地震反演技術(shù)

地震反演技術(shù)第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1、地震反演的基本原理

一、基本概念二、反演問題的例子三、反演問題的幾個重要事項四、波阻抗反演的基本原理第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日一、基本概念

資源勘探開發(fā)的全部工作都是針對儲層進(jìn)行的,即研究儲層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)的空間變化,而地震勘探以及所獲得的地震剖面或地震數(shù)據(jù)體反映的是巖層間波阻抗分界面的特征,這就意味著地震剖面與儲層特性具有較大的差異。為了能使地震剖面或地震信息與地質(zhì)或鉆采資料直接連接對比,就需要把常規(guī)的反映界面特性的地震資料轉(zhuǎn)換為可與地質(zhì)或鉆井直接對比的形式,實現(xiàn)此種轉(zhuǎn)換的算法和計算機(jī)處理技術(shù)就是地震反演技術(shù)。

第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日地震資料中包含著豐富的地質(zhì)信息，如構(gòu)造、地層巖性、物性或含油氣性等等。地震勘探分辨率的限制而分辨不出薄層內(nèi)的地質(zhì)信息。經(jīng)過地震反演,提高地震資料的分辨率，可以把界面型地震資料轉(zhuǎn)換為類似于測井資料的巖層型信息，使其直接與鉆井、測井資料對比，實現(xiàn)以巖層為單元的地質(zhì)解釋，充分發(fā)揮地震資料具有良好的平面和空間控制作用的優(yōu)勢，達(dá)到煤層厚度和圍巖性質(zhì)描述之目的。第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

由此可見，地震反演是利用地震資料反演地層特征參數(shù)的特殊處理技術(shù)。1、反演從廣義上講，反演就是根據(jù)各種位場(電位、重力位等)、波場(聲波、彈性波等)電磁場和熱學(xué)場等的地球物理觀測數(shù)據(jù)去推測地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)及物質(zhì)成分，定量計算其相關(guān)物理參數(shù)的過程。2、反演理論這是從一個物理系統(tǒng)上的觀測值來恢復(fù)該物理系統(tǒng)有用信息的一套數(shù)學(xué)和統(tǒng)計技術(shù)（如微積分、微分方程、矩陣?yán)碚摗⒔y(tǒng)計估算和推測等）。第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日3、地震反演技術(shù)指利用人工激發(fā)產(chǎn)生的地震波場推測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層內(nèi)部特性變化的方法技術(shù)。4、正演與反演問題給定模型及參數(shù)確定模型的響應(yīng)即正演。模型參數(shù)系統(tǒng)表達(dá)正演理論計算模型的響應(yīng)

輸入算子輸出根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)的過程即反演。觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)工具反演理論系統(tǒng)參數(shù)的估計值第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日二、反演問題的例子1、曲線擬合利用若干個實際觀測數(shù)據(jù)，擬合其曲線規(guī)律的過程。例如，地球內(nèi)部溫度分布：T(z)=a+bz，給定a,b求T(z)則為正演；據(jù)觀測的T(z)，求a,b則為反演，即擬合一條直線。2、圖像增強(qiáng)——數(shù)字濾波、反褶積等褶積模型：S(t)=R(t)*W(t)

已知R(t)和W(t)，求S(t)則為正演過程；已知S(t)和W(t)，求R(t)則為反演過程；已知S(t)和R(t)，求W(t)則為子波處理。3、地球物理觀測資料的地質(zhì)解釋過程就是反演過程。第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日解反問題的常用方法有最小二乘法、統(tǒng)計回歸分析法、參數(shù)估計法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。地球物理反演問題在理論和方法上的重大進(jìn)展，與近20多年來解反演問題廣泛應(yīng)用了信息論、線性或非線性規(guī)劃、廣義逆理論以及最優(yōu)化方法等一些數(shù)學(xué)工具緊密相關(guān)。三、反演問題的幾個重要事項1、反演問題描述應(yīng)考慮的問題①地球物理數(shù)據(jù)的性質(zhì)即場的性質(zhì)；②觀測數(shù)據(jù)中誤差及干擾；③考慮的問題能否作為數(shù)學(xué)問題提出；④對問題有無物理約束。第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2、反演問題求解時應(yīng)考慮的問題①可能獲取何種解，近似解還是精確解；②問題是欠定的、超定的還是適定的；③問題是線性的還是非線性的；④什么是問題的最好解法；⑤解的精度及可靠性；⑥求解結(jié)果如何評價和驗證。四、波阻抗反演的基本原理波阻抗反演是地震勘探中應(yīng)用最廣泛的反演問題，也是儲層地球物理研究和開發(fā)地震中最基本的處理技術(shù)之一。波阻抗反演是利用地震資料反演地層波阻抗z=v，它與其他地震屬性相比具有更為明確的物理意義。第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日左圖是一個楔形砂巖體(圖a)的例子，在常規(guī)地震剖面(圖b)上很難看出砂巖體的直觀形態(tài)，可能誤認(rèn)為是一個角度不整合地層削蝕現(xiàn)象。而在波阻抗反演剖面(圖c)上，可以清楚看出這是一個相對高速的楔形砂巖體。第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日地震反演技術(shù)的基本原理可用下圖說明。第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日地震疊后反演的基本方法

一、反演方法的分類二、帶限反演三、寬頻反演（模型反演）第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日一、反演方法的分類

1、輸入資料的性質(zhì)上：疊前和疊后；2、反演理論上：褶積理論、射線理論和波動理論；射線理論以旅行時反演為主;波動理論主要是波動方程反演、層析成像理論等；3、從解反問題的數(shù)學(xué)工具上分,可分為線性和非線性兩大類。根據(jù)方程個數(shù)與未知數(shù)個數(shù)的情況分為超定、欠定和適定問題；4、測井資料的作用大小：四類：地震直接反演或無井約束反演；測井控制下的地震反演；測井~地震聯(lián)合反演；地震控制下的測井內(nèi)插與外推。上述反演方法分別用于勘探開發(fā)的不同階段。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5、從反演的實現(xiàn)方法上分，地震反演分為遞推反演、基于地質(zhì)模型反演和地震屬性或地層參數(shù)反演。帶限反演的兩種基本方法，即道積分或相對波阻抗反演和遞推反演，分辨率受地震約束大。二、帶限反演帶限反演是利用疊后地震資料計算地層相對或絕對波阻抗的直接反演方法。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

1、帶限反演方法原理直接反演包括道積分方法和一些常用的遞推方法,道積分反演是直接反演最常用的波阻抗反演方法之一。取z0=0v0為波阻抗初始值，則由反射系數(shù)計算公式：

(1)遞推可得：

(2)

對(2)式取對數(shù):(3)

對(3)式右邊求和號內(nèi)的對數(shù)項按Taylor級數(shù)展開，得(4)式：第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

（4）取第一項則有:（5）整理上式得：

（6）式（6）右端是反射系數(shù)的變限求和，在實際資料處理中，通常使用反褶積后的地震道s(t)。但此時的地震道s(t)仍然是一個具有有限帶寬的地震道，只不過相當(dāng)于用一個更寬的頻帶對反射系數(shù)濾波的結(jié)果。因此，對地震道s(t)變限求和，作為直流分量的已被濾掉，得到的是有限帶寬的相對波第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日阻抗，（6）式改寫為：（7）；積分道只是一個對數(shù)相對波阻抗，要得到絕對波阻抗，首先計算相對波阻抗：（8），然后加入低頻波阻抗，計算出絕對波阻抗：（9）；若要得到速度或時差,一般引用Gardner公式:(10)從波阻抗中分離出速度：（11）道積分方法的計算簡單快捷，但得出的相對波阻抗不含低頻成分，且精度不夠。第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日原始剖面相對波阻抗剖面第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2、帶限反演方法的具體實現(xiàn)帶限反演是對地震資料的轉(zhuǎn)換處理過程，其結(jié)果的分辨率、信噪比以及可靠性完全依賴于地震資料本身的品質(zhì)，因此用于地震反演的資料應(yīng)具有較寬的頻帶、較低的噪音、相對振幅保持和準(zhǔn)確成像。測井資料，尤其是聲波和密度測井資料是地震橫向預(yù)測的對比標(biāo)準(zhǔn)和解釋依據(jù)，在地震反演之前應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的編輯和校正，使其能夠正確反映巖層的物理特征。遞推反演的技術(shù)核心在于由地震資料正確估算地層反射系數(shù)或消除地震子波的影響。比較典型的實現(xiàn)方法有基于地層反褶積方法、稀疏脈沖反演和測井控制地震反演等。第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日帶限反演的處理流程圖第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

3、應(yīng)用與限制基于地震資料直接轉(zhuǎn)換的帶限反演方法比較完整地保留了地震反射的基本特征，如斷層、產(chǎn)狀等，不存在基于模型反演方法的多解性問題，能夠明顯地反映巖相、巖性的空間變化。在巖性相對穩(wěn)定的條件下，能較好的反映儲層的物性變化。帶限反演方法具有較寬的應(yīng)用領(lǐng)域。在勘探初期只有很少鉆井的情況下，通過反演資料進(jìn)行巖相分析確定地層的沉積體系，根據(jù)鉆井揭示的儲層特征進(jìn)行橫向預(yù)測，確定評價井位。在開發(fā)前期，在儲層較厚的條件下，遞推反演資料可為地質(zhì)建模提供比較可靠的構(gòu)造、厚度和物性信息，優(yōu)化方案設(shè)計。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2基于模型的地震反演首先要建立地質(zhì)模型，包括深度、厚度、速度和密度。地層的巖性、物性和流體性質(zhì)可用速度和密度等參數(shù)表示。作合成地震剖面，這在地球物理技術(shù)中稱為地震模型。正演算法：褶積模型算法，波動方程。

然后將地震模型同實際地震剖面進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，反復(fù)修正地質(zhì)模型，制作新的地震模型，直至兩者達(dá)到最佳吻合為止。模型反演由于是通過正演得到反演結(jié)果，回避了地震資料直接反演存在的問題(多解性和誤差累積現(xiàn)象)，因而可以突破目前地震分辨率的限制。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日與前面的道積分和遞推反演兩種方法相比，由于它是對模型參數(shù)直接進(jìn)行修改，得到的是寬帶的結(jié)果,分辨率很高。主要代表有:廣義線性反演(GLI)（Cooke,1983）地震巖性模擬(SLIM)（Gelfand，1984）魯棒的速度反演方法(ROVIM)（Fabre，1989）寬帶約束反演(BCI)（Martinez，1988）第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日一、模型迭代反演的特點(diǎn)

模型反演利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)工具。另一方面，由于是通過地震模型與實際地震資料的對比是否相似來判定迭代正演的收斂，不同薄互層組合的數(shù)據(jù)可以得到類似的地震模型，這就是模型反演方法的由于復(fù)雜地質(zhì)模型所致的多解性。第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日方法原理用正演的思路把地震剖面，并結(jié)合井資料建立的層狀模型反演成反映地下巖性等地質(zhì)信息；通過迭代法獲取巖性模型改變后的合成響應(yīng)，運(yùn)用的收斂準(zhǔn)則是模型得到的合成剖面；與實際地震剖面的匹配改善程度，即兩者的最小均方誤差或相似系數(shù)。輸入是普通的層狀速度模型，其輸出是巖性、層厚度、層速度、密度、聲阻抗、孔隙度等儲層細(xì)節(jié)。第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日初始模型井1井2第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

地震剖面提取子波

地質(zhì)、測井資料初始巖性或波阻抗模型

合成地震剖面修改模型參數(shù)或子波最終巖性模型及子波、合成剖面等輸出資料最佳擬合？YesNo原理示意圖第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

2、地震巖性模擬的分析處理步驟①資料準(zhǔn)備，包括井資料整理和分析，地震資料的解釋等；②建立過井測線的二維速度模型并進(jìn)行二維地震巖性模擬；③將此最終二維巖性模型擴(kuò)展到三維空間，進(jìn)行三維地震巖性模擬，獲取最終的三維巖性模型；④地質(zhì)解釋，即根據(jù)最終的三維速度模型定量描述所研究層位的基本特征，如巖性、幾何形態(tài)、孔隙度等。第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

3、優(yōu)缺點(diǎn)

避免了一般反褶積方法對子波是最小相位和反射系數(shù)是白噪的假設(shè)；

可使隨機(jī)干擾不參與反演，在反演過程中，使用了多種來源的先驗信息，以約束條件的形式限制了地震反演的多解性;建立初始模型時，除了考慮測井、鉆井地質(zhì)資料外，還利用地震剖面上少數(shù)“控制道”。厚度、速度、密度及子波等參數(shù)的迭代修改只是在這少數(shù)“控制道”上進(jìn)行，有了“控制道”參數(shù)之后，整個地質(zhì)模型就根據(jù)這些“控制道”作內(nèi)插，最后用內(nèi)插結(jié)果作正演，得到合成地震剖面;第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

實際剖面與理論剖面作比較時，要求最小，并不要求每一道都完全吻合。這樣既加快運(yùn)算速度，又避免了隨機(jī)噪聲參與反演;所花費(fèi)的計算機(jī)運(yùn)行時間是相當(dāng)可觀的。第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

初始綜合解釋

鉆井測井資料

逼近吻合?是A：否

合成地震剖面

波阻抗模型

攝動修改模型參數(shù)

模型改進(jìn)

約束條件A：高分辨率波阻抗模型原理示意圖實際地震剖面第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日做好地震反演的技術(shù)關(guān)鍵收集地震反演所需的各種原始資料，包括工區(qū)地質(zhì)情況、地震數(shù)據(jù)、測井資料、測試資料和分析化驗資料等。認(rèn)真分析收集的各種資料，針對工區(qū)地質(zhì)情況和目標(biāo)要求，選擇合適的反演方法和處理流程。做好層位標(biāo)定工作，可利用VSP資料和已有的時深轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)合合成地震記錄的制作，準(zhǔn)確標(biāo)定層位，尤其是目標(biāo)層的精細(xì)標(biāo)定。精細(xì)解釋好地震層位，它關(guān)系到模型建立的精度，必須確保層位解釋的合理性和可靠性。根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景，定義好地層之間的接觸關(guān)系，保證模型的合理性。對測井曲線進(jìn)行分析研究、編輯校正，做好同一種測井曲線的歸一化處理。選擇合理的處理流程和反演參數(shù)，保證反演處理的合理性和可行性。第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日測井地震波阻抗厚度分布+=突出優(yōu)點(diǎn)：地震與測井有機(jī)地結(jié)合反演剖面：低、高頻信息來源于測井資料構(gòu)造特征及中頻段忠實于地震數(shù)據(jù)分辨率：突破傳統(tǒng)意義上的地震分辨率理論上可得到與測井資料相同的分辨率適用于：薄層厚度預(yù)測井約束模型反演：煤厚變化趨勢預(yù)測第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日多井約束稀疏脈沖反演預(yù)測煤層厚度高速火成巖沖積扇第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日反演依據(jù)：利用特征參數(shù)模型反演方法，以增強(qiáng)反演成果對于煤體結(jié)構(gòu)的反映。重點(diǎn)環(huán)節(jié)：多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法---視電阻率擬聲波曲線的重構(gòu)3、構(gòu)造煤預(yù)測－煤體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)反演雙側(cè)向－RXO與煤體滲透性(a)(b)碎粒煤碎裂煤原生煤ⅡⅠ第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日構(gòu)造煤預(yù)測－煤體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)反演102302402第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日、泥質(zhì)含量反演剖面第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日二、疊前反演AVO反演彈性阻抗反演（EI）與方位AVO第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日疊后地震資料基本公式是垂直入射的反射系數(shù)公式，每個反射系數(shù)都被看成是地震射線以零角度入射到兩個巖層分界面上的結(jié)果，反射系數(shù)只是界面上下巖層波阻抗的一個簡單函數(shù)，反演結(jié)果也只能是波阻抗，或依賴速度與密度的統(tǒng)計關(guān)系從波阻抗中分離出縱波波速度和密度。實際上,我們在野外進(jìn)行地震資料采集（二維或三維）時,總是按一定的觀測系統(tǒng)實施的,這樣所接收到的反射波就變得非常復(fù)雜,反射系數(shù)不僅與密度、縱波速度有關(guān),還與橫波速度有關(guān),反射系數(shù)隨入射角或偏移距而變化,這就是AVO的含義。利用CMP道集上的AVO特性求取密度和縱橫波速度,這就是AVO反演。第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日一、AVO的基本理論

1、AVO技術(shù)的特點(diǎn)AVO（AmplitudeVersusOffset）是繼亮點(diǎn)技術(shù)之后，利用振幅信息研究巖性、檢測油氣的重要技術(shù)。主要研究內(nèi)容包括：利用CMP道集記錄，分析反射振幅隨炮檢距x或隨入射角的變化規(guī)律，估計界面兩側(cè)的彈性參數(shù)如泊松比，進(jìn)一步推斷地層的含油氣性。AVO的主要特點(diǎn)是：(1)充分利用了多次覆蓋資料中豐富的原始信息；(2)減少了巖性、含油氣性預(yù)測的多解性；(3)開辟了利用波動方程的解進(jìn)行定量解釋的新途徑；(4)是一種用于油田開發(fā)階段的，巖性或含油氣性預(yù)測的、量大活細(xì)的方法。第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

2、AVO技術(shù)的方法原理

Zoeppritz方程及其求解思路用矩陣表示Zoeppritz方程為:1Vp1Vs12Vp2Vs2ApApsAppBppBps‘‘據(jù)反射系數(shù)定義：Rpp=App/Ap=f(,1,2,Vp1,Vp2,Vs1,Vs2)。第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2、Zoeppritz方程的簡化公式（1）Bortfeld

近似式（2）Hilterman

近似式第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）Aki-Richards近似式第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（4）鄭曉東近似式第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

（5）Shuey近似式

分析上式可知,當(dāng)垂直入射時，R()=R0;中等入射角,

即0<<300,近似有sin=tg,此時:

泊松比第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日P、Q的組合形成AVO屬性剖面；其中P為截距，反映垂直入射時的反射振幅；G為梯度，反映振幅隨偏移距的變化率。

對廣角即>臨界角入射時；R()主要與速度變化有關(guān)，即：

R()=0.5Vp/Vp(tg2-sin2)

上述分析與理論試算表明：在<300情況下，入射角對反射系數(shù)的影響不是很大，這正是CDP疊加的理論基礎(chǔ)。有了上述Zoeppritz方程的簡化公式，我們就可以方便地對疊前CMP道集記錄上的振幅隨偏移距的變化進(jìn)行AVO反演。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

5、AVO技術(shù)的應(yīng)用

(1)識別真假亮點(diǎn)——利用縱橫波資料進(jìn)行聯(lián)合解釋，利用Vp/Vs的數(shù)值來識別真假亮點(diǎn)；分析CDP道集上AVO的變化規(guī)律，含氣使反射振幅隨炮檢距的增大而增強(qiáng);(2)氣水邊界檢測——先計算理論的AVO關(guān)系曲線，再擬合出實際CDP記錄的AVO關(guān)系曲線，最后沿CDP和測線循環(huán)，并用理論AVO規(guī)律對研究區(qū)作出氣水邊界的空間分布圖:(3)解釋巖性：

AVO技術(shù)的發(fā)展趨勢是:方位AVO、彈性阻抗反演技術(shù)；對于裂縫發(fā)育方向、介質(zhì)的非均質(zhì)性研究很有利。第四十九頁，共五十八