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热启动物理信息神经网络波场模拟优化

热启动物理信息神经网络波场模拟优化

第二届中国石油物探学术年会

作者：吴佳霖吴帮玉贾骏雄西安交通大学数学与统计学院

地震波场模拟在地震数据采集、地震反演以及地震资料解释等实际生产和方法研究中起着举足轻重的作用。地震波场模拟本质是求解波动方程的初边值问题,物理信息神经网络(Physics-informed neural network,PINN)为求解偏微分方程提供了新... 详细信息

地震波场模拟在地震数据采集、地震反演以及地震资料解释等实际生产和方法研究中起着举足轻重的作用。地震波场模拟本质是求解波动方程的初边值问题,物理信息神经网络(Physics-informed neural network,PINN)为求解偏微分方程提供了新的方法。然而PINN涉及对多项损失函数的优化问题,求解仍存在许多困难。其中,损失函数中物理信息项和初始条件项的收敛速度不均衡,需要在训练过程中动态调整以获得最优网络参数。针对此问题,本文提出基于热启动的PINN,并使用sigmoid加权方式自动动态调节损失函数中物理信息项和初始条件项间的比例。同时,本文提出使用哈特莱函数(正、余弦函数的和)作为网络的激活函数。在双层速度模型上的实验结果表明,本文提出的方法能使网络逼近二维声波方程,收敛到正确的解。

关键词：地震波场模拟物理信息神经网络多阶段学习

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物理引导的两阶段自监督学习全波形反演

物理引导的两阶段自监督学习全波形反演

第二届中国石油物探学术年会

作者：郑琪琪吴帮玉李萌

波速作为地震勘探领域的关键参数,对实现高质量地下偏移成像和地层构造解释、准确识别复杂油气藏几何分布与预测潜在储量具有至关重要的作用。全波形反演在理论上具有最高的速度反演精度,但由于问题的强非线性及数据带宽等问题,容易陷... 详细信息

波速作为地震勘探领域的关键参数,对实现高质量地下偏移成像和地层构造解释、准确识别复杂油气藏几何分布与预测潜在储量具有至关重要的作用。全波形反演在理论上具有最高的速度反演精度,但由于问题的强非线性及数据带宽等问题,容易陷入局部极小值,获得准确结果严重依赖于初始模型。相比之下,基于深度学习的反演方法缓解了对初始模型的依赖,但监督学习需要大量标签数据,并且结果的可解释性相对较弱。在模型与数据双驱动的框架下,本文提出了一种基于物理引导的两阶段自监督全波形速度反演方法。该方法采用注意力U-Net反演网络,由炮集数据直接反演速度模型,并采用有限差分求解时间域二维声波方程,生成对应的合成炮集数据。通过输入炮集数据与合成炮集数据的误差来引导网络进行自监督学习速度模型。正演策略会影响网络训练效率与精度,本文设计了两阶段训练策略:第一阶段采用同时激发所有炮点的策略,即只需进行一次正演,以提高网络学习效率与加快收敛速度;第二阶段采用单独激发每个炮点的策略,即正演次数与设臵的炮点数量一致,以提高网络学习精度,从而提高反演的准确性。在Marmousi模型上的对比实验结果表明,本文提出的方法提升效率的同时也提高了反演精度。

关键词：全波形反演物理引导自监督学习注意力U-Net 声波方程两阶段策略

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基于深度学习的OBN数据横波泄露压制方法

基于深度学习的OBN数据横波泄露压制方法

第二届中国石油物探学术年会

作者：陈琳陈志豪吴帮玉朱兆林

海底节点(Ocean Bottom Node,简称OBN)是一种铺设于海底,可以独立采集、记录地震信号的多分量地震仪,OBN具有作业方式灵活、采集的原始资料品质高等特点,成为海洋地震勘探的新方法。然而,由于海底环境等影响,检波器存在着各分量记录出... 详细信息

海底节点(Ocean Bottom Node,简称OBN)是一种铺设于海底,可以独立采集、记录地震信号的多分量地震仪,OBN具有作业方式灵活、采集的原始资料品质高等特点,成为海洋地震勘探的新方法。然而,由于海底环境等影响,检波器存在着各分量记录出现能量泄露的问题,尤其是泄露到Z分量记录中的横波影响着地震资料后续的处理与解释。本文探索一种基于自适应减和U型卷积神经网络的深度学习方法实现OBN数据横波泄露的压制,将检波器水平X和Y分量数据分别作为噪声模型,依次利用神经网络从含噪Z分量数据中预测出实际噪声并减去,最终得到去噪后的Z分量数据。该方法可以在保护信号的前提下有效压制泄露到垂直Z分量记录中的横波噪声,在实际数据中的应用效果验证了本文方法的有效性。

关键词： OBN 横波泄露压制 U型网络自适应减

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基于可变形卷积和生成对抗网络的多任务反演

基于可变形卷积和生成对抗网络的多任务反演

第二届中国石油物探学术年会

作者：雒妍妍刘旭东孟贺王力宝吴帮玉

地震反演在油气勘探中至关重要,深度学习反演方法能弥补传统方法横向连续性差、精度低等不足。实际地震数据因在时序上的子波衰减和主频差异等具有非平稳性和多尺度特征,且待反演参数具有明显低频趋势和丰富高频细节。然而,标准卷积的... 详细信息

地震反演在油气勘探中至关重要,深度学习反演方法能弥补传统方法横向连续性差、精度低等不足。实际地震数据因在时序上的子波衰减和主频差异等具有非平稳性和多尺度特征,且待反演参数具有明显低频趋势和丰富高频细节。然而,标准卷积的特征提取方式无法适应地震反演的多尺度特征。在网络中加入空洞空间卷积池化金字塔(Atrous Spatial Pyramid Pooling,ASPP)模块是目前提取多尺度特征的主流方式,但其规则间距会丢失数据间的连续性,地震数据的空间细节结构仍不能得到充分刻画。针对上述问题,本文提出一种基于WGAN-GP的闭环多道对一道多任务叠后地震反演方法。该方法用可变形卷积替代普通卷积以自适应提取地震数据与弹性参数间的多尺度对应特征,采用闭环生成对抗网络充分利用无标签数据信息以提高网络泛化性能,而多道预测一道策略有利于提升反演结果的横向连续性与稳定性。在Marmousi2合成数据实验中,应用可变形卷积对P波速度(Vp)和密度(ρ)的反演结果更准确,精度分别提高36.07%和32.28%;在实际数据实验中,可变形卷积的反演结果也表现出比传统方法更高的分辨率和稳定性。

关键词：可变形卷积生成对抗网络多道预测一道多任务学习

基于非平稳整形正则化约束的自适应OBN数据横波压制

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基于非平稳整形正则化约束的自适应OBN数据横波压制

第二届中国石油物探学术年会

作者：陈志豪陈琳陈阳康朱兆林吴帮玉

海上油气勘探已经逐渐成为我国油气勘探的重点。海底节点(OBN)作为一种由水听器和三分量地震检波器组成的四分量地震仪,可以提供宽方位角、多方位角、多偏移距的地震数据集。然而,OBN检波器的垂直分量在记录主要纵波信号的同时,也记录... 详细信息

海上油气勘探已经逐渐成为我国油气勘探的重点。海底节点(OBN)作为一种由水听器和三分量地震检波器组成的四分量地震仪,可以提供宽方位角、多方位角、多偏移距的地震数据集。然而,OBN检波器的垂直分量在记录主要纵波信号的同时,也记录了来自水平分量的高振幅、低速、低频的横波信号,即横波噪声。这对后续双检数据的合并产生影响。因此,本文研究了一种基于非平稳整形正则的自适应匹配滤波器来压制垂直分量中的横波噪声。该方法不仅考虑了地震数据的非平稳性,同时也考虑了模型的非平稳性,即引入非平稳整形正则来约束自适应滤波器,以消除手动选择平滑半径的不稳定性。在实际数据上的测试结果表明,本文提出的方法能够实现垂直分量中的横波噪声压制,并且相比于平稳正则的自适应滤波器和商业软件的处理结果,本文方法能够在保护有效信号的同时避免噪声残留。

关键词： OBN 横波压制自适应匹配非平稳回归非平稳整形正则

基于局部余弦基小波束的观测系统沉降法叠前深度偏移

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地球物理学报 2013年第2期56卷 635-643页

作者：吴帮玉吴如山高静怀西安交通大学电子与信息工程学院波动与信息研究所西安710049 Modeling and Imaging Laboratory University of California

将局部余弦基小波束波场分解、传播与观测系统沉降法叠前深度偏移相结合,推导了源-检波器观测系统沉降法传播算子.本算法中,先对频率域的共点源和共点检波器道集做局部余弦小波束分解,然后分别沿共小波束源和共小波束检波器在深度方向... 详细信息

将局部余弦基小波束波场分解、传播与观测系统沉降法叠前深度偏移相结合,推导了源-检波器观测系统沉降法传播算子.本算法中,先对频率域的共点源和共点检波器道集做局部余弦小波束分解,然后分别沿共小波束源和共小波束检波器在深度方向延拓得到下一层波场.每个深度的波场,都等效于把源和检波器放在该层后所能接收到的地震记录,每点的像值由炮点和检波点重合时的零时刻波场值给出.通过二维SEG/EAGE盐丘模型和Marmousi模型的偏移成像结果验证该方法理论推导的正确性.另外,结果显示该方法继承了小波束域波场延拓在速度扰动较大情况下波传播及成像精度高的优点.

关键词：小波束观测系统沉降法局部余弦基叠前深度偏移单程波

时-空局域化地震波传播方法:Dreamlet叠前深度偏移

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地球物理学报 2012年第9期55卷 3105-3114页

作者：吴帮玉吴如山高静怀西安交通大学电子与信息工程学院波动与信息研究所西安710049 Modeling and Imaging Laboratory University of California

提出了一种在时间和空间上完全局域化的波场分解和传播算法─dreamlet偏移方法.Dreamlet是一种脉冲-小波束形式的波场分解原子,它利用多维局部分解变换,把时空域波场映射到局部时间-频率-空间-波数相空间,并用局部相空间的传播算子(drea... 详细信息

提出了一种在时间和空间上完全局域化的波场分解和传播算法─dreamlet偏移方法.Dreamlet是一种脉冲-小波束形式的波场分解原子,它利用多维局部分解变换,把时空域波场映射到局部时间-频率-空间-波数相空间,并用局部相空间的传播算子(dreamlet算子)沿深度延拓.本文利用多维局部余弦变换实现dreamlet算法,分解后的波场系数和传播算子不仅有很好的稀疏性,且均为实数,也即波的传播和成像过程完全在实数域实现.文中推导了局部余弦基dreamlet波场分解和传播算子理论公式并将其应用于叠前深度偏移.在dreamlet相空间波的传播过程为稀疏矩阵相乘,而且延拓后的地表数据波场的有效时间长度随深度的增加不断减小,从而可以减少需要传播的波场系数.二维SEG/EAGE盐丘和SIGSBEE模型算例验证了理论推导的正确性,成像结果显示该方法在横向速度变化剧烈情况下有很好的精度.

关键词： Dreamlet 时空局域化多维局部余弦变换单程波动方程叠前深度偏移

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梯形网格伪谱法地震波场模拟

石油地球物理勘探 2020年第6期55卷 1282-1291,1163-1164页

作者：谭文卓吴帮玉李博雷军西安交通大学数学与统计学院陕西西安710049 中国石化石油物探技术研究院江苏南京211103 中国石油长庆油田分公司第六采气厂陕西西安710018

波动方程的数值求解是地震勘探高精度成像和反演方法的核心。为保证精度,常规方法往往根据模型最小速度设置固定的空间采样间隔,易在高速区形成"过采样",计算存在一定冗余性。由于重力引起的岩石压实效应,波的传播速度由浅入深整体增大... 详细信息

波动方程的数值求解是地震勘探高精度成像和反演方法的核心。为保证精度,常规方法往往根据模型最小速度设置固定的空间采样间隔,易在高速区形成"过采样",计算存在一定冗余性。由于重力引起的岩石压实效应,波的传播速度由浅入深整体增大,梯形坐标变换更契合这种速度变化趋势。为此,提出梯形网格伪谱法地震波模拟方法。利用基于梯形坐标变换的梯形网格法对介质进行剖分,在浅层低速区采用细网格、深部高速区采用粗网格,可有效减少网格点数;同时,通过伪谱法求解坐标变换后的变系数声波方程,并引入完全匹配层消除人工边界虚假反射,以兼顾波场模拟的效率与精度。Marmousi模型的测试结果表明,相较于常规固定网格剖分,梯形网格剖分的网格数可减少约69%;相较于常规网格伪谱法和高阶有限差分法,梯形网格伪谱法的计算时间分别减少约58%和60%,同时具有较小的数值频散。可见,所提方法是一种高效、高精度地震波模拟方法。

关键词：梯形坐标变换地震波模拟伪谱法声波方程

基于时空局域化dreamlet单程波算子的观测系统沉降法偏移

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地球物理学报 2017年第9期60卷 3505-3517页

作者：吴帮玉吴如山高静怀徐宗本西安交通大学数学与统计学院海洋石油勘探国家工程实验室 Modeling and Imaging Laboratory University of CaliforniaSanta Cruz 95064 西安交通大学电子与信息工程学院波动与信息研究所

Dreamlet偏移成像目的是探索一类能够对地震波场和单程波传播算子同时分解和压缩的理论和方法,也即实现在压缩域的传播与成像、地震数据在时间和空间的非平稳性质,决定了要实现地震数据的有效稀疏表示,分解方法必须在时间和空间上同时... 详细信息

Dreamlet偏移成像目的是探索一类能够对地震波场和单程波传播算子同时分解和压缩的理论和方法,也即实现在压缩域的传播与成像、地震数据在时间和空间的非平稳性质,决定了要实现地震数据的有效稀疏表示,分解方法必须在时间和空间上同时具有局域化性质.Dreamlet由时间和空间局部分解原子的张量积构成,可以看作一种脉冲-小波束形式的波场分解原子.时空局域化的dreamlet单程波传播算子在对波场沿深度方向延拓时,地震数据在时间轴上总是向同一方向流动.随着深度的增加,部分用于成像浅层结构的数据归位至其空间位置后被dreamlet算子丢弃,波场的有效记录时间变短,每一步用于波场延拓的计算量也相应下降.为了充分发挥这一优势,本文介绍dreamlet传播算子与观测系统沉降法偏移相结合的理论与方法.观测系统沉降法偏移每一步都将记录到的所有数据向下延拓,沉降后的波场等效于把源和检波器都放置在目标深度所能接收的反射数据.Dreamlet观测系统沉降过程只保留用于成像观测系统下部地质结构的有效数据,自动丢弃已经用于成像观测系统上部而对下部成像没有贡献的信号.本文通过二维SEG/EAGE叠后和Marmousi叠前数据算例展示了dreamlet传播算子应用于观测系统沉降法偏移的这一特点.数值算例结果显示,在不影响成像质量的前提下,该偏移方法能够有效减少传播数据量,为发展一种快速高效的偏移方法提供了新的思路.

关键词： Dreamlet, 观测系统沉降法, 局部余弦基, 单程波方程, 深度偏移