平面波优化差分算子弹性波逆时偏移

弹性波逆时偏移基于双程波动方程理论，不受倾角限制，对复杂模型具有较强的适应性，但高额的计算量和内存占用是其用于巨量地震资料处理的主要瓶颈。为此，推导了一种基于平面波优化的等效交错网格弹性波逆时偏移成像方法，通过优化差分系数降低正演波场的频散误差，达到使用低阶优化差分算子替代高阶传统差分算子、降低计算量的目的。在内存需求方面，采用二阶位移弹性波方程，避免了中间变量的出现，且引入了有效边界存储的策略，只利用边界附近区域的部分波场值控制逆时偏移的波场存储方式。模型测试表明：该方法6、10阶空间差分算子逆时偏移结果成像精度分别相当于10、18阶传统方法，有效节约了计算成本；相比于常规弹性波逆时偏移的波场存储方式，有效边界存储在增加部分计算量的前提下，能节约大量内存占用，且使用的差分算子长度越短，内存占用也越少。     

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。     

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。     

基于检查点方法的各向异性介质逆时偏移

基于准P(quasi-P,qP)波方程研究了TTI介质逆时偏移方法,通过引入横波速度,改善数值模拟的稳定性。提出了联合有效内边界存储和检查点(checkpiont)方法降低存储需求的TTI介质逆时偏移成像方法,实现了震源波场的精确重建,为高精度逆时偏移成像奠定了基础,也使方法更好地适应大数据计算。借助图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)的高效并行计算能力,大幅度提升震源波场重建以及TTI介质逆时偏移成像的计算效率。应用BP2007各向异性理论模型数据进行测试的结果表明,TTI介质逆时偏移成像方法成像精度高、适用性强、稳定性好。     

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。     

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。     

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。     

二维频率空间域声波数值模拟及其应用

采用嵌套剖分法存储有限差分离散频率空间域声波波动方程所形成的大规模稀疏系数矩阵,极大地减少了对计算机内存需求和计算量。使用二维频率空间域声波多炮快速模拟计算流程,提高了数值模拟的计算速度。详细分析讨论了频率域正演模拟时所出现的震源奇异性问题,并提出了相应的解决措施,理清了频率空间域声波数值模拟时正确选取参数的原则。通过对胜利油田有代表性的复杂地质构造速度模型的数值模拟试验,证明嵌套剖分法具有占计算机存储量少、计算速度快、计算效率高等优势,完全能够用于模拟实际资料。     

TTI介质逆时偏移成像

本文基于Alkhalifah的P-SV波频散关系,应用声波近似假设推导了横向各向同性介质(TI)中的声波标量方程组,其中每个方程都含有与时间和空间有关的二阶导数项,并且方程中不含有混合导数项,易于利用有限差分法进行数值模拟。文中采用改进的不完全声波近似假设,从而获得了更长的稳定模拟时间,与采用传统声波近似假设相比,波场传播更加稳定。有限差分数值模拟及复杂模型数据的计算结果表明,TI介质中的声波标量方程组能准确地描述准声波在TI介质中的运动学特征,能很好地进行逆时偏移成像。     

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。     

应用GPU的傅里叶有限差分逆时偏移

逆时偏移是针对复杂构造的主流叠前深度偏移成像技术,常规逆时偏移技术大多采用高阶有限差分和成像后滤波算法。由于实际偏移的计算网格较大造成空间频散现象和成像后的去低频噪声滤波会损害有效低频信息,因此成像频宽受到一定影响。为此,提出基于GPU的傅里叶有限差分逆时偏移方法。即采用傅里叶有限差分算法进行波场传播计算,波场外推中直接在时间—波数域做显式波场分解和互相关成像;同时采用基于GPU的算法,显著提高了傅里叶有限差分逆时偏移的计算速度。实际资料应用结果表明,该技术能实现对高、低频有效信息的充分保护和利用,从而提高了地震成像分辨率。     

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.     

逆时偏移方法技术进展综述

逆时偏移(RTM)利用双程波动方程,基于时间逆时外推对波场进行重构,理论上无倾角限制,可以实现对回转波、棱镜波以及多次波的正确成像,获得精确的动力学信息,具有良好的保幅性。然而,庞大的存储空间需求和计算量以及固有的低频成像噪声,使得RTM无法得到广泛的应用。针对上述问题,分析、对比了各种逆时偏移方法技术及其应用效果,测试了偏移去噪的几种方法,最后对逆时偏移的发展方向作了展望。     

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。     

倾角域逆时偏移绕射波成像方法

地下缝洞型储层及非规则矿体的地震响应表现为绕射波,在成像域倾角道集中进行反射波压制,有利于这些目标体绕射波成像。利用逆时偏移（Reverse Time Migration,RTM）和Kirchhoff积分偏移分别进行倾角道集的提取,在倾角域分析两种典型成像方法对绕射波的成像能力。研究表明,在倾角域RTM比Kirchhoff积分偏移算子具有更强的反射波聚焦能力,有利于成像过程中对反射波的压制。具体而言,采用波印廷矢量方法在RTM过程中进行倾角道集输出;在RTM提取的倾角道集中反射波能量聚焦为孤立的“噪点”,绕射波则表现为一条拉平的直线。基于两者形态的差异,在倾角域进行中值滤波能有效分离绕射波与反射波,进而实现RTM绕射波成像。数值实验结果验证了文中方法的正确性和有效性。