层状弹性介质全波射线追踪技术研究

射线追踪法是一种有效的地震波场数值模拟方法,在层析成像、叠前深度偏移及正演模拟等研究领域均占据重要地位.但相较于波动方程数值模拟方法,射线追踪法在获取较高运算速度的同时损失掉了地震波场的动力学信息,对于整个地震波场的地震波衰减以及转换波等问题都没有进行考虑.为了能够得到较为完整的合成地震记录并对地震资料做出更合理解释,本文在使用射线追踪法进行波场数值模拟的同时考虑了衰减信息,追踪转换波以弥补射线追踪法在动力学上的缺陷.在全波射线追踪过程中,通过追踪同类波和转换波,并计算该段射线的能量衰减,在保证高速计算的同时获得了较为完整的合成地震记录,取得较好的效果.     

分段光滑曲线边界波动方程数值模拟研究

矩形网格有限差分法在地震波传播数值模拟方面具有计算速度快的显著优势,但该方法在处理复杂边界问题上存在着效率低的严重缺陷.本文针对分段光滑曲线边界定义了尖点处的一种正则导数,给出了矩形网格情形分段光滑曲线网格边界点法向导数的一种插值计算方法.采用矩形网格有限差分法对复杂边界地球介质模型进行地震波场数值模拟,并采用波场系列快照技术揭示地震波在起伏地表和复杂介质中的传播规律.模拟结果表明：法向导数插值计算方法为矩形网格有限差分法处理复杂边界提供了有效途径,采用波场系列快照技术可以清晰地展现地震波在反射界面的反射和透射规律、在尖点的绕射规律以及在自由表面的直达波和多次反射规律.     

黏弹性VTI介质中敏感度核函数：地震波复走时关于弹性模量及Q值偏导数的计算

实际地层中地震波传播普遍存在速度和衰减各向异性现象,研究黏弹各向异性介质中高频地震波传播理论有助于揭示地震波的传播特征.本文针对黏弹性VTI介质,从Christoffel矩阵的解析特征值出发推导出qP、qSV和qSH波的复相速度和复射线速度的解析表达式,并应用实射线追踪方法确定出均匀复射线速度矢量,由此计算出实射线速度和实射线衰减以及实射线品质因子.基于非均匀复相速度和均匀复射线速度的解析表达式,推导了实射线慢度和实射线衰减关于黏弹性模量(包括弹性模量和Q值)的敏感度核函数,该敏感度核函数反映各个黏弹性模量对地震波复走时的影响程度.不同岩石样本的数值计算结果显示,实走时对弹性模量更为敏感,而射线衰减(虚走时)对弹性模量和Q值的敏感程度相当.本研究可为黏弹性VTI介质中地震射线追踪和复走时层析成像提供理论基础.     

大步长波场深度延拓的理论

波场延拓是地震偏移成像的基础. 快速进行目标区波场延拓对石油勘探中急需发展的深部地震勘探和无组合海量地震数据的成像有重要意义. 在目标区成像中,目前已有的波场延拓方法,包括基于走时计算的Dix方法和射线追踪方法,以及基于小步长波场递推的方法,在适应复杂介质、计算精度和计算效率的某一方面还不能完全满足实际需要. 本文提出一种基于“算子相位”李代数积分的快速计算延拓算子的方法,称为大步长波场延拓方法. 在该方法中,指向目标区的波场延拓算子象征的复相位被表示成波数的线性组合. 线性组合的系数是层速度函数及其导数的深度积分,计算和存储较为方便. 波场延拓算子通过相移算子加校正的方法,利用快速Fourier变换在空间域和波数域予以实现. 利用动力学等价关系导出了便于计算的表达式. 本文比较了算子主象征函数用一步法展开和用两步法展开的精度,从而说明大步长方法的精度要高于递推方法. 在横向和纵向线性变化介质中,将大步长方法的脉冲响应与递推法做了比较,说明大步长延拓算子的走时精度主要取决于相移因子中的横向变速校正项;且在各种近似下,大步长算子发生的频散都非常小.     

弹性波数值模拟的延迟边界方法

在地震波场的波动方程数值模拟中,由于计算量的限制,必须加入人为的边界,使模拟计算可以在一定的空间范围内进行. 由于边界节点上的波场值不能像模拟区域内部的节点一样使用中心差分来计算,使其计算精度大大降低,从而产生边界反射. 为了消除边界反射,本文提出了延迟边界方法,根据弹性波在传播方向上等距离质点的等相位延迟性质和振幅衰减特性,由内部波场的时空分布,推算出边界波场的相位延迟的大小和振幅衰减系数,从而提高边界节点上的波场值计算精度,消除边界反射的产生.     

重复反射理论在计算地表面地震波时的应用

以某沉淀池设计地震波的计算为例,根据重复反射理论提出一种由典型地震波和土层波阻抗计算场地设计地震波的方法,并证明该计算方法的必要性和可行性.场地覆盖土层假定为无限延伸的水平成层土,基岩面及以下按照线性半无限空间各向同性考虑,基岩面为全反射界面,采用Arkquake软件将初选地震波输入地层,运用等效线性化方法考虑土体非线性,并用傅里叶变换进行频域计算.考虑到各处场地覆盖土层的差异,选用多点分别计算基岩波和地表面地震波.这种方法计算出的地表面地震波能较好地考虑局部场地效应,一定程度上减小地震烈度异常现象,为今后实际工程中地震波的选取提供一种较为实用的参考方法.     

波前构建法研究现状

波前构建法是一种能够快速计算地震波走时、射线路径及振幅的算法,该算法考虑从整个波场发出的射线族的追踪计算,为几何射线理论在勘探地震学中的应用带来了决定性的变化,使得能够同时计算成千上万务射线以及附在上面的走时和振幅成为可能.本文在收集、整理国内外研究现状的基础上,对波前构建法目前的应用介质模型、求解射线追踪方程组的算法...     

三维弹性波数值模拟中的吸收边界条件

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件从而达到衰减人为边界 反射的目的. 本文基于傍轴近似法提出了计算三维弹性波方程的吸收边界条件公式,表示了 各边界面、边棱和角点处波场所满足的单程波方程,并在三维弹性波数值模拟中进行了应用 . 理论模型及三维盐丘地质模型波场切片快照试算结果表明,该吸收边界条件可以有效地吸 收人为边界反射,适用于较大入射角情况,从而消除了边界有效波信息的干扰. 由于采用四 阶近似方程,在保证计算精度的前提下,该方法具有节省计算工作量和易于实现的特点.     

起伏层状介质中曲线网格有限差分法与射线法波场模拟对比研究

针对处理起伏地表(或含地下不规则波阻抗界面)条件下发展起来的地震波场数值模拟算法的模拟结果与解析解(大多数情形下无法得到)无法进行对比,且其有效性和正确性难以验证的情况,本文提出了一种可以相互验证波场数值模拟结果与射线追踪数值模拟结果的正确性和有效性的佐证方法,验证了参考射线追踪法.其中,波场数值模拟中采用曲线网格DRP/opt MacCormack有限差分法,射线追踪模拟则采用分区多步三角网格最短路径算法.通过系统对比上述两种方法得到的波场快照、单炮地震记录,以及合成理论地震图的结果显示,本方法相互作证了两种方法所得结果的正确性和有效性.双层和三层起伏层状模型的对比分析结果表明,这种方法不但可以加深理解地震波在复杂介质中的传播规律,同时射线法的引入为清晰识别和标定地震波场数值模拟中各种不同震相提供了一种便捷的途径.      

广角地震波场特征分析

地震宽角反射/折射方法主要是利用壳内与上地幔顶层的广角反射信息重建地壳上地幔结构,是研究地壳上地幔结构构造最有效的方法之一.同时,宽角地震接收到的超临界角的广角反射信息,相对于临界角之内的反射信息必定存在着随偏移距变化的时移现象.本文通过构建地壳模型采用交错网格有限差分方法合成广角地震记录,并从理论地震图上分别用传统射线方法和考虑时移影响的方法标定了震相走时,分析了广角反射的地震波场特征,揭示了地震资料中的广角效应,继而分析了广角信息存在对接收波场的响应影响.     

Marine seismic wavefield measurement to remove sea-surface multiples

We propose a new method for removing sea-surface multiples from marine seismic reflection data in which, in essence, the reflection response of the earth, referred to a plane just above the sea-floor, is computed as the ratio of the plane-wave components of the upgoing wave and the downgoing wave. Using source measurements of the wavefield made during data acquisition, three problems associated with earlier work are solved: (i) the method accommodates source arrays, rather than point sources; (ii) the incident field is removed without simultaneously removing part of the scattered field; and (iii) the minimum-energy criterion to find a wavelet is eliminated. Pressure measurements are made in a horizontal plane in the water. The source can be a conventional array of airguns, but must have both in-line and cross-line symmetry, and its wavefield must be measured and be repeatable from shot to shot. The problem is formulated for multiple shots in a two-dimensional configuration for each receiver, and for multiple receivers in a two-dimensional configuration for each shot. The scattered field is obtained from the measurements by subtracting the incident field, known from measurements at the source. The scattered field response to a single incident plane wave at a single receiver is obtained by transforming the common-receiver gather to the frequency–wavenumber domain, and a single component of this response is obtained by Fourier transforming over all receiver coordinates. Each scattered field component is separated into an upgoing wave and a downgoing wave using the zero-pressure condition at the water-surface. The upgoing wave may then be expressed as a reflection coefficient multiplied by the incident downgoing wave plus a sum of scattered downgoing plane waves, each multiplied by the corresponding reflection coefficient. Keeping the upgoing scattered wave fixed, and using all possible incident plane waves for a given frequency, yields a set of linear simultaneous equations for the reflection coefficients which are solved for each plane wave and for each frequency. To create the shot records that would have been measured if the sea-surface had been absent, each reflection coefficient is multiplied by complex amplitude and phase factors, for source and receiver terms, before the five-dimensional Fourier transformation back to the space–time domain.     

Application of the edge wave superposition method

Numerical examples of high-frequency synthetic seismograms of body waves in a 2-D layered medium with complex interfaces (faults, wedges, curvilinear, corrugated) are presented. The wave field modeling algorithm combines the possibilities of the ray method and the edge wave superposition method. This approach preserves all advantages of the ray method and eliminates restrictions related to diffraction by boundary edges and to caustic effects in singular regions. The method does not require two-point ray tracing (source-to-receiver), and the position of the source, as well as the type of source, and the position of receivers can be chosen arbitrarily. The memory and the time required for synthetic seismogram computation are similar to ray synthetic seismograms. The computation of the volume of the medium (the Fresnel volume or Fresnel zones), which gives the essential contribution to the wave field, is included in the modeling program package. In the case of complicated irregular interface (or a layered medium with a regular ray field at the last interface), the method displays a high accuracy of wave field computation. Otherwise, the method can be considered a modification of the ray method with regularization by the superposition of edge waves.     

基于射线追踪的微地震多波场正演模拟

对于微地震正演模拟,本文以射线追踪的原理为基础,对两点间的射线追踪问题进行了研究,应用二分算法、改进二分算法和微变网格算法对水平层状匀速模型、弯曲层状匀速模型和复杂地质模型进行射线追踪,使得计算效率和适用范围都得到了很大的改善.文中对每种算法误差范围和计算效率进行了对比验证,对于不同的地质模型,选用合适的算法才能在计算速度和精度上得到双重保证,最后正演模拟了多波三分量记录.在模型建立上引入了超薄层概念,并在前人模拟的直达波、透射波、反射波基础上拟了折射波,使正演模拟的多波场信息更丰富.文中的应用实例及模型结果表明:与二分法相比,改进二分法能够对弯曲界面进行射线追踪,并能保证结果的精度.弯曲层状模型中,改进二分法与微变网格法相比计算速度有显著提高,能够应用到资料的反演中.     

Common‐shot Fresnel beam migration based on wave‐field approximation in effective vicinity under complex topographic conditions

Gaussian beam migration is a versatile imaging method for geologically complex land areas, which overcomes the limitation of Kirchhoff migration in imaging multiple arrivals and has no steep‐dip limits of one‐way wave‐equation migration. However, its imaging accuracy depends on the geometry of Gaussian beam that is determined by the initial parameter of dynamic ray tracing. As a result, its applications in exploration areas with strong variations in topography and near‐surface velocity are limited. Combined with the concept of Fresnel zone and the theory of wave‐field approximation in effective vicinity, we present a more robust common‐shot Fresnel beam imaging method for complex topographic land areas in this paper. Compared with the conventional Gaussian beam migration for irregular topography, our method improves the beam geometry by limiting its effective half‐width with Fresnel zone radius. Moreover, through a quadratic travel‐time correction and an amplitude correction that is based on the wave‐field approximation in effective vicinity, it gives an accurate method for plane‐wave decomposition at complex topography, which produces good imaging results in both shallow and deep zones. Trials of two typical models and its application in field data demonstrated the validity and robustness of our method.     

一种改进的地震反射层析成像方法

针对复杂介质的地震反射走时层析成像存在数据拾取困难问题,本文提出了一种新的地震反射层析成像速度模型建立方法,该方法用速度和地震射线走时描述模型,用地震反射波走时、地震波在源点和接收点处的传播方向信息反演模型.为提高反演的稳定性和计算效率,引入了Hamilton函数描述射线,在相空间计算反演所需的射线路径和目标函数对模型参数的导数,对理论模型和实际地震资料进行了试算,试算表明该方法对复杂介质具有较强的适应能力.     

基于多射线联合反演的速度无关叠前地震数据Q值估计

描述地震波衰减特征的品质因子Q对地震数据处理和油藏描述非常重要,在地震勘探领域,Q值一般通过垂直地震剖面(VSP)数据或地面地震数据得到.由于叠前地面地震数据具有复杂的射线路径且存在噪声、调谐干涉效应等影响,从叠前地震数据中准确估计Q值相对困难.本文以地震波射线传播为基础,根据同相轴局部斜率和射线参数的映射关系,将多射线波形频谱同时带入谱比法联合反演估计Q值,提出了基于多射线联合反演的速度无关叠前Q值估计方法.该方法通过局部斜率属性避开了速度对Q值估计的影响,局部斜率携带地震波传播的速度信息,具有相同局部斜率的地震反射波具有相同的传播射线参数.同相轴局部斜率是地震数据域的属性,而速度是模型域的参数,在估计Q值中采用数据域的属性参数可以直接应用于数据的联合反演,而不需要通过速度对其做进一步的转化,从而提高了Q值估计的精度.同时,本方法采用预测映射(predictive mapping)技术将非零炮检距反射信息映射到零炮检距处,从而获得零偏移距走时对应的Q值.模拟和实际算例验证了本文方法的有效性.     

球面波和柱面波的复射线束展开

通过在平面波谱域中比较复射线束叠加场和标准解的方法,导出了球面波和柱面波的复射线束展开系数公式.将该结果与以往文献中,通过在空间域直接比较标准解所导出的结果对比表明,本文结果具有形式简洁、自由参数少的优点.     

探地雷达地面以上物体反射干扰特征模拟和分析

地面以上物体产生的反射是探地雷达探测工作面临的主要干扰之一.地面以上物体干扰源的空间位置分布具有随机性,识别和去除这些干扰首先需要了解干扰波的传播特征.为达到这一目的,进而为干扰压制研究提供理论依据,本文首先通过对地面以上物体建立抽象模型并进行正演模拟,求解出电磁波在不同观测系统中受点、线、面干扰源影响的波场分布特征;其次,根据射线理论推导出点、线、面干扰源产生的干扰波时距曲线的一般表达式,并对时距曲线特征进行分析和归纳.     

非对称圆弧片状声源在井旁地层中产生的声场

提出了一种可用于随钻三维反射声波成像测井的圆弧片状声源,推导了该声源声学性质在波数-频率域内的数学描述,并利用实轴积分的方法对该声源在井旁地层中产生的声场进行求解,考察了声源的线度、频率等因素对该声源向地层中辐射的声场的影响.研究结果表明,特定尺寸和特定频率下的圆弧片状声源产生的纵波场的水平和垂直指向性图中仅具有一个明显的主瓣,且主瓣三分贝角宽较窄,方位分辨率较高,指向性良好,适用于随钻三维反射成像测井;SV波场和SH波场的指向性图中存在两个或者多个角瓣,SV波场在垂直于井轴方向上辐射的能量为0,另外在井中发射和接收的反射SH波场和SV波场会相互干扰,所以难以利用SV波场和SH波场进行三维反射声波成像;声源的线度和频率等因素对其辐射声场影响较大,考虑到激励效率和方位分辨率等因素,对于本文描述的井孔模型,选择圆周角在75°和90°之间, 主频为12 kHz左右的声源是合适的.