3DTTI介质逆时偏移计算关键问题研究

TTI介质逆时偏移是复杂构造区地震成像的一种重要有效技术.然而,其3D数据实际应用仍然存在一些挑战.本文以TTI拟声波方程为基础,系统梳理了TTI逆时偏移计算中的几个关键问题并给出解决方案.首先,P波与SV波耦合问题.本文系统分析了各向异性参数匹配方法伪横波压制效果以及其对波传播的影响;其次,为了提高计算效率,本文基于CUDA平台实现GPU加速计算方案.主要解决了两个方面的问题,其一为扩展了随机边界在TTI介质波场传播中的应用,确定了TTI介质速度和其他四个参数对应的"均匀各向异性"随机边界;其二,本文将单GPU拓展到多GPU实现三维TTI介质逆时偏移,并且采用了一种异步流技术,大大提高了GPU计算的高并发策略,使双GPU实现的加速比与单GPU相比接近理想的2∶1.最后通过3D模型试验证明了方法的效率和准确性.     

各向异性介质Low-rank有限差分法纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移

拟声波最小二乘逆时偏移是一种极具潜力的地震波成像工具,但该方法遭受各向异性拟声波近似的限制,TTI介质正演模拟不稳定、反偏移记录中遭受伪横波二次扰动及数值频散假象,另外拟声波最小二乘逆时偏移还面临计算效率低、收敛速度慢、对速度等模型参数依赖性高等问题.为了克服各向异性拟声波最小二乘逆时偏移的缺陷,在反演框架下,本文借助Low-rank有限差分算法首次提出并实现了TTI介质纯qP波线性正演模拟及纯qP波最小二乘逆时偏移;为了进一步提升反演成像效率,同时改善反演成像方法对模型参数误差的依赖性及对地震数据噪声的适应性,通过引入叠前平面波优化策略,发展了TTI介质纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移成像方法.在编程实现方法的基础上,通过开展模型成像测试,展示了本方法的优势和潜力：一方面加快了反演成像效率,另一方面也提升了方法的抗噪性,同时还降低了方法对模型参数的依赖性.     

三维逆时偏移GPU/CPU机群实现方案研究

叠前逆时偏移是当前最为准确的地震成像方法,由于计算量大、存储量大等原因需要合适的实现策略和高效的计算平台.本文以高阶有限差分逆时偏移为基础,重点讨论了在GPU上实现需要解决的显存不足问题和人工边界问题.利用区域分解技术可以在当前GPU上高效地实现任意生产规模的三维逆时偏移成像,不会受到GPU显存规模的制约.常规最佳匹配层边界条件边界区域控制方程与内部区域差异较大,不适于GPU高速运算.本文在GPU上实现近似最佳匹配层(NPML)边界条件,使得高阶有限差分计算不需要分支判断,边界区域辅助波场的存储量也较低,保证了在GPU上进行波场传播的高效性.三维理论数据和实际资料成像结果表明了本文方法的正确性.     

稳定的TTI介质拟声波逆时偏移及伪横波的联合压制策略

为克服各向同性和VTI介质逆时偏移方法对复杂地质构造成像的局限,研究了TTI介质拟声波逆时偏移方法.首先从精确的TTI介质频散关系出发,引入一个各向异性控制参数σ,推导了新的二阶耦合TTI介质拟声波方程,以保证波场延拓的稳定性;然后引入波场的伪速度分量,推导了等价的一阶拟声波方程.相比于规则网格有限差分法,交错网格有限差分(SGFD)法能够有效地压制数值频散,模拟精度更高;因此利用高阶SGFD法求解TTI介质一阶拟声波方程,构建逆时偏移所需的正向和逆时波场延拓算子,并应用归一化互相关成像条件实现精确的TTI介质逆时偏移成像.最后,简单讨论了伪横波的产生机制,并给出了伪横波的联合压制策略.模型试验结果验证了方法的有效性和稳定性.     

TTI介质伪解析解耦波动方程

地球介质中最常见的一种各向异性介质就是倾斜横向各向同性(tilted transversely isotropic,简称TTI)介质,目前TTI介质的正演和逆时偏移是地震勘探工业界研究的前沿热点,TTI介质中的高精度地震波正演和逆时偏移必须要考虑TTI各向异性的影响,否则会使得模拟和成像结果不够准确.本文基于Tsvankin提出的TI介质相速度精确频散方程,针对常规TTI介质解耦波动方程时间精度的不足引入伪解析法(pseudoanalytical method,简称PAM)提出一种新的基于伪解析法的TTI介质解耦波动方程,能在时间方向和空间方向都达到高精度纯P波模拟.数值模拟结果显示,本文构造的基于伪解析法的TTI介质解耦波动方程具有高精度且没有任何伪横波误差.     

一种黏声波方程逆时偏移成像中的衰减补偿方法

在存在强衰减介质的区域进行逆时偏移成像,需要既能补偿地震波传播过程中的振幅衰减,又能保持其相位不变的高效算法.为此,本文提出了一种利用有限差分模拟进行声波衰减补偿的方法来实现考虑衰减的逆时偏移.这种方法以线性黏弹性体模型为基础,保持其复模量的实部不变,并采用多项式多级优化方法修正复模量的虚部,从而实现在保持相位不变的同时补偿振幅,进而有效提高偏移成像的清晰程度,尤其是对于介质对地震波衰减极为强烈的情形.这一方法在声波方程中只增加了整数阶微分算子进行修正,能够保证利用有限差分法进行数值求解,有利于进行高效的大规模细粒度并行计算和GPU加速计算.数值实验结果验证了这一方法的可行性和有效性,能够很好地提高强衰减介质区域的偏移成像质量.     

基于自适应优化有限差分方法的全波VSP逆时偏移

与地面地震资料相比,VSP资料具有分辨率高、环境噪声小及能更好地反映井旁信息等优点.常规VSP偏移主要对上行反射波进行成像,存在照明度低、成像范围受限等问题.为了增加照明度、拓宽成像范围、提高成像精度,本文采用直达波除外的所有声波波场数据(全波),包括一次反射波、多次反射波等进行叠前逆时偏移成像.针对逆时偏移中的四个关键问题,即波场延拓、吸收边界条件、成像条件及低频噪声的压制,本文分别采用自适应变空间差分算子长度的优化有限差分方法(自适应优化有限差分方法)求解二维声波波动方程以实现高精度、高效率的波场延拓,采用混合吸收边界条件压制因计算区域有限所引起的人工边界反射,采用震源归一化零延迟互相关成像条件进行成像,采用拉普拉斯滤波方法压制逆时偏移中产生的低频噪声.本文对VSP模型数据的逆时偏移成像进行了分析,结果表明:自适应优化有限差分方法比传统有限差分方法具有更高的模拟精度与计算效率,适用于VSP逆时偏移成像;全波场VSP逆时偏移成像比上行波VSP逆时偏移的成像范围大、成像效果好;相对于反褶积成像条件,震源归一化零延迟互相关成像条件具有稳定性好、计算效率高等优点.将本文方法应用于某实际VSP资料的逆时偏移成像,进一步验证了本文方法的正确性和有效性.     

地震叠前逆时偏移的有效边界存储策略

基于双程波动方程的逆时偏移被认为是目前最好的偏移成像技术,更适合于复杂构造成像.然而,大计算量和大存储量使得逆时偏移的计算成本很高而无法用于大数据量的地震成像.本文分析了目前常用的存储策略,并分别在空间和时间上对存储策略进行了研究:空间上,根据有限差分格式,在边界存储策略的基础上通过修改波场逆向传播的边界条件,提出了有效边界存储策略.该策略可在不增加任何计算量的情况下大幅降低逆时偏移对存储量的需求;在时间上,使用checkpointing技术对有效边界存储策略进行了改进,使叠前逆时偏移在增加少量计算量的情况下进一步降低存储量需求.Marmousi模型测试结果表明了有效边界存储策略的有效性和优越性.     

基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.     

基于优化时空域高阶有限差分方法的粘滞声波叠前逆时偏移(英文)

叠前逆时偏移是对地下介质进行精确成像的方法之一。由于实际地下介质具有粘滞性,研究粘滞声波叠前逆时偏移具有一定的现实意义。逆时偏移的步骤之一是求解波动方程,对地震波场进行正向和反向外推,因此,精确、高效地求解波动方程对逆时偏移的成像效果和计算效率具有重要影响。本文中,我们利用基于优化时空域频散关系的高阶有限差分方法求解粘滞声波方程。频散分析和数值模拟的结果证明了优化时空域有限差分方法具有较高的精度,可以很好地压制数值频散。利用混合吸收边界条件处理边界反射,然后利用震源归一化互相关成像条件进行成像,并利用拉普拉斯滤波方法去除低频噪音。数值模型的测试结果显示,在考虑地下介质的粘滞性时,粘滞声波方程逆时偏移比声波方程逆时偏移具有更高的成像分辨率。另外,在进行波场外推的时候,采用自适应变长度的有限差分算子计算空间导数,在不影响求解精度的情况下,有效地提高了计算效率。     

地震波传播和成像中的多尺度计算问题

逆时偏移和全波形反演方法的应用对复杂地质条件下的石油勘探具有重要意义,但由于现代地震采集技术的发展,地震勘探数据量迅速增加,逆时偏移和全波形反演方法的技术开发面临如何有效适应大模型和海量数据,缩短计算时间、降低处理成本.为此,本文根据文献调研,评述了科学计算领域的两类方法,多尺度计算的方法和指数映射的方法,指出前者有利于快速计算,后者可以适应非均匀介质,如果将他们结合应用于地震波传播问题,有可能改进逆时偏移和全波形反演方法的并行计算效率.     

各向异性弹性波动方程多分量联合叠后逆时偏移

为了更好地描述地下介质的各向异性特性,实现准确的波场成像,开展了各向异性介质逆时偏移研究。采用高阶交错网格有限差分法推导出各向异性弹性波动方程叠后逆时深度偏移方程,证明各向异性介质向各向同性介质转化的条件,并研究Thom son参数对弹性波场的影响,合成了各向同性介质和各向异性介质多分量零偏移距剖面,实现了多分量模拟记录联合叠后逆时偏移。计算结果表明,能够准确地实现多分量波场叠后逆时成像,使地质层位中的断层、断点等目标成像清晰准确,且偏移成像精度较高,因此各向异性逆时偏移法是一种高精度的深度域偏移成像方法,可以指导实际天然地震资料和人工地震资料的数据处理。     

注重技术创新,引领技术发展,为油气勘探开发提供强力技术支持——2014 CPS/SEG国际地球物理会议概述

2014CPS/SEG国际地球物理会议在北京成功召开,会议发表了关于地震资料采集、处理、解释和其它应用的300余篇学术论文.本次会议整体上注重技术创新和创新技术的应用,会议成果表明,GPU并行计算基本渗透到地震资料处理的各个环节,对于偏移成像来说,该技术使得逆时偏移和全波形反演的工业化大规模应用成为可能;对地震成像技术而言,各向异性TTI介质的声波方程和弹性波方程的逆时偏移仍是地震技术发展的重要方向,提供高精度速度模型和弹性参数的三维波动方程的全波形反演技术是未来十年,乃至更长时间的攻关研究方向.随着勘探的复杂化,非常规油气的地球物理技术和微地震压裂的检测方法正逐渐成为地球物理工作者重视的研究内容;另外,开发和井中地球物理技术是油藏开发后期的剩余油预测、油藏描述和监测的关键技术.     

逆时偏移边界条件与存储策略分析

地震波场模拟是叠前逆时偏移方法的核心计算单元,因此,边界条件和存储方案的选择是高精度以及高效率逆时偏移算法不可回避的问题.本文就随机边界条件和吸收边界条件在逆时偏移算法中的应用效果以及相应的四种存储策略展开具体分析,给出了不同存储策略下的计算成本和存储量需求.文中优选随机边界条件和吸收边界条件的有效边界存储方案,引入GPU并行加速技术对SEG起伏地表模型进行测试,详细讨论分析了两种方法的计算效率和计算精度.测试表明,随机边界存储的计算成本要低于有效边界存储的计算成本,而受边界散射的影响,随机边界逆时偏移在浅层伴有噪音干扰.针对具体数据情况,合理地运用GPU加速技术、选择有效的边界条件以及存储方法,是改善逆时偏移成像精度和效率的有效途径.     

各向同性弹性波随机边界逆时偏移

叠前地震逆时偏移是目前公认地震成像的有效途径.声学介质逆时偏移已经成熟,弹性波逆时偏移研究相对较少,本文研究了各向同性介质弹性波逆时偏移.传统逆时偏移由于存储量的巨大不便于实际应用.本文针对逆时偏移存储量大的缺点,采用随机边界条件,用计算换存储减少了存储量.首先从波动方程出发,推导了各向同性介质弹性波逆时偏移高阶有限差分算子;其次运用随机边界逆时偏移的流程进行逆时偏移;最后采用传统的拉普拉斯滤波的方法消除低频噪音.模型试算表明,采用随机边界得到逆时偏移结果与常规有限差分得到的逆时偏移结果差别较小,证明了该方法的正确性.     

TTI介质qP波逆时偏移中伪横波噪声压制方法

在对地下复杂构造介质,特别是盐丘侧翼及岩下区域进行成像时,相对于传统的各向同性逆时偏移和VTI逆时偏移,具有倾斜对称轴的TTI逆时偏移成像效果最优.不仅反射同相轴更加的连续,而且能量得到了更好的聚焦.传统的各向异性介质全弹性波RTM的计算量大且计算效率低.由于目前仍以纵波勘探为主,因此TTI逆时偏移qP波波动方程的选取显得尤为重要.为了提高计算效率,采用将沿着对称轴方向的横波速度设为零的方法,简化得到qP波波动方程.然而,这样会引入一种严重影响成像效果的低速度、低振幅的qSV波人为干扰.本文建立了qP波方程的完全匹配层控制方程,而后借助于辅助波场采用一种高效的压制伪横波噪声传播的方法,通过模型测试验证了该方法的有效性.     

地震叠前逆时偏移中的去噪与存储

地震叠前逆时偏移是当前公认的地震成像的有效途径,然而它面临着计算量甚巨,低频成像噪音以及存储量大等问题,因此,业内科研工作者对其研究乐此不疲.借助GPU/CPU协同计算可以有效解决计算量的难点,笔者已在另文中阐述,本文着重探讨成像噪音抑制以及存储问题.文中分析了叠前逆时偏移产生成像噪音的机制,据此提出在叠前地震资料中先对数据进行相位与振幅校正,进而在成像后运用拉普拉斯算子滤波法消除成像噪音,从而有效去除成像所产生的低频噪音;针对存储量,采用随机边界,用计算换存储,并借助GPU实现,节省了GPU与CPU之间的数据通讯,数值实验结果表明,采用随机边界方法的逆时偏移结果与直接存储波场的方法得到的结果差别甚小.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

三维声波方程优化有限差分正演（英文）

传统上,有限差分的差分系数一般可以通过泰勒级数展开法或优化方法来极小化频散误差得到。基于泰勒级数展开的差分法在有限的波数范围内精度较高,但在这个范围之外会产生较强的数值频散;基于最小二乘的优化有限差分法能在更大的波数范围内达到较高的精度,并可以在较小的计算需求内获得全局最优解。本文将基于最小二乘的优化有限差分法从二维正演模拟推广到三维,形成了计算效率高、高精度范围宽、适合并行计算的三维声波优化有限差分方法。频散分析及正演模拟表明本文发展的有限差分方法可以很好地压制数值频散。最后,将本文发展的有限差分方法应用到三维逆时偏移的震源波场延拓和检波点波场延拓中,并结合有效边界存储策略与checkpointing技术在GPU集群上实现三维逆时偏移以提高计算效率、减少存储量。三维逆时偏移试算结果表明本文三维优化有限差分方法与传统的有限差分法相比可以获得更高精度的偏移成像结果。     

VTI介质高精度叠前逆时偏移方法研究

基于双程波动方程的叠前逆时偏移方法成像精度高,而且无地层倾角限制,较适合于复杂地下构造成像.但是,由于地下介质的各向异性广泛存在,基于各向同性的正演算法,尚难准确描述真实的地下波场传播,逆时偏移的成像精度也因此受到限制.鉴于此,本文研究了各向异性VTI介质逆时偏移方法,首先根据VTI介质一阶准P波方程推导出了炮点和检波点的逆时延拓的交错网格高阶差分格式,针对算法计算量和存储量大的问题,文中研究了一种改进的基于GPU加速的有效PML边界存储策略.本文建议的方法只需增加少量的额外计算,就可降低大幅度的存储成本,进而实现高精度和高效率的各向异性逆时偏移.Hess 2DVTI模型测试表明,本文提出的方法不需要存储全部历史时刻的波场,可以实现高效率高精度的VTI介质叠前逆时偏移成像.