第0章 概论

地球物理学的基本方法是通过研究各种地球物理场的特征来揭示地球内部复杂的结构和构造.地球物理反演问题就是根据各种地球物理观测数据推测地球内部的结构形态及物质成分定量计算各种相关的地球物理参数.过去几十年中反演理论在全球地球物理界获得了广泛应用.在许多情况下反演提高了常规地震分辨率并不同程度地改善了储层参数的研究条件获得优化的数据体提高对资源的评价能力更好地为油田开发研究勾绘出可开采区提出有利的井位建议因此人们对地震反演技术研究的兴趣不断增长.地震反演已成为油田勘探开发研究中的常规技术而且正在成为储层特征定量研究中的关键环节.

近年来,随着油气资源的减少,对油气勘探也提出了更高程度的要求?与此同时石油勘探中勘探目标的日趋复杂化和勘探方法技术的发展,人们对地震勘探的数据采集?处理?解释技术要求也越来越高?在此过程中,对于地震勘探而言我们用到最多同时也是最重要的参数就是地质结构的速度了,我们所做的各种处理工作对其要求是很高的,只有这样才能产生理想的结果?然而,地下的速度参数并不是事先就预知好的?我们为了获得更加可靠的地下速度信息,已经发展了很多种复杂的速度提取方法?其中,波形反演方法是以波动方程为基础,其优点是反演依据充分,不仅可以利用同相轴的振幅及旅行时信息提取物性参数,而且可以有效的排除偶然因素的影响并利用完全的波场信息,不采用高频?弱散射等假设条件,所得到的速度参数结果将比其他方

法更加真实可靠?由于基于波动方程的波形反演方法直接采用微分方程模型,能够充分利用地震信息,可以得到更加精确可靠的反演结果,近

些

年

全

波

形

反

演

(FullsizeWaveformInverision

http://www.woquwang.com FWI )已经成为国内外研究的热点?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层结构,具有揭示复杂地质背景下构造与储层物性的潜力.全波形反演既可在时间域也可在频率域实现,频率域相对于时间域反演具有计算高效?数据选择灵活等优势.近五年来全波形反演技术在反演频率选择策略?目标函数设置方式?震源子波处理方式?梯度预处理方法?初始模型建立?效率优化等方面取得了进展?

FWI是具有挑战性的数据拟合的过程(用预测地震记录去拟合已知观测地震记录),它基于对来自地震图像中抽取的量化信息的全波形的模拟?期望得到以传播的半波长所成的高分辨率图像?

FWI的关键组成是有效的正演模拟手段和局部差分方法,在其中梯度和Hessian算子能被有效地估计?然而,由于初始模型的有效精度?低频的缺失?噪音的存在和混合波的近似模拟,局部最优化不能防止误差函数朝着局部最小值方向收敛?然而,为使它如偏移技术一样普遍仍需要重大飞跃?挑战可列为如下:1建立精确的具有自动程序或带有低频记录的模型2为减少FWI对振幅错误的敏感度和增加当估计混合参数组时的稳健性?即:要使波形反演更加实用和具有可行性,还要在其效率的提高?对噪音的抵抗性?精确初始模型的建立等多方面做更加深入而细致的研究工作?FWI还未被认为是有效的地震成像技术,

因为最前沿的应用被局限于地震反射数据?对短偏移距观测来说,地震波场对中等波长相当不敏感;因此,通过迭代更新最优化不能充分重建真实的速度结构?只有当给出一个充分精确的初始模型时波形拟合才能通过这种更新收敛于速度结构?

第1章 全波形反演研究进展

早期的地球物理反演问题源于地球物理学家对于未知的地下信息的探索,波形反演也不例外?波形反演方法把在地震图像中的所有信息内容被考虑到最优化之中,比如旅行时和振幅信息,这样其在理论上具有有很大优势,可是因为巨大的计算量巨大,而在早期有没有高性能的计算机可以实现,所以一直都没有得到大规模使用?早至二十世纪七八十年代,经过地球物理学家的努力,就已经实现了波形反演的诸多方法?如Taraniol (l983)和Berkhout(1984)等人就提出了地震反演初步的可行方法,像梯度法?梯度法由于不用求Jacobian矩阵的,只要计算出梯度方向就可以,再取适当的步长,就能对速度进行迭代更新明显,可减少对计算量的要求,从而可以使得初始模型数据不断逼近观测数据,直到最佳,这样梯度法成为了八十年代的主流方法?Mora(1989)将该方法由于计算弹性问题,得出了波场中的长波长成分不易恢复的结论?虽然当时Tarantola(1984)得出了一种更加便捷的算法-高斯牛顿反演,但因为巨大的计算量,这种方法不能得到大规模实现?但随着计算机的发展近,此数字算法被证实是比梯度法更加精确快捷的?Pratt等

(1998)使用虚震源方法计算偏导数波场实现了牛顿法反演?Bunks[20]等人(1995)提出了基于尺度分解的多重网格方法?孟鸿鹰等人(1999)提出了小波变换法?在过去的十年里,随着计算机的发展,波形反演变得更加热门,出现了在三维介质?时频域并进的局面,而且真的将其应用于地震勘探的实际中,尽管目前其方法技术还不够成熟相比于已广为接收和认可的偏移技术,但这短短的几十年间已经进步很大了?然而正如上面所提到的,要使波形反演更加实用和成熟,还要在其效率的提高?对噪音的抵抗性?精确初始模型的建立等多方面做更加深入而细致的研究工作,而这无疑地球物理学家提出了更为严峻的挑战?

从Tarantola提出基于广义最小二乘反演理论的时间域全波形反演方法,FWI技术已日益成为改善成像效果,提高速度模型建立的主要手段,为区域深部构造及演化分析?浅表层环境调查?宏观速度场建模与成像?岩性参数反演提供了新的有力工具.越来越多的学者开展了许多开拓性的研究工作,声波FWI已经成为高端成像市场上的主要工具,弹性波FWI?提高计算效率?提高算法的可靠性?低频分量处理?边界条件设定?推进实用化?初始模型建立等已经成为当前重要的研究热点?

1.1初始模型建立策略

NikhilShah等人就初始模型精度对FWI反演结果的影响进行了分析认为:

1)初始模型需要很好的精度;

2)随着反演迭代达到全局最小或者最终累计误差最小,周波跃迁