像方法的基本原理，包括近地表模型的建立、射线路径和初至时间的计算、反演方程的建立以及共轭梯度反演方法等。其中提出的对复杂介质采用动态网络最短路径射线追踪方法，克服了同类方法得到的射线路径呈之字形、计算出的旅行时比实际旅行时系统偏大的缺陷。利用非线性共轭梯度优化方法来实现初至旅行时层析反演，反演过程稳定收敛。利用理论模型和实际资料对方法进行了验证，结果表明，采用上述方法求取复杂地区的静校正量，静校正效果很好，剖面的品质得到了较大的改善。     

高精度深度域层析速度反演方法

深度域层速度场是叠前深度偏移最重要的参数,直接决定了偏移成像的精度。传统层析速度建模方法由三部分组成,首先利用Dix公式或基于层位约束的Dix公式生成初始层速度模型,然后利用炮检距域道集对初始速度模型进行层析迭代,最后利用网格层析方法局部修饰速度模型。本文改进了传统层析速度建模流程：首先利用炮域波动方程相干反演方法建立初始速度模型,再利用角度域共成像点道集进行层析迭代,最后利用基于层位约束的网格层析方法局部修饰速度模型。渤海M区块三维实际数据试算证明本文对层析速度建模流程的改进是有效的,改进后的新流程可以大幅提高层速度场的精度。     

用旅行时反演确定层速度的横向变化

本文用叠前共炮点或共中心点道集记录的反射波旅行时反演来确定目的层层速度的横向变化。采用正演模型的旅行时与实测旅行时最佳拟合的方法求取层速度参量,这种方法与地震反射波层析技术是一致的。但常规的地震反射波层析技术求解的参数多,使得计算结果不稳定,且具有多解性。本文采用了一些措施,如选用合理的地质模型及等效层的方法和平衡雅可比矩阵元素的方法等,力求减少反演的参数,稳定了求解过程和提高了求解的精度。在实际应用上取得了良好的效果。另外,文中还论述了旅行时反演原理和有关的技术问题,并给出了工作流程。最后介绍了该方法在大庆地区对地震资料进行反演的实际例子。