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。     

从成像到反演:叠前深度偏移的理论、实践与发展

早期地震偏移的目标是通过寻找地下反射面的位置来落实井位。经过半个多世纪的发展,地震偏移技术日趋精深。特别是随着叠前深度偏移的广泛应用,地震偏移结果为解释人员进行精细的地质构造描述提供了较为可靠的资料。梳理并总结了叠前深度偏移的一些重要理论和应用现状,以及为满足生产需求所发展起来的一些方法和技术。从真振幅偏移理论出发,介绍了生产中常用的Kirchhoff偏移、射线束偏移和单程波偏移等叠前深度偏移方法,特别讨论了逆时偏移的理论和应用。介绍了逆时偏移研究中涉及的一些重要技术方法,如叠前道集输出、各向异性偏移、非弹性衰减补偿、组合炮记录偏移、成像中的鬼波补偿、多次波成像等等。讨论了最小二乘偏移的理论、方法以及其面临的主要困难,分析了偏移反褶积和最小二乘偏移的区别。全波形反演是近十年来勘探地球物理研究的热点,真振幅偏移理论可以作为联系成像与反演的纽带,全波形反演的算法核心仍然是基于反演的真振幅逆时偏移。对全波形反演的一些重要问题,如低频缺失、走时反演、反射波反演、多参数反演等方面进行了探讨,介绍了该领域所取得的一些新进展。自动化全波形反演大幅简化了处理流程、降低了工作成本、提高了成像精度。更重要的是,这一技术有助于反演出高精度的定量地质模型。     

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。     

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。     

基于声波波动方程的全波形反演方法及应用

全波形反演利用的是整个或部分地震记录波形,此波形不仅包含时间、速度等地震波运动学特征,还包含振幅、相位等地震波动力学特征,通过迭代反演,理论上可以实现更加准确的速度参数构建。针对全波形反演方法的基本实现原理和实际应用,结合伴随状态原理研究,建立了以波场误差反传为迭代修正算法的梯度引导型全波形反演方法,同时针对全波形反演方法在实际资料应用过程中存在的问题,研究建立了实际地震资料的针对性优化预处理流程,实现了全波形反演的实际应用。理论模型和实际资料的分析表明,该方法具有较好的应用效果。     

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。     

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。     

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。     

反射波层析反演速度建模方法

我国油气地震勘探目标逐渐转向小尺度(薄互层)岩性油气藏,油气地震勘探技术也逐渐向单点高密度、宽带、宽方位("两宽一高")地震勘探方向转变。"两宽一高"的地震数据采集为宽带波阻抗成像提供了数据基础,精确的背景(偏移)速度建模是宽带波阻抗成像必不可少的环节。在实际应用中,反射波层析反演是主要的宏观速度建模技术,典型的方法如成像道集层析或立体层析等,但它们在反演精度及计算效率方面仍存在不足之处。在数据域中,反射波时差的精确测量仍然是一个颇具挑战性的问题。为解决这一难题,从叠前地震数据的稀疏表达与特征分解出发,利用特征波场分解和包络走时定义准则,提取叠前地震数据的运动学信息,并构造了特征数据体(包含地震波的斜率、走时及子波波形)。通过分析特征波在地下的聚焦特性,提出了一种反射波残差(时差或者地下偏移距)的自动测量方法,避免了地震波振幅对反射波运动学信息拟合的影响。基于反射波残差,提出了一种特征波反射层析反演(characteristic reflection inversion,简记为CRI)方法,通过极小化反射波时差或地下偏移距实现背景速度反演。理论分析可知:反射波时差测量方法仅适用于二维模型,而地下偏移距测量方法可以适用于二维和三维模型,因而其适用性更广。在数值计算方面,反射波残差目标泛函的梯度可以用波动理论计算,也可以用射线理论近似。出于计算效率的考虑,利用射线理论计算泛函梯度并结合梯度去噪方法,实现低波数的速度更新。数值实验表明:该方法无需长偏移距观测数据或低频信息,对初始模型依赖性低、计算效率高,且整个反演流程可以实现全自动化,可以为后续的宽波数带速度建模提供较为可靠的低波数背景速度模型。     

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。     

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。     

基于反射波动方程的地震反射数据波形成像

在有关波现象和地下介质物理性质空间变化的高频近似条件下,散射波退化为反射波,相应的散射波动方程退化为基于阻抗相对扰动的反射波动方程;再通过定义反射率为阻抗相对扰动沿入射波传播方向的方向导数,推导出基于反射率变化的反射波动方程。利用推导出的反射波动方程和线性反演理论,建立基于反射波动方程的地震一次反射数据波形成像方法。根据基于阻抗相对扰动的反射波动方程和基于反射率变化的反射波动方程,首先应用反射波传播算子的伴随算子,建立阻抗相对扰动近似反演方法和反射率波形偏移方法;再应用反射波传播算子的最小二乘逆算子,建立阻抗相对扰动最小二乘反演方法和反射率最小二乘波形偏移方法。针对波场传播算子的最小二乘逆算子的巨大计算量和不稳定性,在阻抗相对扰动的最小二乘反演和反射率的最小二乘波形偏移中均采用迭代方式求解。本文提出的波形成像方法,可在波动方程意义下真实地应用地震数据的波形信息,因此是真正的波动方程偏移成像方法。     

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。     

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。     

海底天然气水合物地震研究方法及海底地震仪的应用

为促进水合物地震探测和研究方法的深入，在对已有研究方法（直接法、叠加速度分析法、ＡＶＯ、全波形反演）进行综合分析的基础上，针对原方法中存在的问题，提出了用海底地震仪（OBS）开展层析成像的方法和技术思路。首先对OBS的走时和波形联合反演的方法、水合物地震层析成像技术作了介绍；其次，分析了该方法存在没有或不能充分利用海底震仪的三分量记录，尤其是S波信息，没有真正意义上的3D资料，没有开展更深部的探查（仅限于似海底反射界面）等问题；最后，提出发展和完善OBS地震层析成像技术研究水合物、游离气以及碳氢化合物的深部迁移通道的初步设想和技术方案。这对海洋天然气水合物的勘探有一定的指导作用。     

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。     

井间地震波形层析成像在大庆长垣油田的应用

本文在简要介绍波形层析成像原理的基础上,给出了波形层析反演的主要实现步骤及反演策略。由于实际地震数据往往是有限带宽的,并且缺少低频成分,波形层析成像需要一个好的初始模型以填补低频缺失。在反演每一次迭代过程中同时使用一组频率数据,以抑制数据噪声的影响。在反演中必须对模型进行平滑约束,以降低数据噪声、射线覆盖范围的不均匀和短波长模型参数剧烈变化的影响。本文应用频率域波形层析成像重建了井距230m井间地震速度场。虽然地质情况复杂、速度变化剧烈,使反演问题高度非线性,但是波形层析成像结果还是能够提供真实可信的地质信息。