水平层状介质中双侧向资料的全参数正则化迭代反演与应用

水平层状介质中的模型向量通常由地层原状电阻率、侵人带电阻率、侵入半径以及地层界面深度等参数组成,整个测井记录实质上是模型向量的非线性函数.本文将研究双侧向仪器Born近似表达式并建立用双侧向测井资料同时反演所有模型的全参数正则化迭代算法(RWPII).双侧向电极系上的电流和电位必须满足特定的聚焦条件,其正演模拟与Born近似表达式与非聚集型仪器完全不同.应用摄动原理,首先研究双侧向仪器响应的Born近似,给出电极系上的电流密度、电流和电位微小变化与电导率摄动之间的积分关系.然后,根据层状地层中电阻率分布特征以及半解析正演模拟技术,建立Fréchet导数矩阵的快速算法,该Fréchet导数矩阵包含了视电阻率对所有模型参数的偏导数.在此基础上,研究同时反演所有模型参数的正则化迭代算法,并给出正则化因子的具体计算方法.最后,应用理论模型和实际资料反演结果验证该反演算法的有效性.     

双感应测井资料的快速近似迭代反演

本文给出一种双感应资料快速近似迭代反演技术. 首先建立Fréchet导数的快速算法，保证在反演过程中能够同时获得测井响应相对于地层电阻率和层界面的偏导数，并给出用规范化处理与奇异值分解技术进行迭代反演的具体过程. 为了对理论模拟和井场实际资料进行反演，利用综合分层技术从双感应曲线中提取层界面初始位置和地层电阻率初值，通过单独迭代反演中感应资料，修改层界面和地层电阻率实现中感应资料的最佳拟合，得到探测深度相对较浅的地层电阻率，然后固定层界面位置，再迭代反演深感应资料，得到另一组探测深度相对较深的地层电阻率. 理论和实际资料处理结果证明，两个不同探测深度的电阻率反演结果的相对大小能够准确地反映地层真实的侵入特征.此外，由于深感应仪器具有较深的探测深度，不论在高侵或低侵地层上，深感应反演结果与地层原状电阻率的差异大大小于视电阻率的差异，所以利用反演结果也能得到更好的地层原状电阻率的估计值.     

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.     

感应-横向组合测井联合反演及多解性研究

电阻率测井反演问题解的局部收敛性和非唯一性增加了测井解释的难度，影响了实际的应用，把测量原理迥异的感应型和电流型测井结果联合起来反演，是减小这些影响的有效方法，利用经测井理论和反演技术，建立了适用感应－横向组合测井响应的联合演算法，研究了单一的横向测井反演的感应－横向联合反演的局部收敛性、非唯一性及解的偏差，结果表明，联合反演更有利于同时确定地层电阻率、侵入半径和侵入带电阻率，当初值地较大范围内变化时，反演结果均能在真值或真值附近收敛，改善了反演结果的局部收敛性，增加了反演结果的可信度，避免了差异较大乃至相互矛盾的解，现场实例证实了这一结论。     

带先验知识的波阻抗反演正则化方法研究

针对波阻抗反演中存在的不适定性问题,本文提出了一种带先验知识的正则化重开始共轭梯度法.该方法的内层循环采用修改的共轭梯度法,并使用重开始技巧;外层循环使用Morozov偏差准则作为停机准则.正则参数的选取采用连续几何选取法.克服了传统共轭梯度法迭代不足或迭代过度的缺点,将迭代步数控制在了合适的范围,使算法能够更快速更准确的收敛.同时考虑了用最速下降法计算先验解和对解施加非均一的规范约束.通过理论模型试算和实际资料处理,并与共轭梯度法进行对比,表明该算法具有精度高、抗病态能力强,运算速度快的优点,具有实用性.     

直升机航空瞬变电磁自适应正则化一维反演方法研究

本文以中心回线式直升机航空瞬变电磁法为例对时间域航空电磁资料的一维反演算法进行理论研究.由于时间域航空电磁反演问题是典型的不适定问题,多解性严重且稳定性能较差.为此,论文使用Tikhonov正则化反演方法进行一维解释,可以得到用最光滑模型、最平坦模型和最小构造模型约束条件下的反演结果,而正则化因子是根据各次迭代的数据目...     

二维波动方程速度的正则化-同伦-测井约束反演

针对二维波动方程反问题,将大范围收敛的同伦方法引入速度参数的反演过程中,并将其与求解不适定问题的Tikhonov正则化有机结合,提出了一种新的、特别适用于非线性的、不适定的、多极值的地震勘探反演问题的反演策略：正则化－同伦方法. 为了充分利用测井资料和地震资料的互补特征,进一步提高反演分辨率并压制噪声,设计了正则化-同伦－测井约束联合反演方法. 大量数值试验结果表明了这两种方法的有效性.     

地震与大地电磁测深数据的自适应正则化同步联合反演

在传统的联合反演研究中,地球物理学者往往更多地关注数据拟合,很少涉及正则化理论.本文在电阻率和速度随机分布的大地电磁测深(MT)与地震联合反演研究的基础之上,将正则化思想引入到同步联合反演中,加入先验信息进行模型约束,选取最小模型为稳定泛函,并首次采用自适应正则化算法来确定联合反演的正则化因子.根据以往研究成果,采用非...     

三维大地电磁自适应L1范数正则化反演

常规三维大地电磁反演的正则项为L₂范数,它以电阻率空间分布函数处处光滑为模型期望,弱化了算法对电性突变界面的分辨能力.本文实现了正则项为L₁范数的三维大地电磁反演算法,让模型空间梯度向量更有机会取得稀疏解,在充分正则的迭代下能够有效突出模型真实电性界面.为避免L₁范数零点不可导带来的求解困难,使用迭代重加权最小二乘法把原问题转换为一系列L₂正则子问题迭代求解.每个子问题的极小方法使用改进型拟牛顿法,其下降方向既能保证正则项海塞矩阵的精确性,又能允许反演过程随迭代灵活更新正则因子.使用比值法或分段衰减法自适应更新正则因子以避免迭代早期陷入奇异解,从而提升反演收敛的稳定性并降低初始模型依赖度.合成的无噪数据反演表明L₁正则算法的模型恢复效果优于L₂正则;不同噪声水平的合成数据反演表明本文的算法具有稳健性;实测数据反演对比表明在合理的正则因子调整策略下,L₁正则反演结果的模型分辨率优于L₂正则.另外,不同初始模型的反演测试还表明,正则因子选取不合理时L₁正则可能造成方块状假异常.     

大地电磁与地震正则化同步联合反演

文中在于鹏等提出的电阻率和速度随机分布的大地电磁与地震联合反演方法的基础上,将Tikhonov正则化思想引入到联合反演中,加入先验信息进行模型约束,以最小模型为稳定器,采用L曲线方法来确定近似最佳的正则化因子。考虑到线性寻优算法容易陷入局部极小,文中采用非线性的模拟退火方法来实现大地电磁与地震的同步联合反演。通过模型试验的对比分析,我们认为加入有效模型约束的正则化联合反演可以比单纯考虑数据拟合的联合反演和单独反演方法更有效地提高解的稳定性和计算效率,获得更接近实际而且稳定的解。     

基于主成分-正则化极限学习机的超高密度电法非线性反演

超高密度电法是一种新的地球物理探测技术,它通过多通道数据采集和多装置数据联合反演,极大地提高了电法勘探的成像精度.本文提出一种主成分-正则化极限学习机(PC-RELM)非线性反演方法,该方法针对超高密度电法所获取的高维勘探数据进行反演建模,通过随机设定隐层参数来简化模型的学习过程,通过主成分分析方法来进行高维数据降维,最后引入正则化因子提高反演模型的泛化能力.论文给出了超高密度电法的原理、样本构造方法和非线性反演流程,使用交叉验证方法获得了优化的隐节点数目和正则化参数,构造了优化的反演模型.通过两个经典的超高密度模型的反演结果表明,该方法能够较好地解决超高密度电法反演的高维数据非线性建模问题,能够弥补单一装置数据反演的不足,同时相较其他的非线性反演方法(ELM,BPNN和GRNN)具有更加准确的反演结果.     

正则化方法在无线电波层析中的应用

无线电波透视法是常用的工作面地质构造探测方法之一,目前普遍使用的SIRT方法层析分辨率不高。本文采用约束正则化方法,推导Tikhonov正则化和全变差正则化的最小化问题表达式,讨论影响层析结果的主要因素,对典型理论模型进行了层析成像实验。结果表明:正则化方法具有比SIRT方法更好的分辨率;射线条数越多、噪声水平越低,层析分辨率越高;Tikhonov正则化在正则参数增大时层析结果更光滑,减小时则更贴近异常,全变差正则化与其相反。最后对实际坑透数据进行层析,识别出的异常构造基本吻合已知疑似构造位置,从而说明正则化方法在无线电波透视应用中的可行性。      

2.5维井间电磁反演在中国东部孤岛油田的应用

In this study, we present a practical technique of transforming cross-hole EM data into the inter-well resistivity distribution. The a priori information constraint is incorporated into an iterative regularized inversion procedure and a variable roughness is added into the inversion process. Finite element approximation based on a two and a half-dimensional （2.5D） model has been developed for the forward problem and the ＂pseudo-forward＂ problem needed for constructing the sensitivity matrix and synthetic data set. The regularized least-squares inversion scheme, constrained with the a priori information obtained from well logs, was adopted to reconstruct the inter-well resistivity profile from two synthetic electromagnetic data sets and field data acquired in the Gudao Oil Field, East China. The partial derivatives of the sensitivity matrix were computed by the adjoint equation based on the reciprocity principle. Inversion results of the synthetic and field data examples suggest that our method is robust and stable in the presence of random noise in the field data and can be used for cross-hole EM field data interpretation.     

A non-linear regularized constrained impedance inversion

Inversion for seismic impedance is an inherently complicated problem. It is ill‐posed and band‐limited. Thus the inversion results are non‐unique and the process is unstable. Combining regularization with constraints using sonic and density log data can help to reduce these problems. To achieve this, we developed an inversion method by constructing a new objective function, including edge‐preserving regularization and a soft constraint based on a Markov random field. The method includes the selection of proper initial values of the regularization parameters by a statistical method, and it adaptively adjusts the regularization parameters by the maximum likelihood method in a fast simulated‐annealing procedure to improve the inversion result and the convergence speed. Moreover, the method uses two kinds of regularization parameter: a ‘weighting factor’λ and a ‘scaling parameter’δ. We tested the method on both synthetic and field data examples. Tests on 2D synthetic data indicate that the inversion results, especially the aspects of the discontinuity, are significantly different for different regularization functions. The initial values of the regularization parameters are either too large or too small to avoid either an unstable or an over‐smoothed result, and they affect the convergence speed. When selecting the initial values of λ, the type of the regularization function should be considered. The results obtained by constant regularization parameters are smoother than those obtained by adaptively adjusting the regularization parameters. The inversion results of the field data provide more detailed information about the layers, and they match the impedance curves calculated from the well logs at the three wells, over most portions of the curves.     

神经网络反演双侧向电阻率测井曲线的物理约束

以一种新型高分辨率双侧向测井仪器在二维轴对称地层模型中的模拟响应为训练集训练BP神经网络，得到了针对该双侧向测井仪的反演网络模型。在训练中，神经网络结构的确定一般采用交叉验证法，但这种验证法经验性的成分偏重，不能完全解决网络结构的范化问题。为此，本文在模型的训练中，在交叉验证的基础上，根据双侧向测井的原理和仪器响应特性，提出了一种新的物理约束方法；反演地层电阻率的误差应随着侵入半径的增加而加大，违反此规律的模型不予采纳。理论研究结果表明，由此得到的神经网络模型具有很好的范化能力。     

用梯度和感应测井联合确定地层电阻率各向异性

实际地层可能出现2种电阻率的宏观各向异性:微观的统计平均效应和裂缝走向等因素的构造效应.三分量感应测井方法可能是确定地层电阻率各向异性的最好方法,但是,该仪器目前在中国还没有应用.已有的数据一般是梯度和双感应曲线,梯度和双感应曲线单独使用都难以揭示各向异性,但是,将二者联合使用则有可能.在反演模型中考虑了电阻率各向异性的存在,给出了梯度和双感应曲线联合求地层电阻率各向异性的方法.通过直井水平层的二维人工模型表明,用感应方法可确定地层的水平电阻率和厚度.而梯度方法的视电阻率可以近似看作水平电阻率和纵向电阻率的几何平均值,梯度方法的视厚度是各向异性参数和真实厚度的乘积.因而不能用梯度方法单独确定各向异性参数和真实厚度2个参数中的任何1个.然而,联合梯度和双感应的方法则可能确定3个参数:各向异性参数,水平电阻率和地层厚度.人工数据的例子表明了这种联合的可行性.     

用梯度和感应测井联合确定地层电阻率各向异性(英文)

实际地层可能出现 2种电阻率的宏观各向异性 :微观的统计平均效应和裂缝走向等因素的构造效应。三分量感应测井方法可能是确定地层电阻率各向异性的最好方法 ,但是 ,该仪器目前在中国还没有应用。已有的数据一般是梯度和双感应曲线 ,梯度和双感应曲线单独使用都难以揭示各向异性 ,但是 ,将二者联合使用则有可能。在反演模型中考虑了电阻率各向异性的存在 ,给出了梯度和双感应曲线联合求地层电阻率各向异性的方法。通过直井水平层的二维人工模型表明 ,用感应方法可确定地层的水平电阻率和厚度。而梯度方法的视电阻率可以近似看作水平电阻率和纵向电阻率的几何平均值 ,梯度方法的视厚度是各向异性参数和真实厚度的乘积。因而不能用梯度方法单独确定各向异性参数和真实厚度 2个参数中的任何 1个。然而 ,联合梯度和双感应的方法则可能确定 3个参数 :各向异性参数 ,水平电阻率和地层厚度。人工数据的例子表明了这种联合的可行性     

基于非结构双网格的2D RMT双参数同步反演研究

Radio-magnetotelluric(RMT)是以无线电发射机为信号源的一种地球物理勘探方法,近年来被广泛应用于数米至数十米内的近地表工程和环境地球物理勘探.目前,各类电磁资料的反演均是以寻求满足目标拟合差的地下介质电阻率分布为目的.然而,对于勘探频率为10~300kHz的RMT数据,由介电常数所引起的波动场在总场中的比例可达20%以上,在这种情况下,忽略介电常数,仅通过电阻率参数的反演来进行数据拟合势必降低反演资料解释的准确性.为解决这一问题,本文研究了基于电阻率-介电常数的双参数同步反演算法.构建了一个全新的双参数目标函数,并推导了双参数反演迭代方程组;通过灵敏度分析,研究了电阻率和介电常数对正演响应的影响,并据此提出相对电导率的概念,统一了反演参数的灵敏度;通过理论模型分析了参考频率、双参数正则化因子对反演结果的影响,并给出了一般性的参数优选方案.此外,为了能够灵活处理复杂地形,本文采用非结构的正反演双网格进行模型离散,并通过局部加密技术保证反演的速度和精度.最后,对一带地形的理论模型分别进行了单参数和双参数反演,结果表明单参数反演无法正确反映出地电信息,而双参数反演能够准确得到异常的分布,验证了本文所开发的双参数反演程序的有效性.     

基于非结构网格的电阻率三维带地形反演

地表起伏地形在野外矿产资源勘察中不可避免,其对直流电阻率法勘探影响巨大.近年来,电阻率三维正演取得诸多进展,特别是应用非结构网格我们能够进行任意复杂地形和几何模型的电阻率三维数值模拟,但面向实际应用的起伏地形下电阻率三维反演依然困难.本文基于非结构化四面体网格,并考虑到应用GPS/GNSS时,区域地球物理调查中可非规则布设测网的实际特点,实现了任意地形(平坦或起伏)条件下、任意布设的偶极-偶极视电阻率数据的不完全Gauss-Newton三维反演.合成数据的反演结果表明了方法的有效性,可应用于复杂野外环境下的三维电法勘探.