三维频率-空间域迭代法声波叠前全波形速度反演的关键问题研究

Using a local nonlinear generalized minimal residual method, research will concentrate on 3D iterative acoustic prestack full-waveform velocity forward-modeling and inversion development in frequency-space domain. Forward-modeling uses three preconditioners and the method used to calculate the iterative update, to get a rapid convergence of iteration, so as to obtain a stable and high efficiency iterative algorithm. Parallel iteration for solving the 3D acoustic forward numerical simulation with a computer cluster in frequency-space domain. We will use Laplace domain waveform inversion to get a large amount of low frequencies, in order to obtain an accurate starting velocity model for full-waveform inversion. We use multiscale strategy (full-waveform inversion from low frequency to high frequency) and suitable preconditioning techniques, thus reducing the non-uniqueness of the full-waveform inversion solution (ie, reducing the strong non-linearity of the full-waveform inversion).We use multigrid cycle method and composite shot technology, improving the 3D iterative full-waveform velocity inversion's calculation speed in frequency-space domain significantly. Each iteration step into a linearized problem, solved by the steepest descent method. Thoroughly study and evaluate the mechanism of 3D iterative acoustic prestack full-waveform velocity inversion in frequency-space domain, proposing new strategies and innovative methods to reduce the non-uniqueness of the full-waveform inversion solution, to get a high-resolution velocity model, providing an effective inversion method and tool for oil and gas exploration on a realistic geological scale and in acceptable computational time.

采用局部、非线性的广义最小残量方法，进行三维频率-空间域迭代法声波叠前全波形速度正演和反演方法研究。正演使用三个预条件和计算迭代更新残差的方法，使得迭代法的收敛速度快，从而获得稳定高效率的迭代算法。在计算机机群上并行地快速迭代求解三维频率域声波正演数值模拟。使用拉普拉斯域波形反演得到大量的低频成分，生成精确的初始速度模型。使用多尺度的策略（从低频到高频进行全波形反演）和合适的预条件技术，从而减少全波形反演解的非唯一性（即减轻全波形反演强烈的非线性）。使用多重网格循环的方法和合成炮的技术，很大程度提高了三维频率域迭代法声波叠前全波形速度正演、反演的计算速度。把每个迭代步化为线性问题，由最速下降法求解。深入研究、阐明控制三维频率-空间域迭代法声波叠前全波形速度反演的机制，提出减少全波形反演解非唯一性的策略和方法，反演得到高分辨率的速度，为现实大小的地质体的油气勘探提供有效的反演方法和技术。

项目研究了无限频率走时反演（IFTT），有限差分正演计算旅行时和射线路径。使用LSQR法求解稀疏线性方程组。正则化反演，结合用户给定的最小的、最平滑的扰动限制，每一个加权因子随深度变化。结合数据残差和模型粗糙度的最小化，为数据残差提供最平滑的近似模型。将依赖频率走时反演方法（FDTT，正反演都使用地震波的频率成分）仅用三百赫兹的单频反演和IFTT二维井间地震实际资料。前者反演恢复的速度与炮井和检波器井的测井曲线的匹配比后者的匹配程度更高，证实相对于射线理论的IFTT，FDTT分辨率更高。证实该方法可靠稳健，基于定量分析误差而进行解释，提供了解释数据的一个新方法。为全波形反演（FWI）井间地震实际资料提供了可靠的初始模型。.项目采用区域分解（物理上分割模型，使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群，节约单个CPU的内存使用量，加快正演的计算速度）和炮并行的双并行算法，进行二维时间域声波FWI。使用三个离散频率，采用多尺度的策略，从低频到高频进行FWI。反演得到的速度证实了：使用更多的计算节点进行二维直接法频率域声波FWI时，其加速有限（正演的计算量主要用于矩阵的LU分解，炮点计算波场为线性关系）；时间域计算更灵活，多炮同时计算可多倍提高计算效率；频率域反演计算速度快和节省内存。时间域反演所得速度的分辨率更高。.项目采用局部迭代、非线性的广义最小残量方法，进行三维频率域迭代法声波叠前全波形速度正反演方法研究。正演使用三个预条件和计算迭代更新残差的方法，使得迭代法的收敛速度快、稳定高效。使用预条件技术和多尺度反演的策略，减少了反演解的非唯一性，即减轻反演强烈的非线性；使用多重网格的方法和合成炮的技术，在机群上并行快速迭代正反演，提高了计算速度。把每个迭代步化为线性问题，由梯度法求解。深入研究该FWI的机制，提出减少反演解非唯一性的策略和方法。将稳健高效的本方法成功应用于三维宽孔径的理论模型，反演得到高分辨率的速度，为基于多尺度迭代求解三维频率域声波方程的FWI打下方法基础。