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物探与化探, 2025, 49(5): 1090-1098 doi: 10.11720/wtyht.2025.0037

方法研究信息处理仪器研制

川东北探区层析与全波形反演联合建模方法及应用

国运东,

中国石化中原油田分公司 物探研究院,河南 濮阳 457001

Tomography-FWI modeling method and its application for the exploration area of northeastern Sichuan Basin,China

GUO Yun-Dong,

Geophysical Exploration Research Institute,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China

第一作者: 国运东(1991-),男,博士(后),副研究员,2020年毕业于中国石油大学(华东),研究方向为全波形反演。Email:gyd_upc@edu.cn

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2025-03-24   修回日期: 2025-07-4  

基金资助: 国家科技重大专项课题(2024ZD14001-004)
中石化集团公司项目(P23142)

Received: 2025-03-24   Revised: 2025-07-4  

摘要

普光探区由于受多期构造运动作用,地表、地下双复杂,膏盐等特殊地质体刻画不精细,导致速度场建立不准确,严重降低了成像质量,制约了油气的精细勘探开发。为了提高速度建模精度,改善复杂构造的地震建模与成像效果,本文开展复杂山地全波形反演联合速度建模方法应用研究,形成针对普光探区的基于全波形反演的深度域速度建模流程。通过层析与全波形联合反演,并引入地质信息的约束来提升全波形反演的稳定性,使模型与地下构造更加匹配,通过实际资料测试,全波形反演技术可以显著提升复杂转换带的速度模型的细节刻画精度,对普光大湾—毛坝的复杂构造成像改善作用明显。

关键词： 全波形反演; 深度域偏移; 速度建模; 普光探区

Abstract

The Puguang exploration area in the northeastern Sichuan Basin,China,is characterized by complex surface and subsurface conditions due to the influence of multistage tectonic movements.This dual complexity poses a challenge to precisely characterizing special geobodies like anhydrites in this area,leading to inaccurate velocity field establishment.Consequently,the seismic imaging quality is severely degraded,hindering the fine-scale exploration and production of oil and gas.To enhance velocity modeling accuracy and improve seismic modeling and imaging effects for complex structures,this study investigated the application of a joint velocity modeling method integrating full waveform inversion(FWI) for complex mountainous terrain.A depth-domain velocity modeling workflow based on FWI was developed for the Puguang exploration area.The joint inversion combining tomography and FWI,enhanced by incorporating geological constraints to improve FWI stability,results in a velocity model that effectively matches the subsurface structures.The test using actual data demonstrates that FWI can significantly improve the detail characterization accuracy of velocity models for complex transition zones.This improvement is particularly evident in the enhanced imaging of complex structures in the Dawan and Maoba blocks in the Puguang exploration area.

Keywords： full waveform inversion(FWI); depth migration; velocity modeling; Puguang exploration area

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国运东. 川东北探区层析与全波形反演联合建模方法及应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(5): 1090-1098 doi:10.11720/wtyht.2025.0037

GUO Yun-Dong. Tomography-FWI modeling method and its application for the exploration area of northeastern Sichuan Basin,China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(5): 1090-1098 doi:10.11720/wtyht.2025.0037

0 引言

普光位于川东北黄金口构造带,是我国川气东送的主供气源地,随着勘探工作的不断深入,呈现了浅、中、深多层系勘探场面,但普光复杂构造区地震资料品质不能满足精细解释需要[1-2]。针对复杂探区中深部储层保幅成像问题,无倾角限制的逆时偏移(reverse time migration,RTM)技术被认为是较好的成像方法,然而逆时偏移技术对速度模型精度依赖性高[3-4]。精准的速度建模是地震资料处理的关键步骤,但是普光探区地下构造复杂,雷口坡组—嘉陵江组膏盐广泛发育,受构造运动和滑脱作用影响,局部膏盐厚度超过800 m,对下伏目标地震成像影响较大,盐下构造变化剧烈,地震成像条件差[5-6]。

复杂构造地震成像的关键是速度建模,针对构造变化快的地区,多方位网格层析成像技术可以利用介质的速度方位各向异性特征进行速度迭代,进而提高速度模型精度[7-8],对于低信噪比地区,可以通过高斯束层析提升复杂地区的速度建模精度和成像质量[9-10],利用基于层位约束的网格层析方法,进一步提高反演的稳定性[11]。但是普光膏盐层厚度变化大,盐下构造复杂,基于网格层析的方法很难建立准确的速度模型。全波形反演(full waveform inversion,FWI)理论和技术以其高精度、多参数建模的能力,可以满足高精度速度建模的需求[12-16],近几年在海洋勘探中叠前深度偏移数据成像质量得到明显提升[17-19]。全波形反演同时基于波场的运动学和动力学特征,可利用细节波动信息,通过拟合观测数据和正演数据,实现细节速度信息的反演。陆地全波形反演方法在油气勘探中显著提升了成像精度,相比传统速度建模方法,更能准确揭示断层和盐丘等复杂地质结构。但是在陆上复杂山地三维实际地震资料应用中,仍面临许多实际问题,一方面准确的初始速度建模是全波形反演的前提,复杂山地地区地下构造的横向变化剧烈,地震资料与模型参数之间的关系等因素会产生较强的非线性[20-22],如何准确构建含有膏岩体等特殊岩性体的背景速度场是其关键基础[23-24];另一方面复杂山地地震数据品质达不到全波形反演的理论要求,复杂山地地震数据中低频数据缺失较多,若仍然使用全波场信息,很容易因数据处理不合适使全波形反演陷入局部极值问题,难以得到最优的速度模型[25-26],如何合理对数据进行处理是其中的关键。本文针对初始模型不准确的问题,采用构造模型约束网格层析的速度更新方法,充分考虑已有的地震、测井和地质信息,建立准确的背景速度模型,使速度模型更符合地质规律。对于地震数据低频缺失的问题,本文通过宽波数域增强技术,拓展波数覆盖范围,充分挖掘数据的潜力,为全波形反演提供了更加优质的数据支撑[27-28]。通过复杂山地层析与全波形反演联合速度建模技术,提高了双复杂探区速度建模的稳定性和准确性,改善了高陡盐下复杂构造的地震建模精度与成像效果。

1 全波形反演的基本原理和处理流程

全波形反演方法(FWI)通过观测数据与正演数据建立误差函数,进而反演地下的速度模型,其中基于L2范数的误差泛函定义为[12]:

$\chi(\boldsymbol{m})=\sum_{\boldsymbol{x}_{s}} \sum_{\boldsymbol{x}_{r}} \int\left[\boldsymbol{u}_{\mathrm{obs}}\left(\boldsymbol{x}_{s}, \boldsymbol{x}_{r}, t\right)-\boldsymbol{u}_{\mathrm{cal}}\left(\boldsymbol{x}_{s}, \boldsymbol{x}_{r}, t\right)\right]^{2} \mathrm{~d} t,$

式中:uobs和ucal分别是t时刻的野外地震记录与正演模拟记录,xs和xr分别表示地震的炮点和检波点,m表示速度场。

在实际地震资料的全波形反演过程中,野外地震数据受采集条件的限制,存在低频缺失、噪声发育的问题,因此速度建模过程中需继续强化测井、断层资料的合理使用,提高反演的稳定性,新的目标函数表示为:

$\begin{array}{c}\chi(\boldsymbol{m})=(1-\boldsymbol{\lambda}) \sum_{\boldsymbol{x}_{s}} \sum_{\boldsymbol{x}_{r}} \int\left[\boldsymbol{u}_{\mathrm{obs}}\left(\boldsymbol{x}_{s}, \boldsymbol{x}_{r}, t\right)-\right. \\\left.\boldsymbol{u}_{\mathrm{cal}}\left(\boldsymbol{x}_{s}, \boldsymbol{x}_{r}, t\right)\right]^{2} \mathrm{~d} t+\boldsymbol{\lambda}\left\|\boldsymbol{m}-\boldsymbol{m}_{\mathrm{pre}}\right\|,\end{array}$

式中:λ是约束系数矩阵;mpre 表示先验信息。

求解目标函数的梯度更新公式为:

$\boldsymbol{m}_{k+1}=\boldsymbol{m}_{k}-\alpha_{k} H_{k} \nabla_{m} \chi,$

式中:k 表示全波形反演的迭代次数;Hk 表示梯度的处理修正项,本文采用共轭梯度法;αk 表示通过抛物插值求取的更新速度步长。

针对普光地区的复杂构造,本文发展了地质井约束建模、层约束网格层析全波形反演、逆时偏移动处理流程,并且全波形反演需要通过地质约束的网格层析建立精确背景速度模型。

1.1 准确的背景速度模型建立

采取构造模型约束网格层析的速度更新方法,速度模型更符合地质规律。在速度建立过程中充分参考已有的地震、测井、地质信息,已知信息应用的越丰富,叠前深度偏移的可靠性越高(图1)。

图1

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图1   联合速度建模流程

Fig.1   Joint velocity modeling flowchart


1.1.1 井约束初始速度建模技术

油气勘探开发中面对的地质目标体和油气储集体的尺度既小又复杂,沿用传统的基于水平层状介质假设的叠加速度分析方法不能适应横向变速以及复杂构造成像,而应用常规偏移速度分析方法无法满足高精度速度反演的要求。基于层位的网格层析反演具有明确的地质意义且反演稳定,是较为有效、稳定的反演方法。但是准确的初始速度对于后续的反演具有重要的影响,迪克斯公式和速度约束反演两种方法在速度横向变化剧烈的情况下,都不能够反演出较为理想的初始速度模型,因此本文在速度约束反演的基础上加入已钻井约束,利用工区内已有测井的井速度和钻井分层地质信息,获得工区井外推速度模型,将其作为地震速度模型建立的先验信息。

参考附近井区的测井、录井成果资料,构建初始的构造模式以及速度走势图。利用时间域速度分析获得时间域的速度场数据体及叠前时间偏移数据体,提取井旁道的地震子波数据,与反射系数序列反褶积形成合成记录,进行地质层位匹配追踪,构建深度域地质构造骨架。通过对比地震解释层位与测井分层之间的深度差异,并计算误差分布,采用井震误差校正技术,利用最小二乘算法对地震数据深度进行校正,并通过迭代验证确保校正精度,以获得与测井分层深度相匹配的地震速度场。最小二乘算法目标函数如下:

E= 12∑k=1N|zcal,k-ztrue,k|2,

式中:zcal表示校正后的深度;ztrue表示测井分层深度;k表示第k个井震标定点。

通过测井速度约束,井曲线去异常、方波化、平滑滤波,得到与地震速度匹配的测井速度,沿层外推插值获得井外推速度场。速度反演更新前,加入地震速度与井速度的相关度作为约束条件,建立井约束后的深度域初始速度场(图2)。约束条件表达式如下:

Vinit=(1-α)Vseis+αVwell

式中:Vinit表示井约束后的深度域初始速度场;Vseis表示地震速度;Vwell表示井速度;α表示约束系数,取值为0.3~0.1。

图2

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图2   深度域速度场对比

Fig.2   Velocity field comparison in depth domain


1.1.2 层约束速度模型更新技术

两套膏盐层分布变化大,导致射线路径扭曲,地震波照射不均匀。通过深度域速度扫描确定不同深度膏盐边界及内幕速度,充填后再进行层析反演提升速度建模精度,改善盐下地层成像效果(图3)。

图3

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图3   地质约束前(a)、后(b)的速度对比

Fig.3   Comparison of velocities before(a) and after(b) geological constraints


1.2 全波形反演的速度建模技术

全波形反演对数据质量和算法稳定性要求高,但川东北探区地表复杂,地表地形起伏剧烈,高程差在200~1 500 m之间,低降速带速度和厚度变化剧烈,从而使山地采集的地震数据存在炮与炮差异大、噪声发育和低频缺失等众多干扰因素(图4),导致地震数据品质达不到全波形反演的理论要求,使其向错误方向收敛,无法取得满意效果。通过增强低频信息,可以有效地克服反演过程中存在周波跳跃的问题,提高全波形反演计算的稳定性。针对原始数据无法满足全波形反演对频带的基本要求,通过宽波数域增强技术,拓展波数覆盖范围,充分挖掘数据的潜力,为后续的全波形反演提供更加优质的数据支撑。本文首先采用小波变换将地震数据从时域转换到波数—频率域,通过波数域滤波增强低频波数能量,设定滤波参数,抑制高频噪声,同时保留有效信号,从而补充数据低频信息,最后将处理后的波数域信号通过逆傅里叶变换恢复至时间域。图5a展示了常规处理的地震观测记录,图5b展示了宽波数域预处理的地震炮记录,对比常规处理的炮记录和宽波数域预处理的地震炮记录,可以看出,宽波数域预处理后的地震炮记录上,地震同相轴明显变宽,说明其数据更加凸显低波数成分(图6),对大尺度构造的反演能力显著增强。

图4

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图4   川东北探区复杂地表下的地震数据

Fig.4   Seismic data under complex surface in northeast Sichuan exploration area


图5

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图5   不同地震数据对比

Fig.5   Comparison of different seismic data


图6

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图6   不同地震数据频谱示意

Fig.6   Schematic of different seismic data spectra


通过地震数据低频端的增强,采取层析与全波形联合反演速度建模,深度域速度模型进一步精确,与地下构造更加吻合。如图7所示,相比于层析反演的速度场,全波形反演的速度对细节刻画更加准确。

图7

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图7   全波形反演前后的速度对比

Fig.7   Velocity comparison before and after full waveform inversion


通过全波形反演速度建模(图8),深度域速度模型进一步精确,利用克希霍夫叠前深度偏移成像方法,成像精度得到进一步提高。可以看出相比于网格层析速度场的深度偏移成像剖面(图8a),全波形的成像结果(图8b)在大湾—毛坝地区复杂构造区的成像更加清晰,同相轴更加连续,断点和断面更加合理。

图8

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图8   全波形反演前后的成像效果

Fig.8   Imaging effect before and after full waveform inversion


2 逆时偏移技术

针对复杂探区中深部储层保幅成像问题,无倾角限制的逆时偏移可对复杂构造进行精确成像,然而逆时偏移技术对速度也更加敏感,需要高精度的速度场建模技术[27-28]。在速度准确的情况下,如图9所示,相比于克希霍夫叠前深度偏移(kirchhoff pre-stack depth migration,KPSDM)(图9a),逆时偏移具有更好的成像效果(图9b),因此全波形反演后的速度场,采用逆时偏移技术能更进一步挖掘速度场的潜力。

图9

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图9   基于不同偏移方法的全波形反演成像效果对比

Fig.9   Comparison of imaging effect of full waveform inversion based on different migration methods


3 实际资料效果

深度偏移算法的偏移归位更准确,新处理的RTM成果比起时间偏移成果(图10a)对于复杂构造区域的成像得到显著提高,深度域成像对复杂构造的刻画更清晰(图10b),大湾—毛坝的成像更加清晰、合理。

图10

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图10   老成果剖面与新成果剖面对比

Fig.10   Comparison between old and new results


将新技术应用于另一个复杂山地的区块,相比于时间偏移成果,通过层析与全波形联合建模技术,显著提高了速度建模精度和成像质量,复杂断裂带的成像更加清晰,小尺度的构造归位更加准确,盐下成像更加连续(图11)。对新老成果进行地质评价,与老资料相比,新成果高陡构造及翼部构造细节成像清楚(图12蓝色圈内),褶皱形态更为完整,断层归位准确。井区内M3井上断点误差从40 m缩小到2 m,井震误差控制在0.3%,有效支撑了M3井区的建产方案设计。

图11

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图11   老成果与新成果速度对比

Fig.11   Velocity comparison of old and new results


图12

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图12   M3井老成果剖面与新成果剖面对比

Fig.12   Comparison of old and new results in M3 well


4 结论

基于全波形反演的建模方法能够建立更加精确的速度场,充分发挥深度偏移在复杂构造成像中的优势。通过川东北探区实际地震资料处理,提出以下结论和认识:一是背景速度场的准确建立是取得良好全波形反演效果的基础,建模过程中强化与解释及地质人员的结合,合理利用测井和断层资料,是复杂构造区域建立准确速度场的关键前提;二是采用层析与全波形反演联合速度建模方法,为全波形反演提供了准确的初始背景速度模型,并通过宽波数处理技术,解决了川东北探区地震数据低频信息缺失的问题,显著提高了全波形反演在陆地复杂探区的反演稳定性和速度模型精度;三是全波形反演技术在速度模型的精细刻画方面具有独特优势,结合逆时偏移技术,可以进一步挖掘速度场的潜力,显著改善复杂构造的成像效果。

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山前带复杂构造区蕴藏了丰富的油气资源。地震资料信噪比低和速度建模困难是目前山前带地震数据精确成像面临的主要问题。以龙门山山前带海棠铺地区地震数据为例, 开展了叠前深度域地震成像处理方法攻关研究, 重点在叠前噪声压制和叠前深度偏移速度建模等两方面开展了研究, 具体如下。①加强低频弱信号保护, 采用二次信噪分离技术, 对噪声记录中有效信号进行二次信噪分离, 最大限度保护低频弱信号不受损伤。②优化叠前深度偏移速度建模流程: 首先优化传统深度域速度场更新输入道集与偏移输入道集共用一个道集的方式, 对驱动速度场更新的输入道集进行五维数据规则化处理以提高其信噪比; 然后以地质导向为基础, 精细刻画强反射速度缺失界面, 联合层析反演并融合深度域近地表速度模型, 建立具有地质模型约束的深度域速度场; 得到了精确的速度模型后, 再修改偏移成像输入道集及偏移方法, 将五维数据规则化前的地震道集作为输入道集, 将全方位角度域叠前深度偏移作为最终偏移成像方法。将该方法应用于川西北海棠铺地区的地震数据处理, 结果表明所提方法大幅提高了研究区的地震成像精度, 最终得到的叠前深度偏移成像结果信噪比高, 偏移归位合理, 为进一步推动该区的深入勘探开发, 提供了可供借鉴的深度域地震成像处理经验。

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Chen L Z, Zhao X L, Xing W L, et al.

Application of FWI velocity modeling technology in Weixi exploration area

[J]. Offshore Oil, 2024, 44(4):15-18,24.

[本文引用: 1]

时新宇, 杨华臣, 张建中.

海洋拖缆与海底节点资料联合全波形反演

[J]. 石油地球物理勘探, 2024, 59(5):1058-1068.

Shi X Y, Yang H C, Zhang J Z.

Joint full waveform inversion of marine streamer and ocean bottom node data

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2024, 59(5):1058-1068.

陈子龙, 王海燕, 郭华, 等.

地震全波形反演研究进展与应用现状综述

[J]. 物探与化探, 2023, 47(3):628-637.

[本文引用: 1]

Chen Z L, Wang H Y, Guo H, et al.

Review on research progress and application status of seismic full waveform inversion

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(3):628-637.

[本文引用: 1]

杨顶辉, 董兴朋, 黄建东, 等.

高分辨率全波形地震成像研究——进展、挑战与展望

[J]. 中国科学:地球科学, 2025, 55(2):319-347.

[本文引用: 1]

Yang D H, Dong X P, Huang J D, et al.

High-resolution full-waveform seismic imaging:Progress,challenges,and prospects

[J]. Science China Earth Sciences, 2025, 55(2):319-347.

[本文引用: 1]

刘玉柱, 黄鑫泉, 万先武, 等.

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

[J]. 地球物理学报, 2019, 62(5):1809-1823.

DOI:10.6038/cjg2019M0176     

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合，使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例，在各参数辐射模式分析的基础上，基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取，进一步构建高斯牛顿方向，实现Hessian矩阵的有效利用，以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应，在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时，该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵，且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算，因此内存占用小，计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性，为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.

Liu Y Z, Huang X Q, Wan X W, et al.

Multi-parameter full waveform inversion of elastic waves in anisotropic media

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2019, 62(5):1809-1823.

胡光辉, 王立歆, 王杰, 等.

基于早至波的特征波波形反演建模方法

[J]. 石油物探, 2015, 54(1):71-76.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.010      [本文引用: 1]

近地表速度建模问题是地球物理建模的重点及难点问题。传统基于射线类的反演方法受到高频假设的限制,存在理论上的建模“盲区”,而全波形反演方法的应用又受到资料品质等诸多因素的限制。介绍了一种基于全波形反演思想的特征波波形反演方法,引入早至波的概念联合初至走时层析反演,利用早至波这一特征波的运动学和动力学信息,实现对近地表及中浅层的高精度建模。模型验证结果表明,该方法即使在初始模型精度较低的情况下仍然可以达到较好的建模效果。

Hu G H, Wang L X, Wang J, et al.

Characteristic wave waveform inversion modeling method based on early arrivals

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2015, 54(1):71-76.

[本文引用: 1]

Fichtner A.

Multiscale full waveform inversion

[J]. Geophysical Journal International, 2013, 194(1):534-556.

[本文引用: 1]

国运东, 孟凡冰, 秦广胜, 等.

基于动态平面波的三维多尺度全波形反演方法

[J]. 石油物探, 2022, 61(4):616-624.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.04.0053      [本文引用: 1]

全波形反演(FWI)是一种较为精确的速度建模方法,但是在缺少低频和背景速度场不准确的情况下,容易引起周波跳跃现象。为了快速构建三维背景速度模型,提出了一种新的平面波编码策略,即构建新的平面波形态——锥面波,通过控制射线参数,实现多尺度锥面波编码全波形反演方法(CFWI),达到反演背景速度模型的目的。通过动态锥面波编码策略,仅用少量的平面波,就可以实现背景速度场的建立,大大降低了反演的计算量。将动态锥面波反演方法应用于三维洼陷和逆冲速度模型测试,结合多震源的FWI(MFWI),对于较差的初始模型和不含低频地震数据,能够准确地反演出速度模型。

Guo Y D, Meng F B, Qin G S, et al.

Three-dimensional multi-scale full waveform inversion method based on dynamic plane wave

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2022, 61(4):616-624.

[本文引用: 1]

Fichtner A.

Multiscale full waveform inversion

[J]. Geophysical Journal International, 2013, 194(1):534-556.

[本文引用: 1]

Sirgue L, Pratt R G.

Efficient waveform inversion and imaging:A strategy for selecting temporal frequencies

[J]. Geophysics, 2004, 69(24):231-248.

[本文引用: 1]

黄建平, 杨秀金, 张鑫, 等.

面向深部地热岩体的弹性波逆时偏移成像方法

[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2024, 48(1):55-62.

[本文引用: 2]

Huang J P, Yang X J, Zhang X, et al.

Elastic reverse time migration imaging method for deep geothermal rock mass

[J]. Journal of China University of Petroleum:Edition of Natural Science, 2024, 48(1):55-62.

[本文引用: 2]

谷丙洛, 韩建光, 陈军, 等.

碳酸盐岩油气储层高精度成像方法研究

[J]. 地质学报, 2020, 94(8):2534-2544.

[本文引用: 2]

Gu B L, Han J G, Chen J, et al.

Research on high-precision imaging methods for carbonate oil and gas reservoirs

[J]. Acta Geologica Sinica, 2020, 94(8):2534-2544.

[本文引用: 2]

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