频率域粘声介质全波形反演关键问题研究

Along with seismic exploration going deeper, oil development gradually turns to lithological exploration in deep and complex media. Complexity in media always cause great difficulties for seismic data acquisition, processing, and interpretation, especially, it brings more challenges for accurately obtaining physical parameter information. To fit for the increasingly complicated oil-gas exploration targets, the project will selects visco-acoustic media equation, which is closer to the characteristics of real strata, to obtain velocity and quality factor by using full waveform inversion. The research has important theoretical significance and application value for describing the characteristics of oil-gas reservoirs, implementation of exploration targets, and deep understanding of geological research. This project intends to study three key issues for frequency-domain visco-acoustic full wave inversion. We will establish a quantifiable coupling relationship between velocity and quality factor, and propose an adaptive preconditioning method controlled by the parameters coupling relationship according to the gradient characteristics of the objective function. By designing a double-regularization method based on shaping regularization and well-constrained regularization, we can get a frequency-dependent gradient expression of the objective function. The truncated Newton iterative algorithm provides a quick and accurate approach to calculate the inverse Hessian matrix, and gets the model perturbation. By studying relevant scientific issues, we will improve the theoretical connotation and matching algorithms in frequency-domain visco-acoustic full wave inversion. Finally, we establish a practical workflow for visco-acoustic full wave inversion.

随着地震勘探工作不断深入，石油开发逐渐转向深层复杂介质岩性勘探。介质复杂性对地震数据采集、处理和解释都造成极大困难，尤其对复杂介质中物性参数信息的准确获取提出了更多挑战。为适应日渐复杂的油气勘探目标，选择更接近实际地层性质的粘声介质方程对地层速度与品质因子进行全波形反演，对描述油气储层性质、落实勘探目标、深化地质认识具有重要理论研究意义和应用价值。本课题拟针对频率域粘声介质全波形反演中三个关键问题进行研究；建立地层波速与品质因子的量化耦合关系，针对目标函数梯度的特点，建立参数耦合关系控制下的自适应预条件方法；提出基于整形正则化和测井约束正则化的双正则化方法，建立频变目标函数梯度表达式；通过截断拟牛顿迭代算法快速、准确地计算Hessian逆矩阵，完成模型扰动量的计算。通过解决频率域粘声介质全波形反演的相关科学问题，完善相关理论内涵和匹配算法，建立一套实用性较高的粘声介质全波形反演方法流程。

随着地震勘探工作不断深入，石油开发逐渐转向深层复杂介质岩性勘探。介质复杂性对地震数据采集、处理和解释都造成极大困难，尤其对复杂介质中物性参数信息的准确获取提出了更多挑战。为适应日渐复杂的油气勘探目标，选择更接近实际地层性质的粘声介质方程对地层速度与品质因子（Q值）进行全波形反演，对描述油气储层性质、落实勘探目标、深化地质认识具有重要理论研究意义和应用价值。.本课题以复杂介质地震波动理论和数学反演理论为基础，针对粘声介质中地震波场传播的基本地球物理问题，通过研究地层速度与品质因子Q 值的耦合关系以及目标函数梯度的稳定计算问题，建立了参数耦合关系控制下的目标函数梯度；通过增加正则化约束来减小了数据照明不足、噪声以及参数耦合对反演结果造成的多解性；通过研究计算模型扰动量的截断牛顿算法，解决了粘声介质全波形反演中Hessian 逆矩阵的快速、准确计算问题。.总体来说，本课题的核心研究内容包含：①研究地震波场对于速度和Q 值耦合关系的响应，通过复速度定义，建立速度和Q 值的敏感度表达式，在理论上分析速度与Q 值的耦合关系。同时，将复速度转换为速度和Q 值作为独立参数构成的模型向量，定义对应的目标函数梯度子空间，给出子空间组合关系下依赖频率的目标函数梯度表达式。根据速度与Q值耦合参数化关系设计自适应预条件算子，改进目标函数梯度算子的结构，保证全波形反演初期弱耦合状态下参数反演的稳定性和反演中后期强耦合状态下参数反演的准确性。②针对粘声介质全波形反演的数学欠定问题本质，在目标函数中加入正则化来对反演结果进行约束。降低数据照明不足和噪声引起的数学欠定问题，减小反演结果的不稳定，从而提高反演参数的合理性和稳定性。③截断牛顿法在提高算法收敛速率的同时，既能够有效校正由于波前扩散、吸收衰减等引起的能量衰减，还考虑波场散射的高阶效应。相对于常规拟牛顿方法来说，能更准确地近似Hessian 逆矩阵，对复杂地表散射体、地下高速异常体的反演精度更高。针对频率域粘声介质模型的目标函数表达式，利用截断牛顿法在反演过程中解析Hessian 矩阵的结构，将Hessian 矩阵分解为低阶项和高阶项的叠加，提高算法的反演准确性。并利用二阶伴随状态方法解决截断牛顿法线性迭代中Hessian 矩阵与矢量的快速计算，研究线性迭代停止准则，从而形成快速、高精度的反演数值计算方法。