Acoustic Waveform Inversion Strategy with Horizontal Pressure Difference of Ocean-Bottom Common-Receiver Gather

Abstract

Full waveform inversion is one of the most powerful seismic data processing techniques to image subsurface geological structures. By solving a local optimization problem that matches observed data with modeled data, the FWI reconstructs quantitative subsurface physical models. These days, FWI has been used for the characterization of hydrocarbon reservoirs. However, there are several challenges that make FWI less attractive, such as nonlinearity problem and its huge computational cost. In this thesis, an acoustic FWI strategy is proposed that matches observed pseudo-Ax data obtained from the common-receiver gathers (CRG) of observed pressure data with modeled pseudo-Ax data obtained from the common-shot gathers (CSG) of modeled pressure data in source-receiver switched geometry. The pseudo-Ax data are the horizontal spatial differentiation of pressure data. Compared to the classical CSG FWI that requires wave simulations twice the number of sources at each iteration, the proposed CRG-based scheme requires the number of wave simulations as twice the number of receivers at each iteration. Therefore, CRG FWI largely reduces the computational cost when the number of sources largely exceeds the number of receivers, such as ocean-bottom seismic data. In addition, due to the characteristic of weak near-offset PP and PS reflections at pseudo-Ax data, acoustic FWI with pseudo-Ax data focuses on the reconstruction of long-wavelength features of the model, therefore alleviates the nonlinearity problem of FWI. With the synthetic and real data examples for the Volve oilfield at the North Sea, the performance enhancement of proposed acoustic FWI strategy is demonstrated. Because the number of sources is larger than the number of receivers, both the examples show that the proposed CRG-based scheme lowers the total computational cost of FWI, while resulting in reconstructed velocity model similar to that obtained from the classical CSG FWI. They also show that acoustic FWI with pseudo-Ax data constrains the update of short-wavelength features of given models and converges better to the real P-wave velocity model compared to the conventional acoustic FWI with pressure data.

완전파형역산(full waveform inversion)은 지하 지질구조를 규명하는데 가장 효과적인 탄성파탐사 자료처리기법 중 하나이다. 완전파형역산은 탐사자료와 모델링자료를 맞추는 국부 최적화 문제를 반복적으로 풀어냄으로써 지하의 물성모델을 정량적으로 구축할 수 있다. 최근에는 탄화수소 저류층을 찾는 데 완전파형역산이 활용된다. 그러나 아직도 파형역산에 있어 비선형성 문제와 과도한 계산량과 같은 해결되어야 할 과제들이 있다. 이 논문에서는 관측된 유사 수평입자가속도 공통 수진기 모음(Common-receiver gather) 자료를 송신원-수진기의 위치가 뒤바뀐 환경에서의 공통 송신원 모음 자료와 맞추는 음향파 완전파형역산 전략을 제시한다. 기존의 공통 송신원 모음 기반 파형역산에서는 매 반복수마다 송신원 개수 두 배에 해당되는 횟수의 순차모델링이 필요하지만, 제시된 공통 수진기 모음 기반 파형역산에서는 수진기 개수의 두 배에 해당되는 횟수의 순차모델링이 필요하다. 이에 따라 송신원의 개수가 수진기의 개수에 비해 상당히 많은 해저면 탐사자료에 있어 파형역산의 계산비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 좁은 벌림(offset)에서 PP와 PS 반사파가 압력 및 수평입자가속도 자료보다 약한 진폭으로 나타나는 유사 수평입자가속도 자료를 역산에 활용함으로써 장파장속도구조를 우세하게 구축할 수 있으며 이를 통해 파형역산이 갖는 비선형성 문제를 완화할 수 있다. 제시된 파형역산 전략을 합성자료 및 북해 Volve 유전에서의 현장자료에 대해 적용해 보았으며, 이 시험을 통해 제시된 공통 수진기 모음 이용 전략이 유사한 역산 결과를 적은 계산량으로 얻을 수 있다는 것을, 또 압력 자료를 이용하는 경우보다 유사 수평입자가속도 자료를 파형역산에 이용하는 것이 속도모델의 단파장 구조의 구축을 제한하여 의미있는 지하 P파 속도모델에 수렴할 수 있다는 것을 보였다.