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。     

非局部平均滤波噪声压制方法及其在VSP资料逆时偏移中的应用

基于双程波的逆时偏移会产生低频成像噪声,在成像后运用拉普拉斯滤波法可以取得较好的压噪效果,但是,该方法严重依赖于角度参数,使得滤波后的成像剖面上常常存在同相轴不光滑和噪声压制不完全的情况。基于叠后地震资料同相轴结构的特点,为进一步提高逆时偏移叠加数据的信噪比,引入了非局部平均滤波法,针对拉普拉斯滤波后的成像数据进行进一步的压噪处理。非局部平均滤波法将输入的地震数据分解为不含噪声的地震数据和噪声数据两部分,利用不同成像点与其它成像点间的相似系数,实现滤波处理。二维复杂模型VSP正演模拟数据逆时偏移结果的试算表明,应用非局部平均滤波后的剖面信噪比得到进一步提高,同相轴的连续性明显增强。实际VSP资料逆时偏移低频噪声压制试处理也表明非局部平均滤波方法具有计算精度高、算法稳定性好和易于实现的特点。     

各向异性介质中弹性波逆时偏移技术的研究现状与展望

基于矢量波动理论的多波地震技术在解决各向异性地层的精确勘探方面具有理论基础优势,纵、横波深度域成像是多波地震资料处理的关键之一,多分量联合逆时偏移是实现纵、横波深度域成像的重要方法之一。总结了横向各向同性(TI)介质中弹性波逆时偏移技术的研究现状,重点分析了弹性波延拓和纵、横波成像中各个环节的实现思路与存在的主要问题,在此基础上探讨了该领域未来的研究方向。TI介质中弹性波方程逆时偏移领域重点技术主要包括:三分量地震数据之间的频谱一致性处理技术、各向异性随机边界构建技术、各向异性逆时偏移的噪声压制技术、数据驱动的TI介质中的纵、横波解耦技术、更准确的纵、横波传播方向求取技术和横波三叉区的处理与成像技术等。     

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。     

粘弹VTI介质单程波正演模拟与照明分析

实际地下介质不仅表现各向异性的特征,同时还表现粘弹性的特征,对入射波和反射波的传播及能量分布造成一定的影响。为了更加准确地分析地震波在实际地下介质中的传播规律,利用改进的单程波动方程数值模拟方法,对粘弹VTI介质模型进行qP波正演模拟以及点震源和不同角度入射平面波震源的照明度分析,并对正演及照明结果进行了对比分析。通过两组模型试验,总结了地震波在粘弹VTI介质中与在弹性各向同性介质中传播的不同之处:一方面,介质存在粘弹性会对在其中传播的地震波能量造成吸收;另一方面,介质还存在各向异性,导致地震波在介质中传播速度随方向变化,对地震波的能量分布造成影响。     

TTI介质各向异性伪谱法逆时偏移

在Thomsen精确相速度方程和弱各向异性假设前提下,将VTI相速度方程拓展为TTI介质相速度方程,进而得到TTI介质的P波方程。利用伪谱算法对P波方程进行了正演和逆时偏移,并和各向同性F-X域深度偏移效果进行了对比,结果表明:①对于各向异性介质,利用各向同性的偏移算法得到的结果会有误差,成像结果有明显的畸变;②在考虑效率和精度的前提下,伪谱法由于其利用快速二维傅里叶变换解决空间导数的计算问题,这对于实际应用中计算成本颇高的逆时偏移是一个较理想的选择;③推导的近似方程在弱各向异性条件下可以较好地应用于TTI介质中。     

TTI介质弹性波随机边界逆时偏移的实现

从TTI介质弹性波波动方程出发,推导出逆时偏移高阶有限差分算子,应用完全匹配层(PML)吸收边界条件压制边界反射,通过高阶有限差分与通量传输校正(flux-corrected transport,FCT)方法压制网格频散,建立起常规的TTI介质弹性波有限差分逆时偏移流程。在此基础上针对逆时偏移存储量大的问题,采用计算换存储的思路,引入随机边界条件有效减少存储空间,给出了便于实际应用的TTI介质弹性波随机边界逆时偏移方法实现流程。最后采用传统的拉普拉斯滤波方法压制低频成像噪声。多层模型和逆掩断层模型试算结果表明,随机边界逆时偏移流程与常规有限差分逆时偏移流程成像界面位置一致,只是存在少量可以忽略的随机噪声,证明了该方法的正确性与有效性。     

VTI介质角度域叠前深度偏移

研究了VTI介质角度域偏移方法,以各向同性双平方根方程的角度域偏移方法为基础,从VTI介质qP波频散关系出发,推导出VTI介质角度域偏移的波场延拓算子;在频率-波数域处理以横向均匀速度传播的波场,在空间域处理具有速度扰动特征的波场以提高波场延拓精度。模型试算和实际资料处理结果表明：各向同性偏移方法由于未考虑各向异性参数的影响,绕射波不能完全收敛,波场聚焦效果差,降低了成像剖面的分辨率和信噪比,不能对地质构造精确成像;VTI介质角度域偏移可对断层、盐丘、小尺度地质体精确成像。对于角度域偏移产生的角度域共成像点道集（ADCIG）而言,各向同性偏移的ADCIG同相轴无法校平,残留断点绕射波,波场无法正确聚焦,不能正确反映局部地质特征;VTI介质偏移的ADCIG同相轴较平直,角度范围更宽,波场归位准确,精度较高。因此,利用VTI介质角度域偏移方法可对复杂构造精确成像。     

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。     

基于复数域波场分解的保幅逆时偏移成像方法

逆时偏移(RTM)采用双程波方程与相关成像条件会产生低频成像噪声,通过叠后Laplace滤波可以压制低频成像噪声,但会损失有效的低频成像信息,在实际资料处理中表现为低频高陡断面波成像受到严重影响。反射角道集切除的方法理论上能有效压制低频噪声,但不能保证低频信号不受损失,而且需要进行逆时偏移角度道集的提取,计算成本和周期大幅增加,同时传播角度的精度对成像效果影响较大,低频噪声残留问题突出。为此,提出一种基于复数域波场(或复数波场)分解的保幅成像方法,通过复数波场运算实现上下行波和左右行波的分解和成像,理论上能够避免低频噪声的产生。针对复数域波场分解在实现过程中需要进行高维希尔伯特变换、计算量和存储量成倍增加的问题,采用复数波场空间域褶积的方法避免了高维傅里叶变换与反变换的运算,在GPU上实现了高效成像,效果与效率得到兼顾。模型和实际数据的应用结果表明,该方法能够在计算量和存储量增加不超过20%的条件下,实现波场分解与逆时偏移,成像剖面保幅性高,噪声剖面无有效反射同相轴,低频高陡构造的成像效果优于传统的RTM成像方法,对于深部断层成像和落实有利圈闭具有实用价值。     

VTI介质各向异性参数角道集层析反演

目前的各向异性层析方法主要利用不同范围的炮检距信息或角道集信息反演各向异性参数,但缺少对反演中角道集划分的定义。为此,首先根据旅行时对Thmosen参数的一阶偏导数和对Thmosen参数及相角的二阶偏导数进行敏感性分析,明确定义小、中、大角道集的范围;然后利用各向同性单程波偏移及速度层析建立基础速度场;再利用Poynting矢量提取VTI介质逆时偏移角道集;最后利用小角度道集剩余曲率反演Thmosen速度参数、中角度道集反演Thmosen参数δ、大角度道集反演Thmosen参数ε。简单洼陷模型试算结果说明方法的正确性,复杂构造模型试算结果验证了方法的适用性。     

弹性波逆时偏移的角度域共成像点道集提取方法

对于多分量地震勘探,由于介质中纵、横波的耦合作用,多波角道集存在能量串扰和低波数噪声干扰等问题。针对横波Poynting矢量构建过程中存在的应力串扰问题,基于解耦延拓方程及伪横波应力构建方法,对质点振动速度和应力进行解耦,实现了无能量串扰的纵波和横波Poynting矢量构建;在基于Poynting矢量提取PP波反射角和PS波反射角的基础上,提出了基于弹性逆时偏移的PP波和PS波角道集提取方法;针对PP波角度域共成像点道集存在的低波数噪声干扰问题,提出了角度域共成像点道集的角度衰减叠加策略,提高了偏移成像精度。应用模型数据验证了方法的正确性。     

结合泊松算法和波场分解成像条件的各向异性优化纯声波方程逆时偏移

常规各向异性逆时偏移主要采用伪声波方程,该类方程容易引起成像剖面上的伪横波干扰及数值不稳定,发展各向异性纯声波方程能够较好地解决上述问题。为此,首先回顾了TTI介质中两种常用的伪声波方程;再采用最小二乘方法获得了优化的纯声波频散关系;在此基础上,结合泊松算法和有限差分求解高精度纯声波方程。在传统互相关成像条件中,全波场信息均参与其中,容易引起较强的低频噪声干扰。鉴于此,将基于Hilbert变换的复数波场分解成像条件推广至各向异性介质,对获得的TTI纯声波沿不同方向分解,选取传播方向相反的波场分量参与最终成像。理论和模型算例表明,将优化纯声波和波场分解成像条件结合能够有效压制各向异性逆时偏移中的伪横波干扰及低频噪声,获得高质量的成像剖面。     

叠前逆时深度偏移成像的实现与应用

介绍了高阶有限差分求解双程波动方程和完全匹配层吸收边界条件的基本理论原理.根据逆时偏移实用化所面临的技术瓶颈,提出了GPU/CPU异构协同并行方案和震源波场重构存储策略,有效解决了逆时偏移对海量计算和存储的需求.从逆时偏移成像噪声的产生机理出发,根据噪声的传播方向一致特性、大角度特性和低频特性,采用组合压噪流程,建立针对复杂构造成像的实用化叠前逆时深度偏移技术,最大程度地压制偏移噪声、保留有效信号.理论模型测试和实际资料处理表明,该技术能够有效解决复杂地质条件下的地震成像问题,尤其是对盐丘边界和盐下等特殊构造的刻画均有显著效果.     

VTI各向异性叠前深度偏移技术应用研究——以JZ工区三维地震资料处理为例

实际地下介质广泛存在各向异性,采用各向同性叠前深度偏移方法成像精度较低。在理论分析的基础上,给出了一套VTI各向异性叠前深度偏移处理流程,即在各向同性叠前深度偏移的基础上,求取VTI各向异性参数,进行VTI各向异性叠前深度偏移。将该流程应用于JZ工区实际资料处理中,并与各向同性叠前深度偏移成像效果进行了对比,结果表明,VTI各向异性叠前深度偏移技术是提高复杂构造的成像精度、改善成像效果的有效方法。     

正交各向异性介质反射系数精确解

中国陆相沉积岩大多具有薄互层特征,当受到构造运动的影响时,会发育垂向或近似垂向的高角度裂缝,呈现出典型的正交各向异性,可看作是VTI和HTI各向异性的叠置。研究正交各向异性介质的AVO响应特征对裂缝型储层的精细刻画有重要的意义。针对VTI背景介质中发育的一组直立裂缝诱导的正交各向异性,采用Tsvankin提出的各向异性参数构建刚度系数矩阵,再根据Christoffel方程和边界条件推导了精确反射系数和透射系数的计算方法。理论模型试算表明：①若P波从低阻抗各向同性介质入射至高阻抗正交各向异性介质,背景介质VTI各向异性强度的增大会导致PP波反射系数增大、PS1波和PS2波的反射系数减小;而随着裂缝弱度的增强会导致PP波反射系数的减小、PS1波和PS2波的反射系数的增大。②若P波从高阻抗各向同性介质入射到低阻抗正交各向异性介质,PP波、PS1波和PS2波的反射系数变化规律与①相反。③PP波反射系数的方位各向异性远小于PS1波和PS2波。与Rüger反射系数近似公式计算结果的对比,验证了该反射系数计算方法的正确性。     

VTI介质qP波广义高阶屏单程传播算子

 本文从VTI介质弹性波波动方程入手，通过本征值方法及声学理论近似建立了VTI介质qP波频散关系方程，再根据介质扰动理论深入研究了VTI介质qP波广义高阶屏单程传播算子。将VTI介质参数场分解为均匀各向异性速度场、速度扰动场以及各向异性参数扰动场，这样qP波广义高阶屏单程传播算子就由背景介质波场自由传播项和各向异性扰动项两部分组成。背景场的计算在波数域完成，而非均匀各向异性扰动项(包括慢度扰动项、各向异性参数扰动项)在空间域计算。当各向异性参数横向变化较为剧烈时，采用高阶屏算子能提高单程qP波高角度传播精度。均匀各向异性介质和复杂各向异性介质模型脉冲响应试验表明：qP波广义高阶屏算子不仅在大角度传播时能够满足精度要求，而且能够适应任意强横向变速、强横向各向异性扰动时的情况，适用于复杂VTI介质qP波地震深度偏移。     

逆时偏移技术发展现状与趋势

逆时偏移比单程波波动方程偏移和克希霍夫积分偏移更适于复杂构造成像。基于双程波波动方程进行波场逆时外推,并应用成像条件提取成像值,可以得到逆时偏移数据体。实例分析表明,逆时偏移对盐体侧翼及盐下构造的成像效果要优于单程波波动方程偏移。然而,由于采用有限差分算法以及需要保存大量的震源波场数据,因而逆时偏移的计算成本很高,使其无法适应大数据量的地震数据处理;而由互相关成像条件引入的低频噪声也是困扰逆时偏移实用化的一个问题。在总结和分析逆时偏移技术的进展以及国外地球物理公司关于逆时偏移技术发展策略的基础上,结合研究现状,阐明了逆时偏移未来的发展趋势和研究重点。分析认为,进一步提高逆时偏移的计算效率仍然是未来几年逆时偏移技术发展的重要方向,弹性波逆时偏移和各向异性逆时偏移将会越来越受到重视。     

弦截迭代法在求取P-S转换波转换点位置和旅行时中的应用——以单一水平界面VTI介质为例

求取转换点位置是进行转换波资料处理的重要环节,目前主要有严格的解析方法、基于泰勒级数展开的近似解析方法和基于射线理论的迭代方法3种。以单层水平界面VTI介质为例,给出了弦截迭代方法计算转换点位置和旅行时的步骤和公式;通过各向同性介质、VTI介质模型计算,对3种方法的计算精度进行了对比,讨论了各向异性参数对转换点位置和走时的影响,通过强各向异性介质模型探讨了弦截迭代法应用的局限性。研究结果表明,弦截迭代法由于没有使用任何近似,因此在事先给定的计算精度范围内是准确的,但在长偏移距和强各向异性介质同时存在的情形下,反射的SV波会出现“三叉区”现象,从而导致该方法失效。