波散波的反演

波散波在地震记录中是一种常见的现象。波散波中包含有许多岩性信息,如表层速度、厚度和吸收系数等。为提取这些信息,本文提出一种波散波的反演方法,包括波散波记录的正演模拟、求取波散曲线和迭代求解过程。波散过程实质上是一个滤波过程。波散波反演就是对波散波记录作纯相位反滤波,使各道反滤波后的波形差在最小平方意义下为最小。这种运算是通过迭代实现的。初值波散曲线可直接由实际记录算出。速代参数修改依波散波类型而异:波散瑞雷波反演时只修改表层横波速度;而勒夫波反演时要修改表层深度。     

主成分分析波场重构反演与全波形反演联合速度重构

全波形反演倚重低频成分,但地震资料中往往缺乏低频信息。为确保全波形反演在缺少低频信息时能稳定收敛,本文联合波场重构反演和全波形反演,利用波场重构反演在优化过程中拥有较大自由度的优势模拟低频部分,并以波场重构反演结果作为较高频部分的初始模型,进行全波形反演。实际应用过程中,低频部分的波场重构反演使用主成分分析法,通过降维缩短计算耗时;高频部分使用基于Curvelet变换的稀疏全波形反演和主成分分析,使得全波形反演在缺少低频成分时也能高效地收敛。二维Marmousi模型试算结果表明,本文方法在缺少低频信息条件下可得到高效稳定的全波形反演结果。     

波场相位相关时移全波形反演

全波形反演(FWI)算法对低频信息和初始模型的依赖比较严重,容易发生周波跳跃现象而陷入局部极小点。为减少周波跳跃现象对全波形反演的影响,提出了波场相位相关时移全波形反演算法,在反演之前对模拟数据进行处理,提高观测数据和模拟数据的匹配程度;同时为减少初始模型对FWI的影响,利用Curvelet变换的多尺度特性,在反演的不同阶段选择不同尺度的数据参与反演,从而改善全波形反演因初始模型误差较大而出现周波跳跃的问题。利用Marmousi模型对波场相位相关时移全波形反演算法进行了测试,结果表明,该反演算法以及利用Curvelet变换多尺度数据参与反演可以明显改善FWI对低频信息和初始模型的依赖,得到较好的反演结果。     

基于波场分离的层析波形反演方法

全波形反演是利用地震数据的所有信息对地下模型进行重建的重要方法。但是当采集地震数据缺失低频和远炮检距信息时,常规的全波形反演方法只能恢复地下模型的短波长成分。本文给出了一种利用梯度分解和重组增强波形反演中长波长更新量的方法,该方法将全波形反演梯度分解为层析项和偏移项,梯度的层析项主要更新模型参数的长波长分量,由传播方向相同的波场互相关得到,而偏移项更新模型参数的短波长分量,由传播方向相反的波场互相关得到。本文利用坡印廷矢量进行波场分离进而将梯度分解,在将两项重组后得到层析项加强的新梯度。数值测试结果表明,这种基于波场分离的层析波形反演方法在常规全波形反演方法难以收敛时能收敛到准确的结果。     

非分裂完全匹配层边界存储时间域全波形反演

正演波场的储存或重建是制约时间域全波形反演的关键问题,以计算代替存储的常规分裂完全匹配层（PML）边界存储策略可有效减少存储量。但常规分裂PML边界条件所需变量个数多、计算存储量大以及编程复杂。为此,采用非分裂复频移完全匹配层（CFS-NPML）有效边界存储策略重建正演波场实现时间域全波形反演。研究表明：CFS-NPML所需变量个数少,在边界吸收层网格点较少时吸收效果优于常规PML边界条件,波场重建过程中所需存储量少于常规PML边界条件。数值试验表明,该存储策略得到的重建波场与正向传播波场几乎无差别,其全波形反演结果与常规保存波场反演法一致;正演过程中引入并行计算技术未显著增加波场重建导致的额外正演时间。     

不依赖子波的弹性波混合域全波形反演

震源子波的准确性直接影响全波形反演的建模效果,获取准确的实际子波十分困难。本文基于去子波影响的褶积法,提出弹性波混合域不依赖子波的全波形反演策略。基于二阶弹性波应力-位移方程的混合域反演理论,把观测地震记录与模拟记录的特征道、模拟记录与观测记录的特征道在频率域做乘积运算,构造了不依赖子波的弹性波混合域全波形反演目标函数,推导了反传震源的理论公式。最后,对Overthrust模型进行试算,得到了较好的反演结果,验证了该方法的可行性。     

基于时域加权的拉普拉斯—频率域弹性波全波形反演

弹性波全波形反演是强非线性问题,极易因为对初始模型精度或记录的低频成分的强烈依赖性而陷入局部极小,导致反演失败.为此,建立了一种基于时域加权的拉普拉斯—频率域弹性波全波形反演方法.首先在结合了两种域各自优势的时间—频率域弹性波全波形反演基础上,通过引入拉普拉斯衰减因子降低了全波形反演对于低频成分的依赖性,形成了兼具三种...     

用偏移滤波法分离信号与相干噪声

波场发离中的一个关键问题是找到一个能将信号与相干噪声相互分离的域。一种名为偏移滤波的新的波场分离算法，能根据信息波至的传播中 和实际时差特征将之分离。这是用正演模拟算子计算信号与相干燥声波至来完成的，采用线性最小二乘反演算法对上述两量作出模型估计，则预测的信号通过对信号模型估计量的正演模拟得到。合成数据和野外资料实例表明，偏移滤波法能改善Ｐ波反射与而波、Ｐ波反射与管波、Ｐ波衍射与Ｓ波衍射的分离效果。与常规滤波法相比，偏移滤法法的主要优点是波场分离能力更强，在一般的反演法框架下混合运用任意两类常规变换法进行波场分离的能力也更强，并能通过调控，减少信号与相干燥声间的串音现象，这种方法的局限在于：与常规变换相比，计算量至少增加一个数量级，且对某些波型难以选择合适的模拟算子。     

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。     

基于波动方程的多分量数据叠前反演

基于弹性介质中的波动方程,根据Tarantola提出的全波形反演理论和波场回传技术,给出了用正演波场和剩余波场表示的目标函数梯度的计算公式,用可控共轭梯度法迭代反演介质的弹性参数和密度。该方法无须纵、横波场分离,且能自动考虑反射、透射、绕射、波型转换等波的行为,适用于任意复杂非均匀介质中多分量数据的叠前反演。对我国西部某气田实际的2D3C数据进行反演,给出了含气区域的预测剖面,钻井结果验证了方法的有效性和预测结果的可靠性。与常规叠后反演和AVO技术气藏预测结果比较,该方法更适合复杂介质油气藏的描述。     

基于柯西分布的频率域全波形反演

全波形反演利用了波形的整体特征,是一种高分辨率的成像方法。目前广泛使用的最小二乘法全波形反演隐含了地震数据处理中噪声服从正态分布,限制了实际应用的效果。本文在假设地震数据噪声误差服从柯西分布的前提下,提出了一种基于柯西分布的频率域目标函数构造方法,推导出了相应的梯度表达式,通过对理论模型的数值合成记录加入随机脉冲噪声、高斯噪声和线性噪声,验证本方法的正确性。反演过程中采用拟牛顿法从低频到高频进行了多尺度的全波形反演,并将低频反演结果作为高频反演的初始模型以便减少解的非唯一性。研究结果表明：该方法相对于最小二乘全波形反演方法,在噪声存在且不满足高斯正态分布的情况下,仍然能够得到较好的反演结果。     

Imagingcomplex near-surface structures in Yumen oil field by joint seismic traveltime and waveform inversion

The first-arrival traveltime tomography is a standard approach for near-surface velocity estimation.However,it cannot resolve complex near-surface structures and will produce a smooth velocity model with low resolution.Early arrival waveform inversion is a robust tool for imaging the near surface structures,but it requires a good initial model to avoid cycle skipping between the predicted and observed data.Furthermore,waveform inversion requires substantial computation efforts.Therefore,we present joint seismic traveltime and waveform inversion method,and we expect the joint inversion method retains the advantages of both traveltime inversion and full waveform inversion and overcomes their respective drawbacks at the same time.The objective function includes both the traveltime and waveform misfit.At each iteration,the traveltimes are calculated by wavefront raytracing,and the waveforms are computed using a finite-difference method.The nonlinear optimization problem is solved by the conjugate gradient method.We apply the joint inversion method to study complex near-surface area where shallow overthrust and rugged topography present a significant challenge for applying traveltime inversion and waveform inversion alone.We test synthetic data to verify the advantages of the joint method,and then apply the method to a 2Ddataset acquired in Yumen Oil field,China.The inversion results suggest that the joint traveltime and waveform inversion helps constrain the very shallow velocity structures and also resolve complex overthrust with large velocity contrasts.     

基于L-BFGS算法的时间域全波形反演

全波形反演是大规模参数、强烈非线性的最小值问题, 在数学上利用无约束的非线性最优化方法求解。本文基于标量波动方程, 利用最小二乘法建立了无约束的目标函数, 推导了时间域目标函数的梯度算子表达式; 在迭代求解问题上利用有限内存L-BFGS算法, 结合最优化一维线搜索方法, 求解全波形反演的强非线性问题。通过复杂断块模型的理论测试验证了反演算法的稳定性和适应性, 实际资料的初步测试验证了反演算法的有效性。     

一阶近似瞬时频率时间域声波全波形反演

通过全波形反演（FWI）在理论上可得到较高精度的深层速度模型,而在实际中相关条件却难以完全具备。究其原因主要为：FWI对初始速度模型的依赖性强;深层信号弱,在目标函数中的贡献较小。为此,提出基于一阶近似瞬时频率的时间域声波FWI方法。根据瞬时相位公式推导出一阶近似瞬时频率的目标函数和伴随震源项公式;充分发挥瞬时频率可突出低频信息和深层弱信号的特点,为FWI建立初始速度模型;同时加入梯度衰减因子以进一步提高深层反演效果、防止深浅层间互相干涉。模型和实际资料测试证明了该方法的可行性和有效性。     

基于主成分分析和梯度重构的全波形反演

传统全波形反演追求模拟记录与实际地震记录的完全匹配,在实际地震记录含有噪声时反演结果较差。为此,在分析了随机噪声对全波形反演影响机制的基础上,利用主成分分析和梯度重构的方法对梯度进行优化。首先对由各炮梯度组成的矩阵进行主成分分析,再选取贡献较大的主成分对梯度进行重构。在残差信噪比较高时,梯度重构能够获得准确的梯度,不影响反演的收敛速度;在信噪比较低时,重构的梯度能阻止模型朝着错误的方向更新,为下一频段反演提供合理的初始模型。模型实验表明,采用主成分分析和梯度重构方法的全波形反演具有较强的抗噪能力,在信噪比较低时也能得到正确的反演结果。     

复杂重磁异常多阶段决策的最优化反演

用常规的阻尼最小二乘法和广义逆矩阵法反演由多个地质体产生的复杂重磁异常，往往不收敛，采用非线性规划的多阶段决策方法对目标函数作小波多尺度分解，由大尺度到小尺度逐次反演，消除了目标函数的冗余度，并克服了目标函数的复杂性，实践表明，多阶段决策方法能解决由多个地质体产生的复杂的多峰值异常的最优化反演问题，并且通过多尺度分解目标函数来搜索极小的过程是合理和收敛的，运用这一方法成功地处理和解释了某油田火成岩体分布问题。     

基于区域分解的3D弹性波全波形反演并行实现策略

全波形反演作为一种能够在理论上提供更高精度成像的反演方法,是当前地震勘探领域的研究热点之一。它所面临的一个主要问题是计算量庞大,特别是对于3D弹性介质的全波形反演。针对这一问题,本文基于区域分解技术发展了一种3D弹性波全波形反演并行实现策略。首先,对全波形反演理论进行简要介绍;然后,详细分析区域分解并行实现中的主要问题并给出相应的解决策略;最后,通过简单的透射模型证明了算法的正确性及有效性。     

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。