代福材,張 峰,李向陽,王九拴,陳海峰,周春雷

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院,北京102249;2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751;3.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院,甘肅蘭州730020)

地震反演根據(jù)觀測到的不同種類地震數(shù)據(jù)(走時、振幅、波形)來計算地下巖石的物理參數(shù)(速度、密度、泊松比、彈性模量等),是油氣儲層預(yù)測和流體檢測的重要工具。常規(guī)的地震反演理論和方法建立在縱波(PP波)的傳播理論基礎(chǔ)上,但理論研究表明,利用有限偏移距的縱波地震數(shù)據(jù)反演2個物理參數(shù)(縱波速度和橫波速度、縱波阻抗和橫波阻抗)較為可靠,如果用于反演包括密度的3個物理參數(shù)則存在反問題不適定性強、結(jié)果多解性強等問題,反演結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于大偏移距或者大角度的輸入數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確的初始模型、先進(jìn)的正則化方法[1-7]。而在油氣勘探中,巖石密度的估算對于儲層描述和流體檢測非常重要。與地震縱波相比,地震橫波(PS波、SV波、SH波)對橫波速度和密度更為敏感,因此聯(lián)合反演地震縱波和橫波有助于更好地反演橫波速度和密度信息[8-9]。

隨著多波多分量地震勘探技術(shù)的發(fā)展,多波聯(lián)合反演已經(jīng)成為減少反演多解性、提高儲層預(yù)測精度的重要手段。由于橫波震源技術(shù)尚未得到規(guī)?；瘧?yīng)用,當(dāng)前多波聯(lián)合反演主要指對縱波和轉(zhuǎn)換波進(jìn)行聯(lián)合反演。多波聯(lián)合反演方法根據(jù)求解時利用地震信息的不同可分為基于旅行時的反演方法和基于振幅的反演方法,后者又稱為AVO反演方法?；诼眯袝r的多波聯(lián)合反演方法包括動校正速度分析[10-12]和層析反演方法[13-14],由于旅行時反演方法只利用地震波旅行時信息,具有較高的計算效率,在疊前深度偏移速度建模等方面應(yīng)用廣泛。但其反演精度相對較低,且只反演得到速度場信息,不能直接應(yīng)用于油氣儲層預(yù)測?；谡穹腁VO多波聯(lián)合反演方法,可反演得到多種彈性參數(shù),有效提高了儲層定量化預(yù)測精度。

現(xiàn)有的AVO聯(lián)合反演方法可分為局部優(yōu)化的線性反演法和全局優(yōu)化反演法。線性反演算法在最小二乘反演框架下實現(xiàn),以STEWART等[15-17]提出的加權(quán)疊加反演方法為代表,其最早被應(yīng)用于多波聯(lián)合反演,后由兩參數(shù)聯(lián)合反演發(fā)展到三參數(shù)聯(lián)合反演[18-20]。全局優(yōu)化反演方法可有效解決線性反演方法易陷入局部極小問題,有效減少反演的多解性,逐漸被應(yīng)用于多波聯(lián)合反演,取得了良好的效果[21-24]。由于儲層精細(xì)化描述和定量表征的需求,儲層的各向異性對于油氣預(yù)測的影響逐漸被重視,特別是頁巖儲層,AVO聯(lián)合反演方法已被應(yīng)用于各向異性儲層預(yù)測中[25-27]。另一方面,基于精確Zoeppritz方程的AVO聯(lián)合反演方法可有效提高密度反演精度[28-29],在多波聯(lián)合反演中具有良好的應(yīng)用前景。目前多波聯(lián)合反演方法在一些商業(yè)軟件中已經(jīng)實現(xiàn)應(yīng)用,在實際資料應(yīng)用中取得了良好的效果。隨著多波地震勘探技術(shù)的發(fā)展,多波聯(lián)合反演方法已成為當(dāng)前儲層表征和油氣預(yù)測的主力軍。

本文通過調(diào)研多波聯(lián)合反演方法在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,論述了多波聯(lián)合反演方法的發(fā)展歷程,討論了不同方法的適用性,對未來該領(lǐng)域的發(fā)展做出展望。首先介紹了多波旅行時聯(lián)合反演方法,包括聯(lián)合動校正速度分析和層析反演,然后論述了多波數(shù)據(jù)匹配方法,隨后詳細(xì)介紹了多波AVO聯(lián)合反演方法及橫波反演方法研究進(jìn)展,最后分析了當(dāng)前多波聯(lián)合反演存在的難點及下一步發(fā)展趨勢。由于近年來橫波可控震源技術(shù)的快速發(fā)展,極大地提升了純橫波地震數(shù)據(jù)的品質(zhì),純橫波勘探在最近的一些現(xiàn)場試驗中已顯示出較好的應(yīng)用前景:例如,疏松砂巖氣云區(qū)的高精度成像[30]。另外,純橫波可用于地層橫波速度和密度的高精度直接反演[31],橫波與縱波的聯(lián)合反演和解釋能夠進(jìn)一步減少儲層預(yù)測和流體識別的多解性[32-34],因此基于九分量多波地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演和解釋將是未來聯(lián)合反演新技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1 縱波與橫波旅行時反演

旅行時信息對于速度信息的反演至關(guān)重要,基于旅行時信息的反演方法具有計算效率高的優(yōu)勢,在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。PP波和PS波旅行時聯(lián)合反演,無需單獨激發(fā)橫波震源,在多分量地震勘探中發(fā)揮了重要作用。旅行時聯(lián)合反演方法大致可分為動校正(NMO)速度分析和層析反演兩種方法,其中動校正速度分析可利用反射波的旅行時信息為后續(xù)的偏移和反演提供初始模型,而層析反演方法一般用于疊前深度偏移速度建模。

動校正速度分析利用地震反射波旅行時信息反演速度信息,具有簡潔高效、易于實現(xiàn)的優(yōu)點,在多分量地震勘探初期得到了快速發(fā)展并應(yīng)用于實際。GRECHKA等[10]推導(dǎo)了PS波與純橫波動校正速度關(guān)系,利用動校正速度分析方法,發(fā)展了適用于層狀正交各向異性介質(zhì)的PP波與PS波聯(lián)合旅行時反演方法。雖然PP波和PS波旅行時聯(lián)合反演在各向異性參數(shù)反演方法中具有明顯優(yōu)勢,但在實現(xiàn)過程中會受到PS波旅行時非雙曲線固有缺陷影響。為克服PS波旅行時復(fù)雜性影響,GRECHKA等[11]提出了一種利用PP和PS反射波旅行時重構(gòu)SS波旅行時的方法,GRECHKA等[12]通過對PP波和重構(gòu)的SS波進(jìn)行動校正速度分析,反演速度和各向異性參數(shù),發(fā)展了一種適用于VTI介質(zhì)的縱波和橫波旅行時聯(lián)合反演方法,將該方法用于北海地區(qū)實際地震資料,將反演得到的各向異性參數(shù)用于共轉(zhuǎn)換點疊加剖面(圖1),與各向同性疊加剖面對比可以看出,反射事件歸位、同相軸連續(xù)性、斷層刻畫等都得到明顯提高。FERGUSON等[35]利用共聚焦點(CFP)分析方法,通過最小二乘方法多次迭代,實現(xiàn)了PP波和SV波聯(lián)合反演各向異性參數(shù)。FOSS等[36]應(yīng)用PP+PS=SS方法聯(lián)合反演同一反射層,根據(jù)零偏移距PP波和PS波旅行時來重構(gòu)SS波旅行時。URSIN等[37]利用傳播矩陣求取SS波旅行時二階偏導(dǎo)矩陣,將PP+PS=SS方法發(fā)展為適用于任意各向異性介質(zhì)的方法,且提高了觀測系統(tǒng)的靈活性(圖2)。

層析反演方法利用觀測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)在成像域的最佳匹配實現(xiàn)速度反演,基于偏移和層析交替迭代的方式進(jìn)行速度反演,利用偏移和層析分別恢復(fù)速度場中的高波數(shù)信息(即速度界面)和中低波數(shù)信息(即速度值),該方法計算穩(wěn)定高效,且具備較高的反演精度,在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[38]。按照所依據(jù)理論方法的不同,層析速度反演方法主要分為射線層析反演和波動方程層析反演;按照波類型的不同,分為反射層析、折射層析等;按照波信息的不同,分為走時層析、波形層析等。

圖1 VTI介質(zhì)共轉(zhuǎn)換點(CCP)道集疊加剖面[12]

圖2 PP波(a)、PS波(b)和重構(gòu)SS波(c)旅行時切片

彈性波層析反演方法在成像域?qū)崿F(xiàn),通過角道集(ADCIGs)剩余曲率實現(xiàn)迭代更新。謝春暉等[39]分別利用VSP直達(dá)波、反射縱波及上行轉(zhuǎn)換橫波旅行時反演縱橫波層速度,實現(xiàn)了VSP數(shù)據(jù)多波旅行時反演;秦寧等[13]在地震彈性矢量波場框架下,推導(dǎo)了多波聯(lián)合層析速度反演方程以及走時殘差與角道集剩余曲率的轉(zhuǎn)換關(guān)系式,提出了一種利用成像域角道集更新彈性矢量波聯(lián)合層析反演方法,可為彈性波深度偏移提供高質(zhì)量的疊前速度場;黃光南等[40]基于各向異性轉(zhuǎn)換波射線追蹤算法,利用非線性共軛梯度算法實現(xiàn)了P-SV波和P-SH波旅行時層析反演;黃國嬌等[14]利用分區(qū)多步不規(guī)則最短路徑算法發(fā)展了適用于TI介質(zhì)的多波走時聯(lián)合反演方法。

2 地震多波數(shù)據(jù)匹配

多波地震數(shù)據(jù)包含縱波和橫波信息,縱波和橫波的速度差異導(dǎo)致多波地震數(shù)據(jù)旅行時不同,因此多波數(shù)據(jù)匹配是多波地震資料處理的重要任務(wù)之一,匹配結(jié)果精度的高低直接決定后續(xù)聯(lián)合反演與解釋工作的成敗。準(zhǔn)確的縱橫波速度比是多波數(shù)據(jù)高精度匹配的關(guān)鍵,估算縱橫波速度比的基本原理是先將多波數(shù)據(jù)中對應(yīng)的反射事件進(jìn)行半自動或者自動標(biāo)定,再以多波數(shù)據(jù)中波形的相關(guān)性為準(zhǔn)則利用不同的方法求取最佳的縱橫波速度比。利用已獲得的縱橫波速度比,可將轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到縱波時間域,在轉(zhuǎn)換的過程中需要考慮匹配前、后波形的變化。

GAROTTA[41]基于縱橫波剖面的初步視覺相關(guān)發(fā)展了一種半自動相關(guān)方法,該方法首先對小窗內(nèi)的縱橫波數(shù)據(jù)進(jìn)行平均縱橫波速度比初始估計,然后根據(jù)互相關(guān)波峰上的時間位移來更新縱橫波速度比,從而得到選定窗口內(nèi)的縱橫波速度比,該方法的穩(wěn)定性取決于窗口間隔的大小。BEHLE等[42]通過相關(guān)性分析實現(xiàn)了疊后PP波和PS波數(shù)據(jù)的聯(lián)合速度分析;GAISER[43]提出了應(yīng)用最大相關(guān)法求取平均縱橫波速度比,得到廣泛應(yīng)用,適用于求取PP波、PS波和SH波的平均縱橫波速度比;VAN DOK等[44]利用最大相似原理,采用PP波和PS波速度比譜掃描拾取平均縱橫波速度比值,實現(xiàn)了PP波和PS波的時間域匹配;FOMEL等[45]采用最小二乘多次迭代方法有效提高了縱橫波匹配精度,并將其應(yīng)用于西德克薩斯3C3D實際地震數(shù)據(jù)中(圖3)。由圖3可見,與初始匹配結(jié)果相比,由于進(jìn)行了振幅和頻率均衡處理,多次迭代有效提高了縱橫波成像結(jié)果匹配精度[46]。在縱橫波速度比求取過程中,可將縱橫波速度比轉(zhuǎn)換為縱橫波旅行時差的函數(shù),通過迭代求取縱橫波旅行時差獲得高質(zhì)量的縱橫波速度比。NICKEL等[47]基于縱橫波剖面只有地震同相軸位置發(fā)生變化,而振幅保持不變的假設(shè),提出了一種縱橫波自動匹配方法,將該方法應(yīng)用于北海地區(qū)的實際資料,獲得了高精度匹配結(jié)果,并且估算的縱橫波速度比屬性剖面可預(yù)測含油氣區(qū)域;ZHANG等[48]基于LI[49]提出的修正PS波時距曲線方程,利用PS波時差分析生成類似于傳統(tǒng)速度譜分析的縱橫波速度比譜,根據(jù)求取的縱橫波速度比進(jìn)行PP波和PS波時間域匹配;YUAN等[50]針對縱橫波匹配過程中的非線性性,利用模擬退火算法,應(yīng)用最大相似性作為迭代收斂準(zhǔn)則,實現(xiàn)了PP波和PS波的時間域自動匹配。在縱橫波匹配過程中,由于將PS波壓縮到PP波時間域,導(dǎo)致PS波子波壓縮畸變,頻譜被拉伸,為減少縱橫波匹配后子波壓縮畸變問題,ZHANG等[51]發(fā)展了一種PS波子波頻譜拉伸校正匹配方法,該方法通過Gabor變換得到時頻譜,根據(jù)局部子波壓縮比校正子波頻譜,再通過反Gabor變換實現(xiàn)子波壓縮校正,合成數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)試算結(jié)果表明,該方法可有效減少匹配后PS波子波壓縮畸變問題,頻譜拉伸得到了校正,提高了匹配后縱橫波數(shù)據(jù)的保真度,可為后續(xù)聯(lián)合反演和解釋提供高質(zhì)量的多分量數(shù)據(jù)。

圖3 西德克薩斯3C3D實際地震資料應(yīng)用效果對比

針對疊前多波地震數(shù)據(jù)匹配的問題,OGIESOBA等[52]基于THOMSEN[53]提出的非雙曲線旅行時方程,應(yīng)用最大相似原理發(fā)展了雙參數(shù)掃描速度分析來計算隨深度變化的零偏移距縱橫波速度比,可實現(xiàn)PP波與PS波時間域準(zhǔn)確匹配;CHEN等[54]基于LI[49]提出的轉(zhuǎn)換波雙參數(shù)時距方程,發(fā)展了一種適用于疊前縱橫波數(shù)據(jù)匹配的雙參數(shù)掃描方法,采用雙參數(shù)掃描分析得到縱橫波速度比,進(jìn)而將轉(zhuǎn)換波變換到P波時間域,實現(xiàn)了疊前縱橫波匹配;CHEN等[55]提出了一種基于疊前PP波道集的偽PS波剖面反演方法,該方法首先利用AVO近似公式,由PP波道集反演得到偽PS波道集,然后根據(jù)偽PS波道集與PS波轉(zhuǎn)換道集時移相關(guān)譜,自動更新縱橫波速度比,實現(xiàn)縱橫波時間域自動匹配。近年來,將基于圖像的動態(tài)變形技術(shù)(dynamic image warping,DIW)應(yīng)用于PP波和PS波層位匹配,有效提高了匹配精度。HALE[56]在動態(tài)時間變形(dynamic time warping,DTW)的基礎(chǔ)上發(fā)展了基于圖像的動態(tài)變形技術(shù),實現(xiàn)了PP波與PS波的層位匹配,但該方法在匹配過程中,由于PP波和PS波子波和頻譜差異導(dǎo)致子波振幅和相位在匹配過程中產(chǎn)生畸變;GRAZIANO等[57]在匹配前應(yīng)用PS波子波反褶積方法來消除層位匹配過程中的子波畸變問題;蔣雪珍等[58]提出一種適用于PP波與PS波直接匹配的動態(tài)圖像變形算法,該方法具有較高的匹配精度,且適用于低信噪比數(shù)據(jù)。

3 縱波與橫波AVO聯(lián)合反演

多波AVO聯(lián)合反演增加了對橫波速度和密度信息更為敏感的轉(zhuǎn)換波信息,因而可有效減少反演的多解性,提高儲層預(yù)測精度。一方面,與PP波反射相比,PS波反射在近偏移距對橫波速度和密度更為敏感,因此,增加PS波數(shù)據(jù)可提高密度參數(shù)反演的準(zhǔn)確性;另一方面,PS波數(shù)據(jù)可對氣云區(qū)構(gòu)造準(zhǔn)確成像且可直接反演得到巖石參數(shù),如縱橫波速度比。聯(lián)合反演經(jīng)歷了從線性方法到非線性方法,從兩參數(shù)到多參數(shù),從各向同性介質(zhì)到各向異性介質(zhì)的發(fā)展。

線性反演方法作為一種簡潔高效、穩(wěn)定可靠的反演算法,在疊前AVO反演發(fā)展初期得到了廣泛應(yīng)用。SMITH等[4]首次提出的加權(quán)疊加反演方法是AVO線性反演的經(jīng)典算法;STEWART[15]在PP波加權(quán)疊加反演方法的基礎(chǔ)上,加入PS波信息,首先發(fā)展了PP-PS波聯(lián)合加權(quán)疊加兩參數(shù)反演方法,將有限偏移距的PP波和PS波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)疊加并同時反演得到縱、橫波阻抗;VESTRUM等[59]實現(xiàn)了STEWART提出的PP-PS波聯(lián)合加權(quán)疊加反演方法,并用合成地震數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性;LARSEN[16]和MARGRAVE等[17]將PP-PS波聯(lián)合加權(quán)疊加反演方法應(yīng)用于加拿大Blackfoot油田的實際3C3D數(shù)據(jù)并與單獨PP波反演結(jié)果進(jìn)行對比,證明了聯(lián)合反演方法的反演精度得到了明顯提升(圖4);GAROTTA等[60]將PP-PS波聯(lián)合反演與解釋方法應(yīng)用于北海OBC實際地震數(shù)據(jù),縱橫波速度比和密度反演結(jié)果與測井?dāng)?shù)據(jù)吻合度較好(圖5);ZHANG等[61]將PP-PS波聯(lián)合反演方法應(yīng)用于PikesPeak油田3C2D實際地震數(shù)據(jù),反演得到了對流體敏感的彈性參數(shù),通過與井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證了PP-PS波聯(lián)合反演方法可有效提高流體預(yù)測精度。

由于兩參數(shù)聯(lián)合反演忽略了密度的重要性,而密度對于巖性識別和流體預(yù)測極為重要,而單獨PP波三參數(shù)反演不穩(wěn)定[62],難以準(zhǔn)確反演密度參數(shù),因此許多學(xué)者對PP-PS波三參數(shù)聯(lián)合反演進(jìn)行了研究。針對三參數(shù)聯(lián)合反演中的不適定問題,奇異值分解法(SVD)被應(yīng)用于PP-PS波線性聯(lián)合反演。JIN等[63]針對三參數(shù)線性反演病態(tài)問題,應(yīng)用奇異值分解法來提高反演過程穩(wěn)定性,實現(xiàn)了PP波三參數(shù)反演;JIN等[18]在PP-PS波聯(lián)合反演中,利用奇異值分解減少反演過程噪聲及角度誤差的影響,將該方法應(yīng)用于北海OBS實際地震數(shù)據(jù)取得了較好的橫波速度和密度反演結(jié)果;MAHMOUDIAN等[19]采用SVD方法進(jìn)行縱橫波阻抗、密度三參數(shù)聯(lián)合反演,僅用有限偏移距數(shù)據(jù)即可得到較好的反演結(jié)果。為消除PP波和PS波地震資料質(zhì)量對最終反演結(jié)果的影響,VEIRE等[20]在最小平方反演過程中,引入加權(quán)因子并給出了PP波和PS波聯(lián)合匹配的具體方法;ZHANG[9]發(fā)展了射線參數(shù)域PP-PS波聯(lián)合反演方法,應(yīng)用PS波子波畸變校正方法提高匹配精度,并利用彎曲射線追蹤法構(gòu)建共成像點道集(CIP),可實現(xiàn)縱橫波射線阻抗反演、彈性三參數(shù)聯(lián)合反演,將該方法應(yīng)用于四川盆地致密砂巖的脆性解釋,得到的射線參數(shù)域多波聯(lián)合反演結(jié)果如圖6所示。

圖4 Blackfoot地區(qū)3C3D數(shù)據(jù)PP波反演(左)與PP-PS波聯(lián)合反演(右)結(jié)果對比

針對線性反演方法局部優(yōu)化反演策略存在局部極小問題,全局優(yōu)化反演方法可有效解決反演過程中的非線性問題。近年來,以支持向量機、遺傳算法等為代表的全局優(yōu)化算法逐漸被應(yīng)用于多波聯(lián)合反演,并取得了較好的應(yīng)用效果。支持向量機(support vector machine,SVM)是一種機器學(xué)習(xí)算法,其在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化準(zhǔn)則(structural risk minimization,SRM),從而提高了機器學(xué)習(xí)的泛化能力,進(jìn)而求取全局最優(yōu)解。作為一種不依賴初始模型的非線性反演方法,支持向量機可用來解決AVO反演問題,XIE等[24]利用精確Zoeppritz方程,發(fā)展了基于最小二乘支持向量機的非線性PP-PS波聯(lián)合反演方法,相比PP波反演結(jié)果,反演精度及抗噪性得到了有效提高。遺傳算法(genetic algorithm,GA)是模擬自然選擇和遺傳學(xué)理論而建立起來的一種全局最優(yōu)化算法,是一種自適應(yīng)、全局優(yōu)化的概率搜索方法,對求解復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題具有高度普遍適用性。將遺傳算法應(yīng)用于聯(lián)合反演中,其不依賴于初始模型,具有較強的魯棒性、自組織性、良好的全局捜索能力,并且在反演過程中不用計算雅克比偏導(dǎo)數(shù)矩陣[22]。

圖5 北海OBC數(shù)據(jù)PP-PS波聯(lián)合反演與解釋結(jié)果

圖6 射線參數(shù)域多波聯(lián)合反演結(jié)果

隨著勘探目標(biāo)日趨復(fù)雜,儲層的各向異性對于油氣預(yù)測的影響逐漸被重視,疊前AVO反演方法已應(yīng)用到各向異性儲層預(yù)測中[65-69]。THOMSEN[69]指出沉積巖中普遍存在弱各向異性,因此許多學(xué)者針對各向異性介質(zhì)疊前反演方法進(jìn)行了研究;RüGER[70-72]提出了適用于橫向各向同性(TI)介質(zhì)的線性P波反射系數(shù)公式,并且發(fā)展了適用于VTI介質(zhì)的PP波和PS波反射系數(shù)公式,RüGER近似公式簡潔清晰地描述了各向同性和各向異性對反射系數(shù)的影響,是各向異性疊前反演的基礎(chǔ)。在各向異性疊前反演中,由于待反演參數(shù)增多,反演過程的病態(tài)性更為嚴(yán)重,線性反演方法更易陷入局部極小解[73]。ZHANG等[74]推導(dǎo)了適用于正交各向異性(ORT)介質(zhì)的4種類型波反射系數(shù)方程,在保持計算精度的情況下,該方程可退化為VTI介質(zhì)或HTI介質(zhì),應(yīng)用于TI介質(zhì)疊前反演;MAHMOUDIAN等[66]基于RüGER近似公式分析了各向異性參數(shù)ε,δ和γ對入射角度的依賴性,發(fā)現(xiàn)大角度數(shù)據(jù)對各向異性參數(shù)的精確反演的重要性;LU等[27]基于高斯-牛頓反演方法,利用分步反演策略來解決局部極小解問題,發(fā)展了適用于VTI介質(zhì)的PP-PS波聯(lián)合反演方法;ZHANG等[75]將RüGER近似公式簡化為三項近似公式,基于貝葉斯反演框架,實現(xiàn)了適用于TI介質(zhì)的疊前AVO反演,有效降低了反演過程中的病態(tài)性。

利用AVO近似公式的聯(lián)合反演方法在遠(yuǎn)偏移距、大角度入射情況下,存在誤差較大問題,難以準(zhǔn)確反演密度參數(shù)。對此,許多學(xué)者采用精確Zoeppritz方程,以利用大角度地震數(shù)據(jù)來提高密度反演結(jié)果的穩(wěn)定性和精度。由于精確Zoeppritz方程是關(guān)于3個彈性參數(shù)的復(fù)雜非線性方程,因此基于精確Zoeppritz方程的反演方法具有明顯的非線性性。常用的非線性反演算法包括以智能算法為主的非線性隨機反演和廣義線性反演方法,其中智能算法由于計算量大、難以應(yīng)用于實際數(shù)據(jù)等,因此廣義線性反演算法被應(yīng)用于基于精確Zoeppritz方程的疊前AVO反演方法中。ZHI等[28]基于精確Zoeppritz方程利用信賴域牛頓法(trust-region reflective,TRR)對反演目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行快速求解,有效提高了反演結(jié)果的精度;LU等[29]采用最小二乘算法構(gòu)建反演目標(biāo)函數(shù),并利用泰勒展開求得迭代公式,實現(xiàn)了精確Zoeppritz方程PP-PS波聯(lián)合反演;ZHI等[76]利用Levenberg-Marquardt算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,實現(xiàn)了縱橫波速度、密度三參數(shù)直接反演;XIE等[24]利用精確Zoeppritz方程,基于改進(jìn)貝葉斯推斷和最小二乘支持向量機方法,提出了一種非線性PP-PS波聯(lián)合反演方法,該方法為非線性隨機反演方法,對初始模型依賴性小,且可解決AVO近似公式在大角度入射時誤差大的問題,有效提高密度反演的精度。

4 橫波反演

早期的橫波震源技術(shù)獲得的純橫波(SV-SV波和SH-SH波)地震數(shù)據(jù)品質(zhì)較低,難以滿足油氣勘探的需求,因此一直以來純橫波地震勘探?jīng)]有得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)換橫波作為純橫波的替代,雖然在氣云區(qū)成像、縱橫波聯(lián)合解釋等方面有較好的應(yīng)用,但是并不能完全體現(xiàn)純橫波的波場特征,另外,處理過程過于復(fù)雜、地震數(shù)據(jù)品質(zhì)大大低于縱波等問題在一定程度上制約了轉(zhuǎn)換橫波技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近年來,寬頻、高精度、大噸位的橫波可控震源技術(shù)在國內(nèi)外油氣勘探行業(yè)迅速發(fā)展,實現(xiàn)了高品質(zhì)純橫波地震數(shù)據(jù)的采集,為橫波油氣勘探的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了必要條件。ALKAN[77]、ALKAN等[78]、HARDAGE等[79]提出了單獨垂直激發(fā)可控震源可直接產(chǎn)生純橫波,且垂直震源激發(fā)產(chǎn)生的S波比水平震源激發(fā)產(chǎn)生的頻帶更寬,對地下構(gòu)造成像分辨率更高。中石油東方地球物理勘探公司近年來在青海三湖地區(qū)開展了純橫波勘探現(xiàn)場試驗,獲得了高品質(zhì)純橫波地震資料[80],純橫波(SV-SV波和SH-SH波)已具備與縱波數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì),并且在疏松砂巖氣云區(qū)的高精度成像方面顯示出很好的應(yīng)用前景。ZHANG等[31]對SV波的研究發(fā)現(xiàn):在地層密度反演方面具有強大的優(yōu)勢,SV波在22.5°時的反射振幅僅與相鄰地層的密度差異有關(guān),即地層密度是這一特定角度地震數(shù)據(jù)的唯一、獨立的待反演參數(shù),由此建立了地震SV波反演新方法。將該方法應(yīng)用于青海三湖實際地震數(shù)據(jù),實現(xiàn)了準(zhǔn)確、可靠的高分辨率密度反演(圖7)。

另外,在傳統(tǒng)PP-PS波聯(lián)合反演的基礎(chǔ)上,增加純橫波(SS波)信息,有效減少聯(lián)合反演的不確定性,提高巖性識別和流體預(yù)測的精度。GUPTA等[33]對二維多分量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行P-P和S-S波聯(lián)合解釋,有效提高了碳酸鹽巖儲層的解釋精度(圖8)。ROURE等[34]在PP-PS波聯(lián)合反演的基礎(chǔ)上,加入純橫波信息,在其各自時間域進(jìn)行聯(lián)合反演,然后利用縱橫波速度比對PP波、PS波和SS波時間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,初步實現(xiàn)了PP-PS-SS波聯(lián)合反演(圖9)。

圖7 青海三湖實際地震數(shù)據(jù)采用SV波反演方法得到的反演結(jié)果

圖8 堪薩斯南部某地區(qū)PP波(a)、慢SS波(b)和快SS波(c)地震剖面聯(lián)合解釋結(jié)果

圖9 PP-PS-SS波聯(lián)合反演結(jié)果

5 結(jié)論與展望

隨著多波多分量地震勘探技術(shù)的迅速發(fā)展,高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換波及橫波數(shù)據(jù)為多波聯(lián)合反演的實際應(yīng)用提供了基礎(chǔ),多波聯(lián)合反演逐漸成為疊前反演的研究熱點。本文詳細(xì)介紹了多波地震數(shù)據(jù)匹配方法、縱橫波旅行時聯(lián)合反演方法、AVO聯(lián)合反演方法及最新的橫波地震反演方法,通過對多波聯(lián)合反演研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行調(diào)研,得到如下認(rèn)識:

1) 縱橫波旅行時聯(lián)合反演主要包括動校正速度分析與層析反演,計算效率高,但是反演精度有限?？v波勘探多采用旅行時反演與全波形反演相結(jié)合,首先利用旅行時反演獲得低波數(shù)信息,為后續(xù)全波形反演提供高質(zhì)量的初始模型,應(yīng)用全波形反演恢復(fù)高波數(shù)信息,進(jìn)而反演得到高質(zhì)量的彈性參數(shù),該方法是全波形反演走向?qū)嵱没囊粋€重要方向。

2) 當(dāng)前多波聯(lián)合反演多在時間域進(jìn)行,而縱、橫波速度不同導(dǎo)致傳播時間不同,因此多波地震數(shù)據(jù)匹配是多波聯(lián)合反演的基礎(chǔ)?？v橫波速度比的求取是多波聯(lián)合匹配的關(guān)鍵,一般采用最小二乘方法或動態(tài)圖像變形方法多次迭代求取。在匹配過程中考慮子波壓縮畸變校正問題可為后續(xù)聯(lián)合反演與解釋提供高質(zhì)量的多波資料,且縱橫波速度比可作為聯(lián)合反演的初始模型或地震屬性剖面。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展深度域反演技術(shù)是多波聯(lián)合反演進(jìn)一步發(fā)展的重要支撐。

3) 智能化反演算法為多波聯(lián)合反演提供了一種新的思路。由于智能化反演算法對初始模型依賴小且穩(wěn)定性好,在非線性反演中具有獨特優(yōu)勢,近年來逐漸受到重視,但在實際應(yīng)用時仍存在計算量大的問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,該方法具備巨大的實際應(yīng)用潛力。

4) 隨著橫波可控震源技術(shù)的發(fā)展,純橫波數(shù)據(jù)已具備與縱波數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì),為橫波油氣勘探的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了必要條件。需要進(jìn)一步提升和完善對地震橫波響應(yīng)特征的認(rèn)識,明確橫波與縱波的動力學(xué)特征差異,發(fā)展地震縱、橫波油氣檢測方法,基于橫波震源的九分量地震勘探將是未來多波地震勘探技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。