Geophysics

The nonlinear inverse problem for seismic reflection data is solved in the acoustic approximation. The method is based on the generalized least‐squares criterion, and it can handle errors in the data set and a priori information on the model. Multiply reflected energy is naturally taken into account, as well as refracted energy or surface waves. The inverse problem can be solved using an iterative algorithm which gives, at each iteration, updated values of bulk modulus, density, and time source function. Each step of the iterative algorithm essentially consists of a forward propagation of the actual sources in the current model and a forward propagation (backward in time) of the data residuals. The correlation at each point of the space of the two fields thus obtained yields the corrections of the bulk modulus and density models. This shows, in particular, that the general solution of the inverse problem can be attained by methods strongly related to the methods of migration of unstacked data, and commercially competitive with them.

Đảo ngược toàn bộ dạng sóng (FWI) là một quy trình điều chỉnh dữ liệu đầy thử thách dựa trên mô hình hóa toàn bộ trường sóng để trích xuất thông tin định lượng từ các sóng địa chấn. Hình ảnh độ phân giải cao tại nửa bước sóng được kỳ vọng. Những tiến bộ gần đây trong tính toán hiệu suất cao và việc thu thập dữ liệu đa chiều/đa thành phần với góc hẹp và góc rộng đã biến FWI âm thanh 3D thành khả thi ngày nay. Các thành phần chính của FWI bao gồm một động cơ mô hình hóa tiến hiệu quả và một phương pháp vi phân địa phương, trong đó gradient và các toán tử Hessian được ước lượng một cách hiệu quả. Tuy nhiên, tối ưu hóa địa phương không ngăn cản sự hội tụ của hàm sai lệch về các cực tiểu cục bộ do độ chính xác hạn chế của mô hình khởi đầu, sự thiếu hụt tần số thấp, sự hiện diện của tiếng ồn và mô hình hóa gần đúng về tính phức tạp của vật lý sóng. Các chiến lược đa quy mô phân cấp khác nhau đã được thiết kế để giảm thiểu tính phi tuyến và tính không ổn định của FWI bằng cách đưa vào dần các bước sóng ngắn hơn trong không gian tham số. Các nghiên cứu trường hợp dự liệu và thực tế giải quyết việc tái tạo nhiều tham số khác nhau, từ tốc độ [Công thức: xem văn bản] và [Công thức: xem văn bản] đến mật độ, độ dị thường và độ suy yếu. Bài đánh giá này cố gắng làm sáng tỏ tình trạng hiện tại của FWI. Tuy nhiên, những bước nhảy quan trọng vẫn cần thiết để FWI trở nên phổ biến như các kỹ thuật di chuyền. Các thách thức có thể được phân loại thành (1) xây dựng các mô hình khởi đầu chính xác với các quy trình tự động và/hoặc ghi lại tần số thấp, (2) xác định các tiêu chí tối thiểu hóa mới để giảm thiểu độ nhạy của FWI trước các lỗi biên độ và tăng cường tính bền vững của FWI khi ước lượng nhiều lớp tham số, và (3) cải thiện hiệu suất tính toán bằng các kỹ thuật nén dữ liệu để làm cho FWI đàn hồi 3D trở nên khả thi.

Tôi trình bày một phương pháp sai phân hữu hạn để mô hình hóa sự lan truyền sóng P-SV trong môi trường không đồng nhất. Đây là một mở rộng của phương pháp mà tôi đã đề xuất trước đây để mô hình hóa sự lan truyền sóng SH bằng cách sử dụng vận tốc và ứng suất trong lưới rời rạc. Hai thành phần của vận tốc không thể được xác định tại cùng một nút cho một lưới phân bố hoàn chỉnh: điều kiện ổn định và đường cong tán xạ vận tốc sóng P không phụ thuộc vào tỷ lệ Poisson, trong khi hành vi của đường cong tán xạ vận tốc sóng S khá không nhạy cảm với tỷ lệ Poisson. Do đó, mã nguồn giống nhau sử dụng cho môi trường đàn hồi có thể được áp dụng cho môi trường lỏng, nơi mà vận tốc sóng S giảm về zero, và không cần xử lý đặc biệt cho giao diện lỏng-rắn. Các hiện tượng vật lý điển hình xuất hiện với mô hình P-SV, như sóng bề mặt, phù hợp với các kết quả phân tích. Mô hình lớp bề mặt và góc cạnh cho thấy trong các bản thu sóng sự chuyển đổi pha tương tự mà các tác giả trước đã nhận được. Phương pháp này mang lại kết quả ổn định cho các điểm gián đoạn, như được chứng minh cho một lớp lỏng trên một không gian đàn hồi. Sóng đầu duy trì biên độ chính xác. Cuối cùng, mô hình góc cạnh minh họa một hình học phức tạp hơn cho giao diện lỏng-rắn. Khi tỷ lệ Poisson v tăng từ 0.25 lên 0.5, các pha chuyển đổi cắt bỏ sẽ biến mất khỏi các bản thu sóng và khỏi phần thời gian của trường sóng.

Các tính chất phụ thuộc vào tần số của sóng bề mặt loại Rayleigh có thể được sử dụng để hình ảnh hóa và đặc trưng hóa các lớp đất nông. Hầu hết các phân tích sóng bề mặt dựa vào việc tính toán chính xác tốc độ pha đối với sóng Rayleigh chế độ cơ bản di chuyển theo phương ngang, thu được bằng cách bước ra một cặp thu ở khoảng cách dựa trên chiều dài sóng trên mặt đất tính toán. Sự can thiệp của tiếng ồn sinh ra bởi nguồn đồng bộ ngăn cản độ tin cậy của tốc độ sóng cắt được xác định qua việc đảo ngược toàn bộ trường sóng. Giữa các sóng Rayleigh không phẳng, không phải chế độ cơ bản này (tiếng ồn) có sóng cơ thể, sóng bề mặt tán xạ và không sinh ra từ nguồn, cũng như sóng bề mặt chế độ cao hơn. Mức độ mà mỗi loại tiếng ồn này làm nhiễu đường phân tán và cuối cùng là hồ sơ tốc độ sóng cắt bị đảo ngược phụ thuộc vào tần số cũng như khoảng cách từ nguồn. Việc ghi âm đa kênh cho phép xác định và cách ly hiệu quả tiếng ồn theo sự đồng nhất cụ thể về thời gian đến và biên độ giữa các vết. Một lợi thế bổ sung là tốc độ và khả năng dư thừa của quy trình đo. Phân rã của một bản ghi đa kênh thành định dạng tần số - biến đổi theo thời gian, tương tự như một bản ghi Vibroseis không tương quan, cho phép phân tích và hiển thị mỗi thành phần tần số theo định dạng độc đáo và liên tục. Sự nhiễu tiếng ồn đồng bộ có thể được xem xét và tác động của nó được đánh giá cả trong không gian tần số và độ dịch chuyển. Việc tách riêng các thành phần tần số cho phép tối ưu hoá tỷ lệ S/N theo thời gian thực trong quá trình thu thập và các bước xử lý tiếp theo. Việc tách mỗi thành phần tần số của sóng trên mặt đất cho phép tính toán tốc độ pha chỉ bằng cách đo độ dốc tuyến tính của mỗi thành phần tần số. Các đoạn gián đoạn trong sự xuất hiện của sóng bề mặt đồng bộ, có thể quan sát được trên bản ghi đã phân rã, có thể được bù đắp trong quá trình thu thập và xử lý. Ghi âm đa kênh cho phép khảo sát một dải độ sâu rộng với sự dư thừa cao với một cấu hình thực địa duy nhất, và khả năng điều chỉnh độ dịch chuyển, giảm hiệu quả tiếng ồn ngẫu nhiên hoặc phi tuyến được đưa vào trong quá trình ghi. Một tập hợp shot đa kênh được phân rã thành một bản ghi tần số quét cho phép tạo ra nhanh chóng một đường phân tán chính xác. Độ chính xác của các đường phân tán xác định bằng phương pháp này được chứng minh thông qua việc so sánh thực địa với hồ sơ tốc độ sóng cắt đã bị đảo ngược ([Công thức: xem văn bản]) với hồ sơ trong lỗ khoan [Công thức: xem văn bản].

Dữ liệu điện từ Magnetotelluric (MT) được đảo ngược để xây dựng các mô hình 2-D mượt mà bằng cách sử dụng một mở rộng của thuật toán 1-D hiện có, phép đảo của Occam. Bởi vì một tập dữ liệu MT bao gồm một số lượng hữu hạn các dữ liệu không chính xác, nên có vô số nghiệm cho bài toán đảo ngược. Việc khớp dữ liệu điện từ thực địa hoặc mô phỏng gần như chính xác dẫn đến các mô hình lý thuyết với một lượng độ thô tối đa, hoặc cấu trúc. Tuy nhiên, bằng cách nới lỏng tiêu chí sai số chỉ một chút, các mô hình mượt mà tối đa có thể được tạo ra. Các mô hình mượt mà ít có khả năng dẫn đến việc diễn giải quá mức dữ liệu và phản ánh đúng khả năng giải quyết của phương pháp MT. Các mô hình được cấu thành từ một số lượng lớn các hình hộp chữ nhật, mỗi hộp có độ dẫn điện không thay đổi. Thông tin [Công thức: xem văn bản], dưới hình thức chỉ các vị trí biên hoặc cả vị trí biên và độ dẫn điện, có thể được bao gồm, cung cấp một công cụ mạnh mẽ để cải thiện khả năng giải quyết của dữ liệu. Việc đảo ngược kết hợp dữ liệu mô phỏng TE và TM được tạo ra từ các mô hình đã biết cho phép so sánh các mô hình mượt mà với cấu trúc thực tế. Trong hầu hết các trường hợp, các phiên bản làm mượt của cấu trúc thực có thể được khôi phục trong 12–16 lần lặp. Tuy nhiên, các đặc điểm có tính kháng điện với kích thước tương đương với độ sâu chôn lấp thường không được giải quyết tốt. Dữ liệu MT thực tế gặp phải các vấn đề về lỗi dữ liệu không theo phân phối Gaussian, sự suy giảm giả định về tính hai chiều và số lượng lớn dữ liệu trong các cuộc khảo sát băng rộng; tuy nhiên, dữ liệu thực có thể được đảo ngược bằng cách sử dụng thuật toán.

Pore fluids strongly influence the seismic properties of rocks. The densities, bulk moduli, velocities, and viscosities of common pore fluids are usually oversimplified in geophysics. We use a combination of thermodynamic relationships, empirical trends, and new and published data to examine the effects of pressure, temperature, and composition on these important seismic properties of hydrocarbon gases and oils and of brines. Estimates of in‐situ conditions and pore fluid composition yield more accurate values of these fluid properties than are typically assumed. Simplified expressions are developed to facilitate the use of realistic fluid properties in rock models. Pore fluids have properties that vary substantially, but systematically, with composition, pressure, and temperature. Gas and oil density and modulus, as well as oil viscosity, increase with molecular weight and pressure, and decrease with temperature. Gas viscosity has a similar behavior, except at higher temperatures and lower pressures, where the viscosity will increase slightly with increasing temperature. Large amounts of gas can go into solution in lighter oils and substantially lower the modulus and viscosity. Brine modulus, density, and viscosities increase with increasing salt content and pressure. Brine is peculiar because the modulus reaches a maximum at a temperature from 40 to 80°C. Far less gas can be absorbed by brines than by light oils. As a result, gas in solution in oils can drive their modulus so far below that of brines that seismic reflection bright spots may develop from the interface between oil saturated and brine saturated rocks.

Tốc độ sóng dọc trong nhiều môi trường xốp tổng hợp và tự nhiên ở nhiệt độ và áp suất phòng đã được đo. Các đặc điểm cơ bản của thiết bị đo được mô tả ngắn gọn. Tốc độ sóng đã được xác định cho các tập hợp của các hình cầu đồng nhất với các đường kính khác nhau cả khi khô và khi bão hòa với nước, nước muối, chất lỏng hữu cơ và nhựa. Ảnh hưởng của độ xốp đến tốc độ sóng qua các tập hợp của các hình cầu thủy tinh bão hòa với nhựa đã được xác định trong khoảng độ xốp từ 19% đến 70%. Các phép đo thực nghiệm đã được thực hiện để xác định ảnh hưởng của việc thay đổi độ bão hòa giữa nước muối-dầu và nước muối-khí đến tốc độ sóng qua các mẫu đá trầm tích tự nhiên. Ảnh hưởng của độ mặn và nhiệt độ đến tốc độ sóng qua các dung dịch nước muối natri clorua đã được xác định lại. Kết quả được trình bày theo đồ thị để thể hiện mối quan hệ thực nghiệm giữa tốc độ sóng, độ xốp, hàm lượng lỗ rỗng và tính chất ma trận của các loại đá trầm tích. Một số kết luận được rút ra về mối quan hệ tổng quát giữa các yếu tố này dựa trên kết quả thực nghiệm và xem xét lý thuyết. Thông qua những mối quan hệ này, các hồ sơ tốc độ liên tục trong các giếng có thể được giải thích để cung cấp một phép đo về độ xốp của lớp đất. Một số so sánh được đưa ra giữa các độ xốp suy diễn từ các hồ sơ tốc độ liên tục và các độ xốp được tìm thấy qua phân tích lõi.

Một phương pháp lưới thường được gọi là độ cong tối thiểu được sử dụng rộng rãi trong khoa học trái đất. Phương pháp này nội suy dữ liệu cần lưới bằng một bề mặt có đạo hàm bậc hai liên tục và độ cong tổng bình phương tối thiểu. Bề mặt độ cong tối thiểu có hình ảnh tương tự như sự uốn cong của tấm đàn hồi và gần giống với hình dạng mà một tấm mỏng uốn cong khi đi qua các điểm dữ liệu. Bề mặt độ cong tối thiểu có thể có dao động lớn và các điểm biến đổi phụ không cần thiết, điều này khiến chúng không phù hợp cho việc lưới trong nhiều ứng dụng mà chúng thường được sử dụng. Những điểm biến đổi phụ này có thể bị loại bỏ bằng cách thêm lực kéo vào phương trình uốn cong của tấm đàn hồi. Việc tổng quát các thuật toán lưới độ cong tối thiểu để bao gồm một tham số lực kéo là khá đơn giản; hệ phương trình giống nhau phải được giải quyết trong cả hai trường hợp, chỉ có trọng số tương đối của các hệ số là thay đổi. Do đó, các nghiệm dưới lực kéo không đòi hỏi nhiều nỗ lực tính toán hơn so với các nghiệm độ cong tối thiểu, và bất kỳ thuật toán nào có thể giải quyết các phương trình độ cong tối thiểu cũng có thể giải quyết hệ thống tổng quát hơn. Chúng tôi đưa ra những ví dụ địa chất phổ biến mà lưới độ cong tối thiểu sản xuất kết quả sai, nhưng lưới với lực kéo mang lại một giải pháp tốt. Chúng tôi cũng đề xuất cách cải thiện sự hội tụ của phương pháp giải lặp cho các phương trình lưới.

Từ Định luật Ampere (với một trái đất đồng nhất) và từ phương trình Maxwell sử dụng khái niệm vectơ Hertz (cho một trái đất nhiều tầng), các giải pháp được tìm ra cho các thành phần ngang của trường điện và từ tại bề mặt do dòng điện đất (telluric currents) trong lòng đất. Tỷ lệ của các thành phần ngang này, cùng với pha tương đối của chúng, là chỉ báo về cấu trúc và điện trở suất thực của các lớp dưới mặt đất. Tỷ lệ của một số cặp yếu tố điện từ khác cũng có tính chỉ báo tương tự. Thông thường, một bảng đo quang điện-lừu từ được thể hiện bằng những đường cong điện trở suất biểu kiến và sự khác biệt pha tại một trạm cụ thể, được vẽ dưới dạng hàm của chu kỳ của các thành phần dòng điện đất khác nhau. Các công thức cụ thể được xây dựng cho điện trở suất, độ sâu tới các mặt phân cách, v.v. trong cả bài toán hai và ba lớp. Đối với hai vùng có hình dạng tương tự và điện trở suất tương ứng của chúng chỉ khác nhau bởi một hệ số tuyến tính, các mối quan hệ về pha là giống nhau và các điện trở suất biểu kiến khác nhau bởi cùng một hằng số tỷ lệ mà liên hệ với các điện trở suất thực tương ứng. Nguyên tắc "tính tương tự" này đơn giản hóa đáng kể việc biểu diễn một bộ đường cong chủ, như đã được đưa ra để sử dụng trong việc giải thích địa chất. Ngoài các lợi thế thông thường mang lại bởi việc sử dụng dòng điện đất (không cần các nguồn dòng điện hoặc cáp dài, độ sâu khảo sát lớn hơn, v.v.), phương pháp điện-lừu-từ trong thăm dò địa chất giải quyết các hiệu ứng của từng lớp đất tốt hơn so với các phương pháp điện trở thông thường. Nó dường như là một công cụ lý tưởng để điều tra ban đầu các lưu vực trầm tích lớn có tiềm năng dự trữ dầu mỏ.

Mục đích của bài báo này là thảo luận về các kỹ thuật ngoài hiện trường và kỹ thuật giải thích cho phép, trong những trường hợp thuận lợi, xác định khá chính xác tốc độ khoảng cách sóng địa chấn trước khi khoan. Một công thức đơn giản nhưng chính xác được phát triển nhằm tính toán nhanh tốc độ sóng từ 'tốc độ trung bình' được xác định bởi kỹ thuật [Công thức: xem văn bản] đã biết. Để đảm bảo độ chính xác, cần có một nghiên cứu cẩn thận về phản xạ nhiều lần và điều này sẽ được thảo luận. Mặc dù mục tiêu chính trong việc xác định tốc độ là cho phép thực hiện một giải thích cấu trúc chính xác từ dữ liệu phản xạ địa chấn, một mục tiêu phụ quan trọng là thu thập thông tin về loại đá. Thông tin này được thu được thông qua việc tương quan tốc độ với loại đá và độ sâu.