一种时间域全波形反演中的地震子波估计方法

全波形反演具有高精度成像能力,然而由理论走向实际应用还存在很多问题.全波形反演通过匹配波形来更新模型,数据的波形与地震子波有直接的关系.本文介绍了一种针对时间域波形反演的子波估计方法,并将其应用到全波形反演中.由于在频率域子波反演可表示为一个线性优化问题,因此本文先给定一个试探子波,在时间域通过有限差分法正演得到地震波场,并在频率域与观测数据比较分析,反演得到预测子波.此外,本文还简要地介绍了如何使用伴随状态法计算全波形反演的梯度.数值实验证明,本文方法反演得到地震子波与真实子波具有很好的吻合度,并在全波形反演中取得了不错的效果.相比不依赖于子波的方法,提前进行子波估计可提高反演效率.此外,本文方法适用于全波形反演中常使用的多尺度反演策略.     

基于对数目标函数的跨孔雷达频域波形反演

波形反演在探地雷达领域的应用已有十余年历史,但绝大部分算例属于时间域波形反演.频率域波形反演由于能够灵活地选择迭代频率并可以使用不同类型的目标函数,因而更加多样化.本文的频率域波形反演基于时间域有限差分(FDTD)法,采用对数目标函数,可在每一次迭代过程中同时或者单独反演介电常数和电导率.文中详细推导了频率域波形反演的理论公式,给出对数目标函数下的梯度表达式,并使用离散傅氏变换(DFT)实现数据的时频变换,能够有效地减少大模型反演的内存需求.在后向残场源的时频域转换过程中,提出仅使用以当前频点为中心的一个窄带数据,可以消除高频无用信号的干扰,获得可靠的反演结果.为加速收敛,采用每迭代十次则反演频率跳跃一定频带宽度的反演策略.实验证明适当的频率跳跃能够在不降低分辨率的基础上有效地提高反演效率.通过两组不同情形下合成数据反演的分析对比,证明基于对数目标函数的波形反演结果准确可靠.最后,将该方法应用到一组实际数据,得到较好的反演结果.     

深度域叠前弹性波阻抗反演（英文）

叠前深度偏移的广泛应用产生了大量的深度域地震数据,提供了深度域地震处理的数据基础,并为探索直接基于深度域地震数据的储层弹性参数反演提供了可能性。由于深度域地震子波存在与速度密切相关的特征,直接提取深度域地震子波存在困难,本文将深度域速度变换与脊回归方法结合,实现了深度域地震子波的确定性提取,将提取的深度域常速地震子波构建成依赖速度的空变地震子波,基于加权叠加思想,提出了深度域地震记录合成方法。再结合非线性共轭梯度算法,建立了基于深度域地震数据和模型驱动的深度域叠前波阻抗反演流程,不再进行额外的时间域和深度域之间的数据转换。深度域合成地震数据与实际地震资料的叠前波阻抗反演取得了较好的结果,表明该方法是可行的。该方法可作为深度域正演分析和叠前弹性参数反演的基础方法,为深度域反演方法的稳定性、精度和效率的进一步研究创造了条件。     

基于弹性波全波形反演的主被动源多分量混采地震数据速度建模

在常规地震采集中,被动源地震波场往往被视为噪声而去除,这就造成了部分有用信息的丢失.在目标区进行主动源和被动源弹性波地震数据的多分量混合采集,并对两种数据进行联合应用,使其在照明和频带上优势互补,能显著提高成像和反演的质量.本文针对两种不同类型的主被动源混采地震数据,分别提出了相应的联合全波形反演方法.首先,针对主动源与瞬态被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源对深部照明的优势,同时有效压制被动震源点附近的成像异常值,提出了基于动态随机组合的弹性波被动源照明补偿反演策略.然后,针对低频缺失主动源与背景噪声型被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源波场携带的低频信息,并避免对被动源的定位和子波估计,提出了基于地震干涉与不依赖子波算法的弹性波主被动源串联反演策略.最后,分别将两种方法在Marmousi模型上进行反演测试.结果说明,综合利用主动源和被动源弹性波混采地震数据,不仅能增强深部弹性参数反演效果,还能更好地构建弹性参数模型的宏观结构,并有助于缓解常规弹性波全波形反演的跳周问题.     

跨孔雷达全波形反演成像方法的研究

跨孔雷达全波形反演是一种使用全波形信息反演两钻孔之间地下信息的层析成像技术.常规的层析成像反演大部分采用射线追踪方法,其中基于初至时的射线追踪方法可以反演出速度剖面（介电常数剖面）,基于最大振幅的层析成像可以反演出衰减剖面（电导率剖面）.常规射线追踪方法有许多不足,究其原因是该方法仅使用了小部分的信号信息.为了进一步提高成像分辨率,本文全面推导了全波形跨孔雷达层析成像反演方法,该方法利用雷达波全幅度相位信息能够反演出地下高分辨率的介电常数和电导率图像.本文通过基于局域网的分布式并行算法,有效地解决了巨量数据正演计算问题.文中首先建立了基于单轴各向异性介质完全匹配层的时间域有限差分二维正演算法,进而通过应用包括时间维度在内的全波场信息与残场逆向传播的全波场信息乘积来计算梯度方向,通过求取以步长为自变量的目标函数的极值确定步长公式,并提出以第一次介电常数反演作为同步反演的初始模型,能够有效提高收敛速度.本文对多组模型进行成像实验,取得了较好的反演效果.     

基于矩阵Toeplitz稀疏分解的相对波阻抗反演方法

针对利用地震道进行相对波阻抗反演中遇到的横向连续性难以保持、初始子波容错度差以及随机噪声干扰影响反演结果等问题,提出了一种基于矩阵Toeplitz稀疏分解的相对波阻抗反演方法.该方法将地震数据剖面的Toeplitz稀疏分解问题分解为两个子反演问题,其一以Toeplitz子波矩阵元素为待反演的参数,用Fused Lasso方法求解,可保证子波具有紧支集且是光滑的;其二以稀疏反射系数矩阵元素为待反演参数,用基于回溯的快速萎缩阈值迭代算法求解,大大降低了目标函数中参数选择的难度.通过交替迭代求解上述两个子反演问题可将地震数据剖面因式分解为一个Toeplitz子波矩阵和一个稀疏反射系数矩阵;然后由反射系数矩阵递推反演可以得到高分辨率的相对波阻抗剖面;利用测井资料加入低频分量后,也可得到高分辨率的绝对波阻抗剖面.Marmousi2模型生成的合成记录算例和实际地震资料算例均表明:本文方法可以从带限地震数据中有效地反演相对波阻抗,反演结果分辨率高并且能够很好地保持地震数据的横向连续性;即使在初始估计子波存在误差和地震数据被随机噪声污染的情况下也能取得较好的效果.     

基于特征能量梯度算子的时间域全波形反演

全波形反演中构建常规梯度算子过程中需要三步骤:震源子波的正向传波场传播,波场残差的反传波场和波场互相关构建梯度算子,其过程存在数据量大、效率低等缺点,为提高反演的效率,本文针对常规时间域梯度算子进行优化,提出了基于特征能量的梯度算法.在正传过程中计算每一个网格点上的正传波场的最大激发能量及其对应的时间步,保存一个子波时间长度的利用特征能量以构建梯度算子.在构建梯度算法中利用保存的子波长度的特征能量进行构建梯度算子.该算法无需保存震源的正传波场,可以减少运算过程中的磁盘读写,提高全波形反演的计算效率.在Mamousi模型梯度测试和实际资料的反演测试中表明:该算法在可以保证梯度算子的精度,具有数据读写量小的优点,效率高的优点.     

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.     

基于谱元法的全波形反演及其在海底地震数据中的应用

全波形反演已被广泛应用于获取地下速度结构.而反演问题与正演方法密切联系,针对特定反演问题,合适的正演方法能极大提高反演效率和精度.本文首先验证谱元法在含起伏界面模型数值模拟方面的优势,在此基础上将谱元法作为正演引擎应用于全波形反演,并为克服未知子波的影响,采用一种归一化的频率域目标泛函.结果表明,起伏地表情况下,基于谱元法的全波形反演相比于基于传统有限差分法反演,具有更高的反演精度.进一步,本文将基于谱元法的波形反演方法应用于OBS观测系统的理论合成数据和野外采集数据.谱元法非结构化网格剖分自然满足自由边界条件,能很好地适应不规则海床并模拟多次波.理论实验表明,即使在OBS观测系统很稀疏的情况下,基于谱元法的全波形反演仍能获得海底以下正确的高波数速度结构.在处理实际OBS数据时,本文采用分频策略以减少反演非线性,初始模型成功更新,其结果揭示了西沙海槽海底以下更多的细节信息.     

频率域波形反演中与频率相关的影响因素分析

波动方程深度偏移是解决复杂地质体成像的关键技术,基于波动方程的速度建模为其提供更为精确的速度模型.频率域波形反演是目前研究最为广泛的波动方程速度建模方法之一,它推动了波形反演在勘探尺度下的应用.本文通过对频率域波形反演的实现,分析对比了其有效执行过程中与频率相关的影响因素.介绍了时间域的多尺度反演方法在频率域的一种实现方式,对比分析了输入数据的频点带宽和应用的子波频带范围不同时对反演结果的影响.本文通过设计的山地地质模型对频率域波形反演进行了测试和对比,得到的结论为频率域波形反演的有效计算提供了依据和参考.     

基于Student′s t分布的不依赖子波最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(Least-Squares Reverse Time Migration,LSRTM)与常规偏移相比具有更高的成像分辨率、振幅保真性及均衡性等优势,是当前研究的热点之一.震源子波的估计直接影响LSRTM结果的好坏,在实际情况下考虑到震源子波的空变特性,其估计十分困难.为了消除子波对LSRTM结果的影响,本文发展了基于卷积目标泛函的不依赖子波LSRTM算法.目标泛函由观测记录卷积模拟记录的参考道以及模拟记录卷积观测记录的参考道组成,由于观测子波和模拟子波在目标泛函的两项中同时存在,从而消除了子波的影响.此外,常用的基于L2范数拟合的LSRTM算法对噪声非常敏感,尤其是当地震数据中含有异常值时,常规LSRTM无法得到满意的结果.Student′s t分布相比L2范数具有更好的稳健性,本文将其推广到不依赖子波LSRTM中,提升了算法的稳健性,最后通过理论模型及实际资料试算验证了算法的有效性和对复杂模型的适应性.     

Source-independent waveform inversion for attenuation estimation in anisotropic media

In previous publications, we presented a waveform-inversion algorithm for attenuation analysis in heterogeneous anisotropic media. However, waveform inversion requires an accurate estimate of the source wavelet, which is often difficult to obtain from field data. To address this problem, here we adopt a source-independent waveform-inversion algorithm that obviates the need for joint estimation of the source signal and attenuation coefficients. The key operations in that algorithm are the convolutions (1) of the observed wavefield with a reference trace from the modelled data and (2) of the modelled wavefield with a reference trace from the observed data. The influence of the source signature on attenuation estimation is mitigated by defining the objective function as the ℓ₂-norm of the difference between the two convolved data sets. The inversion gradients for the medium parameters are similar to those for conventional waveform-inversion techniques, with the exception of the adjoint sources computed by convolution and cross-correlation operations. To make the source-independent inversion methodology more stable in the presence of velocity errors, we combine it with the local-similarity technique. The proposed algorithm is validated using transmission tests for a homogeneous transversely isotropic model with a vertical symmetry axis that contains a Gaussian anomaly in the shear-wave vertical attenuation coefficient. Then the method is applied to the inversion of reflection data for a modified transversely isotropic model from Hess. It should be noted that due to the increased nonlinearity of the inverse problem, the source-independent algorithm requires a more accurate initial model to obtain inversion results comparable to those produced by conventional waveform inversion with the actual wavelet.     

不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立方法研究

地震全波形反演(FWI)从理论走向实际面临着诸多难题,其中之一就是需要一个较高精度的初始模型,另一个难题就是需要一个较为精确的震源子波,初始模型和震源子波的准确程度严重影响着全波形反演的最终结果.为此,本文提出了不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立的方法,建立了相应的目标函数,推导出了反演的梯度,给出了伴随震源的表达式,理论上分析了不依赖子波FWI的可行性.在数值试验中,讨论了参考道的选取方式,通过分析归一化目标函数收敛速率,认为近偏移距参考道优于远偏移距参考道,在地震数据含干扰噪音时,平均道作为参考道要优于最小偏移距参考道.通过包络、包络对数、包络平方三种目标函数反演结果的比较,发现包络对数目标函数对深层的反演效果最好.通过不同子波的试验进一步验证了本方法的正确性.     

Joint viscoacoustic waveform inversion with the separated upgoing and downgoing wavefields in zero-offset vertical seismic profile data

The attenuation of seismic waves propagating in reservoirs can be obtained accurately from the data analysis of vertical seismic profile in terms of the quality-factor Q. The common methods usually use the downgoing wavefields in vertical seismic profile data. However, the downgoing wavefields consist of more than 90% energy of the spectrum of the vertical seismic profile data, making it difficult to estimate the viscoacoustic parameters accurately. Thus, a joint viscoacoustic waveform inversion of velocity and quality-factor is proposed based on the multi-objective functions and analysis of the difference between the results inverted from the separated upgoing and downgoing wavefields. A simple separating step is accomplished by the reflectivity method to obtain the individual wavefields in vertical seismic profile data, and then a joint inversion is carried out to make full use of the information of the individual wavefields and improve the convergence of viscoacoustic full-waveform inversion. The sensitivity analysis of the different wavefields to the velocity and quality-factor shows that the upgoing and downgoing wavefields contribute differently to the viscoacoustic parameters. A numerical example validates our method can improve the accuracy of viscoacoustic parameters compared with the direct inversion using full wavefield and the separate inversion using upgoing or downgoing wavefield. The application on real field data indicates our method can recover a reliable viscoacoustic model, which helps reservoir appraisal.     

一种基于高效迭代解法的频率域全波形反演

巨大的计算量是制约全波形反演（FWI）生产实用化的难题之一.为此,本文提出了一种高效的波场迭代解法,将其应用于频率域常密度声波方程FWI,并给出了详细的反演流程.通过建立用于波场迭代的目标函数,推导相应梯度、步长公式,新方法将反演中波场正传和残差波场反传过程转化为无约束优化问题,从理论上分析了新方法的计算效率显著高于常规FWI.在数值试验中,本文方法通过几次迭代便能获得高精度的正传、残差反传波场,收敛速度明显高于未经预处理的GMRES方法.进一步引入高效编码策略,新方法的计算时间约为常规编码FWI的1/8,与理论分析结果吻合（波场迭代次数为8,模型未知量个数约为7万）,且波场迭代次数为6时,反演效果已与常规编码FWI相近.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

基于新的惩罚因子算法的波场重构反演

全波形反演是一种高精度的反演方法,其目标函数是一个强非线性函数,易受局部极值影响,而且反演过程计算量较大.波场重构反演是近几年提出的一种改进的全波形反演理论.该反演方法通过将波动方程作为惩罚项引入到目标函数中,通过拓宽解的寻找空间减弱了局部极小值的影响,而且反演过程不需要计算伴随波场,提高了计算效率.但该反演方法一直缺少准确的惩罚因子算法,直接影响到该方法的准确度.本文将波场重构反演拓展到时间域并利用梯度法进行波场重构.频率域的惩罚因子用来加强波动方程的约束,而时间域惩罚因子表现为调节模拟波场和实际波场的权重因子.为此,我们根据约束优化理论,在波动方程准确以及重构波场与反演参数解耦的假设下,提出以波动方程为目标函数的新的惩罚因子算法.根据波形反演在应用时普遍存在的噪音干扰、子波错误和低频信息缺失的情况下,应用部分Sigsbee2A模型合成数据对本文提出的算法进行实验.数值实验结果表明：基于新的惩罚因子算法,在其他信息不准确的情况下,波场重构反演可以给出高精度的反演结果.     

2D Laplace-Domain Waveform Inversion of Field Data Using a Power Objective Function

The wavefield in the Laplace domain has a very small amplitude except only near the source point. In order to deal with this characteristic, the logarithmic objective function has been used in many Laplace domain inversion studies. The Laplace-domain waveform inversion using the logarithmic objective function has fewer local minima than the time- or frequency domain inversion. Recently, the power objective function was suggested as an alternative to the logarithmic objective function in the Laplace domain. Since amplitudes of wavefields are very small generally, a power <1 amplifies the wavefields especially at large offset. Therefore, the power objective function can enhance the Laplace-domain inversion results. In previous studies about synthetic datasets, it is confirmed that the inversion using a power objective function shows a similar result when compared with the inversion using a logarithmic objective function. In this paper, we apply an inversion algorithm using a power objective function to field datasets. We perform the waveform inversion using the power objective function and compare the result obtained by the logarithmic objective function. The Gulf of Mexico dataset is used for the comparison. When we use a power objective function in the inversion algorithm, it is important to choose the appropriate exponent. By testing the various exponents, we can select the range of the exponent from 5 × 10^?3 to 5 × 10^?8 in the Gulf of Mexico dataset. The results obtained from the power objective function with appropriate exponent are very similar to the results of the logarithmic objective function. Even though we do not get better results than the conventional method, we can confirm the possibility of applying the power objective function for field data. In addition, the power objective function shows good results in spite of little difference in the amplitude of the wavefield. Based on these results, we can expect that the power objective function will produce good results from the data with a small amplitude difference. Also, it can partially be utilized at the sections where the amplitude difference is very small.