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。     

基于多卡GPU的随机炮分配相位编码全波形反演

针对传统时间域相位编码全波形反演的炮间串扰问题,提出了一种基于随机炮分配的相位编码时间域全波形反演策略,并实现了基于多卡GPU的加速。基于四卡GPU加速的模型反演实验表明:在GPU和相位编码技术的共同加速下,时间域全波形反演的计算效率可得到显著提升,同时由于各卡间的随机炮分配,基于随机炮分配的相位编码时间域全波形反演策略能更有效地压制串扰噪声,因此其比传统的相位编码全波形反演具有更高的反演精度和收敛效率。     

降低弹性波全波形反演强烈非线性的分步反演策略

弹性波全波形反演是一种高精度估计地下弹性参数的有效工具,然而其面临的非线性问题比声波更加突出。本文提出一种降低非线性程度的分步反演策略,用于纵、横波速度的高精度重建。首先利用基于包络的弹性波波形反演方法重建纵横波速度的背景模型;然后应用基于时间域正演的频率域弹性波全波形反演方法,利用多尺度策略进一步降低弹性波全波形反演的非线性程度,恢复模型的中、高波数成分。数值实验结果表明,当地震数据中缺少低频和大炮检距成分时,这种分步反演策略对于重建高精度纵、横波速度模型非常有效,对于提高横波速度的反演精度效果尤其明显。     

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。     

基于波动方程转换的时间域多尺度全波形反演速度建模

为了避免全波形反演的周波跳跃现象,提出了基于波动方程转换的时间域多尺度全波形反演速度建模策略,在时间域实现了从低波数到高波数的多尺度全波形反演。首先从声波方程参数化模式出发,研究了阻抗-速度和速度-密度两种参数化模式下速度的辐射模式:在阻抗-速度参数化模式下,速度扰动主要引起大角度波场扰动;在速度-密度参数化模式下,速度扰动对各个角度的波场扰动贡献量完全相同。基于此,提出了先利用阻抗-速度方程构建低波数全波形反演速度模型,再以此作为初始模型,利用速度-密度方程构建高波数全波形反演速度模型的方法。该方法有效避免了混合域全波形反演中的数据转换问题以及频率域反演中的吉普斯现象,同时充分发挥了时间域全波形反演在波动方程数值模拟计算效率方面的优势,保留了时间域数据匹配易控制的特点。通过MarmousiⅡ模型数据测试,对比分析了两种参数化模式下的速度梯度特征,实现了从阻抗-速度方程的低波数全波形反演速度建模到速度-密度方程的高波数全波形反演速度建模,说明该方法能够在初始速度缺失低波数的条件下充分刻画出断层的形态和位置,使断面清晰,地层起伏与真实模型吻合。     

Laplace-Fourier域多尺度高效全波形反演方法

针对常规Laplace-Fourier域全波形反演计算量大、耗时长的问题,提出一种多尺度高效Laplace-Fourier域全波形反演方法,并针对Marmousi和Overthrust模型进行数值模拟。Laplace-Fourier域多尺度高效全波形反演方法对于不同频率点选择大小不同的网格,并且根据Laplace衰减常数选择不同的模型计算区域深度,既不影响反演精度,又显著提高反演计算效率,同时由于反演网格数减少,反演稳定性也有所提高。Marmousi和Overthrust模型的反演结果验证了算法的有效性,同时在缺失低频信息时,Laplace-Fourier域多尺度高效全波形反演结果仍较好。     

频率域多尺度弹性波全波形反演

弹性波全波形反演对于多分量地震勘探的矢量波场处理具有重要研究意义。基于弹性波方程进行全波形反演能够充分利用多波多分量地震数据,获取地下多参数信息。针对弹性波波形反演具有强非线性性,局部寻优过程中容易陷入局部极值,采用频率域多尺度反演策略可以在一定程度上降低这一风险。将声波假设下的频率选择策略拓展到弹性波,并且为了避免离散频率逐级反演存在不稳定性问题,将频率划分为合适的频组,通过从低频到高频的逐频组反演可分别获取模型的低、中、高波数成分,减少陷入局部极值的可能性。模型试算结果表明,基于多尺度反演策略的弹性波全波形反演方法能够相对稳定地反演纵、横波速度信息,实现多参数反演。     

声波方程参数化模式及多参数全波形反演去耦合化策略

参数耦合化是制约多参数全波形反演应用的关键因素之一。从速度-密度方程出发,基于介质弱扰动线性假设,利用波动方程的格林函数积分解推导了速度-密度、模量-密度、阻抗-密度、阻抗-速度、模量-速度及模量-阻抗6种参数化模式下的敏感核函数;研究了每种参数化模式下各参数辐射模式,分析总结了参数化模式下参数耦合性态;提出在阻抗-速度参数化模式下先利用大角度地震数据进行速度反演,再利用小角度地震数据进行阻抗反演的声波方程全波形反演优化策略。通过理论模型数值实验实现了速度-密度、模量-密度、阻抗-密度以及阻抗-速度4种参数化模式下的反演,反演结果与理论推导一致。     

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...     

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。     

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。     

多分量数据全波形反演在气藏检测中的关键问题——以苏里格气田为例

苏里格气田是中国典型的致密砂岩气藏，构造简单、平缓，横向非均质性强，有效储层与围岩声学特征差别小，地震响应不明显，常规地震监测方法预测难度大，但气田含气砂岩泊松比低，是地震气藏检测的有效参数。利用弹性全波形反演精度高和能处理复杂非均质介质的优势，反演地层拉梅常数、剪切模量和密度，并计算泊松比，从而进行气藏预测。重点阐述了苏里格气田多分量数据全波形反演初始模型建模、先验模型建模和地震数据预处理3个关键问题的处理方法。二维三分量数据反演和"甜点"预测结果表明：①对于具有强非均质性的苏里格气田，利用全波形反演获得精度较高的地层弹性参数能显著提高气藏预测的准确度；②苏里格地区构造简单、平缓，利用常规叠加速度并结合构造解释可以建立比较好的初始模型，从而有效地解决了周波跳跃和局部极小的难题；③先验知识的约束和地震数据的预处理是全波形反演成功应用于苏里格气田气藏检测的关键。     

多参数声学全波形反演及气藏检测

致密油气藏储层物性与围岩差异小,地震异常弱,需要更高灵敏度的检测方法和技术。基于多参数声学全波形反演提供的高精度地层体积模量和密度,通过多相介质岩石物理模型,获取储层物性参数并进行致密气藏"甜点"预测。阐述了时间域体积模量和密度两参数声学全波形反演,分析了Gassmann方程和Koster-Toksöz方程的特征,提出了基于全频带地震数据的多参数声学全波形反演策略及联合Gassmann方程和Koster-Toksöz方程的气藏检测方法。该方法充分利用了先验信息及时-空域多参数全波形反演,给出了高精度地层弹性参数,同时考虑了Kuster-Toksöz方程刻画孔隙形态能力和Gassmann方程易用性特征,所构建的气藏指示因子考虑了孔隙流体和孔隙度因素,能较准确地指示气藏的存在和品质。通过在致密砂岩气田的实际应用,有效气藏("甜点")预测结果与测井及钻井基本一致。     

纵横波分离的多震源弹性波全波形反演

弹性波全波形反演（EFWI）具有获取高精度纵、横波速度和地层密度的潜力,但计算成本高。纵、横波耦合会引起串扰噪声,降低反演精度。多震源编码技术能大大提高EFWI的计算效率,但会增加波场的复杂度,致使非线性问题更严重。为此,提出一种基于纵、横波分离的多震源弹性波全波形反演（ES_SEFWI）方法,通过动态震源随机编码技术压制多震源串扰噪声,同时采用波场分离技术缓解纵、横波耦合引起的串扰效应。纵、横波速度结构相关的Marmousi模型和纵横波速度结构不相关的Marmousi-Ⅱ模型测试结果表明,所提反演方法能有效压制串扰噪声并提高计算效率。     

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。     

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。     

声学全波形反演预测饱和度

饱和度是储层定量描述的重要参数之一,研究饱和度对于地下流体分布、储量估计及井位设置都至关重要。基于全波形反演提供的高精度地层弹性参数,研究了地震饱和度预测方法。通过数学分析和数值计算,讨论了流体体积模量和孔隙空间体积模量特征及其对流体的敏感性,并在此基础上,提出了利用两参数全频带声学全波形反演和Brie公式预测饱和度的方法。通过数值计算,分析了体积模量和密度反演误差及Brie公式中指数因子误差对饱和度预测的影响。通过四川广安气田实际地震数据反演和饱和度预测,进一步验证了方法的有效性。     

频率域八阶NAD有限差分模拟及全波形反演

全波形反演是一种利用波动方程与最优化算法定量获取地下介质物性参数的高分辨率成像方法。正演模拟是反演的基础,为进一步提高正演计算效率,提出用八阶频率域近似解析离散化（NAD）方法离散二维声波方程,详细推导了高阶NAD格式的构造过程,并采用一类不精确旋转分块三角预处理算子加速Krylov迭代方法求解离散后得到的大型稀疏线性代数方程组。波场模拟与数值频散分析结果体现了该方法在压制数值频散和提高计算效率方面的优势,即每个波长少于2个点即可准确恢复波场,突破了采样频率极限。运用所构造的正演算法进行反演,并对两种典型的分层介质模型和Marmousi模型进行频率域全波形反演,得到了高分辨率、高保真的计算结果,结合反演误差曲线验证了所提方法的有效性和适用性。