（地球探測與信息技術(shù)專業(yè)論文）多尺度聯(lián)合反演及其應(yīng)用.pdf

t h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no ft h em u l t i s c a l es e i s m i cd a t a j o i n ti n v e r s i o nm e t h o d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：婦a nh e m i n s u p e r v i s o r ：p r o f y i nx i n g y a o s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) tl7 關(guān)于學(xué)位論文的獨(dú)創(chuàng)性聲明 l i 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所 取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實(shí)事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以 標(biāo)注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人 或他人為獲得中國石油大學(xué)( 華東) 或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作出了明確的 說明。 若有不實(shí)之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名：蓮幽 一 日期：加f 1 年 易月z 日 t 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全同意中國石油大學(xué)( 華東) 有權(quán)使用本學(xué)位論文( 包括但不限 于其印刷版和電子版) ，使用方式包括但不限于：保留學(xué)位論文，按規(guī)定向 國家有關(guān)部門( 機(jī)構(gòu)) 送交學(xué)位論文，以學(xué)術(shù)交流為目的贈(zèng)送和交換學(xué)位論 文，允許學(xué)位論文被查閱、借閱和復(fù)印，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入 有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。 學(xué)位論文作者簽名：盤壘& 指導(dǎo)教師簽名： 日期：加i 年6 月7 , - 日 日期：印f 年易月2 - 日 摘要 隨著油氣勘探開發(fā)形勢的發(fā)展，油氣勘探正逐漸由構(gòu)造油氣藏轉(zhuǎn)向巖性油氣藏。 而作為最有效的一種油氣勘探地球物理方法，地震技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，已經(jīng)從 構(gòu)造解釋逐漸深入到儲層評價(jià)、巖性解釋和油藏描述等方面。地震反演技術(shù)能夠從地 震資料中提取出豐富的巖性、物性以及流體信息，為油藏描述提供各種有效的信息。 然而，隨著勘探開發(fā)難度的加大，常規(guī)的地震波阻抗反演已經(jīng)無法滿足油氣勘探開發(fā) 的需求。為了實(shí)現(xiàn)高精度的勘探，在波阻抗反演中聯(lián)合利用了地面地震數(shù)據(jù)、井間地 震數(shù)據(jù)和v s p 地震數(shù)據(jù)，充分利用地面地震數(shù)據(jù)在橫向上的高分辨率、井間地震數(shù) 據(jù)的寬頻帶信息和v s p 數(shù)據(jù)精確的時(shí)深關(guān)系，來提高反演的精度，以更好的為油氣 勘探開發(fā)服務(wù)。 常規(guī)的波阻抗反演方法只利用了地面地震數(shù)據(jù)，而地面地震數(shù)據(jù)雖然具有較高的 橫向分辨率，在垂向上的分辨能力卻比較低，這樣導(dǎo)致得到的反演結(jié)果往往精度不夠 高。地面地震數(shù)據(jù)、井問地震數(shù)據(jù)和v s p 數(shù)據(jù)雖然具有采集方式不同、波場信息豐 富程度不同、分辨率尺度不同，但是它們卻是地下相同的地質(zhì)體的地震波響應(yīng)。利用 貝葉斯理論可以將這三者聯(lián)系起來，建立起這三種資料的聯(lián)合概率密度函數(shù)。 論文中首先討論了貝葉斯反演理論，研究了基于貝葉斯理論的多尺度地震資料聯(lián) 合反演方法。然后研究了不同的先驗(yàn)分布函數(shù)對于反演結(jié)果的影響，采用了符合實(shí)際 井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征的柯西分布；同時(shí)研究了不同的參數(shù)對于反演結(jié)果的影響，為反演方 程中參數(shù)的選取指明了方向。在求解反演方程時(shí)，通過對目標(biāo)函數(shù)的分析，采用了改 進(jìn)的p r p 共軛梯度法，加快了方程收斂的速率，確保了反演的穩(wěn)定性。研究了序貫 高斯模擬建模方法，避免了確定性建模方法的平滑效應(yīng)，同時(shí)能夠?qū)δM結(jié)果進(jìn)行優(yōu) 選和不確定性評價(jià)。最后針對實(shí)際的地震資料量綱差別大的情況，對實(shí)際地震資料進(jìn) 行了預(yù)處理，方便了反演參數(shù)的選取。 對多尺度地震資料聯(lián)合反演方法進(jìn)行模型測試，通過與常規(guī)反演結(jié)果的對比可 知，多尺度地震資料聯(lián)合反演得到的結(jié)果不僅保持了很好的橫向連續(xù)性，而且具有更 高的分辨率，能夠識別常規(guī)反演方法無法識別的薄層。在實(shí)際地震資料的反演試算中， 多尺度地震資料聯(lián)合反演也體現(xiàn)更高的分辨率，整體效果優(yōu)于常規(guī)反演方法。 關(guān)鍵詞：貝葉斯理論聯(lián)合反演共軛梯度隨機(jī)模擬 ， t h e s t u d y a n d a p p l i c a t i o no ft h em u l t i s c a l es e i s m i cd a t aj o i n t i n v e r s i o nm e t h o d y u a nh e m i n ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry i nx i n g y a o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i la n dg a se x p l o r a t i o ns i t u a t i o n ，h y d r o c a r b o ne x p l o r a t i o ni s g r a d u a l l ys h i f t e df r o ms t r u c t u r a lr e s e r v o i rt ol i t h o l o g i cr e s e r v o i r s a sam o s te f f e c t i v e g e o p h y s i t sm e t h o df o rr e s e r v o i re x p l o r a t i o n ，s e i s m i ct e c h n o l o g yh a sb e e ns h i f t e df r o m s t r u c t u r ec h a r a c t e r i z a t i o nt or e s e r v o i re v a l u a t i o n ，l i t h o l o g i ci n t e r p r e t a t i o na n dr e s e r v o i r c h a r a c t e r i z a t i o na n ds oo n s e i s m i ci n v e r s i o nc a ne x t r a c tv a r i o u si n f o r m a t i o na b o u t l i t h o l o g y ，p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n df l u i df r o ms e i s m i cd a t a ，t oh e l pp r o v i d er i c hi n f o r m a t i o n f o rr e s e r v o i rd e s c r i p t i o n h o w e v e r ，w i t hi n c r e a s i n gd i f f i c u l t yo fe x p l o r a t i o n ，c o n v e n t i o n a l s e i s m i ci n v e r s i o nh a sf a i l e dt o p r o v i d ee n o u g hu s e f u li n f o r m a t i o n i no r d e rt op e r f o r m h i g h - p r e c i s i o ne x p l o r a t i o n ，li n t e g r a t et h es u r f a c es e i s m i cd a t a ，c r o s s w e l la n dv s p d a t ai n t h ei n v e r s i o nm e t h o d ，m a k i n gf u l lu s eo f t h eh i g hl a t e r a lr e s o l u t i o no fs u r f a c es e i s m i cd a t a ， w i d e - b a n di n f o r m a t i o no fc r o s s w e l ld a t aa n da c c u r a t et i m e d e p t hr e l a t i o n s h i po fv s pd a t a ， t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fs e i s m i ci n v e r s i o n ，a n dp r o v i d eb e t t e rs e r v i c ef o re x p l o r a t i o n c o n v e n t i o n a li m p e d a n c ei n v e r s i o no n l yu s e st h es u r f a c es e i s m i cd a t a a l t h o u g h s u r f a c es e i s m i cd a t ah a sh i g hl a t e r a lr e s o l u t i o n ，i t sv e r t i c a lr e s o l u t i o ni sl o w s u r f a c e s e i s m i cd a t a ，c r o s s w e l ls e i s m i cd a t a ，a n dv s p d a t a ，a l t h o u g ha c q u i r e di nd i f f e r e n tm e a n s ， o fd i f f e r e n tr e s o l u t i o n ，a r et h ec o r r e s p o n d i n gs e i s m i cw a v er e s p o n s e so ft h es a m eg e o l o g i c b o d y w i t ht h eh e i po ft h eb a y e s i a nt h e o r y , w ec a nl i n kt h e s et h r e ed a t at o g e t h e r ，a n ds e t u pt h ej o i n tp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no f t h e m i nt h i st h e s i s ，lf i r s td i s c u s s e dt h eb a y e s i a nt h e o r y ，a n ds t u d i e dm u l t i s c a l es e i s m i c d a t aj o i n ti n v e r s i o nm e t h o d t h e n ，is t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r i o rd i s t r i b u t i o no n t h ei n v e r s i o nr e s u l t s ，a n df m a l l yc h o s et h ec a u c h yd i s t r i b u t i o n ，w h i c hf k s t h er e a lw e l ld a t a w e l l b e s i d e s ，is t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h ei n v e r s i o nr e s u l t s i n s o l v i n gt h ei n v e r s i o ne q u a t i o n ，iu s e dt h em o d i f i e dp r pc o n j u g a t eg r a d i e n tm e t h o d ， a c c e l e r a t i n gt h ec o n v e r g e n c er a t e a n di n c r e a s i n gt h er o b u s t n e s so ft h em e t h o d ia l s o s t u d i e dt h es e q u e n t i a lg a u s s i a ns i m u l a t i o nm e t h o df o rm o d e l i n g t h i sm e t h o da v o i d st h e s m o o t h i n ge f f e c to ft h ed e t e r m i n a b l em o d e l i n g ，a n dc a nh e l po p t i m i z et h eb e s tr e s u r s ，a s w e l la sa s s e s s i n gt h eu n c e r t a i n t y f i n a l l y ，c o n s i d e r i n gt h a tr e a ld a t ah a sg i a n td i f f e r e n c ei n v a l u e ，ip r e p r o c e s s e dt h er e a ld a t a ，m a k i n gt h ec h o i c eo fi n v e r s i o np a r a m e t e r se a s i e r m u l t i s c a l es e i s m i cd a t aj o i n ti n v e r s i o nm e t h o di st e s t e dw i t ht h e o r e t i c a lm o d e l ，b y c o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t ht h ec o n v e n t i o n a li n v e r s i o n ，i ts h o w st h a tt h er e s u l to fj o i n t i n v e r s i o nn o to n l yh a sb e t t e rl a t e r a lc o n t i n u i t y ，b u ta l s oh a sh i g h e rr e s o l u t i o n t h r o u g ht h e t e s to fr e a ls u r v e yd a t a , m u l t i s c a l es e i s m i cd a t aj o i n ti n v e r s i o nr e f l e c t sh i g h e rr e s o l u t i o n ， a n di t so v e r a l lp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a li n v e r s i o nm e t h o d k e y w o r d s ：b a y e s i a nt h e o r y , j o i n ti n v e r s i o n ，c o n j u g a t eg r a d i e n t ，s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n 目錄 第一章緒論l 1 1 引言一l 1 2 疊后波阻抗反演研究現(xiàn)狀一2 1 3 論文研究內(nèi)容一7 第二章地震資料聯(lián)合反演的基本理論8 2 1 褶積模型8 2 2 貝葉斯理論11 2 3 基于貝葉斯理論的地震資料聯(lián)合反演一1 2 2 3 1 聯(lián)合反演方程的建立1 2 2 3 2 反射系數(shù)稀疏性約束16 2 3 3 波阻抗約束19 2 4 小結(jié)2 l 第三章基于稀疏脈沖的多尺度地震資料聯(lián)合反演2 2 3 1 地震資料聯(lián)合反演實(shí)現(xiàn)方法2 2 3 1 1 反演方程的求解一2 2 3 1 2 聯(lián)合反演方程特點(diǎn)分析一2 4 3 1 3 改進(jìn)的p r p 共軛梯度法2 4 3 1 4 聯(lián)合反演的實(shí)現(xiàn)步驟2 6 3 2 地震資料聯(lián)合反演算法測試2 7 3 2 1 一維模型測試2 7 3 2 2 高斯分布與柯西分布的約束效果對比3 0 3 2 3 改進(jìn)的p r p 共軛梯度算法的測試3 2 3 3 不同參數(shù)對于反演結(jié)果的影響3 4 3 4 小結(jié)3 6 第四章基于隨機(jī)模擬建模的聯(lián)合反演的實(shí)現(xiàn)3 8 4 1 變差函數(shù)3 8 4 1 1 變差函數(shù)的主要參數(shù)3 8 4 1 2 常用的理論變差函數(shù)模型4 0 4 2 克里金理論4l 4 2 1 克里金整合法4 l 4 2 2 簡單克里格( s k ) 4 2 4 2 3 普通克里格法( o k ) 4 2 4 3 序貫高斯模擬4 4 4 3 1 序貫高斯模擬的基本理論4 4 4 3 2 不同變差函數(shù)模型對序貫高斯模擬結(jié)果的影響4 7 4 3 3 序貫高斯模擬與克里格估值方法的比較5 0 4 4 基于隨機(jī)模擬建模的聯(lián)合反演實(shí)現(xiàn)5 4 4 5 小結(jié)5 7 第五章地震資料聯(lián)合反演的應(yīng)用。5 9 5 1 地震資料預(yù)處理5 9 5 1 2 模型測試6 3 5 2 1 一維模型測試6 3 5 2 2 二維模型測試6 4 5 3 實(shí)際資料應(yīng)用6 9 5 4 小結(jié)7 3 結(jié)j 滄7 5 參考文獻(xiàn)7 7 攻讀碩士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果8 l 致 射。8 2 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論 廣義的反演是指根據(jù)各種位場、交變電磁場、地球自由振蕩、熱學(xué)以及地震波的 觀測數(shù)據(jù)去推測地球內(nèi)部的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)形態(tài)，計(jì)算出各種有關(guān)的物理參數(shù)【l 】。地 震反演是根據(jù)觀測到的地震數(shù)據(jù)( 地震數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)等) ，在地質(zhì)規(guī)律和鉆井和測 井資料的約束下，對地層的物理性質(zhì)以及空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演成像的過程。地震資料中 包含著豐富的物性和巖性信息，通過進(jìn)行地震反演，使得我們可以將界面型的地震資 料轉(zhuǎn)換為直接反映地層性質(zhì)的資料，使之能直接與鉆井資料和測井資料等進(jìn)行對比， 并且能進(jìn)一步對巖層進(jìn)行地質(zhì)解釋、儲層預(yù)測和油藏描述，為油氣田的勘探和開發(fā)提 供可靠的依據(jù)【l 】。 在地震勘探中，正演和反演是兩個(gè)相反的過程。正演是指根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)模型， 利用各種理論工具，將地震子波與反射系數(shù)進(jìn)行褶積，得到合成地震剖面；反演則是 利用地面和井中觀測得到的數(shù)據(jù)來反推地下地質(zhì)構(gòu)造，對地層進(jìn)行成像的方法【2 1 。 地震波阻抗反演是進(jìn)行儲層預(yù)測的一種有效手段，波阻抗對含油氣儲層具有很好 的指示作用。波阻抗反演是利用實(shí)際觀測到的地震數(shù)據(jù)反演出地層波阻抗的一種地震 解釋方法。根據(jù)反演作用的數(shù)據(jù)所處的階段，反演可分為疊前和疊后兩種，根據(jù)反演 所用方法原理的不同，反演可分為基于波動(dòng)方程的反演和基于褶積模型的反演【3 】。 2 0 世紀(jì)7 0 年代，反演技術(shù)開始出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)對地震反演的研究只是以一維波阻抗反 演為主，8 0 年代，反演技術(shù)逐漸取代了亮點(diǎn)技術(shù)。反演技術(shù)在9 0 年代得到蓬勃發(fā)展， 并逐漸得到了廣泛應(yīng)用【l 】。近些年來，為了適應(yīng)油田勘探開發(fā)的需求，出現(xiàn)了各種以 測井信息約束和地質(zhì)信息約束波阻抗反演技術(shù)，使得其精度得到了很好的提高。 地面地震觀測數(shù)據(jù)是通過地表激發(fā)，地表接收到方式來采集的，它具有較高的橫 向分辨率，但是垂向的分辨能力比較低。v s p 地震觀測數(shù)據(jù)則是采用地表激發(fā)，井中 接收的方式來采集數(shù)據(jù)，雖然它的垂向分辨率比地面地震觀測數(shù)據(jù)的有了一些提高， 但是由于其空間覆蓋范圍小，所以橫向分辨能力較低【4 】。井間地震數(shù)據(jù)是指在井中激 發(fā)，在另一口井中接收所采集到的地震觀測數(shù)據(jù)，它的橫向分辨率比v s p 數(shù)據(jù)和地 面地震數(shù)據(jù)都要高，但是由于是在井中激發(fā)和井中接收到，所以只能獲得兩口井之間 的地層信息。不同的觀測方式采集到的地震數(shù)據(jù)具有不同的分辨率尺度，它們的垂向 分辨率，橫向分辨率和空間覆蓋范圍都具有一定的差異性。雖然目前的地震反演技術(shù) 1 第一章緒論 對各個(gè)技術(shù)的應(yīng)用都達(dá)到了比較成熟的程度，但是在綜合這幾種不同分辨率尺度的地 震數(shù)據(jù)進(jìn)行波阻抗反演方面還沒有取得很多突破【5 】。 地面地震數(shù)據(jù)，v s p 地震數(shù)據(jù)和井間地震數(shù)據(jù)雖然采集方式不同，對目的層的覆 蓋范圍不同，相應(yīng)的，分辨率尺度也不相同，但是它們?nèi)叨际菍Φ叵孪嗤刭|(zhì)體的 響應(yīng)特征，因此可以將這幾種不同尺度的數(shù)據(jù)聯(lián)合起來建立統(tǒng)一的地質(zhì)模型，從而可 以充分利用不同數(shù)據(jù)在橫向和垂向上的分辨率優(yōu)勢，相互補(bǔ)充，相互約束，減少反演 的不確定性，增加反演的精劇6 1 。 基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的隨機(jī)反演方法結(jié)合了地震波阻抗反演和隨機(jī)建模儲層約 束的優(yōu)勢，能夠充分利用隨機(jī)模擬技術(shù)來整合不同尺度的數(shù)據(jù)( 如構(gòu)造信息和地層信 息) ，從而可以達(dá)到建立高分辨率的儲層地質(zhì)模型的目的，為油藏開發(fā)方案的制定和 調(diào)整，以及提高采收率提供依捌7 1 。 1 2 疊后波阻抗反演研究現(xiàn)狀 地震勘探中的反演則是指利用在地面觀測得到的數(shù)據(jù)來恢復(fù)地下地質(zhì)構(gòu)造的方 法。地震反演的目的就是根據(jù)地震波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律，通過數(shù)據(jù)采集、處理 與解釋等流程，來推測地下巖層構(gòu)造和物性參數(shù)的分布特征，為勘探開發(fā)提供依據(jù)。 波阻抗反演是利用地震觀測資料反演出地下介質(zhì)波阻抗的一種地震處理技術(shù)。作 為儲層預(yù)測的一種有效手段，波阻抗與含油氣儲層有很好的對應(yīng)性。波阻抗反演的實(shí) 質(zhì)就是從地震剖面上消除子波影響，獲得反射系數(shù)，然后再根據(jù)得到的反射系數(shù)計(jì)算 出能反映地層物性變化的地層波阻抗。下面簡單介紹一下波阻抗反演的發(fā)展歷史。 在2 0 世紀(jì)7 0 年代，b a c k u s 和g i l b e r t 1 】連續(xù)發(fā)表了三篇關(guān)于地球物理反演的文章， 為地球物理反演方法提供了理論基礎(chǔ)。初期的反演是基于褶積模型的一維波阻抗反 演，必須假定模型為連續(xù)的，因此容易導(dǎo)致方程欠定問題。w i g g i n s 和j a c s o n 等在1 9 7 2 年提出了在離散模型情況下與b g 理論對應(yīng)的反演，即廣義反演。此后p a r k e r t l 】等人 對廣義反演進(jìn)行了推廣和普及，使得反演逐漸成為地球物理中很重要的分支。 到了8 0 年代，反演技術(shù)得到了迅速發(fā)展，并且逐步替代了亮點(diǎn)技術(shù)。地震層析 成像技術(shù)也逐漸引起了人們的注意。該方法能同時(shí)求出不同深度上波速的平均值，并 且能夠反演波速的橫向變化。在1 9 8 3 年，c o o k e 等人將波阻抗反演發(fā)展到了廣義線 性反演，同年h e l l y 以及l(fā) i n e s i l l 提出了基于地震波場的反演方法，使得反演可以對地 下的構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的成像。l a i l l y 等提出的通過時(shí)間偏移反演逆?zhèn)鞑サ姆椒?，使得?2 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 時(shí)間域和頻率域的波場反演和旅行時(shí)層析成像技術(shù)成為可能。t a r a n t o l a 等人在1 9 8 4 年提出了利用對稱的格林函數(shù)或聯(lián)合體的波動(dòng)方程反演方法。在8 0 年代末，s e y m o u r t l 】 提出了利用測井資料約束，正、反演方法迭代進(jìn)行來求取波阻抗的方法，該方法充分 利用了測井資料高頻特性，極大的提高了地震反演的精度，則實(shí)際上就是一種非線性 反演。 反演技術(shù)在9 0 年代得到蓬勃發(fā)展，逐漸進(jìn)入了非線性理論的研究階段，并得到 了廣泛應(yīng)用。9 0 年代初期，為了克服單一的線性反演的缺陷，周竹生等人提出了綜 合利用地震、測井和地質(zhì)資料進(jìn)行約束的反演方法。李宏兵【9 】在9 0 年代中期提出了 將寬帶約束反演技術(shù)和遞推反演技術(shù)相結(jié)合的一種方法，使得反演技術(shù)在單道上消除 了噪聲的干擾。1 9 9 9 年，c o n n o l l y 提出了彈性波阻抗反演方法，糾正了反射系數(shù)垂 直入射的假設(shè)，并將地震道反演技術(shù)同a v o 技術(shù)結(jié)合了起來。同時(shí)，各大石油公司 也發(fā)展了自己的非線性反演技術(shù)，如法國c g g 公司的反演模擬r o v i m 技術(shù)，俄羅 斯的p a r m 技術(shù)，荷蘭的j a s o n ，以及美國h g s 的寬帶約束反演技術(shù)b c i 。 進(jìn)入2 l 世紀(jì)以后，彈性波阻抗反演技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，各大石油公司紛紛提 出了對彈性波阻抗反演的擴(kuò)充和完善。b p a m o c o 公司將該方法進(jìn)行了擴(kuò)充和拓展， 將其用于流體和巖性的預(yù)測；a r c o 公司對該方法進(jìn)行了完善和發(fā)展，將e i 和舢 的數(shù)值控制在了一個(gè)尺度之下。此后，p a r a d i g m 公司也將彈性波阻抗反演整合到了其 公司的商業(yè)軟件中。j a s o n 1 0 】公司的商業(yè)軟件中也出現(xiàn)了用于彈性波阻抗反演的模塊， 并且為了區(qū)分于其他公司的軟件，提出了縱波波阻抗和橫波波阻抗的概念。 g o n z a l e z 1 0 】等在2 0 0 3 年將轉(zhuǎn)換波的彈性波阻抗用于指示氣的含量。同年，有人將利 用波場干涉得到正規(guī)化波場的方法引入到了波阻抗波場反演的方法中。此后有人將彈 性波阻抗反演擴(kuò)展為廣義彈性波阻抗反演，并將縱波速度，橫波速度等巖性等信息納 入到了波阻抗反演中。經(jīng)過幾年的發(fā)展，又出現(xiàn)了基于小波變換的多尺度反演方法， 克服了局部極值的影響，加快了收斂速度。目前，基于波動(dòng)方程的波阻抗反演和非線 性約束反演方法是波阻抗反演技術(shù)的重要發(fā)展方向。 根據(jù)反演的原始模型，地震反演可以劃分為基于r o b i n s o n 褶積模型反演和基于 波動(dòng)理論的波動(dòng)方程反演，在實(shí)際工作中主要是基于褶積模型的反演。我們常說的地 震資料波阻抗反演實(shí)際上指的是基于r o b i n s o n 褶積模型的疊后波阻抗反演，主要方 法包括稀疏脈沖反演，遞推反演( r e c u r s i v ei n v e r s e ) 和基于模型的反演。 地震波阻抗反演是利用地震資料反演出地層波阻抗( 或速度) 的一種基本的地震 3 第一章緒論 處理技術(shù)。通過波阻抗反演可以把界面型地震反射剖面轉(zhuǎn)換成巖層型的剖面，從而使 地震資料轉(zhuǎn)變成可以直接與鉆井資料進(jìn)行對比。波阻抗反演已經(jīng)成為地震資料解釋中 不可或缺的一種處理手段。其優(yōu)點(diǎn)為：( 1 ) 波阻抗反演可以使得反射系數(shù)剖面轉(zhuǎn)換為 波阻抗剖面，從而使其能否反映地層內(nèi)部的信息，而不僅僅是界面上的信息，這樣就 便于進(jìn)行巖性解釋和儲層預(yù)測了；( 2 ) 波阻抗反演所用的數(shù)據(jù)為零炮檢距數(shù)據(jù)，而不 包含角度的信息，所以模型比較簡單；( 3 ) 它所采用的數(shù)據(jù)是信噪比和分辨率都比較 高的疊后地震數(shù)據(jù)，這就保證了解的穩(wěn)定性；( 4 ) 波阻抗反演的數(shù)據(jù)不僅是地震波阻 抗，還可以輸出層速度，所以說它的用途可以用于很多方面【3 1 。 不同于地震資料，波阻抗作為一種巖石性質(zhì)的指示指標(biāo)，不僅能夠便于進(jìn)行層序 地層學(xué)的解釋，而且消除了地震資料中的調(diào)諧效應(yīng)和地震子波旁瓣的影響，避免了一 些地質(zhì)假象，分辨率更高。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，波阻抗反演技術(shù)已經(jīng)衍生出了很多方法，像寬帶約束反演， 無井多道反演，有井多道反演，多尺度反演和混沌反演等，但是最基本的波阻抗反演 方法主要有以下幾種。 遞推反演：是指基于反射系數(shù)遞推計(jì)算地層波阻抗( 速度) 的地震波阻抗反演。 根據(jù)彈性波理論，但縱波垂直入射到界面上時(shí)，只會產(chǎn)生反射縱波和透射縱波，這是 根據(jù)反射系數(shù)和波阻抗之間的理論關(guān)系式就可以推導(dǎo)出由反射系數(shù)遞推計(jì)算得到的 波阻抗【1 1 】。 遞推反演對于地震資料有較高的要求，它要求用于反演的地震資料必須具有較低 的噪聲、較好的相對振幅保持和比較寬的地震頻帶。通過對地震資料進(jìn)行處理，可以 得到分辨率比較高的反演結(jié)果。但是由于它對地震資料的依賴較大，因此在反演之前 應(yīng)對用于反演的地震資料做好預(yù)處理。 遞推反演較好地保留了地震反射的基本特征，不存在基于模型方法的多解性問 題，能夠明顯地反映巖性、巖相的空間變化。同時(shí)該方法具有比較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域， 在勘探初期可以用于儲層橫向預(yù)測和井位評價(jià)，在開發(fā)時(shí)期可以用于優(yōu)化方案設(shè)計(jì)和 油藏監(jiān)測。然而由于該方法本身的特點(diǎn)，它的反演結(jié)果受到地震頻帶寬度的限制的影 響較大，因此分辨率較低。 稀疏脈沖反演：是一種基于稀疏脈沖反褶積基礎(chǔ)上的遞推反演方法。稀疏脈沖反 演假定地層反射系數(shù)是由一系列具有高斯背景的強(qiáng)反射系數(shù)組成，在此基礎(chǔ)上利用不 同的方法估算出地震子波和強(qiáng)反射系數(shù)【1 2 】。 4 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 當(dāng)前的大多數(shù)反褶積方法都是基于稀疏脈沖的范疇，該方法利用最大似然反褶積 進(jìn)行反射系數(shù)的反演，然后根據(jù)反演結(jié)果計(jì)算出初始波阻抗，再將此初始波阻抗作為 一種約束條件加入到反演中，如此迭代，直到得到的結(jié)果與測井曲線吻合的比較好。 該方法的實(shí)質(zhì)就以阻抗趨勢為約束，用最少數(shù)稀疏的強(qiáng)反射系數(shù)迭代修正，直到達(dá)到 合成記錄與地震道的最佳匹配。 稀疏脈沖反演無需鉆井資料，可以直接由地震記錄計(jì)算出反射系數(shù)，不存在帶限問 題，適應(yīng)地質(zhì)條件也較廣。此外，該方法還具有很好的井約束條件，可以根據(jù)地震資 料與井資料的匹配程度來決定井對反演的約束強(qiáng)度。并且通過模型約束可以提高反演 方法的抗噪性，提高反演結(jié)果的分辨率。由于需要模型約束，所以該反演結(jié)果依賴于 初始波阻抗，如果初始波阻抗模型不夠準(zhǔn)確，那么反演結(jié)果也不會很理想。 基于模型的反演：是一種以模型為基礎(chǔ)的反演方法，它將測井資料引入到了反演 過程中，能夠利用測井資料的高頻信息和寬頻帶的特性來彌補(bǔ)地震資料的低分辨率和 有限帶寬的不足，反演結(jié)果可以獲得高分辨率的地震波阻抗。該方法先建立一個(gè)地質(zhì) 模型，然后將地震資料與該地質(zhì)模型進(jìn)行對比，根據(jù)兩者的吻合程度和誤差大小來進(jìn) 行迭代，不斷的更新模型知道反演結(jié)果與實(shí)際地震道匹配位置。該方法避免了直接對 地震資料進(jìn)行反演，具有較高的分辨率【l 3 1 。 由于利用測井資料進(jìn)行約束，所以基于模型的地震反演又稱為測井約束地震反 演，反演結(jié)果的低頻信息和高頻信息均來自測井資料，地震資料則提供了反演結(jié)果中 的中頻信息和構(gòu)造特征。測井信息的引入，有效的拓寬了反演結(jié)果波阻抗的頻帶寬度， 提高了反演結(jié)果的分辨率。 但是，由于該反演方法是基于模型的，這就不可避免的帶來了多解性的問題，這 也是該方法固有的缺點(diǎn)，多解性不可能徹底消除，只能盡量較小。減少該反演方法多 解性的問題關(guān)鍵在于建立正確的初始模型，建立的初始模型同實(shí)際的地質(zhì)情況越吻 合，鉆、測井資料越多，則反演的多解性越小，反演結(jié)果越可靠。建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模 型，需要注意子波的提取，層位的標(biāo)定和控制。 雖然應(yīng)用范圍廣泛，但是仍然有許多因素會影響波阻抗反演的結(jié)果，影響因素主 要有噪聲影響、子波提取不準(zhǔn)確、假設(shè)條件與實(shí)際情況不符、低頻分量不準(zhǔn)確、時(shí)深 轉(zhuǎn)換遺漏信息、約束條件和波阻抗初值等【l4 1 。 ( 1 ) 噪聲 地震資料中存在的噪聲會對子波提取和波阻抗遞推產(chǎn)生影響。作為衡量地震資料 第一章緒論 質(zhì)量的三個(gè)基本參數(shù)之一，信噪比非常重要。信噪比越高，反演過程中噪聲的影響也 就越小，所以在進(jìn)行反演之前，應(yīng)該對地震資料行去噪處理。 ( 2 ) 子波提取 在地震子波提取中，不可避免的會存在噪聲、子波相位不準(zhǔn)等問題，此外，由于 地震數(shù)據(jù)從淺到深相位和頻率都是變化的，而提取的子波不能反映這種變化，因此會 導(dǎo)致求取的反射系數(shù)是錯(cuò)誤，進(jìn)一步導(dǎo)致反演結(jié)果的錯(cuò)誤。 ( 3 ) 假設(shè)條件 反演的遞推公式有一系列的假設(shè)條件，如垂直入射反射，入射波為平面波，介質(zhì) 為各向同性的彈性介質(zhì)等。這些假設(shè)條件在實(shí)際地震資料采集中往往很難達(dá)到，比如 地震波是球面波而非平面波，地層并不是各向同性的等，既然前提條件都無法滿足， 反演結(jié)果勢必會存在誤差。 ( 4 ) 低頻分量 低頻分量的選取對于反演結(jié)果非常重要。由于低頻分量是求取絕對波阻抗必不可 少的，并且可以作為反演的初始值，所以如果低頻分量選取的不好，就會導(dǎo)致反演方 程收斂的很慢，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)果發(fā)散。 ( 5 ) 時(shí)深轉(zhuǎn)換 由于儲層太薄或者采樣間隔的限制，測井資料在從深度域轉(zhuǎn)換到時(shí)間域時(shí)，會遺 漏一些薄層信息，從而導(dǎo)致制作的合成地震記錄與實(shí)際地震道不符，進(jìn)一步導(dǎo)致低頻 分量構(gòu)建不準(zhǔn)，影響反演結(jié)果。 ( 6 ) 約束條件 由于反演問題固有的多解性，反演結(jié)果常常對得到多個(gè)極值點(diǎn)。為了減少多解性， 常常引入約束條件，然而約束條件的應(yīng)用也存在很多問題。約束條件限制的太緊，反 演結(jié)果就會過多的依賴于約束條件；約束條件限制的太松，又不能有效的減少反演的 多解性。通常根據(jù)約束條件離井點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近來確定其約束反演方程的程度。 ( 7 ) 波阻抗初值 波阻抗初值選擇的好壞對于反演結(jié)果影響巨大，尤其對于基于模型的波阻抗反 演。由于反射系數(shù)與波阻抗之間具有遞推關(guān)系，反演結(jié)果不可避免的受到遞推公式的 影響，尤其波阻抗值初始值的影響。初值選擇的好，不僅會得到準(zhǔn)確的反演結(jié)果，還 可以加快反演方程的收斂；初值選擇的不好，就會使反演結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致發(fā)散。 6 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 1 3 論文研究內(nèi)容 本文主要研究了基于貝葉斯理論的多尺度地震資料聯(lián)合反演的修改試算與應(yīng)用。 本文共分為五章，下面對各章分別進(jìn)行介紹： 第一章緒論，主要介紹了疊后波阻抗反演的研究現(xiàn)狀。對波阻抗反演的歷史進(jìn)行 了詳細(xì)的介紹，并且總結(jié)了幾種常用的波阻抗反演方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。 第二章對基于貝葉斯理論的不同尺度的地震資料聯(lián)合反演的方法進(jìn)行了理論推 導(dǎo)。先是引述了其理論基礎(chǔ)一貝葉斯理論，然后以貝葉斯理論為出發(fā)點(diǎn)推導(dǎo)了聯(lián)合反 演的先驗(yàn)信息模型，對比了幾種常用的先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并最終選擇了柯西分布作為先驗(yàn)信 息約束。再然后又引入了波阻抗約束，增加了反演方程的地質(zhì)意義，減少了多解性。 第三章在第二章的基礎(chǔ)上對反演方程的求解進(jìn)行了推導(dǎo)，利用貝葉斯理論中的最 大后驗(yàn)概率估計(jì)對反演方程進(jìn)行了求解。通過對最終反演目標(biāo)函數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析， 采用了相應(yīng)的求解算法改進(jìn)的p r p 共軛梯度法，減少了求解過程的空間占用，加 快了方程的收斂速度。然后又將改進(jìn)的p r p 共軛梯度法與常規(guī)的求解方法進(jìn)行了對 比，同時(shí)研究了反演方程中的波阻抗約束參數(shù)，稀疏約束參數(shù)以及正則化因子等對反 演結(jié)果的影響，為了反演方程應(yīng)用于實(shí)際資料處理時(shí)的參數(shù)選取提供了指導(dǎo)。 第四章討論了基于隨機(jī)模擬理論的聯(lián)合反演的實(shí)現(xiàn)。先是介紹了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論 中的變差函數(shù)、克里金插值以及序貫高斯模擬等基本概念，然后根據(jù)隨機(jī)模擬理論將 這些基本概念應(yīng)用到了聯(lián)合反演方程中去，并最終對該方法進(jìn)行了相關(guān)的模型測試。 第五章對第三章和第四章中提到的兩種聯(lián)合反演方法進(jìn)行了模型測試；論述了應(yīng) 用于實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)歸一化的必要性，縮小了相關(guān)參數(shù)的選取范圍；然后將該方法應(yīng)用于 勝利墾7 l 區(qū)塊的實(shí)際數(shù)據(jù)處理，取得了較好的效果。 最后，結(jié)論部分對文章各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行了歸納，對主要的研究內(nèi)容進(jìn)行了總 結(jié)。 7 第二章地震資料聯(lián)合反演的基本理論 第二章地震資料聯(lián)合反演的基本理論 地震反演是進(jìn)行儲層預(yù)測的一種有效手段，波阻抗對含油氣儲層具有很好的指示 作用。波阻抗反演的實(shí)質(zhì)就是從地震剖面上消除子波影響，獲得反射系數(shù)，然后再根 據(jù)得到的反射系數(shù)計(jì)算出能反映地層物性變化的地層波阻抗。常規(guī)的疊后測井約束波 阻抗反演只用到地面地震數(shù)據(jù)和由聲波測井資料所獲得的波阻抗作為約束條件，其垂 向分辨率較低。多尺度地震資料聯(lián)合反演能夠有效的提高反演精度。 本章首先闡述了地震資料聯(lián)合反演的基本理論，介紹了地震反演的理論基礎(chǔ)一褶 積模型和貝葉斯理論，利用貝葉斯理論將地面地震資料、井間地震資料和v s p 資料 整合起來建立了聯(lián)合反演方程，然后依據(jù)對實(shí)際測井資料的統(tǒng)計(jì)分析，選擇了柯西先 驗(yàn)約束準(zhǔn)測作為反射系數(shù)的稀疏性約束條件，同時(shí)利用最小平方準(zhǔn)測在目標(biāo)函數(shù)中引 入了波阻抗約束。 2 1 褶積模型 所謂褶積模型是指制作合成地震記錄的一種模型，它假?zèng)]地震記錄是由地下各地 層的反射函數(shù)與地震子波褶積構(gòu)成的，有時(shí)候?yàn)榱丝紤]干擾信息，還會加上隨機(jī)噪聲。 假定地震波以脈沖施( f ) 形式激發(fā)，經(jīng)過地層時(shí)無吸收、多次反射和透射等因素 的影響，并且在傳播過程中不存在隨機(jī)干擾1 5 】，這樣可以得到理想的輸出： x ( r ) = b a ( t ) 拳毒( f ) = 6 孝( f ) ( 2 1 ) 這時(shí)的輸出實(shí)際上就是反射系數(shù)序列，相對于實(shí)際地震記錄，它具有很高的分辨 率，豐富的高頻信息。但是理想模型是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗c實(shí)際情況相差太大。 實(shí)際地震記錄x ( f ) 由有效波s ( ，) 和干擾波刀( f ) 組成： x o ) = j ( f ) + 刀( f ) ( 2 2 ) 在反射波地震勘探中，有效波是指一次反射波，除了一次反射波以外的波都是干 擾波，一次反射波可以表示為以下褶積模型1 5 1 。 s ( f ) = w ( f ) 奉，( f ) ( 2 3 ) 其中w ( f ) 是地震子波，( f ) 稱為反射系數(shù)序列。 假定一個(gè)三層介質(zhì)的零偏移距垂直入射模型，每一層對應(yīng)的波阻抗分別為，、厶、 l ， 當(dāng)t = 0 時(shí)，經(jīng)過激發(fā)產(chǎn)生的具有脈沖性質(zhì)的地震子波進(jìn)入地層。能量在地層中 8 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 產(chǎn)生反射和透射，不考慮多次反射，觀測到的地震記錄中將會包含三次反射。 為了簡化問題方便，我們只計(jì)算反射系數(shù)的振幅。根據(jù)s n e l l 定律中的反射系數(shù) 與透射系數(shù)的關(guān)系，可以計(jì)算出地震波在各層中透射產(chǎn)生的振幅值。用，表示反射系 數(shù)，則根據(jù)垂直入射時(shí)透射系數(shù)與反射系數(shù)的關(guān)系，有透射系數(shù)，可以表示為t = l + ，。 所以波到達(dá)第三層介質(zhì)時(shí)的振幅為： i x t l t 2 t 3 = o + r , x l + r 2 x l + r 3 ) ( 2 - 4 ) 地震波到達(dá)第三層介質(zhì)，經(jīng)過反射后的振幅應(yīng)該乘以第三層的反射系數(shù)： i x x t 2 x r 32 ( 1 + ) ( 1 + 吃) 吩( 2 - 5 ) 地震波經(jīng)過反射向上傳播時(shí)，透射系數(shù)應(yīng)該為： ，= l + ，= l 一， ( 2 6 ) 反射波傳到地表時(shí)振幅為： ( 1 + r 0 ( 1 + r 2 ) x r 3 ( 1 一r 2 x l 一，i ) ( 2 7 ) 所以從第三層反射到地表的地震波振幅為： ( 1 一，i 2 ) ( 卜r 2 2 地 ( 2 8 ) 所有三層介質(zhì)的反射波振幅為： 界面l 處的反射波振幅 彳l2 ( 2 9 ) 界面2 處的反射波振幅 4 = o 一_ 2 k ( 2 - 1 0 ) 界面3 處的反射波振幅 a ，= ( 1 1 2x l 一膨k ( 2 1 1 ) 以此類推 界面k 處的反射波振幅為： 后= 2 ，3 ( 2 1 2 ) 由上式可知，假定地震波垂直入射，地震子波為脈沖函數(shù)，地震記錄就是不同界 面的反射波到達(dá)地表的脈沖函數(shù)的疊加，它的振幅值與振幅4 成正比。 9 岐 一 0 兀刪 = 4 第二章地震資料聯(lián)合反演的基本理論 但是在實(shí)際地震資料的采集過程中，不可能實(shí)現(xiàn)震源子波與脈沖函數(shù)相同的情 況，并且多次波也不可能完全忽略。由于地震子波是有限的時(shí)間序列的函數(shù)，所以地 震記錄實(shí)際上就是不同時(shí)間到達(dá)的震源子波在地表的疊加，其幅值與振幅4 成正比。 上面的三層介質(zhì)模型中我們根據(jù)反射系數(shù)計(jì)算得到了每一層的振幅么、a z 、a 3 ， 則地震記錄可以表示為： s ( o = a l w ( t t i ) + a 2 w ( t t 2 ) +