基于包络反演的高低波数同步反演方法

全波形反演方法存在过于依赖初始模型及局部极值等问题。为此,利用坡印廷矢量进行梯度分解并构建高低波数同步反演方法,同时将该方法与包络反演相结合,提出了一种提高全波形反演方法稳定性的分步多尺度反演策略,即首先将线性速度模型作为初始速度模型进行包络反演,以构建浅层背景速度场;再将反演结果作为初始速度,利用坡印廷矢量实现偏移分量及层析分量的分解和同步迭代反演;最终构建扰动速度场及中、深层背景速度场。迭代反演过程中,将利用层析分量得到的梯度更新量补偿到常规反演梯度中,从而恢复中、深层低波数速度模型,同时避免了偏移/反偏移计算,减少了计算量。将该方法应用于Marmousi2模型数据的反演结果表明,基于包络反演的高低波数同步反演方法对中、深层背景速度恢复能力强;误差曲线表明,基于包络反演的高低波数同步反演方法的收敛误差小、收敛速度快且稳定性强,反演得到的速度模型为油气预测奠定了基础。     

快速共轭梯度法频率域声波全波形反演

针对全波形反演中Hessian矩阵庞大、共轭梯度法收敛速度慢的问题,提出了一种新的算法--快速共轭度梯度法(Fast Conjugate Gradient,FCG)。该方法通过引入新的变量对共轭梯度法进行改进,在加快收敛速度的同时使收敛更加稳定,额外的计算量是少许的点乘计算,计算量增加很少。将该法应用于频率域声波全波形反演中,并用简单的凹陷模型和抽稀的复杂Marmousi模型进行测试。测试结果表明：相对于传统的共轭梯度法,该方法能加快收敛速度,同时深部反演效果更好。     

声介质波动方程反射旅行时反演方法

储层精细描述需要精准的背景速度场,全波形反演(FWI)能求取浅层速度场高波数成分。透射波和折射波一般具有较大入射角孔径,可用来恢复速度模型的长波长分量;反射波仅有较小反射角孔径,通常用于恢复速度场短波长分量。本文利用偏移/反偏移算子从背景速度场获取反射波信息,推导了反射波路径;进而得到了波动方程反射层析梯度公式;反演过程中结合Ma和Luo的思路改进了反射层析中伴随源的形式,并修改了梯度的计算;运用动态图像校正法计算反射波旅行时差,实现了利用反射波信息反演速度场低波数成分。模型试算结果表明,本文方法能提高反演的稳定性,具有更好应用潜力。     

基于混合快速共轭梯度法的有限差分对比源反演

有限差分对比源反演（FDCSI）是一种解决逆散射问题的方法,该方法在反演中背景模型保持不变,只进行一次全正演计算,减少了计算量。FDCSI将逆散射问题转化为优化问题,采用常规共轭梯度法优化目标泛函,但收敛速度较慢,影响反演效率。为此,在研究频率域声波方程有限差分对比源反演方法的基础上,提出了基于混合快速共轭梯度法的有限差分对比源反演方法,提高了反演效率。混合快速共轭梯度法是在快速迭代收缩阈值算法基础上改进得到的优化方法,该方法适用于有限差分对比源反演,在不增加单次迭代计算量的基础上加速目标泛函收敛,保证了对比源反演算法的快速稳定收敛。     

L-BFGS法时间域全波形反演中初始矩阵的选择方法

有限内存BFGS(Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,L-BFGS)方法是地震全波形反演(Full waveform inversion,FWI)中应用最广泛的优化方法之一。该方法需要提供Hessian逆矩阵的一个初始近似矩阵,初始近似矩阵可以在每次迭代中都进行更新,也可以固定不变。L-BFGS法的收敛性能与初始矩阵的选择以及更新方式紧密相关。在分析了全波形反演中Hessian逆矩阵的几种不同近似方式之后,分别将它们作为初始矩阵应用到了时间域L-BFGS法全波形反演中,详细比较了不同近似方式对反演精度和效率的影响,为LBFGS法全波形反演中初始矩阵的选择提供了依据。数值试验结果表明,在不同的初始矩阵选择以及不同更新方式下,L-BFGS法的收敛速度表现出明显差异。当初始矩阵固定不变时,以虚震源为基础的两种方式收敛最快,采用波场能量矩阵的两种方式要慢一些,其中包含有记录残差反传波场能量的方式收敛最慢。初始矩阵每次迭代更新时,各种方式的收敛速度都慢于固定不变时的情形。此外,同种方式分别作为L-BFGS法的初始矩阵和共轭梯度法的预条件矩阵时,L-BFGS法的性能要优于预条件共轭梯度法。     

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。     

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。     

基于分段快速模拟退火的零偏VSP全波形反演

基于常规模拟退火算法的零偏VSP全波形反演面临着计算量大和耗时长的问题。为此提出了一种不同阶段对应不同扰动模型和退火方式的分段快速模拟退火(segmented fast simulated annealing,SFSA)反演策略,以提高零偏VSP资料全波形反演的效率。在反演前期采用大模型扰动空间和较慢温度衰减速度,充分发挥全局搜索能力,而在后期引入限制因子产生扰动模型,在迭代不断增加的时候逐渐减小模型的扰动空间,同时采用较快的温度衰减速度,有效提高反演的速度,使反演快速收敛到最优解。基于相同的初始温度和马尔可夫链长度,分别利用基于SFSA和非常快速模拟退火(very fast simulated annealing,VFSA)方法进行零偏VSP纵波速度全波形反演测试。结果表明,基于SFSA的反演方法的反演效率提高约50%,在迭代次数更少的条件下能获得更好的反演效果。基于SFSA的零偏VSP全波形反演具有高效和高精度的特点,其反演结果为地震地质层位标定、成果解释及油气预测奠定了基础。     

加权平面波叠前深度偏移

常规平面波偏移具有计算效率高的特点，但是它的偏移精度却受慢度取值范围的影响：慢度范围太小，在断层位置处，平面波偏移会产生平滑作用，偏移效果不明显；慢度范围较大，在断层位置和浅层地层中，平面波偏移会产生低频化人工混淆。为了克服常规平面波偏移的这些缺点，提出了加权平面波偏移。它根据不同慢度取值范围对偏移结果的不同影响，在常规共平面波道集偏移结果上进行加权叠加，即对常规平面波偏移结果进行“带通”滤波。Marmousi模型的数值试验分析表明，加权平面波偏移方法偏移计算速度与常规平面波偏移基本相同，并能保证构造偏移效果的稳定性，提高叠前深度平面波偏移方法的偏移效果     

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。