基于近偏地震数据约束的全波形反演方法研究

The lack of low frequency, limited observed aperture, inaccurate initial model and strong nonlinearity between seismic data and parameters are the reasons for the ill-posed problem of seismic data full waveform inversion. Convex objective function is generally used to solve the problem, but it still be affected by the complex wavefield of pre-stack data. Therefore, it is proposed to use the near-offset seismic data, through the post-stack processing method, to constrain the pre-stack full waveform inversion. Because of the small amount of data and the clear relationship of wave group, it is beneficial to the matching of seismic attributes. The computational cost and nonlinearity are also lower than pre-stack inversion, which can provide background velocity for subsequent inversion. For the problems of zero-offset data lost and no zero-offset data residuals, we use different offset data for migration. At the same time, considering the migration components in gradient, the combined inverse scattering imaging and the image guided angle decomposition are used to improve the suppression effect. For the problem of wave number coverage caused by uneven illumination, we use the extended model domain information, image guided regularization and Total Variation regularization to improve the wave number continuity. Therefore, it can further improve the applicability of full waveform inversion and the accuracy of parameter reconstruction, which is of great significance to improve the success rate of exploration.

地震资料低频缺失、有限观测孔径、不准确初始模型以及地震波场与介质参数之间的强非线性特性是造成地震资料全波形反演不适定的主要原因。采用凸目标函数是解决此问题的有效途径，但仍会受到叠前资料复杂波场的影响。为此，拟采用近偏地震数据，通过叠后正演、偏移方法，对叠前全波形反演进行约束。近偏资料数据量小、波组关系清晰，有利于地震属性匹配，且计算成本和非线性都低于叠前反演，可为后续反演提供背景速度。针对实际缺少零偏数据和无零偏数据残差问题，采用分偏移距数据进行偏移处理解决。同时，考虑到梯度中偏移成分干扰问题，采用逆散射成像组合压制及偏移引导角度分解提高偏移成分压制效果；而针对照明不均匀引起的波数覆盖问题，则通过构建扩展域梯度、偏移引导正则化及全变分正则化补偿部分波数缺失，提高波数连续性。由此，可进一步提高全波形反演的适应性和参数重建精度，对提升勘探成功率具有重要意义。

全波形反演能够给出高分辨率的参数反演结果，但目标函数的强非线性使其结果极易落入局部极值。本研究分别通过远、近偏移距地震数据约束，利用走时属性降低反演非线性，以获取浅部及深部的低波数速度。研究包括：构建基于包络的透射波走时反演方法，缓解地震数据相位变化对目标函数及伴随震源的影响，以改善近地表速度更新效果；针对反射波走时差拾取问题，构建基于全局互相关的反射波走时反演方法，该方法通过基于互相关的动态规整算法以全局最小累积距离为最优准则，全局表征理论和实际反射波的走时偏差。通过由近及远偏移距搜索，缓解了横向走时差拾取不连续问题。并给出了基于克希霍夫偏移的反射波波路径构造方法，考虑到当前时刻走时残差由之前时刻累积，通过沿时间反向积分以构建数据域波路径，而后采用克希霍夫偏移将数据域波路径投影至模型域，从而实现深部低波数成分的有效更新。.同时，针对地震波反演成像及偏移成像中的噪声问题开展了以下研究：高效的波场方向分解方法，该方法通过频散关系及时间差分构建参考波场及相位变化波场，可在不引入过多波场存储及额外波场数值模拟的前提下实现任意方向波场分解，从而压制非物理机制产生的成像假象；地层倾角成像方法，通过地震波场的波矢量方向估计构建地层倾角成像道集，利用梯度算子将成像波场矢量化，而后映射至估计的地层倾角方向以提升地层成像分辨能力；基于多次叠加估计的VSP成像噪声压制方法，通过波矢量方向计算估计不同地层倾角的覆盖次数，利用数据的冗余叠加信息压制VSP成像假象；基于BiInNet的实时速度分析方法，在传统地震反演成像方法基础上，通过轻量级网络骨架，利用抽象化地震数据属性特征，以实时反演地下速度信息，在测试集及实际数据中均取得一定效果。.本研究在低波数速度反演、地震反演及偏移成像噪声压制、深度学习速度反演等方面的研究成果将有助于推动全波形反演方法的实际应用，为复杂构造储藏勘探奠定基础。