基于解析时间波场的地震波成像和反演方法研究

Seimic imaging and inversion are essential procedures in oil and gas exploration and its target is to recover the rock parameter with full wavenumber bandwidth. Seismic full waveform inversion is the ideal way to achieve this goal and becomes the hot scientific research topic in oil and gas exploration. However, its strong nonlinearity prevents it from practical application. Decomposing the full bandwidth parameter into low and high wavenumber part is an effective and physical way to reduce its nonlinearity. Decomposing the wavefield into directional and angle component can decouple the inversion kernel of low and high wavenumber parameter but conventional wavefield decomposition method is impractical in wave equation based inversion. To resolve this issue, we propose the analytical time wavefield which is convenient for wavefield directional and angle decomposition. First, methods to generate analytic time wavefield are developed. Then the low wavenumber parameter inversion method based on analytic wavefield is developed. And then least-squares reverse time migration and angle gather generation method is developed based on analytic time wavefield which aims to resolve the amplitude preserving reflectivity (i.e., high wavenumber parameter). This helps impedance and AVA inversion. Finally, method to simultaneously and iteratively inversion of both low and high wavenumber parameter is proposed to obtain high accuracy rock parameter. This series of theoretical methods aims to better serve the oil and gas exploration.

地震波成像和反演是油气勘探的关键环节，其目的是获取地下岩石物性参数。地震数据的全波形反演方法是获取全波数带参数的理想方法，成为当前油气勘探的科学研究热点。但其强非线性特征限制了它的实用，将全波数带地下参数进行高低波数解耦反演是降低其非线性的有效物理途径。波场的方向和角度分解可以解耦高低波数参数的反演核函数，但传统波场方向分解方法在双向波波动方程中应用难度巨大。针对这一问题，项目提出解析时间波场概念，它便于在双向波波动方程中进行波场的方向和角度分解。在此基础上，首先研究解析时间波场在波动方程中的构造方法；然后研究基于解析时间波场的反射波低波数参数反演方法；然后基于解析时间波场发展保真最小二乘逆时偏移及角度道集提取方法，获得保真反射系数（即参数高波数部分），为波阻抗和AVA反演提供基础数据；最后研究高低波数联合迭代反演，获取高精度地下参数场。通过这一理论和方法体系，为油气藏勘探服务。

获取地下岩石物性参数是地震波成像和反演的主要目标。利用地震数据估计地下岩石物性参数是一个强非线性问题,线性化反演是降低非线性的有效途径。在基于双向波波动方程的成像和反演中，波场的方向分解可解耦参数反演的高低波数反演核函数，进而降低参数反演的非线性。但传统波场方向分解方法在双向波波动方程中实施难度大。项目提出针对双向波波动方程的解析时间波场概念，以便利地在双向波波动方程中进行波场方向分解，进而发展了一套基于解析时间波场的成像和反演方法，估计高精度地下参数场。项目研究中首先提出了解析时间波场的概念并提出解析时间波场外推和短算子希尔伯特变换的两种较为实用的解析时间波场构造方法，作为后续成像和反演的基础。然后将参数反演分为高低波数反演两个环节，高波数参数对应反射系数反演，发展了基于解析时间波场的最小二乘逆时偏移和角度域成像方法来估计反射系数和角度反射系数。在最小二乘逆时偏移中，研究了其梯度分解、数据域和成像域最小二乘逆时偏移以及编码最小二乘逆时偏移方法。在角度域成像方面，针对解析时间波场提出了基于匹配追踪的稀疏角度分解方法，并研究了各向同性和各向异性介质角度域成像方法。低波数参数对应参数的背景场部分。为了提高背景参数反演的可靠性，利用解析时间波场分解的低波数反演核函数，发展了波动方程走时反演方法。在获得高低波数参数场后，在TV正则化约束下，发展了高低波数联合的绝对波阻抗反演方法，达到了获取高精度地下参数场的目标。项目研究的方法理论均经过理论数据测试，一些方法技术在实际数据上进行了应用，取得较好的效果。该技术体系可为地震勘探中高精度地下参数场估计提供技术储备。项目在各项研究内容方面取得较好的进展，达到预期目标，并完成了预期的成果指标。