07第七章 地震资料反演

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地球物理反演的研究对象
◙地球物理反演研究的是地球物理领域中反演问题共
同的数学物理性质和解估计的构成和评价方法，即： 利用地球表面观测到的物理现象推测地球内部介质 物理状态的空间变化及物性结构。地震反演则是地 球物理反演的一个分支。
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地震反演的基本目的
◙利用地震波在地下介质中的传播规律，通过数据采
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常规波阻抗反演
◙常规波阻抗反演的基本假设：叠偏后的地震振幅与法向入射
的反射系数成正比。 ◙常规波阻抗反演的方法分类：根据采用的模型基本上可以分 成两大类，一类基于褶积模型，另一类基于波动方程，如图3 所示，总体来说，基于褶积模型的方位算法相对简单、计算最 小，是实际生产中普遍采用的方法；而基于波动方程理论的 Born近似方法等，计算量大，而且由于忽略了多次反射及折射 效应等地质构造之间的相互作用，并不完全适用于叠前地震数 据的反演。还有一些属于非线性反演范畴的方法，如混沌理论、 神经网络等，假定地震数据与波阻抗之间存在着非线性的关系， 通过逐次线性化过程来实现非线性反问题的线性化。这些方法 的稳定性与原始数据的质量关系很大，效果的好坏与使用者的 技术素质直接有关。
技术特点
软件 Seislog InverTrace ISIS Strata Mprp InterWell
递推反演
忠实地震 分辨率低
模型反演
1、勘探后期及开发阶段， 适合多井地区 2、薄、互层研究
分辨率高 模型影响结果
多参数反演
1、适合多井地区 2、岩性、物性预测
分辨率高 方法灵活
Emerge InverMod
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反演概念
◙反演理论是从一个物理系统（或物理世界）上的控
制观测值来恢复这个系统的有用信息的一套数学和 统计技术（微积分、矩阵代数、统计估算和推断 等）。有的学者将工程中的反问题分为四类：综合、 控制、识别与联合输入、系统参数识别。也有学者 分别从时间与空间的角度来界定反问题。
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地质 测井 低频
地震
中频
测井
高频
递推反演 模型反演
多参数反演
（DT、Density)
（DT、Density及岩性)
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各类反演方法的特点
附 加 信 息
多参数 反演 模型 反演 递推 反演
勘探程度
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各类反演方法的适用性
方法分类 适用性
1、勘探初期， 少井或无井 2、大套地层或特殊岩性研 究
褶积模型
◙稀疏脉冲方法基于逐道求解优化问题，在每个CMP
道上，反射系数与用户给定的子波进行褶积，用户 可以根据先验的地质和测井信息给定约束条件来限 制反演结果，使其具有一定的地质和地球物理含义。
◙模型反演办法基于非地震先验知识建立的空间初始
模型，通过线性或非线性迭代方法来调整模型结构， 得到某种意义下的最优解，这种方法的多解性特征 比较明显，利弊参半。
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波阻抗反演技术发展概况
◙波阻抗（Acoustic Impedance，AI）反演是利用
地震资料反演地层波阻抗（或速度）的地震特殊处 理解释技术，该项技术在20世纪70年代开始出现， 80年代得到了蓬勃发展，90年代至今达到了颠峰， 围绕1D波阻抗反演的各类算法以及应用成果层出不 穷，热门之余在1997年左右开始出现了一些反思文 章，指出了波阻抗反演中存在的一些陷阱，也提出 了一些解决方案。
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褶积模型
◙基于褶积模型的方法可以分成两类，一类是带限的，以递推
反演为代表，由于完全利用了地震信息，反演的波阻抗频率 范围与地震频率范围一致，要得到有意义的结果，子波必须 是零相位的，地震波峰要对应正反射系数，地震数据一般要 归一化，反演的结果与剖面相似，此外需要从外部得到低频 成分的补充，目前这种反演方法在生产上已经较少使用。
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波阻抗反演
◙由于波阻抗信息是联系地质和地球物理的一座桥
梁，在叠后计算数据量相对要小，在实际生产中应 用方便而且效果明显，因此波阻抗反演在地震反演 中具有特殊的地位，狭义的地震反演概念指的就是 波阻抗反演，而如何正确应用波阻抗反演结果显得 更为重要。
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地震反演技术发展概况
◙在50年代以前由于计算工具的限制，反演技术仅限
于地震走时曲线或位场曲线的特征法（曲线斜率、 特征点等）、与正演结果对比的选择法和量板法， 以及用观测信号能量来推测场源参数的积分法等。 ◙到60年代逐步实现借助于计算机的自动拟合或最优 化选择法。该阶段反演理论的一个重要特点在于： 地球物理数据被认为是无限的、完整的、精确的或 者只含可忽略的噪音，在大多数情况下把它与根据 假定模型正演计算取得的人工合成数据等同起来。
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地震反演技术发展概况
◙Wiggins和Jackson等于1972年先后提出了离散模型
的反演，即广义反演。BG反演理论的一个不足之处 在于未能直接从运动方程和本构方程出发来研究反 问题。随着偏微分方程理论的进展，引起了对变系 数波动方程中系数项或源项的反问题的重视，以CT 层析成像理论的兴起为代表。当前对偏微分方程反 问题的研究多着眼于解的存在性、数值解法以及数 值解法的稳定性与收敛性等方面。
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地震反演技术发展概况
◙1967～1970年期间出现了Backus－Gilbert反演理论，
目前的大部分反演研究依然遵循着这种思路。BG反演 理论的出现为建立统一的地球物理反演理论和方法奠 定了基础，其贡献在于： （1）指出地球物理数据集是有限的、不精确的， 由此带来反演问题的高度非唯一性，即古典解一 般不存在； （2）将反演问题归结为泛函极值点，可用优化方 法迭代求出满足一定准则的广义解。对解估计的 评价应是在分辨率和精度之间权衡，而非实测值 和计算值之间拟合差的最小。BG反演理论针对的 是连续模型的情况。
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波阻抗信息的特点
◙波阻抗是地震、测井、速度等信息的综合，是地质、地球物
理、岩石物理和油藏工程师们能够共同理解的数据； ◙波阻抗是岩石特性，通过测井可直接测量，地震是界面特性， 反映了波阻抗的相对变化，因而波阻抗自然联系了地震和测井 信息； ◙波阻抗与岩性、孔隙度、孔隙充填和其它因素密切相关，通 常在波阻抗与岩石特性之间建立经验关系，用于生成3D岩相模 型和3D物性参数模型，进一步用于流体分析的油藏模拟； ◙波阻抗的层状特性可以用于直观的层序地层学分析，子波旁 瓣效应的消除可以避免一些假的地质现象； ◙波阻抗数据支持快速和精确的立体解释，对目标体进行描述； ◙波阻抗的概念很快被引伸到角度叠加的弹性波阻抗或弹性参 数反演中，弹性波阻抗包含了AVO信息，与AI一起应用可以提 高判别岩性和流体的解释能力。
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地震反演的方法分类
◙目前常用的反演手段是基于正演的反演，正演方法
主要包括褶积模型法和反射率法两大类，计算手段 包括射线追踪、高斯束法、有限差分法、有限单元 法等等。反演问题所面临的两大难题：一是局部极 值，二是计算成本。这是由反演的非线性和不适定 性所引起的。为克服地球物理反演的局部极值，研 究人员应用或发展了多种数学优化算法。目前国内 外地震反演的方法根据利用地震资料的特点可以归 纳为叠前反演与叠后反演两大类
地震资料反演
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低频
测井资料中所包含的频带范围
高频
地震资料中所包含的频带范围
测井资料和地震资料频带范围对比
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为什么要进行地震反演？
◙可以看出，地震资料中明显缺少测井曲线中包含
的低频及高频信息。低频成分提供了地层的基本速 度结构，高频成分提供了地层的纵向分辨率。地震 资料提供了稳定的中频信息和可靠的横向分辨能力。 因此，需要通过测井约束的波阻抗反演来提高其分 辨率。 ◙李庆忠院士指出：“波阻抗反演是高分辨率地震 资料处理的最终表达方式”，说明了波阻抗反演在 地震技术中的特殊地位
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地震反演技术发展概况
◙近期发展：80年代非线性反演研究日益广泛，从
Tarantola给出的声波波动方程反演的一般方法到 P.Mora的2D非线性弹性波反演和非线性迭代反演理 论，成果不可谓不丰。 ◙地震反演的研究在80年代取得了突破性进展，从反 褶积跃进为广义线性和非线性反演和波动方程系数 项反演问题的研究。线性和拟线性地震反演的理论 已经接近成熟，以非线性最优化为基础的非线性波 动方程反演方法也取得一定进展，但离实际应用尚 有相当距离。
集、处理与解释等流程，来推测地下岩层结构和物 件参数的空间分布，为勘探开发提供重要依据。
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地震反演的存在问题
◙实际地震勘探数据是不完全的、限带宽的。由这样
不完整的并存在随机噪音的信息来求取地下介质物 性参数的变化，其过程必然是不适定的、会造成病 态方程。这类方程的解常常不连续依赖于观测数据。 人们试图增加约束来降低个适定性。 ◙地震数据量非常巨大，由此带来实际地震资料处理 中的许多问题，在很大程度上妨碍了某些理论先进 的算法的实用化。在有些情况下，把问题做大幅度 简化并统合地质人员的经验可能反而更有效。在这 样一种背景下，地震反演除了考虑方法的先进性外， 应分外重视其合理性和实用性。
◙另一类就是所谓的宽带约束反演，是目前生产上广泛采用的
方法，通过与测井、地质模型等信息的结合将反演的波阻抗 频率范围在地震频带的基础上分别向低频段和高频段进行了 拓展。该类方法从侧重程度上可以进一步划分成稀疏脉冲反 演和模型反演两类，但不够严格，因为越来越多的方法是两 者的综合。
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地震反演与储层预测
方法选择 参数优选 储层解释
了解各种反演方法 的特点和试用性 理解各种反演方法 的关键参数 掌握合理、准确的 储层解释方法
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地震记录的形成和反演原理
wk.baidu.com
地震道可以用下面的模型表示
seismic = wavelet * reflectivity + noise
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波阻抗反演技术发展概况
◙BP Amoco公司的Connolly在1999年的The Leading Edge杂志
上正式发表了弹性波阻抗（Elastic Impedance，EI）反演的 方法论文，该方法最早是在1993/1994年由BP Amoco公司发展 起来，随后在2000年的SEG年会上同时出现了4篇论文对EI进 行了研究，ARCO公司介绍了他们申请了专利的弹性波阻抗反 演方法，认为在求取的反射系数的稳定性方面要好于 Connolly方法，而且计算的EI和AI数值在同一个尺度下；CGG 公司发表论文认为EI反演效果要好于AVO反演，因为EI在抗噪 能力方面比AVO方法具有优势；同时BP Amoco公司在会上又提 出了扩充弹性波阻抗方法，可以用于流体和岩性预测。此外， Paradigm公司在其商业软件Vanguard的2001年最新版本中也 有有关弹性波阻抗反演的功能出现。这些进展说明弹性波阻 抗已经成为波阻抗反演进一步发展的方向之一，地震反演的 发展正在走向AI和EI相结合、AI和AVO相结合的道路。
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地震反演的定义
地震反演是利用地表观测地震资料，以已知地质 规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和 物理性质进行成像(求解)的过程。
反演
地震波信息 转化为岩石 信息
转换过 岩石信息转 程
化为地震波 信息
地质模型
正演
地震响应
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各类反演方法的综合信息
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商业软件包的反演方法
◙稀疏脉冲反演：反射系数序列可以小于地震道样点数，对子
波无限制，多解性与稀疏度有关，为拓宽频率，采用模型约束； ◙层状或块状反演：把地下介质划分成由被阻抗和时间值描述 的层状或块状体，对子波无限制，多解性与划分的层数有关， 当划分层厚度小于地震分辨率时，反演结果趋近初始模型； ◙最小二乘反演：与稀疏脉冲反演类似，但不使用稀疏度，不 进行高频拓宽，主要通过初始模型来恢复低频； ◙以上方法都能在一定程度上消去子波的影响，减少调谐效应。 ◙基于3D地质测井模型方法：利用参数计算建造复杂3D地质模 型，能生成高分辨率宽带输出，成功应用需要多井控制，而且 地震、地质符合性较好； ◙地质统计反演：将地质统计分析数据与地震反演模型相结合， 地质统计保持了数据的空间统计特性但不能保证任何模拟与地 震数据一致。