拟空间域弹性波方程交错网格有限差分逆时偏移

弹性波逆时偏移是一种高精度的复杂构造地震成像方法.然而,在传统的基于矩形网格离散化的逆时偏移中,介质界面通常会产生畸变.另外,因使用双程波动方程进行波场延拓,其产生的反射波会在成像过程中产生偏移假象.为解决这些问题,本文提出了一种拟空间域弹性波方程高阶交错网格有限差分格式,并给出了差分格式的稳定性条件,进而实现了高精度的拟空间域弹性波方程有限差分逆时偏移.模型实验表明,若在计算拟空间域采样间隔时引入速度界面信息,则拟空间域弹性波方程高阶交错网格有限差分逆时偏移能够避免常规弹性波方程逆时偏移中弯曲界面形态畸变问题;此外基于该方法进行波场延拓时可有效压制弯曲界面的假散射现象,并能有效压制层间反射波,因此可以减少剖面上的偏移假象,从而显著提高成像的质量.     

基于起伏地形平化策略的弹性波逆时偏移成像方法

随着能源和资源勘查开采工作的深入,地形强烈起伏的盆山耦合地区的地震资料处理解释技术正日益成为山地地震勘探面临的重要挑战.逆时偏移方法作为精确的地震偏移成像方法之一,能对地下结构进行高精度成像.逆时偏移的核心是地震波场延拓,由于传统的地震波场延拓技术往往基于水平地表条件,相应的方法在直接处理强地形起伏条件下的地震资料时往往存在一定的精度损失.本文引入一种精度无损的处理起伏边界的模型参数化方法：基于贴体网格的地形"平化"策略发展了与地形有关的地震波波动方程数值模拟方法,采用零延迟归一化互相关成像条件实现了起伏地表条件下的弹性波场逆时偏移成像.对工业界的标准Marmousi模型和盐丘模型进行改造,获得了相应起伏地形条件下的复杂几何模型,开展了起伏地表下的地震偏移成像数值试验.结果表明基于贴体网格"平化"策略的逆时偏移成像方法具有较高的灵活性,可适应不同类型起伏地表采集的地震资料,显示出该方法在地震勘探领域的良好应用前景.     

基于时空域自适应高阶有限差分的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率.     

分层坐标变换法起伏自由地表弹性波叠前逆时偏移

传统有限差分方法在处理起伏地表时存在一些困难,而坐标变换法可将起伏地表映射为水平地表以克服此缺点.但同时,地下构造被变换得更加复杂,导致了波传播和成像的不准确.本文提出了一种分层的坐标变换方法,并应用到了弹性波逆时偏移中,此方法既可以克服起伏地表的影响,又可以不破坏地下构造.波场正向延拓、逆时延拓和分离是在辅助坐标系下完成的,而成像是在笛卡尔坐标系下完成的.通过对简单起伏模型和中原起伏模型的试算证明了本文提出方法的准确性.同时,对两种极端起伏地层高程不准确的情况进行测试可以看出:分层坐标变换逆时偏移方法的成像效果远好于传统坐标变换方法.     

起伏层状介质中曲线交错网格有限差分弹性波逆时偏移成像

采用曲线网格有限差分法描述复杂起伏地形(或不规则波阻抗界面)时,波场正演中可以避免因阶梯近似导致的虚假散射,进而波场逆时偏移可对起伏地表模型进行准确成像.文中以弹性波逆时偏移理论为基础,求解一阶速度-应力方程,推导出了弹性波正向传播和逆时传播的曲线网格差分格式,使用完全匹配吸收边界压制边界反射,采用互相关成像条件,实现了起伏层状介质中的波场逆时偏移.三层起伏、尖灭模型,以及起伏地表条件下的部分盐丘模型结果表明:曲线网格有限差分法逆时偏移法是一种高效、准确的逆时偏移法.     

三角网格有限差分法叠前逆时偏移方法研究

随着CPU/GPU机群性能的提高及广泛应用,近几年来逆时偏移得到迅速发展完善并已在国内外投入大规模生产.由于逆时偏移采用双程波波动方程,在逆掩断层、推覆体等复杂地质构造成像方面明显优于单程波偏移方法.本文尝试将三角网格算法引入逆时偏移中,使其可直接处理起伏地表采集的数据,而无需预先做静校正.基于三角网格的有限差分算法保持了差分算法的简单性和有限元算法的精确性.与“波场下延累加”法单程波偏移不同的是,基于矩形网格的逆时偏移算法在直接处理复杂地表数据时,极易出现不稳定的情况,难以实用.而基于三角网格的逆时偏移算法能够保证波场外推过程的稳定性,并很好地使近地表漫散射收敛.本文通过对模型数据和实际资料的测试验证了该方法的有效性.     

格子法在起伏地表叠前逆时深度偏移中的应用

基于全程波波动方程的逆时偏移(Reverse Time Migration)可以对回转波、多次反射波成像,不受横向速度变化影响,没有倾角限制,随着计算机软硬件技术的进步,再次成为偏移方法研究热点.本文将格子法用于叠前逆时深度偏移成像.格子法作为波场延拓方法,处理起伏地表边界条件容易,可用于含起伏地表边界条件的逆时波场延拓;可利用变尺度非规则对计算域进行离散,因此可根据速度模型调整网格尺度来降低存储量,放大时间步长,降低计算量.采用光滑的曲人工边界,也可避免常规的PML吸收边界存在的角点区域需特别处理的麻烦.本方法通过事先计算和存储边界单元的局部几何参数,与直边界PML方法相比不增加任何计算量.格子法还具有容易实现并行计算的特点,非常适用于叠前逆时偏移.本文给出了二维问题算例.     

矢量分离纵横波场的弹性波逆时偏移

弹性波逆时偏移是当前多分量地震资料相对准确的偏移算法,它能够形成多波模式的成像剖面,从而减少纵波勘探的多解性.本文首先依据各向同性介质中矢量分离纵横波场的速度-应力方程组,利用高阶交错网格有限差分数值方法求解弹性波方程,进而构建矢量的纵波和横波波场,不同于散度和旋度算子分离纵横波场的传统方法,文中提出的矢量分离纵横波场方法保持了原始波场的振幅和相位特征.文中也提出将震源归一化的内积成像条件应用于分离后的纯纵波和横波矢量场,由此得到的转换波成像避免了传统弹性波成像方法中出现的极性反转.水平层状和复杂构造模型测试表明,文中提出的基于矢量分离纵横波场的弹性波逆时偏移方法成像精度高,转换波成像PS和SP极性无反转,所形成的多种模式纯波剖面能够准确地对复杂地下构造成像.     

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.     

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.     

起伏地表条件下基于复Pade逼近的叠前深度偏移

叠前深度偏移是解决复杂地表和复杂构造地震成像的有效技术,而波场“直接下延”法实现了复杂地表条件下的地震成像.基于上述成果,结合高精度的波场延拓算子,本文提出了一种新的叠前深度偏移方法,这种方法是在波场延拓时,对声波方程中的平方根项进行复Pade逼近,通过推导得到基于复Pade逼近的傅里叶有限差分算子,结合波场“直接下延”法,实现了起伏地表条件下的叠前深度偏移,该算法减少了偏移噪音,从而得到准确、稳定的偏移成像结果.通过理论模型试算和实际资料试处理,验证了该方法的有效性.     

一种起伏地表条件下的照明补偿方法

起伏的地表条件限制了采集孔径范围并造成深层地震照明不足,为改善该类地区的成像质量,本文提出了一种起伏地表条件下的照明补偿方法.首先,基于小波束波场延拓算子和逐步累加的外推方法在波场延拓过程中解决起伏地表面的影响,并引入空间滤波函数压制虚拟层内的偏移噪音;其次,利用局部指数标架对上、下行波场分解,得到局部角度域成像和照明补偿因子.再次,利用计算出的成像值和照明补偿因子,在局部倾角域完成照明补偿.SEG起伏地表模型测试证明了本方法的有效性,深层构造照明度明显加强,不同角度成像振幅更加均衡,该技术为提高起伏地表地区的成像品质提供了新的手段.     

基于复数波场分解的VSP逆时偏移方法研究

相比地面地震勘探,垂直地震剖面(VSP)资料信噪比高,从VSP偏移结果中能够准确地识别井旁小的地质构造.在VSP偏移方法中,VSP逆时偏移方法基于双程波动方程,具有成像精确且无倾角限制、适应任意复杂速度模型等诸多优点,受到人们广泛关注.传统的VSP逆时偏移方法会在成像剖面上产生低频噪声,同时井中检波点分布位置附近会产生井轨迹噪声,严重影响了成像剖面的质量.在本文中,我们利用优化时空域频散关系求解差分系数,提高数值模拟精度;采用混合吸收边界条件压制边界反射,减少边界反射对成像的影响;通过Hilbert变换来构建复数波场,利用波场分解成像条件进行VSP逆时偏移成像,来压制低频噪声和井轨迹噪声.数值模型和实际资料测试表明,基于复数波场分解成像方法能够实现高精度的VSP逆时偏移,并且能够有效地压制VSP逆时偏移中的低频成像噪声和井轨迹噪声;相比地面地震逆时偏移,本文方法能够对井旁构造和盐丘下构造取得更清晰的成像结果.     

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.     

适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML与CFS-PML吸收边界条件（英文）

无网格有限差分法能有效提高数值模拟的几何灵活性,且无需网格映射或复杂的网格生成过程。RBF-FD (基于径向基函数的有限差分)是最常用的无网格有限差分法之一,可以准确模拟地震波在非矩形计算域中的传播。本文提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML (完全匹配层)吸收边界条件,可以应用于非矩形速度模型的边界。但是PML吸收边界对近掠射波、低频波的吸收效果不好。为此,我们继续提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的CFS-PML(复频移完全匹配层)吸收边界条件。本文所提两种边界条件均是通过构造辅助微分方程,得到不分裂时域表达式,具有存储量小、便于编程实现的特点。模拟结果表明,两种PML吸收边界条件都能有效地消除无网格有限差分数值模拟的人工边界反射。此外,本文所提CFS-PML相较PML对近掠射波和损耗波的吸收效果更好。     

起伏地表叠前逆时偏移理论及GPU加速技术

从起伏地表直接进行叠前逆时偏移是解决地表起伏大并且地下构造复杂这种双复杂结构地区成像问题的有力工具.本文给出了起伏地表直接进行叠前逆时偏移的实现过程,针对有限差分方法处理起伏地表自由边界条件的复杂性,采用了一种简化的自由边界条件,避免了大量的逻辑判断,在此基础上,采用图形处理器(Graphic Processing U...     

隧道工程勘察中的超前预报成像方法研究

针对地下工程领域隧道超前预报地震波波场传播与成像中存在的问题,通过数值模拟,构建二维含低速异常的隧道介质模型,研究隧道弹性波场传播规律和异常体边界成像准确性.首先,利用一阶速度-应力波动方程和高阶交错网格有限差分计算方法,导出隧道超前预报数值模拟的稳定性条件和边界条件,对上述隧道模型进行数值模拟,识别波场特征;其次,利用叠前逆时偏移成像方法,对压制噪音干扰后的波场在互相关成像条件下,对隧道模型中的异常体边界进行逆时偏移成像.研究结果表明：采用高阶交错网格有限差分正演获得异常体边界清晰的反射波和角点产生的散射波;逆时偏移算法获得隧道内异常体准确成像结果,从而大大提高隧道超前预报的分辨率与准确性;靠近掌子面单一震源、多道接收观测系统对异常体成像效果最佳,为隧道内高效数据采集提供理论依据.     

基于解析法波场分离的逆时偏移成像

逆时偏移是识别地下高陡构造的有效方法,通常需利用高精度双程波动方程进行波场模拟是该算法的核心,有限差分是求解波动方程常用方式,但会受到模型速度参数、空间网格间距和时间采样间隔的限制,若采用互相关作为逆时偏移的成像条件,虽能够对复杂构造精确成像,可传统的互相关成像条件会引入低频噪声,影响成像结果信噪比.为提升逆时偏移的成像精度,压制低频噪声干扰,打破稳定性条件对地震波场求解的制约,提出了一种解析波场分离方法,基于一步法进行解析波场模拟,利用Hilbert变换实现解析波场的波场分离,进而形成了基于波场分离的逆时偏移成像方法.结合理论模型和VSP实际地震数据,给出了不同波场成分的逆时偏移成像结果.测试结果表明:提出的方法波场模拟稳定性强,且能够高效的进行上下行波波场分离,所得逆时偏移结果不含低频噪声和虚假反射,具有较高的信噪比.     

基于一步法波场延拓的正演模拟和逆时偏移成像

通常工业界实现逆时偏移算法时采用有限差分数值方法模拟地震波场,波场模拟常常受稳定性条件限制,且易产生数值频散,成像精度降低.本文引入了一步法波场延拓方法,首先构建声波传播算子,借助Chebyshev多项式和Jacobi-Anger展开式近似传播算子中的e指数项,进而实现波场递推,该方法时间步长的选取不受稳定性条件限制而且不存在空间频散现象.本文将一步法波场延拓方法用于逆时偏移成像的波场模拟,并提出双缓冲区存储策略,在不增加计算量的前提下,大幅降低了逆时偏移方法的波场存储量.波场模拟和逆时偏移成像测试表明,本文提出的一步法波场延拓方法模拟地震波场精度高,消除了频散影响,可在较大时间步长的情况下实现高精度波场模拟;提出的基于一步法波场延拓的逆时偏移方法成像质量好;基于双缓冲区存储策略的逆时偏移成像方法存储成本低.     

叠前逆时偏移成像及不同去噪方法效果对比研究

逆时偏移成像是基于双程波波动方程,通过对波场正向和反向延拓来实现偏移的高精度成像方法.逆时偏移能有效利用全波场信息,且相对于单程波偏移方法而言,无传播方向限制,不需要对波场进行上、下行波的分离;将波场看作矢量波的叠加,避免了倾角限制,并能较好地实现回转波、多次波成像.在给定速度场足够准确的情况下,逆时偏移理论上能对任意复杂介质精准成像,是现在最为精确的偏移方法之一.但是,低频噪声是制约其发展的因素之一.本文在分析各种成像条件优缺点的基础上,选用归一化互相关成像条件,对多个典型模型进行逆时偏移成像测试,以验证程序的正确性;选取波场分离、Poynting矢量、拉普拉斯算子滤波等三种去噪方法,分别对组合模型和Marmousi2模型进行测试,对比三种去噪方法在叠前逆时偏移成像中的去噪效果,为实际地震资料处理提供方法借鉴.