基于弱模型依赖目标函数的时频域全波形反演研究

发布时间：2020-06-20 11:00

【摘要】：随着石油勘探技术的不断发展,以及国家经济建设对能源的需求,勘探重心逐渐从构造勘探阶段转向岩性勘探阶段,并努力探查第二空间的矿产资源情况,这就对地震勘探技术的精度和效率提出了更高的要求。由于地震勘探的核心是地震波的传播速度,准确的速度模型是了解地下构造及岩性分布情况的关键。同时,速度模型的质量将直接影响着偏移成像的精度,以及后期地质资料的解释结果。目前,叠加速度分析、走时层析成像、偏移速度分析和全波形反演(FWI)等四种方法在速度建模应用中较为常见,但是前三种方法在复杂地质构造区域并不能满足高精度地震勘探的要求;而FWI方法可以充分利用了地震波的运动学和动力学特征来获取地下模型参数信息,具有复杂构造成像精度高、物性参数反演效果好等优点。虽然FWI方法在各方面都具有明显的优势,但是仍然面临着很多亟待解决的问题,例如:周期跳跃、初始速度模型依赖、观测数据低频缺失和弱散射梯度算子等。本文分别从地震波波形匹配、初始速度模型依赖、缺失低频重构和基于能量散射的直接包络导数等角度来解决FWI过程中对应的问题。可以将本文提出的四类方法和对应的研究成果概括如下:(1)从波形匹配的角度出发,利用时频域相位校正技术,来避免周期跳跃现象的发生,同时减弱FWI方法对初始速度模型的依赖。首先以时频域模拟数据的相位信息作为模板,来对观测数据进行相位校正,目的是使观测数据与模拟数据的波形相位相差在半个周期内,进而避免FWI过程中周期跳跃现象的发生。然后,在目标函数中引入了相位校正因子的概念,通过这种方式可以灵活地控制观测数据的相位校正量。同时还指出,相位校正过程不仅能校正因速度模型差异导致的相位偏差,还能够校正那些震源子波不准等原因产生的相位差异,进而提高FWI的精度以及反演的稳定性。最后,数值试验结果表明,时频域相位校正FWI方法在克服周期跳跃方面具有一定的优势。(2)充分利用时频域地震数据的相位信息,来减弱FWI目标函数的非线性程度,进而减弱FWI方法对初始速度模型的依赖。在加权的相位互相关反演过程中指出,可以在时频域利用指数相位信息,来避免直接求取相位过程中出现的相位缠绕,以及算法不稳定等问题。此外,将地震数据的振幅信息作为时频域目标函数的权重变量,这样能够有效地衰减观测数据与模拟数据相位不匹配的波至和能量较弱的地震信息,同时进一步避免了纯相位目标函数在反演过程中出现的梯度不均衡等问题。在数值试验过程中,当地震数据缺失6Hz以下的低频分量时,加权的相位互相关FWI方法可以获得高精度的反演结果。此外,含噪声试验结果表明,该方法不仅在降低初始速度模型依赖上有着一定的优势,还具有较强的抗噪能力。(3)提出波形模态分解方法来重构地震数据的低频分量,进而增大波形匹配过程中的容错范围。将重构的超低频地震数据应用到FWI方法中,可以有效地获得速度模型的大尺度构造,减弱对初始速度模型的依赖。本文还详细分析了重构波形和重构低频信息的可信度,并与Hilbert包络信号进行对比,指出Hilbert包络的整体形态与原始地震数据的波形相差较大。此外,从数字信号和强散射的角度详细分析了链式法则包络反演梯度算子的局限性和伴随震源低频丢失的根本原因。因此,本文为了将重构的低频分量完整地保留在伴随震源中,并把波形模态分解过程视为一种地震数据的预处理手段,这样可以避免链式法则双线性梯度算子对反演结果的影响。为了进一步增强波形模态分解低频重建的FWI方法的稳定性和抗噪性,提出多步反演策略,来逐渐减弱重构地震波形在目标函数中所占比重,进而达到高精度反演的目的。数值试验证明了多步波形模态分解低频重建FWI方法,在初始速度模型较差和缺失低频分量的情况下,也能获得高精度的反演结果。(4)本文在直接包络导数的基础上提出了振幅相位联合的反演方法,打破了Born近似的局限性,有效地减弱了地震反演方法对初始速度模型的依赖程度,同时能够很好地解决盐丘速度模型深部构造反演等问题。提出了包络振幅和包络相位的概念,并引入权重因子的概念来调节包络振幅和包络相位在目标函数中所占的比例,进而增强速度模型的深部反射信号,达到改善深部强反差速度模型反演和盐下高精度成像的目的。此外,在强反差速度模型反演过程中,利用直接包络导数来代替链式法则对应的Fréchet导数,并从能量散射理论的角度给出对应的梯度算子和伴随震源表达式。在FWI方法的基础上,提出振幅相位联合的FWI方法来更新盐丘速度模型中的细节信息。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.4
【图文】：

流程图,常规,流程图,基本流程

吉林大学博士学位论文全波形反演基本流程FWI 的核心思想是通过最小二乘目标函数来不断地拟合观测数据，并找物性参数使得观测数据与模拟数据误差最小，进而获得高精度的反演结以声学各向同性介质为例，来详细叙述 Lailly（1983）[1]和 Tarantola（1人首先提出的常规时间域 FWI 基本流程，如图 2.1 所示：

示意图,周期跳跃,现象,示意图

2.2 FWI 周期跳跃现象示意图（张盼，2018[254a）模拟数据；（b）观测数据；（c）模拟数据，若利用地震数据中的低频分量时（周期较长）不变的情况下，很容易满足公式的要求，即不会对应的频率较高，此时临界时间 T/2 变小，在要求，这在 FWI 过程中便会出现明显的周期跳量较为依赖，这也解释了为什么当地震数据缺失周期跳跃问题。此外，FWI 的梯度公式是在 B始速度模型与真实速度模型相差较大时，并不时互相关成像条件获得梯度信息主要为偏移的结强反射界面信息，但是其他区域速度反演效果并章进行详细论述。

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