(T2,D)二维核磁共振测井混合反演方法与参数影响分析

一维核磁共振(1D NMR)测井技术在流体识别中具有一定的局限性.二维核磁共振(2D NMR)测井能同时测量到多孔介质中横向弛豫时间(T₂)和扩散系数(D)等信息,利用这两个参数区分流体性质,较一维核磁共振测井技术具有明显的优越性.针对梯度场下的2D NMR测井弛豫机理和数学模型,提出了适用于求解大型稀疏矩阵方程的反演方法-基于非负最小二乘法(LSQR)和截断奇异值分解(TSVD)法的混合算法.为验证方法的有效性,先根据多回波观测模式合成回波串数据,然后再用混合反演算法进行反演,反演得到横向弛豫时间(T₂)和扩散系数(D),并构建T₂-D二维谱图.结果对比表明,该混合反演算法得到的T₂-D二维谱与流体模型一致性好,计算精度均比单一反演方法有较大改善,表明该混合反演方法可用于油气储集层2D NMR测井的反演和流体识别.此外,分别对油水同层和气水同层模型进行了正演模拟和反演实验, 系统考察了不同磁场梯度、不同回波间隔组合对反演效果的影响,为2D NMR参数设计提供依据.     

利用遗传算法和最小二乘联合反演共和地震位错参数

中国地震局第二地形变监测中心已监测到与1990年4月26日青海共和7.0级地震有关的大幅度隆起垂直形变资料．基于这些形变资料,本研究首先利用全局搜索性能优良的遗传算法和弹性半空间单一矩形均匀滑动模型,对该地震的震源位错参数进行了初步反演;然后以遗传算法的反演结果为初始值,利用拟牛顿阻尼最小二乘方法对该地震的震源位错参数进行了更精细的反演．结果表明,共和7.0级地震的发震断层为一走向NW60左右、倾向SW、倾角37左右的右旋走滑逆冲断层,同震断层破裂长度约37 km,宽度约6 km,错动幅度约2.7 m．反演结果还同时表明,遗传算法与最小二乘方法相结合是一种行之有效的联合反演方法,它既可以保证实现全局最优解,防止最小二乘方法的局部极值解问题,又可以有效地解决遗传算法达到全局最优解区域后收敛速度过慢的问题．      

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.     

核磁共振多回波串联合反演方法

提出一种核磁共振多回波串数据联合反演方法,分别对核磁共振孔隙度测量的两组回波串数据、变等待时间多回波串数据以及变回波间隔多回波串数据进行了处理.结果表明,这样处理得到的一维核磁共振T₂分布不但连续,而且能够揭示短横向弛豫组分的细微特征,提高了核磁共振孔隙度的精度.处理变等待时间或变回波间隔下的多回波串数据,可以得到孔隙流体的 (T₂, T₁)或(T₂, D) 二维核磁共振分布图.与一维核磁共振T₂分布相比,二维核磁共振提高了识别流体的效果.     

火山Mogi模型形变反演的虚拟观测法及方差分量估计

针对Mogi模型垂直位移与水平位移联合反演中的病态问题,改进火山形变总体最小二乘(Total Least Squares,TLS)联合反演的虚拟观测法,并使用方差分量估计(Variance Components Estimation,VCE)方法确定病态问题的正则化参数.将附有先验信息的参数作为观测方程,与垂直位移和水平位移的观测方程联合解算,推导了三类观测方程联合反演的求解公式及基于总体最小二乘方差分量估计确定正则化参数的表达式,给出了算法的迭代流程.通过算例实验,研究了总体最小二乘联合反演的虚拟观测法在火山Mogi模型形变反演中的应用;算例结果表明,三类数据的联合平差及方差分量估计方法可以确定权比因子并得到修正后的压力源参数,具有一定的实际参考价值.     

近地表地层品质因子的频率依赖性研究

近地表吸收参数反演是吸收衰减补偿的关键和基础.首先,对比不同微测井观测系统,选取适用于近地表品质因子估算的单井微测井资料用于频率依赖性分析.在此基础上,提出了一种新的近地表Q值反演方法——双参数拟合算法,该方法通过引入岩石物理分析得到的Q值与频率的经验函数,通过最小二乘遗传算法直接拟合Q值,用以验证Q随频率的变化关系.接着,在计算近地表衰减曲线的过程中,利用多道组合的方式计算得到各层的衰减曲线,用于不同地层的Q值反演.实际资料拟合结果表明,近地表品质因子Q具有较为明显的频率依赖性,随着频率的增加,Q值不断减小,这为近地表高精度Q值反演提供了新的思路.     

最小二乘偏移成像方法及应用

基于反演理论的最小二乘偏移可为岩性储层估计提供更加保真的、高分辨率反射系数成像,成为当前成像方法的研究热点和发展趋势.研究讨论了实现过程中关键技术环节,包括有限差分解微分方程进行反偏移数据重构,基于数据残差逆时偏移求取梯度及共轭梯度法反演优化算法,并重点研究了最小二乘偏移用于实际处理时的数据残差求取方法,包括面向最小二乘偏移技术的观测数据预处理及能量一致性数据残差求取,探索建立了面向实际资料的最小二乘逆时偏移实现流程,模型和实际资料试处理说明了此方法技术的适用性和有效性.     

利用测井数据实现横波速度的反演及应用效果分析

在地震数据的AVO(Amplitude Versus Offset)反演以及储层预测分析等中都需要横波速度信息,然而目前多数地区横波速度测井资料十分匮乏,在AVO反演中,往往凭经验公式获得,其精度很低.为了获得准确的横波速度信息,我们利用测井资料由最小二乘法实现横波速度的反演,针对华北油区赛83井实际测井数据,利用纵波速度、密度测井数据反演计算了该区的横波速度,并与实测横波速度作了对比,结果发现反演与实测结果取得了较好的一致性;还将该方法反演的横波速度与几种不同反演方法反演结果作了对比,获得较为一致的结果,算例证明了该方法的有效性.在测井资料缺少的情况下,该方法作为AVO反演横波速度的初始速度建模及储层预测分析应该是一种较为实用的方法.     

磁场强度对T2-T1二维核磁共振实验的影响研究

多维核磁共振测井比一维核磁包含更多的观测信息,往往可以解决单独使用横向弛豫时间(T2)进行测井评价时遇到的困难,在非常规油气储层勘探开发中发挥着不可替代的作用.T2-T1二维核磁共振能够检测页岩中的类固体有机质等含氢化合物,对于确定页岩储层流体成分至关重要,已经成为核磁测井和岩石物理实验的研究热点.与一维核磁共振相比,T2-T1二维核磁实验结果对测量参数更加敏感,已有学者对回波间隔(TE)、等待时间(TW)、扫描次数(SCAN)、回波个数(NECH)对实验结果的影响开展了深入研究,但磁场强度对T2-T1二维核磁的影响尚未见报道.对不同种类样品分别进行0.5T、0.05 T两种磁场强度(对应共振频率分别为21 MHz、2 MHz)下的T2-T1二维核磁共振实验,分析了磁场强度对实验结果的影响,研究表明:对于自由溶液,纵向弛豫时间(T1)对磁场强度更加敏感,磁场强度增大时,自由溶液T1增大、T2不变,T2-T1谱流体信号向上移动;对于实际岩样,受内部磁场梯度的影响,磁场强度增大时,T1增大、T2减小,T2-T1谱中流体信号向左上方移动.定量刻画了不同弛豫组分在磁场强度变化时谱峰位置的变化规律,能够将实验室得到的页岩油高频核磁流体识别图版转换为测井资料的低频流体识别图版,为二维核磁共振测井表征储层流体成分信息提供了理论依据.     

基于GPU混合反演的隧道电阻率超前探测成像研究

隧道施工期超前探测对于避免突涌水灾害的发生具有重要作用,为满足隧道三维电阻率超前探测快速化解译与成像的要求,本文提出了一种基于GPU并行的蚁群算法与最小二乘方法相结合的混合反演算法.该方法结合线性反演与非线性反演的优点,利用蚁群算法全局搜索能力强的优点为最小二乘反演提供较优的初始模型,以克服最小二乘算法容易陷入局部最优的缺点,提高了隧道三维电阻率反演成像的精度.同时,基于蚁群算法的天然并行性,提出了CUDA环境下的GPU并行策略,实现了三维电阻率反演的快速化成像.其次,开展了基于GPU混合反演的数值算例,与传统最小二乘线性反演进行了对比,基于GPU并行计算的混合反演计算效率得到了显著提高,对含水构造的位置、形态有较好的反映,压制了三维反演的多解性.最后开展了物理模型试验,结果表明基于GPU混合反演探测的低阻异常体与实际含水构造的位置较为相符,发现基于GPU加速的混合反演方法在提高探测精度与加快反演速度方面具有显著优势,为三维电阻率混合反演方法在隧道超前探测实际工程中的应用奠定了基础.     

Numerical simulation of (T 2, T 1) 2D NMR and fluid responses

One-dimensional nuclear magnetic resonance (1D NMR) logging technology is limited for fluid typing, while two-dimensional nuclear magnetic resonance (2D NMR) logging can provide more parameters including longitudinal relaxation time (T ₁) and transverse relaxation time (T ₂) relative to fluid types in porous media. Based on the 2D NMR relaxation mechanism in a gradient magnetic field, echo train simulation and 2D NMR inversion are discussed in detail. For 2D NMR inversion, a hybrid inversion method is proposed based on the damping least squares method (LSQR) and an improved truncated singular value decomposition (TSVD) algorithm. A series of spin echoes are first simulated with multiple waiting times (T _W s) in a gradient magnetic field for given fluid models and these synthesized echo trains are inverted by the hybrid method. The inversion results are consistent with given models. Moreover, the numerical simulation of various fluid models such as the gas-water, light oil-water, and vicious oil-water models were carried out with different echo spacings (T _E s) and T _W s by this hybrid method. Finally, the influences of different signal-to-noise ratios (SNRs) on inversion results in various fluid models are studied. The numerical simulations show that the hybrid method and optimized observation parameters are applicable to fluid typing of gas-water and oil-water models.     

核磁共振共轭梯度解谱方法研究

核磁共振（NMR）解谱技术是核磁共振资料应用的基础和关键.本文将核磁共振解谱的混定线性反演问题转化为求目标函数极小值的最优化问题,然后利用共轭梯度算法具有二次终止性、收敛速度快的特点解决上述最优化问题.将该方法应用于无噪声和不同信噪比的理论数据解谱以及岩心NMR实验解谱并与真谱及实验室国外软件解谱结果对比表明：在信噪比SNR≥5时解谱结果和真谱符合得很好,谱线光滑连续;随着信噪比的降低对初始点的要求随之提高;两块岩心解谱结果与实验室结果符合得很好,利用解谱结果计算的核磁孔隙度与实验室氦孔隙度绝对误差分别为0.78%和0.57%.因此,本文方法有效、实用,具有较强的抗噪能力,对初始点的要求不高,能够应用于生产和科研实践中.     

（T2,D）二维核磁共振测井识别储层流体的方法

当地层孔隙中油气和水同时存在时,在核磁共振T₂分布上不同流体信号往往重叠,很难有效识别.本文采用改变回波间隔测量多组自旋回波串序列实现了（T₂,D）二维核磁共振方法,为有效识别储层流体提供了基础.通过数值模拟系统研究了（T₂,D）方法在不同储层、不同测量信噪比以及不同外加磁场梯度条件下识别流体的效果.结果表明：（T₂,D）方法识别中、低黏度油层具有优势,随着信噪比增加和外加磁场梯度加大,分辨油和水的效果将变好.在气层,对磁场梯度有一定要求,并且,测量数据的信噪比越高,分辨气与水的效果越好,当测量数据信噪比低于70时（T₂,D）方法在气层可能失效.在2MHz共振频率下,利用MARAN核磁共振岩芯分析仪器,对含顺磁性物质的饱和流体岩样进行了实验测量,验证了（T₂,D）方法的有效性.     

核磁共振测井时域分析法数值模拟及影响因素分析

核磁共振测井时域分析法已广泛用于评价油气层,并获得了很多成功应用实例.然而,由于储层结构的复杂性以及孔隙流体性质的多变,也常常见到应用失败的实例,影响了时域分析法的应用效果.本文通过数值模拟研究时域分析法在不同储层条件下识别流体的效果,并分别从孔隙流体类型、地层孔径变化、信噪比以及采集参数等方面,分析影响时域分析法应用...     

Joint parameter estimation from magnetic resonance and vertical electric soundings using a multi‐objective genetic algorithm

Magnetic resonance sounding (MRS) has increasingly become an important method in hydrogeophysics because it allows for estimations of essential hydraulic properties such as porosity and hydraulic conductivity. A resistivity model is required for magnetic resonance sounding modelling and inversion. Therefore, joint interpretation or inversion is favourable to reduce the ambiguities that arise in separate magnetic resonance sounding and vertical electrical sounding (VES) inversions. A new method is suggested for the joint inversion of magnetic resonance sounding and vertical electrical sounding data. A one‐dimensional blocky model with varying layer thicknesses is used for the subsurface discretization. Instead of conventional derivative‐based inversion schemes that are strongly dependent on initial models, a global multi‐objective optimization scheme (a genetic algorithm [GA] in this case) is preferred to examine a set of possible solutions in a predefined search space. Multi‐objective joint optimization avoids the domination of one objective over the other without applying a weighting scheme. The outcome is a group of non‐dominated optimal solutions referred to as the Pareto‐optimal set. Tests conducted using synthetic data show that the multi‐objective joint optimization approximates the joint model parameters within the experimental error level and illustrates the range of trade‐off solutions, which is useful for understanding the consistency and conflicts between two models and objectives. Overall, the Levenberg‐Marquardt inversion of field data measured during a survey on a North Sea island presents similar solutions. However, the multi‐objective genetic algorithm method presents an efficient method for exploring the search space by producing a set of non‐dominated solutions. Borehole data were used to provide a verification of the inversion outcomes and indicate that the suggested genetic algorithm method is complementary for derivative‐based inversions.     

实数编码遗传算法在大地电磁测深二维反演中的应用

作为全局非线性优化的新方法之一的遗传算法,近年来已从生物工程流行到大地电磁测深资料解释中.然而,大地电磁反演问题具有不适定性,解的非唯一性.通过结合求解不适定问题的Tikhonov正则化方法,本文采用实数编码遗传算法求解大地电磁二维反演问题.此算法在构建目标函数时引入正则化的思想,利用遗传算法求解最优化问题.常规的基于局部线性化的最优化反演方法易使解陷入局部极小值,而且严重的依赖初始模型的选择.与传统线性化的迭代反演方法相比,实数编码遗传算法能够克服传统方法的不足且能获得更好的反演结果.通过对大地电磁测深理论模型进行计算,结果表明:该算法具有收敛速度快、解的精度高和避免出现早熟等优点,可用于大地电磁资料解释.     

基于SVD和BRD的二维核磁共振测井正则化反演算法研究

二维核磁共振能从"弛豫-扩散"两个维度上展现流体性质,在识别稠油储层方面具有理论优势,是当前核磁共振测井技术的研究热点.本文深入研究二维核磁共振测井原理,系统分析CPMG-DE脉冲序列测量扩散系数与弛豫时间的方法,结合核磁共振二维谱数理模型,提出一种基于SVD和BRD的正则化反演算法.该算法通过SVD压缩数据,采用带非负约束的Tikhonov正则化方法求解流体"弛豫-扩散"分布,并基于BRD算法迭代确定最佳正则化因子.模拟实验与数值分析表明,该算法无需先验信息、运算效率高、相对误差小,在原始数据信噪比低至50时,仍可有效获取流体(T₂,D)二维分布.在二维核磁共振测井数据实时解释应用中,该方法较传统反演算法(如TSVD)具有较大优势.同时,在自主研发的核磁共振测井仪测量CuSO₄溶液(T₂,D)分布的实验显示,本文设计算法对弛豫时间和扩散系数的反演误差分别仅为2%和4%,较TSVD算法有较大改善.     

地球物理随机联合反演

基于场方程的地球物理联合反演隐含着两个基本过程:正演的联合与反演的联合。当用遗传算法解决这类问题时,它蕴含着一个反演的随机联合的过程,称之为随机联合反演。借鉴模拟退火和禁区搜索方法的思想,通过对遗传操作对象、操作过程以及迭代过程的改进,使改进后的遗传算法表现较快的收敛速率和良好的全局收敛性;通过模型数据的反演,从理论上证明改进的遗传算法能较好地解决非线性、复杂、大尺度离散反问题,使随机联合反演问题的解决成为可能。