近地表复杂区早至波全波形反演建模技术与应用

为提高近地表复杂区速度建模的精度,开展了早至波全波形反演的近地表速度建模技术研究,并将其应用于陆上三维实际地震资料处理。分析了全波形反演中非线性来源,确定地震数据偏移距选取范围,讨论了观测地震数据早至波提取及其波动方程正演模拟方法,介绍了早至波全波形反演的方法原理,探讨了早至波全波形反演在实际资料应用中的关键技术流程。研究确定了早至波全波形反演的反演策略:首先利用初至走时层析方法恢复近地表模型低波数信息,然后将其作为早至波全波形反演的初始模型,利用早至波信息进行反演,恢复模型的高波数成分。研究表明,早至波全波形反演对初始模型的依赖性低于常规全波形反演。陆上三维实际地震资料测试结果表明,早至波全波形反演建模结果相对于走时层析速度模型细节更加丰富,异常体空间展布描绘更加清晰。     

陆上地震资料全波形反演策略研究

全波形反演已成功应用于海上地震资料,而陆上地震资料全波形反演应用还面临诸多难点。研究给出了一种针对陆上地震资料的全波形反演策略:首先采用相位拟合互相关目标泛函增强全波形反演的适用性;其次构建动态波数域滤波梯度预处理方法压制梯度噪声;最后采用构造倾角信息约束的自适应高斯平滑算子改善反演结果质量。二维陆上地震资料的反演结果表明,该策略可有效实现陆上地震资料高波数全波形反演速度建模。     

横波速度计算方法与应用

利用地震资料研究储集体速度特征和地震响应时常需要横波速度资料,但由地震采集或测井获得的横波速度资料较少。本文利用常规测井及实验室岩石物理数据,基于Gassmann方程和Xu-White、Kuster-Toksz等岩石物理模型估算横波速度,并应用测井约束反演与叠前波形反演对估算的横波速度进行修正,最终得到符合实际地震波性质的横波速度计算方法。应用结果表明了该方法的可行性。     

地震波反演成像方法的理论分析与对比

全波形反演、旅行时层析、最小二乘偏移和偏移速度分析具有相同的反演框架,以Bayes 估计理论 为基础对这些方法进行了分析和对比,证明了全波形反演能够利用最多的地震信息,但多重因素的叠加 加大了其实用性的难度。针对这一问题,以特征波形反演为指导,对提取的地震波场的特征化信息进行了 地震反演,并对其反演方案进行了理论分析和对比。     

全波形反演研究现状及发展趋势

全波形反演技术是当前勘探地球物理领域的研究热点之一。新一轮的全波形反演研究触及了波场模拟、梯度估计、数据预处理、目标泛函的选择等诸多深层次的内容,逐渐将全波形反演对实际观测系统、地震数据等要求的局限性以及其具备的潜力揭示出来。通过对全波形反演理论和技术研究进展及应用现状的全面调研,介绍了全波形反演算法研究从时间域到频率域、再到混合域和拉普拉斯域的发展进程;阐明了全波形反演技术已实现海上地震资料应用但对陆上地震资料还没有真正成功实例的应用现状;着重分析了陆上资料全波形反演应用的瓶颈主要在于观测系统的限制、低频数据的缺失、数据预处理面临的挑战以及近地表条件和激发-接收的影响等;指出了发展分步骤、分尺度的反演方法和反演策略以及多种手段的有效联合是实现陆上资料全波形反演的有效途径。     

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。     

构造约束全波形反演及其海上资料应用

相对于陆地资料,海上资料具有信噪比高、低频信息丰富及炮、检点耦合一致性好等优点,因此海上资料的全波形反演建模(FWI)已逐渐走向实用化。但由于全波形反演是基于波动理论的全局寻优,迭代过程中不直接修改道集,且在实际资料应用过程中往往选用道集已经拉平的初始速度场,因此常规全波形反演得到的高精度速度模型往往不能改善成像质量。为此,应用射线层析技术建立较为准确的背景速度场作为初始模型,在道集拉平速度场的基础上应用构造约束全波形反演技术,重建较为准确的地质构造和较为准确的断层位置,从而建立更加精确的速度模型。南海某油田实际资料应用结果表明,海上资料基于构造约束的全波形反演模型与实际地质构造更加吻合,复杂断层附近的速度更加准确,整体成像质量得到提高,成功解决了断层成像阴影问题。     

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。     

地震波反演的基本问题分析

Bayes 理论框架下的地震波全波形反演是油气勘探中的导引性技术,其基本思想在去噪音、反褶积、 地震数据规则化、一维波阻抗反演、AVA（叠前）弹性参数反演、叠前偏移成像、速度分析及层析成像中占 据核心位置。但由于观测数据与反演模型参数之间的高度非线性性,导致在实际地震数据处理中地震波 全波形反演（FWI）的难度增大。据此,首先从概率论的观点说明了地震波反演的本质,指出在假设观测噪 音为高斯白噪的情况下,Bayes 估计可以在最小二乘意义下实现;接着分析了数据空间向参数空间映射的 数学物理含义,指出映射的非线性性强弱取决于数据和模型之间的非线性关系,更准确地说取决于介质 模型的复杂性和描述地震波物理传播过程的正算子的复杂性;最后在分析陆上和海上地震数据特点的基 础上,指出了地震波反演走向实用化的策略。通过以上分析,提出：①速度场的反演是利用特征波场的反 演（CWI）,而不是全波形的反演;②合理地增加波场的相位信息在泛函中所占的比例;③尽量充分考虑初 始模型的先验信息。只有满足以上3 个条件,才能使地震波全波形反演逐步走向实用化。     

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。