Multi-angle inversion of formation densities based on the accurate solutions of Zoeppritz's partial derivative equations

基于Zoeppritz方程对介质密度偏导数所建立的偏导方程的精确解,构造了多角度反演地层介质密度的反演方程,在偏导数求解过程中考虑了介质密度对波速度的影响因素,并由此实现了利用反射系数梯度精确解计算地层密度的多角度联合反演.通过数值算例考察了计算方法,结果显示:反演方法对层状地层模型不论反射波是否存在相干现象均获得了较好的反演结果,反演迭代10次后计算结果的最大相对误差能够收敛到1％之内;随着反演角度的增加地层介质密度反演的精度逐步提高,反演具有自动校正能力,有快的计算速度.本方法克服了传统AVO(Amplitude Versus Offset)基于Zoeppritz方程近似所遇到的困难,不受反演角度大小及反射界面对波反射强弱的限制,为地层介质密度的多角度包括大角度反演提供了一种新的快速有效的计算方法.     

基于Zoeppritz偏导方程精确解的地层密度多角度反演

基于Zoeppritz方程对介质密度偏导数所建立的偏导方程的精确解,构造了多角度反演地层介质密度的反演方程,在偏导数求解过程中考虑了介质密度对波速度的影响因素,并由此实现了利用反射系数梯度精确解计算地层密度的多角度联合反演.通过数值算例考察了计算方法,结果显示:反演方法对层状地层模型不论反射波是否存在相干现象均获得了较好的反演结果,反演迭代10次后计算结果的最大相对误差能够收敛到1%之内;随着反演角度的增加地层介质密度反演的精度逐步提高,反演具有自动校正能力,有快的计算速度.本方法克服了传统AVO(Amplitude Versus Offset)基于Zoeppritz方程近似所遇到的困难,不受反演角度大小及反射界面对波反射强弱的限制,为地层介质密度的多角度包括大角度反演提供了一种新的快速有效的计算方法.     

地震波反射系数偏导矩阵的精确解及对近似计算的精度分析

目前叠前反演方法大多是基于Zoeppritz方程近似式实现的,它仅适应于弱反射介质界面、中小角度(或小偏移距)的地震数据反演,不能满足勘探开发的地质需求.本文建立了基于zoeppritz方程精确求解反射系数的梯度矩阵,分析了矩阵特点和精度,为研究利用反射系数梯度精确解反演地震参数奠定了基础.     

地震密度反演及地层孔隙度估计

地层密度直接与孔隙度、孔隙流体类型、饱和度和骨架矿物成分有关.本文通过理论分析和计算,讨论了油气藏储层物性参数变化引起的密度变化及密度变化对地震波速度、阻抗和振幅的影响,提出了基于完全纵波方程的全波形地震密度反演和孔隙度估计方法,克服了常规地震密度反演对地震数据更多处理引起的信号畸变,提高了地震密度反演和地层孔隙度估计的精度.该方法采用波场导数的时间积分和多炮求和,对地震数据中的噪声具有比较强的压制作用.理论模型研究表明该方法是可行的.通过对我国西部某气田实际数据处理、分析和反演,获得了地层密度和孔隙度,结果与测井基本吻合,证明了预测结果的准确性和方法的有效性,从而为后续的有效储层预测和储量计算提供了可靠的数据.     

用改进的光滑约束最小二乘正交分解法实现电阻率三维反演

对三维电阻率反演问题进行了深入研究,提供了一种利用地表观测数据实现三维反演的实用算法.该方法应用有限差分求正演解,并通过对粗糙度矩阵元素进行适当改进,使之适用于各种情况下粗糙度矩阵的求取,进而建立在模型的总粗糙度极小条件下的反演方程.对反演方程采用收敛速度快且稳定的最小二乘正交分解（LSQR）法进行迭代求解,在迭代求解过程中只需利用偏导数矩阵和其转置矩阵乘以一个向量的结果,回避了直接求偏导数矩阵的繁琐计算,节省了内存,加快了反演的计算速度.不同的计算实例表明上述方法是求解大规模三维电阻率反演问题的有效方法.     

基于贝叶斯理论的叠前多波联合反演弹性模量方法

AVO反演可以获得地层岩性和流体信息,而叠前反演问题都是高维的和非适定的,因此获得可靠稳定的解对叠前反演至关重要. 本文给出了一种基于贝叶斯理论的纵波和转换波联合反演密度比和模量比的方法. 鉴于剪切模量比、体积模量比可以更好地指示油气,基于岩石物理中速度比与模量比之间的关系,将此关系式代入Zoeppritz方程的近似形式Aki-Richards公式中,得到与模量比有关的反射系数近似公式. 联合纵波和转换波,利用最小二乘准则构建目标函数,最终反演出密度比、剪切模量比、体积模量比三个参数. 在反演过程中引入贝叶斯理论,假定先验信息服从高斯分布,待求参数服从改进的Cauchy分布,并去除待求参数之间的相关性. 利用模型数据和实际数据对本文方法进行测试,并与常规的单独利用纵波数据来反演方法进行比较,结果表明联合反演稳定性更好、精度更高、抗噪音能力更强,验证了本文方法的可行性和有效性.     

基于Zoeppritz方程的叠前地震反演方法研究及其在流体识别中的应用（英文）

现阶段的叠前地震反演技术中用于描述反射系数与纵、横波速度和密度之间的关系几乎完全是Zoeppritz方程的近似式,由于这些近似公式在大角度和弹性参数变化剧烈时误差较大,这不仅降低了反演解的精度,而且增加了叠前反演的多解性。本文探索了直接利用Zoeppritz方程求解精确反射系数的理论方法,并基于广义线性反演理论详细推导了基于叠前大角度地震资料的纵、横波速度和密度三参数同步反演算法,同时在反演过程引入正则化约束阻尼因子和共轭梯度算法,有效降低了反演的不适定性和提高了反演收敛性。理论模型试算和实际工区应用表明,本文提出的反演方法能够有效利用大角度(一般入射角30°)的叠前地震数据,获得更精确的地震弹性参数反演结果,并且反演结果忠实于地震资料,与井吻合较好。     

过套管电阻率测井的地层电阻率快速反演算法

过套管电阻率测井是通过测量套管壁电势实现测量地层的视电阻率,基于传输线方程理论,针对层状地层,给出了套管壁电势、电流对地层横向电阻导数的微分方程(称Jacobi矩阵微分方程)及边界条件;利用Jacobi矩阵微分方程边值问题导出了过套管电阻率测井反演地层参数的Jacobi矩阵系数的解析表示,利用Marquardt方法实现了过套管测井的地层电阻率反演;通过计算对Jacobi矩阵的特性进行了探讨,并获得了较快的计算速度(因为Jacobi矩阵是用解析解表示的),反演结果与地层模型取得了较好的逼近.本文实现了过套管电阻率测井地层参数的Jacobi系数矩阵的快速计算及地层电阻率反演,为进一步开展电阻率测井数据处理提供了理论依据和快速反演算法.     

疏松砂岩气藏地震AVO属性敏感性分析与评价

利用完全Zoeppritz方程分析了疏松砂岩气藏反射系数对密度比、纵波速度比、横波速度比、泊松比和含气饱和度的敏感性.通过求取反射系数对各弹性参数的偏导得到反射系数对弹性参数的敏感性,通过求取反射系数对含气饱和度的完全导数得到对含气饱和度的敏感性.对于疏松砂岩气藏界面,P-P波AVO(振幅随偏移距变化)当入射角大于40°对纵波速度比、横波速度比在低含气饱和度时敏感,对泊松比的敏感性在气层饱和度较高和较低时差异明显,对含气饱和度的敏感性在低饱和度时敏感,且随入射角增加而增大;P-SV波AVO对泊松比的敏感性在含气饱和度较高和较低时差异明显.研究表明,利用反射系数对弹性参数和含气饱和度的敏感性分析可以帮助识别低饱和气藏.     

基于比值均方根的杨氏模量反演方法

杨氏模量和泊松比是表征岩石脆性、评价储层可压性以及描述储层流体特征的重要参数,叠前地震反演是从地震数据中得到此类参数的有效手段.常规的叠前地震反演方法多使用Zeopppritz方程的近似式计算反射系数,近似式的误差影响了反演结果的精度.针对这个问题,推导了比值均方根形式的杨氏模量、泊松比和密度的Zoeppritz方程,并基于广义线性反演构建了杨氏模量和泊松比直接反演方法,有效地避免了使用近似式的局限性,提高了反演的精度.模型测试和实际资料试算结果表明：采用比值均方根形式构建的反演流程稳定,能够从叠前地震数据中获得可信的杨氏模量、泊松比和密度,提供了一种可靠的杨氏模量和泊松比直接反演方法.     

An Accurate Method of Computing the Gradient of Seismic Wave Reflection Coefficients (SWRCs) for the Inversion of Stratum Parameters

The optimization inversion method based on derivatives is an important inversion technique in seismic data processing, where the key problem is how to compute the Jacobian matrix. The computational precision of the Jacobian matrix directly influences the success of the optimization inversion method. Currently, most of the AVO (amplitude versus offset) inversions are based on approximate expressions for the Zoeppritz equations to obtain the derivatives of the seismic wave reflection coefficients (SWRCs) with respect to the stratum parameters. As a result, the computational precision and range of applications of these AVO inversions are restricted undesirably. In order to improve the computational precision and to extend the range of applications of AVO inversions, the partial derivative equations of the Zoeppritz equations are established, with respect to the ratios of wave velocities and medium densities. By solving the partial derivative equations of the Zoeppritz equations accurately, we obtained the partial derivative of SWRCs with respect to the ratios of seismic wave velocities and medium densities. With the help of the chain rule for derivatives, the gradient of the SWRCs can be accurately computed. To better understand the behavior of the gradient of the SWRCs, we plotted the partial derivative curves of the SWRCs, analyzed the characteristics of these curves, and gained some new insight into the derivatives. Because only a linear system of equations is solved in our method without adding any new restrictions, the new computational method has both high precision and a quick running speed; it is not only suitable for small incident angles and weak reflection seismic waves but also for large incident angles and strong reflection seismic waves. With the theoretical foundations established in the article, we can further study inversion problems for layered stratum structures and we can further improve the computational speed and precision of the inversions.     

基于精确Zoeppritz方程三变量柯西分布先验约束的广义线性AVO反演

常规AVO三参数反演是通过Zoeppritz方程的近似公式来建立AVO正演模拟的过程,然而在P波入射角过临界角和弹性参数在纵向上变化剧烈的情况下,Zoeppritz方程近似公式精度有限.针对这种情况,可以使用精确的Zoeppritz方程来构建反演目标函数,由于精确Zoeppritz方程中P波反射系数和弹性参数之间是一种复杂的非线性关系,通常解决途径是利用非线性的优化算法来进行数值计算,但是非线性优化算法的缺点是计算量过大;另外一种途径是利用广义线性反演的方法,通过泰勒一阶展开式将P波反射振幅展开后,用线性关系近似表达非线性关系,经过几次迭代后,在理论上可以达到很高的精度,但是广义线性反演算法的核心部分--Jacobian矩阵由于矩阵条件数过大,往往会造成反演算法的不稳定,其应用范围得到了限制.贝叶斯反演方法是通过引入模型参数的先验分布结合噪声的似然函数,生成模型参数的后验分布,通过求取模型参数的最大后验概率分布来得到模型参数的反演解,由于引入模型参数的先验分布信息,可以有效的降低反演的不适定问题.本文将两种反演算法的思想相结合,利用广义线性反演算法的思想,构建AVO正演模拟的过程来提高大角度地震数据反演的精度,同时结合贝叶斯理论,通过引入模型参数的先验分布信息构建反演目标函数的正则化项,可以有效降低由于Jacob矩阵条件数过大带来的反演不适定问题,该算法假设模型参数服从三变量柯西分布.     

Multi-parameter nonlinear inversion with exact reflection coefficient equation

Amplitude variation with amplitude or angle (AVO/AVA) inversion has been widely utilized in exploration geophysics to estimate the formation of elastic parameters underground. However, conventional AVO/AVA inversion approaches are based on different approximate equations of Zoeppritz equations under various hypotheses, such as limited incident angles or weak property contrast, which reduces their prediction precision theoretically. This study combines the exact P-wave Zoeppritz equation with a nonlinear direct inversion algorithm to estimate the six parameters imbedded in the exact equation simultaneously. A more direct and explicit expression of the Zoeppritz equation is discussed in the case of P-wave exploration, under which condition the incident longitudinal wave produces the reflected longitudinal (P–P) wave and upgoing converted shear (P–SV) wave. Utilizing this equation as the forward solver, a nonlinear direct inversion method is introduced to implement the direct inversion of the six parameters including P-wave velocities, S-wave velocities, and densities in the upper and lower media around an interface, respectively. This nonlinear algorithm is able to estimate the inverse of the nonlinear function in terms of model parameters directly rather than in a conventional optimization way. Model tests illustrate that the nonlinear direct inversion method shows great potential to estimate multiple parameters with the exact Zoeppritz equation.     

Analytical wavefront curvature correction to plane‐wave reflection coefficients for a weak‐contrast interface

Most amplitude versus offset (AVO) analysis and inversion techniques are based on the Zoeppritz equations for plane‐wave reflection coefficients or their approximations. Real seismic surveys use localized sources that produce spherical waves, rather than plane waves. In the far‐field, the AVO response for a spherical wave reflected from a plane interface can be well approximated by a plane‐wave response. However this approximation breaks down in the vicinity of the critical angle. Conventional AVO analysis ignores this problem and always utilizes the plane‐wave response. This approach is sufficiently accurate as long as the angles of incidence are much smaller than the critical angle. Such moderate angles are more than sufficient for the standard estimation of the AVO intercept and gradient. However, when independent estimation of the formation density is required, it may be important to use large incidence angles close to the critical angle, where spherical wave effects become important. For the amplitude of a spherical wave reflected from a plane fluid‐fluid interface, an analytical approximation is known, which provides a correction to the plane‐wave reflection coefficients for all angles. For the amplitude of a spherical wave reflected from a solid/solid interface, we propose a formula that combines this analytical approximation with the linearized plane‐wave AVO equation. The proposed approximation shows reasonable agreement with numerical simulations for a range of frequencies. Using this solution, we constructed a two‐layer three‐parameter least‐squares inversion algorithm. Application of this algorithm to synthetic data for a single plane interface shows an improvement compared to the use of plane‐wave reflection coefficients.     

非线性AVO反演方法研究

与叠后地震数据相比,叠前地震数据包含有更多的反映地下地层特征的信息,利用AVO( Amplitude Versus Offset,振幅随偏移距的变化)信息通过求解Zoeppritz方程的近似公式,叠前反演可直接得到反映地下岩石特征的弹性参数——密度、纵波速度和横波速度.从本质上讲,叠前地震反演是非线性的,但目前多采用线...     

平均入射角道集PP波与PS波联合反演

在界面两侧地层的弹性参数弱反差的假设难以成立的情况下,本文提出用平均入射角道集进行PP波与PS波的联合反演.首先,在PP波与PS波AVA(amplitude versus angle,振幅随入射角变化)道集的基础上,分别选择小入射角范围与大入射角范围的AVA道集进行局部加权叠加,以获得由两个角度组成的平均入射角道集,并作为后续反演的输入数据.然后,再通过最小二乘原理建立了PP波与PS波联合反演目标函数,推导了模型修改量的向量公式,建立了平均入射角道集联合反演的流程.模型数据与实际数据的测试结果表明:在信噪比较低、地层弹性参数反差较大、层厚较薄的情况下,该反演方法的精度在很大程度上超过了基于近似反射系数的反演方法,为复杂油气藏勘探提供了新的思路.     

球面波的反射P波AVO分析

本文对球面波反射P波反射系数计算公式进行了推导,根据推导公式计算出第I类AVO和第Ⅲ类AVO介质中反射系数及相位随入射角的变化,并与基于平面波的Zoeppritz方程计算的结果进行对比.结果显示,对于第I类AVO介质,球面波反射系数在临界角附近较基于平面波的Zoeppritz方程计算结果更精确;同时受界面深度的影响较大,随深度的增加,球面波AVO趋势接近平面波AVO.最后,通过数值模拟技术,对模型数据和实际数据进行模拟,对平面波AVO道集和球面波AVO道集进行了验证分析.浅层的第I类AVO现象,在近临界角和超临界角处折射引起反射系数与相位的变化较大,对于第Ⅲ类AVO现象,由于不存在临界角问题,球面波模拟结果与基于平面波的Zoeppritz计算结果差别较小.上述计算分析,可为实际资料的大偏移距道集的AVO分析提供理论基础.     

地震数据的反射波动方程最小二乘偏移

基于反射波动方程,本文提出了一种估计地下反射率分布的地震数据最小二乘偏移方法.高频近似下,非齐次的一次反射波动方程的源项是由反射率与入射波场的时间一阶导数相互作用产生的.根据反射波动方程,利用线性最小二乘反演方法由地震反射数据重建出地下产生反射波的反射源,再结合波场正演计算出的地下入射波场,得到地下反射率分布的估计.在地下反射源的线性最小二乘反演重建中,我们采用迭代求解方法,并以地震波的检波器单向地下照明强度作为最小二乘优化问题中Hessian矩阵的近似.