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。     

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。     

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。     

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。     

基于CPU/GPU异构平台的全波形反演及其实用化分析

全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)在理论上是当前精度最高的速度估计方法。通过分析FWI的计算特点,使用图形处理器(Graphic Processing Unit,简称GPU)进行算法加速,形成了基于CPU/GPU异构平台的时空域声波方程全波形反演算法实现流程。理论模型测试结果表明,该算法不仅对速度模型具有高精度刻画能力,而且计算效率比基于CPU集群的FWI算法大幅提升。对胜利探区某陆上区块实际地震资料进行全波形速度反演试处理,取得了初步的应用效果。在此基础上,讨论了FWI对实际地震资料质量的要求,就FWI在陆上地震资料的生产性应用提出了相应的策略。     

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。     

时频分析技术在地震勘探中的应用综述

谱分解技术可将地震数据从时间域转换到频率域,从而获得在时间域无法得到的一些信息,提高地震资料预测薄储层及岩性圈闭的能力。先进的谱分解技术是时频分析技术。首先阐述了时频分析技术的基本原理、方法及其对地震资料处理与解释的重要意义,继而论述了近年来时频分析技术在地震勘探中的具体应用领域,包括谱分解、谱反演、波形分类和分频处理等,并对其应用进行了展望。     

稀疏脉冲反演技术在井间地震反演中的应用

将传统的波阻抗反演技术应用于井间地震资料反演时，存在着方法适用的域和资料的域不同，井间地震资料的频带比地震资料的频带宽以及频率比地震资料频率高，多对井间地震资料拼接等问题。为此，在胜利油田K71井区，探讨了利用传统波阻抗反演技术（稀疏脉冲反演）进行井间地震资料波阻抗反演的一些技术问题，并用利11对井间地震资料进行了波阻抗反演，获得了较好的反演结果，在井间地震资料反演中，采用匹配滤波方的井间地震资料转换到时间域；利用高分辨率地面三维地震资料，采用统计方法提取反演子波，子波的波形和相位较稳定，频带宽；对测井资料进行标准化处理，在反演的波阻抗剖面上砂体的空间展布形态清晰，对储层的描述更精细；利用时深转换模型，将时间域的波阻抗剖面转换到深度域，直接与测井资料进行对比分析，对储层的描述更直观可靠。     

一种变时窗地震波形分类技术及其应用

传统的地震波形分类方法大都是以等时窗内地震道波形相似性来划分地震相,不能准确反映储层与地震波形的对应关系.提出了一种变时窗地震波形分类技术,将时间域不等长地震信号变换到频率域,并在频率域插值成等长地震信号,运用频率域波形聚类算法进行地震相划分,从而实现了变时窗地震波形分类.将该技术应用到渤海JZ油田的地震相划分,验证了变时窗地震波形分类技术的正确性和可行性,为应用三维地震资料研究沉积相提供了一种有效手段.     

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。     

提高逆时偏移成像效果的若干关键处理技术

逆时偏移已广泛应用于复杂构造成像中,对于复杂构造的油气勘探起到了较大的促进作用。逆时偏移要求具有高质量的原始地震数据、高精度高分辨率的速度模型以及高精度的逆时偏移算法。为了处理近地表异常导致的数据异常、消除常规全波形反演存在“周期跳跃”现象、提高信噪比,研究了一系列具有针对性的前期处理技术和新的全波形反演技术等,并为逆时偏移设计了一套新的处理流程,包括空间地震子波一致性相位校正、近地表Q吸收补偿、基于模式的面波自适应衰减和基于模式的自适应全波形反演等。应用这些关键技术可以得到高质量的地震数据以及高精度、高分辨率的速度模型,最终改善成像效果,并已通过多口实钻井证实提高了逆时偏移的成像精度。     

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。     

地震波形反演技术的应用

地震波形反演利用的信息不只波至时间和振幅信息,还包括波形细节变化信息。在总结了波形反演方法的分类、求解方法、实现波形反演的优化解法,以及波形反演当前的应用现状等基础上,指出旅行时和波形反演相结合,叠前反演与叠后反演相结合是当前发展波形反演技术的两种可行思路。     

地震波形约束的蒙特卡洛—马尔科夫链随机反演方法

以地质统计学为基础、以测井资料为条件数据的地震随机反演方法的分辨率高于常规确定性反演,因此迅速得到广泛应用,但是提高计算效率以及消除随机性一直是难点。为此,提出了基于地震波形约束的蒙特卡洛—马尔科夫链（MCMC）随机反演方法。充分利用观测地震数据和待反演参数之间的地球物理映射关系,应用相关系数,根据已知的地震波形之间的相似性特征指导井数据进行伪普通克里金插值模拟,建立具有地震波形指示的初始模型;在此基础上,进一步在贝叶斯框架下构建观测地震数据和测井数据协同约束的后验概率密度分布,结合Metropolis-Hastings采样算法多次随机模拟具有地震波形指示的初始模型参数,利用后验均值作为模型参数的最优解。该方法有效地提高了反演稳定性和横向连续性,降低了随机性,有效地弱化了地震噪声对反演结果的影响,并且极大地加快了马尔科夫链的收敛速度,有效地提高了运算效率和估算精度。模型试算和实际资料反演效果表明,基于地震波形约束的MCMC随机反演方法具有较好的抗噪性,有效提高了反演精度,对识别调谐尺度内薄互储层具有一定优势,在提高纵向分辨率的同时也提高了横向分辨率。     

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。     

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。     

简化的混合域全波形反演方法及GPU加速

全波形反演(FWI)方法综合利用叠前地震波场的动力学和运动学信息,能够高精度地重建地下介质模型参数场,但巨大的计算量一直是制约其发展的一个重要因素。GPU组成的高性能计算集群为提高全波形反演计算效率提供了重要的硬件基础。基于GPU平台,采用简化的混合域全波形反演算法实现了更快速的三维全波形反演计算。首先简单介绍了GPU加速技术应用于简化的混合域全波形反演时的一些优化技巧,包括线程调度、GPU之间数据传输以及共享内存的使用等,然后通过多GPU全波形反演测试了简化的混合域全波形反演的效果,证明了GPU加速技术能够有效地提高全波形反演的计算效率,相比CPU具有十几倍的加速比。     

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。     

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。