基于互相关目标函数的反射波波形反演

在速度—密度参数化模式下,传统全波形反演（FWI）得到的密度结果存在严重的偏移效应,即无法恢复模型中的低波数信息。反射波波形反演（RWI）能够反演密度模型的低波数分量,将其与FWI结合能够更准确地反演密度模型。为此,提出基于互相关目标函数的速度—密度双参数RWI方法。首先回顾了传统声波变密度方程双参数反演,并利用辐射模式分析了密度反演的偏移特征;然后在实施RWI过程中借助速度和密度高度耦合性,通过Gardner公式同步更新速度和密度参数;再将最终的反演结果作为输入模型进行传统速度—密度双参数FWI;最终建立了基于RWI+FWI的速度—密度双参数反演流程。简单双层模型和重采样的Sigsbee 2A模型测试结果表明,RWI可克服反演局部极值并减弱密度偏移特征,在实施RWI过程中利用Gardner经验公式同时对速度和密度进行更新,可精确地恢复速度、密度的低波数信息。     

基于双对角通量校正的多尺度全波形反演

油气勘探的不断深入使地震勘探面临的问题越来越复杂。全波形反演(FWI)以其高精度优势成为一种极具潜力的速度建模方法,但其反演效果很大程度上受初始模型精度和炮记录频带范围的影响。在实际地震数据处理中,初始速度模型的精度往往不高,而精确的初始速度模型又是防止FWI陷入局部极值的关键,因此降低FWI对初始模型的依赖性至关重要。为此,提出一种基于双对角通量校正的多尺度FWI方法,利用通量校正运输技术对二维时间域声波方程进行校正,获得不同频率成分的校正波场,并据此推导出FWI梯度及步长计算公式,使用低频~高频的校正波场进行多尺度反演。为了验证该方法的有效性,利用改进Marmousi模型进行模拟测试。结果表明,该方法有效地拓展了波场的中低频成分,降低了FWI对初始模型的依赖性。     

全波形反演配套技术及应用

在研究区A区块的海洋浅水三维拖缆数据的全波形反演（FWI）应用中发现,输入数据低频端的信噪比低、初始速度模型的精度低等严重制约了全波形反演效果。为此,利用Fresnel层析速度模型在浅层精度高的特点,在浅层将其与均方根速度模型融合,从而解决在浅层由于近炮检距覆盖次数低造成的初始速度模型精度低的问题;利用Cadzow滤波、KL滤波等去噪手段精细处理低频噪声,通过对实际数据与模型数据的互相关质控优化FWI起始频段,有效提高了全波形反演精度。通过FWI建立了准确的速度模型,提高了Kirchhoff叠前深度偏移的成像质量。     

全波形反演的一个新目标函数:数据域中的微分相似优化

全波形反演(full waveform inversion,FWI)目前已有广泛的工业实践,但因其本质上的非线性,不如走时层析成像等传统速度建模技术稳健,非线性程度也因目标函数不同而不同。研究分析了FWI中几种不同目标函数的性质,基于定义在数据域中的微分相似概念,提出了一种新的目标函数。初步试验表明,这种目标函数对于比较大范围的数据残差都有凸状性质,基于梯度优化法时使用该目标函数的FWI比传统FWI更稳健,而且波形反演的良好分辨率基本得以保留。     

杨氏模量和泊松比基追踪反演

本文基于基追踪理论利用叠前地震反演方法直接反演杨氏模量和泊松比。首先从Zoeppritz方程的Gray近似公式出发,根据弹性参数间的关系推导出包含杨氏模量、泊松比和密度的地震反射系数线性近似公式;然后基于基追踪反演理论建立了叠前地震反演方法,直接反演杨氏模量和泊松比,并在基追踪反演的目标函数中加入模型约束项,以提高反演方法的稳定性;最后,利用模型试验和实际数据证明该方法可以从地震数据中稳定估算杨氏模量和泊松比。     

VTI介质弹性波相速度扩展各向异性线性近似

Thomsen给出的弱各向异性线性近似的条件为各向异性参数的绝对值小于0.2,针对某些各向异性较强的岩石,因为各向异性参数绝对值很大,所以由弱各向异性线性近似计算的相速度误差较大。为此,提出了VTI介质弹性波相速度扩展各向异性线性近似公式,该公式保持了对各向异性参数的线性关系。从VTI介质弹性波精确相速度公式出发,在相速度精确表达式函数曲线与线性近似式函数曲线切点处进行一阶Taylor展开,由切点处相速度对各向异性参数的一阶偏导数构成雅可比矩阵,得到扩展各向异性线性近似公式。理论分析和数值示例表明：在各向异性参数绝对值较小时,弱各向异性线性近似和扩展各向异性线性近似所得结果均与理论值吻合较好;当各向异性参数绝对值较大时,弱各向异性近似所得结果与理论值偏差较大,扩展各向异性线性近似所得结果与理论值吻合较好。说明扩展各向异性线性近似通过调节线性近似的切点,可以适用于各向异性较强的情况。     

地质模型约束的全波形速度建模反演及在复杂断块区的应用

全波形反演（FWI）速度建模方法可构建高精度速度模型，但复杂断块区因受地震数据低信噪比及频带宽度的限制，反演结果不甚理想。为此，基于常规FWI理论，提出将地震解释数据作为约束条件，推导出基于地质模型约束的误差泛函表达式，利用相关解释数据约束全波形反演求解过程。模型和实际数据测试结果表明，改进后的地质模型约束的全波形反演方法，能反演出高精度复杂断块区速度场，改善复杂断块区的成像效果。     

地震波反演成像方法与技术核心问题分析

常规的地震反演成像分为偏移速度分析与层析成像、叠前深度偏移(角度道集产生)和AVA分析/反演3个重要环节,其中的关键技术是当前勘探地震学中的核心技术。全波形反演(FWI)是理论意义下十分完善的地震波反演成像理论框架。原则上,FWI可以把上述3项常规的反演方法技术合为一体,给出比较理想的反演成像结果。但是,由于叠前地震数据的不完备、地震波正演模拟方法不能很好地模拟实测地震波场、初始模型不够精确、地震子波的未知和空变,使得严格意义下的FWI方法尚不能很好地解决实际问题。通过叠前地震数据和地下介质模型的特征表达,提出把经典的FWI分成透射波层析成像、最小二乘叠前深度偏移成像和反射波层析成像3个线性化反演方法的串联,构成FWI反演成像的实用化流程。针对我国陆上地震数据的特点,指出做好浅层速度模型建立、背景速度模型建立、成像道集层析速度模型建立、最小二乘叠前深度偏移成像、张角及界面倾角道集的产生以及小角度成像道集波阻抗反演,是当前推进FWI反演成像方法技术应用与发展的关键所在。     

散乱数据插值方法及其在背景速度建模中的应用

地震全波形反演(FWI)主要利用低频长偏移距透射波估计背景速度,有效的初始背景速度场对于透射波FWI和反射波FWI的有效应用都十分重要。因此,根据散乱的速度和界面深度信息,对不同来源、不同精度的散乱速度场插值产生背景速度模型是速度建模的核心环节之一。在总结了三角剖分法、自然邻域法、反距离加权插值法和径向基函数插值法以及克里金插值法等方法特点的基础上,采用三维克里金插值方法将实际测井数据插值成三维速度场,然后利用克里金方差融合策略和多尺度空间波数域Gabor变换两种方法对分别来自测井数据和来自偏移速度分析的速度场进行融合,融合后的速度场的精度得到了提高,成像质量明显改善。最后,对基于散乱数据支撑的特征速度场的描述问题进行了讨论,提出了多尺度特征速度场的表达策略。     

基于数据相似性的不依赖子波的频率域全波形反演

利用频率域单频数据特点,在复数域设计了一种类似于实数域表征数据相似性的目标函数（SOD）,可在一定程度上降低反演的非线性。基于SOD的反演法可以弱化模拟数据与观测数据间的振幅匹配,更适合于实际应用。在构造目标函数时,自然消除了震源子波的影响,而且不需要使用参考道,从而避免了由于标准道归一化的全波形反演（STN）参考道选择不当易导致收敛缓慢或无法收敛的缺陷。模型测试结果表明：①基于SOD的反演结果不依赖子波,而且与另两种不依赖子波的反演方法（频率域归一化振幅反演（ATN）、STN）相比,反演精度更高;②SOD的原理是基于数据间的相似性,对数据间能量差异具有更大的包容性,所以对初始速度模型的依赖性不高;③即使存在随机噪声,通过相乘、求和运算作用在分子和分母中的噪声比重相当,因此SOD目标函数值较稳定;④基于SOD的反演法可以与炮编码策略结合,能够有效提高计算效率。     

最小平方滤波法时间域全波形反演

全波形反演是一种利用叠前地震记录的全波场信息重建地下介质物性参数的高精度速度建模法,但其反演效果常会受到“跳周”现象的影响。本文提出一种用最小平方滤波做数据预处理的反演方法,有效减弱“跳周”现象对反演结果的影响。该方法利用最小平方滤波减小模拟波场与观测波场之间的相位差,由滤波后波场构建一种新目标函数,使反演过程稳定地朝着全局极小点处收敛。数值模拟试验结果表明：基于最小平方滤波的全波形反演能有效改善反演效果,尤其在模型深部或大炮检距范围的效果更明显;新目标函数相比常规L₂范数能更稳定地下降,不易陷入局部极小,避免了常规全波形反演中易出现的严重“跳周”现象。     

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。     

二维时间域黏声波全波形反演

实际地下介质具有黏滞性,因此在全波形反演中必须考虑吸收衰减效应。本文从基于广义标准线性固体（GSLS）模型的黏弹性波动方程出发,得到一阶速度-应力黏声波方程,并推导出相应的纵波速度梯度计算公式;再采用高阶交错网格有限差分法和共轭梯度法,实现了基于一阶速度-应力黏声波方程的二维时间域黏声波全波形反演方法。模型测试结果表明：与未考虑吸收衰减效应的纵波速度反演结果相比,采用本文方法能得到更准确的纵波速度反演结果。     

基于声波方程转换的三参数递进式全波形反演

为提高基于声波方程的多参数反演精度,研究了基于波动方程转换的多参数全波形反演方法,实现了基于声波方程的速度、密度、阻抗三参数全波形反演。首先利用阻抗速度方程实现低波数速度模型和阻抗模型的全波形反演建模;将该低波数速度模型作为初始速度模型,经过声波方程转换再利用速度密度方程实现从低波数到高波数的递进式速度反演和密度反演。同时通过加德纳经验公式的约束提高了密度反演的稳定性和精度。利用Overthrust模型数据进行测试,分别实现了主频10Hz和30Hz地震数据三参数全波形反演,结果表明主频30Hz地震数据全波形反演结果能够精细刻画起伏构造形态,且断层边界清晰,断面干脆,为精细地震勘探提供了更加可靠的速度和阻抗。     

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.     

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。     

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。     

Convolution-based multi-scale envelope inversion

Envelope inversion(El) is an efficient tool to mitigate the nonlinearity of conventional full waveform inversion(FWI) by utilizing the ultralow-frequency component in the seismic data.However,the performance of envelope inversion depends on the frequency component and initial model to some extent.To improve the convergence ability and avoid the local minima issue,we propose a convolution-based envelope inversion method to update the low-wavenumber component of the velocity model.Besides,the multi-scale inversion strategy(MCEI) is also incorporated to improve the inversion accuracy while guaranteeing the global convergence.The success of this method relies on modifying the original envelope data to expand the overlap region between observed and modeled envelope data,which in turn expands the global minimum basin of misfit function.The accurate low-wavenumber component of the velocity model provided by MCEI can be used as the migration model or an initial model for conventional FWI.The numerical tests on simple layer model and complex BP 2004 model verify that the proposed method is more robust than El even when the initial model is coarse and the frequency component of data is high.