Laplace-Fourier域多尺度高效全波形反演方法

针对常规Laplace-Fourier域全波形反演计算量大、耗时长的问题,提出一种多尺度高效Laplace-Fourier域全波形反演方法,并针对Marmousi和Overthrust模型进行数值模拟。Laplace-Fourier域多尺度高效全波形反演方法对于不同频率点选择大小不同的网格,并且根据Laplace衰减常数选择不同的模型计算区域深度,既不影响反演精度,又显著提高反演计算效率,同时由于反演网格数减少,反演稳定性也有所提高。Marmousi和Overthrust模型的反演结果验证了算法的有效性,同时在缺失低频信息时,Laplace-Fourier域多尺度高效全波形反演结果仍较好。     

梯度优化在多重网格法多尺度波形反演中的应用

鉴于全波形反演的非线性和多解性,其反演容易陷入局部极小值;在低频缺失情况下,常规波形反演方法对低频信息的恢复能力较弱且波形反演产生海量计算。采用多尺度方法可减弱波形反演对低频信息的依赖性,使反演解不易陷入局部极小值;采用多重网格法可节约计算成本。在多重网格法多尺度波形反演的基础上,对梯度优化方法进行研究,提高反演精度。模型处理结果证明多重网格法多尺度波形反演能够大幅减小计算量,反演解不易陷入局部极小值,梯度优化方法可有效提高反演精度。     

频率域多尺度弹性波全波形反演

弹性波全波形反演对于多分量地震勘探的矢量波场处理具有重要研究意义。基于弹性波方程进行全波形反演能够充分利用多波多分量地震数据,获取地下多参数信息。针对弹性波波形反演具有强非线性性,局部寻优过程中容易陷入局部极值,采用频率域多尺度反演策略可以在一定程度上降低这一风险。将声波假设下的频率选择策略拓展到弹性波,并且为了避免离散频率逐级反演存在不稳定性问题,将频率划分为合适的频组,通过从低频到高频的逐频组反演可分别获取模型的低、中、高波数成分,减少陷入局部极值的可能性。模型试算结果表明,基于多尺度反演策略的弹性波全波形反演方法能够相对稳定地反演纵、横波速度信息,实现多参数反演。     

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。     

波场相位相关时移全波形反演

全波形反演(FWI)算法对低频信息和初始模型的依赖比较严重,容易发生周波跳跃现象而陷入局部极小点。为减少周波跳跃现象对全波形反演的影响,提出了波场相位相关时移全波形反演算法,在反演之前对模拟数据进行处理,提高观测数据和模拟数据的匹配程度;同时为减少初始模型对FWI的影响,利用Curvelet变换的多尺度特性,在反演的不同阶段选择不同尺度的数据参与反演,从而改善全波形反演因初始模型误差较大而出现周波跳跃的问题。利用Marmousi模型对波场相位相关时移全波形反演算法进行了测试,结果表明,该反演算法以及利用Curvelet变换多尺度数据参与反演可以明显改善FWI对低频信息和初始模型的依赖,得到较好的反演结果。     

变网格有限差分弹性波方程数值模拟方法

 研究复杂介质中地震波传播规律及地震响应特征，需要在细小网格剖分下进行弹性波方程数值模拟计算，而小网格下的数值模拟计算将带来巨大的计算量问题，采用变网格计算是减少计算量的有效途径。本文给出一种变网格差分计算的实现方法，在局部复杂介质区域采用细网格计算，其余区域采用粗网格计算，在两种网格的过渡区通过改变差分算子和波场插值实现波传播的过渡衔接。理论分析和数值模拟结果表明，变网格时在粗细网格的过渡区不会对地震波传播模拟带来影响，从而达到了既减少计算量又保证计算精度的目的。     

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。     

大规模变网格三维地震正演MPI并行策略与实现

三维波动方程数值模拟是复杂储层波场特征分析和地震响应识别模式建立的重要手段。针对大规模三维模型正演模拟面临的内存消耗巨大、计算耗时长的问题,使用MPI并行技术将模型切割计算,同时为了对局部复杂区域进行精细模拟,引入变网格算法对速度场进行局部加密,从空间上有效提高模拟精度;设计了适用于三维变网格算法的MPI并行子区域划分策略,降低了计算网格点数和内存需求。模型试算表明基于MPI并行变网格方法进行大规模三维正演数值模拟减少了内存消耗、提高了计算效率。     

基于波动方程转换的时间域多尺度全波形反演速度建模

为了避免全波形反演的周波跳跃现象,提出了基于波动方程转换的时间域多尺度全波形反演速度建模策略,在时间域实现了从低波数到高波数的多尺度全波形反演。首先从声波方程参数化模式出发,研究了阻抗-速度和速度-密度两种参数化模式下速度的辐射模式:在阻抗-速度参数化模式下,速度扰动主要引起大角度波场扰动;在速度-密度参数化模式下,速度扰动对各个角度的波场扰动贡献量完全相同。基于此,提出了先利用阻抗-速度方程构建低波数全波形反演速度模型,再以此作为初始模型,利用速度-密度方程构建高波数全波形反演速度模型的方法。该方法有效避免了混合域全波形反演中的数据转换问题以及频率域反演中的吉普斯现象,同时充分发挥了时间域全波形反演在波动方程数值模拟计算效率方面的优势,保留了时间域数据匹配易控制的特点。通过MarmousiⅡ模型数据测试,对比分析了两种参数化模式下的速度梯度特征,实现了从阻抗-速度方程的低波数全波形反演速度建模到速度-密度方程的高波数全波形反演速度建模,说明该方法能够在初始速度缺失低波数的条件下充分刻画出断层的形态和位置,使断面清晰,地层起伏与真实模型吻合。     

基于双对角通量校正的多尺度全波形反演

油气勘探的不断深入使地震勘探面临的问题越来越复杂。全波形反演(FWI)以其高精度优势成为一种极具潜力的速度建模方法,但其反演效果很大程度上受初始模型精度和炮记录频带范围的影响。在实际地震数据处理中,初始速度模型的精度往往不高,而精确的初始速度模型又是防止FWI陷入局部极值的关键,因此降低FWI对初始模型的依赖性至关重要。为此,提出一种基于双对角通量校正的多尺度FWI方法,利用通量校正运输技术对二维时间域声波方程进行校正,获得不同频率成分的校正波场,并据此推导出FWI梯度及步长计算公式,使用低频~高频的校正波场进行多尺度反演。为了验证该方法的有效性,利用改进Marmousi模型进行模拟测试。结果表明,该方法有效地拓展了波场的中低频成分,降低了FWI对初始模型的依赖性。     

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。     

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。     

基于包络反演的高低波数同步反演方法

全波形反演方法存在过于依赖初始模型及局部极值等问题。为此,利用坡印廷矢量进行梯度分解并构建高低波数同步反演方法,同时将该方法与包络反演相结合,提出了一种提高全波形反演方法稳定性的分步多尺度反演策略,即首先将线性速度模型作为初始速度模型进行包络反演,以构建浅层背景速度场;再将反演结果作为初始速度,利用坡印廷矢量实现偏移分量及层析分量的分解和同步迭代反演;最终构建扰动速度场及中、深层背景速度场。迭代反演过程中,将利用层析分量得到的梯度更新量补偿到常规反演梯度中,从而恢复中、深层低波数速度模型,同时避免了偏移/反偏移计算,减少了计算量。将该方法应用于Marmousi2模型数据的反演结果表明,基于包络反演的高低波数同步反演方法对中、深层背景速度恢复能力强;误差曲线表明,基于包络反演的高低波数同步反演方法的收敛误差小、收敛速度快且稳定性强,反演得到的速度模型为油气预测奠定了基础。     

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。     

简化的混合域全波形反演方法及GPU加速

全波形反演(FWI)方法综合利用叠前地震波场的动力学和运动学信息,能够高精度地重建地下介质模型参数场,但巨大的计算量一直是制约其发展的一个重要因素。GPU组成的高性能计算集群为提高全波形反演计算效率提供了重要的硬件基础。基于GPU平台,采用简化的混合域全波形反演算法实现了更快速的三维全波形反演计算。首先简单介绍了GPU加速技术应用于简化的混合域全波形反演时的一些优化技巧,包括线程调度、GPU之间数据传输以及共享内存的使用等,然后通过多GPU全波形反演测试了简化的混合域全波形反演的效果,证明了GPU加速技术能够有效地提高全波形反演的计算效率,相比CPU具有十几倍的加速比。     

主成分分析波场重构反演与全波形反演联合速度重构

全波形反演倚重低频成分,但地震资料中往往缺乏低频信息。为确保全波形反演在缺少低频信息时能稳定收敛,本文联合波场重构反演和全波形反演,利用波场重构反演在优化过程中拥有较大自由度的优势模拟低频部分,并以波场重构反演结果作为较高频部分的初始模型,进行全波形反演。实际应用过程中,低频部分的波场重构反演使用主成分分析法,通过降维缩短计算耗时;高频部分使用基于Curvelet变换的稀疏全波形反演和主成分分析,使得全波形反演在缺少低频成分时也能高效地收敛。二维Marmousi模型试算结果表明,本文方法在缺少低频信息条件下可得到高效稳定的全波形反演结果。     

虚谱法交错网格地震波场数值模拟

提高空间差分精度、有效压制人为边界反射是波动方程波场模拟的关键。虚谱法利用模型空间的全部信息对波场函数进行傅里叶变换,可以得到精确的波场空间导数,使数值频散效应减弱,进而实现宽频带地震波场模拟。阐述了求解弹性波波动方程的方法原理,讨论了数值模拟中Gibbs效应和边界反射问题的解决方法,即在半网格点处计算空间导数并采用最佳匹配层边界条件。设计了5层水平层状介质模型,讨论了虚谱法的模拟精度和计算效率,试算表明,适当增大差分网格和时间延拓步长不会影响计算精度,但计算效率可以得到大幅度提高。分别采用不同的差分方法对Marmousi2模型和SEG/EAGE模型进行数值模拟,结果表明,虚谱法交错网格模拟结果信噪比高,在同等模拟精度条件下较其它方法具有更高的计算效率。     

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。     

基于时域加权的拉普拉斯—频率域弹性波全波形反演

弹性波全波形反演是强非线性问题,极易因为对初始模型精度或记录的低频成分的强烈依赖性而陷入局部极小,导致反演失败.为此,建立了一种基于时域加权的拉普拉斯—频率域弹性波全波形反演方法.首先在结合了两种域各自优势的时间—频率域弹性波全波形反演基础上,通过引入拉普拉斯衰减因子降低了全波形反演对于低频成分的依赖性,形成了兼具三种...