深层复杂介质全波场波形反演方法研究

Along with comlex surface condition, the low resolution data and the shortage of wide incident angle can also influence the accuracy of image and parameter inversion in deep complex media. These problems puzzle most oil fields of our country and it is difficult to solve by the conventional pre-stack depth migration and parameter inversion methods. The project plans to raise the accuracy of image and parameter inversion in deep complex media using the methods of waveform inversion, which obtain the optical model parameters by the information of kinematic and dynamic of wave-fields. The key technologies include the high efficiency and precision of forward modeling methods matching with inversion, the establishment of the objective function, the update of the parameter model and the optimal inversion methods. This project will study the key technologies of waveform inversion and select a reasonable and effective joint multi-domain waveform inversion method. As for the elastic wave equation can better describe the propagation of seismic waves in complex media and improve the accuracy of inversion, we can extend the input data to the elastic wave field and obtain velocity parameter, elastic parameters and anisotropy parameters. Ultimately we can fulfill the methods of high-precision pre-stack full wave-fields waveform inversion in the deep and complex media.

由于受复杂表层、地震分辨率降低和入射波角度信息不足的影响，深层复杂介质的成像和参数反演的精度较低。这是目前我国大部分老油区所面临的难题，常规叠前深度偏移和参数反演方法已经很难解决。本课题从波形反演的角度研究如何提高深层复杂介质成像及参数反演的精度，综合地震波传播的运动学和动力学信息以获取最优反演模型参数。其研究内容包括：与反演方法相匹配高效高精度的叠前正演模拟方法、目标函数的建立、参数模型的更新以及最优化反演方法。本课题将针对波形反演的关键技术进行理论和方法研究，选取合理有效的多域联合波形反演方法。同时考虑到弹性波方程能准确地描述复杂介质中地震波的传播规律，将输入数据从利用单一声波波场拓展到弹性矢量波波场，在反演速度参数的基础上，反演弹性参数及各向异性参数，最终得到适用于复杂介质条件下、面向深层目标的高精度叠前全波场波形反演方法。

深层复杂介质的成像与参数反演会受到地震分辨率低和角度信息不足问题的影响，成像和参数反演的精度较低。这是目前我国大部分老油区所面临的难题，常规叠前深度偏移和参数反演方法已经很难解决。经过三年的探索，在研究中取得了如下的研究成果。.1）正演模拟技术是波形反演方法的基础，研究中主要解决了两方面的问题。在波场模拟中影响反演的因素主要是正演过程的边界条件和数值频散。时间域波场模拟的边界条件如最佳匹配层等方法如果处理的不够准确，会将部分反射能量带回到计算区域中。然而在利用数据匹配方法做全波形反演时，这部分能量会得到加强，最终影响到反演更新的结果。另一个因素是数值频散。与边界条件相同，这种由于数值计算带来的误差在波形拟合时也会被放大。.2）研究中我们在单一参数的反演（纵波速度）的基础上扩展到多参数反演（横波速度、密度等参数）方面的研究。但是额外引入的参数会增加反演问题的病态程度，一般是通过对不同参数分级反演的策略来消除这种病态问题。通过结合多参数反演的结果，提高对物性参数（纵横波速度和密度）进行估计与反演的精度。.3）当初始模型与实际模型相差较大时，反演具有高度的非线性，梯度类方法极易陷入局部极值，如果初始速度模型包含比较精确的低波数成分，将会提高波形反演的稳定性与精度。课题在研究中结合走时层析和波形反演的全波形反演相结合的速度建模方法。走时层析可以不完全依赖初始速度模型，没有明显近似，适用于低信噪比数据，并且分辨率高，是一种具有较强稳定性、计算效率高的速度建模方法。走时层析方法提供波形反演所需的低波数初始速度模型，从而降低波形反演的非线性程度。.4）目前全波形反演主要面临着两方面的问题，一是反演过程中的局部极值问题，二是计算效率问题。近年来，CUDA编程技术为大规模科学计算提供了高效的计算平台和编程环境，为解决全波形反演计算效率问题提供了一种重要手段。GPU并行计算技术已经在地球物理勘探中得到了初步的应用并取得了较好的加速效果。课题在常规CPU计算的基础上，引入CUDA编程技术，利用GPU并行计算提高了反演的效率。