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.     

基于逆散射成像条件的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移（LSRTM）相对于常规逆时偏移（RTM）具有分辨率更高、振幅更准确、噪音更少等优势,可以对复杂的地质构造进行有效的成像.这种迭代更新反演成像方法十分依赖目标函数的梯度质量和计算效率.当地质模型中存在强反射界面或者记录中存在折射波时,基于常规互相关成像条件（CCC）的最小二乘逆时偏移梯度会包含很强的低频噪音,从而使反演的收敛速度和成像质量降低.为此,本文在最小二乘逆时偏移的梯度中引进了逆散射成像条件来压制这种低频噪音,并以此提出基于逆散射成像条件（ISC）的最小二乘逆时偏移方法.数值模拟结果表明,两者计算耗时基本一致,但逆散射成像条件能高效压制梯度中的低频噪音,从而使反演过程中收敛加速,成像质量得到显著提高.     

各向异性介质Low-rank有限差分法纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移

拟声波最小二乘逆时偏移是一种极具潜力的地震波成像工具,但该方法遭受各向异性拟声波近似的限制,TTI介质正演模拟不稳定、反偏移记录中遭受伪横波二次扰动及数值频散假象,另外拟声波最小二乘逆时偏移还面临计算效率低、收敛速度慢、对速度等模型参数依赖性高等问题.为了克服各向异性拟声波最小二乘逆时偏移的缺陷,在反演框架下,本文借助Low-rank有限差分算法首次提出并实现了TTI介质纯qP波线性正演模拟及纯qP波最小二乘逆时偏移;为了进一步提升反演成像效率,同时改善反演成像方法对模型参数误差的依赖性及对地震数据噪声的适应性,通过引入叠前平面波优化策略,发展了TTI介质纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移成像方法.在编程实现方法的基础上,通过开展模型成像测试,展示了本方法的优势和潜力：一方面加快了反演成像效率,另一方面也提升了方法的抗噪性,同时还降低了方法对模型参数的依赖性.     

最小二乘偏移成像方法及应用

基于反演理论的最小二乘偏移可为岩性储层估计提供更加保真的、高分辨率反射系数成像,成为当前成像方法的研究热点和发展趋势.研究讨论了实现过程中关键技术环节,包括有限差分解微分方程进行反偏移数据重构,基于数据残差逆时偏移求取梯度及共轭梯度法反演优化算法,并重点研究了最小二乘偏移用于实际处理时的数据残差求取方法,包括面向最小二乘偏移技术的观测数据预处理及能量一致性数据残差求取,探索建立了面向实际资料的最小二乘逆时偏移实现流程,模型和实际资料试处理说明了此方法技术的适用性和有效性.     

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.     

基于海森矩阵因数分解的最小二乘逆时偏移方法研究（英文）

最小二乘偏移基于反演的思想,通过迭代的方式逐步消除成像假象,恢复成像振幅,最终提供高分辨率的成像剖面,而且能够处理不完备、低品质的地震数据。基于双程波波动方程进行波场外推可以实现高陡构造及逆掩断层的成像,但是庞大的计算量限制了最小二乘逆时偏移的应用。为了解决计算量的问题,本文提出一种成像域的快速算法,以提高最小二乘逆时偏移的计算效率。该方法借助于克罗内克积叠加的因数分解算法来估算海森矩阵,实现了海森矩阵的低秩分解。克罗内克因子的求取只涉及到计算炮点和检波点处的格林函数,从而避免了直接构建整个海森矩阵。因此,基于因数分解的最小二乘逆时偏移采用低秩矩阵的乘法,避免了耗时的偏移和反偏移过程。模型和实际资料的处理验证了该方法在计算效率方面的优势。在取得相同效果的基础上,基于因数分解的最新二乘逆时偏移耗时约为常规最小二乘逆时偏移的一半,这在工业界应用时可以显著降低计算成本。因数分解方法引起的噪音可以通过常规滤波手段去除,不会降低成像质量。     

基于单平方根算子的叠前最小二乘分步傅里叶偏移方法

基于反演思想的最小二乘类偏移方法,具有较常规方法更好的成像保幅性和振幅均衡性,逐渐成为研究的热点.本文将单平方根分步傅里叶反偏移算子和偏移算子引入最小二乘框架,实现了基于单平方根算子的叠前最小二乘分步傅里叶偏移(SSR-LSSSF)算法.同时,为了抑制离散傅里叶变换引起的周期性伪波场,在偏移算法中引入了余弦衰减边界.在实现优化算法的基础上,通过对复杂盐丘模型的成像试处理及与其他方法成像对比可知:(1)本文发展的SSR-LSSSF偏移方法具有较好的迭代收敛特性,成像具有较好的保幅性,成像结果逐渐逼近真实反射系数.(2)通过与RTM、LSRTM及传统SSF偏移方法成像结果对比,表明本文方法在成像精度和偏移噪声压制方面具有一定的优势.     

最小二乘逆时偏移在碳酸盐岩缝洞型储层成像中的应用

碳酸盐岩缝洞型储层是我国西部探区重要的储层,包含较多的孔、洞、缝,其波场信息复杂,常规偏移成像对其成像效果不佳,这已成为制约勘探发展的重要因素.为此本文推导并实现了基于反演思想的高精度最小二乘逆时偏移成像方法,并将其推广应用到碳酸盐岩缝洞型储层.通过对三个基于西部探区实际地质情况建立的典型模型的成像试算,可以发现:与常规逆时偏移结果进行对比,最小二乘逆时偏移能够准确的刻画出裂缝溶洞的位置、形状、大小,验证了该方法在碳酸盐岩缝洞型复杂地质模型的保幅性和成像精度方面的优势.     

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.     

基于最小二乘逆时偏移的场声反射成像测井模拟?

近年来,声反射成像测井技术（ARILT）在井旁裂缝、孔洞性储层评价中成为研究热点。常规ARILT的探测深度一般在20m以内,且对复杂构造边界刻画能力不足。本文基于测井观测系统及采集参数,将最小二乘逆时偏移（LSRTM）地震成像技术引入ARILT中,以提高井旁区域有效成像范围和成像精度。本文在实现偏移算法及处理流程基础上,将算法用于典型模型和实际资料,重点分析不同频率、深度和偏移方法成像效果的差异。成像结果对比发现:①偏移算法影响ARILT成像精度,LSRTM具有较高分辨率,并能揭示构造体横向变化特征;②激发源频率也影响成像分辨率,提高频率会改善分辨率,但会降低探测深度;③在给定的测井观测参数下,LSRTM能有效探测23m范围内的井旁构造。      

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.     

最小二乘逆时偏移中黏弹性和各向异性的校正:以渤海湾地区地震数据为例

地下介质中存在黏弹性和各向异性,在应用最小二乘逆时偏移时,如果没有对黏弹性和各向异性的影响进行校正,在观测数据和模拟数据的匹配过程中就会发生错误,最终使得最小二乘逆时偏移无法得到准确的成像结果.因此,本论文首先对最小二乘逆时偏移的黏弹性和各向异性进行分别校正,然后对两种影响进行同时校正.在实际资料试算部分,通过对渤海湾数据进行测试,分别采用常规声波最小二乘逆时偏移、补偿黏弹性的最小二乘逆时偏移、校正各向异性的最小二乘逆时偏移及同时校正两种性质的最小二乘逆时偏移进行比较测试,证明了在同时校正了黏弹性和各向异性影响之后,最小二乘逆时偏移得到了更高质量的成像结果,具体表现在低频噪音压制、震源效应压制、深部能量改善、分辨率提升、目的层刻画等方面都明显优于其他三种最小二乘逆时偏移的成像结果,同时也证明了同时校正黏弹性和各向异性最小二乘逆时偏移方法的正确性及在实际资料处理中的适用性.     

基于全波形反演的探地雷达数据逆时偏移成像

逆时偏移成像(RTM)常用来处理复杂速度模型,包括陡倾角及横向速度变化剧烈的模型.与常规偏移成像方法(如Kirchhoff偏移)相比,逆时偏移成像能提供更好的偏移成像结果,近些年逆时偏移成像越来越广泛地应用到勘探地震中,它逐渐成为石油地震勘探中的一种行业标准.电磁波和弹性波在动力学和运动学上存在相似性,故本文开发了基于麦克斯韦方程组的电磁波逆时偏移成像算法,并将其应用到探地雷达数据处理中.时间域有限差分(FDTD)用于模拟电磁波正向和逆向传播过程,互相关成像条件用于获得最终偏移结果.逆时偏移成像算法中,偏移成像结果受初始模型影响较大,而其中决定电磁波传播速度的介电常数的影响尤为重要.本文基于时间域全波形反演(FWI)算法反演获得了更为精确的地下介电常数模型,并将其反演结果作为逆时偏移成像的初始介电常数模型.为了验证此算法的有效性,首先构建了一个复杂地质结构模型,合成了共偏移距及共炮点探地雷达数据,分别应用常规Kirchhoff偏移算法及逆时偏移成像算法进行偏移处理,成像结果显示由逆时偏移成像算法得到的偏移结果与实际模型具有较高的一致性;此外本文在室内沙槽中进行了相关的物理模拟实验,采集了共偏移距及共炮点探地雷达数据,分别应用Kirchhoff和叠前逆时偏移成像算法进行处理,结果表明叠前逆时偏移成像在实际应用中能获得更好的成像效果.     

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.     

伪深度域最小二乘逆时偏移方法及应用

最小二乘逆时偏移基于反演的思想,能够消除偏移剖面中的假象,并得出振幅相对保真的反射率剖面,这对隐蔽储层识别、岩性油气藏勘探及四维地震具有重要的意义。但是,最小二乘逆时偏移需要利用多次迭代的策略,计算量及存储量巨大,在实际工业界的应用受到一定限制。本文尝试在伪深度域实现最小二乘逆时偏移,并采用了共轭梯度算法,在保证精度的情况下,大大节省了计算成本。伪深度域根据计算区域速度场分布转换到伪深度域后,网格采样点得到大大减少。在伪深度域进行计算,避免了高速区过采样,提高了计算效率。模型及实际资料处理结果表明该方法的正确性和有效性。该方法的实现可以提高最小二乘逆时偏移的实用性。     

一种新的针对反射波的逆时偏移真振幅成像条件

真振幅成像是一种代表性的定量估计模型参数扰动高波数部分的地震波成像方法.经典的真振幅成像方法在高频近似和理想照明假设条件下求取显式对角Hessian逆矩阵作为偏移振幅加权算子,用以校正波传播过程中的几何扩散效应,得到模型参数扰动的带限估计.真振幅保真成像方法在利用逆时偏移(RTM)框架实现时会产生低波数噪声,影响对高波数参数估计的精度.本文给出了一种新的基于RTM框架的真振幅保真成像条件,该成像条件针对反射波数据,在高频近似下散射模式对应正问题及Bayes反问题框架下导出.与传统基于高频渐进反演的波动方程成像方法类似,利用本文提出RTM成像条件能够保证计算结果与高频近似下反演结果的一致性.同时,利用本文提出RTM真振幅成像条件能够在成像过程中自动保真的消除传统真振幅RTM算法中存在低波数噪声,模型数值实验结果验证了本文方法的正确性和有效性.     

一种新的针对反射波的逆时偏移真振幅成像条件

真振幅成像是一种代表性的定量估计模型参数扰动高波数部分的地震波成像方法.经典的真振幅成像方法在高频近似和理想照明假设条件下求取显式对角Hessian逆矩阵作为偏移振幅加权算子,用以校正波传播过程中的几何扩散效应,得到模型参数扰动的带限估计.真振幅保真成像方法在利用逆时偏移（RTM）框架实现时会产生低波数噪声,影响对高波数参数估计的精度.本文给出了一种新的基于RTM框架的真振幅保真成像条件,该成像条件针对反射波数据,在高频近似下散射模式对应正问题及Bayes反问题框架下导出.与传统基于高频渐进反演的波动方程成像方法类似,利用本文提出RTM成像条件能够保证计算结果与高频近似下反演结果的一致性.同时,利用本文提出RTM真振幅成像条件能够在成像过程中自动保真的消除传统真振幅RTM算法中存在低波数噪声,模型数值实验结果验证了本文方法的正确性和有效性.     

黏声介质最小平方逆时偏移

介质的黏滞性是普遍存在的.黏滞性介质中的真振幅成像需要校正由介质的黏滞性引起的振幅衰减与速度频散,然而常规的反Q偏移方法存在不稳定问题.本文在反演的框架下求解黏声介质成像问题,在有效避开不稳定的同时实现真振幅成像.首先将波动方程线性化,并依此建立黏声介质最小平方逆时偏移(LSRTM)的目标函数;然后推导波动方程伴随算子,并在此基础上借助伴随状态法推导迭代求解的具体算法;最后通过引入动态相位编码技术将计算量降至与常规逆时偏移相同的数量级.该方法在真振幅成像过程中考虑了介质黏滞性的影响,更接近实际情况,具有更好的振幅保持性.相对于常规逆时偏移,该方法能够自动压制成像噪声,具有更高的成像分辨率及精度.通过模型试算验证了方法的正确性.     

基于一阶速度-应力方程的多震源最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(Least-Square Reverse Time Migration,LSRTM)相比于常规偏移具有更高的成像分辨率、振幅保幅性及均衡性等优势,是当前研究的热点之一.然而,目前LSRTM算法大多是基于二阶常密度标量声波方程建立的,忽略了密度变化对振幅的影响,因而基于振幅匹配策略的常规LSRTM很难在变密度介质下取得保真的成像结果.一阶速度-应力方程能够很好地处理变密度介质,但简单地将一阶速度-应力方程应用到LSRTM中缺乏理论基础.为此,本文从LSRTM的正问题入手,提出了基于交错网格的一阶速度-应力方程LSRTM理论方法.首先将一阶波动方程线性化,建立了一阶方程LSRTM的目标泛函,随后推导其伴随方程,并借助伴随状态法给出了迭代更新流程,最终建立了基于一阶速度-应力方程LSRTM的理论框架.进一步,通过在相位编码LSRTM中引入随机最优化思想,极大地减小了计算量、提高了计算效率.最后,通过模型试算验证了本算法的正确性和有效性.     

黏声介质最小平方逆时偏移

介质的黏滞性是普遍存在的.黏滞性介质中的真振幅成像需要校正由介质的黏滞性引起的振幅衰减与速度频散,然而常规的反Q偏移方法存在不稳定问题.本文在反演的框架下求解黏声介质成像问题,在有效避开不稳定的同时实现真振幅成像.首先将波动方程线性化,并依此建立黏声介质最小平方逆时偏移（LSRTM）的目标函数;然后推导波动方程伴随算子,并在此基础上借助伴随状态法推导迭代求解的具体算法;最后通过引入动态相位编码技术将计算量降至与常规逆时偏移相同的数量级.该方法在真振幅成像过程中考虑了介质黏滞性的影响,更接近实际情况,具有更好的振幅保持性.相对于常规逆时偏移,该方法能够自动压制成像噪声,具有更高的成像分辨率及精度.通过模型试算验证了方法的正确性.