应用地球物理读书报告

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 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,周波跃迁是引起迭代陷入局部极小的根本原因,由于地震数据是一种振动数据,因此周波跃迁普遍存在;3)成功的3D地震数据全波形反演需要低频分量和初始速度模型很好的耦合｡FWI反演中对初始模型的定义有很多争议,通常认为,在FWI反演中,初始速度模型的选择对于最终的反演结果并不敏感,只需要提供一个平滑､粗略的模型即可｡W.Weibull等人研究了FWI初始速度模型,认为地震数据的FWI反演求解问题是强非线性问题,通常采用基于波恩近似的梯度有关的算法求解,这类算法通常假定在每一个迭代步长上与速度有关的误差函数的导数能够用线性近似精确表达,这就要求初始速度模型能够尽量接近真实模型以避免周波跳跃,周波跳跃不能用波恩近似来描述.因此,建议采用波动方程来代替射线层析方法获得较精确的光滑初始模型｡实践证明,逆时偏移是提高成像质量的有效手段,其挑战主要表现在成像算法､高精度的速度模型､计算效率等方面.BinGong等提出了时间域基于逆时偏移3D全波形反演算子,该算子具有良好的计算效率,可减少反演结果对初始模型的依赖.最新的研究结果表明,一个成功的全波形反演应该在考虑振幅信息的同时,考虑旅行时信息.1.2计算效率及优化策略巨大的计算量一直是FWI技术能否推广应用的瓶颈之一,随着PCCluster､GPU等计算机技术的发展,FWI技术发展也看到了曙光.有关FWI计算效率及优化策略主要集中在两个方面:1)与FWI算法相关的优化策略;2)与高性能计算机技术相关的优化策略.本文主要从算法策略介绍有关优化策略.Purdue大学的ShenWang等人提出了基于大型并行结构的multi-frontal规划3D频率域全波形反演方法,该方法利用高斯-牛顿类型的优化算法计算经过震源照明后归一化的梯度,通过大规模并行结构的multi-frontal规划方法直接求解时间-调谐波场,每次迭代时需要分解大型的刚度稀疏矩阵,并在每一个迭代步长上采用优化策略,这种方法的关键在于将复杂的矩阵解法直接应用到FWI当中.通过2DSEAM模型数据和Statoil3DFWI模型数据试算,取得了良好的效果｡首尔大学的SeungwooChoi等人在综合分析不同类型边界条件的基础上,提出使用对数网格求解频率域弹性模型和全波形反演问题,由于网格间隔随距离呈对数关系增加,因此网格的数量将较常规方法大大减少,这对求解和提高FWI计算效率和减少边界效应大有裨益.受RTM互相关成像条件的启发,Total的FuchunGao等人提出了基于反褶积梯度的FWI反演方法,该方法以消耗部分照明为代价,相比常规的梯度算法具有很好的聚焦收敛速度.该方法应用反褶积类型的RTM成像条件而不是相关成像条件产生古典的梯度方向,该方法对应于梯度的先验条件,并在利用高斯-牛顿近似的海赛矩阵对角线上增加一个调节因子,这样做可以较大幅度的提升计算效率,模型数据测试表明可提高计算效率近三分之一｡1.3弹性波FWI与Q补偿提高成像精度,获取地下精确岩性和流体特征,是油气勘探永恒的话题,在过去的十几年里,SatishSingh等已经发展了一套1D和2D的全弹性波场反演,近年来TGS､PGS､ION等大石油公司在弹性波FWI及考虑Q补偿､地层吸收和衰减等效应的FWI技术研究领域投入了众多研发力量,体现了产业界对FWI技术研发的真正需求和最新方向｡将3D弹性波FWI应用于实际资料,是地球物理工作者的梦想.英国帝国理工大学的LluísGuasch,MikeWarner等人将3D弹性波FWI技术应用于北海3D多分量OBC数据和3DMarmousiII模型,取得了理想效果,并第一次分析了3D弹性波FWI方法的有效性,认为该方法仅仅利用单分量数据就能够很好的恢复P波和S波速度模型,提高下覆构造的成像精度,并很好的解决各向异性影响｡Q因子对油气岩性等有良好的指示.粘弹性方程因其可以很好的考虑介质吸收等因素的影响从而实现地层吸收反射透射等损失对高频信息的恢复具有重要意义41 .PGS的A.A.Valenciano等人提出了考虑层析Q估计和偏移补偿的粘声波成像与Q估计方法该方法首先利用一个积分层析方程将Q因子和利用地震数据计算的谱比联系在一起然后利用共轭梯度算法求解三维规划问题获得精确的Q模型Q模型随后可以和VTI或TTI各向异性介质模型结合在成像期间实现以模型导向的Q补偿和各向异性补偿.模型数据试算和来自北海的VTI野外数据证明了该方法提取了精确的Q模型将其应用到偏移中取得了良好的补偿效果.如何估算精确的Q因子模型是Q补偿和反Q滤波等技术实现中的关键环节CREWS的PengCheng等人提出了基于匹配滤波的Q估算方法该方法实现了在低信噪比无VSP数据等条件下估算Q模型的难题通过浅层和深层两个窄带时窗的频谱对比计算两个时窗内的最小相位等价子波然后通过正向Q滤波直接搜索Q范围其求解过程可归结为一个局部极小问题.频率域的层析反演方法已经被应用在共成像道集CIGs 上以实现对与频变有关的能量衰减.TGS的Yang He和Jun Cai等人提出了频率域Q层析反演方法根据在CIGs上中心频率的不同可以估算与频变有关的衰减｡弹性波FWI是当前最主要的研究课题,相对声波FWI而言,弹性波FWI的应用受到诸多限制,而声波FWI已经高端成像市场上的主要工具,这部分原因可归结为弹性FWI有限差分模型计算时的巨大计算消耗.Chamman(2010)年提出了一种被后人称为CHR的模型方法,通过该方法可以对声波有限差分进行弹性效应校正,这种校正相对声波有限差分要较多的计算时间,但比使用全弹性波模拟可节省更多的时间.在CHR的基础上,斯伦贝谢剑桥研究中心的BenVeitch等人导出了与校正模拟有关的逆时模型方程和成像条件,这就是伴随态的CHR校正方法cAdS.ION的JianyongBai等人提出了基于粘弹性声波方程的衰减补偿波形反演方法,粘弹性声波方程的显着的特点是我们能够中心网格上而不是利用跳跃网格实现波场延拓,这样可以大大降低计算量和降低内存消耗,该方法可很好的实现振幅衰减补偿､相位漂移等｡1.4 联合反演和成像FWI的应用可拓展到诸多领域,如成像方法和波形反演联合各向异性速度模型估算､深度域反演､层析全波形反演TFWI､FWI和MVA 联合双目标优化等方面,并取得了重要进展｡新一代的地震偏移成像方法应该将多次散射作为重要信息考虑,除此之外还应将速度估算等包括到偏移当中,这种独一无二的组合将使得地质家能够获得更高精度的油藏模型､更多的储层细节及减少不确定性.荷兰Deflt大学的A.J.Berkhout等人提出了联合偏移反演方法JMI,JMI由递归全波形偏移FWM和宽带FWI组合形成,这样可在获得高精度成像结果的同时也获得高精度的速度模型｡层析全波形反演TFWI兼备了层析和FWI的优势展示了在该领域的又一个发展方向.共成像点道集ADGIG中的剩余动校正量可潜在的应用于速度分析和AVA分析中.由于透射等传播损失以及临界角反射引起的相位漂移等因素的影响常规的AVA分析通常在深层并不能获得理想的效果朱新发等人将相位漂移等因素考虑到角度域共成像点道集ADGIG中通过对目的层ADGIG道集中的AVA振幅和PVA相位分析得出PVA比AVA更适合进行反演｡第2章频率域全波形反演算法的优化策略继时间域全波形反演之后反演问题在频率域也得到实现16-18 .频率域全波形反演有如下特点:1频率选择上只需要处理部分频率但需要大偏移距数据2频率域方法包含了衰减的处理而且比较小的频率可较好的压制随机噪声3频率域可进行炮集的LU分解处理但难以实现并行耗时4频率域方法占内存较大2.1 声波全波形反演在频率域的改进策略当模型比较复杂时全波形反演的目标函数有许多局部极小值通过初始速度得到一个初始模型可能仅仅获得了局部极小值而不是全局极小值解.最早研究19-23 都是将观测到的波场速度和模型参数之间用线性关系来考虑这种方法仅仅在初始速度模型很接近于全局最小时才有意义取而代之的是发展了将全波形反演方法应用到一组频率中.Bunks等24 提出一种在时间域的多网格方法按尺度分解反演问题这种方法从一组低频开始在反演的过程中逐渐包含高频信息前一阶段反演出的速度模型作为下一步的初始模型.由于波场数据与模型参数之间在低频段比在高频段更具有线性关系获得全局最小值可能性增大｡Sir gue and Pratt 提出了在频率域进行频率选择策略即全波形反演在被选择的三个频率下实现根据炮检距距离从低频到高频进行反演.但是此方法初始速度模型是从射线追踪旅行时反演中获得的很接近全局最小值而且由于它仅仅选择几个频率故具有较低的稳定性｡Bunks等24 提出一种在时间域的多网格方法按尺度分解反演问题这种方法从一组低频开始在反演的过程中逐渐包含高频信息前一阶段反演出的速度模型作为下一步的初始模型.由于波场数据与模型参数之间在低频段比在高频段更具有线性关系获得全局最小值可能性增大｡2.2 基于逆时传播算子的频率域全波形反演YuZhang等26 提出在逆时概念下进行全波形反演反传播地震数据和震源匹配.为简化反演问题使反演比较有稳定并提出应用全波形反演到-p变换后的数据在波的传播过程中提高有效的照明孔径基于反传播的全波形反演对地震数据的噪声和振幅误差敏感性降低地震子波也可以很好的被处理特别是由于相位信息已知震源匹配问题将大大简化减少计算量｡FWI反演至关重要的问题是合成记录中要获得每一个反射点的尽可能精度接近于实际炮记录的时间和振幅,为了获得高精度的模型,FWI要求地震数据具有可靠的振幅和极高的信噪比在实际中很难达到而且由于密度模型在反演中是未知的FWI仅能正确处理垂向速度比产生的折射.因此为防止噪声泄露对地震数据的预处理是必须的.为解决上述问题Lailly198327 和Tarantola6将反传播算法引入到时间域地震反演为全波形反演方法的改进作出很大的贡献.许多研究者也想将此算子引入到频率域全波形反演中Pratt等16 实现了将反传播算法应用到频率域全波形反演中反传播算法中无需直接计算偏微分波场计算量将大幅减少｡2.3 频率域对数全波形反演在传统的频率域全波形反演方法中最小平方值的波场对反演结果影响很小.但是对数全波形反演的目标函数对一些小值非常敏感会引起梯度方向的数值不稳定.因为这些小值可能会增加目标函数的非线性.Youngseo Kim等提出对对数波场进行滤波来提高梯度方向上的稳定性进而提高算法收敛于全局最小值｡远偏移距道或者后至地震波等数据能谱值很小的值很多对于这些数据对数目标函数的解收敛于全局最小值非常难可通过滤波祛除这些最小平方谱的小值来减少局部极小值的数目.虽然初始模型不接近真实的速度模型但滤波的结果提高了初始模型收敛于全局极小值可能.由滤波技术获得反演的速度模型代替没有滤波的反演初始模型时会提高反演的收敛性.另外Youngseo Kim等还指出如果将滤波反演应用到其他的目标函数中也能获得比较理想的反演结果.第3章Laplace域全波形反演反演一个最基本的问题-非唯一性问题只有解决了这个问题才可以进一步延伸到3D弹性反演算法的解决.Shin和Chas32 最近研究在Laplace域进行全波形反演解决非唯一性问题.虽然Laplace域全波形反演不能得到像频率域一样高的分辨率的成像但是它能取得长波长的速度构造甚至从没有低频分量的数据中.因此Laplace域反演能反演出高速度差的模型这是从局部离散的频率域反演中所得不到的.Suk joon Pyun等33 使用迭代解法发展了Laplace域的3D弹性波反演与直接求解不同此方法可以适用于大尺度3D地震全波形反演.假定震源是垂向激发的最好的策略是使用垂向位移来构建目标函数能够估计高分辨率全波形反演和速度偏移的初始速度模型.针对深海环境Dongkweon Lee等34 提出一种使用直达波剥离方法的Laplace域全波形反演方程由没有直达波的震源估计而得与一般的对数正态的Laplace域全波形反演反演相比更适合应用到深海环境中｡第4章FWI的典型算法——共轭梯度法共轭梯度法是一种经典算法，常用于求解非线性最优化问题，它是一种快速，高精度的解法。