基于照明补偿的单程波最小二乘偏移

最小二乘偏移是一种基于反射地震数据与地下反射率间线性关系而建立起来的地震数据线性反演方法,相比常规偏移成像具有更好的保幅性能.本文提出了一种基于照明补偿的单程波最小二乘偏移方法,首先利用单程波方程的稳定Born近似广义屏波场传播算子构建反射地震数据与地下反射率间的线性算子,然后再应用线性最优化方法求解最小二乘偏移所对应的线性反问题.在迭代求解最优化问题的过程中,以地震波场的地下照明强度作为迭代反演的预条件算子加快迭代的收敛速度.单程波传播过程中考虑了速度分界面产生的透射效应,并用单极震源代替常规偏移中的偶极震源.把本文提出的方法应用于层状理论模型和Marmosi模型地震数据的数值试验中均取得了理想的结果.     

稳定的保幅高阶广义屏地震偏移成像方法研究

以先进的波动理论为基础的波动方程保幅地震偏移成像是在给出正确位置的同时也给出真实振幅的一种特殊完善.作者从保幅单程波动方程的非稳态相移公式出发,基于反问题求解中常用的摄动理论,利用单平方根算子的渐进展开,从而推导出保幅叠前深度偏移方程的高阶广义屏形式;针对散射波场计算项对于横向变速介质的不稳定性,通过数学近似提出一个有效提高稳定性的策略,应用到波场递归外推过程中,从而得到一种稳定的保幅高阶广义屏叠前深度偏移算子.理论模型试算和实际资料处理表明,该方法不但可以更精确地使散射能量聚焦、归位,提高成像精度;而且可以输出正确反映地下反射系数的振幅信息,使AVO响应更加清晰,提高了AVO资料的分析精度.     

稳定的保幅高阶广义屏地震偏移成像方法研究

以先进的波动理论为基础的波动方程保幅地震偏移成像是在给出正确位置的同时也给出真实振幅的一种特殊完善.作者从保幅单程波动方程的非稳态相移公式出发,基于反问题求解中常用的摄动理论,利用单平方根算子的渐进展开,从而推导出保幅叠前深度偏移方程的高阶广义屏形式;针对散射波场计算项对于横向变速介质的不稳定性,通过数学近似提出一个有效提高稳定性的策略,应用到波场递归外推过程中,从而得到一种稳定的保幅高阶广义屏叠前深度偏移算子.理论模型试算和实际资料处理表明,该方法不但可以更精确地使散射能量聚焦、归位,提高成像精度;而且可以输出正确反映地下反射系数的振幅信息,使AVO响应更加清晰,提高了AVO资料的分析精度.     

逆时偏移与Kirchhoff偏移的抽道集对比研究

共成像点道集(CIG)可用于速度建模、偏移质量控制以及地下属性解释等。对于复杂碳酸盐岩储层,叠前AVO反演技术在储层识别、裂缝预测和流体检测方面的作用日益显著,叠前反演的精度很大程度上依赖于共成像点道集的AVO特性是否符合地下介质的真实地震响应。因此,叠前偏移不仅要实现反射点的准确归位,还必须得到振幅保真的共成像点道集,从而为AVO/AVA反演提供保幅的共成像点道集输入数据。本文在理论上对真振幅Kirchhoff叠前深度偏移和逆时偏移(RTM)抽道集技术的保幅性进行分析:真振幅Kirchhoff偏移抽道集通过改变加权函数实现振幅保持,仅适用于横向速度变化不大的情况;基于双程波动方程的逆时偏移采用互相关成像条件抽取共成像点道集,成像精确且无倾角限制,相对保幅性优于前者,适应任意复杂速度模型。模型和实例测试结果表明:在简单构造区域,真振幅Kirchhoff保幅叠前深度偏移与保幅逆时偏移抽取的共成像点道集都能起到良好的保幅效果;但在复杂构造区,基于逆时偏移抽取的共成像点道集,保留了全部波场的路径与振幅信息,其保幅性与成像精度优于Kirchhoff保幅叠前深度偏移。因此,针对探区的复杂程度差别及勘探精度的不同要求,应选择不同的抽道集方法,保证振幅精度的同时,兼顾生产效率。     

傅里叶有限差分法保幅叠前深度偏移方法

地震数据中饱含有丰富的走时信息和振幅信息. 为解决传统偏移方法中几何扩散和入射角变化引起的振幅误差问题,本文提出了一种实用的波动方程保幅地震偏移方法. 该方法从全声波方程出发进行单程波保幅分解,得到直观、高效率的直接面对地震波传播波场的压力分量进行延拓的保幅偏移单程波方程,进而推导出一个含有6项的傅里叶有限差分法保幅偏移的算子方程;修改边界条件和成像条件,使修改后的边界条件和成像方程中考虑振幅补偿,从而从三方面补偿几何扩散损失和入射角变化对振幅的影响. 脉冲响应测试、单炮记录的数值试验以及SEG/EAGE盐丘模型的叠前偏移结果表明,该方法不但可以使散射能量聚焦、归位,提高成像精度;而且可以输出正确反映地下反射系数的振幅信息,为后续的地震属性分析(如AVO/AVA)提供更真实的地震信息.     

利用偏移进行视反射率估计的初步研究

视反射率估计是地震数据处理解释中的一项重要内容,通常采用反演的方法得到.本文以地震偏移和地震线性反演理论相结合为基础,并利用保幅单程波传播算子和保幅波动方程叠前偏移算法以及成像空间中的角度域波动方程偏移成像和照明补偿等方法技术,提出了一种利用单程波波动方程偏移进行地下反射面视反射率估计方法,并进行了理论模型的数值试验.这种估计方法得到的视反射率估计是一种近法向入射的小角度反射率.     

深水崎岖海底地震数据成像方法与应用

本文针对深水崎岖海底地震数据深部成像困难的问题,讨论了波动方程叠前深度域保幅偏移的基本理论,利用数值模型验证了波动方程叠前深度域保幅偏移算法的保持振幅特性,给出了该方法与非保幅偏移方法对于复杂构造成像精度的对比,证明了保幅偏移方法可以提高复杂构造的成像精度.本文还将波动方程叠前深度域保幅偏移算法应用到实际资料的处理中,处理结果表明该方法能够有效消除崎岖海底对深部地层的影响.     

共炮检距道集波动方程保幅叠前深度偏移方法

本文提出了一种基于双平方根算子的共炮检距道集波动方程保幅叠前深度偏移方法,将振幅误差补偿作为偏移的一部分与“运动学偏移”一起在偏移过程中实现.其基本内容包括：(1)从保幅的单平方根算子方程出发,推导出由双平方根算子定义的保幅单程波方程;(2)根据地震波摄动理论把速度场分裂为层内常速背景和变速扰动,分别在频率－波数域和频率－空间域求得波场深度延拓的偏移时移量及振幅校正系数,从而得到最终的DSR保幅波场延拓算子;(3)在高频假设条件下,把DSR保幅波场延拓公式中的积分运算进行稳相近似,得到保幅波场延拓的相移公式.理论分析和模型数值试验表明,该方法不但可以使散射能量聚焦、归位,提高成像精度;而且可以输出正确反映地下反射系数的振幅信息,为后续的地震属性分析（如AVO/AVA）提供更真实的地震信息.     

最小二乘偏移方法研究进展综述

最小二乘偏移是一种基于线性化反演理论的真振幅成像方法,其思路是在宏观背景模型的基础上估计出一个最优化的扰动部分对偏移结果进行迭代更新.该方法具有更高的成像精度,是实现地震成像理论由常规地下岩性的几何结构描述向真振幅成像的推进和发展,也是实现高精度储层反演的关键.本文阐述了最小二乘偏移的基本原理,指出了最小二乘偏移与常规偏移的本质区别;介绍了最小二乘偏移的发展历程及研究现状;分析了最小二乘偏移实现过程中的核心问题—Hessian矩阵和反演解的约束条件;探讨了最小二乘偏移存在的问题及今后的的发展趋势,为最小二乘偏移的进一步研究提供参考.     

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.     

VTI介质长偏移距非双曲动校正公式优化

常规Alkhalifah动校正公式精度低,不能精确描述各向异性介质长偏移距地震反射同相轴的时距关系.本文以提高VTI介质长偏移距地震资料动校正公式的精度为目标,在分析VTI介质常规动校正方程的基础上,根据误差最小原理建立优化校正系数图版,实现对常规动校正公式大偏移距误差的修正,建立最优化校正Alkhalifah动校正方程,实现了对VTI介质长偏移距地震资料常规动校正方程的改进.之后由Fomel群速度公式导出高精度VTI模型长偏移距时距函数,提出了高精度VTI介质长偏移距地震资料动校正方程.将以上的动校正方程用于各向异性参数反演,模型计算表明最优化校正Alkhalifah动校正方程的反演精度是常规长偏移距动校正方程反演精度的2～4倍,高精度动校正方程的反演精度是常规动校正方程反演精度的2～8倍.     

基于交错网格Fourier伪谱微分矩阵算子的地震波场模拟GPU加速方案

作为高精度波形反演或逆时偏移的重要组成部分,地震波数值模拟对计算速度和效率提出了更高要求.GPU通用计算技术的产生及其内在数据并行性,为高效地震波数值模拟应用和研究得以有效开展奠定了基础.本文借助交错网格的Fourier伪谱微分矩阵算子和GPU上高效矩阵乘法,实现了复杂介质中地震波模拟的高效算法.数值试验表明,优化后的GPU计算相比CPU单核计算在大规模二维地震波场计算中获得至少100x以上的加速比.这对我们快速分析目标反射层在地震剖面中同相轴位置,制定优化采集方案具有重要意义.     

隐蔽油气藏地震预测技术研究新进展

本文分析了隐蔽油气藏预测的现状和存在问题,在详细介绍了地震技术预测隐蔽油气藏的研究进展的基础上,阐述叠前保幅地震资料处理、正演模拟、岩石物理参数分析、地震反演、AVO分析和叠前弹性反演等技术的特点,指出了隐蔽油气藏定量描述需在叠前真振幅处理地震资料的基础上,岩石物理参数研究和正演结合探究含油气性地震属性特征,正演与反演相互结合和验证,岩石物理分析技术贯穿地震正、反演的整个过程,是今后隐蔽油气藏勘探发展的必然趋势.     

基于不等式约束的最小二乘法三维电阻率反演及其算法优化

基于光滑约束的最小二乘法是三维电阻率反演的主要方法,但该方法在某些情况下存在着多解性较强的问题,且普遍耗时较长,严重制约了三维反演方法的推广与发展.为改善上述问题,将表征模型参数变化范围的不等式约束作为先验信息引入最小二乘线性反演方法中,有效地改善了反演结果的精度,降低了反演的多解性问题.为了解决耗时较长的问题,基于预条件共轭梯度(PCG)算法和Cholesky分解法的特点提出了一套优化三维电阻率反演计算效率的计算方案.在该方案中,Cholesky分解法被用来求解敏感度矩阵计算中的多个点源场的正演问题,Cholesky分解法只需对总体系数矩阵进行一次分解,然后对不同的右端向量进行回代即可.将预条件共轭梯度法引入到三维电阻率反演方程的求解中,将雅可比迭代中的对角阵作为预处理矩阵,其具有求逆方便、无需内存空间的特点,有效地加快了收敛速度.对合成数据以及实测数据的反演算例表明,借助不等式约束和反演效率优化方案,最小二乘反演方法可得到较为精确的反演结果,有效地提高了反演计算效率,具有良好的推广前景.     

最小二乘傅立叶有限差分偏移

一般偏移算法是用反演算子通过解析方法求解.最小二乘偏移方法采用另一种思路,即采用数值方法,通过解一个线性离散反问题来索求解.这样我们试着寻找一个模型匹配地震数据并能表现出其某些特点来得到偏移图像.最小二乘法能减少偏移赝像,得到更精确的偏移效果.Kirchhoff算子在最小二乘偏移方法中应用较广,但需要较多的迭代次数,而且具有Kirchhoff偏移的缺点.本文把最小二乘方法运用到基于波长延拓的波动方程偏移方法中,为提高最小二乘偏移的效率,可采用效率较高的正传播算子和反传播算子.我们利用效率较高,能适应剧烈横向变速的傅立叶有限差分正传播和反传播算子来做叠后最小二乘偏移.数值实例表明,通过少数的共轭梯度法迭代,就能得到与真实模型差别很微小的偏移效果.对于傅式变换我们采用了数值软件FFTW,其变换速度比常规FFT算法一般要快六倍以上,进一步提高了效率.本文算法很容易在并行机上实现,这些特点在处理大型数据时大有裨益.     

基于逆算子估计的AVO反演方法研究

传统反演算法以优化算法为主,而基于逆算子估计的AVO反演算法则利用了直接求逆的思路.算法的关键在于寻找存在逆函数的子域,进而可以在子域内直接求逆,这种解决反问题的思路不同于一般的优化类算法所采用的直接搜索解的方式,具有更高的效率.AVO反演利用了振幅随着偏移距的变化特征,反演的精度受到地震资料质量的影响,通过加入L1范数约束以及合理的初始模型有助于提高反演的稳定性以及准确度.模型测算和实际应用表明,基于逆算子估计的AVO反演方法具有较高的精确程度和可靠性.     

Optimized staggered-grid finite-difference operators using window functions

The staggered-grid finite-difference (SGFD) method has been widely used in seismic forward modeling. The precision of the forward modeling results directly affects the results of the subsequent seismic inversion and migration. Numerical dispersion is one of the problems in this method. The window function method can reduce dispersion by replacing the finite-difference operators with window operators, obtained by truncating the spatial convolution series of the pseudospectral method. Although the window operators have high precision in the low-wavenumber domain, their precision decreases rapidly in the high-wavenumber domain. We develop a least squares optimization method to enhance the precision of operators obtained by the window function method. We transform the SGFD problem into a least squares problem and find the best solution iteratively. The window operator is chosen as the initial value and the optimized domain is set by the error threshold. The conjugate gradient method is also adopted to increase the stability of the solution. Approximation error analysis and numerical simulation results suggest that the proposed method increases the precision of the window function operators and decreases the numerical dispersion.     

频率域全波形反演方法研究进展

全波形反演是一种利用地震波传播的动力学特征来获取地下介质物性参数的反演方法,可为揭示地下精细结构提供重要依据。本文以弹性波方程作为数学模型来模拟地震波传播规律并进行相应的反演方法研究。为提高计算效率与反演结果的准确性,可将近似解析离散化（NAD）算子用于频率域弹性波方程的正演模拟。本文在频率域NAD离散的基础上推导阻抗矩阵的稀疏分块结构与反演目标函数对模型参数的梯度计算公式,由此建立基于NAD算子的频率域弹性波全波形反演方法。为验证该方法的有效性,文中通过数值实验对多种典型介质模型进行反演计算,均得到了理想的反演结果。

     

Full waveform inversion and the truncated Newton method: quantitative imaging of complex subsurface structures

Full waveform inversion is a powerful tool for quantitative seismic imaging from wide‐azimuth seismic data. The method is based on the minimization of the misfit between observed and simulated data. This amounts to the solution of a large‐scale nonlinear minimization problem. The inverse Hessian operator plays a crucial role in this reconstruction process. Accounting accurately for the effect of this operator within the minimization scheme should correct for illumination deficits, restore the amplitude of the subsurface parameters, and help to remove artefacts generated by energetic multiple reflections. Conventional minimization methods (nonlinear conjugate gradient, quasi‐Newton methods) only roughly approximate the effect of this operator. In this study, we are interested in the truncated Newton minimization method. These methods are based on the computation of the model update through a matrix‐free conjugate gradient solution of the Newton linear system. We present a feasible implementation of this method for the full waveform inversion problem, based on a second‐order adjoint state formulation for the computation of Hessian‐vector products. We compare this method with conventional methods within the context of 2D acoustic frequency full waveform inversion for the reconstruction of P‐wave velocity models. Two test cases are investigated. The first is the synthetic BP 2004 model, representative of the Gulf of Mexico geology with high velocity contrasts associated with the presence of salt structures. The second is a 2D real data‐set from the Valhall oil field in North sea. Although, from a computational cost point of view, the truncated Newton method appears to be more expensive than conventional optimization algorithms, the results emphasize its increased robustness. A better reconstruction of the P‐wave velocity model is provided when energetic multiple reflections make it difficult to interpret the seismic data. A better trade‐off between regularization and resolution is obtained when noise contamination of the data requires one to regularize the solution of the inverse problem.