王華忠,盛 燊

(波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI),同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院,上海200092)

油氣地震勘探的根本目標(biāo)是由地表觀測和人工激發(fā)的地震波場推演或估計地下巖石介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)及彈性參數(shù)信息,并基于這些信息進行油氣藏描述與評價。這個根本目標(biāo)從油氣地震勘探起始至今從未改變,相信今后也不會改變。

當(dāng)前,在“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)、全波形反演(FWI)和最小二乘逆時深度偏移(LS_RTM)成像技術(shù)、高性能計算機技術(shù)快速進步的促進下,油氣地震勘探逐漸進入了精確的反演成像階段。大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)與人工智能領(lǐng)域的技術(shù)進步,更進一步提高了業(yè)界對高精度地震波成像和油藏描述的預(yù)期。

但是,精確地震成像的代表性技術(shù),即全波形反演技術(shù)和最小二乘逆時深度偏移成像技術(shù)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展依然很難實用化,根源在于待反演彈性參數(shù)與實測波場之間的關(guān)系不是線性的。很多學(xué)者試圖解決如何求解強非線性問題[1-8]。另外,勘探地震數(shù)據(jù)采集非常特別,僅在地表進行激發(fā)和觀測,而近地表介質(zhì)環(huán)境異常復(fù)雜,激發(fā)與接收環(huán)境變化劇烈,使得接收的地震子波空變嚴重,與地表相關(guān)的噪聲極強,數(shù)據(jù)信噪比很低,而且空間采樣不規(guī)則;空間采樣孔徑和地震子波的頻帶有限;地震波場包含各種復(fù)雜的矢量波場等。地下巖石介質(zhì)的彈性參數(shù)變化更復(fù)雜,不同探區(qū)、甚至同一探區(qū)不同區(qū)域之間彈性參數(shù)都不一致。這就使得待反演參數(shù)與實測波場之間的關(guān)系異常復(fù)雜,即便用雙相介質(zhì)波動方程也難以反映這種復(fù)雜關(guān)系。事實上,對于模型驅(qū)動的參數(shù)估計問題,選擇復(fù)雜的正問題試圖解釋或描述數(shù)據(jù)中更多的波現(xiàn)象,必然會引入更多的待反演參數(shù),從而顯著增加參數(shù)空間的規(guī)模,反問題的多解性和難以收斂性會更加嚴重。

從地震勘探學(xué)的技術(shù)發(fā)展歷史可以看出,業(yè)界正在使用的地震波成像技術(shù)有其獨到的特征。這種獨特性首先來自于地震勘探面對的特殊地下介質(zhì)情況,即以沉積形成的層狀介質(zhì)為主,中間夾雜著構(gòu)造運動和火山活動等地質(zhì)原因引起的介質(zhì)局部異常變化。地表激發(fā)的地震波,在這樣的介質(zhì)中傳播且在地表接收,具有以反射波為主的特征。地震勘探學(xué)獨創(chuàng)的多次覆蓋觀測方式進一步催生了經(jīng)典的地震數(shù)據(jù)成像處理流程及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),其中關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)包括:初至波或折射波射線層析;靜校正、動校正及均方根速度估計;疊前時間偏移;基于共成像點道集(common image gather,CIG)剩余時差的反射波射線層析和疊前深度偏移。常規(guī)的地震波成像技術(shù)體系本質(zhì)上是奠基在水平層狀介質(zhì)和橫向緩變介質(zhì)中波傳播理論基礎(chǔ)上的,各種波現(xiàn)象的時距關(guān)系、高頻近似下的射線理論和Zoeppritz方程共同建起了走向地震波成像的橋梁。正是這樣的處理流程和關(guān)鍵技術(shù)支撐了石油工業(yè)發(fā)展到今天,至今還在發(fā)揮主體作用。

復(fù)雜介質(zhì)情形下的地震波成像問題,本質(zhì)上就是基于實測波場的參數(shù)估計問題。探區(qū)地下介質(zhì)被視為一個系統(tǒng),在地表激發(fā)人工震源激勵地下介質(zhì)系統(tǒng),產(chǎn)生系統(tǒng)輸出,僅在地表用檢波器檢測系統(tǒng)輸出。這代表了對地震勘探系統(tǒng)的物理抽象。波動方程建立起了從對系統(tǒng)激勵到系統(tǒng)響應(yīng)的數(shù)學(xué)物理關(guān)系的抽象描述?；诓▌臃匠探⒌臄?shù)學(xué)物理關(guān)系,勘探介質(zhì)系統(tǒng)的彈性參數(shù)估計問題(或地震波反演成像問題)可以被視為貝葉斯(Bayes)參數(shù)估計理論在勘探地震中的一個應(yīng)用實例。貝葉斯參數(shù)估計理論是一個很完美的理論框架,可以處理任意復(fù)雜介質(zhì)情況下的參數(shù)估計問題。但是,只有在對應(yīng)的反問題是凸問題時,參數(shù)估計反問題的求解才是收斂和穩(wěn)定的,解的意義才是明確的。遺憾的是,實際地震觀測得到的復(fù)雜波場和待反演參數(shù)之間的關(guān)系是強非線性的,對應(yīng)的參數(shù)估計反問題也不再是凸的,可能有非常多的極值點,而對于強非線性反問題目前并沒有有效的數(shù)學(xué)工具來求解。這是當(dāng)前全波形反演技術(shù)(也包括迭代最小二乘逆時深度偏移成像技術(shù))難以在地震勘探中實用化的根本原因。

從地震勘探的物理實質(zhì)出發(fā),提出若干凸問題的組合來逼近強非線性反問題的解是正確的邏輯路線。實際上,這也是經(jīng)典的地震數(shù)據(jù)成像處理流程隱含的思想邏輯。在當(dāng)前油氣勘探對地震波成像精度要求越來越高的情況下,如何將貝葉斯估計理論下的全波形反演技術(shù)實用化,既有很高的理論意義,也能有效提升地震波成像精度,進而改善油藏描述精度。

基于上述認識,我們提出了特征波反演成像(characteristic wave inversion,CWI)的基本思想[9],即不追求對實測波場中全部波現(xiàn)象的模擬,而是模擬其中的部分特征波場。特征波場的定義為:時空局部的、單震相的和帶方向的帶限波場。還可以進一步地將特征波場退化為波形包絡(luò),甚至到達時。特征波場與待反演參數(shù)之間有近似線性關(guān)系,基于這種關(guān)系可以定義一個較凸的反問題。特征波反演成像的本質(zhì)是基于特征波場且滿足同因之果差異度量要求定義一組更凸的泛函,將強非線性的全波形反演問題轉(zhuǎn)化為一組更凸的反問題。更進一步地,基于空間信息融合理論,發(fā)展新的寬帶波阻抗建模方法。

總之,利用“兩寬一高”地震觀測數(shù)據(jù),做好精確的子波處理,基于現(xiàn)代信號分析最新方法理論開展保頻帶和保振幅的噪聲壓制,基于特征波反演成像技術(shù)流程和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)高精度速度建模和寬帶反射系數(shù)成像,基于空間信息融合方法發(fā)展出寬帶波阻抗成像方法和技術(shù),實現(xiàn)油藏精細描述,是在更高層次上走向精確地震勘探的道路。

1 上一代高精度地震勘探道路

李慶忠[10]在《走向精確勘探的道路-高分辨率地震勘探系統(tǒng)工程剖析》一書中明確指出:“根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展動向,從技術(shù)上來說,我認為今后地震勘探將立足于三維地震及高分辨率勘探兩大支柱上”。他強調(diào),高分辨率問題的研究主要集中于地震子波的優(yōu)勢頻帶寬度和相對波阻抗的頻帶寬度上,它們是高分辨率地震勘探的核心問題,高分辨率勘探是一個系統(tǒng)工程。

20世紀90年代以前,地震數(shù)據(jù)采集以二維觀測系統(tǒng)為主。原則上,這樣的觀測系統(tǒng)只能對水平層狀介質(zhì)或橫向緩變速介質(zhì)進行有效成像,并基于成像結(jié)果進行油藏描述和刻畫。而且近地表條件不能過于復(fù)雜,滿足地表一致性假設(shè)條件。

事實上,地表一致性假設(shè)成立、地下介質(zhì)橫向緩變速,與此對應(yīng)的折射波(和回轉(zhuǎn)波)時距關(guān)系、反射波及散射波時距關(guān)系、高頻近似下的波傳播射線理論、Zoeppritz方程及其各種簡化形式、一維波動方程,以及據(jù)此發(fā)展出的各種地震波成像處理技術(shù)均代表了上一代地震勘探的技術(shù)道路。

在上一代地震勘探的技術(shù)路線中,基于折射波時距關(guān)系的折射波層析、基于回轉(zhuǎn)波時距關(guān)系的初至波層析、靜校正、基于反射波時距關(guān)系的動校正及傾角時差校正(NMO/DMO)及均方根速度分析、基于散射波時距關(guān)系的Kirchhoff積分疊前時間偏移(PSTM)構(gòu)成了地震波成像的基礎(chǔ)。2000年前后逐漸普及的三維地震數(shù)據(jù)采集以及基于高頻近似下射線理論的Kirchhoff積分疊前深度偏移(PSDM)和共成像點道集射線理論反射波層析速度反演,將地震波成像精度提高了一大步?；赯oeppritz方程及其各種簡化形式的AVA分析與反演、基于1D波動方程的寬帶波阻抗反演以及基于1D褶積模型的道積分,共同促進了油藏描述技術(shù)的進步。各種屬性提取技術(shù)提升了油藏含油氣性評價結(jié)果的可靠性。總之,2000年后十幾年的時間,石油工業(yè)的繁榮正是奠基在這樣的地震波成像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上。

事實上,到目前為止,上述各種描述波場規(guī)律的數(shù)學(xué)物理方程,以及基于它們發(fā)展的地震波成像方法,依然是實際地震數(shù)據(jù)處理中常用的核心技術(shù)。

上一代高精度地震勘探技術(shù)系列中,子波處理是極為受重視的領(lǐng)域。橫向緩變速介質(zhì)情形下的油氣地震勘探中,高分辨率地震勘探主要體現(xiàn)在垂向分辨率的提升上,垂向分辨率的提升主要取決于激發(fā)與接收地震子波的分辨率。

實際中,檢波器接收到的同相軸上的地震子波的影響因素很多,這可以視為一個綜合褶積過程,一般用如下模型表示。

w(t)=S(t)*c(t)*a(t)*m(t)

(1)

式中:S(t)是震源激發(fā)后穩(wěn)定的波前面上的波形;c(t)既包含各種近地表因素,也包括震源本身和檢波器本身等的影響;a(t)是吸收衰減因素的影響;m(t)是鬼波、鳴震的影響。子波處理的核心問題是消除各種影響,僅保留S(t)。最后,還要把S(t)變成零相位子波。

最困難的是對c(t)的消除。到目前為止,地表一致性反褶積依然是消除c(t)影響的主要方法。事實上,地表一致性振幅校正和相位(時差)校正是基于反射子波的統(tǒng)計結(jié)果進行的,不是基于波傳播的物理進行的。它只是按照統(tǒng)計規(guī)律消除了道間反射子波的振幅躍變和相位(時差)躍變。一般地,自然界不偏好躍變,這些高頻變化往往被認為是非物理因素導(dǎo)致的。這種基于地表一致性假設(shè)和統(tǒng)計規(guī)律的處理方法是一種無奈的選擇,吸收衰減因素和鬼波、鳴震影響則按照物理規(guī)律消除。

本質(zhì)上,在橫向緩變速介質(zhì)假設(shè)下,估計地下介質(zhì)的(角度)反射系數(shù)才是高分辨油氣勘探最本質(zhì)的目標(biāo)。當(dāng)然,直接估計橫向緩變速介質(zhì)情形下的寬帶(絕對)波阻抗更有利于高精度油藏描述。其中:最本質(zhì)的困難包括近地表相關(guān)的影響因素、震源子波的帶限和觀測孔徑的帶限。很多情況下,與近地表相關(guān)的影響因素的消除成為高精度地震勘探的真正瓶頸。

與近地表相關(guān)的各種因素,除了對地震子波有顯著的影響外,對高分辨率地震勘探的最大障礙就是如何保真地壓制隨機噪聲和不能用于成像的與近地表相關(guān)的波現(xiàn)象。面波以及面波散射波是最主要的與近地表相關(guān)的波現(xiàn)象,多次折射波和鳴震也是很顯著的噪聲。海上油氣勘探中,深水和淺水情形下,噪聲特點存在顯著不同。主要表現(xiàn)為:①深水情形下,鬼波和其它自由地表相關(guān)多次波是主要噪聲波場;②淺水情形下,噪聲波場要復(fù)雜得多,鬼波、水體相關(guān)多次波及長程多次波是主要的噪聲波場;③極淺水情形下,會有自由表面、極淺水體及海底附近巖石介質(zhì)系統(tǒng)產(chǎn)生的復(fù)雜波現(xiàn)象。實際上,只有一次反射波可以用來成像。各種去噪方法與技術(shù),不僅要去除各種近地表相關(guān)的噪聲,還要保持低頻段和高頻段等非優(yōu)勢頻段的有效信號成分,盡可能提升全頻帶的信噪比。地震子波的分辨率取決于全頻帶的頻譜特征,尤其是全頻帶的振幅譜特征[11]。為了提高分辨率,僅提升優(yōu)勢頻段的信噪比不是理論上的最佳追求,往往是工程實踐上的無奈選擇。

從上述分析可以清楚地看出,李慶忠[10]提出的上一代高精度地震勘探的技術(shù)要點可概括為,消除共成像點道集中各角度(及各偏移距)上反射子波的所有影響因素,保持反射子波的寬頻帶,保持AVA(AVO)關(guān)系。

據(jù)此,可以總結(jié)出上一代高精度地震勘探的技術(shù)流程及關(guān)鍵技術(shù)點為:

1) 寬帶地震子波的激發(fā)與接收,尤其是重視低頻的激發(fā)。期望的反射地震子波是具有2～80Hz頻寬、5個以上倍頻程的有效頻寬;

2) 消除近地表影響的地震子波處理,包括地表一致性振幅校正、相位校正和子波整形校正等;

3) 消除近地表相關(guān)噪聲且保頻帶的去噪處理,包括鳴震(鬼波)的壓制;

4) 吸收衰減因素的消除;

5) 迭代的疊前偏移與成像道集速度分析;

6) 成像道集后處理,主要是剩余時差校正、子波零相位校正和最優(yōu)疊加。期望成像子波具有2～80Hz、5個以上倍頻程的有效頻寬;

7) 1D(寬帶)波阻抗反演或道積分。

2 新一代高精度地震波成像的理論方向

2000年后,勘探地震技術(shù)發(fā)展顯著加速。勘探地震學(xué)的核心問題逐漸得以聚焦,即將三維油氣探區(qū)視為一個彈性介質(zhì)系統(tǒng),人工震源作為激勵該系統(tǒng)的輸入,地表觀測的波場作為該系統(tǒng)的輸出(理論上講,應(yīng)該在三維油氣探區(qū)的所有邊界上布設(shè)地震波震源和接收器,才能采集到系統(tǒng)的完整激勵和輸出),該實際物理系統(tǒng)被認為可以由人為建立的數(shù)學(xué)物理方程(彈性波方程)來描述,然后在上述正過程描述的基礎(chǔ)上,基于貝葉斯估計理論對實際物理系統(tǒng)的彈性參數(shù)(主要是縱波速度、橫波速度和密度,實際上更多的是角度反射系數(shù)和縱波阻抗)進行估計。在彈性參數(shù)估計(通常稱地震波反演成像)結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石物理關(guān)系,進行巖石物性參數(shù)的估計,進而對儲層含油氣性進行評價,最后進入油氣開發(fā)階段。這是當(dāng)今油氣地震勘探的基本理論和技術(shù)邏輯。

據(jù)此,油氣地震勘探的核心問題可以描述為:將地表(包括井中)觀測的波場(疊前數(shù)據(jù))視為隨機信號,一定的數(shù)學(xué)物理方程(波動方程)可以模擬(預(yù)測或解釋)實測波場中的波現(xiàn)象(部分),預(yù)測誤差滿足一定的概率分布(高斯分布),假設(shè)有來自井中或其它來源的關(guān)于要反演參數(shù)的先驗信息,將該先驗信息也視為隨機的(實質(zhì)上這僅僅反映了先驗信息的不確定性),基于貝葉斯公式獲得要估計參數(shù)滿足的后驗概率密度函數(shù),后驗概率密度函數(shù)最大(MAP)時,對應(yīng)的參數(shù)估計結(jié)果(MAP原則下的反演解)就被認為是地震波反演問題的解。這就是全波形反演(以及線性層析成像和最小二乘逆時深度偏移成像技術(shù))的理論基礎(chǔ)。也可以說是整個地震數(shù)據(jù)分析的理論基礎(chǔ)。

地震波成像的本質(zhì)可以用如下貝葉斯公式進一步闡述。

(2)

后驗概率密度函數(shù)表達了基本的貝葉斯公式。式中:ρ(d|m)是反映反演參數(shù)與數(shù)據(jù)(或波場)之間預(yù)測關(guān)系不確定性的先驗概率函數(shù),既包括了波動方程不合理導(dǎo)致的對波場預(yù)測的不確定性,也包括了儀器對波場觀測的不確定性;ρ(m)代表了對反演參數(shù)先驗信息的不確定性;ρ(d)代表對實測波場的先驗信息。一般地,認為沒有關(guān)于實測波場的先驗信息,因此,假設(shè)ρ(d)是均勻分布的,ρM(m|d)顯然是已知觀測數(shù)據(jù)情形下,反演參數(shù)所要滿足的條件后驗概率密度函數(shù)。

(3)

但是,在極高維情況下,公式(3)中的積分是很難計算的。因此,用條件后驗概率密度函數(shù)ρM(m|d)最大對應(yīng)的參數(shù)估計結(jié)果作為要反演的結(jié)果,即:

(4)

在條件后驗概率密度函數(shù)ρM(m|d)是單峰的情況下,取這樣的結(jié)果作為反演解是很合理的選擇。

但是,條件后驗概率密度函數(shù)ρM(m|d)很難確定。為此,假設(shè)先驗概率密度函數(shù)ρ(d|m)和ρ(m)都是高斯分布,條件后驗概率密度函數(shù)ρM(m|d)也就是高斯的。因此,就有條件后驗概率密度函數(shù)ρM(m|d)的最大化等價于如下誤差泛函的最小化,即:

(5)

事實上,數(shù)學(xué)分析學(xué)家從變分原理的角度直接定義某種誤差泛函,同樣可以給出公式(5)定義的最優(yōu)化問題,進而解決系統(tǒng)參數(shù)估計問題。但是,統(tǒng)計學(xué)家給出的貝葉斯框架下的系統(tǒng)參數(shù)估計理論更深入地闡述了參數(shù)估計的本質(zhì)。

公式(5)定義的參數(shù)估計反問題,奠基在待反演參數(shù)與系統(tǒng)輸出之間存在非線性關(guān)系的基礎(chǔ)上。公式(5)可能有非常多的局部極小值,對應(yīng)非線性反問題解的嚴重不唯一性。

基本的解決方案是在某一個初始解(期望它靠近真解)附近,對待反演參數(shù)與系統(tǒng)輸出之間的非線性關(guān)系進行泰勒(Taylor)展開并在初始值mB點做局部線性化處理。

(6)

待反演參數(shù)與系統(tǒng)輸出之間的非線性關(guān)系進行局部線性化后,得到參數(shù)擾動Δm與波場擾動Δdobs之間的線性關(guān)系,則公式(5)變成:

(7)

這是經(jīng)典的線性反演問題。公式(7)是地震數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之一。地震數(shù)據(jù)分析中涉及到的很多種信號處理方法、圖像處理方法以及成像方法可以說都在解決線性反演問題。地震成像結(jié)果或反演結(jié)果的分辨率由參數(shù)估計結(jié)果的后驗方差決定。

由于上述參數(shù)反演的表述過于數(shù)學(xué)化,盡管它很本質(zhì),但地震勘探中關(guān)于高精度成像的討論并沒有按照上述理論框架進行,而是轉(zhuǎn)而討論成像子波的頻帶、倍頻程以及整個振幅譜特征,以此界定是否實現(xiàn)了高精度地震成像。但是,無論偏數(shù)學(xué)化的討論還是偏工程化的討論,都只是視角不同而已。高精度地震勘探的核心依然是在高精度地震成像的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對油氣藏的精確描述。

貝葉斯框架下的系統(tǒng)參數(shù)估計理論及基于此發(fā)展出的方法技術(shù),具有高度的包容性和廣泛的適用性。所有類似的基于物理系統(tǒng)外的觀測數(shù)據(jù)推測物理系統(tǒng)內(nèi)的物理參數(shù)專業(yè)學(xué)科都遵循同樣的貝葉斯參數(shù)估計理論。待反演參數(shù)與系統(tǒng)輸出(波場)之間的關(guān)系(即波動方程,尤其是積分形式表達的波動方程)是上述參數(shù)反演理論的基石。

全波形反演和最小二乘逆時深度偏移成像技術(shù)是貝葉斯參數(shù)估計理論在地震勘探中的應(yīng)用范例。這樣的理論方法并不假設(shè)地下介質(zhì)分布是層狀的、波場也不必以反射波為主。理論上,這樣的反演成像理論與方法適用性更強,應(yīng)該能得到更高分辨率的成像結(jié)果。但是,十幾年來,全波形反演和迭代法最小二乘逆時深度偏移成像技術(shù)在實用化過程中舉步維艱,雖然投入了大量人力、物力,但并沒有在油氣勘探工業(yè)界得到大規(guī)模實際應(yīng)用。

從地震勘探學(xué)歷史發(fā)展看,地震波成像有其獨特的觀點和做法。地震波反演成像方法與技術(shù)的獨特性來自于地震勘探面對的特殊地下介質(zhì)情況,即以沉積形成的層狀介質(zhì)為主,中間夾雜著構(gòu)造運動和火山活動等地質(zhì)原因引起的介質(zhì)局部畸變。波在這樣的介質(zhì)中傳播具有自己的特點(即以一次反射波為主要的波現(xiàn)象)。地震勘探中的地表觀測方式也深深地影響著地震波反演成像的方式與方法。因此,地震波反演成像不能完全照搬簡潔而完美的貝葉斯估計理論。地震波成像從一開始就分成背景速度估計與疊前偏移成像,就佐證了上述觀點。這不是在否認貝葉斯估計理論的普適性,而是強調(diào)具體問題(地震波反演成像)的特殊性。

最近幾年來,我們一直在總結(jié)提煉地震勘探中地震波反演成像問題的提法和解法,據(jù)此給出了地震波反演成像的總體定位:是一個信息不充分情形下的系統(tǒng)參數(shù)估計問題。并形成了解決地震波反演成像問題的總體認知,即不是硬解一個強非線性反演問題,而是提出并求解一組鄰近的且凸的線性反演問題。據(jù)此,提出了特征波反演成像理論[9],其中包括如下核心方法技術(shù):特征波提取方法技術(shù)、波動理論特征透射波層析成像、波動理論特征反射波層析成像、最小二乘(方位角度)反射系數(shù)反演成像和寬帶波阻抗成像方法。圖1是特征波反演成像流程和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的示意。圖1a為(類)CMP道集初始背景速度建模,(類)CMP道集是疊前時間偏移成像道集,尤其是經(jīng)深時轉(zhuǎn)換后的疊前深度偏移成像道集,經(jīng)反動校后形成的,經(jīng)過(類)CMP道集的速度分析可以得到較好的背景速度。圖1b為波動理論透射波到達時層析成像結(jié)果。圖1c為特征反射波波動理論到達時層析成像結(jié)果。圖1d為特征反射波波動理論波形層析成像結(jié)果。圖1e為常規(guī)的全波形反演結(jié)果。圖1f 為最小二乘逆時深度偏移成像結(jié)果。圖1g為寬帶波阻抗建模結(jié)果。

需要說明的是,寬帶波阻抗建模是我們提出的新一代高精度地震波成像的期望結(jié)果。但與老一代的精確地震勘探[10]不同,我們提出的寬帶波阻抗建模并沒有把它歸結(jié)為利用波動方程的參數(shù)估計問題,而是轉(zhuǎn)化成空間信息融合問題。利用基于透射波和反射波的高精度速度反演方法估計0～8Hz的背景速度成分;利用井中信息、偏移成像的結(jié)構(gòu)信息、巖石物理信息、乃至地質(zhì)構(gòu)造和沉積信息,建立背景密度模型,二者融合成背景波阻抗。最小二乘疊前深度偏移或逆時偏移,結(jié)合稀疏約束,得到盡可能寬帶的零角度反射系數(shù)。在空間信息融合的理論框架下,將兩部分信息融合在一起得到寬帶波阻抗建模結(jié)果。寬帶波阻抗反演這樣一個典型的貝葉斯參數(shù)估計問題,具有很強的非線性性(比單純的速度反演非線性性更強),就被轉(zhuǎn)化成了穩(wěn)定的空間信息融合建模問題。

圖2是寬帶波阻抗建模示意,忽略了背景密度的建模過程。圖2a是圖1中各種方法速度建模的抽道顯示結(jié)果,顯示模型中間一道的速度變化情況。其中曲線的顏色與圖1中各圖邊框顏色一致。從圖1a至圖1e可以看出,各種速度反演方法的精度逐步提升。圖2b是圖1f所示的最小二乘逆時深度偏移成像結(jié)果的最中間一道的寬帶反射系數(shù)。圖2c展示了逐漸精細的背景阻抗與寬帶反射系數(shù)融合后產(chǎn)生的寬帶波阻抗的波數(shù)譜。最后的寬帶波阻抗的波數(shù)譜用紅線表示[11]。很顯然,CLAERBOUT[12]提出的中波數(shù)缺失被補齊。

圖1 特征波反演成像流程和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的示意a (類)CMP道集初始背景速度建模; b 透射波波動理論到達時層析成像; c 特征反射波波動理論到達時層析反演; d 特征反射波波動理論波形層析反演; e 全波形反演; f 最小二乘逆時偏移(疊前深度偏移)成像; g 寬帶波阻抗成像

圖2c中的中波數(shù)部分能否補齊,很大程度上取決于野外地震數(shù)據(jù)采集情況?！皟蓪捯桓摺钡牡卣饠?shù)據(jù)采集是新一代高精度地震勘探能否實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

圖2 寬帶波阻抗建模示意a 逐漸精細的速度建模(抽道展示); b 寬帶反射系數(shù)成像結(jié)果; c 逐漸精細的背景阻抗與寬帶反射系數(shù)融合產(chǎn)生的寬帶波阻抗的波數(shù)譜

綜上所述,可以總結(jié)出新一代高精度地震勘探的技術(shù)要點為:基于“兩寬一高”地震數(shù)據(jù),按照特征波成像技術(shù)流程和技術(shù)要點,實現(xiàn)寬帶波阻抗建模。

新一代高精度地震勘探的技術(shù)流程及關(guān)鍵技術(shù)點主要有:① “兩寬一高”地震數(shù)據(jù)觀測。反射地震子波具有2～80Hz頻寬、5個以上倍頻程的有效頻寬。②消除近地表影響的地震子波處理。③消除近地表相關(guān)噪聲且保頻帶的去噪處理。④基于透射波和特征反射波的波動理論各向異性速度(Q值)反演與建模。⑤帶吸收衰減補償?shù)膶拵Х瓷湎禂?shù)反演成像。⑥成像道集后處理,主要是剩余時差校正、子波零相位校正和最優(yōu)疊加。成像子波具有2～80Hz、5個以上倍頻程的有效頻寬。⑦基于空間信息融合的寬帶波阻抗建模。

3 精確地震波成像對“兩寬一高”數(shù)據(jù)采集的需求

當(dāng)前,地震勘探的目標(biāo)地質(zhì)體越來越小、復(fù)雜、隱蔽且埋深越來越大,對地震波采集與處理都提出了更高的要求。不僅要求地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像結(jié)果精確,更希望有效提高儲層描述與刻畫的精度?！皟蓪捯桓摺钡卣饠?shù)據(jù)采集是達到上述目標(biāo)的基本要求。

下面的理論分析展示了“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集對于高精度地震波成像必要性的本質(zhì)。

考慮平面波入射到一個異常體或散射體上,同時在遠離該異常體或散射體上的接收點接收散射波場,如圖3所示。當(dāng)背景介質(zhì)為常速時,可以假設(shè)虛擬平面波沿直線穿過目標(biāo)體,產(chǎn)生觀測平面波(投影)。目標(biāo)體的像(或其波數(shù)譜)和散射場的關(guān)系可以被推導(dǎo)出來,其類似于傅里葉(Fourier)投影定理。

圖3 平面波入射到散射體上產(chǎn)生散射波的示意

(8)

式中:x表示空間位置;ω表示頻率。將目標(biāo)函數(shù)m(x)定義成如下形式的速度擾動,則:

(9)

式中:v0為背景速度,將公式(9)代入公式(8)得到:

(10)

式中:k=ω/v(x);k0=ω/v0。

(11)

并將公式(11)代入公式(10)得到:

(12)

(13)

對公式(13)引入玻恩(Born)近似得到

(14)

公式(13)中的背景速度可以任意選,但近似式(14)只有在速度擾動m(x)較小時才比較準(zhǔn)確。格林函數(shù)G(xS,x;ω)只有在背景速度分布很簡單時(譬如常速或?qū)訝罱橘|(zhì)時),可以解析地寫出。一般地,我們用數(shù)值近似或漸近近似(例如幾何近似)來描述格林函數(shù)。

常背景速度情況下,入射平面波可以表示成:

(15)

式中:k是入射波傳播方向的波矢量。同樣地,常背景速度情況下,三維自由空間格林函數(shù)為:

(16)

將公式(15)和(16)代入公式(14)得到:

(17)

式中:T(xS,x)代表源點到像點的旅行時;T(xR,x)代表像點到檢波點的旅行時。從源點到像點再到檢波點的旅行時為:

T(xS,x,xR)=T(xS,x)+T(x,xR)

(18)

總的旅行時有如下的Taylor展開形式:

eiω[T(xS,x)+T(x,xR)]

≈eiω[T(xS,x0)+T(x0,xR)]eiω(x-x0)[pS(xS,x0)+pR(x0,xR)]

(19)

將公式(19)代入公式(17)得到:

(20)

針對公式(20),記:

(21)

至此,理論上證明了精確的地震波反演成像必須要有寬帶和寬方位的地震觀測數(shù)據(jù)。至于高密度采集,在上述理論分析中體現(xiàn)不出來。高密度采集對高精度成像的貢獻主要體現(xiàn)在無假頻地壓制各種噪聲和無假頻的波動方程反演成像兩個方面。噪聲對地震波反演成像的影響與對地震波偏移成像的影響是非常不同的,不滿足高斯分布的強噪聲的存在完全可以使得反演算法不收斂。噪聲壓制在全波形反演和最小二乘逆時深度偏移成像為代表的成像技術(shù)階段具有更特別的意義和重要性。

真正實現(xiàn)“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集是十分困難的。陸上,尤其是山前帶(或山地)地震勘探更是如此。最核心的是當(dāng)前的采集裝備水平很難適應(yīng)復(fù)雜的地表條件。節(jié)點(單點)地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以確定地認為是陸上地震勘探中“兩寬一高”數(shù)據(jù)采集的必要技術(shù)。智能無線節(jié)點檢波器技術(shù)的逐漸成熟會大幅提升“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的可實現(xiàn)性。但是,經(jīng)濟高效的寬頻震源技術(shù)的發(fā)展始終比較緩慢。

陸上地震勘探中,高精度成像的最大障礙在于復(fù)雜近地表條件變化引起的強噪聲和地震子波的空間時間變化劇烈。近地表相關(guān)的噪聲主要由震源以及震源附近巖性變化和地表高程變化而引起。檢波器端對噪聲的貢獻相對較小。復(fù)雜近地表條件下的噪聲在炮集上往往表現(xiàn)為強振幅、低頻、短連續(xù)和低視速度的特點,假頻現(xiàn)象非常明顯。如此特征的噪聲目前缺乏有效的壓制技術(shù),對后續(xù)的地震波成像,無論偏移成像或是反演成像都會造成嚴重干擾。針對這樣的復(fù)雜波現(xiàn)象(或稱為噪聲),首先,要盡可能無假頻地記錄下來,然后,構(gòu)造合適的去噪方案盡可能地壓制。復(fù)雜地表條件下,有效地采集噪聲在“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集中至關(guān)重要。如何弱化不同炮檢對間地震子波的不一致也是陸上地震數(shù)據(jù)采集時要仔細考慮的問題。

事實上,“兩寬一高”地震勘探技術(shù)是一項綜合性的技術(shù),是今后油氣地震勘探領(lǐng)域居于中心地位的技術(shù)系列。它不僅是指“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù),挖掘出海量觀測數(shù)據(jù)中包含的與儲層有關(guān)的信息,對油氣儲層更精確地描述,并拓展到儲層開發(fā)階段,提高整個勘探過程的經(jīng)濟效益,才是“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的真正目標(biāo)。

4 新一代精確地震勘探的分辨率

李慶忠[10]判斷“三維地震和高分辨率勘探”是當(dāng)時的技術(shù)支柱是非常有遠見的。不過,“兩寬一高”與“全波形反演及最小二乘逆時偏移成像技術(shù)”時代,高分辨率的概念需要進一步拓展。

本質(zhì)上,地震波反演成像結(jié)果的分辨率是其描述地下介質(zhì)能力的體現(xiàn)。地震數(shù)據(jù)分析的核心理論與方法基礎(chǔ)是線性反演。無偏與方差最小的參數(shù)估計結(jié)果是最好的理論結(jié)果。公式(7)的反演結(jié)果可以表達為:

(22)

一般地,方差被解釋為海森(Hessian)矩陣的逆。也就是說,海森矩陣決定了反演成像的分辨率。

對于玻恩近似意義下的最小二乘逆時深度偏移成像而言,海森矩陣的每一行對應(yīng)地下任一成像點的點擴散函數(shù)(point spreading function,PSF)。該函數(shù)表現(xiàn)為帶通濾波性質(zhì)。正是點擴散函數(shù)算子褶積在真像上產(chǎn)生了模糊的像(常規(guī)偏移成像結(jié)果)。因此,點擴散函數(shù)反褶積形成了提高成像分辨率的基本理論基礎(chǔ)。

上述地震波反演成像分辨率的理論概念討論很難在勘探地震實踐中得到廣泛應(yīng)用。為此,在地震勘探中提出激發(fā)地震子波、觀測地震子波和成像子波的概念,便于指導(dǎo)高分辨率勘探的實踐。水平或緩橫向變化介質(zhì)情形下,用激發(fā)地震子波和觀測地震子波的概念就可以討論它們對薄層的分辨能力。復(fù)雜介質(zhì)情形下,依據(jù)偏移成像后的成像子波分辨率定義垂向分辨率,各種子波的完整譜特征決定了它們的分辨率和對地層的分辨能力[11],而不是優(yōu)勢頻帶或主頻。尤其是子波中低頻成分的存在,對油氣勘探中巖性地層的分辨有著舉足輕重的地位。因此,總體而言,2～80Hz(5個以上倍頻程)的成像子波可以被作為實際情況下高分辨率地震勘探的追求。

以“兩寬一高”和波動理論反演成像為代表的地震勘探時代,地震波成像的目標(biāo)應(yīng)從高分辨率的角度成像道集延伸到寬帶波阻抗成像。寬帶波阻抗才是進行高精度油藏描述更合適的成像結(jié)果。

圖4對比了缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)?？梢钥闯?帶限反射系數(shù)在缺低頻的情形下,分辨率降低不明顯,可以很好地描述反射層的反射系數(shù)變化。但缺低頻情形下的帶限波阻抗分辨率降低十分明顯,與真實的波阻抗之間差異十分顯著。說明在上一代的精確地震勘探中,帶限地震子波的研究備受關(guān)注。從激發(fā)階段就提出用小井深、小藥量、高頻檢波器保證觀測到包含高頻的反射子波;成像處理階段,各種反褶積方法進一步提升處理后子波的高頻,各種高精度的靜校正和動校正方法保證不傷害高頻成分。這些做法符合時代的工程實際。

圖4 缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)的對比a 全頻帶階躍函數(shù); b 全頻帶脈沖函數(shù); c 5～80Hz階躍函數(shù); d 5～80Hz脈沖函數(shù); e 8～80Hz階躍函數(shù); f 8～80Hz脈沖函數(shù)

以“兩寬一高”和波動理論反演成像為代表的地震勘探時代從數(shù)據(jù)采集到子波處理、反演成像有新的邏輯。貝葉斯框架下的參數(shù)反演已經(jīng)對高精度地震波成像的本質(zhì)理論闡述得十分清楚。由于它難以直接指導(dǎo)高精度勘探的工程實踐,轉(zhuǎn)而將2～80Hz(5個以上倍頻程)的成像子波作為實際情況下高分辨率地震勘探的追求,更進一步地,將0～45Hz的(絕對)寬帶波阻抗成像作為新一代高分辨率地震勘探的目標(biāo)。

圖5至圖9對比了不缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)?？梢悦黠@地看出,在不缺失低頻的情況下,(絕對)寬帶波阻抗對地層巖性參數(shù)變化有可靠的直接指示作用。而帶限反射系數(shù)依然和缺低頻時的帶限反射系數(shù)差異不大。因此,將(絕對)寬帶波阻抗成像作為目標(biāo)可以大幅提升油藏描述的精度。

圖5 不缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)的對比(Ⅰ)a 全頻帶階躍函數(shù)(類比波阻抗); b 全頻帶反射系數(shù)

圖6 不缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)的對比(Ⅱ)a 0～15Hz階躍函數(shù); b 0～15Hz脈沖函數(shù)

圖10至圖13展示了(絕對)寬帶波阻抗在描述巖性變化中的優(yōu)勢?？梢钥闯?0～45Hz的(絕對)寬帶波阻抗已經(jīng)可以很好地反映地下介質(zhì)的空間變化規(guī)律。將0～45Hz的(絕對)寬帶波阻抗成像作為當(dāng)前及今后精確地震勘探的道路是合理的選擇。

圖7 不缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)的對比(Ⅲ)a 0～25Hz階躍函數(shù); b 0～25Hz脈沖函數(shù)

圖8 不缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)的對比(Ⅳ)a 0～35Hz階躍函數(shù); b 0～35Hz脈沖函數(shù)

圖9 不缺低頻情形下的歸一化帶限波阻抗與帶限反射系數(shù)的對比(Ⅴ)a 0～45Hz階躍函數(shù); b 0～45Hz脈沖函數(shù)

圖10 (絕對)寬帶波阻抗在描述巖性變化中的優(yōu)勢(Ⅰ)a 0～3Hz波阻抗; b 全波帶、0～3Hz波阻抗和二者的差; c 0～8Hz波阻抗; d 全波帶、0～8Hz波阻抗和二者的差

圖11 (絕對)寬帶波阻抗在描述巖性變化中的優(yōu)勢(Ⅱ)a 0～15Hz波阻抗; b 全波帶、0～15Hz波阻抗和二者的差; c 0～25Hz波阻抗; d 全波帶、0～25Hz波阻抗和二者的差

圖12 (絕對)寬帶波阻抗在描述巖性變化中的優(yōu)勢(Ⅲ)a 0～35Hz波阻抗; b 全波帶、0～35Hz波阻抗和二者的差; c 0～45Hz波阻抗; d 全波帶、0～45Hz波阻抗和二者的差

圖13 (絕對)寬帶波阻抗在描述巖性變化中的優(yōu)勢(Ⅳ)a 0～55Hz波阻抗; b 全波帶、0～55Hz波阻抗和二者的差; c 0～65Hz波阻抗; d 全波帶、0～65Hz波阻抗和二者的差

5 新一代精確地震勘探中地震波成像處理關(guān)鍵技術(shù)

與其它廣義遙感方法不同,地震勘探的特殊性體現(xiàn)在以下3個重要方面:①人工震源在復(fù)雜的近地表介質(zhì)環(huán)境中激發(fā);②地震波在地質(zhì)歷史中形成的復(fù)雜介質(zhì)中傳播;③檢波器在復(fù)雜地表環(huán)境下以空間非規(guī)則的布設(shè)方式進行地震波場采集。脈沖源激發(fā)到形成穩(wěn)定的震源子波,構(gòu)成波前面之間經(jīng)歷了復(fù)雜的物理過程,地震波在近地表介質(zhì)中傳播形成了不能用于地下介質(zhì)成像的強干擾波場,對弱能量的低頻端和高頻端有效反射信號形成壓制性干擾,嚴重制約成像分辨率的提升。用于成像的地震波方程不能描述脈沖源激發(fā)到形成穩(wěn)定的震源子波,構(gòu)成波前面之前的復(fù)雜的物理過程,也不能描述檢波器本身對地震波場的濾波作用以及檢波器與介質(zhì)相互作用的物理過程。以幾何地震學(xué)為核心的上一代地震勘探主要利用地震波到達時信息,盡管也很重視源端和檢端存在的問題,但還沒有上升到理論認識的高度。

新一代精確地震勘探中地震波成像處理奠基在波動方程和貝葉斯參數(shù)估計理論基礎(chǔ)上,從地震波激發(fā)、傳播到接收全過程的物理實質(zhì)要有新的認識,才能發(fā)展出有效的成像處理方法技術(shù)。

基本的成像處理方法分為4個部分考慮是合理的:①激發(fā)和接收端的各種因素,即震源本身及震源和介質(zhì)的相互作用、檢波器本身(包括檢波器組合效應(yīng))及檢波器和介質(zhì)的相互作用,不是波動方程可以描述的。這些因素引起炮與炮及道與道之間的反射子波在振幅、相位和頻帶上的變化。這部分因素的壓制或消除的基本思想是地表一致性假設(shè)下的、基于統(tǒng)計的均衡方法,是非物理的、數(shù)據(jù)驅(qū)動的解決方案。一般地,被稱為子波處理。目的是消除炮與炮及道與道之間的反射子波在振幅、相位和頻帶上的不一致。②與近地表相關(guān)的波現(xiàn)象(噪聲)的消除以及對環(huán)境噪聲的壓制。近地表相關(guān)的噪聲波場主要是面波及面波散射波,折射波及多次折射波,導(dǎo)波和回轉(zhuǎn)波也都是不能用于中深層目標(biāo)成像的噪聲波場。目前,面波、折射波和回轉(zhuǎn)波對近地表速度建模的貢獻得到充分重視。噪聲壓制的本質(zhì)思想是對信號進行最佳的建模預(yù)測以達到去噪目的,即希爾伯特(Hilbert)空間中的基函數(shù)(字典)的線性組合形成信號模型,在貝葉斯估計理論下實現(xiàn)最佳信號模型的建立,然后進行數(shù)據(jù)中所含信號的最佳預(yù)測,進而壓制噪聲。高維、多域、稀疏表達和基函數(shù)字典是當(dāng)今解決去噪問題的關(guān)鍵點。③高維地震數(shù)據(jù)規(guī)則化。寬方位地震數(shù)據(jù)的偏移距和方位角分布更不均勻,尤其是近偏移距時更是如此。高維地震數(shù)據(jù)規(guī)則化在保真成像中有重要意義,而僅僅重視構(gòu)造成像時凸顯不出真正的價值。④(各向異性)速度與Q值建模與各向異性和吸收衰減介質(zhì)中的疊前深度偏移成像。折射波與回轉(zhuǎn)波在大偏移距和寬方位情形下存在明顯的波現(xiàn)象,主要體現(xiàn)為初至波與早至波。利用這兩種波現(xiàn)象進行(波動理論)層析成像獲取近地表速度是非常重要的環(huán)節(jié),能有效地提高(各向異性)速度建模和成像的精度。全方位角度道集反射波層析成像會是當(dāng)前及今后很長一段時間內(nèi)寬方位地震數(shù)據(jù)(各向異性)速度建模的核心工具。能產(chǎn)生方位角度道集的、至少針對TTI介質(zhì)的、基于OVT數(shù)據(jù)或共角度(或射線參數(shù))數(shù)據(jù)Kirchhoff積分疊前深度偏移是寬方位高密度數(shù)據(jù)成像的首選成像方法。主要原因還是其很高的計算效率。⑤成像道集的后處理。疊前成像的本質(zhì)是共成像點處不同炮檢對反射子波的同相疊加,這是高精度成像本質(zhì)基礎(chǔ)。(各向異性)偏移速度的正確性是實現(xiàn)同相疊加的最重要保障。另外,共成像點道集上的去噪聲、剩余時差處理和子波相位處理是保障同相位疊加的重要環(huán)節(jié)。基于上述成像后處理結(jié)果進行的相對及絕對波阻抗反演是當(dāng)前開展儲層描述的必要步驟。

關(guān)于與地表相關(guān)的噪聲處理及地表一致性處理,包括高維地震數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù),在(各向異性)速度建模方法技術(shù)逐步完善的情況下,將成為進一步提高成像保真性的瓶頸。陸上地震數(shù)據(jù)采集中,主要的噪聲是面波、直達波散射波和面波散射波。特殊情況下也會有導(dǎo)波散射波。這些都是很強的噪聲,與后續(xù)的反射波疊加在一起,對保真成像的結(jié)果造成嚴重影響。對全波形反演及最小二乘逆時深度偏移成像的影響更是舉足輕重,極容易導(dǎo)致根本不收斂。這也是反演成像時代,為什么業(yè)界對噪聲特別關(guān)注的根本原因。以前,僅僅進行構(gòu)造成像的時代,噪聲的影響不是特別受關(guān)注,因為偏移成像考慮的是疊加成像,只要能進行同相位疊加,就可以凸顯出反射(繞射及散射)點的像。但是,反演成像強調(diào)的是預(yù)測(或逼近),如果不能徹底地消除預(yù)測或逼近的波現(xiàn)象,就會導(dǎo)致反演成像的不收斂。因此,直達波、淺層折射波、面波和導(dǎo)波遇到近地表異常體都會導(dǎo)致顯著的散射波,它們的壓制需要特別關(guān)注。本質(zhì)上講,對于上述波現(xiàn)象,最好的預(yù)測器是波動方程,信號理論中的線性及非線性預(yù)測器無論如何也不如波動方程預(yù)測器。但問題是用波動方程預(yù)測地表相關(guān)的噪聲需要較精確的彈性參數(shù)模型及精確的地表形態(tài)。盡管如此,今后高精度地去除與地表相關(guān)的噪聲都需要波動方程模型預(yù)測器的參與。更高精度的地表一致性校正技術(shù)在反演成像逐漸普及的時代需要再度深入研究,畢竟復(fù)雜而空變的震源函數(shù)是反演成像的重大障礙。高維數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)在數(shù)據(jù)規(guī)則化的同時,將數(shù)據(jù)由直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系是非常有價值的做法。與極坐標(biāo)系中的成像方法結(jié)合在一起,會較大幅度提高寬方位地震成像的保真度。

總之,在“兩寬一高”采集技術(shù)逐漸普及的時代,成像處理技術(shù)的核心沒有發(fā)生本質(zhì)變化,依然是得到高精度的地下彈性參數(shù)場(反射系數(shù)或?qū)拵Рㄗ杩?,滿足儲層解釋的要求。但是反演成像對噪聲的要求有本質(zhì)的不同,對子波的空變也有更嚴格的要求。簡而言之,近地表因素對高精度成像的影響更為凸顯。

6 機器學(xué)習(xí)和人工智能在新一代精確地震勘探中的可能應(yīng)用

從圖14中可以看出,油氣地震勘探問題可以抽象概括為:利用各種不同來源和不同可信度的信息,對油氣藏進行綜合評價的問題。全局來看,應(yīng)該是一個典型的人工智能和大數(shù)據(jù)分析問題。但也是一個長鏈條、綜合性的數(shù)據(jù)分析和決策問題,其中很多關(guān)鍵環(huán)節(jié)并不是大數(shù)據(jù)分析問題,例如非常核心的地震波偏移成像與反演成像問題,也包括1D波阻抗反演和疊前AVA反演問題等都不屬于大數(shù)據(jù)分析問題。

圖14 勘探地震中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

無論如何,統(tǒng)一在貝葉斯最佳決策框架下,利用統(tǒng)計分析、信息融合和信息綜合應(yīng)用的觀點,開展當(dāng)今的油氣勘探,尤其是油氣藏描述及含油氣性判斷是毋庸置疑的?；诖髷?shù)據(jù)和高性能計算技術(shù),機器學(xué)習(xí)與人工智能正在深刻地改變很多行業(yè)的工作及經(jīng)營模式,油氣勘探行業(yè)也不會例外。

但是,我們對機器學(xué)習(xí)與人工智能在地震數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域、油氣藏智能識別和含油氣判斷領(lǐng)域到底能發(fā)揮什么作用以及發(fā)揮多大作用還是要有清晰認識。

現(xiàn)代信號與圖像分析是地震數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ),地震數(shù)據(jù)分析的每一個環(huán)節(jié)中幾乎都會用到現(xiàn)代信號與圖像分析的知識,譬如高維數(shù)據(jù)規(guī)則化、高維數(shù)據(jù)去噪聲、包括全波形反演和最小二乘逆時深度偏移成像都建立在現(xiàn)代信號分析中信號預(yù)測和估計理論基礎(chǔ)上。現(xiàn)代信號與圖像分析與地震數(shù)據(jù)分析及反演成像目前已經(jīng)緊密地聯(lián)系在一起,可以說統(tǒng)一在貝葉斯估計理論的基礎(chǔ)之上。

現(xiàn)代信號分析理論已經(jīng)發(fā)展到針對高維時空信號、基于統(tǒng)計估計理論和建立字典基、進行稀疏特征表達。當(dāng)前備受關(guān)注的各種機器學(xué)習(xí)算法是現(xiàn)代信號分析理論的高級發(fā)展階段。當(dāng)今廣受重視的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法,也是在深入吸收信號稀疏特征表達思想的基礎(chǔ)上,由基本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法發(fā)展而來的。

因此,機器學(xué)習(xí)與人工智能在地震勘探中的應(yīng)用,更確切地講,是在地震數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用?？梢哉f,在很多環(huán)節(jié)上都可以發(fā)揮作用(圖14)。當(dāng)前的研究重點也應(yīng)集中在某些代表性的技術(shù)點上,譬如:自動與智能去噪、自動與智能初至波提取、自動與智能的初始速度建模和自動與智能構(gòu)造解釋等方面。至于智能的油藏解釋、智能的儲層含油氣性評價技術(shù)可能還要很長時間,等到人工智能業(yè)態(tài)在油氣勘探領(lǐng)域發(fā)展比較成熟,算法也有了更高階段的發(fā)展的時候,實用性會有很大提高。我們認為,創(chuàng)建一個能有效應(yīng)用的油氣勘探機器(人),代替人類油藏評價和鉆井決策,估計還需要很長時間,但這應(yīng)該成為不懈追求的長遠目標(biāo)。

機器學(xué)習(xí)與人工智能算法只是提供了一種數(shù)據(jù)分析的新工具。無論是否進入大數(shù)據(jù)和人工智能階段,油氣地震勘探的核心目標(biāo)依然是精確地刻畫和評價油氣藏?！皟蓪捯桓摺睌?shù)據(jù)采集技術(shù)、廣義的地震波反演成像技術(shù)(推進到寬帶波阻抗成像)和多種信息融合的油藏描述與評價技術(shù),始終是3個核心問題。

7 結(jié)論與討論

李慶忠提出“精確地震勘探的道路”至今已近30年。盡管綠色能源、碳中和和碳達峰等先進的能源戰(zhàn)略理念不斷地沖擊油氣資源的發(fā)展方向,但是油氣資源的戰(zhàn)略地位并沒有發(fā)生明顯的改變。高精度地震成像理論、方法和技術(shù)發(fā)展的必要性和緊迫性并沒有降低。大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的異軍突起也沒有改變必須對油氣藏開展精確描述的根本需求。

到目前為止,地震勘探中地震波成像處理的核心問題依然是消除近地表因素對地震子波的影響、消除近地表噪聲影響和消除觀測系統(tǒng)不規(guī)則的影響,建立精確的背景(各向異性)速度模型和Q值模型,進行保真和高分辨率的方位角度反射系數(shù)成像以及成像道集后處理。然后,進入油藏描述階段。但是,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)、更高性能的計算機技術(shù)、全波形反演和最小二乘逆時深度偏移成像技術(shù),也包括機器學(xué)習(xí)和人工智能,預(yù)示著地震勘探已經(jīng)進入全新的階段。

走向精確勘探的道路需要在新的階段給出新描述。無論是地震波反演成像問題或是油藏描述問題,本質(zhì)上都是信息不足情況下的最佳判決問題(或最佳決策問題)。貝葉斯判決理論下基于各種信息綜合得到最佳的(或可靠性和精度最高的)決策(或判斷、或反演結(jié)果)是本質(zhì)要求?；谝陨险J識,提出具備可實現(xiàn)性的、新一代的“精確地震勘探的道路”是非常有必要的。我們認為,如下技術(shù)點組合可以代表新一代的“精確地震勘探的道路”,即“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù);更高精度子波處理技術(shù);基于高維、字典基和稀疏特征表達的信號處理技術(shù)(解決去噪、數(shù)據(jù)規(guī)則化、數(shù)據(jù)壓縮和去混疊等問題);建立更精確速度和Q值模型以及估計寬帶反射系數(shù)的特征波反演成像技術(shù);寬帶波阻抗成像技術(shù)以及人工智能油藏描述技術(shù)。