多尺度地震资料正反演方法研究

摘要

油藏地球物理是地球物理技术面向油气藏开发生产综合应用的新型学科，油藏地球物理的内涵包括油藏描述与油藏管理，利用地球物理方法进行油藏圈定和描述，并在油藏开发开采过程中监测油藏变化。油藏地球物理依托于高精度三维地震、井中地震、时延地震、多波多分量地震等多种地震技术的发展，其中高精度三维地震与其它技术的综合应用是油藏地球物理的核心技术。开展多尺度地震资料正反演方法研究，提高多尺度地震资料协同解决油藏地质问题的能力;基于流变学理论研究高精度粘弹性波动方程正演模拟方法，准确认识地质体在不同观测系统下的多尺度地震响应特征；利用贝叶斯反演理论建立多尺度地震资料联合反演方法，减小地震反演多解性、提高反演分辨率，充分发挥地震资料为油田开发服务的作用。 地震波在实际介质中的固有传播衰减特征很复杂，导致在理论上出现了多种描述粘弹性介质的衰减模型，但大部分用于粘弹性介质波动方程时间域正演模拟的衰减模型对其常Q特征都存在较大的近似。基于流变学理论研究，开展了标准线性体、Kelvin等多种衰减模型对粘弹性介质波动方程常Q正演模拟的适应性研究，分析了能够用于精确描述粘弹性介质中地震波衰减规律的多种广义流变学模型特征，并证明了广义流变模型之间具有等价性。分析了不同阶次广义Maxwell流变模型对粘弹性介质常Q衰减特征的拟合程度，完善了利用广义流变模型开展时间域粘弹性介质波动方程常Q正演模拟的基础，并将模型特征与常用的Futterman等衰减模型特征进行比较。对多种衰减模型开展了一维平面波正演模拟分析，解释了由于模型不同所引起的地震波传播衰减特征差异，指出了广义流变模型在波动方程时间域正演模拟中的优势。 将广义流变模型引入到时间域粘弹性介质波动方程常Q正演模拟过程中，并分别针对广义Maxwell流变模型和广义标准线性体两种模型特征进行分析，对前者考虑了两种非弹性函数定义方式来建立对应的波动方程，分别采用弹性模量和松弛模量来描述基于广义标准线性体模型的波动方程，重新定义记忆变量使得通过两种广义流变模型所建立的波动方程表达式得到统一。完整的给出了基于两种模量表示的各种广义流变模型所对应的位移－应力、位移、位移－速度－应力和速度－应力方程，指出了早期波动方程由于采用松弛模量进行表示所引起的误解。基于五阶广义Maxwell流变模型建立了高精度粘弹性介质高阶交错网格有限差分波动方程常Q正演模拟表达式，采用PML边界条件有效的消除人工边界反射，讨论了模拟过程中的稳定性条件和震源问题，将有限差分正演模拟结果与二维均匀粘弹性介质中的解析解进行对比，分析了高精度粘弹性介质波动方程有限差分数值模拟方法的精度。 采用高精度粘弹性介质常Q波动方程正演模拟方法开展模型响应特征分析认识到地震波在粘弹性介质中具有较强的衰减频散特征，随着Q值的减小和传播距离的增大，地震波产生振幅衰减、相位改变、主频降低等现象。针对不同的观测系统开展正演模拟，通过波场、共炮集及偏移成像剖面特征进行对比分析可知，地面地震、VSP和井间地震三种多尺度地震资料之间既有联系也有差异，联系在于多尺度地震资料是相同地下地质体在相应观测方式下的地震波响应特征；差异在于资料所包含的波场信息丰富程度不一样、反映地质体信息的范围不一样、分辨地质体细节特征的能力也不一样。加入近地表强衰减层的影响表明，多尺度地震资料之间存在一定的相位差异，进一步认识了实际多尺度地震资料之间既具有一致性又存在一定差异的特征。 基于贝叶斯反演理论，通过似然函数有机的将地面地震、VSP和井间地震三种多尺度地震资料进行整合，建立起基于修正柯西分布的多尺度地震资料联合反演方法体系，并完善了联合反演流程。利用一维模型验证了联合反演算法的正确性，加噪后通过卡方分布测试了联合反演参数的合理选择范围，并采用二维多尺度正演模拟资料验证了联合反演方法的有效性及对多尺度资料的适应性。对联合反演方法进行退化建立了时间域单一尺度地震资料反演方法；针对连井井间地震剖面的特征重点强调了高精度深时转换、井地时深关系一致性及加强横向约束等改进策略，完善了深度域井间地震资料的反演方法和流程。 将多尺度地震资料反演方法对胜利油田垦71区块开展了应用研究，利用深度域井间地震反演方法获得连井井间地震波阻抗反演剖面，从该反演结果中提取的虚拟井能够有效的匹配地面地震资料反射特征。虚拟井约束下的井地联合反演只能够提高地面地震反演精度，而基于贝叶斯理论框架建立的多尺度地震资料联合反演方法则能够有效的提高地面地震资料反演结果的分辨率，实现多尺度地震资料特征的融合。

目录

文摘

英文文摘

声明

论文创新点摘要

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2多尺度地震资料正演模拟方法研究现状

1.2.1有限差分数值模拟方法研究现状

1.2.2粘弹性介质地震波传播特征研究现状

1.2.3多尺度地震资料正演模拟研究现状

1.3多尺度地震资料反演研究现状

1.4研究思路

1.5论文结构及内容安排

第二章 基于流变学的粘弹性衰减模型

2.1粘弹性介质基本概念

2.2粘弹性基本流变模型

2.2.1 Maxwell模型

2.2.2 Kelvin模型

2.2.3标准线性体(SLS)模型

2.3粘弹性广义流变模型

2.3.1广义Maxwell模型

2.3.2广义Kelvin模型

2.3.3广义标准线性体模型

2.3.4广义流变模型之间的联系

2.4常用粘弹性衰减模型特征分析

2.4.1其它粘弹性衰减模型

2.4.2广义流变模型的常Q拟合特征分析

2.4.3常用粘弹性衰减模型特征对比分析

2.4.4常用粘弹性模型对地震波传播的衰减特征分析

第三章 粘弹性介质波动方程时间域高精度正演模拟

3.1基于广义Maxwell模型的各向同性粘弹性介质波动方程

3.1.1基于广义Maxwell流变模型的波动方程推导

3.1.2位移-应力方程

3.1.3位移方程

3.1.4位移-速度-应力方程

3.1.5速度-应力方程

3.2基于广义标准线性体模型的各向同性粘弹性介质波动方程

3.2.1基于广义标准线性体模型的波动方程推导

3.2.2基于GKSLS的粘弹性介质波动方程推广

3.2.3基于广义流变模型的波动方程之间的联系

3.3 基于广义流变模型的高精度粘弹性介质高阶有限差分波场模拟

3.3.1一阶速度-应力粘弹性波动方程高阶交错网格差分格式

3.3.2 PML吸收边界条件

3.3.3稳定性条件

3.3.4震源模拟

3.3.5弹性波波场分离

3.3.6有限差分正演模拟精度分析

3.4粘弹性介质单程波正演模拟

3.4.1弹性介质波场外推基础

3.4.2粘弹性介质中的波场外推

3.4.3傅里叶有限差分(FFD)波场延拓算子

3.4.4非零偏移距单程波叠前正演模拟

3.5粘弹性介质正演模拟特征分析

3.5.1粘弹性介质正演模拟波场快照特征分析

3.5.2粘弹性介质正演模拟炮集记录特征分析

3.5.3粘弹性介质正演模拟信号特征分析

第四章 多尺度地震资料正演模拟分析

4.1地面地震尺度下的地震资料正演模拟

4.2 VSP尺度下的地震资料正演模拟

4.3井间地震尺度下的地震资料正演模拟

4.4多尺度地震资料正演模拟特征分析

4.4.1波场特征对比分析

4.4.2记录特征对比分析

4.4.3偏移成像剖面特征对比分析

第五章 多尺度地震资料反演理论方法研究

5.1多尺度地震资料联合反演方法

5.1.1基于贝叶斯理论的多尺度地震资料联合反演框架

5.1.2先验波阻抗约束

5.1.3反射系数稀疏性约束

5.2多尺度地震资料联合反演方法的实现流程及模型测试

5.2.1多尺度地震资料联合反演方法实现流程

5.2.2多尺度地震资料联合反演算法测试及参数选择

5.2.3多尺度地震资料联合反演方法流程的有效性验证

5.3基于修正柯西分布的时间域单一尺度地震资料反演方法

5.4深度域井间地震资料反演方法

5.4.1井间地震剖面高精度深时转换

5.4.2井地地震反射特征匹配

5.4.3针对连井井间地震剖面特征的时间域反演方法

5.4.4深度域井间地震资料反演思路

第六章 多尺度地震资料反演方法应用初探

6.1多尺度地震资料特征分析

6.2单一尺度地震资料反演

6.2.1井间地震资料波阻抗反演

6.2.2单一尺度地震资料反演结果对比分析

6.3多尺度地震资料联合反演方法应用

6.3.1虚拟井约束下的联合反演

6.3.2二维多尺度地震资料联合反演

6.3.3三维多尺度地震资料联合反演

结论与认识

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介