基于PML边界的变网格高阶有限差分声波方程逆时偏移

叠前逆时深度偏移采用全声波方程求解,不受介质横向速度变化和高陡倾角的影响,具有成像精度高、相位准确、实现回转波成像等优点。逆时偏移利用双程波动方程构造波场延拓算子,正向延拓时间域震源点波场,逆时反向外推时间域检波点波场,然后利用互相关成像条件实现成像,因此正演模拟技术是其成功与否的关键。当浅层为海水或者低速层时,常规的有限差分方法必须采用小网格才能有效压制频散,得到高质量的波场记录,从而保证成像精度。但是若对整个区域都用小网格和小的时间采样间隔进行波场计算,势必造成计算量的增加。本文给出了声波方程变网格算法的差分格式,推导了基于PML边界条件的变网格高阶有限差分方程,将可变网格和可变时间步长算法应用于逆时偏移的波场外推,既保证了波场外推计算的精度和最终逆时偏移的成像效果,同时又提高了计算效率,并通过数值算例试算和逆时偏移成像的应用,说明了该方法的有效性和可行性。     

基于局部平面波分解的逆时偏移角道集提取方法

高精度地震勘探的普及和GPU技术的发展,使叠前逆时偏移技术得到日渐广泛的实际应用。逆时偏移方法成像精度高,对复杂地质构造成像效果好,且不受地层倾角限制。角度域共成像点道集作为逆时偏移的重要输出,可为速度分析、AVA分析提供速度、振幅等信息。本文提出一种逆时偏移角道集提取方法,采取局部平面波分解法将震源波场和检波点波场分解为局部角度分量,再利用角度域互相关成像条件输出角道集。该方法对复杂构造的适应性较好,尤其适用于在逆时偏移中提取角道集。通过模型试算和实际资料测试,验证了方法的可行性和有效性。     

子波延迟对逆时偏移成像精度的影响

共炮集数据叠前逆时偏移成像需要在深度方向对震源波场和接收波场分别进行正向和反向延拓,对于成像值的提取,传统的做法是两种波场延拓到所有时间相同时刻都要进行互相关,不同时刻互相关值叠加在一起就是所提取的成像值。通常假设下行波是脉冲波或最小相位子波时,都能得到准确的成像,但是对于实际地震资料,同相轴的拾取一般都追踪子波波峰,它相对于初始时间有一个短延续长度,因此采用互相关成像条件的叠前逆时偏移,其成像位置有一定误差。为此,利用有限元法波动方程叠前逆时偏移程序模拟地震记录并进行逆时偏移,讨论震源波场及接收波场中子波延迟对成像精度的影响。数值模拟试验表明,子波对成像位置误差与2种波场中子波相对延迟时间长短和反射点周围速度大小及子渡延续长度有关。     

波场分离互相关成像条件的叠前逆时偏移

对于陡倾角构造和复杂速度模型的成像,逆时偏移被认为是目前最好的偏移成像技术。然而,传统的互相关成像条件产生的低频率、强振幅的噪声严重地影响了有效信号的识别。为此,通过实现基于有限元法的声波方程的叠前逆时偏移,加载了完全匹配层吸收边界,压制了边界反射能量;并通过分析逆时偏移剖面低频噪声产的生原因,把震源波场和接收波场分离为单程波,然后对分解的波场选用有效分量进行互相关成像,以达到压制成像噪声的目的。通过数值模拟,并应用有效的波场成分进行互成像条件的处理,验证了该方法对压制成像剖面中的低频率、强振幅噪声的有效性。     

基于P/S波解耦和上下行波分离的二维VTI介质弹性波逆时偏移

VTI介质弹性逆时偏移可以有效地揭示地下地层结构，是当前流行的成像方法之一。首先构建VTI介质下的Christoffel方程，对该方程进行特征分析得到VTI介质下P波和S波的极化方向向量。根据Helmholtz分解原理，将各向异性弹性波场投影到P/S波极化方向矢量上，得到VTI介质下向量P/S波波场分离公式。然后通过一阶泰勒展开式对P/S波分离公式中的归一化项进行近似，得到一种高效且适用于任意复杂介质的各向异性P/S波解耦方法，并应用于弹性波逆时偏移。此外，低频噪声和成像假象严重干扰了逆时偏移的成像质量，前者由同路径波场成像造成，后者由于炮点上行波与检波点下行波相关形成。为此，将上下行波分离成像条件引入VTI弹性波逆时偏移成像，提出一套结合各向异性P/S波模式分离技术和上下行波分离的成像流程，有效地压制了成像中的低频噪声和串扰假象，提高了成像质量。最后，简单和复杂模型的成像结果均验证了方法的有效性。     

地震偏移中的时移成像条件

通过对成像点处的源点波场与接收波场匹配分析可实现基于单散射近似的地震成像。互相关是一种波场匹配分析的常用方法。经Kirchhoff积分法偏移或波动方程偏移后,地表地震数据成为关于空间和时间变量的深度域波场。简单的成像条件即利用零时间延迟的源点波场与接收波场互相关提取成像值。互相关成像条件可以在时间域和空间域实现应用。基于延迟波场的互相关成像可用于成像准确性分析以及实现角度域成像。介绍了一种时移(时延)波场的互相关成像条件。由该成像条件得到的成像结果是关于源点波场与接收波场之间时移量的函数,可用于积分法偏移、波动方程偏移或逆时偏移的时移道集和反射角度道集成像。利用模型数据数值试验展示该方法的主要特点。     

逆时深度偏移中的子波拉伸校正

文中提出一种在逆时偏移的波场延拓后、应用成像条件前对地震数据进行子波拉伸校正的方法,在延拓过程中分别提取各网格点震源波场和接收点波场在成像时刻的地震子波,对其进行压缩处理,再应用归一化波场分离互相关成像条件,得到拉伸校正后的成像结果。该方法不改变成像结果的振幅与相位。其中,子波压缩计算需要的各网格点的反射角和局部地层倾角由地震波场的坡印廷矢量(Poynting vector)计算得到。数值算例表明,该方法能够校正由于反射角增大引起的子波拉伸效应,提高逆时偏移的成像品质,为AVA/AVO分析提供高精度的输入道集。     

逆时偏移技术在HSX地区的应用

逆时偏移理论基于全波动方程,是目前最精确的偏移技术之一,比克希霍夫积分偏移更适于复杂构造成像。HSX地区地表起伏较大,地下构造复杂,实现逆时偏移应用,首先必须解决速度建模的问题,通过构建特征层位的方法,将具有相同或相近波场特性的地层划分成组,通过特征层位约束可以大大提高层析反演的效率,有效改善了速度建模的精度。逆时偏移基于双程波动方程进行波场逆时外推,必然会产生低频噪音。拉普拉斯算子滤波技术有效压制了噪音,保持了剖面的特征。实际资料应用表明,逆时偏移对断层接触关系和大角度断裂系统的复杂构造成像效果要优于克希霍夫积分偏移。     

Walkaway VSP自由表面多次波叠前深度偏移成像

通常Walkaway VSP、3D VSP利用上行反射纵波成像研究井旁构造、储层特征,而将自由表面多次波作为干扰波压制。与上行反射相比,自由表面多次波具有易识别、照明宽、反射角小、传播路径长的特点。为此,研究了Walkaway VSP自由表面多次波叠前深度偏移成像。主要技术思路为:将Walkaway VSP共炮点z分量道集排成共检波点道集,根据炮、检互易原理,采用ω-x域显式单程波算子将震源子波从检波点延拓至自由表面,然后从自由表面分别延拓共检波点波场、震源波场,利用相关成像条件提取成像值,实现叠前深度偏移。模型及实例测试结果表明:①按照自由表面多次波传播路径进行单程波叠前深度偏移,成像结果与地震剖面波组吻合较好,思路简单、易于编程;②与一次反射波相比,自由表面多次波成像的纵、横向照明范围更大,可以实现检波器上方成像,但其频率偏低。     

基于能量范数成像条件的一阶方程弹性波逆时偏移

弹性波逆时偏移能够充分利用地震记录数据,更接近于波传播规律,得到的多分量偏移成像结果能提供更准确、丰富的地下地质信息,但由于偏移过程中正反传波场各种分量混杂,基于逆时偏移框架直接采用常规互相关成像条件会造成偏移结果中干扰噪声较多。为此,提出了用一阶速度应力弹性波方程能量范数成像条件逆时偏移方法压制成像噪声。分析了能量范数成像条件噪声压制原理。数值求解时,方程其它变量求解过程不变,引入中间应变分量,构造应变时间偏导项,应变分量与其它分量同步更新,实现能量范数成像条件偏移。多个模型数据测试结果验证了该方法压制背向散射噪声的有效性。复杂模型试算结果表明:本文方法对比垂直、水平分量互相关成像条件偏移低频噪声得到压制,对比纵横波波场分离偏移则无需考虑转换波极性反转问题。     

VSP逆时偏移处理

VSP逆时偏移处理是一种适用性很强的波动方程偏移方法。其控制方程既能描述波的全方向传播,又能消除层间多次反射波。本文通过推广Claerbout成像原理确定出成像条件,以实际VSP数据求出边界条件,按时间逆的次序求解双程无反射波动方程。在每一步外推中,利用成像条件求得相应成像点的偏移值。当逆时外推至最小成像时间时,就能得到整个剖面的偏移结果。理论与实际资料处理表明,该方法能适应各种速度的变化,使偏移后的剖面具有较高的分辨率和信噪比,而且处理效率极高。     

各向异性弹性波高阶有限差分法叠前逆时深度偏移

采用高阶交错网格有限差分法算子构建了各向异性介质多分量弹性波动方程的高精度正演模拟和叠前逆时深度偏移的数值离散方程,在正演过程中采用最大绝对振幅能量法实现各向异性介质多分量初至旅行时的计算,并以此作为多分量双程弹性波叠前逆时成像条件,同时给出计算所需的稳定性条件、多分量叠前逆时成像的基本原理、吸收边界条件等,采用凹陷模型合成了共炮点道集,并进行多分量双程各向异性弹性波叠前逆时成像研究,并与对正演炮集进行多分量各向同性叠前逆时成像结果进行对比。计算结果表明,考虑了各向异性弹性波场的矢量特性,能够更为准确地实现叠前多分量弹性波场的成像问题,使地质层位中的断层、断点等复杂目标成像更加清晰准确,并且偏移成像精度较高,因此开展各向异性叠前逆时成像可为当前高精度岩性地震勘探提供方法指导。     

基于正反波场对比的逆时偏移假象分析

本文从逆时偏移成像原理出发,利用高阶交错网格有限差分法求解波动方程实现正、反向波场外推。对不同接收方向、不同排列长度及不同道间距所接收的地震数据做反向外推后与正向波场进行对比,分析正、反向波场存在差异的原因,进一步分析不同方向接收的地震数据逆时偏移假象的成因。通过对模型数据结果的分析认为：在逆时偏移过程中由于接收数据的不完整使得反向外推过程中产生新的波场,从而在偏移剖面中形成假象,这类假象可通过多炮叠加来消除;排列长度对逆时偏移成像的影响远大于道间距。     

时限时移相关法叠前逆时成像条件及其应用

地震波逆时偏移法是目前成像精度最高的成像技术。分析了相关法叠前逆时成像的基本原理,提出了时限时移相关法叠前逆时成像条件。运用高阶交错网格有限差分法,按照一定的观测方式合成了基于Marmousi模型的123个炮集记录,并应用时限时移相关法叠前逆时成像条件进行了叠前逆时深度偏移,将获得的剖面与反射系数深度剖面进行了对比。数值计算结果表明,应用时限时移相关法叠前逆时成像条件获得的偏移剖面准确反映了Marmousi模型中的各个地质反射界面及其反射系数的变化特征。与时空移相关法叠前逆时成像条件相比,时限时移相关法叠前逆时成像条件能够大大减少计算量和存储量,提高了计算效率。     

基于拉普拉斯算子的叠前逆时噪声压制方法

低频噪声是叠前逆时偏移成像的主要问题。分析了叠前逆时噪声的产生机制和基于拉普拉斯算 子的图像去噪机理,采用拉普拉斯算子分别在叠加成像域、共成像点域和共炮点域分别进行了叠前逆时 噪声的压制处理试验,并与高通滤波压噪方法进行对比。数值实例研究表明,偏移速度的不准确是造成 叠前低频逆时噪声的主要原因,此外正演子波波形与数值模拟记录波形的不匹配和应用相关逆时成像条 件是引入低频成像噪声的次级成因。另外,在不同域的基于拉普拉斯算子的低频噪声压制效果均较为明 显,其中在共炮点域的去噪效果最佳,且其去噪效果要优于常规滤波方法,去噪后的剖面上地层细节特征 更加清晰,共成像点道集上的水平同相轴能准确地凸显出来。     

一次波和层间多次波联合成像方法

地下强反射界面产生的层间多次波传播路径复杂，压制难度大而且成本高，一直以来都是困扰油气勘探的棘手难题。考虑到层间多次波也是来自地下界面的真实反射，同时逆时偏移可以实现多次波的正确归位，因此，从节省计算成本和提高成像精度的角度出发，开展了一次波和层间多次波联合成像方法研究。首先，通过分析联合成像过程，引入了基于上、下行波场分离的成像条件以提高成像精度；然后，重点针对联合成像过程中引入的串扰假象，分析了其产生机制，提出了基于缺失边界匹配补偿的解决策略，通过将震源正向延拓上边界与实际地震资料进行匹配求取匹配因子，并将其作用于缺失边界的正演数据，从而实现保真逆时延拓，有效避免串扰假象的产生；最后，应用数值试算验证了方法的可行性、有效性和适用性。     

基于波长平滑算子的逆时偏移回转波假象去除方法

基于相关成像条件的常规逆时偏移（RTM）不仅会产生低频假象,而且在强速度梯度带会导致通过简单叠后拉普拉斯滤波手段不能去除的回转波假象。本文引入上、下行波分离成像条件,分析得知RTM中回转波假象的产生是缘于强速度梯度带处震源波场上行波与检波点波场下行波的互相关。为了消除该假象且兼顾计算效率,提出一种基于波长平滑算子的回转波假象去除方法。该方法考虑了地震波长因素,通过对速度模型进行波长内平滑,使波场在强速度梯度处的传播特征更接近于真实速度中的波场传播特性。数值试算结果表明,该波长平滑算法能很好地压制RTM中的回转波假象,可在经典的RTM成像框架下进行高效的成像。     

正则化形式的稳定粘声逆时偏移成像方法

在粘声介质逆时偏移成像方法中,只要改变振幅衰减项的符号就可以从理论上进行衰减补偿,但是由于振幅补偿时间算子的补偿比例随着波数增加而呈自然指数级增长,因而使得高频成分伴随高频噪声被过度补偿,影响了最终成像结果的精度。基于预测校正策略,提出了一种正则化形式的稳定传播的粘声逆时偏移成像方法,推导出了一阶形式的稳定粘声补偿波动方程,用于震源波场与检波点波场的补偿延拓,该方程同时考虑了因地层吸收而导致的振幅衰减与相位频散的特性。分别利用水平层状模型以及局部Marmousi模型进行了方法测试,结果表明,提出的方法不仅可以有效补偿因地层吸收而衰减的能量,对成像结果的频带特征也有良好的展宽与恢复。相对于不考虑粘性特征的逆时偏移结果,该方法的成像结果中深层构造的刻画更加清晰;与采用仅考虑振幅衰减补偿方程的成像结果相比,该方法的成像结果中同相轴的位置更加准确,其深层构造的分辨率与可信度也有了进一步提升。