基于局部存储策略的声波全波形反演方法

全波形反演作为一种高精度地下速度模型建模方法,自提出以来就受到了地震勘探领域的广泛关注.然而在时间域全波形反演中梯度计算需要存储或恢复震源波场,这会导致存储大量数据或额外的震源波场重构计算,使得全波形反演的实用化受到波场重构的制约.为此,本文提出了一种基于局部存储策略的声波全波形反演方法.依据奈奎斯特采样定理设置存储间隔,通过存储每个空间网格点有限时间区间内的有效波场来计算梯度,达到减少存储震源波场数据量、避免波场重构进而提升效率的目的.与其他方法相比,本方法无需波场重构且所需内存大小与正演模拟的差分精度和记录时长均无关.二维和三维推覆体模型合成数据的反演测试均表明:本方法能够在不重构波场的情况下保证反演结果的精度和信噪比,有效提高计算效率并显著降低对计算机内存的需求.

海洋拖缆与海底节点资料联合全波形反演

全波形反演(FWI)能够建立地下介质的高精度速度模型。受检波器制约,海洋拖缆资料通常缺少可靠的低频成分,因此基于拖缆资料的FWI容易发生周期跳跃,导致目标函数收敛于局部极值。海底节点(OBN)资料含有比拖缆资料更丰富的低频成分,联合使用OBN资料与拖缆资料进行波形反演,能够弥补低频缺失问题。然而,拖缆资料与OBN资料的震源子波不同,而波形反演结果受震源子波的严重约束。为此,提出一种不依赖震源子波的拖缆与OBN资料联合波形反演方法。在构建目标函数时将模拟数据和观测数据分别与对方的平均道进行褶积,以消除联合波形反演中的震源子波误差,达到不依赖震源子波的反演效果。使用Marmousi模型合成的拖缆资料与OBN资料进行了模型测试,验证了所提方法的可行性和有效性。

钻孔瞬变电磁法拟地震全波形反演

钻孔瞬变电磁法是将发射与接收装置布置于钻孔中,因距离目标体近,探测精度得到提升,有利于煤矿钻孔周围含水体精细探测.常规的钻孔瞬变电磁法通过多分量响应近似判断异常体方向,难以对异常体的边界位置进行刻画,而且因瞬变电磁场的扩散特征,常规的反演方法对地质异常体的边界位置分辨率偏低.针对以上问题,结合钻孔瞬变电磁法扫描探测定位方法,通过波场转换将钻孔瞬变电磁法数据转换成虚拟波场数据,然后进行全波形反演与成像.针对虚拟波场直达波能量较强且属于干扰波,采用剪切波变换去除虚拟波场直达波,避免了虚假界面;其次由于波场转换过程中核函数病态性强的特点,引入虚拟电导率,降低了虚拟波场速度,从而降低了波场转换核函数病态性;为了对虚拟波场进行高精度反演与成像,分别采用阻尼最小二乘法和伴随状态法实现虚拟波场全波形反演.结合钻孔瞬变电磁法探测的数值实验得出阻尼最小二乘全波形反演方法的反演结果更加准确,可以实现对钻孔孔壁外围地层信息的精细刻画,提高了钻孔瞬变电磁法扫描探测的效果.

基于指数相位相关性目标函数的全波形反演

全波形反演(FWI)已成为获取浅地表高分辨率S波速度(VS)的有效方法。为了克服FWI在野外应用中的一些挑战,文中引入了一种基于指数相位相关性的目标函数,该函数不依赖于测量和模拟数据的振幅信息。文中采用伴随状态方法高效计算目标函数相对于模型的梯度,并分析了新目标函数的形状。使用受随机噪声污染的模拟数据,证明了该目标函数对随机噪声的鲁棒性。此外,使用在考古遗址上采集的地震数据作为基准数据集,测试了基于指数相位相关性的全波形反演方法在真实野外环境中的性能,同时还添加了随机噪声以进一步评估目标函数对噪声的鲁棒性。文中所得反演结果与该遗址已有的速度结构非常相似,并已通过独立的考古挖掘验证。因此,基于指数相位相关性目标函数的FWI具有在实际野外情况下显著提高浅地表成像准确性的潜力。

基于变差分系数的变网格弹性波全波形反演

全波形反演充分利用地震波传播的振幅、相位和旅行时等信息,相较于旅行时层析能够获得分辨率和精度更高的反演结果。当浅层介质速度较低时,为了保证正演模拟精度,通常需要使用较细的网格对低速层进行采样。然而,对整个模型用细网格剖分会导致巨大的计算量以及存储量,同时模型的高速区域也会产生过采样现象,这些问题会在全波形反演过程中被进一步放大。为了避免这些问题,引入了一种基于变差分系数的变网格弹性波动方程有限差分正演模拟方法。首先,基于Taylor展开式推导了变网格波场模拟的差分系数,实现了变网格波场模拟;其次,将变差分系数正演模拟方法应用于全波形反演中的正演模拟、残差反传和波场重构中,实现了基于变差分系数的变网格弹性波全波形反演。在全波形反演时,分别采用多尺度反演策略和常规的共轭梯度法迭代求解。使用细网格剖分速度较低的浅部低速层和粗网格剖分速度较高的中深层,既可以保证浅层的反演精度,又可以避免中深层的过采样。模型数据反演结果表明,基于变差分系数的变网格全波形反演相较于均匀粗网格全波形反演可以更有效实现低速异常体的准确刻画。含噪数据测试表明,提出的全波形反演方法具有较强的抗噪性。

井工煤矿全波形反演的初始模型构建探究

为提高全波形反演在井工煤矿工作面的运算效果,探究了三维程函方程求解时间场的方法,由透射初至走时反演刻画出初始模型,通过建立含断层的复杂地质模型理论计算正反演来验证算法可靠性。依据小保当二号煤矿工作面实际数据,通过折射横纵波有效信息,初步刻画煤岩分界,改进初始模型,提升全波形反演梯度结果,研究成果可用于煤矿工作面的高精度探测,建立更优全波形反演系统。

混合域特征波全波形反演速度建模质控方法

常规的速度建模方法速度模型精度低,往往不能改善断层阴影带成像质量,通过采用混合域特征波全波形反演技术能加快全波形反演运算速度和收敛。同时提出成像剖面叠合分析、收敛性分析、测井速度与全波形反演速度对比分析、实际炮集与正演炮集波形对比分析、全波形反演模型与观测记录相似系数对比分析五步法全波形反演速度建模质控方法 ,并建立了目标泛函收敛是判断全波形反演是否收敛最直观的参数,目标函数不下降表明反演不收敛;全波形反演速度趋势与测井趋势要相吻合;正演炮集与实际炮集特征波对比越接近,目标泛函数值越小;正演炮集与实际炮集相似系数越大越一致,表明反演速度越精确等混合域特征波全波形反演速度建模质控主要标准。应用该质控方法,在较为准确的背景速度基础上应用构造约束混合域特征波全波形反演技术,引入较为准确的断层信息,建立精度更高的速度模型,提高了断层阴影带成像质量,有效改善了断层阴影带下盘构造成像畸变现象。

三维地震全波形反演技术在煤矿综采工作面的应用

煤岩界面的识别是煤矿智能化建设的关键一环,为解决此难点,以三维地震全波形反演技术为研究基础,采用建立目标函数和寻找最优化方法进行分析,对某矿工作面煤岩界面进行了详细探查。结合实际工作面地震资料,通过理论分析与实际计算,得到研究区全波形反演三维速度结构模型,并与巷道揭露情况进行误差对比分析,其结果表明:1)三维地震全波形反演可在井工煤矿下观测系统进行实际应用,可较为准确地反演出煤层顶底板界面三维空间形态特征;2)相较于地面三维地震的垂向精度5~30 m,该方法实际揭露计算误差纵波速度模型结果垂向平均误差为±1.3 m左右,横波速度模型结果垂向平均误差为±1.8 m左右,精度明显提升;3)三维纵波速度模型对煤层顶底板界面识别效果优于三维横波速度模型结果,对于横波结果,纵波结果识别精度平均提升27.78%;4)通过三维纵波速度模型可最终构建煤层顶底板三维空间特征,为煤层顶底板界面识别提供一种思路。

基于近似解析离散化算子的频率域弹性波全波形反演方法

全波形反演是一种利用地震波传播的动力学特征来获取地下介质物性参数的反演方法,可为揭示地下精细结构提供重要依据。本文以弹性波方程作为数学模型来模拟地震波传播规律并进行相应的反演方法研究。为提高计算效率与反演结果的准确性,可将近似解析离散化(NAD)算子用于频率域弹性波方程的正演模拟。本文在频率域NAD离散的基础上推导阻抗矩阵的稀疏分块结构与反演目标函数对模型参数的梯度计算公式,由此建立基于NAD算子的频率域弹性波全波形反演方法。为验证该方法的有效性,文中通过数值实验对多种典型介质模型进行反演计算,均得到了理想的反演结果。

主动源全波形反演在内蒙古居延海坳陷多资源勘查中的应用

主动源全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)是一种基于波形匹配的高分辨率成像方法,近年来在近地表高分辨率成像中得到了较多的实际应用.然而,由于周期跳跃等因素导致的强非线性特征使得该方法对初始模型的准确性和地震数据的质量具有较高的依赖性.初始模型与地下实际结构较大的偏差、数据中的噪声及低频成分缺失等问题都会导致反演过程中陷入局部极小值,从而难以收敛到真实的速度结构.目前,FWI主要用于处理海上数据,在短偏移距陆地数据的应用中仍面临着较大挑战.内蒙古居延海坳陷拥有丰富的煤和油气资源,勘探开发潜力很大,但由于地质条件较为复杂,构造不清,迫切需要对地下进行高精度、高分辨率成像以进行细致研究.本研究利用该地区采集的可控震源地震勘探数据,采用多目标函数FWI获得了2 km以浅的高精度纵波速度结构.同时,通过波形对比验证了速度模型的准确性,并基于波形反演获得的速度模型进行Kirchhoff叠前深度偏移,获得了高分辨率的深度域反射剖面.成像结果揭示了研究区域的4套主要沉积地层,为后期对该区域的进一步研究提供了重要依据,并通过程序开源共享为国内大量主动源活动构造探测提供了一套可靠的高分辨率反演成像流程.

嫦娥四号着陆区次表层介电特性全波形反演与仿真验证

介电特性是决定雷达波在物质中传播速度的重要参数.嫦娥四号测月雷达提供的高垂向分辨率次表层雷达剖面信息有助于加深对月球次表层物质介电特性的理解与认识.全波形反演法充分利用雷达波场的运动学和动力学信息,根据雷达波模拟结果与真实数据的差异计算更新参数,迭代初始介电模型实现对次表层介电剖面的反演.本文结合嫦娥四号测月雷达数据与时域有限差分方法下均质模型和随机等效介质模型的雷达回波特性,确定随机等效介质模型能够更好地模拟嫦娥四号着陆区次表层物质的介电特性.全波形方法反演的介电模型与真实模型在大部分区域的相对介电常数误差小于0.2,为反演月壤厚度及构建次表层温度模型提供了重要的数据支撑.

弹性波全波形反演中时频域单频能量谱初始建模技术

弹性波全波形反演(EFWI)是一个高度病态的非线性过程,反演精度十分依赖初始纵横波速度模型的精度和多分量炮集中的可用低频成分。当初始模型精度过低且输入的三分量炮集中缺少有效的低频信息时,反演往往不能收敛于全局极小,导致反演失败。本文研究了一种基于时频域单频能量谱反演的EFWI初始模型构建方法:先利用S变换从缺失低频信息的炮集数据中提取不同频率的单频能量谱,然后推导了时频域能量谱反演的目标函数、梯度表达式以及伴随震源公式,实现了多分量数据的弹性波单频能量谱反演,以单频能量谱反演结果作为初始模型进行混合域多尺度EFWI,最终实现了低频信息缺失情况下多波数据的高精度的EFWI。模型数据测试结果表明:该方法能够在多分量地震数据缺失低频信息时反演得到良好的初始纵横波速度模型,进而提高EFWI的反演精度。

基于Sigmod数据规则化的2-Wasserstein全波形反演方法

作为一种有效解决传统全波形反演(FWI)中周波跳跃问题的方法,基于2-Wasserstein距离的全波形反演(OT-FWI)通常需要采用适当的数据规则化方法。为此,将Sigmoid函数作为数据规则化方法引入OT-FWI,形成基于Sigmoid的OT-FWI方法。Sigmoid函数可以限制数据的取值范围,将小于0的部分映射到接近0的值。与常用的数据规则化方法如仿射尺度规则化和指数归一化规则化方法相比,Sigmoid函数可以更好地利用地震数据中小于0的相位信息,从而进一步提高反演精度。1D Ricker子波测试结果表明,基于Sigmoid数据规则化的2-Wasserstein全波形反演方法可以有效提高目标函数的凸性,并增加共轭震源中的低频信息。将该方法应用于胜利模型数据和中国东部某勘探区实际地震数据进行测试,结果表明,相对于传统的数据规则化方法,基于Sigmod数据规则化的2-Wasserstein全波形反演方法可以进一步提高模型反演的精度。

全波形反演在复杂地表三维地震资料处理中的应用——以HQ工区为例

由于HQ工区目的层埋深浅,受复杂地表影响存在较大范围的空炮段,故在三维地震资料处理中常规速度建模方法得到的速度模型精度低、成像效果差。通过总结分析全波形反演数据准备与常规数据处理的差别,将基于armousi模型的全波形反演技术于HQ工区三维地震资料处理中进行测试应用,并开展应用效果评价。应用结果表明,全波形反演技术可以准确还原复杂地表条件下地下介质的结构和性质,建立较高精度的地下速度模型,对应的叠前深度偏移成像效果具有明显提高。研究结果证实了全波形反演技术的优越性,对于全波形反演技术于复杂地表地区的应用具有一定的参考价值。

基于走时层析成像的全波形反演算法识别混凝土内部缺陷

该文提出一种基于走时层析成像的全波形反演算法并应用于混凝土构件内部缺陷位置和尺寸识别。通过多个数值算例进行验证,结果表明:基于走时层析成像的全波形反演算法不仅能够较好地识别混凝土板内部缺陷的具体位置和尺寸大小,而且其成像精度相对于既有的走时层析成像算法也有较大的提升。

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.

全波形反演在缝洞型储层速度建模中的应用

速度是地震偏移成像准确与否的关键所在.全波形反演综合利用地震波场运动学和动力学信息,能够得到相比传统速度建模方法更高频的成分.全波形反演的理论比较成熟,但实际应用成功的例子相对较少,特别是对于陆上地震资料.塔里木盆地地震地质条件复杂,为了实现缝洞型储层的准确成像,本文开展了针对目标靶区的全波形反演精细速度建场研究.采用一种时间域分层多尺度全波形反演流程:首先通过层析成像建立初始速度模型;其次利用折射波反演浅层速度模型;最后利用反射波反演中深层速度模型.偏移成像结果表明基于全波形反演的速度建模技术能有效改善火成岩下伏构造的成像精度,显示了全波形反演在常规陆上采集资料的应用潜力.

三维声波全波形反演的实现与验证

全波形反演利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下地球物理参数,具有揭示复杂地质背景下构造细节及岩性的潜在能力。介绍了频率域反演联合时间域正演的优化算法的三维声波全波形反演方法及算法实现。该算法的正演实现使用了伪保守形式的一阶速度-压力场声波方程。应用三维SEG/EAGE模型反演实例验证了三维声波全波形反演方法的有效性。

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.

基于精确震源函数的解调包络多尺度全波形反演

本文提出解调包络方法来重构地震记录中缺失的低频信号,同时该方法能够降低全波形反演的非线性程度;提出伴随状态震源函数反演方法来得到精确的震源函数,并推导了梯度计算公式;解调包络方法结合低通滤波技术,实现了从低频到高频的多尺度反演策略,有效缓解了全波形反演的周波跳跃问题.数值算例证明了解调包络、伴随状态震源函数反演方法和低通滤波多尺度反演策略的可行性及优越性.震源函数反演精度测试结果表明:即使观测记录在缺失低频信息的情况下,也能反演得到精确的震源函数.缺失低频测试和抗噪能力测试结果表明:即使地震数据中缺失9Hz以下的低频信号或者信噪比极低的情况下,利用反演得到的精确震源函数进行解调包络多尺度全波形反演,同样可以得到高精度的全波形反演结果.与Hilbert包络全波形反演对比结果表明:解调包络在重构低频和降低伴随震源主频方面具有一定优势.