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 Unit,简称GPU)将算法加速,比传统的CPU计算速度提高了一个数量级.文中对理论模型进行了计算,并与起伏地表直接进行单程波叠前偏移方法做比较,结果表明:起伏地表叠前逆时偏移有效突破了成像倾角限制,对起伏地表浅层构造以及地下高陡构造成像效果显著提高.关于逆时偏移成像噪音去除以及存储量等问题,笔者已有文章介绍,本文将不再涉及.     

起伏地表QR径向基函数有限差分及其在弹性波逆时偏移中的应用

弹性波逆时偏移不受倾角和偏移孔径的限制, 能够实现任意复杂构造的高精度多波成像, 是目前最精确的多分量资料偏移成像方法之一.逆时偏移算法的核心是波场延拓, 传统波场延拓以水平基准面为边界条件, 基于固定采样步长进行规则网格剖分, 采用阶梯近似法处理起伏地表和复杂构造界面时会产生台阶散射, 严重影响起伏地表复杂构造的成像精度.基于无网格节点模型, 定量分析了弹性波模拟中径向基函数有限差分法的频散关系和稳定性条件.基于此, 提出一种基于QR径向基函数的高精度有限差分方法, 并提出一种优化的起伏地表自适应节点剖分方法, 推导了精确的无网格自由边界条件和弹性波无网格混合吸收边界条件, 形成了新的基于无网格的起伏地表弹性波数值模拟方法.此外, 本文将此无网格径向基函数有限差分方法应用于精确的纵横波场矢量分解公式, 实现了起伏地表弹性波逆时偏移成像.通过对高斯山丘模型, 起伏凹陷模型和起伏地表Marmousi-2模型进行数值试算, 验证了本文方法的有效性和可行性.

     

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.     

起伏地表无反射递推算法叠后逆时偏移(英文)

目前研究基于起伏地表、复杂构造和速度复杂等条件的地震精确成像方法有重要意义。逆时偏移是一种高精度的偏移成像方法。文中在声波方程中引入波阻抗函数得到一种新的无反射递推算法,并通过坐标变换原理推导出起伏地表条件下的算法,利用爆炸反射面逆时偏移原理和零时间叠后逆时偏移成像条件,实现了复杂条件下的叠后数值模拟及逆时偏移。理论模型和实际资料的计算说明该方法不仅能有效压制层间反射波,并能处理起伏地表条件下的地震成像问题,证明本方法有较强适应性和实用性。     

起伏地表叠前逆时偏移的实现及应用

复杂地表复杂构造是近年来陆上地震勘探的重难点问题.其中,复杂构造成像问题可用叠前深度偏移技术如逆时偏移较好地解决,而地表起伏大、横向变速剧烈引起道间时差大问题则需要采用起伏地表偏移的思路.结合常规地震数据处理,本文提出一种基于起伏面的逆时偏移成像技术流程,该流程利用固定面与平滑起伏面高程差和替换速度将静校正后的叠前炮集反静校正到起伏面上,然后进行起伏面逆时偏移成像计算.将流程应用到模型数据和实际资料处理,结果均表明该流程在复杂地表复杂构造地震成像方面具有很好的效果.     

各向异性弹性波有限元叠前逆时偏移

利用有限元法和最小走时射线追踪的界面点法,实现了各向异性弹性波的叠前逆时偏移.理论模型资料的偏移结果清晰准确,证实了该系统的可靠性.通过对各向异性模型资料的各向同性偏移处理,发现常规偏移剖面存在较大误差,地质体的垂向深度和横向位置与实际模型有偏离.     

各向异性弹性波有限元叠前逆时偏移

利用有限元法和最小走时射线追踪的界面点法，实现了各向异性弹性波的叠前逆时偏移.理论模型资料的偏移结果清晰准确，证实了该系统的可靠性.通过对各向异性模型资料的各向同性偏移处理，发现常规偏移剖面存在较大误差，地质体的垂向深度和横向位置与实际模型有偏离.     

基于波场分离的弹性波逆时偏移

尽管叠前逆时偏移成像精度高,但仅针对单一纵波的成像也可能形成地下介质成像盲区,由于基于弹性波方程的逆时偏移成像可形成多波模式的成像数据,因此弹性波逆时偏移成像可提供更为丰富的地下构造信息.本文依据各向同性介质的一阶速度-应力方程组构建震源和检波点矢量波场,再利用Helmholtz分解提取纯纵波和纯横波波场,使用震源归一化的互相关成像条件获得纯波成像,避免了直接使用坐标分量成像而引起的纵横波串扰问题.针对转换波成像的极性反转问题,文中提出一种共炮域极性校正方法.为有效节约存储成本,也提出一种适用于弹性波逆时偏移的震源波场逆时重建方法,在震源波场正传过程中,仅保存PML边界内若干层的速度分量波场,进而逆时重建出所有分量的震源波场.本文分别对地堑模型和Marmousi2模型进行了弹性波逆时偏移成像测试,结果表明：所提出的共炮域极性校正方法正确有效,基于波场分离的弹性波逆时偏移成像的纯波数据能够对复杂地下构造准确成像.

     

弹性波有限元逆时偏移技术研究

改善弹性波有限元逆时偏移剖面的质量是目前该方法面临的难题,为此,首先在有限元方程中,合理地加入边界力项,并找到准确的成像条件,以及对炮集资料用惠更斯（Huygens）原理消除直达波和面波干扰等措施,提高了复杂含油气结构的偏移剖面质量．本文重点研究单分量资料弹性波偏移的可靠性,利用单分量、抽炮集资料,模拟实际资料处理典型含油气构造,得到了高质量的自激自收和炮集资料的偏移剖面．     

弹性波有限元逆时偏移技术研究

改善弹性波有限元逆时偏移剖面的质量是目前该方法面临的难题，为此，首先在有限元方程中，合理地加入边界力项，并找到准确的成像条件，以及对炮集资料用惠更斯（Huygens）原理消除直达波和面波干扰等措施，提高了复杂含油气结构的偏移剖面质量．本文重点研究单分量资料弹性波偏移的可靠性，利用单分量、抽炮集资料，模拟实际资料处理典型含油气构造，得到了高质量的自激自收和炮集资料的偏移剖面．     

二维TI介质非结构网格弹性波矢量逆时偏移

波场延拓得到的多分量波场中既包含纵波信息也包含横波信息,能否在全波场中实现纵横波的分离对各向同性和各向异性逆时偏移都有非常重要的意义.传统的散度旋度分离只适应于各向同性介质而对各向异性介质却无效.在非规则、非结构网格的弹性波数值模拟方法的基础上,发展了一种适应于各向异性介质的波场分离方法.该方法通过求解Christoffel方程,得到相角和极化角的关系,再利用群角和相角的关系,直接得到群角和极化角的关系.该方法与现存的各向异性波场分离相比,获得的计算效率改进更显著,而且存储量小.用简单各向异性模型和SEG各向异性Hess模型进行测试,都得到了较好的效果,证明了本文方法的有效性.

     

Topographic elastic least-squares reverse time migration based on vector P- and S-wave equations in the curvilinear coordinates

Elastic least-squares reverse time migration has been applied to multi-component seismic data to obtain high-quality images. However, the final images may suffer from artefacts caused by P- and S-wave crosstalk and severe spurious diffractions caused by complex topographic surface conditions. To suppress these crosstalk artefacts and spurious diffractions, we have developed a topographic separated-wavefield elastic least-squares reverse time migration algorithm. In this method, we apply P- and S-wave separated elastic velocity–stress wave equations in the curvilinear coordinates to derive demigration equations and gradient formulas with respect to P- and S-velocity. For the implementation of topographic separated-wavefield elastic least-squares reverse time migration, the wavefields, gradient directions and step lengths are all calculated in the curvilinear coordinates. Numerical experiments conducted with the two-component data synthetized by a three-topographic-layer with anomalies model and the Canadian Foothills model are considered to verify our method. The results reveal that compared with the conventional method, our method promises imaging results with higher resolution and has a faster residual convergence speed. Finally, we carry out numerical examples on noisy data, imperfect migration velocity and inaccurate surface elevation to analyse its sensitivity to noise, migration velocity and surface elevation error. The results prove that our method is less sensitive to noise compared with the conventional elastic least-squares reverse time migration and needs good migration velocities as other least-squares reverse time migration methods. In addition, when implementing the proposed method, an accurate surface elevation should be obtained by global positioning system to yield high-quality images.     

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.     

基于改进余弦组合窗的解耦方程弹性波逆时偏移

弹性波矢量波场逆时偏移可以综合利用纵横波场信息,对地下空间进行清晰成像,且对于成像介质没有角度限制,可以对复杂构造进行更清晰的成像.而弹性波逆时偏移中最重要的就是求解波动方程的算法,其直接影响成像的精度以及效率.本文引进电力系统谐波分析中常用的余弦组合窗函数,并通过一种新的优化算法得到了改进的余弦组合窗函数从而得到优化后的有限差分算子.并将此算子应用于解耦方程的矢量波场分离算法从而提高了成像精度.数值测试表明基于新算法的逆时偏移的成像精度和清晰度得到了明显的提高.

     

TTI介质有限差分逆时偏移的稳定性探讨

在沉积学中,可假设在相同时期的沉积层具有相近的物理性质和演化过程.因此,沿层传播的地震波和垂直于地层传播的地震波具有各向异性的特点.在纵波资料的处理中,考虑各向异性对逆时偏移的影响,通常假设介质的横波速度为零,这样可以得到纵波在TTI介质中的传播方程,但是该方程在实际计算中仍存在数值稳定性问题.本文加入横波分量可有效解决数值稳定性问题,并选取适当的横波速度减小对纵波成像的影响,实现地震波在TTI介质中的逆时偏移.实际测算表明,P-SV波的方程中包含横波分量,若假设SV的速度为零,则会导致方程的差分格式不稳定;若加入SV波,选择合适的SV波速度可以使SV波的全区各向异性和反射系数达到极小,并可有效的抑制SV波对纵波勘探的影响.本文的方法是一种稳定的TTI介质中的逆时偏移方法.     

地震叠前逆时偏移算法的CPU/GPU实施对策

相较于单程波偏移算法而言,逆时偏移成像方法以其物理基础为依托优势,几十年来一直备受国内外地球物理学家的青睐.目前的逆时偏移(RTM)若直接采用双程波动方程进行延拓,尽管可以回避上下行波的分离处理,然就已有算法而言,其计算量和I/O(输入/输出)量却是最大的.针对此问题,本文在分析现行逆时偏移的多种算法基础上,提出利用CPU/GPU(中央处理器/图形处理器)作为数值计算核心,建立随机边界模型,从而克服存储I/O难题和提高计算效率.在实际的数据测试中,本文的方法可以大幅度的提高计算效率和减少存储单元,从而促使其高效地应用于生产实际.