地震反演技术

地震反演技术第1页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、地震反演的基本原理

一、基本概念二、反演问题的例子三、反演问题的几个重要事项四、波阻抗反演的基本原理第2页，共58页，2023年，2月20日，星期一一、基本概念

资源勘探开发的全部工作都是针对储层进行的,即研究储层的内部结构及相关参数的空间变化,而地震勘探以及所获得的地震剖面或地震数据体反映的是岩层间波阻抗分界面的特征,这就意味着地震剖面与储层特性具有较大的差异。为了能使地震剖面或地震信息与地质或钻采资料直接连接对比,就需要把常规的反映界面特性的地震资料转换为可与地质或钻井直接对比的形式,实现此种转换的算法和计算机处理技术就是地震反演技术。

第3页，共58页，2023年，2月20日，星期一地震资料中包含着丰富的地质信息，如构造、地层岩性、物性或含油气性等等。地震勘探分辨率的限制而分辨不出薄层内的地质信息。经过地震反演,提高地震资料的分辨率，可以把界面型地震资料转换为类似于测井资料的岩层型信息，使其直接与钻井、测井资料对比，实现以岩层为单元的地质解释，充分发挥地震资料具有良好的平面和空间控制作用的优势，达到煤层厚度和围岩性质描述之目的。第4页，共58页，2023年，2月20日，星期一

由此可见，地震反演是利用地震资料反演地层特征参数的特殊处理技术。1、反演从广义上讲，反演就是根据各种位场(电位、重力位等)、波场(声波、弹性波等)电磁场和热学场等的地球物理观测数据去推测地球内部的结构形态及物质成分，定量计算其相关物理参数的过程。2、反演理论这是从一个物理系统上的观测值来恢复该物理系统有用信息的一套数学和统计技术（如微积分、微分方程、矩阵理论、统计估算和推测等）。第5页，共58页，2023年，2月20日，星期一3、地震反演技术指利用人工激发产生的地震波场推测地下地质结构和地层内部特性变化的方法技术。4、正演与反演问题给定模型及参数确定模型的响应即正演。模型参数系统表达正演理论计算模型的响应

输入算子输出根据实际观测数据确定模型参数的过程即反演。观测数据数学工具反演理论系统参数的估计值第6页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、反演问题的例子1、曲线拟合利用若干个实际观测数据，拟合其曲线规律的过程。例如，地球内部温度分布：T(z)=a+bz，给定a,b求T(z)则为正演；据观测的T(z)，求a,b则为反演，即拟合一条直线。2、图像增强——数字滤波、反褶积等褶积模型：S(t)=R(t)*W(t)

已知R(t)和W(t)，求S(t)则为正演过程；已知S(t)和W(t)，求R(t)则为反演过程；已知S(t)和R(t)，求W(t)则为子波处理。3、地球物理观测资料的地质解释过程就是反演过程。第7页，共58页，2023年，2月20日，星期一解反问题的常用方法有最小二乘法、统计回归分析法、参数估计法、神经网络等。地球物理反演问题在理论和方法上的重大进展，与近20多年来解反演问题广泛应用了信息论、线性或非线性规划、广义逆理论以及最优化方法等一些数学工具紧密相关。三、反演问题的几个重要事项1、反演问题描述应考虑的问题①地球物理数据的性质即场的性质；②观测数据中误差及干扰；③考虑的问题能否作为数学问题提出；④对问题有无物理约束。第8页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、反演问题求解时应考虑的问题①可能获取何种解，近似解还是精确解；②问题是欠定的、超定的还是适定的；③问题是线性的还是非线性的；④什么是问题的最好解法；⑤解的精度及可靠性；⑥求解结果如何评价和验证。四、波阻抗反演的基本原理波阻抗反演是地震勘探中应用最广泛的反演问题，也是储层地球物理研究和开发地震中最基本的处理技术之一。波阻抗反演是利用地震资料反演地层波阻抗z=v，它与其他地震属性相比具有更为明确的物理意义。第9页，共58页，2023年，2月20日，星期一左图是一个楔形砂岩体(图a)的例子，在常规地震剖面(图b)上很难看出砂岩体的直观形态，可能误认为是一个角度不整合地层削蚀现象。而在波阻抗反演剖面(图c)上，可以清楚看出这是一个相对高速的楔形砂岩体。第10页，共58页，2023年，2月20日，星期一地震反演技术的基本原理可用下图说明。第11页，共58页，2023年，2月20日，星期一地震叠后反演的基本方法

一、反演方法的分类二、带限反演三、宽频反演（模型反演）第12页，共58页，2023年，2月20日，星期一一、反演方法的分类

1、输入资料的性质上：叠前和叠后；2、反演理论上：褶积理论、射线理论和波动理论；射线理论以旅行时反演为主;波动理论主要是波动方程反演、层析成像理论等；3、从解反问题的数学工具上分,可分为线性和非线性两大类。根据方程个数与未知数个数的情况分为超定、欠定和适定问题；4、测井资料的作用大小：四类：地震直接反演或无井约束反演；测井控制下的地震反演；测井~地震联合反演；地震控制下的测井内插与外推。上述反演方法分别用于勘探开发的不同阶段。第13页，共58页，2023年，2月20日，星期一5、从反演的实现方法上分，地震反演分为递推反演、基于地质模型反演和地震属性或地层参数反演。带限反演的两种基本方法，即道积分或相对波阻抗反演和递推反演，分辨率受地震约束大。二、带限反演带限反演是利用叠后地震资料计算地层相对或绝对波阻抗的直接反演方法。第14页，共58页，2023年，2月20日，星期一

1、带限反演方法原理直接反演包括道积分方法和一些常用的递推方法,道积分反演是直接反演最常用的波阻抗反演方法之一。取z0=0v0为波阻抗初始值，则由反射系数计算公式：

(1)递推可得：

(2)

对(2)式取对数:(3)

对(3)式右边求和号内的对数项按Taylor级数展开，得(4)式：第15页，共58页，2023年，2月20日，星期一

（4）取第一项则有:（5）整理上式得：

（6）式（6）右端是反射系数的变限求和，在实际资料处理中，通常使用反褶积后的地震道s(t)。但此时的地震道s(t)仍然是一个具有有限带宽的地震道，只不过相当于用一个更宽的频带对反射系数滤波的结果。因此，对地震道s(t)变限求和，作为直流分量的已被滤掉，得到的是有限带宽的相对波第16页，共58页，2023年，2月20日，星期一阻抗，（6）式改写为：（7）；积分道只是一个对数相对波阻抗，要得到绝对波阻抗，首先计算相对波阻抗：（8），然后加入低频波阻抗，计算出绝对波阻抗：（9）；若要得到速度或时差,一般引用Gardner公式:(10)从波阻抗中分离出速度：（11）道积分方法的计算简单快捷，但得出的相对波阻抗不含低频成分，且精度不够。第17页，共58页，2023年，2月20日，星期一原始剖面相对波阻抗剖面第18页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、带限反演方法的具体实现带限反演是对地震资料的转换处理过程，其结果的分辨率、信噪比以及可靠性完全依赖于地震资料本身的品质，因此用于地震反演的资料应具有较宽的频带、较低的噪音、相对振幅保持和准确成像。测井资料，尤其是声波和密度测井资料是地震横向预测的对比标准和解释依据，在地震反演之前应进行仔细的编辑和校正，使其能够正确反映岩层的物理特征。递推反演的技术核心在于由地震资料正确估算地层反射系数或消除地震子波的影响。比较典型的实现方法有基于地层反褶积方法、稀疏脉冲反演和测井控制地震反演等。第19页，共58页，2023年，2月20日，星期一带限反演的处理流程图第20页，共58页，2023年，2月20日，星期一

3、应用与限制基于地震资料直接转换的带限反演方法比较完整地保留了地震反射的基本特征，如断层、产状等，不存在基于模型反演方法的多解性问题，能够明显地反映岩相、岩性的空间变化。在岩性相对稳定的条件下，能较好的反映储层的物性变化。带限反演方法具有较宽的应用领域。在勘探初期只有很少钻井的情况下，通过反演资料进行岩相分析确定地层的沉积体系，根据钻井揭示的储层特征进行横向预测，确定评价井位。在开发前期，在储层较厚的条件下，递推反演资料可为地质建模提供比较可靠的构造、厚度和物性信息，优化方案设计。第21页，共58页，2023年，2月20日，星期一2基于模型的地震反演首先要建立地质模型，包括深度、厚度、速度和密度。地层的岩性、物性和流体性质可用速度和密度等参数表示。作合成地震剖面，这在地球物理技术中称为地震模型。正演算法：褶积模型算法，波动方程。

然后将地震模型同实际地震剖面进行比较，根据比较结果，反复修正地质模型，制作新的地震模型，直至两者达到最佳吻合为止。模型反演由于是通过正演得到反演结果，回避了地震资料直接反演存在的问题(多解性和误差累积现象)，因而可以突破目前地震分辨率的限制。第22页，共58页，2023年，2月20日，星期一与前面的道积分和递推反演两种方法相比，由于它是对模型参数直接进行修改，得到的是宽带的结果,分辨率很高。主要代表有:广义线性反演(GLI)（Cooke,1983）地震岩性模拟(SLIM)（Gelfand，1984）鲁棒的速度反演方法(ROVIM)（Fabre，1989）宽带约束反演(BCI)（Martinez，1988）第23页，共58页，2023年，2月20日，星期一一、模型迭代反演的特点

模型反演利用了神经网络仿真学、数理统计等数学工具。另一方面，由于是通过地震模型与实际地震资料的对比是否相似来判定迭代正演的收敛，不同薄互层组合的数据可以得到类似的地震模型，这就是模型反演方法的由于复杂地质模型所致的多解性。第24页，共58页，2023年，2月20日，星期一方法原理用正演的思路把地震剖面，并结合井资料建立的层状模型反演成反映地下岩性等地质信息；通过迭代法获取岩性模型改变后的合成响应，运用的收敛准则是模型得到的合成剖面；与实际地震剖面的匹配改善程度，即两者的最小均方误差或相似系数。输入是普通的层状速度模型，其输出是岩性、层厚度、层速度、密度、声阻抗、孔隙度等储层细节。第25页，共58页，2023年，2月20日，星期一初始模型井1井2第26页，共58页，2023年，2月20日，星期一

地震剖面提取子波

地质、测井资料初始岩性或波阻抗模型

合成地震剖面修改模型参数或子波最终岩性模型及子波、合成剖面等输出资料最佳拟合？YesNo原理示意图第27页，共58页，2023年，2月20日，星期一

2、地震岩性模拟的分析处理步骤①资料准备，包括井资料整理和分析，地震资料的解释等；②建立过井测线的二维速度模型并进行二维地震岩性模拟；③将此最终二维岩性模型扩展到三维空间，进行三维地震岩性模拟，获取最终的三维岩性模型；④地质解释，即根据最终的三维速度模型定量描述所研究层位的基本特征，如岩性、几何形态、孔隙度等。第28页，共58页，2023年，2月20日，星期一

3、优缺点

避免了一般反褶积方法对子波是最小相位和反射系数是白噪的假设；

可使随机干扰不参与反演，在反演过程中，使用了多种来源的先验信息，以约束条件的形式限制了地震反演的多解性;建立初始模型时，除了考虑测井、钻井地质资料外，还利用地震剖面上少数“控制道”。厚度、速度、密度及子波等参数的迭代修改只是在这少数“控制道”上进行，有了“控制道”参数之后，整个地质模型就根据这些“控制道”作内插，最后用内插结果作正演，得到合成地震剖面;第29页，共58页，2023年，2月20日，星期一

实际剖面与理论剖面作比较时，要求最小，并不要求每一道都完全吻合。这样既加快运算速度，又避免了随机噪声参与反演;所花费的计算机运行时间是相当可观的。第30页，共58页，2023年，2月20日，星期一

初始综合解释

钻井测井资料

逼近吻合?是A：否

合成地震剖面

波阻抗模型

摄动修改模型参数

模型改进

约束条件A：高分辨率波阻抗模型原理示意图实际地震剖面第31页，共58页，2023年，2月20日，星期一做好地震反演的技术关键收集地震反演所需的各种原始资料，包括工区地质情况、地震数据、测井资料、测试资料和分析化验资料等。认真分析收集的各种资料，针对工区地质情况和目标要求，选择合适的反演方法和处理流程。做好层位标定工作，可利用VSP资料和已有的时深转换关系，结合合成地震记录的制作，准确标定层位，尤其是目标层的精细标定。精细解释好地震层位，它关系到模型建立的精度，必须确保层位解释的合理性和可靠性。根据工区的地质构造背景，定义好地层之间的接触关系，保证模型的合理性。对测井曲线进行分析研究、编辑校正，做好同一种测井曲线的归一化处理。选择合理的处理流程和反演参数，保证反演处理的合理性和可行性。第32页，共58页，2023年，2月20日，星期一测井地震波阻抗厚度分布+=突出优点：地震与测井有机地结合反演剖面：低、高频信息来源于测井资料构造特征及中频段忠实于地震数据分辨率：突破传统意义上的地震分辨率理论上可得到与测井资料相同的分辨率适用于：薄层厚度预测井约束模型反演：煤厚变化趋势预测第33页，共58页，2023年，2月20日，星期一多井约束稀疏脉冲反演预测煤层厚度高速火成岩冲积扇第34页，共58页，2023年，2月20日，星期一反演依据：利用特征参数模型反演方法，以增强反演成果对于煤体结构的反映。重点环节：多层前馈神经网络方法---视电阻率拟声波曲线的重构3、构造煤预测－煤体结构的特征参数反演双侧向－RXO与煤体渗透性(a)(b)碎粒煤碎裂煤原生煤ⅡⅠ第35页，共58页，2023年，2月20日，星期一构造煤预测－煤体结构的特征参数反演102302402第36页，共58页，2023年，2月20日，星期一第37页，共58页，2023年，2月20日，星期一、泥质含量反演剖面第38页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、叠前反演AVO反演弹性阻抗反演（EI）与方位AVO第39页，共58页，2023年，2月20日，星期一叠后地震资料基本公式是垂直入射的反射系数公式，每个反射系数都被看成是地震射线以零角度入射到两个岩层分界面上的结果，反射系数只是界面上下岩层波阻抗的一个简单函数，反演结果也只能是波阻抗，或依赖速度与密度的统计关系从波阻抗中分离出纵波波速度和密度。实际上,我们在野外进行地震资料采集（二维或三维）时,总是按一定的观测系统实施的,这样所接收到的反射波就变得非常复杂,反射系数不仅与密度、纵波速度有关,还与横波速度有关,反射系数随入射角或偏移距而变化,这就是AVO的含义。利用CMP道集上的AVO特性求取密度和纵横波速度,这就是AVO反演。第40页，共58页，2023年，2月20日，星期一一、AVO的基本理论

1、AVO技术的特点AVO（AmplitudeVersusOffset）是继亮点技术之后，利用振幅信息研究岩性、检测油气的重要技术。主要研究内容包括：利用CMP道集记录，分析反射振幅随炮检距x或随入射角的变化规律，估计界面两侧的弹性参数如泊松比，进一步推断地层的含油气性。AVO的主要特点是：(1)充分利用了多次覆盖资料中丰富的原始信息；(2)减少了岩性、含油气性预测的多解性；(3)开辟了利用波动方程的解进行定量解释的新途径；(4)是一种用于油田开发阶段的，岩性或含油气性预测的、量大活细的方法。第41页，共58页，2023年，2月20日，星期一

2、AVO技术的方法原理

Zoeppritz方程及其求解思路用矩阵表示Zoeppritz方程为:1Vp1Vs12Vp2Vs2ApApsAppBppBps‘‘据反射系数定义：Rpp=App/Ap=f(,1,2,Vp1,Vp2,Vs1,Vs2)。第42页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、Zoeppritz方程的简化公式（1）Bortfeld

近似式（2）Hilterman

近似式第43页，共58页，2023年，2月20日，星期一（3）Aki-Richards近似式第44页，共58页，2023年，2月20日，星期一（4）郑晓东近似式第45页，共58页，2023年，2月20日，星期一

（5）Shuey近似式

分析上式可知,当垂直入射时，R()=R0;中等入射角,

即0<<300,近似有sin=tg,此时:

泊松比第46页，共58页，2023年，2月20日，星期一P、Q的组合形成AVO属性剖面；其中P为截距，反映垂直入射时的反射振幅；G为梯度，反映振幅随偏移距的变化率。

对广角即>临界角入射时；R()主要与速度变化有关，即：

R()=0.5Vp/Vp(tg2-sin2)

上述分析与理论试算表明：在<300情况下，入射角对反射系数的影响不是很大，这正是CDP叠加的理论基础。有了上述Zoeppritz方程的简化公式，我们就可以方便地对叠前CMP道集记录上的振幅随偏移距的变化进行AVO反演。第47页，共58页，2023年，2月20日，星期一第48页，共58页，2023年，2月20日，星期一

5、AVO技术的应用

(1)识别真假亮点——利用纵横波资料进行联合解释，利用Vp/Vs的数值来识别真假亮点；分析CDP道集上AVO的变化规律，含气使反射振幅随炮检距的增大而增强;(2)气水边界检测——先计算理论的AVO关系曲线，再拟合出实际CDP记录的AVO关系曲线，最后沿CDP和测线循环，并用理论AVO规律对研究区作出气水边界的空间分布图:(3)解释岩性：

AVO技术的发展趋势是:方位AVO、弹性阻抗反演技术；对于裂缝发育方向、介质的非均质性研究很有利。第49页，共58页，20