Geostatistical seismic inversion for non‐stationary patterns using direct sequential simulation and co‐simulation

Geostatistical seismic inversion methods are routinely used in reservoir characterisation studies because of their potential to infer the spatial distribution of the petro‐elastic properties of interest (e.g., density, elastic, and acoustic impedance) along with the associated spatial uncertainty. Within the geostatistical seismic inversion framework, the retrieved inverse elastic models are conditioned by a global probability distribution function and a global spatial continuity model as estimated from the available well‐log data for the entire inversion grid. However, the spatial distribution of the real subsurface elastic properties is complex, heterogeneous, and, in many cases, non‐stationary since they directly depend on the subsurface geology, i.e., the spatial distribution of the facies of interest. In these complex geological settings, the application of a single distribution function and a spatial continuity model is not enough to properly model the natural variability of the elastic properties of interest. In this study, we propose a three‐dimensional geostatistical inversion technique that is able to incorporate the reservoir's heterogeneities. This method uses a traditional geostatistical seismic inversion conditioned by local multi‐distribution functions and spatial continuity models under non‐stationary conditions. The procedure of the proposed methodology is based on a zonation criterion along the vertical direction of the reservoir grid. Each zone can be defined by conventional seismic interpretation, with the identification of the main seismic units and significant variations of seismic amplitudes. The proposed method was applied to a highly non‐stationary synthetic seismic dataset with different levels of noise. The results of this work clearly show the advantages of the proposed method against conventional geostatistical seismic inversion procedures. It is important to highlight the impact of this technique in terms of higher convergence between real and inverted reflection seismic data and the more realistic approximation towards the real subsurface geology comparing with traditional techniques.     

测井、井间地震与地面地震数据联合约束下的地质统计学随机建模方法研究

利用能够整合测井信息与井间地震信息的地质统计学随机模拟方法,结合传统的地质统计学反演思路,得到了一种能够同时整合测井、井间地震与地面地震三种先验信息的地质统计学反演与储层建模方法.由于井间射线信息、测井信息与地面地震数据在随机反演与建模过程当中都得到了尊重,因此与传统地质统计学反演仅利用了测井与地面地震数据相比,本文的地质统计学反演与建模方法更充分地利用了先验信息,有效提高了反演的精度,降低了随机建模中的多解性.基于理论数据的测试证实了上述观点.     

测井、井间地震与地面地震数据联合约束下的地质统计学随机建模方法研究

利用能够整合测井信息与井间地震信息的地质统计学随机模拟方法,结合传统的地质统计学反演思路,得到了一种能够同时整合测井、井间地震与地面地震三种先验信息的地质统计学反演与储层建模方法.由于井间射线信息、测井信息与地面地震数据在随机反演与建模过程当中都得到了尊重,因此与传统地质统计学反演仅利用了测井与地面地震数据相比,本文的地质统计学反演与建模方法更充分地利用了先验信息,有效提高了反演的精度,降低了随机建模中的多解性.基于理论数据的测试证实了上述观点.     

An algorithm for fast 3D inversion of surface electrical resistivity tomography data: application on imaging buried antiquities

In this work a new algorithm for the fast and efficient 3D inversion of conventional 2D surface electrical resistivity tomography lines is presented. The proposed approach lies on the assumption that for every surface measurement there is a large number of 3D parameters with very small absolute Jacobian matrix values, which can be excluded in advance from the Jacobian matrix calculation, as they do not contribute significant information in the inversion procedure. A sensitivity analysis for both homogeneous and inhomogeneous earth models showed that each measurement has a specific region of influence, which can be limited to parameters in a critical rectangular prism volume. Application of the proposed algorithm accelerated almost three times the Jacobian (sensitivity) matrix calculation for the data sets tested in this work. Moreover, application of the least squares regression iterative inversion technique, resulted in a new 3D resistivity inversion algorithm more than 2.7 times faster and with computer memory requirements less than half compared to the original algorithm. The efficiency and accuracy of the algorithm was verified using synthetic models representing typical archaeological structures, as well as field data collected from two archaeological sites in Greece, employing different electrode configurations. The applicability of the presented approach is demonstrated for archaeological investigations and the basic idea of the proposed algorithm can be easily extended for the inversion of other geophysical data.     

Three-dimensional geostatistical inversion of synthetic tomographic pumping and heat-tracer tests in a nested-cell setup

A main purpose of groundwater inverse modeling lies in estimating the hydraulic conductivity field of an aquifer. Traditionally, hydraulic head measurements, possibly obtained in tomographic setups, are used as data. Because the groundwater flow equation is diffusive, many pumping and observation wells would be necessary to obtain a high resolution of hydraulic conductivity, which is typically not possible. We suggest performing heat tracer tests using the same already installed pumping wells and thermometers in observation planes to amend the hydraulic head data set by the arrival times of the heat signals. For each tomographic combinations of wells, we recommend installing an outer pair of pumping wells, generating artificial ambient flow, and an inner well pair in which the tests are performed. We jointly invert heads and thermal arrival times in 3-D by the quasi-linear geostatistical approach using an efficiently parallelized code running on a mid-range cluster. In the present study, we evaluate the value of heat tracer versus head data in a synthetic test case, where the estimated fields can be compared to the synthetic truth. Because the sensitivity patterns of the thermal arrival times differ from those of head measurements, the resolved variance in the estimated field is 6 to 10 times higher in the joint inversion in comparison to inverting head data only. Also, in contrast to head measurements, reversing the flow field and repeating the heat-tracer test improves the estimate in terms of reducing the estimation variance of the estimate. Based on the synthetic test case, we recommend performing the tests in four principal directions, requiring in total eight pumping wells and four intersecting observation planes for heads and temperature in each direction.     

布谷鸟马尔科夫链蒙特卡洛混合高斯地质统计学随机反演

地质统计学随机反演可以获得比常规反演更高分辨率的结果,目前已成为储层高分辨率预测的主流方法.地下不同岩相储层参数存在明显差异,本文在地质统计学反演框架下构建了岩相和储层参数同步反演目标函数,实现不同岩相条件下储层参数分布精细描述.在求解该高维数据多参数同步反演问题时,本文将可以动态调节搜索步长的布谷鸟算法与马尔科夫链蒙...     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

重磁数据三维物性反演方法进展

综述了重磁数据三维物性反演方法中的几个关键问题.主要包括正演快速算法、反演框架、约束因子讨论、反演算法实现等方面.正演快速算法主要讨论了等效存储几何格架技术、基于GPU加速的并行计算技术以及小波压缩技术.三维物性反演则是在最小二乘意义下使目标函数达到极小的线性或非线性反演.指出,对于特定地质问题需要谨慎选择不同且合适的约束方法乃至反演算法,才能达到好的效果.最后讨论了重磁数据三维物性反演较好的应用前景及发展方向.     

基于振幅加权的拖缆与海底地震资料联合波形反演方法

南黄海新近系沉积层与其下方中-古生代海相地层之间速度差异大,存在强波阻抗界面,导致接收的浅部和中深部地层的反射波振幅差异极大.一般全波形反演方法未考虑不同界面反射波振幅的差异,对南黄海浅部沉积层速度的反演效果好,而对中深部地层速度的反演效果差.为此,本文提出一种基于振幅加权的拖缆与海底地震资料联合波形反演方法.该方法对中深部弱反射波数据施加较大的权重,对浅部强反射波数据施加较小的权重,从而均衡浅、中和深部地层反射波的振幅,使得自浅至深所有地层速度均能得到较好反演效果.同时,该方法利用海底地震资料和拖缆地震记录积分的低频成分反演低波数背景速度场,利用拖缆资料的高频成分提高反演模型的分辨率,充分发挥了拖缆和海底地震资料的优势互补作用,获得了比仅使用单一资料更好的反演结果.根据地震剖面和钻井资料,建立了南黄海中部隆起的速度模型.利用该理论模型的合成地震记录对本文方法进行了测试和分析,验证了本文方法的正确性和有效性.

     

地震走时与重力数据的联合反演

对目前的地震走时与重力数据联合反演发展进行了简要的概述。首先,从两类数据单独反演的基本原理出发,对两者进行了分析比较,并由两者参数间存在的相互关系,可将两类数据归并、统一到一个系统,合理地进行联合反演。其次,根据目前国内外的相关研究,介绍了当前联合反演的两种算法:依次反演和同时反演。最后,对联合反演中存在的问题进行了讨论。     

基于交叉梯度耦合的大地电磁与地震走时资料三维联合反演

为了有效解决目前大地电磁和地震走时资料单方法反演结果一致性不好的问题,同时克服基于岩石不同物性参数间关系耦合约束联合反演的局限性,本文研究了基于交叉梯度耦合约束的大地电磁与地震走时资料的三维联合反演算法.以较为成熟的天然地震走时资料三维正反演和大地电磁三维正反演算法为基础,实现了具有共同的反演网格,以交叉梯度结构耦合约束,并能同时获得电阻率和速度模型的三维联合反演算法.分别利用单棱柱体模型和双棱柱体模型合成数据进行了联合反演试算.结果表明:无论是单棱柱体模型还是双棱柱体模型,联合反演结果比单独反演对异常体的空间形态都有更好的恢复,其中单棱柱体模型反演的异常体电阻率更接近于真实电阻率,双棱柱体模型的联合反演结果不仅消除了围岩的部分电阻率假异常,而且增强了对异常体深部速度结构特征的恢复程度.联合反演还能同时改善电阻率和速度反向变化异常体的单独反演结果,进一步证明交叉梯度耦合不依赖于岩石物性关系,而强调地下结构的相似性,具有更普遍的适用性.     

基于变密度模型的位场界面反演

在波数域中用重力反演莫霍面深度时通常假定壳幔密度差为一常数,但这只是一种近似的密度模型,本文采用了密度随深度呈指数变化的变密度模型来反演莫霍面深度,给出了利用指数密度模型在波数域中计算重力异常的正演公式及界面深度的反演公式.利用指数密度模型及重力资料反演了青藏高原莫霍面的深度,分析了莫霍面的特征.结果表明,青藏高原莫霍面呈现出边缘浅、中部深的特点,边缘变化快、梯度大,中间变化梯度趋缓.中心地带的羌塘地体莫霍面深度达74 km,向四周慢慢变浅至67 km左右,边缘地区突然变浅至50km左右.通过常密度模型、变密度模型及地震反演得到的莫霍面的比较,证实变密度模型更适合于莫霍面结构的反演.     

基于地震数据子集的波形反演思路、方法与应用

地震数据与地下介质物性参数之间的复杂关系,决定了地震全波形反演在理论方法上面临着强烈的非线性难题.地下不同物性参数的不同分量在地震数据上具有不同的表现,勘探的不同阶段对地下介质模型的精度也具有不同的要求,这就决定了在地震全波形反演过程中不必时刻追求地震数据全部信息的匹配,部分信息的匹配就有可能解决现阶段的某些问题,还可以一定程度上规避匹配全部地震信息所遇到的强烈非线性难题.基于这样的考虑,我们提出了利用地震数据子集进行波形反演的思路,给出了统一的反演方法,并通过基于包络数据子集以及反射波数据子集的波形反演的理论模型与实际资料反演试验,证明了所提出的波形反演思路和方法的正确性.     

部分区域约束下的交叉梯度多重地球物理数据联合反演

交叉梯度联合反演方法通过对多种地球物理模型实现结构耦合,在岩石物性关系不确定的情况下,既能提高反演结果的可靠性,又能减少反演的多解性,还能减少不同方法解释结果之间的矛盾.当不同的模型观测数据覆盖范围不一致时,交叉梯度联合反演通常需要取出重叠区域数据进行联合反演,并且建模时还要扩展一些模型范围.本文首先提出并实现了部分区域约束下的交叉梯度多重地球物理数据联合反演算法;接着进行了算法的模型试算;最后,我们将该反演算法用于本溪-集安深部地质调查重磁电综合地质地球物理解释中.结果表明：该算法不但能在重叠区域内很好地恢复结构相似的模型,而且在非重叠区域与重叠区域的边界处仍然可以得到平滑变化的模型;在本溪-集安10号剖面所获得的结构上相似的电阻率、密度及磁化率模型较好地反映了该区的深部地质结构,对于确定深部地质体的性质提供了有力的证据.     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.

     

大地电磁的人工鱼群最优化约束反演

大地电磁的反演问题是非线性,如果采用线性反演方法容易陷入局部极小,使得反演结果非唯一性严重.本文将人工鱼群算法引入到地球物理反演之中,提出了非线性的大地电磁人工鱼群最优化反演.该方法不需要进行偏导数的求取,可以对反演的范围进行约束,以减小反演结果的非唯一性.同时我们对搜索步长进行了改进,给出适用于大地电磁反演的人工鱼群参数.大量的理论数据试算表明,人工鱼群反演算法能够较好地寻找到全局最优解.实测数据的处理结果表明,该方法可以用来处理实际资料,并且能够取得很好的应用效果.     

重力与地震资料的模拟退火约束联合反演

联合反演是综合地球物理研究的重要定量解释手段.本文在总结和分析重力与地震资料联合反演的研究现状基础上,利用改进的全局寻优的快速模拟退火算法,实现了重力和地震资料的约束同步联合反演.针对性地设计了密度和速度界面不完全一致的模型,理论模型的试验说明了方法的效果和适用性.结合最近完成的广东徐闻地区实际资料的处理和解释,表明该方法可准确确定复杂构造物性界面的密度和速度结构,在该地区的油气勘探中发挥了作用.在先验信息约束下,该联合反演方法要明显优于单独的重力反演.     

井地磁异常模量联合反演

三维反演是磁测数据定量解释的重要方法,在金属矿勘探中扮演着重要的角色.但是在实际矿区的应用中,传统的磁总场异常反演方法依然存在两个问题：一是地面磁异常反演的深度分辨率较低,深部场源体的成像效果差;二是金属矿中可能包含强剩磁,反演结果可能是完全错误的.尽管前人对上述两个问题分别进行了广泛的研究,但尚未尝试同时解决这两个问题.本文在前人研究的基础上,提出了一种井地磁异常模量联合反演方法,该方法需要的控制参数少,无需加入额外的地质信息,且可用于多场源复杂磁异常的反演,具有较强的适用性.本文方法首先将地面和井中磁异常转化为模量数据,然后利用基于核函数或距离的加权函数将井地模量数据结合起来,使得该方法适用于联合反演.我们利用井地多种异常参量进行反演的模型试验表明,在强剩磁存在时,本文方法的效果优于其他方法,在减少剩磁影响的同时,也改善了深部成像效果,具有良好的应用前景.

     

基于交叉梯度约束的重力、磁法和大地电磁三维联合反演

为了降低单一地球物理方法反演的多解性及受噪声的影响程度,本文围绕重力、磁法和大地电磁法开展了三维联合反演的研究.重、磁采用基于对数障碍法的正则化反演算法,大地电磁使用limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno（L-BFGS）反演算法,引入交叉梯度函数实现了三种物性结构的相互耦合,最终开发出一套重磁电三维联合反演算法,并实现MPI并行加速计算.通过理论模型算例验证了算法的准确性,结果表明：不论是单棱柱体模型还是组合棱柱体模型,联合反演结果相较单独反演对于异常体的空间形态刻画以及物性数值恢复具有较好的提升;单棱柱体模型算例使得异常体的物性参数（密度、磁化率和电阻率）更加接近于真实的物性参数;组合棱柱体模型的联合反演结果不仅仅消除了围岩物性参数的假异常,而且还增强了异常体边界结构的恢复程度.

     

重力数据3D密度成像中EXTR方法的各参数变化对反演结果的影响(英文)

Tikhonov正则化(TR)方法在重磁数据处理中发挥了重要的作用,本文在研究如何利用Tikhonov正则化方法方法解决重力数据3D反演的同时,深入讨论了可进一步提高拟合误差的Extrapolation Tikhonov正则化方法(EXTR)的原理,并就其参数选择方法及各参数对拟合误差、迭代次数及反演结果的影响进行研究。常密度及变密度组合模型试算结果表明,与TR方法相比,EXTR方法不仅可以达到解释人员设定的先验拟合误差水平,在计算时间及迭代次数相应增加的前提下有更高的拟合精度;同时其反演结果也更加紧致,进一步改善了TR反演结果的发散性;并且其反演数据范围更贴近预设模型参数范围,模型特征与预设模型密度分布吻合较好。