基于组合震源编码的多尺度全波形反演方法

全波形反演(full waveform inversion, FWI)是目前精度最高的一种速度反演工具,通过迭代反演得到高精度的地下构造,为叠前成像技术提供更准确的速度场,满足目前勘探开发日益复杂的需求。但FWI需要估计精确的震源子波,而从野外采集的地震数据提取子波是非常困难的,此外,反演过程中,模型参数与观测数据存在强的非线性关系,容易产生周波跳跃现象。针对中低波数反演过程中存在周波跳跃现象与地震子波难提取的问题,本文构建了一种基于组合震源的多尺度波形反演方法。首先对子波和地震数据进行时移组合叠加,再进行互相关梯度求取,只需要一次逆时偏移的计算量,就可以完成梯度的求取,实现多尺度反演的目标。通过模型试算,基于组合震源的FWI方法,可以达到多尺度反演的目的,使得反演结果更稳定;与不依赖子波的方法相结合,反演结果相对准确。     

基于逐减随机震源采样法的频率域二维黏滞声波方程全波形反演

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力。然而,巨大的计算量是阻碍其发展的一个瓶颈问题。为此,研究者们提出了震源编码技术来减少计算量,但是此方法在模型更新过程中会引进随机串扰噪声,降低反演结果准确性。所以,在保证计算精度的情况下,本文提出了采用逐减随机震源采样的方法来高效计算全波形反演问题。笔者将此方法应用于频率域二维黏滞声波波动方程全波形反演,开始了在频率域进行随机震源采样类方法的研究,计算过程中共使用了依次增大的8个频率段;并应用Overthrust模型来验证此类随机震源采样法的正确性。实验结果表明：基于逐减随机震源采样法的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.065 65,而应用基于全部震源的全波形反演方法得到的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.064 64,两者差别不大;但计算用时由740 min减少到291.2 min,即计算效率提高了2.54倍。为了更好地确定方法的有效性,将其应用于Marmousi模型进行试算。模型试算结果表明：基于逐减随机震源和基于全部震源得到的反演结果与实际Marmousi模型的拟合误差分别为0.080 12和0.078 97,相差不大;但计算用时由1 218.9 min减少到274.4 min,计算效率提高了4.44倍。综上,在保证反演精度的情况下,基于逐减随机震源采样法的频率域全波形反演方法大大减少了计算量,具有不可替代的计算优势,并且没有引进随机串扰噪声。     

基于截断牛顿法的频率域全波形反演方法

全波形反演方法可以视为大型非线性最小化问题.其中Hessian算子对反演结果有着重要的影响,传统的优化方法只能近似地表示Hessian算子,反演精度较低,收敛速度较慢,且对于反演目标照明不足的深部区域,往往出现参数无法聚焦的情况.而一种新的优化方法截断牛顿法,通过计算Hessian矩阵与已知向量乘积的形式,能够获得更精确的Hessian算子信息,从而解决以上问题.本文基于截断牛顿法在频率域实现全波形反演,通过模型试算表明,截断牛顿法相对于有限内存BFGS(Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,L-BFGS)法,能够得到更精确的反演结果,同时能提高收敛速度,尤其对于照明不足的深部区域,截断牛顿法有更明显的优势.     

基于L—BFGS算法的全波形反演Q值方法研究

估计地层品质因子Q对描述地下构造分布和油气预测都有着重要的意义。考虑到地震波在介质中传播时的黏滞吸收作用,笔者选择2D黏滞性声波方程全波形反演,将观测波场与正演模拟计算得到的波场构建一个目标函数,引入L--BFGS算法反演出地层品质因子。将该方法应用于异常体模型和Marmousi模型测试,结果均表明反演的模型与理论模型的相对误差较小,计算精度高,反演效果好。     

频率域反射波全波形速度反演

全波形反演不仅利用相位和振幅信息,还利用波形的细节变化,具有刻画模型精确细节的能力.在对稀疏矩阵直接LU分解求解的基础上,采用梯度预处理方法对声波介质速度模型进行了反射波全波形反演.采用误差反向传播算法计算目标函数梯度以及伪Hessian矩阵的对角线元素来做梯度预处理.数值模型的实验结果表明,利用有效的频率段便能反演出分辨率较高的速度结构,用低频反演出的结果作为高频反演的初始模型,减少了解的非唯一性.二维高斯光滑初始模型提供了有利的低频信息,得到较好的反演结果.伪Hessian矩阵的预处理吸收了高斯牛顿法的二次收敛优势,在不增加计算量的前提下,加快收敛速度.      

变密度声波全波形反演中密度影响因素及反演策略

密度信息可预测储层流体饱和度,因此获取可靠的密度参数已成为全波形反演中首要考虑的问题。为了获得更稳定的反演密度,本文从频率、初始速度模型、初始密度模型和密度速度同时反演四个方面对密度的影响进行了研究。根据研究测试结果制定了稳定的反演策略：首先将密度固定,反演速度,此时波动方程中不再含有密度项,因而可以得到准确的速度模型;将其作为初始速度模型进行速度、密度同时反演,可以较好地减小速度对密度的影响。理论模型测试结果充分说明了策略的有效性。     

基于多目标函数的黏弹性全波形反演

全波形反演是勘探地球物理领域兴起的核心技术之一,不但可以构建地下速度结构,也能够反演衰减参数(品质因子Q)模型,有助于识别地下介质类型和构造(如流体和煤层陷落柱),对煤和油气等自然资源的勘探和开发有重要意义。参数串扰是黏弹性全波形反演的关键难点,受速度误差影响,反演的Q模型会包含非常强的串扰噪声。针对该问题,提出了基于多目标函数的黏弹性全波形反演理论与方法,首先通过旅行时反演速度结构,再通过中心频率目标函数反演Q模型,最终使用波形差目标函数同时反演速度和Q模型。由于中心频率主要受衰减影响,因此,可有效减弱速度误差对Q反演的影响。最后,通过数值模拟验证了算法可有效地反演速度和Q模型。     

基于共轭梯度法的全波形反演

全波形反演是一种全新的地震成像方法,主要利用全波形信息反演地下介质参数,通过非线性优化波场理论值和观测值的残差实现波形反演。基于时间域声波方程,建立了时间域波场残差目标函数,以分层模型为例,分别从波场精度、目标函数收敛性和运行时间3个方面,比较了共轭梯度（Conjugate Gradient,CG）算法和拟牛顿算法（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,BFGS）反演的效果。同时,应用共轭梯度法对正、逆断层模型和Marmousi模型进行了速度结构反演。反演结果表明：共轭梯度法计算效率较高,反演得到的速度模型精度更高,反演效果较好,是一种有效的波形反演方法。     

基于梯度投影法的全变差正则化全波形反演

为降低地震全波形反演的不适定性,常用方法是引入未知模型的先验信息,从而将反演问题正则化。但是,传统正则化方法在包含多个先验信息的情况下,仍然面临挑战。本文提出一种扩展的全波形反演公式,其中包含对模型的凸集约束。本文以慢度平方作为反演的模型参数,展示了如何在施加全变差约束的同时,施加边界约束令其保持在一个物理意义上的可行范围内。为验证本文所提算法的适用性,分别开展简单模型及国际标准地质模型数值实验研究,结果表明,全变差正则化的引入可以提高光滑背景模型下高速扰动体的重构效果。     

基于多尺度边缘特征的深度学习电阻率反演方法

直流电阻率法是一种经济、高效的工程地球物理探测手段,对含水构造敏感。线性电阻率反演是实际探测中的主流方法,但其反演结果容易陷入局部最优,产生错误的地质解译。与之相比,无监督反演方法能够采用物理规律和数据挖掘双驱动训练网络,摆脱对真实模型的依赖,具备在实际数据中全局搜索的可行性。在无监督反演方法的基础上,创新了基于多尺度边缘特征的深度学习边界刻画方法。针对反演成像边界模糊的问题,借鉴地震、电磁勘探中多尺度反演的经验,提出了一种电阻率多尺度反演方法,以多尺度反演目标函数作为损失函数修正网络梯度,有效提高了无监督学习反演的边界刻画能力。在上海市域铁路机场联络线1号风井工程开展现场试验,以5号基坑地连墙渗漏点探测为例,探明了15处低阻异常,指导基坑补强作业,验证了方法的可行性和有效性。     

Layer-Stripping Full Waveform Inversion with Damped Seismic Reflection Data

Full waveform inversion(FWI) directly minimizes errors between synthetic and observed data.For the surface acquisition geometry,reflections generated from deep reflectors are sensitive to overburden structure,so it is reasonable to update the macro velocity model in a top-to-bottom manner.For models dominated by horizontally layered structures,combination of offset/time weighting and constant update depth control(CUDC) is sufficient for layer-stripping FWI.CUDC requires ray tracing to determine reflection t...     

低频缺失下跨孔雷达包络波形反演

全波形反演方法作为一种高分辨率成像手段在跨孔雷达反演中得到有效应用,但其仍受局部最小问题影响。一个有效的解决方法是为反演提供一个准确的初始模型。但在应用真实雷达数据时,由于地下介质未知且存在低频数据缺失的情况,全波形反演往往难以获得理想结果。为此,使用对包络目标函数求导的方法,详细推导了包络波形反演的梯度公式。该方法与传统全波形反演方法在原始数据低频成分缺失情况下的反演结果对比表明,该方法能够有效还原缺失的低频信息并且对低频缺失数据有更好的反演能力,可以直接为地下介质提供定量解释。     

互相关与最小二乘加权目标函数全波形反演

全波形反演是一个高度非线性的优化问题,当地震数据中缺少低频成分而初始速度与真实速度相差较远时,反演容易陷入局部极小值。笔者提出一种新的目标函数,将模拟地震记录和观测记录的归一化互相关与最小二乘结合。互相关侧重相位匹配,具有更强的线性,能减弱"跳周"现象。通过设置权重因子,在反演前期利用互相关先恢复低波数的背景速度模型,再加入最小二乘约束恢复高波数的模型细节。数值模拟试验结果表明,基于该目标函数的全波形反演不依赖精确的初始模型和低频信息,向全局极小值迅速收敛,能有效改善反演的稳定性,并获得比基于常规目标函数的全波形反演更精确的结果。     

发射电流波形对瞬变电磁一维正反演的影响

本研究实现了考虑发射电流波形的瞬变电磁一维正反演算法。正演采用矩形回线源,通过Duhamel积分计算梯形波的感应电压;反演采用Occam反演方案,得到一个光滑的层状反演结果模型。理论模型合成算例的计算结果表明：上升沿时间、持续时间和下降沿时间不同程度地影响了垂直磁感应强度对时间的偏导数(dB/dt)响应以及电阻率反演结果。理论模型的正演结果显示,上升沿时间、持续时间和下降沿时间分别主要影响晚期、中晚期和早期的瞬变电磁响应,并且取值越大影响越大。理论模型合成数据的反演算例显示,不同上升沿时间对反演结果几乎没有影响,而下降沿时间和持续时间分别影响浅部和深部的反演结果。     

时间域跨孔雷达全波形反演及实际应用

通过对目标函数求导的方式详细推导了时间域全波形反演的梯度公式,并使用共轭梯度法同时迭代介电常数和电导率。将该方法应用到一组合成数据和实际数据中,合成数据结果表明全波形反演能够准确刻画地层结构,精确重建亚波长尺寸异常体的位置和参数信息。实际数据的反演结果证明全波形反演能够反映地层中的细微结构,提供高分辨率的反演结果,其波形比配结果也更准确。     

影响声波全波列测井速度分析的因素剖析

[摘 要] 目前,速度分析是声波全波列测井提取纵、横波速度的必要流程。本文介绍了井场中的声 波波形成分,提出了一种相似相关速度分析算法,并在其基础上深入研究了影响速度分析结果的关键因 素,如带通滤波,窗口宽度,总叠加时间,以及低速地层等等。通过讨论分析,给出了这些处理参数在速 度分析中的取值,它对精确提取岩石纵、横波速度有着重要的指导意义。     

基于FastICA算法的高光谱矿物丰度反演

高光谱分离是定性与定量岩矿分析的核心基础。仿真数据和测量数据可通过FastICA算法处理,计算混合像元中端元数量及端元光谱,并根据计算结果进行丰度反演。实验结果表明：FastICA算法即使在端元光谱、混合矩阵未知且没有任何先验知识的情况下,也能有效分离岩矿高光谱混合像元并得到端元的估计光谱,从而实现矿物识别和矿物丰度反演;但当混合像元中参与混合的端元光谱相似度较高或端元光谱的非高斯性较低时,混合像元的分离精度将降低,混合像元的分离精度越高,端元丰度反演结果越准确。