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海洋可控源电磁与地震资料构造联合反演方法研究

李刚  
【摘要】:联合反演方法从不同的地球物理资料出发研究同一地质现象,降低了单一地球物理资料反演方法局限性和反演问题多解性的影响,并使反演结果更真实可靠。地震勘探方法分辨率高,能精细刻画地层和地下构造特征,却难以识别流体界面,如油和水的分界面。海洋可控源电磁法(CSEM)纵向分辨率相对较低,但是该方法对油气藏电性差异敏感,可有效识别高阻油气藏。结合这两种地球物理方法的优势,实现海洋电磁和地震资料联合反演,可进一步提高油气藏的识别能力。在前人研究基础上,本文从海洋CSEM数值模拟方法和地震声波方程正演及波形反演方法着手,并以此为基础对海洋CSEM与地震联合反演技术进行研究,主要研究内容和成果如下:(1)层状各向同性介质电磁场解析表达式的推导基于Schelkunoff位函数理论,推导了电偶源激励下层状各向同性介质电磁场在波数域和空间域的拟解析表达式;根据电磁场叠加原理,采用高斯积分法求解有限长度源下电磁场;使用方位角和倾角将任意方向有限长度源分解为三个坐标轴方向等效源并求出其对应的电磁场,根据电磁场叠加原理,可求得任意方向有限长度源激励下的电磁场。(2)海洋CSEM一维反演在电偶源激励下层状各向同性介质中电磁场拟解析表达式基础上,推导了电磁场对地层电阻率的偏导数,并实现海洋CSEM一维高斯-牛顿反演和BFGS(Broyden, Fletcher, Goldfarb, and Shanno)反演。进一步推导了电磁场对发射源导航参数(方位角,倾角,水平位置)的偏导数;对雅可比矩阵进行SVD分解,通过特征参数分析(Eigenparameter Analysis)方法发现,发射源导航参数与地下电阻率参数在反演过程中是可以解耦的;在此基础上,实现了海洋CSEM发射源导航参数和地下电阻率同步联合反演。(3)交错网格有限差分海洋CSEM二维和三维正演基于交错网格有限差分理论,对双旋度电场方程进行离散并采用delta函数对源进行离散,使用总场方法实现海洋CSEM三维正演;在三维正演基础上,对走向方向做傅立叶变换,得到二维情况下双旋度电场方程的有限差分离散形式,使用总场方法实现海洋CSEM二维正演。(4)声波方程一维和二维有限差分正演和全波形反演采用PML (Perfectly Matched Layer)边界条件,实现声波方程一维和二维有限差分正演,在正演基础上,实现地震一维和二维全波形反演。反演方法采用修正的高斯-牛顿法,对海森矩阵做对角化处理,在保持高斯-牛顿法快速收敛的同时,克服其在极值点附近不稳定现象,使得模型扰动量变化趋于稳定:采用频率加权处理,压制占主导地位的高频信息,以避免反演陷入局部极小。(5)海洋CSEM与地震资料联合反演使用构造耦合泛函实现了海洋CSEM与地震资料一维和二维联合反演,其中海洋CSEM与地震一维联合反演使用JTV (Joint Total Variation)耦合泛函,而二维联合反演使用JTV耦合函数和交叉梯度(Cross-gradient)耦合泛函。海洋CSEM反演采用高斯-牛顿法,反演收敛快,成像精度高;地震反演为基于声波方程的全波形反演,反演方法为修正的高斯-牛顿方法,反演稳定并保持较快收敛速度。理论模型测试结果表明,电磁和地震资料联合反演可极大提高电磁方法成像能力,有效圈出油气藏边界;同时,根据油气藏电性差异,区分其物性特征。


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