基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟.开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.

     

基于复频率衰减反传算子的全波形反演梯度构建

从梯度构建中反传算子的角度出发,本文分析了影响梯度精度的因素, 并提出了一种新的基于复频率衰减反传算子的全波形反演梯度构建法, 以压制梯度构建过程中产生的弧状噪音;针对全波形反演的巨大存储量和精度问题,本文采用限内存的BFGS(L-BFGS)算法进行迭代反演．对平层模型、逆掩断层模型以及凹陷模型的测试结果表明,与常规梯度算法相比,基于复频率衰减反传算子算法所构建梯度的精度得到明显改善．用复杂断块模型进行全波形反演测试,并将其与常规算法得到的反演速度精度进行对比,结果验证了该方法的正确性及其对提高梯度精度的有效性．      

VTI介质速度与δ参数qP波全波形反演

获取准确的速度与各向异性参数模型,是全波形反演的主要目标.由于各向异性参数的敏感性较差,常规全波形反演方法很难同时得到满意的速度和各向异性参数模型.本文提出一种新的VTI介质qP波全波形反演方法.采用动校正速度参数化方式得到新的VTI介质qP波方程,改善各向异性参数δ对近偏移距数据的敏感性.在新的方程中,推导了VTI介质全波形反演梯度公式.基于敏感核分析设计了合理的分步反演策略,来缓解不同参数之间的串扰,进而提高速度和各向异性参数的反演精度.模型算例表明,新的反演策略能够有效提高速度和δ参数的反演精度.分步反演方法在非线性更强的各向异性反演中,能够得到更接近真实值的反演结果.     

基于频域衰减的时域全波形反演

时域全波形反演由于采用了全频段信息,因此在迭代过程中不同波长的信息不能由低到高的逐步重建,极易陷入局部极小值.本文通过分频段的方式,对地震数据做正反傅里叶变换,利用频域指数衰减的方法逐级分离出地震数据中的高频成分,在时域上实现由低频向高频的波形反演,从而降低了反演的非线性,使不同波长的信息得到稳步恢复.同时,在高频成分衰减的过程中,后至波的能量也被削弱,由此也降低了深层反射在初始反演过程中的干扰.整个反演仅增加对数据做正反傅里叶变换过程,相较于混合域反演,无需提取全部波场的相应频率成分.在计算效率方面,利用GPU进行加速,并采用CUDA自带函数库中cufft来提高计算效率.通过对Marmousi模型测试,验证了所述方法的有效性.     

地震全波形反演方法研究综述

近年来,随着计算机硬件水平的提高,地震全波形反演技术研究快速发展,并有效的推进了油气勘探.本综述主要对当前地震全波形反演主要存在反演非唯一性、噪声敏感性、初始模型强依赖、易陷入局部极值、计算量大等问题进行调研,重点介绍了地震全波形反演方法在时间域,频率域和Laplace域内的各种改进和优化的策略,为全波形反演方法研究提供参考.     

变密度声波方程多参数全波形反演策略

多参数全波形反演中各参数之间的相互耦合增加了反演的非线性程度.通过分析各参数之间的相互影响,提出合理的多参数反演策略是解决该问题的有效途径.本文从变密度声波方程出发,首先研究了密度在速度反演中的重要作用,然后分析了速度对密度反演的影响程度,进而提出了一种有利于速度、密度分步联合反演的策略.第一步,利用给定的初始模型对速度、密度进行同时反演,得到比较可靠的速度反演结果;第二步,利用第一步反演得到的速度和给定的初始密度作为初始模型,继续进行双参数同时反演,这样可以同时得到比较可靠的速度、密度反演结果.为了进一步提高反演精度,将第二步反演得到的速度、密度作为初始模型,再进行下一轮双参数联合反演.二维理论模型实验结果充分说明了本文提出的这种反演策略的有效性.     

基于声学全波形反演的油气藏地震成像方法

岩性油气藏在我国天然气勘探开发中占有非常重要的位置,其分布区域的成像是合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文首先基于地下介质的声学近似和波场回传理论,利用频率域单程声波方程延拓计算地震波场,进行全波形反演,获得地层密度和体积模量的定量成像,并依据油气藏物性特征和流体饱和多孔介质岩石物理模型,简要讨论了孔隙度和饱和度与密度及体积模量的关系,明确了地震油气藏成像新概念.在此基础上,定义了基于流体体积模量和孔隙度的成像函数,进行油气藏成像.理论模型计算表明该方法是可行的.通过对西部地区某气田二维地震数据处理,实现了致密砂岩气藏成像,钻井结果证实了气藏区域成像位置的准确性和方法的有效性.     

基于优化参数Adam算法的全波形反演

常规的全波形反演(FWI)计算得到的梯度往往不做优化处理, 并且每次计算模型更新量时还需要额外的波场延拓计算来获取迭代步长, 导致收敛效率和反演精度降低.本文将深度学习中的Adam算法引入到全波形反演中来, 其可在仅付出极小计算代价的前提下实现梯度的优化处理, 由梯度直接计算出模型更新量, 避免了迭代步长的计算, 且能显著提升收敛效率和反演精度; 同时针对Adam算法的默认参数优化和选取问题, 通过数值实验系统分析了不同参数的全波形反演效果, 并给出了更适合于全波形反演的优化参数.实验结果表明, 相比于默认参数的Adam算法以及L-BFGS算法的全波形反演, 基于优化参数的Adam算法其收敛速度和反演精度更高.

     

基于截断牛顿法的VTI介质声波多参数全波形反演

不同类别参数间的相互耦合使多参数地震全波形反演的非线性程度显著增加, 地震波速度与各向异性参数取值数量级的巨大差异也会使反演问题的性态变差.合理使用Hessian逆算子可以减弱这两类问题对反演的影响, 提高多参数反演的精度, 而截断牛顿法是一种可以比较准确地估计 Hessian 逆算子的优化方法.本文采用截断牛顿法在时间域进行了VTI介质的声波双参数同时反演的研究.不同模型的反演试验表明, 在VTI介质声波双参数同时反演中, 截断牛顿法比有限内存 BFGS (Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno, L-BFGS)法能更准确地估计 Hessian 逆算子, 进而较好地平衡两类不同参数的同时更新, 得到了比较精确的反演结果.     

基于最优输运与循环神经网络的全波形反演

针对全波形反演收敛慢与对低频速度模型的依赖等问题,本文将深度学习与最优输运理论结合.利用循环神经网络求解时间域波动方程,进而实现波动方程的正演模拟与波形反演.在目标函数的建立上,以最优输运为基本理论,比较了不同变换下的目标函数对反演效果的影响;在收敛效率上,利用深度学习中的小批量优化算法,对比不同批量数据下的反演效果.数值实验表明,线性正变换优于比较范围内的其他变换,可有效提高反演精度.对比常规全批量的全波形反演,小批量的随机反演策略在同等计算量情况下明显提高了收敛效率.     

基于分数阶时间导数的黏弹性衰减VTI介质中平面波传播

目前在地震勘探频带范围内通常假设品质因子Q与频率无关,且呈衰减各向同性.事实上,相比较速度各向异性,介质的衰减各向异性同样不可忽视.本文将衰减各向异性和速度各向异性二者与常Q模型相结合,建立了黏弹性衰减VTI介质模型,并基于分数阶时间导数理论,给出了对应的本构关系和波动方程.利用均匀平面波分析和Poynting定理,推导出准压缩波qP、准剪切波qSV和纯剪切波SH的复速度、相速度、能量速度以及品质因子的解析表达式.对模型的正确性进行了数值验证,并分析了qP,qSV和SH波在介质中的传播特性.数值试验结果表明：本模型能够实现理想的恒定Q行为,表现了品质因子和速度的各向异性特征,显示出黏弹性增强将导致能量速度和相速度的频散曲线变化剧烈;速度和衰减各向异性参数与传播角度之间的耦合效应对qP,qSV和SH波的速度和能量影响明显;qP,qSV和SH波的频散曲线和波前面随着衰减各向异性强度的改变发生显著变化,其中耦合在一起的qP和qSV波变化趋势相同,而SH波与它们呈现相反的变化规律.本研究为从常Q模型角度分析地震波在衰减各向异性黏弹性介质中的传播特征奠定了理论基础.

     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.

     

基于多尺度迭代求解三维频率-空间域声波方程的全波形速度反演研究-理论模型

使用广义最小残量方法迭代求解三维频率-空间域声波方程,反演时使用多尺度、多重网格的策略,探讨了如何快速实现高分辨率的三维频率-空间域迭代法声波全波形速度反演.通过对理论模型进行三维频率-空间域迭代法声波全波形反演数值试验,证实该方法的计算速度快、计算效率高,反演所得速度的分辨率高.从而为基于多尺度迭代求解三维频率-空间域声波方程的全波形速度反演成像打下方法基础.     

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合,使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例,在各参数辐射模式分析的基础上,基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取,进一步构建高斯牛顿方向,实现Hessian矩阵的有效利用,以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应,在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时,该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵,且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算,因此内存占用小,计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性,为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.

     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

基于Born敏感核函数的速度、密度双参数全波形反演

速度、密度之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得.本文将截断高斯-牛顿法用于声介质速度、密度双参数全波形反演,通过考虑近似Hessian矩阵中反映速度、密度相互作用的非主对角块元素,有效解决了多参数全波形反演中速度、密度之间的耦合问题,在不采用反演策略的情况下,仍能够获得精度较高的速度、密度反演结果.常规的截断牛顿类全波形反演通常利用一阶伴随状态法求取目标函数对模型参数的梯度,利用二阶伴随状态法或有限差分法求解Hessian-向量乘,在每一步内循环迭代过程中需要额外求解两次正演问题,计算量较大.本文基于Born近似,将梯度计算中的核函数-向量乘表示为具有明确物理意义的向量-标量乘的累加运算,同时将Hessian-向量乘转化为两次核函数-向量乘,无需额外求解正演问题,有效降低了计算量.数值实验证明了本文提出的方法的有效性.     

基于Born敏感核函数的VTI介质多参数全波形反演

本文基于VTI介质拟声波方程,利用散射积分原理,在Born近似下导出了速度与各向异性参数的敏感核函数,同时结合作者前期研究提出的矩阵分解算法实现了一种新的VTI介质多参数全波形反演方法.矩阵分解算法通过对核函数-向量乘进行具有明确物理含义的向量-标量乘分解累加运算实现目标函数一阶方向或二阶方向的直接求取,从而避免了庞大核函数矩阵与Hessian矩阵的存储,该方法同时可以大大降低常规全波形反演在计算二阶方向时的庞大计算量.为了克服不同参数对波场影响程度的不同,本文利用作者前期在VTI介质射线走时层析成像研究中提出的分步反演策略实现了多参数联合全波形反演.理论模型实验表明,本文提出的基于Born敏感核函数的各向异性矩阵分解全波形反演方法可以获得较好的多参数反演结果.     

高分辨率的频率空间域声波全波形速度反演-理论模型

使用最速下降法进行二维频率空间域声波波动方程全波形速度反演,讨论了如何快速实现高精度的二维频率空间域声波波动方程全波形速度反演.多尺度的思想耦合在反演框架中.把非线性问题化为逐步线性问题是我们关注的焦点,目的是把整个非线性反演的黑匣子转化成为每一步可控的过程,尽可能得到想要的反演解.仅仅使用3个离散的频率,每个频率迭代...