《地震反演技術(shù)》PPT課件備課講稿

《地震反演技術(shù)》PPT課件1、地震反演的基本原理

一、基本概念二、反演問(wèn)題的例子三、反演問(wèn)題的幾個(gè)重要事項(xiàng)四、波阻抗反演的基本原理一、基本概念

資源勘探開(kāi)發(fā)的全部工作都是針對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行的,即研究?jī)?chǔ)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(chǔ)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(duì)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(duì)比的形式,實(shí)現(xiàn)此種轉(zhuǎn)換的算法和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)就是地震反演技術(shù)。

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(guò)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(lèi)似于測(cè)井資料的巖層型信息，使其直接與鉆井、測(cè)井資料對(duì)比，實(shí)現(xiàn)以巖層為單元的地質(zhì)解釋?zhuān)浞职l(fā)揮地震資料具有良好的平面和空間控制作用的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到煤層厚度和圍巖性質(zhì)描述之目的。

由此可見(jiàn)，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(chǎng)(電位、重力位等)、波場(chǎng)(聲波、彈性波等)電磁場(chǎng)和熱學(xué)場(chǎng)等的地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)去推測(cè)地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)及物質(zhì)成分，定量計(jì)算其相關(guān)物理參數(shù)的過(guò)程。2、反演理論這是從一個(gè)物理系統(tǒng)上的觀測(cè)值來(lái)恢復(fù)該物理系統(tǒng)有用信息的一套數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)（如微積分、微分方程、矩陣?yán)碚?、統(tǒng)計(jì)估算和推測(cè)等）。3、地震反演技術(shù)指利用人工激發(fā)產(chǎn)生的地震波場(chǎng)推測(cè)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(wèn)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(jì)算模型的響應(yīng)

輸入算子輸出根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)的過(guò)程即反演。觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)工具反演理論系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)值二、反演問(wèn)題的例子1、曲線擬合利用若干個(gè)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，擬合其曲線規(guī)律的過(guò)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(cè)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(guò)程；已知S(t)和W(t)，求R(t)則為反演過(guò)程；已知S(t)和R(t)，求W(t)則為子波處理。3、地球物理觀測(cè)資料的地質(zhì)解釋過(guò)程就是反演過(guò)程。解反問(wèn)題的常用方法有最小二乘法、統(tǒng)計(jì)回歸分析法、參數(shù)估計(jì)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。地球物理反演問(wèn)題在理論和方法上的重大進(jìn)展，與近20多年來(lái)解反演問(wèn)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(wèn)題的幾個(gè)重要事項(xiàng)1、反演問(wèn)題描述應(yīng)考慮的問(wèn)題①地球物理數(shù)據(jù)的性質(zhì)即場(chǎng)的性質(zhì)；②觀測(cè)數(shù)據(jù)中誤差及干擾；③考慮的問(wèn)題能否作為數(shù)學(xué)問(wèn)題提出；④對(duì)問(wèn)題有無(wú)物理約束。2、反演問(wèn)題求解時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題①可能獲取何種解，近似解還是精確解；②問(wèn)題是欠定的、超定的還是適定的；③問(wèn)題是線性的還是非線性的；④什么是問(wèn)題的最好解法；⑤解的精度及可靠性；⑥求解結(jié)果如何評(píng)價(jià)和驗(yàn)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(wèn)題，也是儲(chǔ)層地球物理研究和開(kāi)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。左圖是一個(gè)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(gè)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(gè)相對(duì)高速的楔形砂巖體。地震反演技術(shù)的基本原理可用下圖說(shuō)明。地震疊后反演的基本方法

一、反演方法的分類(lèi)二、帶限反演三、寬頻反演（模型反演）一、反演方法的分類(lèi)

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(dòng)理論；射線理論以旅行時(shí)反演為主;波動(dòng)理論主要是波動(dòng)方程反演、層析成像理論等；3、從解反問(wèn)題的數(shù)學(xué)工具上分,可分為線性和非線性?xún)纱箢?lèi)。根據(jù)方程個(gè)數(shù)與未知數(shù)個(gè)數(shù)的情況分為超定、欠定和適定問(wèn)題；4、測(cè)井資料的作用大?。核念?lèi)：地震直接反演或無(wú)井約束反演；測(cè)井控制下的地震反演；測(cè)井~地震聯(lián)合反演；地震控制下的測(cè)井內(nèi)插與外推。上述反演方法分別用于勘探開(kāi)發(fā)的不同階段。5、從反演的實(shí)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(duì)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(jì)算地層相對(duì)或絕對(duì)波阻抗的直接反演方法。

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(jì)算公式：

(1)遞推可得：

(2)

對(duì)(2)式取對(duì)數(shù):(3)

對(duì)(3)式右邊求和號(hào)內(nèi)的對(duì)數(shù)項(xiàng)按Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)，得(4)式：

（4）取第一項(xiàng)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(shí)際資料處理中，通常使用反褶積后的地震道s(t)。但此時(shí)的地震道s(t)仍然是一個(gè)具有有限帶寬的地震道，只不過(guò)相當(dāng)于用一個(gè)更寬的頻帶對(duì)反射系數(shù)濾波的結(jié)果。因此，對(duì)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(duì)波阻抗，（6）式改寫(xiě)為：（7）；積分道只是一個(gè)對(duì)數(shù)相對(duì)波阻抗，要得到絕對(duì)波阻抗，首先計(jì)算相對(duì)波阻抗：（8），然后加入低頻波阻抗，計(jì)算出絕對(duì)波阻抗：（9）；若要得到速度或時(shí)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(jì)算簡(jiǎn)單快捷，但得出的相對(duì)波阻抗不含低頻成分，且精度不夠。原始剖面相對(duì)波阻抗剖面2、帶限反演方法的具體實(shí)現(xiàn)帶限反演是對(duì)地震資料的轉(zhuǎn)換處理過(guò)程，其結(jié)果的分辨率、信噪比以及可靠性完全依賴(lài)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(duì)振幅保持和準(zhǔn)確成像。測(cè)井資料，尤其是聲波和密度測(cè)井資料是地震橫向預(yù)測(cè)的對(duì)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(shí)現(xiàn)方法有基于地層反褶積方法、稀疏脈沖反演和測(cè)井控制地震反演等。帶限反演的處理流程圖

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(wèn)題，能夠明顯地反映巖相、巖性的空間變化。在巖性相對(duì)穩(wěn)定的條件下，能較好的反映儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)層特征進(jìn)行橫向預(yù)測(cè)，確定評(píng)價(jià)井位。在開(kāi)發(fā)前期，在儲(chǔ)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(jì)。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(chēng)為地震模型。正演算法：褶積模型算法，波動(dòng)方程。

然后將地震模型同實(shí)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(guò)正演得到反演結(jié)果，回避了地震資料直接反演存在的問(wèn)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。與前面的道積分和遞推反演兩種方法相比，由于它是對(duì)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）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(jì)等數(shù)學(xué)工具。另一方面，由于是通過(guò)地震模型與實(shí)際地震資料的對(duì)比是否相似來(lái)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(lèi)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。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(guò)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(shí)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(chǔ)層細(xì)節(jié)。初始模型井1井2

地震剖面提取子波

地質(zhì)、測(cè)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

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(guò)井測(cè)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?zhuān)锤鶕?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。

3、優(yōu)缺點(diǎn)

避免了一般反褶積方法對(duì)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(guò)程中，使用了多種來(lái)源的先驗(yàn)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(shí)，除了考慮測(cè)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(gè)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;

實(shí)際剖面與理論剖面作比較時(shí)，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(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間是相當(dāng)可觀的。

初始綜合解釋

鉆井測(cè)井資料

逼近吻合?是A：否

合成地震剖面

波阻抗模型

攝動(dòng)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(shí)際地震剖面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(cè)井資料、測(cè)試資料和分析化驗(yàn)資料等。認(rèn)真分析收集的各種資料，針對(duì)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(shí)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(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行分析研究、編輯校正，做好同一種測(cè)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。測(cè)井地震波阻抗厚度分布+=突出優(yōu)點(diǎn)：地震與測(cè)井有機(jī)地結(jié)合反演剖面：低、高頻信息來(lái)源于測(cè)井資料構(gòu)造特征及中頻段忠實(shí)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(cè)井資料相同的分辨率適用于：薄層厚度預(yù)測(cè)井約束模型反演：煤厚變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)多井約束稀疏脈沖反演預(yù)測(cè)煤層厚度高速火成巖沖積扇反演依據(jù)：利用特征參數(shù)模型反演方法，以增強(qiáng)反演成果對(duì)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(cè)－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構(gòu)造煤預(yù)測(cè)－煤體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)反演102302402、泥質(zhì)含量反演剖面二、疊前反演AVO反演彈性阻抗反演（EI）與方位AVO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(gè)反射系數(shù)都被看成是地震射線以零角度入射到兩個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)，反演結(jié)果也只能是波阻抗，或依賴(lài)速度與密度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系從波阻抗中分離出縱波波速度和密度。實(shí)際上,我們?cè)谝巴膺M(jìn)行地震資料采集（二維或三維）時(shí),總是按一定的觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)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。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(cè)油氣的重要技術(shù)。主要研究?jī)?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(jì)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(cè)的多解性；(3)開(kāi)辟了利用波動(dòng)方程的解進(jìn)行定量解釋的新途徑；(4)是一種用于油田開(kāi)發(fā)階段的，巖性或含油氣性預(yù)測(cè)的、量大活細(xì)的方法。

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:

1Vp1Vs1

2Vp2Vs2ApApsAppBppBps

‘

‘

據(jù)反射系數(shù)定義：Rpp=App/Ap=f(,1,2,Vp1,Vp2,Vs1,Vs2)。2、Zoeppritz方程的簡(jiǎn)化公式（1）Bortfeld

近似式（2）Hilterman

近似式（3）Aki-Richards近似式（4）鄭曉東近似式

（5）Shuey近似式

分析上式可知,當(dāng)垂直入射時(shí)，R()=R0;中等入射角,

即0<<300,近似有sin=tg,此時(shí):

泊松比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(shí)的反射振幅；G為梯度，反映振幅隨偏移距的變化率。

對(duì)廣角即

>臨界角入射時(shí)；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(duì)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(jiǎn)化公式，我們就可以方便地對(duì)疊前CMP道集記錄上的振幅隨偏移距的變化進(jìn)行AVO反演。

5、AVO技術(shù)的應(yīng)用

(1)識(shí)別真假亮點(diǎn)——利用縱橫波資料進(jìn)行聯(lián)合解釋?zhuān)肰p/Vs的數(shù)值來(lái)識(shí)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(cè)——先計(jì)算理論的AVO關(guān)系曲線，再擬合出實(shí)際CDP記錄的AVO關(guān)系曲線，最后沿CDP和測(cè)線循環(huán)，并用理論AVO