基于精确震源函数的解调包络多尺度全波形反演

本文提出解调包络方法来重构地震记录中缺失的低频信号,同时该方法能够降低全波形反演的非线性程度;提出伴随状态震源函数反演方法来得到精确的震源函数,并推导了梯度计算公式;解调包络方法结合低通滤波技术,实现了从低频到高频的多尺度反演策略,有效缓解了全波形反演的周波跳跃问题.数值算例证明了解调包络、伴随状态震源函数反演方法和低通滤波多尺度反演策略的可行性及优越性.震源函数反演精度测试结果表明:即使观测记录在缺失低频信息的情况下,也能反演得到精确的震源函数.缺失低频测试和抗噪能力测试结果表明:即使地震数据中缺失9Hz以下的低频信号或者信噪比极低的情况下,利用反演得到的精确震源函数进行解调包络多尺度全波形反演,同样可以得到高精度的全波形反演结果.与Hilbert包络全波形反演对比结果表明:解调包络在重构低频和降低伴随震源主频方面具有一定优势.     

频率域全波形反演方法研究进展

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力.根据研究需要,全波形反演既可在时间域也可在频率域实现.频率域相对于时间域反演具有计算高效、数据选择灵活等优势.近十几年来频率域全波形反演理论在波场模拟方法、反演频率选择策略、目标函数设置方式、震源子波处理方式、梯度预处理方法等方面取得了进展.目标函数存在大量局部极值的特性是影响反射地震全波形反演效果的重要内在因素之一.如果将Laplace域波形反演、频率域阻尼波场反演、频率域波形反演三种方法有机结合,可以降低反演的非线性程度.     

基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法

基于L2范数的常规全波形反演目标函数是一个强非线性泛函,在反演过程中容易陷入局部极小值.本文提出归一化能量谱目标函数来缓解全波形反演过程中的强非线性问题,同时能够有效地缓解噪声和震源子波不准等因素的影响.能量谱目标函数是通过匹配观测数据与模拟数据随频率分布的能量信息来实现最小二乘反演的,其忽略了地震数据波形与相位变化的细节特征,这在反演的过程中能够有效缓解波形匹配错位等问题.数值测试结果表明,基于归一化能量谱目标函数在构建初始速度模型、抗噪性和缓解震源子波依赖等方面都优于归一化全波形反演目标函数.金属矿模型测试结果表明,即使地震数据缺失低频分量,基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法在像金属矿这样的强散射介质反演问题上同样具有一定的优势.     

基于可视性分析与能量补偿的金属矿弹性波全波形反演

采用弹性波全波形反演方法精确重建深部金属矿多参数模型,建模过程采用基于地震照明的反演策略.首先给出基于照明理论的观测系统可视性定义,利用可视性分析构建新的目标函数,对反演目标可视性较高的炮检对接收到的地震记录在波场匹配时占有更高的权重,确保了参与反演计算中的地震数据的有效性;其次将给定观测系统对地下介质的弹性波场照明强度作为优化因子,根据地震波在波阻抗界面处的能量分配特点,自适应补偿波场能量分布和优化速度梯度,以提高弹性波全波形反演过程的稳定性和反演结果的精度.理论模型和金属矿模型反演试验结果表明,基于可视性分析和能量补偿的反演策略可以使弹性波全波形反演更快地收敛到目标函数的全局极小值,获得适用于金属矿高分辨率地震偏移成像的多参数模型.     

叠前地震数据弹性参数反演及反演策略浅析

反演本质上具有不适定性,在反演过程中采用一定的策略很有必要.本文采用反射率法正演、共轭梯度法反演的正反演体系,从不同频带数据的最佳收敛步长、目标函数的组成等方面对反演的影响进行了探讨.在此基础上采用分频反演、分层反演及变权重目标函数的策略,利用海上测井弹性参数模型对地震叠前波形数据进行了弹性参数反演试验.通过对反演结果的分析指出对反演的中间结果进行质量评估和质量控制的必要性.     

基于地震数据子集的波形反演思路、方法与应用

地震数据与地下介质物性参数之间的复杂关系,决定了地震全波形反演在理论方法上面临着强烈的非线性难题.地下不同物性参数的不同分量在地震数据上具有不同的表现,勘探的不同阶段对地下介质模型的精度也具有不同的要求,这就决定了在地震全波形反演过程中不必时刻追求地震数据全部信息的匹配,部分信息的匹配就有可能解决现阶段的某些问题,还可以一定程度上规避匹配全部地震信息所遇到的强烈非线性难题.基于这样的考虑,我们提出了利用地震数据子集进行波形反演的思路,给出了统一的反演方法,并通过基于包络数据子集以及反射波数据子集的波形反演的理论模型与实际资料反演试验,证明了所提出的波形反演思路和方法的正确性.     

地震全波形反演及其探测壳-幔结构的研究进展

地球介质的物理属性(如速度)隐含了地球内部结构和演化信息,因而获取高精度的地下介质模型是探测内部结构的重要目标之一.全波形反演方法利用地震观测记录的振幅、相位等全波信息来重建速度和密度等介质参数模型,被认为是建立高精度地下介质模型的最有潜力的研究方法之一,其不但是石油勘探地震成像的主要研究方向,而且在结构地震学获得了较高关注和初步应用.随着该理论的完善以及计算机技术的发展,全波形反演方法已被应用于大陆尺度以及全球尺度的壳-幔结构探测,并成为探测地球深部结构的研究方向之一.本文首先简述了全波形反演理论研究及应用进展,包括地震波场正演模拟方法、目标函数构建、迭代优化方法、初始模型建立等;然后介绍了全波形反演方法在澳大利亚、东亚、欧亚大陆以及全球尺度的上地幔结构研究,并分析其探测壳-幔结构的效果;最后给出算法的优化策略(例如地震波场正演模拟、目标函数、寻优算法等),时间域或频率域的多尺度反演策略,结合其他反演方法(如走时反演)的多手段联合反演策略以及高性能计算技术将是全波形反演方法突破计算瓶颈并在内部结构成像广泛应用的可能途径.     

基于自适应非稳态相位校正的时频域多尺度全波形反演

本文提出非稳态相位校正时频域目标函数,通过缩小观测数据与模拟数据在波形相位上的差异来缓解全波形反演过程中对应波形匹配错位的问题（周波跳跃）.同时引入自适应相位校正因子,可以根据观测数据与模拟数据的差异来调整相位校正量的大小.在构建非稳态相位校正时频域全波形反演目标函数的基础上,利用链式法则详细推导了对应的伴随震源,并从理论上证明了该方法的可行性与优越性.数值测试过程中结合了低通滤波多尺度反演策略,进一步缓解全波形反演过程中的强非线性问题.缺失低频分量测试结果表明,利用自适应非稳态相位校正时频域多尺度全波形反演方法结合常规全波形反演方法在缺失7 Hz以下低频分量的地震数据中仍然能够得到高精度的反演结果.震源不准确测试结果表明,即使震源子波相位差异较大,利用非稳态相位校正方法仍然能够一定程度上缓解周波跳跃现象.测试结果综合证明了本文提出的方法在构建初始速度建模,缓解周波跳跃等方面具有一定的优势.     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息(如走时、包络和波形等)进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.     

基于快速非支配排序遗传算法的VTI介质多分量叠前联合反演

在VTI介质中,由于引入了各向异性参数使得多分量多参数地震反演问题的非线性程度显著增加,因此采用传统的权重加权法构建单目标函数进行反演得到的反演结果往往并不理想.本文以反射率法为基础,结合快速非支配排序遗传算法研究了一种VTI介质的多分量叠前联合反演方法.该方法以反射率法为正演方程,应用互相关原理构建PP波和PSV波的多目标函数,进而采用快速非支配排序遗传算法全局寻优获得VTI介质的厚度、纵横波速度、密度和各向异性参数等多个参数.在正演的过程中,反射率法可以考虑几何扩散、吸收衰减、透射损失、多次波以及纵横波旅行时不匹配等地震波传播效应,更能精确地描述地震波在地下地层中的真实传播情况;在反演的过程中,快速非支配排序遗传算法可以在不引入权重系数的条件下同时优化多个目标函数,获得联合反演问题的Pareto最优解,既不添加权重系数影响又充分利用多分量地震数据.模型测试结果验证了该反演方法的有效性和可行性.     

基于走时约束的分频分步零偏VSP波动方程多参数反演

在地震勘探中,描述复杂介质的正演和反演问题通常包含许多反映介质不同特性的参数.同时获得这些参数对进行更准确的岩性描述和油藏预测具有重要的理论和现实意义.为了提高频率域黏弹性波动方程的零偏VSP多参数反演的精度,本文对多参数反演的可行性进行分析,明确了目标函数的敏感程度及参数之间的耦合情况,提出了一种基于走时约束的分频分步多参数反演策略.首先利用零偏VSP资料构建先验信息,然后分别利用高、低频数据进行两步反演,也就是"三个参数反演+五个参数反演"的过程,以提高反演的稳健性和精度.利用此方法可同时得到零偏VSP数据可靠的弹性波速度、密度和品质因子,为精确的时-深关系及含油气的解释和预测奠定基础,同时也可以为地面地震叠前反演提供可靠有效的约束,增强地面地震反演精度.     

Frequency-domain elastic full-waveform multiscale inversion method based on dual-level parallelism

The complexity of an elastic wavefield increases the nonlinearity of inversion. To some extent, multiscale inversion decreases the nonlinearity of inversion and prevents it from falling into local extremes. A multiscale strategy based on the simultaneous use of frequency groups and layer stripping method based on damped wave field improves the stability of inversion. A dual-level parallel algorithm is then used to decrease the computational cost and improve practicability. The seismic wave modeling of a single frequency and inversion in a frequency group are computed in parallel by multiple nodes based on multifrontal massively parallel sparse direct solver and MPI. Numerical tests using an overthrust model show that the proposed inversion algorithm can effectively improve the stability and accuracy of inversion by selecting the appropriate inversion frequency and damping factor in lowfrequency seismic data.     

基于逆散射理论的介质参数与其地震响应的尺度对应关系研究

在反演过程中进行频带控制是多尺度反演的重要策略,但数据频率成分与要反演的参数之间的尺度对应关系尚不清晰。本文利用Kormendi论文中的测井曲线模型,基于逆散射理论将地下介质参数的扰动分解为0-0-9-11 Hz、9-11-18-22 Hz、18-22-36-44 Hz和36-44-80-90 Hz共4个尺度,并利用反射率正演模拟方法生成4个尺度扰动成分的地震响应。通过对比地下介质参数不同尺度的扰动及其地震响应的频带成分,发现二者在4个扰动尺度上均具有一致性,由此得出介质参数与其地震响应具有定量尺度对应关系的结论。据此从介质扰动的尺度概念引申出反射系数的尺度概念,从逆散射理论角度探讨实验结果的理论依据,并对其在指导反演分频参数选取及薄互层解释等方面的应用展望进行讨论。      

基于弹性参数加权统计的地震岩相预测方法

岩相信息能够反映储层岩性及流体特征,在地震储层预测中具有重要作用.常规方法主要利用与岩相信息关系密切的弹性参数定性或定量地转化为岩相信息.在实际应用中,弹性参数的获取主要基于叠前地震反演技术.而不同弹性参数的叠前地震反演精度间存在着差异,势必影响岩相的整体预测精度.本文提出对弹性参数进行加权统计来预测岩相.首先,基于贝叶斯理论,引入权重系数来调节弹性参数信息的采用量,构建出最终的目标反演函数;其次,考虑到勘探初期缺少明确的测井岩相信息,提出利用高斯混合分布函数来自动估算岩相先验概率;最后,根据输入弹性参数的取值,计算每类岩相对应的后验概率密度,将目标反演函数取最大后验概率密度时对应的岩相类别作为最终预测的岩相.新方法旨在减少弹性参数精度间的精度差异对岩相预测结果的影响,以期提高地震岩相的预测精度.模型与实际资料测试均表明该方法可行、有效且预测精度较高.     

波动方程反演的全局优化方法研究

复杂介质波动方程反演是地球物理研究中的重要问题，通常表述为特定目标函数最优化，难点是多参数、非线性和不适定性.局部和全局优化方法都不能实现快速全局优化.本文概述了地震波勘探反演问题的理论基础和研究进展，阐述了反演中优化问题的解决方法和面临的困难，并提出了一种确定性全局优化的新方法.通过在优化参数空间识别并划分局部优化解及其附近区域，只需有限次参数空间划分过程就能发现所有局部解（集合）；基于复杂目标函数多尺度结构分析，提出多尺度参数空间分区优化方法的研究方向.该方法收敛速度快，优化结果不依赖初始解的选取，是对非线性全局优化问题的一个新探索.     

基于双相介质理论的储层参数反演方法

传统基于单相介质理论的储层参数反演方法将孔隙流体与固体骨架等效为单一固体,弱化了孔隙流体的影响,反演结果精度不高.本文提出根据双相介质理论反演储层参数的方法.首先,在前人研究的基础上,利用岩石物理模型建立弹性参数与孔隙度、饱和度、泥质含量等储层参数间的关系,进而将双相介质反射系数推导为储层参数的函数;其次,根据贝叶斯反演理论,在高斯噪声假设的基础上,采用更加符合实际情况的修正柯西分布函数描述反射系数的稀疏性,推导出储层物性参数目标反演函数;最后,应用差分进化非线性全局寻优算法来求解目标反演函数,使得反演结果与实际资料间误差最小.新方法旨在突出流体对介质反射系数的影响,以期得到较高的储层参数反演精度.模型与实际资料测试均表明该方法可行、有效且反演精度较高.     

地震数据互相关驱动的多道反演方法

地震反演是储层定量描述和地震油气识别的关键技术,反演结果在复杂构造区域的横向连续性和保真性是影响地震资料定量解释精度的重要因素.基于此,本文发展了地震数据互相关驱动的多道反演方法.考虑地层反射系数与地震数据在结构上具有相似性的特点,基于地震数据互相关描述地层反射系数的结构特征,并将其作为多道地震反演的横向约束条件;此外,为改善地震数据本身横向连续性差对反演结果的影响,在目标泛函的惩罚项中引入局部优化算子,构建了一个易于求解的多道地震反演目标泛函.与常规多道地震反演方法相比,本文方法能够设计更合理、更符合实际情况的横向约束算子,提高反演结果的横向连续性,并且能有效降低地震资料质量对反演结果的影响.模型测试和实际应用验证了本方法的可靠性和稳定性.