三维数据域最小二乘逆时偏移技术研究

最小二乘偏移理论上能够消除采集照明不佳的影响,减少成像假象、均衡成像振幅、提高成像分辨率,然而,受实际观测炮集数据与模拟炮集数据不易匹配、迭代反演计算量过大等因素影响,三维数据域最小二乘偏移的规模化应用受到制约。为此,提出了基于双程波傅里叶有限差分反偏移方法、共轭梯度反演步长三点抛物搜索寻优方法和GPU加速偏移/反偏移核函数计算方法的三维数据域最小二乘逆时偏移技术。通过有效压制反偏移正演模拟的数值频散,提高反偏移模拟数据与观测数据匹配的一致性,采用计算量更少的迭代寻优方法和GPU算法,实现了迭代反演效率的大幅提升,在此基础上形成了一套具有实际处理能力的三维数据域最小二乘逆时偏移技术方案。将该技术应用于西部和南方两个工区的实际地震资料处理,提高了地震成像分辨率,改善了同相轴的连续性,整体成像效果优于逆时偏移,验证了该技术方案的有效性。     

应用于叠前逆时偏移的拉普拉斯算子去噪法

基于双程波方程的叠前逆时偏移法是成像精度较高的偏移方法,但因受存储量大、计算量大等影响,工业化进程缓慢,其中低频噪声对构造解释精度影响很大.因此,采用高阶有限差分算法计算逆时偏移,着重研究了拉普拉斯算子滤波压制低频噪声方法.Marmousi模型的逆时偏移去噪测试结果表明,拉普拉斯算子去噪法在压制低频噪声方面比常规的高通滤波法更有效,既能保持有效信号的振幅、相位特性,又能明显改善剖面的成像效果.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于优化系数的混合域Fourier有限差分叠前深度偏移

为了提高复杂高陡构造区成像精度,提出了基于系数优化的混合域Fourier有限差分叠前深度偏移方法,该方法利用padé近似的有理函数对波场外推算子进行展开,然后利用切比雪夫多项式优化展开式系数,推导得到新的波场外推算子,降低了与波动方程精确波场外推算子的相对误差,提高了对波场外推算子的逼近程度,且在保证计算效率的同时提高了高陡构造区地震偏移成像的精度。对比改进后的混合域Fourier有限差分偏移方法与常规的傅里叶有限差分偏移方法(FFD)对Marmousi模型偏移剖面的成像效果,系数优化后的混合域Fourier有限差分偏移方法具有更高的成像精度。     

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。     

逆时偏移技术在HSX地区的应用

逆时偏移理论基于全波动方程,是目前最精确的偏移技术之一,比克希霍夫积分偏移更适于复杂构造成像。HSX地区地表起伏较大,地下构造复杂,实现逆时偏移应用,首先必须解决速度建模的问题,通过构建特征层位的方法,将具有相同或相近波场特性的地层划分成组,通过特征层位约束可以大大提高层析反演的效率,有效改善了速度建模的精度。逆时偏移基于双程波动方程进行波场逆时外推,必然会产生低频噪音。拉普拉斯算子滤波技术有效压制了噪音,保持了剖面的特征。实际资料应用表明,逆时偏移对断层接触关系和大角度断裂系统的复杂构造成像效果要优于克希霍夫积分偏移。     

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。     

大尺度强变速地震波场数值模拟与偏移成像的有限积分变换方案

文中介绍了利用有限积分变换表示函数的一般原理；以二维标量波动(声波)方程为例，总结了前苏联学者Mikhailenko提出的一种混合域偏移成像方法，利用二维标量波场关于时间或空间的有限差分格式、关于时间的傅里叶变换及关于空间的有限差分近似，可得到波场的数值解；在此基础上，推出了基于有限积分变换的地震波数值模拟和裂步傅里叶偏移改进方案的基本方程。通过对基本方程中的时间项和空间项进行有限差分离散化，或者至少对两者之一取有限或无限积分变换，则可以利用与经典方案相类似的计算步骤解出由基本方程所形成的无限方程组，完成波场的数据模拟，并且计算量比经典方程大为减小；文中以二维裂步傅里叶偏移为例，总结了基于有限积分变换的地震波偏移的基本思想：在变换域内进行均匀背景速度模型的相位移动及在空间域内进行非均匀介质的相位移动；文中还讨论了数值计算和震源有限化、计算效率及与其他地震波场数值模拟、偏移成像方法的对比问题，认为有限积分变换方法可无限制地扩展计算区间，可以实现任意介质速度结构的地震波场数值模拟和偏移成像。数值计算结果表明，有限积分变换方案能给出令人满意的结果，这种数值模拟和偏移成像方法，有望为今后的大尺度地震波传播和成像理论研究及生产实践提供强有力的工具。     

VTI介质角度叠加逆时偏移

常规各向同性逆时偏移方法在处理各向异性问题时会导致层位成像不准确、同相轴能量不聚焦等问题,并且利用拉普拉斯滤波算子等简单滤波方法不能彻底去除成像结果中的强振幅低频噪声。针对这些问题,首先应用声波近似方程模拟qP波在各向异性VTI介质中的传播,在震源激发位置设定平滑的各向同性或椭圆各向异性震源环以压制qSV波的影响;在此基础上提出了VTI介质逆时偏移的角度叠加实现策略,利用角度域共成像点道集中不同角度成像结果的叠加压制低频噪声,提高成像精度。模型试算和应用实例偏移结果表明,该方法能够对高陡复杂构造准确成像,且能量均衡、低频噪声压制效果较好。     

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。     

基于改进的时移成像条件的保幅叠前深度偏移研究

为了实现保幅叠前深度偏移,在波动方程保幅偏移方程的基础上详细推导了傅里叶有限差分波动方程延拓算子。由于波动方程叠前深度偏移技术的应用受计算效率的制约,因而,提出了利用大延拓步长进行波场延拓,在延拓层位,利用相关成像条件进行成像。对延拓步长层间的层位,结合含有绕射聚焦项的时移映射函数,对延拓层位上未基于频率叠加的上、下波场的互相关值进行傅里叶逆变换,并结合零时刻成像原理求出延拓层间的成像值。脉冲响应测试和Marmousi模型试算表明该方法可以实现保幅叠前深度偏移,并可以大幅度提高偏移成像效率。     

二次波场外推和共时移矩阵

地震偏移对计算效率、波散特征、成像角度和适应速度变化等方面的矛盾性要求促进了波场外推算法的研究和应用。本文基于不同算法及其特点,提出二次波场外推和共时移矩阵偏移方法,其在保持良好偏移特性的条件下能够显著提高效率。在波场外推方面,先采用大深度步长Fourier有限差分法进行波场延拓,以节省计算并保持波场在高角度的频散特征和纵横向变速,从而在每个大步长深度上得到一个基本归位的完全波场;然后在每个大步长深度内采用正常深度步长有限差分法进行二次偏移,从而在反射波基本归位的基础上实现波场在两个大深度步长之间的平稳成像。在波场成像方面,引入共时移矩阵代替三角函数的计算,在保持相同精度的条件下,用少量的内存换取25%￣45%的计算量。