全波形反演––一种最前沿的物探新技术

      在过去的几十年里,全波形反演(FWI)在地震技术领域中发展迅速。今天,全波形反演在应对我们在油气勘查中所遇到的技术和业务挑战时,其研究和应用正在取得不断的进步。该技术的标志性应用包括从速度建模到在复杂环境中生成高分辨率的地下图像。近十年来在全波形反演方面开展的重要工作,十分清楚地展示了它是地球物理研究中最重要的课题之一,它具有从地震数据中发掘出更多地下信息的潜力。

      最近,勘探地球物理学会协会(SEG)刊物《The Leading Edge》原来打算出一期关于“全波形反演”的专刊,但由于反响过于强烈,收到的论文数量太多,最终决定分两期发表。

       第一期主要报道针对技术挑战方面的最新进展。比如,因不完备的初始模型导致的周期跳跃(cycle skipping)、最常使用的目标函数普遍具有的振荡性质、数据中多次反射的处理、通过引入数据的反射部分使常规的全波形反演打破仅使用传导部分数据的局限、在闭合框架体系中处理成像和全波形反演问题、重新思考通过局部算法解决局限性区域问题以稳定和降低计算成本、通过转换为线性问题来创新解决非线性难题以及由地下各种参数引起的多参数问题,等等。

       该期的结构安排如下。在开篇文章中,Vigh等打破常规全波形反演在能量传递方面的限制,使用反射数据更新了复杂的墨西哥湾盐下层的背景图像。Mao等利用一种弯曲(warping)目标函数来解决周期跳跃问题,并利用由图像引导的平滑化来减少全波形反演梯度中的采集痕迹并保留断层附近的细节信息。Verschuur等从弹性反射率和传播算子来描述地震数据,其优点在于发射算子不考虑走时,传播算子无散射,从而使得反演更加接近线性。Kormann等通过简化这些函数的参数,在模型的初始化、约束条件和数据预处理方面实现了全波形反演的自动化,从而降低了与全波形反演相关的不确定性并减少了手工参与。Malcolm & Willemsen提出了一个新的显著降低反演成本的全波形4D反演方法,即将问题局限于一个局部运算可以加快收敛的区域。Metivier等详述了在解决周期跳跃或相位模糊问题上取得的进展,其方法是使用一种关于最优化传输问题的有效而又不太复杂的公式,对目标函数进行凸包分解。作者进一步展示了在初始模型不佳时的应用情况。Mazzoti等使用一种节点间距较宽的粗网格来参数化反演参数,并利用全局优化技术(如遗传算法)来解决反演问题,而正演问题则在较细密的网格上进行模拟。Alkhalifah等提出了一种将散射(scattering)特征参数化的新方法,这些参数将影响全波形反演,因为这些参数对在正交各向异性条件下所用模型中的不同阶段、规模和位置的数据都较为敏感。

       第二期重点是全波形反演野外资料的应用,覆盖了从常规传感器、双传感器和海底电缆,到规范化以及超越各向同性的全波形反演问题。作为本专题第二部分的开篇,Routh等对在黑海西部采集的地震数据采用高分辨率的全波形反演方法,直接生成了可解释的速度、波阻抗和地震反射系数的数据集。接下来,Benfiled等对特立尼达和多巴哥(Trinidad and Tobago)近海的窄方位数据进行全波形反演,结果表明这种反演技术有益于近海勘探和开发,并可降低风险。除识别出多个浅层地质体以外,他们还利用高分辨率的速度模型,在处于高压状态的断层下盘中精确预测出了孔隙压力,由此降低了钻探风险。

       Xie等利用宽方位的海底电缆数据来解决在渤海湾遇到的成像难题。他们采用比较实用的正交全波形反演工作流程,生成了可以根据不同的方位角对地震图像中的构造差异进行调整的速度模型,从而改善了断层面聚焦效果并克服了断层阴影问题。Brandsberg-Dahl等介绍了一种同时利用反射波和透射波,以找回速度模型的长波长特征的新技术,并通过墨西哥湾的实测数据证实了该技术的有效性。另外,他们还提出了一种规范性方案,来解决在全波形反演中由于地质体可能存在强烈反差而引起的问题。

       Raknes & Arntsen同时利用现场数据和合成数据探讨了开展与声学全波形反演相反的弹性波全波形反演的重要性、其中的困难以及可能的解决方案。Peters & Herrmann提出,在地下(比如盐体附近)速度出现较强烈不连续的情况时,通过加入约束条件而不是在目标函数中增加惩罚因数,可以取得更加可预测的全波形反演结果。

       另外,在SEG另一个刊物《Interpretation》上也专门发表了一期有关该主题的文章,主要介绍了全波形反演在海上拖缆数据(窄方位和宽方位)中的一些应用案例。可以说,目前油气行业利用全波形反演技术已经有效地解决了复杂成像所带来的部分挑战,但主要还限于海上,陆上则还没有成功的案例报道。国内油田多在陆上,海上研究得不多。但国内对陆上地震资料的全波形反演策略也在进行了验和研究(王杰等,2017)。

       全波形反演技术是油气行业从可获得的地震数据中生成高分辨率和高质量速度模型的最好工具。随着地震采集方法的进步,能够提供更可靠的低频、长偏移、宽方位和多分量的数据,以及随着计算技术、反演算法、假定条件和工作流程的完善,期待全波形反演方法能不断扩大影响和应用领域。相信在不久的将来,由全波形反演给出的高分辨率的岩石特性图像将弥补甚至取代地震剖面图,成为描述地下特征的主要工具。

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