时空域波动方程混合网格有限差分数值模拟

传统2 M阶有限差分格式（Tradtional 2 Mth-order Finite-Difference Schemes,T2 M-FD）和时空域2 M阶有限差分格式（Time-Space Domain 2 Mth-order Finite-difference,TS2 M-FD）均是目前应用较普遍且具代表性的高精度有限差分方法。T2 M-FD仅基于空间域频散关系求解差分系数,模拟精度较低。TS2 M-FD基于时空域频散关系和平面波理论求解差分系数,模拟精度较高。T2 M-FD和TS2 MFD的差分格式相同,都是只利用常规直角坐标系中坐标轴上的网格点差分近似波动方程中的Laplace算子,而没能充分利用旋转直角坐标系中距离差分中心点更近的网格点来进一步提高模拟精度。本次研究提出利用常规直角坐标系和旋转直角坐标系中的网格点一起差分近似波动方程中的Laplace算子,并将Laplace算子表示为常规直角坐标系中M个Laplace算子和旋转直角坐标系中N个Laplace算子的加权平均,构建出一种新的混合2 M+N型有限差分格式（M2 M+N-FD）。推导出M2 M+N-FD基于时空域频散关系和平面波理论的差分系数计算方法,进行频散及稳定性分析。频散分析表明：与T2 M-FD和TS2 M-FD相比,M2 M+N-FD能更有效地压制数值频散,模拟精度更高。稳定性分析表明：M2 M+N-FD和TS2 M-FD的稳定性基本相当,比T2 M-FD的稳定性强。最后,利用M2 M+N-FD进行均匀介质和层状介质模型的数值模拟试验,并将其推广应用于Marmousi模型的逆时偏移,高精度的数值模拟结果和偏移成像质量证明了M2 M+N-FD的优越性和普遍适用性。     

非分裂完全匹配层边界存储时间域全波形反演

正演波场的储存或重建是制约时间域全波形反演的关键问题,以计算代替存储的常规分裂完全匹配层（PML）边界存储策略可有效减少存储量。但常规分裂PML边界条件所需变量个数多、计算存储量大以及编程复杂。为此,采用非分裂复频移完全匹配层（CFS-NPML）有效边界存储策略重建正演波场实现时间域全波形反演。研究表明：CFS-NPML所需变量个数少,在边界吸收层网格点较少时吸收效果优于常规PML边界条件,波场重建过程中所需存储量少于常规PML边界条件。数值试验表明,该存储策略得到的重建波场与正向传播波场几乎无差别,其全波形反演结果与常规保存波场反演法一致;正演过程中引入并行计算技术未显著增加波场重建导致的额外正演时间。     

基于分频编码的弹性波全波形反演

计算量与计算效率限制了全波形反演方法的应用，震源编码技术可以有效减少全波形反演的计算量，提升反演效率。传统震源编码技术要求各炮具有相同的接收点排列，在观测系统适应性方面存在不足，无法直接应用于滚动排列观测系统。为此，提出一种基于分频编码的弹性波全波形反演方法，即在正演过程中仍可同时对多个炮记录进行正向延拓，给每一炮赋以不同频率的谐波震源，使同时进行正向延拓的各炮波场在频谱上互不重合；在炮点波场正传和残差反传过程中，采用相位灵敏度检测技术提取每炮的单频波场，实现各炮波场的完全分离，用于构建波形反演梯度，实现模型更新。同传统震源编码技术相比，该方法不受观测系统限制，能应用于排列滚动的观测系统，具有更广的应用范围。     

基于波动方程重建震源子波的三维全波形反演

提出一种基于波动方程重建震源子波的三维全波形反演方法,通过提取叠前炮集近炮检距的直达波作为波动方程求解的边界条件,重新求解波动方程,并记录震源点处的时间序列作为地震子波。该方法利用震源波场重建原理模拟震源爆炸沿地表传播的逆过程,在逆推过程中提取近炮检距直达波,避免了折射波、反射波以及潜水波等干扰。该方法只使用模型表层速度,可以有效降低对初始模型的依赖。对三维SEG/EAGE推覆体模型以及实际工区数据的测试结果表明,基于波动方程震源波场重建子波与输入子波只存在相位差异,经过相位调整后,将重建子波用于三维全波形反演,全波形反演速度接近真实速度,特别是在河道处的全波形反演结果更加可靠,观测记录与模拟记录在波形、相位等方面均有较好的对应,验证了算法的可行性与适用性。     

VSP逆时偏移及其存储策略研究

在逆时偏移算法中,应用常规的随机边界方法虽可节约存储空间,但浅层常伴有随机噪声。应用PML边界方法虽可改善上述状况,却又面临地震波场存储的压力。为此,本文采用优化系数的高阶有限差分方法实现VSP数据逆时深度偏移,采用拉普拉斯去噪方法压制低频噪声,并兼顾考虑精度和存储,在PML边界震源波场正传过程中保存部分波场,进而利用保存的信息与检波点波场同步反传,不仅可有效地节约存储空间,也确保了替代波场信息的可靠性。断层模型测试表明,本文方法能够以低存储实现高精度的VSP逆时偏移,相比于地面地震偏移,断层成像更清晰、准确。     

基于波场分离的层析波形反演方法

全波形反演是利用地震数据的所有信息对地下模型进行重建的重要方法。但是当采集地震数据缺失低频和远炮检距信息时,常规的全波形反演方法只能恢复地下模型的短波长成分。本文给出了一种利用梯度分解和重组增强波形反演中长波长更新量的方法,该方法将全波形反演梯度分解为层析项和偏移项,梯度的层析项主要更新模型参数的长波长分量,由传播方向相同的波场互相关得到,而偏移项更新模型参数的短波长分量,由传播方向相反的波场互相关得到。本文利用坡印廷矢量进行波场分离进而将梯度分解,在将两项重组后得到层析项加强的新梯度。数值测试结果表明,这种基于波场分离的层析波形反演方法在常规全波形反演方法难以收敛时能收敛到准确的结果。     

纵横波分离的多震源弹性波全波形反演

弹性波全波形反演（EFWI）具有获取高精度纵、横波速度和地层密度的潜力,但计算成本高。纵、横波耦合会引起串扰噪声,降低反演精度。多震源编码技术能大大提高EFWI的计算效率,但会增加波场的复杂度,致使非线性问题更严重。为此,提出一种基于纵、横波分离的多震源弹性波全波形反演（ES_SEFWI）方法,通过动态震源随机编码技术压制多震源串扰噪声,同时采用波场分离技术缓解纵、横波耦合引起的串扰效应。纵、横波速度结构相关的Marmousi模型和纵横波速度结构不相关的Marmousi-Ⅱ模型测试结果表明,所提反演方法能有效压制串扰噪声并提高计算效率。     

近地表复杂区早至波全波形反演建模技术与应用

为提高近地表复杂区速度建模的精度,开展了早至波全波形反演的近地表速度建模技术研究,并将其应用于陆上三维实际地震资料处理。分析了全波形反演中非线性来源,确定地震数据偏移距选取范围,讨论了观测地震数据早至波提取及其波动方程正演模拟方法,介绍了早至波全波形反演的方法原理,探讨了早至波全波形反演在实际资料应用中的关键技术流程。研究确定了早至波全波形反演的反演策略:首先利用初至走时层析方法恢复近地表模型低波数信息,然后将其作为早至波全波形反演的初始模型,利用早至波信息进行反演,恢复模型的高波数成分。研究表明,早至波全波形反演对初始模型的依赖性低于常规全波形反演。陆上三维实际地震资料测试结果表明,早至波全波形反演建模结果相对于走时层析速度模型细节更加丰富,异常体空间展布描绘更加清晰。     

三维全波形反演高效异构并行计算

全波形反演(FWI)每次迭代都需要进行若干次地震波正演,计算量非常大,尤其在三维情况下,提高并行计算的效率和稳健性至关重要。引入随机边界来反传、重建震源波场,可充分发挥GPU的计算能力,从而实现反演梯度的高效计算,相比监测点(checkpoint)和有效边界技术,大幅减少了数据存储和数据交换的开销,具有计算效率高和存储量小的优点;开发了作业池并行作业管理机制,与常规消息传递接口(message passing interface,MPI)并行机制相比,可动态增减节点,具有近似线性的加速比,更适应大规模异构并行。采用三维SEG/EAGE推覆体模型进行了速度反演测试,结果证明该技术高效且可靠。     

降低弹性波全波形反演强烈非线性的分步反演策略

弹性波全波形反演是一种高精度估计地下弹性参数的有效工具,然而其面临的非线性问题比声波更加突出。本文提出一种降低非线性程度的分步反演策略,用于纵、横波速度的高精度重建。首先利用基于包络的弹性波波形反演方法重建纵横波速度的背景模型;然后应用基于时间域正演的频率域弹性波全波形反演方法,利用多尺度策略进一步降低弹性波全波形反演的非线性程度,恢复模型的中、高波数成分。数值实验结果表明,当地震数据中缺少低频和大炮检距成分时,这种分步反演策略对于重建高精度纵、横波速度模型非常有效,对于提高横波速度的反演精度效果尤其明显。     

基于优化算子边界存储策略的高效逆时偏移方法

随着高性能计算技术的快速发展,逆时偏移在地震勘探中的应用越来越广泛,但一直受限于昂贵的计算成本和巨大的存储需求。为此,提出一种基于优化算子边界存储策略的高效逆时偏移方法：首先将一阶声波方程从笛卡尔坐标系下变换至曲线坐标系下,实现深度域速度场到垂直时间域速度场的转换,在垂直时间域的逆时偏移可降低纵向采样率,克服高速区域的过采样问题,提升计算效率;其次,借鉴震源波场近似的思路,由近似差分公式构造出优化算子,利用优化算子代替特定的差分项,推导了震源波场的近似重构方程,该策略仅需存储一层边界波场,可有效降低逆时偏移的存储量。数值算例结果表明,提出的基于优化算子边界存储策略的垂直时间域声波逆时偏移方法能够有效降低常规逆时偏移方法的存储量和计算时间,同时能够对复杂结构精确成像,具有良好的实用性。     

二维横向各向同性介质的伪谱法正演模拟

本文用伪谱法进行二维横向各向同性介质的正演模拟，文中给出了计算的稳定性条件并作了证明，对边界条件也进行了有效的处理，吸收边界条件采用Ｔａｋａｓｓｈｉ提出的反周期扩展法或是与衰减型吸收边界条件相结合的方法。     

三维一阶速度-应力声波方程全波形反演

基于时间域三维一阶速度—应力声波方程,采用基于摄动理论的伴随状态法,推导出时间域三维一阶速度—应力声波方程的伴随方程及相应的纵波速度的梯度计算公式,并采用交错网格有限差分法计算正向传播波场及逆时外推的伴随波场,进而计算出纵波速度的梯度,在此基础上采用共轭梯度法更新纵波速度模型,实现了基于一阶速度—应力声波方程的三维全波形反演方法。由于基于一阶速度—应力声波方程,该方法能够方便地采用交错网格有限差分法求解。由于基于GPU在时间域实现,波场正向传播及逆时外推时较直接、快速。模型测试结果证明了方法的可行性和有效性。     

时间域广义2.5D一阶波动方程曲网格有限差分法数值模拟

2.5D地震波场数值模拟通过在2D地质模型中施加点源从而计算得到3D地震波场。首先通过傅里叶变换得到了一种适用于混合（声波、弹性各向同性、弹性各向异性）介质和各种边界条件（声波自由地表、固体自由地表和固—液边界）的2.5D时域广义一阶波动方程,并采用曲线网格有限差分法求解该波动方程。在各种均匀介质模型（声波、弹性各向同性和弹性各向异性）中,通过对比2.5D数值解与3D解析解和3D数值解,不仅验证了推导的方程和数值求解方法的正确性,而且验证了2.5D数值方法相比3D数值方法在计算效率和内存占用方面有很大的优势。2D数值方法由于线源假设,其解与2.5D数值解相比存在较大的振幅误差和相移,难以直接应用。数值实验结果表明,该2.5D数值模拟方法适用于含各种边界（声波自由地表、固体自由地表和固—液边界）的地质模型。不同于2D波场数值模拟方法,2.5D波场数值模拟方法可直接应用于实际的点源观测数据处理,如2.5D逆时偏移成像。     

反射地震成像的波场变换方法

遵循反射地震数据叠前偏移可分步描述的思想,即动校正＋叠加＋叠后偏移,根据叠前观测波场、零炮检距波场和叠前时间偏移波场之间的坐标位置关系,通过波场变换实现了偏移到零炮检距地震剖面和叠前时间偏移。计算实现简单,只是空间方向的Fourier正反变换与时间方向的积分,并且偏移到零炮检距地震剖面与叠前时间偏移计算量基本相当,计算没有任何关于小炮检距近似或小反射倾角近似假设。最后讨论了这种方法在研究保幅成像、地震道插值等方面的应用可能以及处理实际地震数据可能面临的问题。     

水陆检数据上下行波场分离方法

上下行波场分离是水陆检数据处理技术的关键步骤。针对常规方法分离出来的上行波场中包含下行波场、下行波场中包含上行波场,即不能实现上行波场与下行波场完全分离的缺陷,文中引入（水陆检数据、上行波场中下行波场及下行波场中上行波场等）三个能量匹配因子和（水检数据上行波场及下行波场、陆检数据上行波场及下行波场等）四个波场分离贡献因子,并建立上、下行波场分离方程;采用迭代方法计算确定最佳水陆检数据上、下行波场能量匹配因子;然后直接计算波场分离贡献因子,实现水陆检数据上下行波场完全分离处理。分离后的上行波场数据,既消除了虚反射多次波干扰,还提高了地震数据信噪比和分辨率,为后续联合反褶积和偏移成像等处理提供了高保真的上行波场和下行波场数据。合成数据和实例数据说明了所提方法的有效性和实用性。     

VSP波场研究与应用现状

垂直地震剖面法(VSP)通常采用三分量(3C)检波器记录地震波场信息,而纵、横波震源的应用使其波场进一步丰富和复杂化,开展VSP各种波场特征的研究具有重要的理论和实际应用价值。首先对VSP记录的波场特征进行分析,进而讨论了不同类型震源和不同介质模型的复杂波场分离方法,包括光纤观测VSP波场的噪声特点及压制方法,井筒波与电缆波的产生机理、压制及应用方法,绕射波与断面波的特征及其应用方法,多次波的特征及其压制和应用方法,折射波与导波的传播特征及其应用方法等,重点研究了上行横波和转换波的传播特征、波场分离与矢量合成及多波信息的综合应用方法等。最后,对多分量VSP波场处理中存在的问题进行了分析并对多波应用的前景进行了展望,认为拓展VSP记录中波场传播特征的研究有益于揭示地下复杂构造与地层物性信息,VSP多波解释与反演研究、多波属性的提取与应用有助于油气储层的勘探与开发等,预期VSP多种波场的研究将具有持续攻关和推广应用价值。     

双检数据上下行波场分离技术研究进展

随着海洋油气勘探开发技术的发展，水、陆双检海底接收的应用日趋广泛，上下行波场分离作为双检数据处理的关键技术，决定了资料处理品质及应用效果。在双检数据上下行波场分离技术的发展过程中，国内外学者提出了许多切实可行的技术方案。本文通过系统调研国内外相关文献，对上下行波场分离方法和技术进行了归纳和总结。首先基于波动理论，把双检数据与上下行波场联系起来，建立了双检数据标定和上下行波场分离的理论基础：水、陆检数据接收的波场分别为压力波场和质点垂直速度波场，可以分解为上行压力波场和下行压力波场及上行质点垂直速度波场和下行质点垂直速度波场；下行压力波场与下行质点速度波场振幅成正比，且极性相同，上行压力波场与上行质点速度波场振幅成正比，且极性相反。然后针对海底电缆/海底节点（OBC/OBN）水、陆检数据，建立了基于消除海水鸣震的双检数据处理技术。最后，总结出7种双检数据上下行波分离方法，包括：常数标定因子分离、频率—波数域分离、镜像分离、去虚反射分离、最优去虚反射分离、检波器脉冲响应分离和τ-p域分离等方法。双检数据上下行波场分离之前，首先要进行检波器脉冲响应校正；然后进行双检数据匹配和标定处理等，使水检数据中上下行压力波场与陆检数据中上下行质点垂直速度波场振幅和频率趋于一致，且由于下行压力和质点垂直速度波场极性相同、上行压力和质点垂直速度波场极性相反，陷波问题得到补偿，检波点端虚反射得到合理压制；最后实现最佳的上下行波场分离处理。