三维观测系统优化设计的双聚焦方法

双聚焦法是一种面向特定勘探目标的三维观测系统优化设计新方法，它可以定量预测地震成像的空间分辨率、振幅精度和AVP特性。常规的CMP面元属性分析法是宏观的、全局性的，它强调获得最佳的水平叠加效果；而双聚焦特性分析法是面向指定目标的、局部性的，它强调获得最佳的偏移成像精度。因此，将两种方法结合在一起，相辅相成，提高观测系统优化设计的效果。由于不同介质模型的双聚焦计算方法差异较大，因此本课题研究分三步进行，即均匀介质算法、层状介质算法、复杂介质算法。本文完成了第一步均匀介质的双聚焦算法研究和软件研制，目前可作为三维观测系统优化设计中的补充。     

TTI介质qP波伪谱法正演模拟

基于Tsvankin的VTI介质qP波精确相速度公式,利用坐标变换的方法,导出了三维空间TTI介质qP波的精确相速度公式;结合Thomsen的弱各向异性假设以及泰勒展开式,简化了三维TTI介质qP波的精确相速度公式,建立了近似相速度公式;TTI模型的计算结果表明,近似相速度公式能较好地逼近精确相速度公式。从近似相速度公式出发,推导了三维qP波的频散关系以及时间-波数域波动方程,构建了纯qP波时间-波数域波场递推格式,分析了递推公式的稳定性条件。最后,基于伪谱法对三维均匀（VTI、TTI）模型、Hess VTI模型以及BP 2007 TTI模型进行qP波正演模拟。结果表明,利用所提方法得到的波场快照没有伪横波干扰,波场计算结果稳定。     

波动方程最优分裂步相移(OSP)偏移方法研究及应用

波动方程叠前深度偏移是复杂构造准确成像的最有效手段,它用可描述波在复杂介质中传播过程的算子来实现波场外推,更适用于复杂介质中波的成像,此外,它还具有保振幅性的优点。波动方程叠前深度偏移的核心问题就是波场外推算子,一般要求算子能适应陡倾角反射的成像和较剧烈的横向速度变化,同时还要有较高的计算效率。介绍了OSP算子的基本原理及特点,并与其他几种偏移方法进行了比较;同时用OSP方法研制的软件在大庆油田进行了实际应用,取得较好的效果,表明该方法具有良好的应用前景。     

叠前多分量偏移

用位移势能外推法进行叠前弹性偏移量种混合的、系统的、功能块的矢量波场偏移算法。根据位移→势能→势能外推→位移定顺序，本文提出一种新的不均匀介质波场外推法，它相对比较精确，且不费机。利用一种改进的适用于复杂构造的褶积声波正演模拟程序计算二种直接下行Ｐ波和Ｓ波的旅行时，这种Ｐ波和Ｓ波在弹性偏移中是必需的。本文提出一种基于时间一致原理的新的成像条件。反外推和分解后的ＰＰ波和ＳＳＩ皮位移振幅与成像条件剖面     

VTI介质角度域叠前深度偏移

研究了VTI介质角度域偏移方法,以各向同性双平方根方程的角度域偏移方法为基础,从VTI介质qP波频散关系出发,推导出VTI介质角度域偏移的波场延拓算子;在频率-波数域处理以横向均匀速度传播的波场,在空间域处理具有速度扰动特征的波场以提高波场延拓精度。模型试算和实际资料处理结果表明：各向同性偏移方法由于未考虑各向异性参数的影响,绕射波不能完全收敛,波场聚焦效果差,降低了成像剖面的分辨率和信噪比,不能对地质构造精确成像;VTI介质角度域偏移可对断层、盐丘、小尺度地质体精确成像。对于角度域偏移产生的角度域共成像点道集（ADCIG）而言,各向同性偏移的ADCIG同相轴无法校平,残留断点绕射波,波场无法正确聚焦,不能正确反映局部地质特征;VTI介质偏移的ADCIG同相轴较平直,角度范围更宽,波场归位准确,精度较高。因此,利用VTI介质角度域偏移方法可对复杂构造精确成像。     

波动方程共炮检距道集叠前深度偏移

目前所用的几种波场外推算法（分步傅里叶、傅里叶有限差分、广义屏和频率--空间域有限差分）可以在共炮道集上获得较好的成像效果。在上述算法中,共炮道集为了兼顾各种波传播角,每炮偏移都要考虑相当多的边道,并且炮点和检波点要分别向下外推,因而计算量很大。针对上述问题,本文提出了基于双平方根算子的波动方程共炮检距道集的深度偏移方法,它适用于二维和三维叠前深度成像,其步骤为：①在高频假设条件下,把共炮检距道集波场延拓公式中的积分运算进行稳相近似,得到波场延拓的相移公式;②把速度场分裂为层内常速背景和变速扰动,可求得整个均匀层波场深度延拓的偏移时移量、各层的偏移时移量及振幅校正系数,进而可得到最终波场延拓值。脉冲响应测试和理论模型试算表明,该方法具有较高的计算效率和成像精度,可适用于复杂地质体成像。     

弹性波联合叠前逆时偏移数值试验

与常规纵波地震资料相比,多波多分量地震资料含有更为丰富的弹性波场信息,因此,研究多波多分量弹性波场的逆时成像方法可以更好地挖掘其潜在的应用价值。从非均匀各向异性介质弹性波波动方程出发,尝试从弹性波正演过程来计算纵波/准纵波初至走时,并以此走时作为弹性波联合叠前逆时成像值的筛选条件;同时给出了具体的逆时成像原理和计算步骤,并引入基于散度和旋度的纯纵、横波的波场分离算子,最终实现了弹性波波场中混合波场、纯纵波和纯横波(转换波)波场的联合逆时成像。均匀弹性介质模型算例验证了所提出的走时计算方法的准确性和有效性;各向异性弹性介质模型的数值模拟试验结果表明,所给出的弹性波联合叠前逆时成像方法能够考虑介质岩性和构造特征的复杂变化,获得符合理论和实际地质情况的成像结果。     

三维随机建模方法及其波场模拟分析

为了更好地描述真实的三维地球介质以及复杂的构造、岩性、裂隙油气藏,推导了基于随机过程的谱分解理论的三维随机建模方法,其中大尺度的非均匀特性描述地球介质的平均特性,小尺度的非均匀特性描述地质模型平均特性之外的随机扰动,通常使用一个均值为0和给定方差的空间随机过程来表征。通过改变自相关长度、均值、方差、模糊度因子这4个统计量,构建了不同自相关尺度下的混合型三维随机介质模型,同时,构建了多尺度的三维随机介质模型和包含构造的复杂三维随机孔洞介质模型,并对双层均匀介质模型和随机孔洞介质模型进行了波场模拟和对比分析。数值模拟结果显示,制作的三维随机介质模型能够更加灵活、方便地描述实际地球介质,有效地模拟复杂非均匀介质的细节,同时,该模型的局部随机扰动可以引起更为复杂的散射波场,影响声波传播速度和波前形状的变化,造成局部波场能量的延时到达。     

三维TTI介质中的弹性波场分解

根据三维TTI介质倾斜对称轴与观测坐标系之间的几何关系,经坐标旋转,可以将其近似看成三维VTI介质,故适用于VTI介质的波场分解方法就可以应用于TTI介质。为此,从三维各向异性弹性波动方程出发,通过求解Christoffel方程的特征向量,构建了三维VTI介质的波场分解算子;再利用坐标旋转推导了三维TTI介质的波场分解算子;最后通过泊松方程实现三维TTI介质的弹性波场分解。引入改进的快速算法,避免了直接求解泊松方程。推导的分解算子考虑了随空间变化的弹性参数和倾斜对称轴,可适用于复杂的三维TTI介质模型。当各向异性参数以及对称轴倾角都为零时,该算子可以退化为各向同性的形式。数值计算结果表明,该TTI介质波场分解算子比各向同性或VTI介质算子能得到更精确的分离结果,可高效实现三维各向异性矢量弹性波场分解。     

双平方根算子波场外推叠前偏移速度分析

基于波场外推的叠前偏移具有较好的成像精度，但其成像精度又建立在精确的速度模型之上，利用叠前偏移对速度的敏感性来建立较好的速度模型是精确成像的重要保证。基于双平方根算子的波场外推，探讨了一种新的适应横向变速的叠前偏移速度分析方法。该方法首先在共中心点一半偏移距域中进行波场外推，然后根据波场外推的结果建立速度能量图并拾取速度信息，这个过程可根据需要作若干次迭代。对该方法的计算公式进行了推导，并设计了点散射体的常速模型和变速模型，进行了计算，计算结果表明了方法的正确性。该方法具有适应横向变速和倾角变化及计算量小的特点。     

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。     

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。     

照明分析中面向目标的波场延拓算法

利用照明分析设计观测系统,可以避免常规观测系统设计中因地下介质均匀假设带来的误差。对波动方程正演算法中的单程波方法进行了近似,提出了一种适合三维复杂介质且面向目标区域的快速波场延拓算法,可以直接对目标区域进行照明分析,无需从地表逐层延拓,计算精度与常规单程波方法相当。通过三维模型进行检验,证明了该方法的可行性。     

分形方法在模拟非均匀介质模型中的应用

常规层状介质地震波场理论已不适用于高分辨率地震勘探、储层横向预测、开发地震等高精度地震工作，因此需要发展复杂非均匀介质的地震波场理论。而建立描述介质复杂性的非均匀介质模型是进行非均匀介质地震波场理论研究的重要环节。首先介绍了描述非均匀介质的方法；然后讨论了分形频谱函数模拟非均匀介质的算法及各参数对模拟结果的影响；最后根据实际资料模拟了几种不同的非均匀介质模型。模拟的结果表明，用分形模拟的方法能模拟出更广泛类型的符合实际的非均匀介质模型。     

方位各向异性粘弹性介质波场数值模拟

当地震信号通过复杂地球介质时,地层除了表现为各向异性,还表现为内在的粘弹性特征。理想的地球介质模型应该能够模拟岩石的各向异性特征和衰减特征。本文给出了各向异性粘弹性介质模型的波动方程及其差分格式,并利用有限差分法实现了地震波波场数值模拟。结果表明了该介质模型中地震波场特征与各向异性主轴方位和介质的粘滞性参数之间的关系。     

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。     

基于共聚焦的三维最大能量积分法叠前深度偏移

 本文从WRW模型理论出发，提出了基于共聚焦成像理论的最大能量积分法成像技术，其原理为：分别假设地下某深度点存在一个虚拟接收点和一个虚拟理想震源，通过对数据矩阵进行时移后加权叠加的方法，实现针对该深度点的上行波场反向延拓的检波聚焦，通过对CFP道集进行时移后加权叠加的方法，实现针对该深度点的下行波场反向延拓的震源聚焦，生成该网格点成像结果，最后可提取t=0时刻的成像波场。其核心技术在于对聚焦算子（格林函数）的计算。本文基于单程波动方程，在地震波的有效频带范围内计算携带最大能量的三维聚焦算子，在此基础上完成基于共聚焦成像理论的最大能量积分法深度成像。文中方法成像精度接近波动方程方法，同时又具有常规积分方法适应野外观测系统、计算效率高的优点，因此是一种兼具精度和效率的实用方法。     

一种非均匀介质背景的散射层析成像方法研究

本文提出了一种非均匀介质背景的散射层析成像方法。它的基本思想是利用波场的正向传播和反向传播原理，将非均匀介质背景的散射层析成像转化为均匀介质背景的散射层析成像，然后利用业以成熟的均匀介质背景的散射层析成像方法进行成像。为了既要减少计算时所占用的大量内存和机时，又要保证计算精度，在波场正传和反传中利用Ｍａｓｌｏｖ射线理论计算格林函数，且采用了快速的有限差分射线追踪方法。最后利用理论试算检验了方法的正