高阶优化傅里叶有限差分算子偏移

 利用增加高阶项和优化系数的方法都能提高傅里叶有限差分(FFD)算子的精度。但增加高阶项意味着计算量增加,而利用优化系数的方法能够在不增加计算量的前提下提高算子的精度。本文利用多参量全局优化系数的方法对傅里叶有限差分算子中的高阶有限差分校正项进行了优化,旨在不提高方程阶次的情况下尽量提高算子的相位精度,即用较低阶的方程达到高阶方程的逼近效果,既大大减少了高阶项产生的计算量,又明显提高了傅里叶有限差分算子的精度。此法不同于其他方法之处在于还考虑了频率和延拓步长等多参量的影响。经理论误差分析和脉冲响应测试,均表明二阶优化傅里叶有限差分算子的精确传播角度可以接近90°。通过二维SEG/EAGE盐丘模型实验,表明此法的陡倾角和盐下构造的成像精度明显高于未优化的傅里叶有限差分法。     

一种基于角度域傅里叶变换的逆时偏移生成角道集方法

复杂地质构造条件下,介质横向非均匀强,地震波场存在严重交叠,常规方法难以准确识别不同波场分量的传播方向,影响角道集的提取效果。为了克服该问题,提出一种通过上、下行波场分离,同时利用角度域窗口傅里叶变换进行交叠波场分离获得每一个角度的切片,再应用Poynting矢量法计算对应波场分量传播方向的角道集生成方法。该方法无需划分空间窗口,具有较高的计算效率。通过数值模型验证了该方法提取角道集的有效性,相比常规的Poynting矢量法提取结果,地震波的振幅更加保真,信噪比更高。将该方法应用于海上实际资料,获得了理想的角道集数据,为地震属性分析、储层反演提供了高质量的叠前道集。     

黏声波介质傅里叶有限差分法正演模拟

 大地吸收效应主要由地球介质本身的黏滞性所致,黏滞性会影响波场的所有频率成分，且对高频成分的影响更大，从而导致地震垂向分辨率的降低。本文将完全弹性介质中的傅里叶有限差分法推广到黏声波介质的正演领域，该法是一种频率域的单程波方法，较双程波法具有计算效率上的优势，较时间域法更容易模拟衰减和频散效应。文中对Marmousi模型进行了黏声波介质的正演模拟,数值算例表明:①黏声波介质和完全弹性介质的振幅和相位特征只有在传播时间短且距炮点近的部位才较吻合，表明黏滞吸收作用对地震波波形、频带以及振幅等产生很大影响;②随着传播距离(时间)的增加，波场的高频成分明显衰减，波形逐渐变宽，能量逐渐变弱。文中方法适应强空间变速介质的正演模拟，且具有较高的计算效率，为深入研究大地吸收效应进而提高地震分辨率奠定了基础。     

傅里叶有限差分深度偏移成像方法研究和应用

本文介绍了傅里叶限差分叠前深度偏移方法的理论研究及应用情况,通过对复杂的Marmousi模型进行处理,地震波场不失真,成像质量高,同时展示了对ZX地区二维地震资料的处理结果,并与Kirchhoff积分方法处理效果进行了简单对比,结果表明,傅里叶有限差分偏移法在成像效果和振幅保真方面都优于Kirchhoff积分法,但计算效率较低。     

基于最小二乘法优化系数的傅里叶有限差分偏移

复杂构造油气藏的勘探已经成为当前的重点，也是进行高分辨率地震勘探的瓶颈。为了获得精确的复杂构造成像，一般采用具有高角度、频散小、适应纵横向速度变化的傅里叶有限差分法来实现叠前深度偏移，但该方法对陡倾角成像还存在明显的误差。为此,利用全局优化的非线性多元最小二乘法对傅里叶有限差分算子中的系数进行优化，从而在保持计算效率的前提下，提高了成像角度及陡倾角的成像精度。通过对SEG/EAGE模型进行优化系数的傅里叶有限差分偏移，其结果表明该方法对陡倾角构造及纵横向速度急剧变化的地区具有更高的成像精度。显然基于多元最小二乘法优化系数傅里叶有限差分偏移法比常规优化系数的傅里叶有限差分法更适合在陡倾角地区的精确成像。     

基于多卡GPU集群的多次波逆时偏移成像技术

相对于常规逆时偏移,多次波逆时偏移成像技术具有更高的成像精度。在分析多次波逆时偏移成像原理和条件的基础上,对多次波逆时偏移成像中的多次波预测、波场延拓等步骤的实现过程进行了研究。在此基础上,利用Sigsbee2B地质模型,应用基于反馈环理论的自由界面多次波衰减方法预测得到纯多次波炮集,实现了基于多卡GPU集群的多次波逆时偏移成像处理。处理结果显示,多次波逆时偏移的中浅层成像清晰,构造的成像精度明显高于常规逆时偏移。多卡GPU集群的应用可显著提高多次波逆时偏移的计算速度和效率,使得基于地震大数据体进行多次波逆时偏移成像处理成为可能。     

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。     

基于优化时空域频散关系的声波方程有限差分最小二乘逆时偏移

相比常规逆时偏移,最小二乘逆时偏移（LSRTM）成像结果更趋真实,分辨率更高,其精确成像的关键之一是波动方程的精确、高效求解。为了提高LSRTM计算精度,本文通过优化时空域频散关系求取差分系数,进行有限差分正演模拟,频散分析和数值模拟结果表明采用该算法可提高数值模拟精度;利用混合吸收边界条件压制边界反射,可取得较好吸收效果;采用改进的共轭梯度法计算流程,能减少波动方程正演次数,提高计算效率。模型数据测试及分析表明,本文方法能有效提高LSRTM成像精度,精细刻画构造细节,提高迭代收敛速度。     

高精度傅里叶有限差分法模型正演

 波动方程数值模拟方法分为有限差分法和频率—波数域法两类，其中有限差分法的计算精度取决于波场外推算子的近似程度、离散网格间距及差分方程阶数，它能适应速度任意横向变化，但在大倾角处易出现频散现象及背景噪声。频率—波数域法算法简单、精度高、噪声小，能适应任意地层倾角情况，但不适于速度场的任意横向变化。文中结合有限差分法和频率—波数域法的优点，应用傅里叶有限差分法（FFD）实现在多域用高精度延拓算子对模型进行地震记录的数值模拟，其波场外推算子由相移项、折射项（时移项）和有限差分补偿项组成。对FFD法进行了理论与误差分析，并用单程声波方程分别进行了层状模型和SEG/EAGE盐丘模型的数值模拟试验。数值试验的对比分析表明，FFD法适用于速度场横向剧烈变化情形，且具有精度高、无频散、背景噪声弱等优点，模拟结果反射特征清楚，能对复杂地质构造进行准确的地震数值模拟。     

基于归一化波场拆分互相关成像条件的叠前逆时偏移方法

本文基于高阶精度有限差分算法实现了声波方程叠前逆时偏移,并引入完全匹配层吸收边界来消除边界反射能量。基于模拟数据,通过对波场拆分互相关成像条件与震源能量归一化互相关成像条件进行分析,尝试结合两者分别在噪声消除以及改善成像振幅方面的优势对现有成像条件做进一步改进。通过模拟数据和实际资料的试处理,表明改进后的成像条件有效地消除了偏移噪声,同时获取的成像振幅能够提供相对于常规方法更为准确的界面反射系数信息。     

弹性波波场分离方法对比及其在逆时偏移成像中的应用

弹性波波场分离是弹性波逆时偏移成像中的关键技术,主要基于Helmholtz分解原理。本文对弹性波波场分离法进行系统分析和总结,并将其归纳为直接分离法和间接分离法两类。前者直接对矢量波场进行散度和旋度计算,得到纵波和横波波场,包括空间域方法和波数域方法;后者利用以前时刻分离的纵、横波波场递推得到下一时刻纵、横波波场。文中选择介绍了三种空间域方法、一种波数域方法和一种间接分离法的基本原理,针对均匀介质模型、层状介质模型及Marmousi模型,对这五种方法波场分离的效果和效率进行分析和对比。认识到这些方法各自的优缺点：两种常规空间域方法计算量最小,但分离结果保幅性差;间接分离法效果较好,计算量适中,但在速度突变界面处存在能量异常;改进的空间域方法分离效果最好、计算量最大;波数域方法效果次之、计算量也次之。最后,利用模型数据测试了这五种方法对弹性波逆时偏移成像的影响,表明改进的空间域方法和波数域方法的成像效果最好。     

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。     

逆时偏移关键问题探讨

逆时偏移是目前最精确的偏移成像方法。为此,在前人研究成果的基础上,本文从各向异性介质中逆时偏移算法的进展、物理模拟、数据预处理、速度及各向异性参数建模、偏移噪声处理及保幅、全波形反演与逆时偏移的关系等六个方面对逆时偏移技术的发展策略、影响逆时偏移效果的关键问题、解决方案等进行了详细分析,阐明了逆时偏移未来的发展趋势和研究重点,提出了从全波形反演角度理解和研究逆时偏移是未来的研究方向。     

多GPU协同三维叠前逆时偏移方法研究与应用

为满足精细勘探对地震成像的要求,野外地震采集单炮数据的规模持续增大,基于单GPU的逆时偏移策略不再满足需要。为此,本文在地震数据区域分解基础上,研究并形成了多GPU协同快速计算方法,实现了任意规模三维地震数据的叠前逆时偏移成像。数值试验表明,多块GPU卡协同叠前逆时偏移算法的整体效率较高,达到工业化应用的水平。对中国西部多块三维实际地震资料的处理表明,该方法不仅成像精度高,且计算效率也高。     

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。     

面向高陡构造的黏声棱柱波逆时偏移

由于棱柱波往往包含了很多从一次波中无法获取的高陡构造信息,因此人们利用棱柱波改善高陡构造的照明和成像效果。但地下介质的黏弹性导致地震波能量衰减,引起地下反射界面的弱振幅成像和错位,严重影响棱柱波成像精度。为此,提出了一种面向高陡构造的黏声棱柱波RTM方法,推导了Q补偿的棱柱波正向延拓算子与逆时延拓的伴随算子,并沿着棱柱波的传播方向对Q衰减进行补偿。通过两个典型高陡构造模型试算证明：①黏声棱柱波RTM对高陡构造的成像精度高于黏声RTM、声波棱柱波RTM,成像结果的能量更均衡、分辨率更高,但会牺牲低角度构造的成像分辨率,因此需要联合黏声RTM和声波棱柱波RTM成像结果分析与解释地下构造;②黏声棱柱波RTM的计算时间约为黏声RTM的两倍,且因无法同时重构多个波场值,因此保存波场值需要大量的内存。     

炮检距域全局优化傅里叶有限差分偏移

将共炮集全局优化傅里叶有限差分（GOFFD）法扩展应用于炮检距域，其中，双平方根方程中的每一个单平方根项都由裂步傅里叶算子与有限差分算子之间的相互耦合来近似。由于该方法采用全局优化的有限差分系数，从而使得在对横向速度变化剧烈的介质进行成像时，能够更好地对陡倾构造进行成像。脉冲响应试验结果表明，炮检距域全局优化的傅里叶有限差分偏移方法较裂步傅里叶以及虚拟屏等偏移算法更为精确。SECT／EAGE盐丘模型试验结果也表明，该方法对盐丘边界和盐下弱反射层的成像也较裂步傅里叶算法更准确。     

预条件弹性介质最小二乘逆时偏移

相对于纵波勘探,多波地震勘探能够得到更多的地下介质信息,弹性波逆时偏移（Elastic reverse time migration,ERTM）是当前偏移方法中较为精确的方法。最小二乘逆时偏移成像基于反演理论,可为岩性储层评价提供更加保真的高分辨率反射系数成像剖面,成为当前成像方法的研究热点和发展趋势。从建立线性一阶速度-应力弹性波方程出发,应用伴随状态法得到了逆时偏移数据重构算法,并引入最小二乘理论,利用汉森矩阵的逆对梯度进行预处理,实现了预条件弹性介质最小二乘逆时偏移成像算法（Preconditioning elastic least-squares reverse time migration,P-ELSRTM）。在实现算法的基础上,对SEG/EAGE二维盐丘模型进行测试。结果表明：与常规弹性波最小二乘逆时偏移（Elastic leastsquares reverse time migration,ELSRTM）相比,P-ELSRTM成像分辨率更高,保幅性更好,收敛速度更快。另外,P-ELSRTM对含有随机噪音的观测数据适应性更强。