多波聯(lián)合反演研究進(jìn)展

代福材,張 峰,李向陽,王九拴,陳海峰,周春雷

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院,北京102249;2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751;3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院,甘肅蘭州730020)

地震反演根據(jù)觀測(cè)到的不同種類地震數(shù)據(jù)(走時(shí)、振幅、波形)來計(jì)算地下巖石的物理參數(shù)(速度、密度、泊松比、彈性模量等),是油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和流體檢測(cè)的重要工具。常規(guī)的地震反演理論和方法建立在縱波(PP波)的傳播理論基礎(chǔ)上,但理論研究表明,利用有限偏移距的縱波地震數(shù)據(jù)反演2個(gè)物理參數(shù)(縱波速度和橫波速度、縱波阻抗和橫波阻抗)較為可靠,如果用于反演包括密度的3個(gè)物理參數(shù)則存在反問題不適定性強(qiáng)、結(jié)果多解性強(qiáng)等問題,反演結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于大偏移距或者大角度的輸入數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確的初始模型、先進(jìn)的正則化方法[1-7]。而在油氣勘探中,巖石密度的估算對(duì)于儲(chǔ)層描述和流體檢測(cè)非常重要。與地震縱波相比,地震橫波(PS波、SV波、SH波)對(duì)橫波速度和密度更為敏感,因此聯(lián)合反演地震縱波和橫波有助于更好地反演橫波速度和密度信息[8-9]。

隨著多波多分量地震勘探技術(shù)的發(fā)展,多波聯(lián)合反演已經(jīng)成為減少反演多解性、提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度的重要手段。由于橫波震源技術(shù)尚未得到規(guī)?；瘧?yīng)用,當(dāng)前多波聯(lián)合反演主要指對(duì)縱波和轉(zhuǎn)換波進(jìn)行聯(lián)合反演。多波聯(lián)合反演方法根據(jù)求解時(shí)利用地震信息的不同可分為基于旅行時(shí)的反演方法和基于振幅的反演方法,后者又稱為AVO反演方法?；诼眯袝r(shí)的多波聯(lián)合反演方法包括動(dòng)校正速度分析[10-12]和層析反演方法[13-14],由于旅行時(shí)反演方法只利用地震波旅行時(shí)信息,具有較高的計(jì)算效率,在疊前深度偏移速度建模等方面應(yīng)用廣泛。但其反演精度相對(duì)較低,且只反演得到速度場(chǎng)信息,不能直接應(yīng)用于油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)?；谡穹腁VO多波聯(lián)合反演方法,可反演得到多種彈性參數(shù),有效提高了儲(chǔ)層定量化預(yù)測(cè)精度。

現(xiàn)有的AVO聯(lián)合反演方法可分為局部?jī)?yōu)化的線性反演法和全局優(yōu)化反演法。線性反演算法在最小二乘反演框架下實(shí)現(xiàn),以STEWART等[15-17]提出的加權(quán)疊加反演方法為代表,其最早被應(yīng)用于多波聯(lián)合反演,后由兩參數(shù)聯(lián)合反演發(fā)展到三參數(shù)聯(lián)合反演[18-20]。全局優(yōu)化反演方法可有效解決線性反演方法易陷入局部極小問題,有效減少反演的多解性,逐漸被應(yīng)用于多波聯(lián)合反演,取得了良好的效果[21-24]。由于儲(chǔ)層精細(xì)化描述和定量表征的需求,儲(chǔ)層的各向異性對(duì)于油氣預(yù)測(cè)的影響逐漸被重視,特別是頁巖儲(chǔ)層,AVO聯(lián)合反演方法已被應(yīng)用于各向異性儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中[25-27]。另一方面,基于精確Zoeppritz方程的AVO聯(lián)合反演方法可有效提高密度反演精度[28-29],在多波聯(lián)合反演中具有良好的應(yīng)用前景。目前多波聯(lián)合反演方法在一些商業(yè)軟件中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,在實(shí)際資料應(yīng)用中取得了良好的效果。隨著多波地震勘探技術(shù)的發(fā)展,多波聯(lián)合反演方法已成為當(dāng)前儲(chǔ)層表征和油氣預(yù)測(cè)的主力軍。

本文通過調(diào)研多波聯(lián)合反演方法在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,論述了多波聯(lián)合反演方法的發(fā)展歷程,討論了不同方法的適用性,對(duì)未來該領(lǐng)域的發(fā)展做出展望。首先介紹了多波旅行時(shí)聯(lián)合反演方法,包括聯(lián)合動(dòng)校正速度分析和層析反演,然后論述了多波數(shù)據(jù)匹配方法,隨后詳細(xì)介紹了多波AVO聯(lián)合反演方法及橫波反演方法研究進(jìn)展,最后分析了當(dāng)前多波聯(lián)合反演存在的難點(diǎn)及下一步發(fā)展趨勢(shì)。由于近年來橫波可控震源技術(shù)的快速發(fā)展,極大地提升了純橫波地震數(shù)據(jù)的品質(zhì),純橫波勘探在最近的一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中已顯示出較好的應(yīng)用前景:例如,疏松砂巖氣云區(qū)的高精度成像[30]。另外,純橫波可用于地層橫波速度和密度的高精度直接反演[31],橫波與縱波的聯(lián)合反演和解釋能夠進(jìn)一步減少儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和流體識(shí)別的多解性[32-34],因此基于九分量多波地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演和解釋將是未來聯(lián)合反演新技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1 縱波與橫波旅行時(shí)反演

旅行時(shí)信息對(duì)于速度信息的反演至關(guān)重要,基于旅行時(shí)信息的反演方法具有計(jì)算效率高的優(yōu)勢(shì),在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。PP波和PS波旅行時(shí)聯(lián)合反演,無需單獨(dú)激發(fā)橫波震源,在多分量地震勘探中發(fā)揮了重要作用。旅行時(shí)聯(lián)合反演方法大致可分為動(dòng)校正(NMO)速度分析和層析反演兩種方法,其中動(dòng)校正速度分析可利用反射波的旅行時(shí)信息為后續(xù)的偏移和反演提供初始模型,而層析反演方法一般用于疊前深度偏移速度建模。

動(dòng)校正速度分析利用地震反射波旅行時(shí)信息反演速度信息,具有簡(jiǎn)潔高效、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),在多分量地震勘探初期得到了快速發(fā)展并應(yīng)用于實(shí)際。GRECHKA等[10]推導(dǎo)了PS波與純橫波動(dòng)校正速度關(guān)系,利用動(dòng)校正速度分析方法,發(fā)展了適用于層狀正交各向異性介質(zhì)的PP波與PS波聯(lián)合旅行時(shí)反演方法。雖然PP波和PS波旅行時(shí)聯(lián)合反演在各向異性參數(shù)反演方法中具有明顯優(yōu)勢(shì),但在實(shí)現(xiàn)過程中會(huì)受到PS波旅行時(shí)非雙曲線固有缺陷影響。為克服PS波旅行時(shí)復(fù)雜性影響,GRECHKA等[11]提出了一種利用PP和PS反射波旅行時(shí)重構(gòu)SS波旅行時(shí)的方法,GRECHKA等[12]通過對(duì)PP波和重構(gòu)的SS波進(jìn)行動(dòng)校正速度分析,反演速度和各向異性參數(shù),發(fā)展了一種適用于VTI介質(zhì)的縱波和橫波旅行時(shí)聯(lián)合反演方法,將該方法用于北海地區(qū)實(shí)際地震資料,將反演得到的各向異性參數(shù)用于共轉(zhuǎn)換點(diǎn)疊加剖面(圖1),與各向同性疊加剖面對(duì)比可以看出,反射事件歸位、同相軸連續(xù)性、斷層刻畫等都得到明顯提高。FERGUSON等[35]利用共聚焦點(diǎn)(CFP)分析方法,通過最小二乘方法多次迭代,實(shí)現(xiàn)了PP波和SV波聯(lián)合反演各向異性參數(shù)。FOSS等[36]應(yīng)用PP+PS=SS方法聯(lián)合反演同一反射層,根據(jù)零偏移距PP波和PS波旅行時(shí)來重構(gòu)SS波旅行時(shí)。URSIN等[37]利用傳播矩陣求取SS波旅行時(shí)二階偏導(dǎo)矩陣,將PP+PS=SS方法發(fā)展為適用于任意各向異性介質(zhì)的方法,且提高了觀測(cè)系統(tǒng)的靈活性(圖2)。

層析反演方法利用觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)在成像域的最佳匹配實(shí)現(xiàn)速度反演,基于偏移和層析交替迭代的方式進(jìn)行速度反演,利用偏移和層析分別恢復(fù)速度場(chǎng)中的高波數(shù)信息(即速度界面)和中低波數(shù)信息(即速度值),該方法計(jì)算穩(wěn)定高效,且具備較高的反演精度,在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[38]。按照所依據(jù)理論方法的不同,層析速度反演方法主要分為射線層析反演和波動(dòng)方程層析反演;按照波類型的不同,分為反射層析、折射層析等;按照波信息的不同,分為走時(shí)層析、波形層析等。

圖1 VTI介質(zhì)共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)道集疊加剖面[12]

圖2 PP波(a)、PS波(b)和重構(gòu)SS波(c)旅行時(shí)切片

彈性波層析反演方法在成像域?qū)崿F(xiàn),通過角道集(ADCIGs)剩余曲率實(shí)現(xiàn)迭代更新。謝春暉等[39]分別利用VSP直達(dá)波、反射縱波及上行轉(zhuǎn)換橫波旅行時(shí)反演縱橫波層速度,實(shí)現(xiàn)了VSP數(shù)據(jù)多波旅行時(shí)反演;秦寧等[13]在地震彈性矢量波場(chǎng)框架下,推導(dǎo)了多波聯(lián)合層析速度反演方程以及走時(shí)殘差與角道集剩余曲率的轉(zhuǎn)換關(guān)系式,提出了一種利用成像域角道集更新彈性矢量波聯(lián)合層析反演方法,可為彈性波深度偏移提供高質(zhì)量的疊前速度場(chǎng);黃光南等[40]基于各向異性轉(zhuǎn)換波射線追蹤算法,利用非線性共軛梯度算法實(shí)現(xiàn)了P-SV波和P-SH波旅行時(shí)層析反演;黃國(guó)嬌等[14]利用分區(qū)多步不規(guī)則最短路徑算法發(fā)展了適用于TI介質(zhì)的多波走時(shí)聯(lián)合反演方法。

2 地震多波數(shù)據(jù)匹配

多波地震數(shù)據(jù)包含縱波和橫波信息,縱波和橫波的速度差異導(dǎo)致多波地震數(shù)據(jù)旅行時(shí)不同,因此多波數(shù)據(jù)匹配是多波地震資料處理的重要任務(wù)之一,匹配結(jié)果精度的高低直接決定后續(xù)聯(lián)合反演與解釋工作的成敗。準(zhǔn)確的縱橫波速度比是多波數(shù)據(jù)高精度匹配的關(guān)鍵,估算縱橫波速度比的基本原理是先將多波數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的反射事件進(jìn)行半自動(dòng)或者自動(dòng)標(biāo)定,再以多波數(shù)據(jù)中波形的相關(guān)性為準(zhǔn)則利用不同的方法求取最佳的縱橫波速度比。利用已獲得的縱橫波速度比,可將轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到縱波時(shí)間域,在轉(zhuǎn)換的過程中需要考慮匹配前、后波形的變化。

GAROTTA[41]基于縱橫波剖面的初步視覺相關(guān)發(fā)展了一種半自動(dòng)相關(guān)方法,該方法首先對(duì)小窗內(nèi)的縱橫波數(shù)據(jù)進(jìn)行平均縱橫波速度比初始估計(jì),然后根據(jù)互相關(guān)波峰上的時(shí)間位移來更新縱橫波速度比,從而得到選定窗口內(nèi)的縱橫波速度比,該方法的穩(wěn)定性取決于窗口間隔的大小。BEHLE等[42]通過相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)了疊后PP波和PS波數(shù)據(jù)的聯(lián)合速度分析;GAISER[43]提出了應(yīng)用最大相關(guān)法求取平均縱橫波速度比,得到廣泛應(yīng)用,適用于求取PP波、PS波和SH波的平均縱橫波速度比;VAN DOK等[44]利用最大相似原理,采用PP波和PS波速度比譜掃描拾取平均縱橫波速度比值,實(shí)現(xiàn)了PP波和PS波的時(shí)間域匹配;FOMEL等[45]采用最小二乘多次迭代方法有效提高了縱橫波匹配精度,并將其應(yīng)用于西德克薩斯3C3D實(shí)際地震數(shù)據(jù)中(圖3)。由圖3可見,與初始匹配結(jié)果相比,由于進(jìn)行了振幅和頻率均衡處理,多次迭代有效提高了縱橫波成像結(jié)果匹配精度[46]。在縱橫波速度比求取過程中,可將縱橫波速度比轉(zhuǎn)換為縱橫波旅行時(shí)差的函數(shù),通過迭代求取縱橫波旅行時(shí)差獲得高質(zhì)量的縱橫波速度比。NICKEL等[47]基于縱橫波剖面只有地震同相軸位置發(fā)生變化,而振幅保持不變的假設(shè),提出了一種縱橫波自動(dòng)匹配方法,將該方法應(yīng)用于北海地區(qū)的實(shí)際資料,獲得了高精度匹配結(jié)果,并且估算的縱橫波速度比屬性剖面可預(yù)測(cè)含油氣區(qū)域;ZHANG等[48]基于LI[49]提出的修正PS波時(shí)距曲線方程,利用PS波時(shí)差分析生成類似于傳統(tǒng)速度譜分析的縱橫波速度比譜,根據(jù)求取的縱橫波速度比進(jìn)行PP波和PS波時(shí)間域匹配;YUAN等[50]針對(duì)縱橫波匹配過程中的非線性性,利用模擬退火算法,應(yīng)用最大相似性作為迭代收斂準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)了PP波和PS波的時(shí)間域自動(dòng)匹配。在縱橫波匹配過程中,由于將PS波壓縮到PP波時(shí)間域,導(dǎo)致PS波子波壓縮畸變,頻譜被拉伸,為減少縱橫波匹配后子波壓縮畸變問題,ZHANG等[51]發(fā)展了一種PS波子波頻譜拉伸校正匹配方法,該方法通過Gabor變換得到時(shí)頻譜,根據(jù)局部子波壓縮比校正子波頻譜,再通過反Gabor變換實(shí)現(xiàn)子波壓縮校正,合成數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)試算結(jié)果表明,該方法可有效減少匹配后PS波子波壓縮畸變問題,頻譜拉伸得到了校正,提高了匹配后縱橫波數(shù)據(jù)的保真度,可為后續(xù)聯(lián)合反演和解釋提供高質(zhì)量的多分量數(shù)據(jù)。

圖3 西德克薩斯3C3D實(shí)際地震資料應(yīng)用效果對(duì)比

針對(duì)疊前多波地震數(shù)據(jù)匹配的問題,OGIESOBA等[52]基于THOMSEN[53]提出的非雙曲線旅行時(shí)方程,應(yīng)用最大相似原理發(fā)展了雙參數(shù)掃描速度分析來計(jì)算隨深度變化的零偏移距縱橫波速度比,可實(shí)現(xiàn)PP波與PS波時(shí)間域準(zhǔn)確匹配;CHEN等[54]基于LI[49]提出的轉(zhuǎn)換波雙參數(shù)時(shí)距方程,發(fā)展了一種適用于疊前縱橫波數(shù)據(jù)匹配的雙參數(shù)掃描方法,采用雙參數(shù)掃描分析得到縱橫波速度比,進(jìn)而將轉(zhuǎn)換波變換到P波時(shí)間域,實(shí)現(xiàn)了疊前縱橫波匹配;CHEN等[55]提出了一種基于疊前PP波道集的偽PS波剖面反演方法,該方法首先利用AVO近似公式,由PP波道集反演得到偽PS波道集,然后根據(jù)偽PS波道集與PS波轉(zhuǎn)換道集時(shí)移相關(guān)譜,自動(dòng)更新縱橫波速度比,實(shí)現(xiàn)縱橫波時(shí)間域自動(dòng)匹配。近年來,將基于圖像的動(dòng)態(tài)變形技術(shù)(dynamic image warping,DIW)應(yīng)用于PP波和PS波層位匹配,有效提高了匹配精度。HALE[56]在動(dòng)態(tài)時(shí)間變形(dynamic time warping,DTW)的基礎(chǔ)上發(fā)展了基于圖像的動(dòng)態(tài)變形技術(shù),實(shí)現(xiàn)了PP波與PS波的層位匹配,但該方法在匹配過程中,由于PP波和PS波子波和頻譜差異導(dǎo)致子波振幅和相位在匹配過程中產(chǎn)生畸變;GRAZIANO等[57]在匹配前應(yīng)用PS波子波反褶積方法來消除層位匹配過程中的子波畸變問題;蔣雪珍等[58]提出一種適用于PP波與PS波直接匹配的動(dòng)態(tài)圖像變形算法,該方法具有較高的匹配精度,且適用于低信噪比數(shù)據(jù)。

3 縱波與橫波AVO聯(lián)合反演

多波AVO聯(lián)合反演增加了對(duì)橫波速度和密度信息更為敏感的轉(zhuǎn)換波信息,因而可有效減少反演的多解性,提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度。一方面,與PP波反射相比,PS波反射在近偏移距對(duì)橫波速度和密度更為敏感,因此,增加PS波數(shù)據(jù)可提高密度參數(shù)反演的準(zhǔn)確性;另一方面,PS波數(shù)據(jù)可對(duì)氣云區(qū)構(gòu)造準(zhǔn)確成像且可直接反演得到巖石參數(shù),如縱橫波速度比。聯(lián)合反演經(jīng)歷了從線性方法到非線性方法,從兩參數(shù)到多參數(shù),從各向同性介質(zhì)到各向異性介質(zhì)的發(fā)展。

線性反演方法作為一種簡(jiǎn)潔高效、穩(wěn)定可靠的反演算法,在疊前AVO反演發(fā)展初期得到了廣泛應(yīng)用。SMITH等[4]首次提出的加權(quán)疊加反演方法是AVO線性反演的經(jīng)典算法;STEWART[15]在PP波加權(quán)疊加反演方法的基礎(chǔ)上,加入PS波信息,首先發(fā)展了PP-PS波聯(lián)合加權(quán)疊加兩參數(shù)反演方法,將有限偏移距的PP波和PS波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)疊加并同時(shí)反演得到縱、橫波阻抗;VESTRUM等[59]實(shí)現(xiàn)了STEWART提出的PP-PS波聯(lián)合加權(quán)疊加反演方法,并用合成地震數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性;LARSEN[16]和MARGRAVE等[17]將PP-PS波聯(lián)合加權(quán)疊加反演方法應(yīng)用于加拿大Blackfoot油田的實(shí)際3C3D數(shù)據(jù)并與單獨(dú)PP波反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,證明了聯(lián)合反演方法的反演精度得到了明顯提升(圖4);GAROTTA等[60]將PP-PS波聯(lián)合反演與解釋方法應(yīng)用于北海OBC實(shí)際地震數(shù)據(jù),縱橫波速度比和密度反演結(jié)果與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)吻合度較好(圖5);ZHANG等[61]將PP-PS波聯(lián)合反演方法應(yīng)用于PikesPeak油田3C2D實(shí)際地震數(shù)據(jù),反演得到了對(duì)流體敏感的彈性參數(shù),通過與井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了PP-PS波聯(lián)合反演方法可有效提高流體預(yù)測(cè)精度。

由于兩參數(shù)聯(lián)合反演忽略了密度的重要性,而密度對(duì)于巖性識(shí)別和流體預(yù)測(cè)極為重要,而單獨(dú)PP波三參數(shù)反演不穩(wěn)定[62],難以準(zhǔn)確反演密度參數(shù),因此許多學(xué)者對(duì)PP-PS波三參數(shù)聯(lián)合反演進(jìn)行了研究。針對(duì)三參數(shù)聯(lián)合反演中的不適定問題,奇異值分解法(SVD)被應(yīng)用于PP-PS波線性聯(lián)合反演。JIN等[63]針對(duì)三參數(shù)線性反演病態(tài)問題,應(yīng)用奇異值分解法來提高反演過程穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了PP波三參數(shù)反演;JIN等[18]在PP-PS波聯(lián)合反演中,利用奇異值分解減少反演過程噪聲及角度誤差的影響,將該方法應(yīng)用于北海OBS實(shí)際地震數(shù)據(jù)取得了較好的橫波速度和密度反演結(jié)果;MAHMOUDIAN等[19]采用SVD方法進(jìn)行縱橫波阻抗、密度三參數(shù)聯(lián)合反演,僅用有限偏移距數(shù)據(jù)即可得到較好的反演結(jié)果。為消除PP波和PS波地震資料質(zhì)量對(duì)最終反演結(jié)果的影響,VEIRE等[20]在最小平方反演過程中,引入加權(quán)因子并給出了PP波和PS波聯(lián)合匹配的具體方法;ZHANG[9]發(fā)展了射線參數(shù)域PP-PS波聯(lián)合反演方法,應(yīng)用PS波子波畸變校正方法提高匹配精度,并利用彎曲射線追蹤法構(gòu)建共成像點(diǎn)道集(CIP),可實(shí)現(xiàn)縱橫波射線阻抗反演、彈性三參數(shù)聯(lián)合反演,將該方法應(yīng)用于四川盆地致密砂巖的脆性解釋,得到的射線參數(shù)域多波聯(lián)合反演結(jié)果如圖6所示。

圖4 Blackfoot地區(qū)3C3D數(shù)據(jù)PP波反演(左)與PP-PS波聯(lián)合反演(右)結(jié)果對(duì)比

針對(duì)線性反演方法局部?jī)?yōu)化反演策略存在局部極小問題,全局優(yōu)化反演方法可有效解決反演過程中的非線性問題。近年來,以支持向量機(jī)、遺傳算法等為代表的全局優(yōu)化算法逐漸被應(yīng)用于多波聯(lián)合反演,并取得了較好的應(yīng)用效果。支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,其在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則(structural risk minimization,SRM),從而提高了機(jī)器學(xué)習(xí)的泛化能力,進(jìn)而求取全局最優(yōu)解。作為一種不依賴初始模型的非線性反演方法,支持向量機(jī)可用來解決AVO反演問題,XIE等[24]利用精確Zoeppritz方程,發(fā)展了基于最小二乘支持向量機(jī)的非線性PP-PS波聯(lián)合反演方法,相比PP波反演結(jié)果,反演精度及抗噪性得到了有效提高。遺傳算法(genetic algorithm,GA)是模擬自然選擇和遺傳學(xué)理論而建立起來的一種全局最優(yōu)化算法,是一種自適應(yīng)、全局優(yōu)化的概率搜索方法,對(duì)求解復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題具有高度普遍適用性。將遺傳算法應(yīng)用于聯(lián)合反演中,其不依賴于初始模型,具有較強(qiáng)的魯棒性、自組織性、良好的全局捜索能力,并且在反演過程中不用計(jì)算雅克比偏導(dǎo)數(shù)矩陣[22]。

圖5 北海OBC數(shù)據(jù)PP-PS波聯(lián)合反演與解釋結(jié)果

圖6 射線參數(shù)域多波聯(lián)合反演結(jié)果

隨著勘探目標(biāo)日趨復(fù)雜,儲(chǔ)層的各向異性對(duì)于油氣預(yù)測(cè)的影響逐漸被重視,疊前AVO反演方法已應(yīng)用到各向異性儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中[65-69]。THOMSEN[69]指出沉積巖中普遍存在弱各向異性,因此許多學(xué)者針對(duì)各向異性介質(zhì)疊前反演方法進(jìn)行了研究;RüGER[70-72]提出了適用于橫向各向同性(TI)介質(zhì)的線性P波反射系數(shù)公式,并且發(fā)展了適用于VTI介質(zhì)的PP波和PS波反射系數(shù)公式,RüGER近似公式簡(jiǎn)潔清晰地描述了各向同性和各向異性對(duì)反射系數(shù)的影響,是各向異性疊前反演的基礎(chǔ)。在各向異性疊前反演中,由于待反演參數(shù)增多,反演過程的病態(tài)性更為嚴(yán)重,線性反演方法更易陷入局部極小解[73]。ZHANG等[74]推導(dǎo)了適用于正交各向異性(ORT)介質(zhì)的4種類型波反射系數(shù)方程,在保持計(jì)算精度的情況下,該方程可退化為VTI介質(zhì)或HTI介質(zhì),應(yīng)用于TI介質(zhì)疊前反演;MAHMOUDIAN等[66]基于RüGER近似公式分析了各向異性參數(shù)ε,δ和γ對(duì)入射角度的依賴性,發(fā)現(xiàn)大角度數(shù)據(jù)對(duì)各向異性參數(shù)的精確反演的重要性;LU等[27]基于高斯-牛頓反演方法,利用分步反演策略來解決局部極小解問題,發(fā)展了適用于VTI介質(zhì)的PP-PS波聯(lián)合反演方法;ZHANG等[75]將RüGER近似公式簡(jiǎn)化為三項(xiàng)近似公式,基于貝葉斯反演框架,實(shí)現(xiàn)了適用于TI介質(zhì)的疊前AVO反演,有效降低了反演過程中的病態(tài)性。

利用AVO近似公式的聯(lián)合反演方法在遠(yuǎn)偏移距、大角度入射情況下,存在誤差較大問題,難以準(zhǔn)確反演密度參數(shù)。對(duì)此,許多學(xué)者采用精確Zoeppritz方程,以利用大角度地震數(shù)據(jù)來提高密度反演結(jié)果的穩(wěn)定性和精度。由于精確Zoeppritz方程是關(guān)于3個(gè)彈性參數(shù)的復(fù)雜非線性方程,因此基于精確Zoeppritz方程的反演方法具有明顯的非線性性。常用的非線性反演算法包括以智能算法為主的非線性隨機(jī)反演和廣義線性反演方法,其中智能算法由于計(jì)算量大、難以應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)等,因此廣義線性反演算法被應(yīng)用于基于精確Zoeppritz方程的疊前AVO反演方法中。ZHI等[28]基于精確Zoeppritz方程利用信賴域牛頓法(trust-region reflective,TRR)對(duì)反演目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行快速求解,有效提高了反演結(jié)果的精度;LU等[29]采用最小二乘算法構(gòu)建反演目標(biāo)函數(shù),并利用泰勒展開求得迭代公式,實(shí)現(xiàn)了精確Zoeppritz方程PP-PS波聯(lián)合反演;ZHI等[76]利用Levenberg-Marquardt算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)了縱橫波速度、密度三參數(shù)直接反演;XIE等[24]利用精確Zoeppritz方程,基于改進(jìn)貝葉斯推斷和最小二乘支持向量機(jī)方法,提出了一種非線性PP-PS波聯(lián)合反演方法,該方法為非線性隨機(jī)反演方法,對(duì)初始模型依賴性小,且可解決AVO近似公式在大角度入射時(shí)誤差大的問題,有效提高密度反演的精度。

4 橫波反演

早期的橫波震源技術(shù)獲得的純橫波(SV-SV波和SH-SH波)地震數(shù)據(jù)品質(zhì)較低,難以滿足油氣勘探的需求,因此一直以來純橫波地震勘探?jīng)]有得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)換橫波作為純橫波的替代,雖然在氣云區(qū)成像、縱橫波聯(lián)合解釋等方面有較好的應(yīng)用,但是并不能完全體現(xiàn)純橫波的波場(chǎng)特征,另外,處理過程過于復(fù)雜、地震數(shù)據(jù)品質(zhì)大大低于縱波等問題在一定程度上制約了轉(zhuǎn)換橫波技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近年來,寬頻、高精度、大噸位的橫波可控震源技術(shù)在國(guó)內(nèi)外油氣勘探行業(yè)迅速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)純橫波地震數(shù)據(jù)的采集,為橫波油氣勘探的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了必要條件。ALKAN[77]、ALKAN等[78]、HARDAGE等[79]提出了單獨(dú)垂直激發(fā)可控震源可直接產(chǎn)生純橫波,且垂直震源激發(fā)產(chǎn)生的S波比水平震源激發(fā)產(chǎn)生的頻帶更寬,對(duì)地下構(gòu)造成像分辨率更高。中石油東方地球物理勘探公司近年來在青海三湖地區(qū)開展了純橫波勘探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),獲得了高品質(zhì)純橫波地震資料[80],純橫波(SV-SV波和SH-SH波)已具備與縱波數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì),并且在疏松砂巖氣云區(qū)的高精度成像方面顯示出很好的應(yīng)用前景。ZHANG等[31]對(duì)SV波的研究發(fā)現(xiàn):在地層密度反演方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),SV波在22.5°時(shí)的反射振幅僅與相鄰地層的密度差異有關(guān),即地層密度是這一特定角度地震數(shù)據(jù)的唯一、獨(dú)立的待反演參數(shù),由此建立了地震SV波反演新方法。將該方法應(yīng)用于青海三湖實(shí)際地震數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、可靠的高分辨率密度反演(圖7)。

另外,在傳統(tǒng)PP-PS波聯(lián)合反演的基礎(chǔ)上,增加純橫波(SS波)信息,有效減少聯(lián)合反演的不確定性,提高巖性識(shí)別和流體預(yù)測(cè)的精度。GUPTA等[33]對(duì)二維多分量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行P-P和S-S波聯(lián)合解釋,有效提高了碳酸鹽巖儲(chǔ)層的解釋精度(圖8)。ROURE等[34]在PP-PS波聯(lián)合反演的基礎(chǔ)上,加入純橫波信息,在其各自時(shí)間域進(jìn)行聯(lián)合反演,然后利用縱橫波速度比對(duì)PP波、PS波和SS波時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,初步實(shí)現(xiàn)了PP-PS-SS波聯(lián)合反演(圖9)。

圖7 青海三湖實(shí)際地震數(shù)據(jù)采用SV波反演方法得到的反演結(jié)果

圖8 堪薩斯南部某地區(qū)PP波(a)、慢SS波(b)和快SS波(c)地震剖面聯(lián)合解釋結(jié)果

圖9 PP-PS-SS波聯(lián)合反演結(jié)果

5 結(jié)論與展望

隨著多波多分量地震勘探技術(shù)的迅速發(fā)展,高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換波及橫波數(shù)據(jù)為多波聯(lián)合反演的實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ),多波聯(lián)合反演逐漸成為疊前反演的研究熱點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了多波地震數(shù)據(jù)匹配方法、縱橫波旅行時(shí)聯(lián)合反演方法、AVO聯(lián)合反演方法及最新的橫波地震反演方法,通過對(duì)多波聯(lián)合反演研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)研,得到如下認(rèn)識(shí):

1) 縱橫波旅行時(shí)聯(lián)合反演主要包括動(dòng)校正速度分析與層析反演,計(jì)算效率高,但是反演精度有限?？v波勘探多采用旅行時(shí)反演與全波形反演相結(jié)合,首先利用旅行時(shí)反演獲得低波數(shù)信息,為后續(xù)全波形反演提供高質(zhì)量的初始模型,應(yīng)用全波形反演恢復(fù)高波數(shù)信息,進(jìn)而反演得到高質(zhì)量的彈性參數(shù),該方法是全波形反演走向?qū)嵱没囊粋€(gè)重要方向。

2) 當(dāng)前多波聯(lián)合反演多在時(shí)間域進(jìn)行,而縱、橫波速度不同導(dǎo)致傳播時(shí)間不同,因此多波地震數(shù)據(jù)匹配是多波聯(lián)合反演的基礎(chǔ)?？v橫波速度比的求取是多波聯(lián)合匹配的關(guān)鍵,一般采用最小二乘方法或動(dòng)態(tài)圖像變形方法多次迭代求取。在匹配過程中考慮子波壓縮畸變校正問題可為后續(xù)聯(lián)合反演與解釋提供高質(zhì)量的多波資料,且縱橫波速度比可作為聯(lián)合反演的初始模型或地震屬性剖面。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展深度域反演技術(shù)是多波聯(lián)合反演進(jìn)一步發(fā)展的重要支撐。

3) 智能化反演算法為多波聯(lián)合反演提供了一種新的思路。由于智能化反演算法對(duì)初始模型依賴小且穩(wěn)定性好,在非線性反演中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),近年來逐漸受到重視,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存在計(jì)算量大的問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,該方法具備巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

4) 隨著橫波可控震源技術(shù)的發(fā)展,純橫波數(shù)據(jù)已具備與縱波數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì),為橫波油氣勘探的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了必要條件。需要進(jìn)一步提升和完善對(duì)地震橫波響應(yīng)特征的認(rèn)識(shí),明確橫波與縱波的動(dòng)力學(xué)特征差異,發(fā)展地震縱、橫波油氣檢測(cè)方法,基于橫波震源的九分量地震勘探將是未來多波地震勘探技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。