相位编码多次波逆时偏移成像

随着勘探地质体复杂度日益增大,反射波成像面临诸多挑战,作为有潜力提升成像精度的重要补充或替代手段的多次波成像愈发受到重视.然而,串扰噪声的产生阻碍了多次波成像的实际应用.近年来,作为压制串扰噪声的有效技术之一,可控阶多次波成像取得了较大研究进展,但因其需重复计算各阶多次波成像结果,计算成本昂贵.为此,本文引入随机相位编码技术,并与多次波分阶思想结合,提出相位编码多次波逆时偏移方法：首先,对各阶多次波进行随机相位编码(含随机时间延迟与极性反转);其次,叠加编码后的各阶多次波,产生多次波超道集;最后,以编码后0至(N-1)阶多次波组成的超道集为虚拟震源进行正向延拓,同时反传编码后1至N阶多次波所组成的超道集,并进行互相关,得到各阶多次波联合成像结果.本文所提方法能够同步使用各阶多次波,实现各阶多次波联合成像,避免各阶多次波单独进行成像,从而成倍提升计算效率.本文用两套模拟数据与一套实际数据算例对所提方法进行了测试,成像结果验证了该方法的可行性、有效性与应用前景.     

地震多次波成像

地震资料含有各种类型多次波,而传统成像方法仅利用地震一次反射波成像,在地震成像前需将多次波去除.然而,多次波携带了丰富的地下结构信息,多次波偏移能够提供除反射波外的额外地下照明.修改传统逆时偏移方法,用包含一次反射波和多次波的原始记录代替震源子波,将SRME方法预测的表面多次波代替一次反射波作为输入数据,可将表面多次波成像.多次波成像的挑战和困难在于大量串扰噪声的产生,针对表面多次波成像中的成像噪声问题,将最小二乘逆时偏移方法与多次波分阶思想结合起来,发展可控阶数的表面多次波反演成像方法,有望初步实现高精度的表面多次波成像.在消除原始记录中的表面多次波后,通过逆散射级数方法预测得到层间多次波,将层间多次波作为逆时偏移方法的输入数据可将其准确归位到地下反射位置.数值实验表明,多次波成像能够有效地为地下提供额外照明,而可控阶表面多次波最小二乘逆时偏移成像方法几乎完全避免成像噪声.     

表面多次波最小二乘逆时偏移成像

使用相同的炮记录,多次波偏移能提供比反射波偏移更广的地下照明和更多的地下覆盖但是同时产生很多的串声噪声.相比传统逆时偏移,最小二乘逆时偏移反演的反射波成像结果具有更高的分辨率和更均衡的振幅.我们主要利用最小二乘逆时偏移压制多次波偏移产生的串声噪声.多次波最小二乘逆时偏移通常需要一定的迭代次数以较好地消除串声噪声.若提前将一阶多次波从所有阶数的多次波中过滤出来,使用相同的迭代次数,一阶多次波的最小二乘逆时偏移能够得到具有更高信噪比的成像剖面,而且能够提供与多次波最小二乘逆时偏移相似的有效地下结构成像.     

多次波逆时偏移与常规逆时偏移对比分析

在常规逆时偏移处理流程中,将包含一次波和多次波的地震记录代替脉冲震源子渡沿时间延拓到各个深度层,将地表多次波记录代替一次波地震记录沿时间逆时延拓到相同深度层,然后选取合适的成像条件实现基于逆时偏移的多次波成像,即为多次渡逆时偏移.本文首先详细分析了常规逆时偏移对多次波的成像机制,简要阐述了多次波逆时偏移的原理,在此基础上对多次波逆时偏移和常规逆时偏移的成像效果进行了模型试算,证实了逆时偏移对多次波进行成像的可行性,只有正向外推的震源渡场和逆时外推的预测多次波波场中成对的波场能量才能互相关产生真正的成像值,且多次波逆时偏移可以获取比常规逆时偏移更为广阔的成像和照明范围,对深部构造有更好的照明.     

南海深水多次波成像

南海海域水深可达5 km,是我国未来油气勘探最有前景的区域.南海海域地震资料含有各种类型多次波,在地震成像前需将多次波去除.然而与传统的一次反射波偏移比较,多次波携带更多的地下结构信息,多次波偏移可提供更好的地下成像.本文提出了一种修改传统逆时偏移的方法,利用多次波进行成像.该方法用包含一次波和多次波的记录代替震源子波,用预测多次波代替一次反射波作为输入数据.在逆时偏移处理流程中,将地表多次波记录沿时间延拓到各个深度层,通过互相关成像条件将包含一次波和多次波的地震记录沿时间延拓到相同深度层.将多次波偏移结果与一次波偏移结果的差应用目标函数进行匹配,弥补一次波偏移的不足.对Sigsbee2B数据做数值测试的结果表明与传统一次反射波偏移相比,该方法可以得到范围更大、均衡性更好的地下照明度.将该方法应用到南海深水实际资料成像,获得了南海深水地震资料多次波成像剖面.偏移结果表明,多次波成像可以弥补反射波照明的不足,由此说明多次波偏移是未来的一个重要研究方向.     

不同阶次自由表面相关多次波预测与成像方法

海水与空气间的强波阻抗界面使得海洋地震数据普遍发育自由表面相关多次波,多次波信息的利用是提高海洋地震资料成像品质的新突破点.近年来发展了一系列多次波成像方法,干涉假象是制约其应用推广的关键问题之一.为了避免假象影响,本文提出了不同阶次自由表面相关多次波预测与成像方法,首先,修改了传统SRME(表面相关多次波衰减)方法中的边界条件,通过多次波升阶次与匹配相减的方法预测出不同阶次自由表面相关多次波;其次,基于单程波偏移算子和"面炮"偏移策略,以一次反射波或第(N-1)阶自由表面相关多次波为下行波场正向延拓,以第1阶多次或第N阶多次波为上行波场逆向延拓,并在每一层互相关成像得到第1阶或N阶多次波单独成像.本方法避免了低阶多次波和高阶多次波产生的相关假象,且相对于全波算子的偏移方法具有较高的计算效率,增强了多次波成像方法的实用性.单层模型和三层模型测试验证了本方法的正确性,并在我国某深海探区实际资料处理中得到了成功应用.相对于传统一次波成像,分阶次多次波成像具有更高的照明均衡度、垂向分辨率和信噪比.本研究表明,海洋多次波成像是一次波成像的有力补充,对于稳定海底沉积的深海地区,具有一定的应用前景.     

衰减干涉假象的海洋一次波与多次波同时成像方法

海水与空气间的强波阻抗差使得海洋地震资料普遍发育自由表面相关多次波,如何利用好多次波所携带的有效信息已成为提高海洋地震资料成像品质的新突破点.基于面炮偏移的一次波与多次波同时成像方法能够避免多次波预测精度的影响,但是,正向传播的震源子波与反向延拓的自由表面相关多次波所产生的干涉假象严重制约了该技术的应用,本文提出了一种基于单程波偏移算子,可在成像域压制干涉假象的一次波与多次波同时成像方法.其中包含了三个步骤:第一,传统单程波偏移成像方法中的震源子波替换为一次波、多次波与震源子波,初始上行延拓波场为一次波与多次波,基于单程波算子的波场延拓与互相关成像条件的应用得到包含干涉假象的一次波与多次波同时成像;第二,以子波为震源,自由表面相关多次波为记录,按照传统单程波偏移成像方法得到干涉假象;第三,基于最小二乘匹配滤波算法,将第一步的成像结果与第二步的干涉假象进行匹配相减,得到干涉假象衰减后的一次波与多次波同时成像,避开了由于实际资料子波无法准确提取而造成一次波与多次波对成像能量级的不一致性.Sigsbee2B模型测试验证了本方法的有效性,并在我国某探区深海实际资料处理中得到了成功应用,深层基底得到了清晰刻画,并且照明均衡度明显改善.     

基于两种波场分离方法的弹性波逆时偏移对比研究

弹性波逆时偏移是一种以矢量波理论为基础的深度域偏移算法,该算法在波场传播过程中能够正确处理波形能量的转换,保持地震波的动力学和运动学特征.然而,传统弹性波逆时偏移由于成像时纵横波未分离,导致串扰噪声的产生,降低成像精度.为压制弹性波逆时偏移成像串扰噪声,本文对基于Helmholtz分解的波场分离与基于解耦方程的波场分离方法进行研究和分析,并测试对比相应的弹性波逆时偏移成像效果.均匀各向同性介质波场分离测试表明,基于Helmholtz分解分离波场的振幅与相位均发生改变,需要额外校正;而基于解耦方程的波场分离方法可以保持原始波场相位与振幅特征不变.Marmousi截断模型测试表明,基于Helmholtz分解分离波场的弹性波逆时偏移成像振幅与相位发生改变,且存在极性反转现象;基于解耦方程波场分离方法的弹性波逆时偏移成像保持原始波场矢量特征,无极性反转现象,成像效果较为理想.     

地质雷达有限差分逆时偏移方法研究

地质雷达技术是用于研究水文、环境与气候变化等重大科学问题最有效的地球物理技术之一,并广泛应用于检测道路和建筑内部结构,探测冻土层、沙漠沙丘演化特征,进行地质灾害和考古探测等.具有探测速度快、分辨率高和探测结果直观成像的优势.但由于受到介质横向速度变化,孤立块体的绕射波和倾斜界面复杂反射波的影响等,在雷达探测剖面上经常难以真实地反映地下目标体的空间位置和形态.偏移处理技术可以提高成像的真实性.逆时偏移能有效地利用回转波、多次波成像,使反射波准确归位,绕射波完全收敛,是一种受横向变化影响小,倾斜界面成像精度高的偏移方法.本文推导出基于麦克斯韦方程组TM波方程的有限差分格式、稳定性条件和PML边界条件,并编程实现有限差分零偏移距逆时偏移算法.两层模型和空洞模型的逆时偏移剖面与对应的原速度模型完全相同,有效地验证了有限差分零偏移距逆时偏移算法的准确性.相比于两层模型和空洞模型的Kirchhoff偏移剖面,逆时偏移剖面能更有效地提高垂直界面和空洞底界面的成像分辨率,更真实地反映两层模型和空洞模型的空间形态和内部结构信息.     

基于单程波偏移算子的地表相关多次波成像

在常规地震资料处理中,多次反射波被视为噪声并从地震数据中去除,以免在之后的地震资料解释中造成误解.而事实上,多次波也是地震信号,是照明波场的一部分,能够对地下构造成像的精度做出贡献.本文分析了多次波在传统单程波叠前深度偏移中产生构造假象的机制和表现,为实现基于单程波偏移算子的多次波成像,修改了单程波叠前深度偏移的边界条件,即将输入的震源波场用包含多次波的记录来替代,输入的记录波场用预测出的表层相关多次波来替代,实现了基于单程波偏移算子的地表相关多次波成像,并从理论上给出了其成像依据.通过基于二范式最小能量差原则求取的匹配因子,将多次波成像结果与一次波成像结果进行匹配叠加,应用多次波成像来弥补一次波成像的不足.简单模型验证了基于单程波偏移算子的多次波成像方法的有效性,最后对Sigsbee2B模型进行了一次波与多次波联合成像试算,盐边界高陡构造成像质量得到了明显改善.     

数据自相关多次波偏移成像

在常规偏移方法中一般都需要压制地震数据中的多次波,仅利用一次波信息成像,把自由表面反射的多次波视为噪声,但是在多次波中也包含着地下结构信息,应该将其充分利用到成像中来.事实上,已经有不少成像方法试图利用多次波信息,但是大部分方法都需要对多次波进行预测.本文提出了基于傅里叶有限差分偏移算子的数据自相关偏移方法.在这种偏移方法中,对含有一次波和多次波的地震数据,分别进行下行和上行延拓,然后直接利用常规的互相关成像条件成像.由于波场延拓采用了傅里叶有限差分算子,其计算效率高,能够很好地对复杂介质中的地震数据进行延拓.在数值试验中,使用了一个含散射点的三层模型和Marmousi模型.合成数据测试结果表明,这种方法可以对更大范围的地下构造成像,比常规的只利用一次波的傅里叶有限差分法照明度更好,并且在浅层可以提供更高的分辨率.我们提出的数据自相关策略易于实现且避免了繁杂的多次波预测,这对于复杂地下构造成像可能有着重大意义.     

一阶多次波聚焦变换成像

将多次波转换成反射波并按传统反射波偏移算法成像,是多次波成像的一种方法.聚焦变换能准确的将多次波转换为纵向分辨率更高的新波场记录,其中一阶多次波转换为反射波.本文对聚焦变换提出了两点改进:1)提出局部聚焦变换,以减小存储量和计算量,增强该方法对检波点随炮点移动的采集数据的适应性;2)引入加权矩阵,理论上证明原始记录的炮点比检波点稀疏时,共检波点道集域的局部聚焦变换可以将多次波准确转换成炮点与检波点有相同采样频率的新波场记录.本文在第一个数值实验中对比了对包含反射波与多次波的原始记录做局部聚焦变换和直接对预测的多次波做局部聚焦变换两种方案,验证了第二种方案转换得到的波场记录信噪比更高且避免了第一个方案中切聚焦点这项比较繁杂的工作.第二个数值实验表明:在炮点采样较为稀疏时,该方法能有效的将一阶多次波转换成反射波;转换的反射波能提供更丰富的波场信息,成像结果更均衡、在局部有更高的信噪比,以及较高的纵向分辨率.     

Reverse time migration using water-bottom-related multiples

Reverse time migration of multiples can be used to construct subsurface structures where primaries cannot illuminate well. However, the images generated using multiples suffer from severe artefacts due to the cross-talks created by interference among unrelated multiples. We developed a migration approach using water-bottom-related multiples to reduce these cross-talk artefacts. This approach first isolates primaries from the original data and predicts water-column primaries. The nth-order water-column multiples can be obtained by auto-convolving the water-column primaries n times, followed by convolving the nth-order water-column multiples with the primaries to extract the (n+1)th-order water-bottom-related multiples. The approach takes the nth-order water-column multiples as the secondary source and regards the (n+1)th-order water-bottom-related multiples as the receiver wavefield, followed by a cross-correlation imaging condition. Numerical examples from synthetic and field data sets reveal that our approach can provide images with substantially fewer cross-talk artefacts than conventional reverse time migration using multiples, as well as greatly improving shallow imaging compared with reverse time migration of primaries.     

基于激发振幅成像条件的探地雷达逆时偏移成像

针对基于互相关成像条件的探地雷达（GPR）逆时偏移计算效率低、存储量大及易产生低频假象的不足,本文将激发振幅成像条件应用于GPR逆时偏移成像中.通过在源点电磁波场正向传播过程计算每个网格点的能量密度,并保存最大能量密度的时刻和相应的电磁波场值;在接收点电磁波场逆向传播过程提取每个网格点最大能量密度时刻及对应的电磁波场值,并利用保存的最大能量源点电磁波场及走时做归一化,从而获得了依赖反射系数成像剖面,避免了源点正向传播电磁波场的存储和重建.此外,为了提高电磁波场的模拟精度,采用了基于三角形剖分的时间域有限单元法（FETD）计算电磁波正向和逆向传播过程.最后通过模型试算表明：激发振幅成像条件相比于归一化互相关成像条件,成像结果低频噪声更弱,空间分辨率更高,计算效率提高了近2倍.     

Full‐wavefield migration: using surface and internal multiples in imaging

Multiple scattering is usually ignored in migration algorithms, although it is a genuine part of the physical reflection response. When properly included, multiples can add to the illumination of the subsurface, although their crosstalk effects are removed. Therefore, we introduce full‐wavefield migration. It includes all multiples and transmission effects in deriving an image via an inversion approach. Since it tries to minimize the misfit between modeled and observed data, it may be considered a full waveform inversion process. However, full‐wavefield migration involves a forward modelling process that uses the estimated seismic image (i.e., the reflectivities) to generate the modelled full wavefield response, whereas a smooth migration velocity model can be used to describe the propagation effects. This separation of modelling in terms of scattering and propagation is not easily achievable when finite‐difference or finite‐element modelling is used. By this separation, a more linear inversion problem is obtained. Moreover, during the forward modelling, the wavefields are computed separately in the incident and scattered directions, which allows the implementation of various imaging conditions, such as imaging reflectors from below, and avoids low‐frequency image artefacts, such as typically observed during reverse‐time migration. The full wavefield modelling process also has the flexibility to image directly the total data (i.e., primaries and multiples together) or the primaries and the multiples separately. Based on various numerical data examples for the 2D and 3D cases, the advantages of this methodology are demonstrated.     

Migration of multiples from the South China Sea

The South China Sea where water depth is up to 5000 m is the most promising oil and gas exploration area in China in the future.The seismic data acquired in the South China Sea contain various types of multiples that need to be removed before imaging can be developed.However,compared with the conventional reflection migration,multiples carry more information of the underground structure that helps provide better subsurface imaging.This paper presents a method to modify the conventional reverse time migration so that multiple reflections can migrate to their correct locations in the subsurface.This approach replaces the numerical impulsive source with the recorded data including primaries and multiples on the surface,and replaces the recorded primary reflection data with multiples.In the reverse time migration process,multiples recorded on the surface are extrapolated backward in time to each depth level,while primaries and multiples recorded on the surface are extrapolated forward in time to the same depth levels.By matching the difference between the primary and multiple images using an objective function,this algorithm improves the primary resultant image.Synthetic tests on Sigsbee2 B show that the proposed method can obtain a greater range and better underground illumination.Images of deep water in the South China Sea are obtained using multiples and their matching with primaries.They demonstrate that multiples can make up for the reflection illumination and the migration of multiples is an important research direction in the future.