写在“全波形反演”专题前面的话

本刊编辑部

写在“全波形反演”专题前面的话

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世界石油工业历经百年发展，为各国经济和社会发展做出了重要贡献。地球物理是油气勘探和开发过程中关键的技术手段之一，享有地球CT的美誉。历史上每次地球物理技术的突破都会促进油气工业的飞跃。全波形反演(FWI)技术是近年来地球物理技术发展中出现的新技术之一。自20世纪80年代该技术面世以来，即被寄予厚望，但受限于当时计算机软硬件技术的发展水平，其研究及应用受到很大限制。近年来，随着高性能计算机软、硬件技术的迅猛发展，全波形反演技术得到广泛关注，再一次掀起研究热潮。理论上，全波形反演由炮集数据直接反演地下物性参数，如密度、吸收衰减因子、弹性参数和各向异性参数等，分辨率可达地震波传播波长的二分之一。全波形反演具有一套完备的理论体系，反演过程由数据驱动，完全自动化，无人工经验干扰，无多次处理累积误差，是未来地球物理技术发展的主要方向之一。

2009年，Sirgue在EAGE年会上展示了Valhall油田地震数据全波形反演的实际应用成果，为该项技术的工业化应用带来了新的曙光。其应用成果的意义不仅在于从炮集数据直接反演得到了古河道信息，刻画了传统勘探“盲区”的气云边界及含气裂缝的具体形态，更重要的是让人们看到了全波形反演工业化应用的巨大潜力与希望。此后陆续见到了海上地震数据FWI成功实例。目前，全波形反演技术的理论及应用研究仍面临着许多技术问题，如基于波动方程的全局寻优反演是否能够真正改善基于道集拉平建模的成像质量？全波形反演是否能够达到储层描述的精度？直接在深度域进行储层预测和储层描述是否可行？全波形反演中还有哪些瓶颈问题需要进一步解决？此外，相较于海上数据而言，陆上数据的实际应用面临着更多挑战，如：采集不规则、近地表复杂、低频数据缺失、炮点检波点耦合不一致等。为此，编辑部萌生了出版“全波形反演”专题的想法，希望通过本期专题文章的组织和刊发，一方面总结技术研究进展，另一方面开展关键问题讨论并探寻未来发展方向，促进全波形反演技术的实用化。本期专题稿件组织过程中得到了国内外知名大学、专业研究机构及油服公司的积极响应和踊跃投稿，国外包括了法国科学院、法国约瑟夫傅里叶大学、美国斯坦福大学、加拿大英属哥伦比亚大学、沙特阿美研发中心、Total公司、PGS公司等，国内包括了中国科学院地质与地球物理研究所、中国科技大学、同济大学、中国石油大学(华东)、中石油、中石化、中海油等直属研究院。

本专题共刊发论文15篇，涉及全波形反演理论、特征波波形反演、计算优化、海上和陆上实际地震资料应用、背景速度建模等内容。为保证文章原意，对来自国外大学和研究机构以英文投稿的文章未做翻译而以英文刊发。其中文章“AreviewofsomemethodologicaldevelopmentsonfullwaveforminversiontackledintheSEISCOPEgroup”回顾和总结了SEISCOPE研究组关于全波形反演技术的主要研究成果，重点介绍了时间域节省内存算法、特征波联合反演算法(JFWI)及压制cycle-skipping的策略等。美国GE公司尹峰博士将波形反演理论应用于医学成像领域，并获得成功;他介绍了一种基于相位匹配的波形反演算法，用初至旅行时来解决频率域地震波场观测值与预测值之间存在的相位不匹配问题。Total公司高福春博士分析了全波形反演几种目标函数的性质，提出了基于定义在数据域中的微分相似概念的一个新的目标函数，它对于较大范围的数据残差都具有凸状性质。中国科技大学江文彬博士介绍了一种走时与波形联合的地震反演方法，其目标函数包含旅行时残差和波形残差，在改善传统射线反演精度的同时增加旅行时在目标泛函中的权重以提高反演的稳定性，更加适应复杂近地表速度建模。加拿大英属哥伦比亚大学李翔博士介绍了基于高斯-牛顿算法的稀疏约束正则化全波形反演方法，利用曲波变换非常稀疏地表达速度模型及其扰动，对高斯-牛顿算法的速度更新进行稀疏约束正则化。沙特阿美公司吴彦博士介绍了基于全走时(即完全依赖于走时信息)的背景速度建模方法，根据地震数据自动估计运动学意义上正确的速度模型，核心思想是使反演完全依赖于走时信息，从而避免反演受到陆地资料不可靠振幅信息的干扰，并给出了实际资料应用实例。同济大学王华忠教授系统地总结了特征波反演成像理论，介绍了特征波反演成像的四个基本步骤，重点分析了压缩感知框架下时空局部的方向波场的分解以及基于此波场的数据域和成像域的反演思想与方法，指出特征波场与反演参数之间的关系更紧密，基于特征波场的反问题求解，可以有效降低问题非线性。中国石油大学(华东)张广智教授介绍了基于L-BFGS照明预处理技术的全波形反演方法，针对反演中密度和速度的串扰问题，选择分步多参数全波形反演的策略。中科院地质与地球物理研究所刘洪研究员课题组介绍了全波形反演中应用GPU提高计算效率的研究成果，介绍了线程调度、GPU之间数据传输以及共享内存使用等技术经验。中石化石油勘探开发研究院魏哲枫博士介绍了一种基于GPU的动态增减节点的作业池管理机制，这种算法可以动态管理作业，根据计算机集群工作量实时调度，既解决全波形反演海量计算问题，又避免了MPI统一调度的资源浪费，提高了设备的利用率和反演过程的稳定性。中海油研究总院丁继才博士和中石化石油物探技术研究院的王杰硕士分别介绍了海上、陆上地震资料的实际应用成果。同济大学李辉博士和中石化石油物探技术研究院王咸彬博士则主要关注FWI的背景速度建模研究。

本期专题得到了国内外知名的课题组和专家学者的大力支持，以下是部分作者简介。张捷，主要从事近地表成像、全波形反演、微地震监测、交叉学科应用等研究，1996年获美国麻省理工学院地球物理学博士学位，1994年获美国总统颁发的“新星奖”，1995年获美国国家基金委(NSF)颁发的“南极科研奖”，2012年获SEG颁发的Reginald Fessenden科技成就奖，2015年当选SEG执行副主席。Jerry Harris，主要从事井间地震建模、成像及波形反演研究，井间地震领域的开拓者，现为斯坦福大学地球物理教授、地球科学系主任、地球环境计算科学中心主任，SPE、SEG杰出讲师，2004—2005年度SEG第一执行副主席。Jean Virieux，主要从事波动方程正演、全波形反演研究，弹性波有限差分交错网格理论奠基人，国际知名地球物理研究组SEISCOPE的创始人，现任法国约瑟夫傅里叶大学特级教授，SEG杰出讲师并多次荣获国际地球物理界大奖，如2006年EAGE的Cagniard勋章、2008年SEG最佳论文奖、2009年法国科学院Jaffé奖、2012年法国地质协会的Barrabé奖及蓝海岸天文台Adion勋章、2013年EAGE Erasmus奖等。Gerhard Pratt，主要从事高精度成像、波形反演研究，频率域全波形反演奠基人，加拿大西安大略大学教授，曾获2005年Geophysics最佳论文，2009年EAGE颁发的Conrad Schlumberger Award奖，SEG杰出讲师，2016年因波形反演方面的杰出贡献获SEG最高奖Kaofuman奖。Romain Brossier，主要从事不同尺度的高分辨率成像、全波形反演研究，现任法国约瑟夫傅里叶大学副教授，SEISCOPE II的研究员及领导者。高福春，主要从事全波形反演及其应用研究，因其在全波形反演领域的突出贡献和L.Sirgue一起荣获Total公司的Best Innovator Award奖。尹峰，主要从事地震波与超声波反演成像研究，为国际上医学超声成像的领军人物，获2014 GE Healthcare CEO Golden Award奖，2015年与其团队获GE Healthcare Ultrasound Innovation Golden Award创新金奖。此外，沙特阿美研发中心骆毅博士，PGS研发中心李翔博士等国际知名石油公司学者给予本专题大力支持并撰文。同济大学王华忠教授，中科院地质与地球物理研究所刘洪研究员，中国石油大学(华东)张广智教授等国内高校知名学者及其研究组也给予本专题极大支持，在此不一一介绍。编辑部对上述所有学者专家及文章所有贡献者表示衷心感谢！

本期全波形反演专题因篇幅所限和稿约范围的局限，所刊登文章不足以全面反映当前全波形反演技术的最新研究成果及应用现状，权作抛砖引玉，希望引起更多学者对全波形反演技术研究及应用的关注和讨论，共同促进技术的进步与发展，为我国油气勘探开发战寒冬和挖潜增效提供技术支撑。同时，我们希望更多的读者投来更高水平的理论研究和实际应用研究成果，为我国的油气勘探开发事业做出更大贡献。本期专题文章的成功组织，离不开中科院地质与地球物理研究所李幼铭研究员的大力支持与精心组织，也离不开中石化石油物探技术研究院胡光辉博士的鼎力相助和无私奉献，编辑部对两位专家的支持和帮助表示衷心感谢！