基于特征强化U⁃Net的地震速度反演方法

基于深度神经网络的地震速度反演方法面临的挑战是:时间域地震数据与空间域模型信息间语义映射的弱对应关系导致多解性;神经网络将地震数据映射到速度模型过程中缺少有效引导,易受噪声干扰,影响反演精度。为此,提出一种基于特征强化U‑Net的地震速度反演方法。首先,通过多炮地震数据特征叠加使输入网络的地震时间序列信号与对应速度模型之间的空间关系更加明确;其次,基于多尺度特征融合的思想设计具有不同尺寸卷积核的模块,以增强网络对有效特征的学习能力;然后,利用注意力门引导网络,增强网络重点关注的特征;最后,结合瓶颈残差和预激活的思想,在网络中加入预激活瓶颈残差,避免梯度消失和网络退化。实验表明,该方法在地震速度反演方面具有更高的精度,并在抗噪声测试中效果较好,具有一定的泛化能力。

基于平均速度分析的近地表纵波速度反演

面波频散曲线对于横波速度、纵波速度、层厚等近地表地球物理参数的敏感度相差较大,现阶段通过频散曲线可以获得较为精确的近地表横波速度与厚度信息,但无法直接对纵波速度进行反演.研究表明,泊松比对于波长(W)-探测深度(D)关系较为敏感.基于这一发现,本文根据频散曲线与反演获取的横波速度结构计算平均速度,获取W-D关系曲线.但合成数据测试证明,因近地表浅层对应的W-D曲线变化较小,且浅层纵波速度反演不准确会使误差累积,直接反演W-D曲线无法获取可靠的纵波速度剖面.本文改进了基于平均速度分析的近地表纵波速度反演方法,在目标函数中加入了对浅层信息较为敏感的W/D-D信息,同时对W-D曲线与W/D-D曲线进行联合反演.合成数据测试证明可以获取较为准确地浅层与深层纵波速度.将该方法应用于实际地震数据中,联合反演得到的纵波速度剖面与微测井数据较为吻合,证明本文提出的方法可以不借助其他信息,仅通过面波频散信息,获取更为准确地近地表纵波信息.

基于自适应速度趋势函数的约束层速度反演方法

论文研究了复杂构造区初始层速度约束反演问题。首先得出初始层速度模型的精度对偏移速度建模的质量和迭代稳定尤为重要,常规方法在构造复杂区使初始速度模型产生的误差易导致最终偏移速度模型地质意义失真、真实构造特征掩盖等问题。提升初始速度模型与地下地质特征的匹配和精度成为关键。基于此,论文提出了基于自适应速度趋势函数的约束层速度反演方法。在常规方法的基础上,利用复相关法在时间域剖面上获得地质构造的连续性与变化,并将其作为构造响应算子形成针对性的影响域和权重融入速度趋势函数中,使该函数自适应地质构造特征,提升初始速度模型的精度。再通过对基准速度和速度趋势对深度的梯度进行样条拟合,构建趋势函数的全局高频异常约束,有效预防在构造突变区产生异常高频,进一步增强算法的稳健和可靠性。理论模型和实际数据的测试,验证了本文方法的有效性,反演得到的层速度模型更符合地质规律,并能更好地解决构造复杂区层速度模型的连续性问题,有利于提高复杂构造叠前深度偏移成像精度。

基于Scholte波频散特性的深海海底横波速度反演

深海环境下海水的声波速度是非匀速的,变速的海水会影响海底Scholte波的频散特性,为了提高利用Scholte波频散特性反演海底横波速度的精度,需建立速度连续变化的水平分层海水-分层海底(HLSLS)模型。本文基于波动理论推导HLSLS模型Scholte波频散方程和振幅深度方程。然后,基于南海海水声速剖面和实际海底弹性介质参数,分析深海环境海水速度变化对Scholte波频散特性的影响。最后,将方法用于南海深水OBS地震数据反演得到一条二维海底横波速度剖面,反演结果很好的指示了海底天然气水合物储层的分布。结果表明:深海环境下,利用海底OBS数据中的Scholte波反演海底浅层横波速度结构是可行的,南海实际深水OBS数据应用进一步验证了方法的准确性和实用性。

基于振动加速度的转向架构架载荷反演研究

获取铁道车辆构架空簧、附属部件、轴箱弹簧及橡胶节点等关键接口在服役过程中的载荷特征是落实轨道车辆结构健康监测工作需要解决的关键问题。文章建立车辆系统动力学模型,推导了考虑转臂轴箱局部细化的车辆横向、垂向的动力学模型,并以此为基础使用卡尔曼滤波方法,通过系统状态方程对系统状态量进行估计反演计算,探索转向架构架载荷的估计方法。研究结果表明:考虑轨道不平顺激励的情况下,转向架构架的垂向载荷估计值与仿真值的相关性达到0.8以上,横向载荷估计值与仿真值的相关性超过0.6,估计值与仿真值时频域的变化趋势一致性较好。综合以上结果,可以证明该载荷估计方法在针对轨道车辆构架的关键接口载荷的反演计算中具有足够的精确性和稳定性,能够为后续对转向架关键位置的损伤监测与评估、剩余寿命计算和结构设计优化提供数据依据。

面向深层干热岩体的全波形速度反演建模方法

随着勘探深度增加,地震信号衰减严重,常规速度建模方法精度较低,无法满足深层干热岩体高精度勘探的需求。为提高速度建模的精度,采用全波形反演方法,但受局部优化算法的限制,其应用存在收敛速度慢、反演深度浅以及容易陷入局部极值等问题。为此,对梯度应用预条件处理和平滑处理,并使用共轭梯度优化算法,以解决地下照明不均匀问题,提高反演深度、精度和收敛速度。同时,为缓解局部极小值问题,引入局部相似性全波形反演方法来更新初始模型,并对构建的干热岩模型进行数值测试。结果表明:即使在初始模型极不准确的情况下,该方法仍能避免周波跳跃的不利影响,实现稳健的迭代更新;该方法能够显著增加反演深度和精度,并且对高速岩体有较好的刻画,最终能获得浅、中、深全层系高精度速度模型;提出的全波形反演方法为深层高温花岗岩体的勘探提供了一个切实可行的建模流程。

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。

基于全波形反演速度约束的叠后地震反演方法

对于井数较少或者沉积相变化较快的地层,利用测井曲线建立的反演低频模型难以控制反演弹性参数的空间变化趋势。据此笔者发展了基于FWI速度约束的叠后地震反演方法,该方法充分利用了FWI速度的真三维信息,据此得到反演弹性参数的空间变化趋势。对于叠后地震反演所需要的纵波阻抗低频模型,提出了基于测井岩石物理拟合关系将FWI速度转换为FWI纵波阻抗的方法。另外,针对FWI纵波阻抗和测井纵波阻抗存在一定差异的问题,提出了FWI纵波阻抗均值校正方法,据此可得到较为准确的纵波阻抗低频模型。单井和实际工区应用表明,纵波阻抗反演结果和井上结果匹配性较高,因此笔者提出的基于FWI速度约束的叠后地震反演方法较为有效,可为储层预测提供较为有利的技术支持。

基于叠后反演的深度偏移高精度速度建模技术

塔里木盆地顺北探区广泛发育有二叠系火成岩,火成岩引起的速度变化严重制约着下伏地层成像,火成岩速度准确与否对提升下伏地层成像有着重要意义。为此,对二叠系火成岩测井岩石物理与地震响应特征进行分析,发现速度场能够很好的反映火成岩沉积变化趋势,采用基于速度场约束建模方法构建模型,得到高精度初始速度模型,结合叠后反演明确火成岩速度体空间展布特征,将火成岩速度体应用于深度偏移速度建模,较好解决因测井资料局限而无法开展火成岩速度体精准描述的问题,提高深度偏移速度模型的精确度,深度偏移成像构造准确。

速度频变特征参数反演技术在湖相碳酸盐岩储层中的应用

针对湖相碳酸盐岩储层存在分布范围广、分布规律认识不清的问题,且常规叠前三参数反演结果虽然能够体现碳酸盐岩的展布特征,但难以分辨含油气有效储层。储层的流体识别描述是寻找油气储量接替阵地和提高钻探成功率的重要工作,利用与频率相关的地震属性进行储层描述现已成为储层研究的热点,实际地震资料中地震波通过含烃类储层时会发生速度衰减与频散等粘弹现象,因此,反映速度频散的属性在一定程度上可以分辨含油气储层。从速度频散现象出发,基于地震岩石物理测试分析结论,研究流体识别新办法,通过地震反演提取该速度频变特征参数,实现储层含油气性检测,最终精细描述碳酸盐岩有效储层的展布范围。

联合多源数据反演郯庐断裂带南段地壳三维速度结构

郯庐断裂带南段位于不同块体交汇区,高分辨率的地壳速度结构有助于理解该地区的构造特征及成因.本文基于多源数据,利用2015年安徽实验中气枪的体波和高频面波,2008—2018年区域地震体波信号以及背景噪声面波频散等资料,将不同来源、不同周期的面波频散数据和体波走时进行联合反演,获取了郯庐断裂带南段的高精度地壳速度结构.研究结果表明:(1)加入面波信息进行联合反演后,获取的P波和S波速度模型的分辨能力较单一体波数据反演在中下地壳均有显著提升.(2)郯庐断裂带是控制区域异常的主要因素,两侧具有明显的速度差异.地震主要发生在断层附近,集中分布于高低速交界区.(3)秦岭—大别造山带下方5~10 km深度存在明显的高速异常体,对应于超高压变质岩,是大陆深俯冲经历超高压变质作用后折返上升到中上地壳形成的.(4)长江中下游成矿带的矿集区呈现高的P波和S波速度值,可能是陆内俯冲、岩石圈拆沉、幔源岩浆底侵和一系列成矿作用共同造就的.

速度约束的海洋大地电磁聚焦反演方法

本文利用海洋地震探测方法对速度、密度连续性发生变化的地层成像精度高的优点,提高海洋大地电磁(MT)反演空间分辨能力,提出速度约束的海洋MT聚焦反演方法,可以将OBS深部地震探测获得的速度结构模型作为先验信息引入到海洋MT反演目标函数的模型约束泛函中,对反演迭代过程中的电阻率模型施加速度结构约束。根据南黄海千里岩隆起区构建的速度-电阻率模型的反演测试表明,基于MGS聚焦稳定泛函的大地电磁反演方法可以得到高阻层以下的低阻层结构,速度约束下的海洋MT反演可以进一步提高对电阻率估计的精度:在速度约束信息准确的情况下,可以大幅提高海洋MT反演对电性结构的垂向分辨能力;当高速屏蔽层下不同地层波阻抗差异很小而影响速度模型精度时,该方法仍可利用速度梯度信息进行层位约束,提高相应层位识别能力。

利用接收函数两步反演法研究小江断裂带及邻区地壳S波速度结构

文中基于2011年9月2日—2014年1月16日小江断裂带及邻区48个台站的远震三分量波形数据提取径向P波接收函数,采用两步反演法和Bootstrap重采样技术反演了各台站下方的S波速度结构,对小江断裂带及邻区的地壳深部结构进行了研究。结果表明:1)研究区地壳的S波速度在横向和垂向上都存在明显的非均匀特性,近地表处有2~4km厚的低速沉积层;中上地壳的S波速度呈高、低速相间分布;在20~35km的深度范围内存在明显的低速层,主要间断分布于小江断裂以西的川滇菱形块体和红河断裂以南的印支块体内部,另外在师宗-弥勒断裂附近也有局部分布。2)小江断裂带中、北段壳内低速层较为发育,以中段最为突出,最厚约达28km;南段在15~25km深度范围内存在明显的高速区。3)研究区的泊松比普遍较低(平均为0.24),呈不均匀分布,且横向变化剧烈,小江断裂带的泊松比总体呈北段较高、南段次之、中段低的分段特征;研究区壳内低速分布与泊松比间的对应关系不明显,大部分低速层似乎缺少发生部分熔融的条件,其地球物理结果的差异和不一致说明壳内低速层的变形演化机制及物理特性较为复杂。

滨里海盆地东缘速度建模方法研究与应用

滨里海盆地东缘阿克若尔地区石炭系碳酸盐岩顶面低幅度构造具有较大的油气勘探潜力,由于上覆下二叠统地层分布复杂,横向速度变化大,使得石炭系低幅度构造成图存在很大难度;为了解决研究区构造快速成图的问题,通过3种速度建模方法对比,优选出分频层速度反演方法,建立研究区的速度模型,解决了分频层速度反演受常规层速度反演方法横向连续性的限制问题,对下二叠统碳酸盐岩异常体的速度刻画更为准确;同时,分频层速度反演方法与井—震速度谱协同速度建模方法和常规井约束层速度反演相对比,提高了研究区下伏石炭系低幅度构造的深度域成图精度,取得了较好的效果。

一种基于改进共轭梯度法的弹性波全波形反演速度分层建模方法

陆上地震资料由于低频信息缺失、波场复杂等问题,加剧了反演的非线性。基于改进共轭梯度法的时间域多尺度分层反演方法有效重建了纵、横波速度场。研究结果表明:(1)利用时窗筛选早至波信息,使用小炮检距早至波数据自低频至高频多尺度重建浅层速度场,可以减少中深层反射波及噪声的强非线性影响;固定浅层速度,采用全波场的全偏移距数据可重建中深层速度场。(2)整个反演过程均利用基于移动加权平均的改进共轭梯度法进行速度场的迭代更新。改进的共轭梯度法可增强反演的稳定性,提高深层速度建模质量,同时反演收敛更快;分层反演策略可兼顾浅层低速和深层高速,采用大小不同的有限差分网格,保证波场模拟精度的同时减少了计算量,提高了反演计算效率;改进共轭梯度法的多尺度分层反演策略可有效降低陆上实际资料带来的非线性影响,使共成像点道集拉平程度更好,纵、横波速度场均得到有效恢复。

利用双偏振参量估计降水粒子下落末速度及三维风场反演的应用

降水系统三维风场反演的关键问题之一是准确地估算降水粒子下落末速度(W_(t)),为了探究双偏振雷达估计W_(t)的能力,利用广东省龙门地区的雨滴谱数据,建立了W_(t)与S和X波段双偏振雷达观测量的关系,并且将其应用于广州和韶关两部雷达的风场反演。对华南地区2019年4月发生的一次飑线过程进行风场反演试验,分析讨论了此次飑线过程的风场结构配置,并探索了利用不同方法估算的W_(t)在反演出的风场结构上的差异。结果表明:S和X波段雷达通过回波强度(Z H)和差分反射率(Z DR)估算W_(t),其函数形式为幂函数和一次函数,通过Z DR估算的W_(t)均方根误差相较利用Z H估算的W_(t)均方根误差更小、相关系数更大,因此通过Z DR估算的W_(t)的效果更好。此次飑线过程主要从西北向东南方向发展,风场主要是西风和西南风,在飑线前部弓状回波区域内存在明显的辐合区,垂直结构是低层辐合、高层辐散。对比利用不同方法估算W_(t)得到的三维风场,其水平风场变化主要集中在±1 m·s^(-1)的范围,水平经向风速的变化(Δu)主要是正值,水平纬向风速的变化(Δv)主要是负值,垂直方向上风速的变化(Δw)集中在±0.15 m·s^(-1)内,主要是正值,低层Δu、Δv、Δw较高层小。研究结果为降水系统三维风场反演及垂直速度反演提供了参考依据。

基于绝对加速度观测量的地震动时程及结构参数识别研究

针对未知地震作用下框架结构的参数识别问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)的地震动时程反演与结构参数识别方法。首先,将首层底板的层间边界力视作未知外激力,利用未知激力下的EKF算法识别此未知激励以及其余层的剪切刚度;其次,采用傅里叶变换,从绝对加速度时程中获取结构基频,进而根据特征方程识别首层刚度系数;最后,基于识别的结构参数,进一步修正未知边界力,并结合Newmark-β法反演地震加速度时程。文中通过5层框架模型数值算例和振动台试验验证了本文算法的有效性。

场地土层速度结构的背景噪声反演方法及其应用

散射场理论能全面地考虑背景噪声中各类型波场的共同作用,基于散射场理论的噪声水平和竖向谱比(NHV)将地表观测与地下介质固有的特征相联系,可用于地下土层速度结构的反演.目前快速有效的全局NHV反演方法亟待发展.本文将遗传模拟退火混合反演算法与基于散射场理论的NHV正演方法相结合,提出了一种基于背景噪声波场NHV反演场地土层速度结构的全局反演方法.对模型参数的敏感性分析表明土层的纵波波速VP、横波波速VS、厚度h以及基岩层的VS参数是影响NHV的主要因素,土层和基岩的密度ρ对NHV的影响可以忽略.通过理论算例与唐山响嘡竖向台阵观测数据的检验以及与已有同类方法的比较,表明本文发展的场地土层速度结构的背景噪声反演方法能获得很好的反演效果,能为获取场地土层的模型参数提供一种低成本且快速有效的途径.

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中,频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上,提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性,通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性,通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性,聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好,精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中,结果也验证了该方法的有效性.

基于时变卡尔曼滤波的中途VSP钻前速度反演及在地层压力预测中应用

地层速度的变化是孔隙压力预测过程中的敏感参数之一,而岩层的性质、岩石的成分等众多因素则影响着速度的变化,导致其预测和估计的复杂性和困难性。本文首先利用中途垂直地震剖面(VSP)获得的已钻井段的时深关系及钻头前方未钻井段反射波场信息使用多元回归模型对地层速度预测问题进行建模,其显著特点是众多影响因素以属性形式作为输入模型,然后使用卡尔曼滤波器来求解该多元回归模型的参数,预测得到钻头前方地层速度。鉴于输入的VSP走廊叠加资料及衍生属性具有比常规地震更高的分辨率,从而使得预测得到地层速度也具有更高分辨率。基于以上工作基础上,我们将基于VSP预测获得的速度应用在地层压力预测中,并实际应用在琼东南盆地高温高压井中,预测了钻头前方300 m的地层速度,进而估算钻头前方地层的孔隙压力。后续的实测结果表明,预测结果较为可靠,为安全钻井提供了技术支持,验证了本文方法可行性。