基于一阶速度-应力方程的VTI介质最小二乘逆时偏移

地下地层普遍存在各向异性,忽略介质各向异性会导致速度估计不准确,成像精度下降.基于二阶声波方程的最小二乘逆时偏移忽略了介质各向异性及密度变化的影响,致使模拟地震数据与实际观测数据不匹配,影响收敛速度和反演成像质量.VTI介质一阶速度-应力方程能较好适应各向异性变密度情况,为此,本文首先从VTI介质一阶速度-应力方程出发,进行波动方程线性化;其次推导了相应的扰动方程和伴随方程,并通过伴随状态法得到梯度更新公式;最终形成基于一阶方程的LSRTM算法理论及实现流程.在实现算法的基础上,通过数值试算及成像结果对比,验证了本文算法在处理变密度和VTI介质时的有效性和优越性.偏移速度以及各向异性Thomsen参数误差的敏感性测试及误差收敛曲线对比结果进一步表明：速度及Thomsen参数对成像结果存在明显影响,其中速度敏感性最强,参数epsilon次之,参数delta的敏感性最弱.

     

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.     

同时震源数据的加权结构增强最小二乘逆时偏移

同时震源（Simultaneous-source,SS）地震采集技术能有效地提高地震数据采集效率,但直接对SS混合数据偏移成像会在最后的成像剖面中引入很强的串扰噪声.将SS数据偏移成像看作一个反演问题,利用最小二乘（Least-squares,LS）求解是压制SS直接成像中串扰噪声的一种有效尝试.构造增强滤波（Structure-enhancing filter,SE）约束的最小二乘逆时偏移（LSRTM）方法可以有效地压制SS数据成像中的串扰噪声,但SE实质为低通滤波,会将成像中的陡倾角等细节信息平滑涂抹,降低成像分辨率.本文在利用SE对LSRTM约束的基础上,提出了基于加权构造增强约束的LSRTM方法（WSE-LSRTM）并应用于SS数据的反演成像中.该方法不仅能够有效地压制串扰噪声（cross-talk）、保留结构信息,而且可以保护成像中的陡倾角结构不被过度平滑而破坏.在对简单模型和复杂Marmousi模型的数值测试中,该方法都取得了良好的效果.

     

时频域振幅相位联合的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移方法具有复杂地质构造成像精度高、成像振幅准确等优点.但是,当地下存在强散射介质时,最小二乘逆时偏移方法很难透过上覆强散射地质体获得深部构造的高精度成像结果.本文为了提高深部精细构造的成像质量,提出时频域振幅相位联合的最小二乘逆时偏移方法.该方法主要通过构建时频域振幅相位联合目标函数,减弱振幅信息对成像结果的影响,提高深部弱散射地震信号的可成像精度.首先,对地震信号进行时频变换,构建时频域最小二乘偏移目标函数;其次,在目标函数中引入振幅权重因子,调节时频域振幅相位权重;最后,推导时频域振幅相位联合目标函数对模型参数的梯度,并利用L-BFGS局部优化算法对成像结果进行迭代.Marmousi模型和盐丘模型测试结果表明,本文方法能够很好地利用弱散射地震信号的时频域振幅相位信息,实现透过上覆强散射地质体进行深部高精度成像的目标.     

基于平面波加速的VTI介质最小二乘逆时偏移

地震各向异性集中表现为速度各向异性,势必影响地震波运动学特征.传统声波逆时偏移(RTM)和最小二乘逆时偏移(LSRTM)没有考虑介质各向异性特征,导致反射波不能正确归位、同相轴出现扭曲及寻优速度慢或不收敛等,VTI介质逆时偏移(VTI-RTM)矫正了声波成像的不足,但仍存在低频干扰严重、中深部成像不佳、振幅保持差等缺陷.为此,本文首先实现了VTI介质最小二乘逆时偏移(VTI-LSRTM)方法,为了节省I/O及内存需求并提高效率,进一步引入平面波编码技术,提出了一种基于平面波加速的VTI介质最小二乘逆时偏移(VTI-PLSRTM)策略.在此基础上开展了简单模型及复杂Marmousi模型成像试验,并与标准逆时偏移剖面对比表明:本方法能够校正各向异性造成的相位畸变,且在迭代中自动压制串扰及低频噪声、补偿中深部能量,是一种兼具质量与效率的保幅成像策略;对速度误差的敏感性测试说明该方法需要相对正确的偏移速度及Thomsen参数模型.     

扩展成像条件下的最小二乘逆时偏移

逆时偏移(RTM)是复杂介质条件下地震成像的重要手段.因受观测系统限制、上覆地层影响以及波场带宽有限等因素的影响,现行的常规RTM所采用的互相关成像条件通常对地下构造进行模糊成像.最小二乘逆时偏移(LSRTM)通过最小化线性Born近似正演数据和采集数据之间的波形差异,采用梯度类反演算法优化反射系数模型,获得的成像结果具有更高的分辨率和更可靠的振幅保真度.然而,基于波形拟合的LSRTM对背景速度模型的依赖性很强.误差太大的速度模型容易产生周波跳跃现象,导致LSRTM难以获得全局最优解.为了克服这一问题,本文基于扩展模型的思想,在线性Born近似下,推导得到RTM扩展成像条件.并基于最小二乘反演理论,提出扩展成像条件下的LSRTM方法.理论模型试算表明,本文方法不仅可以提供分辨率更高、振幅属性更为可靠的成像结果,而且能够在一定程度上消除速度误差对反演成像的影响.     

基于QHAdam梯度优化算法的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(LSRTM)通常基于梯度类算法, 经过几十次甚至上百次的迭代得到最终的成像剖面, 然而常规最小二乘逆时偏移其在迭代过程中, 所求梯度通常不做优化处理, 导致最小二乘逆时偏移的收敛效率和成像精度不高, 并且每次迭代的模型更新处理还需付出1~2次的波场延拓计算代价来获取迭代步长.本文将深度学习中的优化算法QHAdam引入到传统时间域最小二乘逆时偏移计算中, 可在付出极小计算代价的前提下, 直接获得优化的模型更新量, 同时避免了迭代步长的求取.Marmousi模型实验结果显示, 相比于常规最小二乘逆时偏移算法, 基于QHAdam梯度优化算法的最小二乘逆时偏移其收敛效率和成像精度更高, 且由于减少了迭代步长的求取步骤, 其也具有更高的计算效率; 相对于基于Adam算法最小二乘逆时偏移, 本文方法也具有更高的收敛效率和收敛精度.

     

基于非结构化网格的最小二乘逆时偏移

相对于传统的逆时偏移,最小二乘逆时偏移具有更高的成像质量,这种改善是通过迭代反演来获得的,另外其精度与效率依赖于求解波动方程算法的精度与效率.本文给出了基于非结构化网格的最小二乘逆时偏移的方法,该方法能够充分结合最小二乘算法与非结构化网格精细刻画地下界面以及随速度自适应剖分的优点;并采用带补偿的拉普拉斯滤波算法,来消除梯度计算中的低频噪声,从而加速目标函数的收敛速度.通过简单倾斜模型以及复杂Marmousi模型测试,显示了该方法的有效性和潜力.

     

基于Poynting矢量行波分离的最小二乘逆时偏移

因为在逆时偏移中基于双程波动方程构建震源波场和检波器波场,所以在波场延拓过程中地震波遇到波阻抗界面时,背向发育的反射波会与正常传播的波场互相关产生较强振幅的低频噪声.这一特点使得以逆时偏移为基础的最小二乘偏移方法在梯度计算时同样存在着低频噪声的干扰,从而导致反演收敛的速度减慢.考虑到计算量和存储成本的因素,本文借助Poynting矢量良好的方向指示性实现波场的上下行波分离,并在早期迭代的梯度计算中只保留震源波场和检波器波场沿不同垂直方向传播的组分之间的互相关,有效避免了成像噪声的干扰,提高了算法收敛的速率.数值算例验证了方案的有效性.

     

基于阈值混合范数的黏声最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移方法在重建高分辨地下构造图像方面具有理论优势.然而,常规方法忽略了介质对地震波的吸收衰减效应,且受噪声干扰易产生偏移假象,以致成像分辨率较低.为提高最小二乘逆时偏移方法服务于油气勘探开发的能力,本文将常分数阶拉普拉斯算子波动方程作为黏滞性介质中波场的控制方程以降低模拟数据和观测数据匹配的不确定度.此外,利用阈值混合范数构建最小二乘逆时偏移的目标函数以提高成像方法的抗噪性.通过合成和实际数据测试表明所提出的方法能有效地生成高分辨的构造图像.     

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.

     

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.     

去均值归一化互相关最小二乘逆时偏移及其应用

最小二乘逆时偏移相对于常规逆时偏移具有更高的成像分辨率、振幅保幅性及均衡性等优势,在一定程度上可满足岩性油气藏勘探的需求,是目前研究的热点之一.然而由于实际地下介质的黏滞性和变密度,以及无法准确地估计震源子波等,基于振幅匹配的常规最小二乘逆时偏移算法很难在实际资料处理中取得好的效果.此外,实际数据常包含大量噪声,进一步限制了常规算法的应用.为此,本文通过修改目标泛函,提出了去均值归一化的互相关最小二乘逆时偏移算法,并给出了陆上资料的应用实例.研究表明,归一化策略减弱了算法对子波能量的苛求;互相关算法强调相位匹配,进一步弱化了子波的影响,提升了算法的稳定性和可靠性;去均值思想在处理低信噪比资料方面有较大优势.理论模型和陆上实际资料处理都验证了本算法的有效性和对复杂模型的适应性.     

声反射成像测井弹性波逆时偏移方法对比研究

声反射成像测井中的声波逆时偏移算法在处理单分量偶极横波反射资料时可获得高精度成像结果, 而面对单极声源中的多波多分量弹性波反射资料时, 由于其包含PP、PS、SP和SS等多种波型分量, 基于声波方程的逆时偏移处理结果中出现单反射界面对应多同相轴的偏移假象.首先在声反射成像测井中实现了纵横波耦合弹性波逆时偏移和基于Helmholtz分解的弹性波逆时偏移, 在此基础上首次提出和实现了基于一阶速度-应力纵横波解耦方程的弹性波逆时偏移, 通过纵横波解耦结果和成像结果对三种声反射成像测井弹性波逆时偏移进行对比研究, 数值算例表明基于纵横波耦合的弹性波逆时偏移无法处理转换波(PS或SP)成像问题; Helmholtz分解虽可实现纵横波解耦但同时引起反射波振幅和相位改变, 进而导致包含S波的成像分量出现极性反转问题.基于一阶速度-应力纵横波解耦方程的弹性波逆时偏移可有效处理多波多分量反射资料偏移成像, 消除转换分量成像噪声, 解决S波分量成像极性反转, 为声反射成像测井弹性波逆时偏移算法奠定了有力的理论基础.

     

弹性波逆时偏移中的稳定激发振幅成像条件

本文针对弹性波逆时偏移,提出稳定的激发振幅成像条件.在震源波场的正向传播过程中,计算每个网格点的能量,并保存最大能量密度的时刻和相应的波场值;在检波器波场的逆时传播过程中,在每个网格点提取最大能量密度时刻的检波器波场值,并利用保存的最大能量震源波场做归一化,获得角度依赖的反射系数成像剖面.相比于归一化互相关成像条件,该成像条件在震源波场的正向传播过程中无需存储波场快照,节省大量磁盘空间和I/O吞吐任务,提高了计算效率;相比于弹性波的激发时间成像条件,该成像条件自动校正了水平分量在震源两侧的极性反转,在多炮叠加时避免振幅损失.数值试验表明,与归一化成像条件相比,稳定激发振幅成像条件具有更小的计算量,偏移剖面的低频假象更弱,水平分量的成像能力更优,具有更高的空间分辨率.