双复杂条件下非倾斜叠加精确束偏移方法及应用I——声波方程

近年来,油气勘探的重心正转向具有复杂地表和复杂地质体的双复杂区域.本文发展了一种精确的双复杂条件下基于地表倾角信息的非倾斜叠加束偏移方法,相对于传统束成像方法无需进行三方面处理:(1)高程静校正;(2)相位校正;(3)束中心与接收点之间关于速度和束出射角的近似替换,因而具有更高的成像精度.通过加拿大逆掩断层模型、中原油田断层模型及实际资料的偏移试算,并与传统束偏移及波动方程偏移成像结果对比可知:本文非近似束偏移方法在近地表、高陡倾等构造处的成像精度、反射界面成像振幅等方面优于传统的偏移方法,以此验证了本文非倾斜叠加精确束偏移方法的正确性、优越性及适应性.     

基于非规则双重网格的三维声波方程模拟

三维声波方程相比二维声波方程能够更好的模拟三维空间的地震波传播,模拟标量近似下的弹性波在三维复杂介质的传播过程.基于非规则网格的正演模拟方法的格子法可以处理很好的刻画起伏地表、速度间断面等复杂构造,但是这类方法需要大量的几何描述来描述网格.本文提出了三维六面体双重网格的格子法来模拟声波方程,一方面该方法继承了格子法能够灵活处理自由表面和速度间断面的特性.另一方面,该方法通过双重网格的实现极大的减少了几何描述文件的大小,可以最大的实现GPU加速,实现粗粒度并行,在节省了几何描述空间的同时达到了很高的加速比.     

利用深反射地震数据构建的多阶面波频散曲线反演近地表横波速度结构——以跨班公湖—怒江缝合带深反射地震资料为例

深反射地震剖面法为了获取深部结构特征常常采取大的偏移距采集数据.目前公开发表的相关资料中,鲜有利用深反射地震炮集数据获取近地表的结构特征.为此,本文通过正演测试了相关数据处理流程,即利用有限差分正演了起伏地表模型的大偏移距地震单炮弹性波场特征,通过共检波点域面波信号F-K频谱叠加构建新方法,从深反射地震数据集中提取了高品质的多阶面波频散曲线,再利用多阶面波联合反演获得了近地表的结构特征.在前述正演流程基础上,利用跨越班公湖—怒江缝合带的SinoProbe深反射地震剖面中的实际炮集数据,求取了基阶和一阶瑞利波频散曲线,联合反演后得到近地表横波速度结构.该结果与初至波走时反演获取的纵波速度结构具有较好的一致性,且在近地表的浅层分辨率较纵波速度结构特征更高,而更与已有地质认识相吻合.本文提供的相关数据处理流程表明利用深反射地震炮集数据,也能够获取近地表浅层的横波速度结构.     

SH波地表散射的局域边界元模拟

本文提出了一种计算不规则起伏地形中SH波散射的有效方法——局域边界元法.本方法基于传统边界元法,为计算复杂地表散射问题提供了一种更加高效的解决方案.根据地震波满足的边界积分方程中牵引力格林函数的特性,我们将自由边界分解成水平部分和起伏部分.通过公式推导,可将水平部分的位移由起伏部分的位移通过格林函数线性叠加表示,因此只需对起伏部分的位移进行直接求解,从而极大地减少了待求解的未知数个数,显著提高了计算效率.通过与半圆形山谷SH波平面波入射的解析解比较,验证了方法的正确性.数值模型比较显示,局域边界元模拟结果与传统边界元数值解完全吻合,但是大幅提高了计算效率.因此,局域边界元法可以作为模拟不规则地形中地震波散射的有效工具.     

基于非规则网格声波正演的时间域全波形反演

全波形反演是地震资料处理中速度建模的有力工具,相比层析成像等速度建模方法它能够得到速度场的更高频成分.本文给出了基于声波方程格子法正演的时间域全波形反演方法,该方法用非规则、非结构化的三角网格来离散计算区域及模型参数,能实现网格粒度与反演分辨率在空间上的自动匹配,内存需求少,计算效率高;采用L-BFGS优化方法,以分频段变网格的方式实施多尺度反演.以二维Overthrust模型进行了速度反演数值测试,显示了该方法的高效性和潜力.     

2-D Frequency-domain Waveform Inversion of Coupled Acoustic-Elastic Media with an Irregular Interface

In order to correctly interpret marine exploration data, which contain many elastic signals such as S waves, surface waves and converted waves, we have developed both a frequency-domain modeling algorithm for acoustic-elastic coupled media with an irregular interface, and the corresponding waveform inversion algorithm. By applying the continuity condition between acoustic (fluid) and elastic (solid) media, wave propagation can be properly simulated throughout the coupled domain. The arbitrary interface is represented by tessellating square and triangular finite elements. Although the resulting complex impedance matrix generated by finite element methods for the acoustic-elastic coupled wave equation is asymmetric, we can exploit the usual back-propagation algorithm used in the frequency domain through modern sparse matrix technology. By running numerical experiments on a synthetic model, we demonstrate that our inversion algorithm can successfully recover P- and S-wave velocity and density models from marine exploration data (pressure data only).     

全波形反演在缝洞型储层速度建模中的应用

速度是地震偏移成像准确与否的关键所在.全波形反演综合利用地震波场运动学和动力学信息,能够得到相比传统速度建模方法更高频的成分.全波形反演的理论比较成熟,但实际应用成功的例子相对较少,特别是对于陆上地震资料.塔里木盆地地震地质条件复杂,为了实现缝洞型储层的准确成像,本文开展了针对目标靶区的全波形反演精细速度建场研究.采用一种时间域分层多尺度全波形反演流程:首先通过层析成像建立初始速度模型;其次利用折射波反演浅层速度模型;最后利用反射波反演中深层速度模型.偏移成像结果表明基于全波形反演的速度建模技术能有效改善火成岩下伏构造的成像精度,显示了全波形反演在常规陆上采集资料的应用潜力.     

双复杂条件下带误差补偿的频率空间域有限差分法叠前深度偏移

油气勘探的重点正转向复杂地表条件和复杂地质条件的区域.双复杂条件下的叠前深度偏移方法是解决复杂地表条件和复杂地质构造成像的有效手段,基于"逐步累加"的"直接下延"法和"波场上延"法都是解决复杂地表成像的有效手段.波动方程的频率空间域有限差分深度偏移对介质速度横向变化有较强的适应性,适宜于复杂构造的偏移成像.然而,频率-空间域有限差分法求解时引入的误差影响了成像的质量,我们用了带误差补偿的频率-空间域有限差分偏移改善了起伏地表条件下的频空域有限差分偏移质量,对模型和实际资料进行了试算,得到了较好的成像效果.误差补偿可以在若干个外推步长上进行,通过对比分析,我们发现,相对于基于起伏地表的傅立叶有限差分法偏移来说,该方法在改善起伏地表条件下偏移成像质量的同时,也具有较高的运算效率.     

基于谱元法的全波形反演及其在海底地震数据中的应用

全波形反演已被广泛应用于获取地下速度结构.而反演问题与正演方法密切联系,针对特定反演问题,合适的正演方法能极大提高反演效率和精度.本文首先验证谱元法在含起伏界面模型数值模拟方面的优势,在此基础上将谱元法作为正演引擎应用于全波形反演,并为克服未知子波的影响,采用一种归一化的频率域目标泛函.结果表明,起伏地表情况下,基于谱元法的全波形反演相比于基于传统有限差分法反演,具有更高的反演精度.进一步,本文将基于谱元法的波形反演方法应用于OBS观测系统的理论合成数据和野外采集数据.谱元法非结构化网格剖分自然满足自由边界条件,能很好地适应不规则海床并模拟多次波.理论实验表明,即使在OBS观测系统很稀疏的情况下,基于谱元法的全波形反演仍能获得海底以下正确的高波数速度结构.在处理实际OBS数据时,本文采用分频策略以减少反演非线性,初始模型成功更新,其结果揭示了西沙海槽海底以下更多的细节信息.     

频率域全波形反演中关于复频率的研究

Laplace-Fourier域全波形反演可以利用简单的初始模型,从缺失低频信息的地震数据中得到长波长速度模型.Laplace-Fourier域全波形反演等价于本文的复频率全波形反演,但二者的实现方式不同,因此研究复频率全波形反演,可以为二者的对比研究并发展更有效的方法奠定重要基础.本文首先比较用线性增加模型作为初始模型时几个包含不同高低频成分的频率组的反演效果,再比较结合复频率之后各个频率组的反演效果,从简单模型和复杂模型的测试中都可以看出这种复频率+频率反演的方式对反演效果有明显改善.     

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波(P波)与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演(Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI)可获得近地表横波(S波)速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.     

双复杂介质条件下频率空间域有限差分法保幅偏移

油气勘探的重点正转向复杂地表条件和复杂地质条件的区域.双复杂条件下的叠前深度偏移是解决复杂地表条件和复杂地质构造成像的有效手段.基于“逐步累加”的“直接下延”法是解决复杂地表成像的有效手段,能够较好地消除地形起伏的影响.波动方程频率空间域有限差分(xwfd)叠前深度偏移对介质速度横向变化有较强的适应性,适宜于复杂构造的偏移成像,同其他常规波动方程深度偏移一样,常规的xwfd偏移方法,主要也是针对相位进行波场延拓,没有对振幅做任何处理.我们基于保幅单程波方程,推导出了基于xwfd的保幅波场延拓算子,针对xwfd求解时引入误差的影响,我们在xwfd保幅波场延拓过程中加入了误差补偿,实现了带误差补偿的xwfd保幅偏移.基于带误差补偿的xwfd保幅算子,应用适合起伏地表的直接下延法,对双复杂介质模型和实际资料进行了试算,改善了双复杂介质的成像效果.其中,误差补偿可以在若干个外推步长上进行,所以相对于保幅傅里叶有限差分(ffd)法偏移来说,该方法在改善成像质量的同时,也具有较高的运算效率.     

起伏地表复杂介质波动方程有限元数值模拟方法

波动方程数值模拟是深入研究地震波传播规律的有效方法.有限差分法因其方法简单、精度高而得到了广泛的应用.但其缺点是不能准确模拟具有复杂几何形态的物性界面.因而当遇到起伏地表或复杂构造时，求解精度低.为了准确模拟起伏地形、复杂构造和复杂介质条件下的地震波场，本文采用有限元法模拟二维声波方程.用三角形单元模拟地形和速度界面；把单元内的场和波速均看作单元上的线性函数，以适应复杂介质压制边角散射；采用吸收边界条件去除来自截断边界上的反射；采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵使得显式时间递推无需对矩阵求逆，提高了计算效率.对模型的计算表明该方法正确有效.     

基于波动方程三维表面多次波预测方法研究

与传统的二维表面多次波预测算法相比,基于波动方程的全三维表面多次波预测方法无需对地下介质做简单近似,其更符合地震波在地下介质中传播的真实状况,是地震资料处理中解决多次波预测问题的强有力工具.本文从三维多次波预测的基本理论出发,给出了全三维多次波预测算法的预测矩阵表示、计算方法以及实现条件,采用GPU(图形处理器)加速全三维表面多次波预测,较传统的CPU串行计算,GPU并行预测表面多次波的计算效率约提高165倍.文中分别利用二维和三维表面多次波预测算法对理论模拟的含表面多次波的三维地震数据进行多次波预测计算,对比分析结果表明,相比于二维算法,文中所述的基于波动方程的全三维表面多次波预测效果明显改善,其计算精度更高,辅以合理有效的自适应相减算法,可获得高精度的地震勘探资料表面多次波压制数据.     

A two‐phase automatic static correction method

Statics are an effective approach to correct for complex velocity variations in the near surface, but so far, to a large extent, a general and robust automatic static correction method is still lacking. In this paper, we propose a novel two‐phase automatic static correction method, which is capable of handling both primary wave statics (PP statics) and converted‐wave statics (S‐wave statics). Our method is purely data driven, and it aims at maximizing stacking power in the target zone of the stack image. Low‐frequency components of the data are analysed first using an advanced genetic algorithm to estimate seed statics and the time structure for an event of interest, and then the original full‐band data are further aligned via the back‐and‐forth coordinate descent method using the seed statics as initial values and the time structure for event alignment guidance. We apply our new method to two field datasets, i.e., one for 2D PP static correction and the other for 3D S‐wave static correction.     

A comparison of continuous mass‐lumped finite elements with finite differences for 3‐D wave propagation

The finite‐difference method on rectangular meshes is widely used for time‐domain modelling of the wave equation. It is relatively easy to implement high‐order spatial discretization schemes and parallelization. Also, the method is computationally efficient. However, the use of finite elements on tetrahedral unstructured meshes is more accurate in complex geometries near sharp interfaces. We compared the standard eighth‐order finite‐difference method to fourth‐order continuous mass‐lumped finite elements in terms of accuracy and computational cost. The results show that, for simple models like a cube with constant density and velocity, the finite‐difference method outperforms the finite‐element method by at least an order of magnitude. Outside the application area of rectangular meshes, i.e., for a model with interior complexity and topography well described by tetrahedra, however, finite‐element methods are about two orders of magnitude faster than finite‐difference methods, for a given accuracy.     

Seismic wavefield modeling in media with fluid-filled fractures and surface topography

We present a finite difference (FD) method for the simulation of seismic wave fields in fractured medium with an irregular (non-flat) free surface which is beneficial for interpreting exploration data acquired in mountainous regions. Fractures are introduced through the Coates-Schoenberg approach into the FD scheme which leads to local anisotropic properties of the media where fractures are embedded. To implement surface topography, we take advantage of the boundary-conforming grid and map a rectangular grid onto a curved one. We use a stable and explicit second-order accurate finite difference scheme to discretize the elastic wave equations (in a curvilinear coordinate system) in a 2D heterogeneous transversely isotropic medium with a horizontal axis of symmetry (HTI). Efficiency tests performed by different numerical experiments clearly illustrate the influence of an irregular free surface on seismic wave propagation in fractured media which may be significant to mountain seismic exploration. The tests also illustrate that the scattered waves induced by the tips of the fracture are re-scattered by the features of the free surface topography. The scattered waves provoked by the topography are re-scattered by the fractures, especially Rayleigh wave scattering whose amplitudes are much larger than others and making it very difficult to identify effective information from the fractures.     

基于有效邻域波场近似的起伏地表保幅高斯束偏移

随着我国陆上地震勘探向复杂地表探区的转移,高精度、适应性强的地震成像方法在地震资料的处理、解释及后续属性分析、储层预测中具有重要意义.本文基于有效邻域波场近似理论发展了一种成像精度更高且适用于复杂起伏地表条件的叠前保幅高斯束偏移方法.在传统水平地表高斯束偏移的基础上,本文根据中心射线附近有效邻域内高斯束表征的近似波场,导出了起伏地表条件下具有相对振幅保持的高斯束偏移公式,并给出了一种精度更高的旁轴射线传播角度计算方法.同现有的高斯束偏移方法相比,本文方法不仅考虑了起伏地表对高斯束走时的线性影响,而且首次引入了由地表高程差异和近地表速度变化引起的二次时差校正项和振幅校正项,使得成像结果更加准确可靠.两个典型模型算例验证了本文方法的正确性和有效性.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.