基于波动方程的聚焦点控制照明叠前深度偏移

 基于波动方程的聚焦点控制照明叠前深度偏移技术借助于差分计算，把速度、密度等介质参数的影响体现在差分计算的矩阵方程中，能够自动适应速度场的任意变化，快速傅里叶变换的使用也加速了波场延拓的计算速度。因此此法兼具有限差分偏移方法和傅里叶偏移方法的优点，既可适应速度场的剧烈变化，又可保证对陡倾地层的成像效果，是目前针对复杂构造最有效的成像方法之一。对于单个聚焦点及其周围的成像步骤为：①采用矩形网格情况下绕射走时的有限差分计算方法生成合成算子；②应用合成算子来合成面炮震源和面波记录；③对合成的面炮震源和面波记录做傅里叶有限差分法波动方程叠前深度偏移，得到该聚焦点及其附近区域的成像结果。按照上述成像步骤，将震源波场和炮集记录依据相应的外推公式进行延拓，最终应用成像条件求取成像值。在地质目标处选取多个聚焦点，可以得到面向目标的控制照明偏移成像，在多个层位上选取多个聚焦点进行控制照明叠前深度偏移，可以得到整块区域的成像。通过对Marmousi模型的试算，取得了较好的效果。     

小波束叠前深度偏移与照明分析

利用小波束域波场分解和传播在空间和方向上的双重局域性,将小波束域波场依据相应的外推公式进行延拓,最终应用成像条件求取成像值。在地质目标处选取多个成像点,可以得到面向目标的控制照明偏移成像,在多个层位上选取多个成像点进行控制照明叠前深度偏移,可以得到整块区域的成像。 针对Marmousi模型的试算结果表明小波束偏移的有效性及其在提高计算效率方面的巨大优势。通过照明,选择面向目标的有效照明小波束,进行部分小波束偏移,可以提供更好的成像质量和计算效率。     

面向目标控制照明的合成波源偏移

应用Fourier有限差分算子，研究目标控制照明的合成波源偏移成像。平面波源与小束波源这些合成波源在目标控制照明下的偏移，都是通过增强对目标区域的有效照明来改善成像质量，通过减少非目标区域的计算冗余来提高计算效率。由分析和应用合成平面波源偏移和控制照明技术扩展开去，综合考虑平面波源和小束波源的合成与偏移，并通过有效照射合成波源的概念，分析合成波源的有利照明，进行面向目标区域的控制照明和合成波源偏移。最后，对具有速度强横向变化和陡倾角反射的复杂2D盐丘模型数据，做了相应的合成波源偏移数值试验。     

聚焦点控制照明波动方程叠前深度偏移初探

波动方程法叠前深度偏移能够较为精确地对地质体成像, 然而波场外推的数据量过于巨大, 影响了计算的效率。面炮组合和控制照明结合的叠前深度偏移通过对震源波场的控制以及高效的面炮偏移能够得到高质量的成像结果。进行控制照明叠前深度偏移的关键是合成算子的选择, 笔者基于有限差分的走时计算方法合成了逆时聚焦算子, 基于该合成算子利用傅里叶有限差分法进行了聚焦点控制照明叠前深度偏移, 针对M armou si 模型的试算结果表明了该方法的有效性及其在提高计算效率方面的巨大优势。     

属性偏移辅助实现炮检距域共成像点道集计算

波动方程偏移的成像精度高于Kirchhoff类偏移,且对速度误差更敏感,故舍弃Kirchhoff深度偏移,针对波动方程炮检距域共成像点道集直接进行速度迭代,更具现实意义。为此提出一种基于属性偏移的计算策略,可实现高效的波动方程类偏移的炮检距域共成像点道集计算。通过对地表炮检距调制后的数据再偏移,将该偏移结果与原始数据偏移结果的比值作为各成像点的地表炮检距值;依此将偏移结果重排入所属炮检距段;逐炮依次计算并叠加,最终获得地表炮检距道集。上述两次偏移可纳入成像循环中同时计算,因此只增加了一次检波点波场的传播,计算量仅增加约30%。通过2D、3D模型及实际数据对比,验证了该计算方法的有效性。     

基于波动方程正演的地震观测系统设计

 常规地震观测系统设计方法基于地下水平层状介质及共中心点（CMP）覆盖的假设，通常不能适应复杂构造情况。基于射线的地震波照明分析方法存在高频近似和射线理论本身的缺陷，在复杂目标区的精度很低。本文从波动方程正演出发, 提出了一种面向目标的地震观测系统设计方法，该法基于地质—地球物理模型，采用双程声波方程交错网格高阶有限差分法计算地震波照明度。文中针对冀中地区复杂断块模型进行了面向目标的地震观测系统优化设计，并重点探讨了检波器排列间距对成像质量的影响，得出以下认识：①复杂断块构造引起地震波传播能量的非均匀分布，局部目标成像质量优劣与目标体上的照明度强弱存在一一对应的关系。②在震源相同、检波器排列间距不同时，双向照明强度变化很明显，依此可以确定针对目的层段的最佳检波器间距。③对同一倾斜界面CRP点而言，沿倾斜方向随着CRP点的不同，不同位置炮点的双向照明强弱的变化规律不同；水平目标层面震源照明和倾斜目标层面震源照明的地表接收能量分布不同，能量强弱与偏移成像结果一致，由此可以确定地面最佳炮点或检波点分布范围。④道间距、排列长度的变化对地震波成像振幅和分辨率有明显影响；利用点扩散函数（或分辨函数）可以评价地震成像质量和分辨率，还可确定最佳检波器间距、排列长度等采集参数。实践表明，文中方法用于面向目标的地震观测系统优化设计是可行的。     

曲面波与地表控制照明技术

基于野外"点源"观测数据的常规深度偏移等复杂叠前处理方法涉及到巨大的计算量。Berkhout基于"面源"的面炮技术提供了高效精确的波动方程叠前深度成像的有利选择。本文拓展了Berkhout面炮技术,提出了高效精确的基于波动方程的曲面波技术,给出了曲面波合成算子的普适性数学表达式,并发展了面向目标的曲面波地表控制照明技术。其能够对复杂地质构造进行高效高质量成像。理论模型与实际资料的数值计算给出了很好的成像结果。     

起伏地表条件下偏移到多偏移距叠前时间偏移

在速度横向变化比较缓慢时，叠前时间偏移是很好的成像手段。它可以作为复杂构造成像的一个关键的中间环节，对于提高最终的速度分析质量和深度偏移成像效果是至关重要的。由于时间域成像基准面选择困难，一般地，时间域偏移都是在一个水平的数据观测面(或浮动基准面)上进行的，非水平的观测面不宜作为时间域的成像参考面。提出一种新的成像方法，即引进一个随炮点和检波点变化的坐标，每次成像都是直接在该平面内进行，最后叠加到成像空间里。为了对来自非水平地表的低信噪比数据进行叠前时间偏移，引入Gardner提出的偏移到多偏移距的方法,把非水平地表叠前时间偏移方法与偏移到多偏移距的方法结合，可以较好地解决山地地震资料的叠前时间偏移成像问题。模型的初步检验证明,这种方法的确是可行的,且其计算效率较高。     

数据驱动的控制束偏移方法

射线束偏移虽是一类灵活、高效且精度较高的叠前深度偏移成像方法，可实现陡倾地层和多波至成像，但传统的高斯束偏移将所有反射能量沿等时面投影到地下空间，对τ-p域中的所有同相轴进行偏移成像，带来巨大计算量、偏移噪声及偏移假象。作为高斯束偏移的一种改进，控制束偏移在τ-p域选取优势能量同相轴做偏移，能显著提高计算效率，降低偏移噪声；然而控制束偏移方法大多只利用了检波点处的水平慢度信息。为此，本文提出一种充分利用炮点和检波点水平慢度信息的数据驱动控制束偏移方法。即首先分别对局部共检波点道集和共炮点道集进行倾斜叠加，再利用相干分析拾取炮点和检波点水平慢度信息，然后依据设计的偏移质量指示因子筛选拾取的同相轴，最后对所选取同相轴进行成像。与传统高斯束偏移方法相比，数据驱动的控制束偏移方法对偏移噪声和偏移假象的压制更彻底，对低信噪比数据成像具有显著优势。模型数据和实际数据测试验证了该方法的可行性、有效性和适用性。     

基于地震照明、面向勘探目标的三维观测系统优化设计

基于水平层状介质假设的常规三维地震勘探观测系统设计方法难以适应复杂构造区。本文利用地震照明技术,参考前人对二维问题的研究成果,发展了面向勘探目标成像的三维地震勘探观测系统优化设计方法。该方法利用三维单程傅里叶有限差分波场传播算子将勘探目的层的平面源延拓到地表,通过分析从目的层延拓到地表的地震照明能量分布,确定面向勘探目标的最佳激发范围。利用该方法可明显提高照明阴影区的照明强度,进而改善地下阴影区的成像质量。基于三维SEG-EAGE盐丘模型的地震照明与偏移成像试验结果,验证了本文面向勘探目标的三维地震观测系统优化设计方法的有效性与正确性。     

快速面炮记录叠前深度偏移

本文提出了一种允许部分相位值依赖频率，部分相位值不依赖频率的混合相位编码技术。将这一新的相位编码技术应用到目标照明的面炮记录叠前深度偏移上，即可使面炮记录偏移效率成倍提高，又可降低因相位编码产生的人为误差，从而得到了一种新的快速面炮记录叠前深度偏移方法。该方法基于递归波场延拓，具有较高的成像质量。由于既使用了比单炮记录偏移高效的面炮技术，又使用了相位编码技术，用相当于一个平面波震源的面炮记录叠前深度偏移的计算量，近似地得到多个面炮记录叠前深度偏移叠加结果，因此具有高效的特点。Marmousi模型数据和实际墨西歌湾海底电缆纵波数据试算结果表明了本方法的正确性、有效性和实用性。     

基于波场分离的逆时偏移成像条件研究及在准噶尔盆地的应用

与传统深度偏移成像方法相比,基于双程波的逆时偏移方法针对地下陡倾角地区和复杂地下地质条件地区的成像有着无可比拟的优势。逆时偏移方法的实现通常有3个步骤:①在时间域实现震源波场的正向外推;②在时间域实现检波点波场的反向外推;③应用合理的成像条件构建成像结果。在实际应用过程中,通常是采用互相关成像条件来构建成像,然而,互相关成像条件构建的逆时偏移成像结果会产生强振幅的低频噪音,这些噪音会极大地降低资料的信噪比,容易导致浅层构造被噪音掩盖而无法识别,仅采用单纯的带通滤波并不能很好地滤除这种噪音。提供了一种新的基于波场分离理论的逆时偏移成像条件,此方法能有效地消除这些特定的噪音,其核心思路就是将震源及检波点波场分离成它们的单程波传播分量,然后仅在反射点处利用互相关的成像条件构建成像结果,从而实现逆时偏移成像。Marm-ousi模型数据验证了该方法的准确性;同时,采用文中提到的成像条件在准噶尔盆地百口泉地区进行了逆时偏移测试,测试结果充分证明新成像条件对野外资料的适应性。     

一种基于新差分模板和无穷范数的震源波场重建方法

伴随状态法广泛应用于偏移成像和全波形反演中。模型的像或梯度可通过震源波场和伴随波场之间的相互运算得到。但两种波场分别沿时间正向和反向传播,无法同时访问。为避免对震源波场进行存储,可采用边界波场逆向重建震源波场。但现有的重建方法仍无法平衡精度和存储需求。为此,发展了一种新的交错网格有限差分震源波场重建方法。新方法通过存储边界区域的N层波场和M-N层波场的线性组合来重建内部区域的震源波场(M为差分算子长度参数,0≤N≤M)。推导了基于新差分模板的频散关系,构建了无穷范数型目标函数,采用Remez交换算法优化了重建系数。详细分析了所提方法的精度和稳定性,并将其应用于声波逆时偏移和弹性波全波形反演。数值结果表明：新方法可以获得足够精确的重建波场、偏移剖面和反演结果;其内存需求仅为传统方法的(N+1)/M。     

基于时移成像条件的波动方程保幅成像

在波动方程保幅偏移方程的基础上详细推导了单程波方程延拓算子，在二维和三维共炮点叠前深度偏移中，通过使用时移成像条件，在成像的过程中能够计算出延拓步长之间的成像值，对步长之间的成像值进行数值内插。这一方法能够明显提高计算效率，而且不影响成像效果。通过对国际标准的Marmousi模型进行数值试算，结果验证了基于时移成像条件的波动方程保幅偏移方法的正确性和有效性。时移成像条件也可应用于叠后深度偏移。     

提高目的层阴影区成像质量的观测系统优化设计方法

针对地表和地下地质条件欠佳的复杂地区的目的层能量分布不均匀问题,提出了提高目的层阴影区成像质量的观测系统优化设计方法。首先对设计的观测系统用射线追踪或波动方程做正演模拟,确定最小能量区域;再利用提出的均值能量比系数和距离能量比系数计算备选激发点对能量最小区域的照明能量;然后根据备选激发点对目的层照明能量的平均方差选择有效激发点。本文方法适用于具有高陡倾角、逆掩推覆构造和速度横向变化剧烈地区观测系统的布设,可用最少有效激发点提高阴影区照明强度,改善地震剖面质量。     

溶洞模型逆散射成像技术

针对常规叠前深度偏移成像技术难以将溶洞型储集层的多次绕射波完全归位、难以准确成像溶洞分布这一难题,引入了频率域声波逆散射成像方法。该方法直接从炮集地震资料出发,利用散射记录的逆时传播波场与入射波场褶积得到扰动速度的分布,将速度模型迭代更新与构造成像融为一体。溶洞模型数值模拟和物理模拟资料的处理效果表明,即使初始速度模型存在12%的误差,该方法仍可以将溶洞产生的多次绕射波较好地归位,较准确地将溶洞的形状、位置成像。同时,对常规偏移成像方法和逆散射成像方法影响溶洞成像精度的主要因素进行了定量分析,为提高溶洞型碳酸盐岩油气藏勘探精度提供了理论指导。图11参23     

混合法VSP共炮记录叠前深度偏移

VSP处理方法反演地下结构直接、精确，是寻找复杂构造的、隐蔽的油气藏的最重要的方法系列之一。文章提出的混合波场延拓法VSP共炮记录单程波动方程叠前深度偏移，就是一种VSP对复杂构造精确成像的方法。首先把波动方程分解为上行和下行单程波，把波动方程解析解法(傅氏变换法)和数值解法(有限差分法)相结合，提出VSP偏移的混合波场延拓法，以使波场延拓适应速度的纵横向变化；再结合VSP的特点，在波场外推过程中，当在某深度处继续下延波场时，把从上部延拓至此的波场加上此处埋置的检波器的记录结果作为此处的波场；借鉴地面地震叠前深度偏移原理，提出了可适应速度纵横向变化的、可对复杂构造精确成像的单程波动方程混合波场延拓VSP共炮记录叠前深度偏移方法。纵、横向变速介质的数值模拟结果显示，该方法精确、有效。