常规检波器低频数据的评价与恢复及其在地震成像中的应用

地震波低频成分有助于提高地震反演与成像的分辨率及保真度。因地震震源与检波器响应的频宽限制及噪声影响,常规检波器记录中的低频成分难以被充分利用。通过地震数据低频评价、厘定有效频段,进而补偿并充分利用低频成分,可实现频带拓宽。基于地震记录的信噪比和检波器自然频率,本文将常规地震记录频谱划分为常规段、低频可恢复段和低频不可恢复段三个频率区间,并将低频可恢复频段的下限定义为最低有效频率;根据不同地震仪记录有效低频成分能力的差异,提出了常规检波器低频有效性的功率谱密度比方法;利用有效低频初步评价成果,设计了野外联合采集试验和地震数据低频恢复流程。实际资料试验结果表明：对超低频的远震面波信号,4.5Hz检波器数据拓展至0.04Hz仍具有较高的信噪比;对地震勘探中的井炮地震波信号,常规10Hz检波器数据的有效频带可拓展至2Hz。针对恢复低频后的地震记录进行地震成像和速度建模,得到的叠加剖面与波形反演速度剖面的精度和分辨率都有显著提高。     

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。     

基于地震数据包络的多尺度全波形反演方法

地震数据包络的对数形式可以反映波形的宏观变化,同时,能有效提取地震数据的低频信息。对数包络所提取的低频信息与地震数据的主频具有相互对应关系。结合"分频多尺度"的反演思想,先对高频数据作低通滤波处理,再计算其对数包络以提取地震数据的低频成分,并以此构建目标函数进行反演,从而得到较好的初始速度模型。数值模拟反演实验证实:在全波形反演过程中,如果采用分频多尺度反演方法,可以有效缓解"周波跳跃"现象对反演结果精度的影响,准确反演出地下复杂结构的速度模型。     

反演近地表物性参数的地震层析成像方法综述

针对反演近地表物性参数的地震层析成像方法的发展历程开展了论述。首先,阐述了传统的联合代数重建法(SIRT)、最小二乘QR分解(LSQR)等求解方程组的方法以及最新发展的局部最优化算法(包括伴随状态法与改进的散射积分法)的模型更新方式;其次,从简单到复杂论述了层析成像方法在射线理论、有限频理论、波动理论下的发展历程;再次,从初至波到时-频率依赖的初至波到时-初至波波形反演方面阐述了反演精度逐步提升的技术关键;然后,介绍了目前对地下物性参数要求提升的情况下,地震层析成像方法从单参数速度到各向异性等多参数反演的最新研究动态;最后,分析了地震层析成像这种高度非线性的反演过程的模型参数化、反演策略、Hessian矩阵利用等问题。综上所述表明:地震层析成像在实际应用中仍具有不可替代的作用;通过不断挖掘数据中更多的信息,其理论方法与实现方式正在向全波形反演靠拢。     

基于测井约束的地震全波形反演方法

在实际应用中全波形反演依赖于初始速度模型与低频信息,若初始模型精确度低常会引起周波跳跃现象。测井资料具有垂向分辨率高的特点,含有丰富的超低频与高频成分,测井信息的引入可以在一定程度上弥补地震频带缺失、反射数据精度低、信噪比低的不足,故从两个方面将先验信息引入全波形反演。一是充分利用可靠的测井数据低频信息建立较精确的初始速度模型,以弥补地震数据缺少低频信息的问题;二是在全波形反演目标泛函中引入先验模型约束项,利用测井数据约束反演过程,驱使反演沿给定的方向进行,以提高反演过程的稳定性,从而获得较高精度的速度模型。通过EAGE推覆体模型对所提方法进行试算,相对不加约束全波形反演结果得到改善;实际地震资料应用结果表明,使用测井约束的反演结果能更清楚地展示砂岩层,具有较高的分辨率,反演效果更好。     

融频反演技术在J 31块薄储层预测中的应用

为了探索应用常规地震资料预测辽河盆地J 31块薄储层的方法,在对地震反演技术分析及提高分辨率原理的基础上,提出优势频率融合的思路,首先联合开展谱模拟反演和地震波形特征指示反演,再提取各反演结果的优势频率进行融合,并对融合后的成果数据进行解释,最后较为准确地预测了J 31块薄储层分布特征,指导下步油气勘探开发工作。研究结果表明:J 31块薄储层沿断层向东南方向展布,面积约1.2 km2,并通过J 34井钻井证实了预测结果的可靠性;基于谱模拟反演和地震波形特征指示反演结果,分别提取低频模型0~9 Hz的低频成分、谱模拟反演9~45 Hz的频率成分以及地震波形特征指示反演45~120 Hz的高频成分进行优势频率合并,可以对8 m左右的薄储层进行预测。该研究成果可为同类型储层预测提供借鉴。     

井间地震数据的非线性波形层析成像

由于目标区周围数据覆盖不完全,因此井间地震的声波反演问题是非线性的(介质速度)和不适定的。鉴于这些事实,本文设计了一种新的根据井间地震数据对声波速度进行成像的非线性波形层析成像技术。     

频率域叠前波动方程反演及其应用

基于波动方程的叠前反演是地球物理反演的重要发展方向,它利用全波场信息反演的弹性参数对预测地下储层的含油气性有重要的参考价值。本文推导了频率空间域全波形反演公式,并将波动方程写成矩阵形式,反演过程中采用波场回传技术和可控共轭梯度算法来更新模型参数。推覆体模型试算结果表明,该方法适用于速度横向变化剧烈地质体,经过几十次迭代可以收敛到真实速度模型。在我国西部某气田实际资料应用表明,反演出的弹性参数与井数据吻合较好,能够为流体识别和储层含油气性预测提供可靠的地球物理参数。     

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。     

海上宽频地震反演方法及其在南海深水区的应用北大核心CSCD

海上常规地震资料中普遍缺失6~8 Hz以下低频信息,加之钻井数量非常少且分布极不均匀,很难通过常规方法建立准确的低频模型,从而影响着地震波阻抗反演的精度和可靠程度。提出了一种经济、高效实现海上宽频地震反演的方法,首先利用基于5参数广义S变换的分频技术高效补偿地震中缺失的低频信息,拓宽了资料频带;其次通过立体层析速度反演构建更为精确的低频模型,更好地反映了地下地质体的结构性差异变化,解决了少井、无井情况下低频模型构建的难题;最后提出了针对宽频地震资料反演的子波求取步骤,提取的子波旁瓣得到了明显压制,频谱宽度有了明显拓宽。在南海珠江口盆地深水区W构造储层预测中的应用表明,本文方法有效提升了地震反演精度,为深水区油气勘探开发提供了技术支持,具有很好的应用推广价值。     

初至波波形反演方法及其数值模拟试验

近地表速度模型的反演精度是影响复杂地表条件下地下地质构造成像效果的主要因素之一。初至波波形反演方法将速度建模问题转化为寻求地震数据信息和理论模型的最佳拟合,即转化为求解目标函数极小化问题,利用观测记录和模型正演记录之间的最佳匹配关系建立地下模型。梯度类波形反演方法的关键因素是目标函数、梯度和步长,梯度问题可以通过确定合适的目标函数来解决,选取合适的步长可以有效地提高波形反演的计算效率和反演精度。初至波波形反演方法类似于对地表模型同时做偏移和层析,能够同时分辨出高波数和低波数成分,并且同时恢复速度值和速度界面。初至波波形反演结果与初至波射线走时层析反演结果的对比分析表明,对于速度变化比较缓慢的起伏地表,前者的反演效果明显优于后者。     

一阶近似瞬时频率时间域声波全波形反演

通过全波形反演（FWI）在理论上可得到较高精度的深层速度模型,而在实际中相关条件却难以完全具备。究其原因主要为：FWI对初始速度模型的依赖性强;深层信号弱,在目标函数中的贡献较小。为此,提出基于一阶近似瞬时频率的时间域声波FWI方法。根据瞬时相位公式推导出一阶近似瞬时频率的目标函数和伴随震源项公式;充分发挥瞬时频率可突出低频信息和深层弱信号的特点,为FWI建立初始速度模型;同时加入梯度衰减因子以进一步提高深层反演效果、防止深浅层间互相干涉。模型和实际资料测试证明了该方法的可行性和有效性。     

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...     

Wave equation tomographyin baseband with phase correction from the first arrival traveltimes

We use the first arrival traveltime to correct the phase distortion in a nonlinear wave equation inversion scheme.This improves the precision of tomographic reconstruction of a velocity structure with large variations and helps solve the ill-posed problem of wave equation inversion.When the variation of the velocity distribution is large,general non-linear wave equation inversions are very ill-posed and for such strong nonlinear we can not obtain a correct inversion.One of main reasons is that the calculated and observed phase of the wavefield differs greatly if the initial model is far from the true model.This leads to highly mismatched phase between the calculated and the observed wave field.This is so-called"Cycle Skipping"problem in the full waveform inversion.The phase mismatch is even more pronounced if a high operating frequency is employed in order to increase resolution.To address this problem,we use the first arrival to"demodulate"the wave field in the frequency domain with a goal of restoring the phase of wave field.Then we minimize an objective function consisting of so called"demodulated"wave field to solve wave equation inversion problem.In this way,we find that the inversion is much improved,and when the velocity perturbation in a complicated model reaches 35%,we can still obtain a good inversion.A computer simulation shows that our method is very robust for acoustical wave inversion with good reconstruction precision.     

高斯束层析与全波形反演联合速度建模

基于叠前地震波场模拟的全波形反演（FWI）技术走向实用化充满挑战性。陆上地震资料的低信噪比、缺失低频、复杂近地表及三维数据的巨大内存需求和海量计算等因素都制约了FWI技术的应用推广。为此,研究并开发了高斯束层析速度建模技术,弥补了传统射线层析无法反演得到的中波数速度成分,为FWI提供了高精度宏观速度模型,有效避免了周波跳跃现象;利用基于相位匹配的互相关目标泛函取代L₂范数求解梯度,降低了反演对低频数据的依赖,有效解决了FWI海量计算难题;利用伪保守波动方程形成自伴随的正演算子,大幅度提升了基于伴随状态法的梯度计算能力,增强了反演对陆地数据的适应性,实现了陆地资料的FWI高分辨率速度建模能力。     

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.     

基于L-BFGS算法的时间域全波形反演

全波形反演是大规模参数、强烈非线性的最小值问题, 在数学上利用无约束的非线性最优化方法求解。本文基于标量波动方程, 利用最小二乘法建立了无约束的目标函数, 推导了时间域目标函数的梯度算子表达式; 在迭代求解问题上利用有限内存L-BFGS算法, 结合最优化一维线搜索方法, 求解全波形反演的强非线性问题。通过复杂断块模型的理论测试验证了反演算法的稳定性和适应性, 实际资料的初步测试验证了反演算法的有效性。     

双井与地面数据集的透射与反射层析成像

井间层析成像技术是一种高效,精确的全局寻优反演方法,常用于井间范围内的油气藏动态监测,寻找井间隐蔽的小构造小断块,具有较高的实用价值。为了克服井间有限观测角的限制,学试在层析反演过程中引入反射波信息,并利用ＶＳＰ观测系统与井间观测系统的相似性,设计了一套地面激发,双井与地面变炮间距接收的地震观测系统,弥补了常规ＳＶＰ观测信息量不足的缺点,同时较大程度地增加了观测角。最后对这一观测系统进行了数值模拟     

利用平滑模型约束的频率域多尺度地震反演

频率域地震反演是利用带限地震信号的频率域响应信息预测出地层模型参数。针对频率域反演的高分辨率特性和地震信号的带限特征,本文综合探究频率域反演和贝叶斯反演的思路,提出了基于平滑模型约束的频率域多尺度贝叶斯反演方法。通过对目标函数加入平滑模型约束信息,有效地解决了带限地震信号的低频分量缺失问题,并进一步提高了频率域反演过程的抗噪性和反演结果的空间连续性。此外,由于地震信号在频率域中实现了多频率分量的自动解耦,从而可通过多频率分量逐级迭代方式搜索到反问题的最优解,进而提高反演结果的收敛精度和分辨率,且减弱了反演算法对初始模型精度的过度依赖。最后,通过平稳和非平稳理论模型测试及实际资料的处理,验证了该方法的高分辨率特性和稳健性。