大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.     

井地有限线源三维电阻率反演研究

有限线源的三维电阻率反演,是地学探测研究的重要课题之一.本文主要讨论了以下几个方面的内容:(1)结合反演方程式改进的共轭梯度算法;(2)基于扰动法的线源Jacobi矩阵的近似计算方法及光滑系数矩阵在各个方向上的光滑因子的计算公式;(3)通过分析阻尼系数与修改量校正量对反演结果的影响,提出了利用校正系数对模型修正量进行校正;(4)较为系统的讨论了阻尼系数λ对反演分辨能力的影响,较好的改善了三维电阻率反演中的电性异常体重心的"上漂"现象.数值实验表明,改进后的共轭梯度法反演对初始模型的依赖程度较小,反演能够稳定收敛,对模型的空间位置分辨率较高.     

不同激励源井地电位成像技术三维正反演方法研究（英文）

井地电位成像是通过套管向井中供电或将电源放在井中,在地表观测电位异常的一项技术,其供电源有线源和点源两种类型。为了研究这两种电源对地下异常体产生的电位异常特征,本文针对不同激励源,采用有限差分方法进行数值模拟研究,在线性方程组求解电位时引入不完全Cholesky共轭梯度(ICCG)迭代方法,分别实现了点源和线源井地电位成像技术的三维正演。最后,基于阻尼最小二乘法实现了井地电位成像技术的电阻率三维反演。设计不同地电模型分别进行正演和反演试算,正演结果表明,供电电源的类型不同,异常体在地表的电位异常特征也不同;反演结果表明,低阻体的反演结果要好于高阻体,点源置于异常体下方时反演的电阻率对异常体边界的识别比线源更加准确。     

考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演

从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程,然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数,不能构成显式的时域有限差分方程,借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程.对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进:第一,通过将矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程,实现回线源瞬变电磁激发源加入;第二,在计算中考虑关断时间.第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算,并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件,使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型.由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式,第二点改进可以方便设置发射电流下降沿.采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证.以H模型为例,采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线.以实际地质资料为基础,构建包含两层采空区的三维复杂模型,以1 μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算,并计算了该复杂模型的视电阻率曲线.     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性,若仅对海洋可控源电磁(MCSEM)数据进行常规各向同性反演,有可能无法获得准确的反演解释结果,从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性(VTI)条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中,三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法,并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组,有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后,对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演,结果表明:各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释,而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布,展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

任意形状线电流源三维地电场研究

利用套管供电，通过地表观测视电阻率研究油田注水分布和剩余油分布近来在油田开发中得到了应用.由于现在的油井和水井有很多是倾斜的，因此，研究倾斜线电流源三维地电场是必要的.本文针对任意形状线电流源，从异常电位所满足的微分方程出发，利用有限差分方法实现了任意形状线电流源三维地电场正演.正演结果表明相同模型使用倾斜线源和直线源其地表响应有较大的差别，实际应用中不能将井斜较大的井当作垂直线源，而应以倾斜线源处理.     

基于交叉梯度约束的电阻率法和背景噪声法三维联合反演研究

电阻率法和背景噪声法是通过获得地下介质的电阻率和速度参数的分布来探究地球内部物质分布的非均匀性特征,联合反演可以有效地发挥两种方法的优势,减小反演多解性.本文采用有限内存拟牛顿（L-BFGS）算法实现了电阻率法和背景噪声法的单方法三维反演,然后基于电阻率和速度模型结构耦合约束,采用交替迭代方式实现了电阻率法和背景噪声法的三维联合反演.通过设计规则体组合模型和不规则体组合模型进行理论模型合成数据三维反演试算,结果表明：联合反演可以获得同时满足数据拟合差和结构更为相似的速度-电阻率模型;联合反演可以压制背景噪声单方法反演出现的假异常,获得更精细的速度结构;联合反演获得的电阻率模型对倾斜异常体、高阻覆层下方异常体、圈闭的高/低阻体等边界信息有明显的提升,有效克服电阻率法单方法反演的局限,提高深部电阻率的分辨率.     

基于共轭梯度的全通道3D井地井电阻率成像研究

随着城市工程勘探及煤矿采矿区勘探要求的不断提高,二维地面及孔间电阻率成像无法确定电性异常沿垂直剖面方向延伸范围,三维地面电阻率成像面临着纵向分辨率小、空间覆盖不均匀等问题.本文提出井地井三维全通道电阻率成像方法,该方法计算时采用除去2个供电电极外其余全部接地电极所采集数据进行反演计算.在成像时首先采用有限差分方法求解3D静电场方程,并基于伴随矩阵方法计算非线性灵敏度矩阵,最后利用牛顿共轭梯度反演方法实现全通道电阻率层析成像.通过理论数据测试表明:全通道3D井地井联合观测方式能有效的对孔间电性结构三维成像,具有较好的纵横向分辨率,可以较好的解决实际工程地质问题及采空区在空间的分布形态难题.     

可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究

可控源音频大地电磁法在资源勘探等领域中发挥着重要的作用.我们把有限差分数值模拟方法用于可控源音频大地电磁三维正演,结合正则化反演方案和共轭梯度反演的思路,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次"拟正演"问题,得到模型参数的更新步长,形成反演迭代,实现了可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法.该反演算法可用于对有限长度电偶源激发下采集到的可控源音频大地电磁全区(近区、过渡区和远区)视电阻率和相位资料进行三维反演定量解释,获得地下三维模型的电阻率结构.理论模型合成数据的反演算例验证了所实现的可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.     

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法(MCSEM)被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS(L-BFGS)算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明:(1)基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;(2)针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;(3)针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.     

Seismic envelope inversion: reduction of local minima and noise resistance

Waveform inversion met severe challenge in retrieving long‐wavelength background structure. We have proposed to use envelope inversion to recover the large‐scale component of the model. Using the large‐scale background recovered by envelope inversion as new starting model, we can get much better result than the conventional full waveform inversion. By comparing the configurations of the misfit functional between the envelope inversion and the conventional waveform inversion, we show that envelope inversion can greatly reduce the local minimum problem. The combination of envelope inversion and waveform inversion can deliver more faithful and accurate final result with almost no extra computation cost compared to the conventional full waveform inversion. We also tested the noise resistance ability of envelope inversion to Gaussian noise and seismic interference noise. The results showed that envelope inversion is insensitive to Gaussian noise and, to a certain extent, insensitive to seismic interference noise. This indicates the robustness of this method and its potential use for noisy data.     

带相位信息的一维大地电磁曲线对比反演法

在大地电磁连续介质曲线对比法反演的基础上 ,引入了相位信息 ,即在反演的模型视电阻率的修改量中加入了相位改正量 ,从而提高了收敛速度 ,稳定了反演过程。与其他方法的模型研究比较 ,加入相位信息的曲线对比法反演的结果 ,能够较真实地反映模型的电性分布 ,并可为多维反演提供初始     

Inversion of inline and broadside marine controlled‐source electromagnetic data with constraints derived from seismic data

We present a structural smoothing regularization scheme in the context of inversion of marine controlled‐source electromagnetic data. The regularizing hypothesis is that the electrical parameters have a structure similar to that of the elastic parameters observed from seismic data. The regularization is split into three steps. First, we ensure that our inversion grid conforms with the geometry derived from seismic. Second, we use a seismic stratigraphic attribute to define a spatially varying regularization strength. Third, we use an indexing strategy on the inversion grid to define smoothing along the seismic geometry. Enforcing such regularization in the inversion will encourage an inversion result that is more intuitive for the interpreter to deal with. However, the interpreter should also be aware of the bias introduced by using seismic data for regularization. We illustrate the method using one synthetic example and one field data example. The results show how the regularization works and that it clearly enforces the structure derived from seismic data. From the field data example we find that the inversion result improves when the structural smoothing regularization is employed. Including the broadside data improves the inversion results even more, due to a better balancing between the sensitivities for the horizontal and vertical resistivities.     

Parameter optimization of gravity density inversion based on correlation searching and the golden section algorithm

For density inversion of gravity anomaly data, once the inversion method is determined, the main factors affecting the inversion result are the inversion parameters and subdivision scheme. A set of reasonable inversion parameters and subdivision scheme can, not only improve the inversion process efficiency, but also ensure inversion result accuracy. The gravity inversion method based on correlation searching and the golden section algorithm is an effective potential field inversion method. It can be used to invert 2D and 3D physical properties with potential data observed on flat or rough surfaces. In this paper, we introduce in detail the density inversion principles based on correlation searching and the golden section algorithm. Considering that the gold section algorithm is not globally optimized, we present a heuristic method to ensure the inversion result is globally optimized. With a series of model tests, we systematically compare and analyze the inversion result efficiency and accuracy with different parameters. Based on the model test results, we conclude the selection principles for each inversion parameter with which the inversion accuracy can be obviously improved.     

重力和重力梯度数据联合聚焦反演方法

重力数据包含较多的低频信息,重力梯度数据包含较多的高频信息,将重力数据和重力梯度数据进行联合反演得到的结果更加可信.本文基于聚焦反演方法,实现了这一过程.因为联合反演中分量种类增加,所以计算灵敏度矩阵所需要的时间增加,为此,本文提出了一种快速计算灵敏度矩阵的方法.因为联合反演对内存的要求增大,本文选择有限内存BFGS拟牛顿法求解反演问题.本文通过再加权的方法实现深度加权.文中利用单一分量的反演结果来预测异常体的埋深信息,随后将埋深信息结合到深度加权函数中,将其用于多分量组合反演计算.给出了模型试验,发现预测得到的异常体的埋深信息与其实际埋深存在偏差,但是将这一信息应用到反演计算,能够得到与真实模型一致的结果.之后,本文通过模型试验来探究重力和重力梯度联合反演的优势,发现将重力和重力梯度数据联合,能够识别出额外的噪声,反演得到的模型更加合理.但是,对于不同分量组合得到的反演结果是相近的,反演模型的提高很小.最后,将联合反演方法应用到美国路易斯安那州Vinton岩丘的实际数据中,结果显示,将重力和重力梯度数据联合反演,反演模型得到了提高,反演得到的结果与地质资料吻合.     

弹性阻抗反演及应用研究

利用常规叠后波阻抗反演方法不能得到可靠的波阻抗和其它岩性信息.本文运用弹性阻抗反演理论对某地区的地震资料进行了分析研究,应用实例表明,用弹性阻抗反演方法可得到较理想的反演结果,且从反演所得到的波阻抗剖面中能提取出许多岩性参数,这些岩性参数能反映岩性和流体特征.与传统的波阻抗反演相比,弹性阻抗反演具有信息量丰富、分辨率高的特点;与定性的AVO反演相比,该方法达到了定量的程度,而且速度快.     

依据密度分布频率特性的重力反演方法研究

Three-dimensional gravity inversion based on the mass property model is very popular in recent years. The time and efficiency of inversion algorithms is relative to the magnitude of the target mesh. One approach is to search over the entire solution space for a more refined result. However, the inversion will be difficult with the increased parameters in the large search space and the number of computations increases exponentially. ｜n this paper, we propose a novel approach based on the frequency characteristics of the density distribution over the mesh. The purposes of our study are to reduce the parameters of three- dimensional gravity inversion and to lighten the image quality of the inversion result. The results show that the new method can expedite the inversion processing and get a better geological interpretation than tradition methods.     

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.     

On MSDT inversion with multi-angle remote sensing data

With the wavelet transform, image of multi-angle remote sensing is decomposed into multi-resolution. With data of each resolution, we try target-based multi-stages inversion, taking the inversion result of coarse resolution as the prior information of the next inversion. The result gets finer and finer until the resolution of satellite observation. In this way, the target-based multi-stages inversion can be used in remote sensing inversion of large-scaled coverage. With MISR data, we inverse structure parameters of vegetation in semiarid grassland of the Inner Mongolia Autonomous Region. The result proves that this way is efficient.     

Comparison of waveform inversion, part 1: conventional wavefield vs logarithmic wavefield

This is the first in a series of three papers focused on using variants of a logarithmic objective function approach to full waveform inversion. In this article, we investigate waveform inversion using full logarithmic principles and compare the results with the conventional least squares approach. We demonstrate theoretically that logarithmic inversion is computational similar to the conventional method in the sense that it uses exactly the same back‐propagation technology as used in least‐squares inversion. In the sense that it produces better results for each of three numerical examples, we conclude that logarithmic inversion is also more robust. We argue that a major reason for the inherent robustness is the fact that the logarithmic approach produces a natural scaling of the amplitude of the residual wavefield by the amplitude of the modelled wavefield that tends to stabilize the computations and consequently improve the final result. We claim that any superiority of the logarithmic inversion is based on the fact that it tends to be tomographic in the early stage of the inversion and more dependent on amplitude differences in the latter stages.