复杂TTI介质稳定的纯qP波波场模拟方法

作为各向异性逆时偏移技术的基础,复杂各向异性介质情况下精确而稳定的波场模拟至关重要。本文给出一种针对复杂倾斜横向各向同性（tilted transversely isotropic,TTI）介质的稳定的纯qP波波场模拟方法。该方法基于Xu提出的伪微分算子分解思路,通过分析新算子的频散特性,引入旋转坐标系下的自共轭算子以保证稳定性,导出新的TTI介质一阶纯qP波控制方程;在Lebedev交错网格框架下推导了新方程的高阶有限差分形式,给出2次计算波场梯度的数值算法实施策略,以进一步保证波场模拟精度。均匀各向异性介质及复杂TTI介质模型的数值试算结果表明：新控制方程不受伪横波影响;相对于有限横波qP波波场模拟等算法,新算法可得到更稳定的各向异性纯qP波波场,即能更适应各向异性对称轴参数的空间变化,可应用于高精度纯qP波逆时偏移,改善对各向异性介质的成像质量。     

高精度屏算子地震偏移成像方法研究

从波场延拓的非稳态相移公式出发,基于反问题求解中常用的摄动理论,利用单平方根算子的渐进展开,推导出了波动方程广义屏叠前深度偏移算子方程的高阶形式;针对散射波场计算项对于横向变速介质的不稳定性问题,通过数学近似提出了有效提高稳定性的策略并应用到波场递归外推过程中,从而得到一种稳定的高精度屏算子地震偏移成像方法。数值试验和实际资料处理表明,该方法具有更高的精度,对宽角度信息成像更好,是对传统广义屏算子的有效补充和发展。     

基于反射波动方程的地震反射数据波形成像

在有关波现象和地下介质物理性质空间变化的高频近似条件下,散射波退化为反射波,相应的散射波动方程退化为基于阻抗相对扰动的反射波动方程;再通过定义反射率为阻抗相对扰动沿入射波传播方向的方向导数,推导出基于反射率变化的反射波动方程。利用推导出的反射波动方程和线性反演理论,建立基于反射波动方程的地震一次反射数据波形成像方法。根据基于阻抗相对扰动的反射波动方程和基于反射率变化的反射波动方程,首先应用反射波传播算子的伴随算子,建立阻抗相对扰动近似反演方法和反射率波形偏移方法;再应用反射波传播算子的最小二乘逆算子,建立阻抗相对扰动最小二乘反演方法和反射率最小二乘波形偏移方法。针对波场传播算子的最小二乘逆算子的巨大计算量和不稳定性,在阻抗相对扰动的最小二乘反演和反射率的最小二乘波形偏移中均采用迭代方式求解。本文提出的波形成像方法,可在波动方程意义下真实地应用地震数据的波形信息,因此是真正的波动方程偏移成像方法。     

复杂各向异性介质初至波射线追踪

准确求取各向异性初至波走时与射线路径对偏移成像及层析反演具有重要意义,目前基于图论的最短路径方法虽然能同时得到走时与射线路径且无条件稳定,但仅适用于弱各向异性介质。利用牛顿下山法求解群相关系方程,由群角得到较为精确的相角,进而求得较为精确的群速度和走时,使得最短路径射线追踪方法可以适用于复杂各向异性介质。将此射线追踪方法应用于均匀各向异性介质及层状介质模型,并将试算结果分别与理论走时和弹性波动方程有限差分结果进行比较,验证了方法的准确性;通过复杂各向异性介质模型试算,验证了方法对复杂介质的适用性。     

VTI介质频率——空间域准P波正演模拟

本文从VTI介质弹性波动方程出发，借助VTI介质弹性参数和Thomsen参数，结合Kelvin-Christorffel方程，推导了VTI介质中准P波动方程，并对VTI介质准P波进行了正演模拟。在正演模拟中，为了克服常规差分算子的数值频散，采用了25点优化差分算子；再依据最优化理论求取的优化系数建立了频率-空间域中准P波波动方程的差分格式；为了消除人为边界反射，根据特征分析方法并利用Kelvin-Christoffel方程，构建了VTI介质中准P波方程在不同边界和角点处的边界条件，再由准P波波动方程和边界条件，通过频率-空间域有限差分法，对准P波在均匀VTI介质，层状VTI介质和回陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟。通过正演模拟，得到了单频波波场，时间切片和共炮点记录，为研究地震成像及反演等提供了依据。     

基于波动方程解析解的块约束广义声阻抗反演

由于前期处理过程多数情况下基于声学介质假设,叠前地震道集更趋向于声学AVO特征。密度作为一种非常可靠的弹性参数在储层描述中起着关键作用,但反演过程不稳定。为此,提出基于声波方程解析解的块约束广义波阻抗反演方法。该方法通过部分叠加剖面反演随入射角变化的广义声阻抗,在此基础上提取稳定的速度和密度参数。针对常规阻抗反演方法忽略透射损失、层间多次波问题,基于推导的递归公式,对一维声波方程进行解析求解,获取不同入射角的全波场响应,并利用链式法则推导了对应的模型导数用于梯度类反演算法。为提高反演结果的分辨率,在贝叶斯理论框架下引入块约束,以获取稳定且边界清晰的反演结果。模型数据验证了所提出的正、反演方法的有效性;通过噪声测试验证了块约束反演方法的抗噪能力以及边界刻画能力;实际资料反演结果表明,新方法的反演结果分辨率高,边界刻画清晰,提取的速度、密度参数稳定且准确。     

TTI介质一阶qP波稳定方程波场数值模拟及逆时偏移

相比于各向异性介质弹性波波动方程,利用声学近似的各向异性介质qP波方程进行波场数值模拟及逆时偏移更具优势。常规的声学近似方法往往会造成非均匀TTI介质中倾角剧变区域出现数值不稳定。为此,基于精确的TTI介质qP-qSV波耦合频散关系,首先引入一个各向异性控制参数σ,推导了新的TTI介质二阶qP波稳定方程,并通过引入波场的伪速度分量,将其转换为等价的一阶应力-速度形式波动方程。然后,利用优化的最小二乘交错网格高阶有限差分(LS-SGFD)方法数值求解TTI介质一阶qP波稳定方程,构建波场延拓算子,实现了精确的各向异性介质波场模拟及逆时偏移成像。模型试算结果表明,TTI介质一阶qP波方程能够稳定地模拟qP波的波场传播特征,利用优化的LS-SGFD方法能够有效地提高波场模拟的精度,进一步可以改善偏移成像质量。     

横向各向同性介质拟声波一阶速度—应力方程

基于弹性波的基本理论,首先推导了VTI介质拟声波一阶速度—应力方程,通过坐标变换,还得到了TTI介质拟声波一阶速度—应力方程,并从能量守恒的角度证明了上述方程比基于频散关系推导出的拟声波方程更加稳定。针对各向异性参数ε<δ的模型,对新推导的方程引入横波项,消除了残留的横波产生的数值模拟不稳定现象。通过对均匀二维模型和逆冲模型的正演模拟表明:新推导的方程不仅能很好地维持qP波的运动学特征,而且能够很好地适应任意旋转角度的TTI模型,并且在旋转角变化的TTI介质中数值稳定性要好于基于频散关系推导出的拟声波方程。     

基于波动方程的多分量数据叠前反演

基于弹性介质中的波动方程,根据Tarantola提出的全波形反演理论和波场回传技术,给出了用正演波场和剩余波场表示的目标函数梯度的计算公式,用可控共轭梯度法迭代反演介质的弹性参数和密度。该方法无须纵、横波场分离,且能自动考虑反射、透射、绕射、波型转换等波的行为,适用于任意复杂非均匀介质中多分量数据的叠前反演。对我国西部某气田实际的2D3C数据进行反演,给出了含气区域的预测剖面,钻井结果验证了方法的有效性和预测结果的可靠性。与常规叠后反演和AVO技术气藏预测结果比较,该方法更适合复杂介质油气藏的描述。     

三维TTI介质中的弹性波场分解

根据三维TTI介质倾斜对称轴与观测坐标系之间的几何关系,经坐标旋转,可以将其近似看成三维VTI介质,故适用于VTI介质的波场分解方法就可以应用于TTI介质。为此,从三维各向异性弹性波动方程出发,通过求解Christoffel方程的特征向量,构建了三维VTI介质的波场分解算子;再利用坐标旋转推导了三维TTI介质的波场分解算子;最后通过泊松方程实现三维TTI介质的弹性波场分解。引入改进的快速算法,避免了直接求解泊松方程。推导的分解算子考虑了随空间变化的弹性参数和倾斜对称轴,可适用于复杂的三维TTI介质模型。当各向异性参数以及对称轴倾角都为零时,该算子可以退化为各向同性的形式。数值计算结果表明,该TTI介质波场分解算子比各向同性或VTI介质算子能得到更精确的分离结果,可高效实现三维各向异性矢量弹性波场分解。     

半空间SH波方程的非线性反演问题

从半空间的ＳＨ波方程出发，得到均匀介质背景下的非线性反演积分方程。利用矩量法离散积分方程，并采用正则化Ｂｏｒｎ迭代方法，最终完成非线性反演过程。数值模拟计算部分结合适当的改进方案给出了令人满意的结果。     

基于变子波反演的透射损失补偿方法北大核心CSCD

地震波穿过介质分界面时,会产生透射损失。当上覆地层存在强反射界面时,这种透射损失是不可忽略的,它会影响叠后地震属性提取及波阻抗反演的精度,影响油气预测的准确性。本文提出了一种基于变子波反演的叠后地震数据透射损失补偿方法。首先研究了包含透射损失的叠后变子波地震道模型,在此基础上,研究了稀疏约束下的反射系数反演方法。利用反演得到的反射系数实现了透射损失的补偿。数值模拟实验及实际资料处理均取得了良好的效果。     

完全非均匀介质中的单行波方程

在研究波动方程偏移的技术中,通过引入广义差分延迟算子的概念可得到时空域中完全非均匀介质的单行波方程。由该方程出发,利用z变换与傅里叶变换关系可导出Gazdag在频率波数域中提出的90°单行波方程。将根据广义差分延迟算子的运算性质得到的差分公式运用于傅里叶变换后的变速度的二维声波方程,再采用适当的逼近公式来近似方程中的平方根,便可得到目前用于模拟和偏移的Stolt的45°单行波方程。本文在该方程中进一步引入了Crank-Nicolson一阶有限差分算子来代替中心差分算子,从而得出了45°无条件稳定差分格式的单行波方程。通过实际处理人工合成剖面证明,用这种差分格式作偏移要比常规算法准确和省时。     

频率域八阶NAD有限差分模拟及全波形反演

全波形反演是一种利用波动方程与最优化算法定量获取地下介质物性参数的高分辨率成像方法。正演模拟是反演的基础,为进一步提高正演计算效率,提出用八阶频率域近似解析离散化（NAD）方法离散二维声波方程,详细推导了高阶NAD格式的构造过程,并采用一类不精确旋转分块三角预处理算子加速Krylov迭代方法求解离散后得到的大型稀疏线性代数方程组。波场模拟与数值频散分析结果体现了该方法在压制数值频散和提高计算效率方面的优势,即每个波长少于2个点即可准确恢复波场,突破了采样频率极限。运用所构造的正演算法进行反演,并对两种典型的分层介质模型和Marmousi模型进行频率域全波形反演,得到了高分辨率、高保真的计算结果,结合反演误差曲线验证了所提方法的有效性和适用性。     

波动方程混合法真振幅偏移

本文从三维不均匀介质中的波动方程外推算子分解出发，得到了用于真振幅偏移的单程波方程；再经过一系列数学变换，推导出裂步傅里叶法真振幅偏移和傅里叶有限差分法真振幅偏移的波场外推方程。文中还给出了其具体的实现过程，并采用Marmousi模型的数值计算结果进行验证，表明此方法在总体上与相应的常规偏移结果相当，在某些局部处理效果有较大改善。     

VTI介质弹性波波场分解的空间域算法

本文在波数域波场分解方法的基础上,研究了VTI介质中弹性波波场准纵波、准横波分解的空间域算法。通过求解克里斯托弗尔方程,得到准纵波与准横波的偏振方向及波数域波场分解算子,对其进行反傅里叶变换得到空间域波场分解算子;由空间域波场分解算子与原始波场的褶积即可得到对应不同波型的具有多分量特征的波场分解结果。由于在不同空间位置处采用不同的分解算子,故本文算法能适应各向异性参数随空间位置变化的情况。分别采用均匀VTI介质模型、层状VTI介质模型和Sigbee2A VTI模型进行了模拟试算,模拟结果验证了算法的有效性。     

基于变子波反演的透射损失补偿方法

地震波穿过介质分界面时,会产生透射损失。当上覆地层存在强反射界面时,这种透射损失是不可忽略的,它会影响叠后地震属性提取及波阻抗反演的精度,影响油气预测的准确性。本文提出了一种基于变子波反演的叠后地震数据透射损失补偿方法。首先研究了包含透射损失的叠后变子波地震道模型,在此基础上,研究了稀疏约束下的反射系数反演方法。利用反演得到的反射系数实现了透射损失的补偿。数值模拟实验及实际资料处理均取得了良好的效果。     

伪谱法地震波传播数值模拟

介绍了建立在弹性波方程基础上的伪谱法地震波传播正演模拟及其模拟结果。伪谱法的特点是用快速傅立叶变换（FFT）求解波动方程,数值模拟效率很高,其主要研究的是各向异性介质和层状介质中地震波传播 的特征。相应的程序可用于均匀介质和不均匀介质中地震波传播的模拟。模拟结果表明,伪谱法是一种有效的地震波数值模拟方法。     

分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程的最小二乘逆时偏移

衰减补偿型逆时偏移方法能沿波的传播路径对地震波所经历的振幅衰减和相位畸变进行补偿,可提高成像精度和分辨率,但该方法需模拟呈指数增长的地震波场,存在数值不稳定问题。为此,在最小二乘反演理论框架下,基于分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程,推导其对应的Born正演模拟算子和伴随方程,利用反演思路逐步补偿地震波的吸收衰减,解决了传统衰减补偿型逆时偏移方法的不稳定问题。该最小二乘逆时偏移方法采用新颖的常分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程描述地震波的衰减和频散,与实际广泛使用的常Q模型匹配精度高;在反演算法方面,使用限域拟牛顿（L-BFGS）方法计算反射率模型的更新量。Marmousi模型数据和实际数据的偏移算例证实,所提黏滞声波最小二乘逆时偏移方法能稳定地补偿介质的黏滞性,获得高分辨率的地下反射率模型。     

简化的三维TTI介质黏滞纯声波方程及其数值模拟

地球介质普遍具有非弹性和各向异性特征,因此在研究地震波在地下空间传播时应该同时考虑各向异性和黏滞性。在各向异性介质波场模拟、偏移成像和波形反演中,目前主要采用的是伪声波方程,该类方程是在直接将横波速度设置为0的基础上发展的,当介质参数不满足假设条件时容易产生伪横波数值干扰及模拟不稳定。考虑到伪声波方程存在的问题,文中应用泊松算子和有限差分相结合的策略求解高精度的三维TTI介质纯声波方程。同时,考虑到衰减介质对地震波振幅和相位的影响,在各向同性黏滞声波方程的基础上,推导了一种简化的三维TTI介质黏滞纯声波方程,该方程能够模拟纯声波的相位畸变和振幅衰减。应用三维层状模型、TTI楔状体模型和改进的Marmousi模型验证了方法的有效性和适用性。