寫在“全波形反演”專題前面的話

本刊編輯部

寫在“全波形反演”專題前面的話

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世界石油工業(yè)歷經(jīng)百年發(fā)展，為各國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。地球物理是油氣勘探和開發(fā)過程中關(guān)鍵的技術(shù)手段之一，享有地球CT的美譽。歷史上每次地球物理技術(shù)的突破都會促進(jìn)油氣工業(yè)的飛躍。全波形反演(FWI)技術(shù)是近年來地球物理技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的新技術(shù)之一。自20世紀(jì)80年代該技術(shù)面世以來，即被寄予厚望，但受限于當(dāng)時計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展水平，其研究及應(yīng)用受到很大限制。近年來，隨著高性能計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，全波形反演技術(shù)得到廣泛關(guān)注，再一次掀起研究熱潮。理論上，全波形反演由炮集數(shù)據(jù)直接反演地下物性參數(shù)，如密度、吸收衰減因子、彈性參數(shù)和各向異性參數(shù)等，分辨率可達(dá)地震波傳播波長的二分之一。全波形反演具有一套完備的理論體系，反演過程由數(shù)據(jù)驅(qū)動，完全自動化，無人工經(jīng)驗干擾，無多次處理累積誤差，是未來地球物理技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

2009年，Sirgue在EAGE年會上展示了Valhall油田地震數(shù)據(jù)全波形反演的實際應(yīng)用成果，為該項技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用帶來了新的曙光。其應(yīng)用成果的意義不僅在于從炮集數(shù)據(jù)直接反演得到了古河道信息，刻畫了傳統(tǒng)勘探“盲區(qū)”的氣云邊界及含氣裂縫的具體形態(tài)，更重要的是讓人們看到了全波形反演工業(yè)化應(yīng)用的巨大潛力與希望。此后陸續(xù)見到了海上地震數(shù)據(jù)FWI成功實例。目前，全波形反演技術(shù)的理論及應(yīng)用研究仍面臨著許多技術(shù)問題，如基于波動方程的全局尋優(yōu)反演是否能夠真正改善基于道集拉平建模的成像質(zhì)量？全波形反演是否能夠達(dá)到儲層描述的精度？直接在深度域進(jìn)行儲層預(yù)測和儲層描述是否可行？全波形反演中還有哪些瓶頸問題需要進(jìn)一步解決？此外，相較于海上數(shù)據(jù)而言，陸上數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用面臨著更多挑戰(zhàn)，如：采集不規(guī)則、近地表復(fù)雜、低頻數(shù)據(jù)缺失、炮點檢波點耦合不一致等。為此，編輯部萌生了出版“全波形反演”專題的想法，希望通過本期專題文章的組織和刊發(fā)，一方面總結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展，另一方面開展關(guān)鍵問題討論并探尋未來發(fā)展方向，促進(jìn)全波形反演技術(shù)的實用化。本期專題稿件組織過程中得到了國內(nèi)外知名大學(xué)、專業(yè)研究機(jī)構(gòu)及油服公司的積極響應(yīng)和踴躍投稿，國外包括了法國科學(xué)院、法國約瑟夫傅里葉大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)、沙特阿美研發(fā)中心、Total公司、PGS公司等，國內(nèi)包括了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國石油大學(xué)(華東)、中石油、中石化、中海油等直屬研究院。

本專題共刊發(fā)論文15篇，涉及全波形反演理論、特征波波形反演、計算優(yōu)化、海上和陸上實際地震資料應(yīng)用、背景速度建模等內(nèi)容。為保證文章原意，對來自國外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)以英文投稿的文章未做翻譯而以英文刊發(fā)。其中文章“AreviewofsomemethodologicaldevelopmentsonfullwaveforminversiontackledintheSEISCOPEgroup”回顧和總結(jié)了SEISCOPE研究組關(guān)于全波形反演技術(shù)的主要研究成果，重點介紹了時間域節(jié)省內(nèi)存算法、特征波聯(lián)合反演算法(JFWI)及壓制cycle-skipping的策略等。美國GE公司尹峰博士將波形反演理論應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，并獲得成功;他介紹了一種基于相位匹配的波形反演算法，用初至旅行時來解決頻率域地震波場觀測值與預(yù)測值之間存在的相位不匹配問題。Total公司高福春博士分析了全波形反演幾種目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)，提出了基于定義在數(shù)據(jù)域中的微分相似概念的一個新的目標(biāo)函數(shù)，它對于較大范圍的數(shù)據(jù)殘差都具有凸?fàn)钚再|(zhì)。中國科技大學(xué)江文彬博士介紹了一種走時與波形聯(lián)合的地震反演方法，其目標(biāo)函數(shù)包含旅行時殘差和波形殘差，在改善傳統(tǒng)射線反演精度的同時增加旅行時在目標(biāo)泛函中的權(quán)重以提高反演的穩(wěn)定性，更加適應(yīng)復(fù)雜近地表速度建模。加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)李翔博士介紹了基于高斯-牛頓算法的稀疏約束正則化全波形反演方法，利用曲波變換非常稀疏地表達(dá)速度模型及其擾動，對高斯-牛頓算法的速度更新進(jìn)行稀疏約束正則化。沙特阿美公司吳彥博士介紹了基于全走時(即完全依賴于走時信息)的背景速度建模方法，根據(jù)地震數(shù)據(jù)自動估計運動學(xué)意義上正確的速度模型，核心思想是使反演完全依賴于走時信息，從而避免反演受到陸地資料不可靠振幅信息的干擾，并給出了實際資料應(yīng)用實例。同濟(jì)大學(xué)王華忠教授系統(tǒng)地總結(jié)了特征波反演成像理論，介紹了特征波反演成像的四個基本步驟，重點分析了壓縮感知框架下時空局部的方向波場的分解以及基于此波場的數(shù)據(jù)域和成像域的反演思想與方法，指出特征波場與反演參數(shù)之間的關(guān)系更緊密，基于特征波場的反問題求解，可以有效降低問題非線性。中國石油大學(xué)(華東)張廣智教授介紹了基于L-BFGS照明預(yù)處理技術(shù)的全波形反演方法，針對反演中密度和速度的串?dāng)_問題，選擇分步多參數(shù)全波形反演的策略。中科院地質(zhì)與地球物理研究所劉洪研究員課題組介紹了全波形反演中應(yīng)用GPU提高計算效率的研究成果，介紹了線程調(diào)度、GPU之間數(shù)據(jù)傳輸以及共享內(nèi)存使用等技術(shù)經(jīng)驗。中石化石油勘探開發(fā)研究院魏哲楓博士介紹了一種基于GPU的動態(tài)增減節(jié)點的作業(yè)池管理機(jī)制，這種算法可以動態(tài)管理作業(yè)，根據(jù)計算機(jī)集群工作量實時調(diào)度，既解決全波形反演海量計算問題，又避免了MPI統(tǒng)一調(diào)度的資源浪費，提高了設(shè)備的利用率和反演過程的穩(wěn)定性。中海油研究總院丁繼才博士和中石化石油物探技術(shù)研究院的王杰碩士分別介紹了海上、陸上地震資料的實際應(yīng)用成果。同濟(jì)大學(xué)李輝博士和中石化石油物探技術(shù)研究院王咸彬博士則主要關(guān)注FWI的背景速度建模研究。

本期專題得到了國內(nèi)外知名的課題組和專家學(xué)者的大力支持，以下是部分作者簡介。張捷，主要從事近地表成像、全波形反演、微地震監(jiān)測、交叉學(xué)科應(yīng)用等研究，1996年獲美國麻省理工學(xué)院地球物理學(xué)博士學(xué)位，1994年獲美國總統(tǒng)頒發(fā)的“新星獎”，1995年獲美國國家基金委(NSF)頒發(fā)的“南極科研獎”，2012年獲SEG頒發(fā)的Reginald Fessenden科技成就獎，2015年當(dāng)選SEG執(zhí)行副主席。Jerry Harris，主要從事井間地震建模、成像及波形反演研究，井間地震領(lǐng)域的開拓者，現(xiàn)為斯坦福大學(xué)地球物理教授、地球科學(xué)系主任、地球環(huán)境計算科學(xué)中心主任，SPE、SEG杰出講師，2004—2005年度SEG第一執(zhí)行副主席。Jean Virieux，主要從事波動方程正演、全波形反演研究，彈性波有限差分交錯網(wǎng)格理論奠基人，國際知名地球物理研究組SEISCOPE的創(chuàng)始人，現(xiàn)任法國約瑟夫傅里葉大學(xué)特級教授，SEG杰出講師并多次榮獲國際地球物理界大獎，如2006年EAGE的Cagniard勛章、2008年SEG最佳論文獎、2009年法國科學(xué)院Jaffé獎、2012年法國地質(zhì)協(xié)會的Barrabé獎及藍(lán)海岸天文臺Adion勛章、2013年EAGE Erasmus獎等。Gerhard Pratt，主要從事高精度成像、波形反演研究，頻率域全波形反演奠基人，加拿大西安大略大學(xué)教授，曾獲2005年Geophysics最佳論文，2009年EAGE頒發(fā)的Conrad Schlumberger Award獎，SEG杰出講師，2016年因波形反演方面的杰出貢獻(xiàn)獲SEG最高獎Kaofuman獎。Romain Brossier，主要從事不同尺度的高分辨率成像、全波形反演研究，現(xiàn)任法國約瑟夫傅里葉大學(xué)副教授，SEISCOPE II的研究員及領(lǐng)導(dǎo)者。高福春，主要從事全波形反演及其應(yīng)用研究，因其在全波形反演領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)和L.Sirgue一起榮獲Total公司的Best Innovator Award獎。尹峰，主要從事地震波與超聲波反演成像研究，為國際上醫(yī)學(xué)超聲成像的領(lǐng)軍人物，獲2014 GE Healthcare CEO Golden Award獎，2015年與其團(tuán)隊獲GE Healthcare Ultrasound Innovation Golden Award創(chuàng)新金獎。此外，沙特阿美研發(fā)中心駱毅博士，PGS研發(fā)中心李翔博士等國際知名石油公司學(xué)者給予本專題大力支持并撰文。同濟(jì)大學(xué)王華忠教授，中科院地質(zhì)與地球物理研究所劉洪研究員，中國石油大學(xué)(華東)張廣智教授等國內(nèi)高校知名學(xué)者及其研究組也給予本專題極大支持，在此不一一介紹。編輯部對上述所有學(xué)者專家及文章所有貢獻(xiàn)者表示衷心感謝！

本期全波形反演專題因篇幅所限和稿約范圍的局限，所刊登文章不足以全面反映當(dāng)前全波形反演技術(shù)的最新研究成果及應(yīng)用現(xiàn)狀，權(quán)作拋磚引玉，希望引起更多學(xué)者對全波形反演技術(shù)研究及應(yīng)用的關(guān)注和討論，共同促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為我國油氣勘探開發(fā)戰(zhàn)寒冬和挖潛增效提供技術(shù)支撐。同時，我們希望更多的讀者投來更高水平的理論研究和實際應(yīng)用研究成果，為我國的油氣勘探開發(fā)事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。本期專題文章的成功組織，離不開中科院地質(zhì)與地球物理研究所李幼銘研究員的大力支持與精心組織，也離不開中石化石油物探技術(shù)研究院胡光輝博士的鼎力相助和無私奉獻(xiàn)，編輯部對兩位專家的支持和幫助表示衷心感謝！