波动方程叠前深度成像理论与应用研究

摘要

波动方程叠前深度偏移成像是复杂介质成像的有效手段。波动方程叠前深度偏移理论方法已逐渐成熟。但在解决横向强变速问题时，仍存在许多技术难题。尤其是陆上数据的叠前深度成像存在更多的技术瓶颈。波动方程叠前深度偏移的最核心工作是利用波场外推算子进行波场深度外推。基于摄动理论的混合域单平方根传播算子都是对单平方根方程的近似，存在近似误差。各传播算子都涉及到参考速度的选择。近似条件要求局部参考速度与实际速度相差不能太大。否则在强横向变速区域，会出现计算的不稳定，计算精度降低。因此，采用多个参考速度是必要的。本文针对混合域传播算子的特点，提出自适应多参考速度选择策略，与混合域波场外推算子结合，形成适应强横向变速的混合域波场外推算法。单平方根有限差分算子的数值计算中存在高角度成像误差、强横向变速情况下可能出现数值计算的不稳定及计算误差大等固有缺陷。三维问题的方向分裂有限差分计算会引入数值各向异性。本章在理论研究的基础上，总结前人的方法优势，提出四程分裂有限差分解法加有限差分补偿的波场外推方法，并完成了详细的理论推导。它可以解决剧烈横向变速及复杂构造情况下的地震波成像问题，认为是目前最完善的空间频率域三维有限差分波场外推方法。理论上，全三维双平方根波动方程波场外推进行全三维叠前深度偏移是可行的。但由于受到目前计算机系统能力的限制，还无法用于实际。共方位角双平方根波场外推算子，是全三维双平方根波动方程稳相近似得到的。它拥有较高的计算效率，但由于稳相近似降维处理，波场外推精度和对横向变速适用能力有所降低。通过研究提出适应于强横向变速介质的自适应多参考速度选择中点-炮检距域广义屏波场外推算法和有限差分补偿的广义屏算法，并进行了系数的优化。实验表明，自适应多参考速度选择策略的混合域各种波场外推算子、四程分裂有限差分解法加有限差分补偿的波场外推方法和三维共方位角双平方根广义屏波场外推方法，均可提高对横向变速的适应能力，有效地提高成像精度。波动方程叠前深度偏移的应用是有条件的。为促进其实际应用的发展，针对性地研究了波动方程叠前深度偏移密切相关的并行计算和数据规则化等配套技术。单平方根波动方程波场外推和共角度域叠前深度偏移计算量十分巨大，必须借助计算速度高的微机集群和并行计算技术，才能促进其实际应用。在研究波动方程波场外推算法的基础上，提出了适合多任务多处理器的分布式微机集群处理系统主从模式负载动态平衡并行算法。目前的微机集群并行处理系统，没有断点恢复功能，作业必须从头开始。系统级断点恢复技术，是世界级的研究难题。本文通过研究提出软件级断点恢复方法，在实际应用中获得良好的应用效果。野外数据采集方式是数据不规则产生的原因，不可避免的波动方程叠前深度偏移处理造成影响。在数据规则化理论研究的基础上，分类总结已有的数据规则化方法。重点研究基于模型驱动的数据规则化方法和基于数据驱动的Radon变换道插值方法。提出反假频积分法正DMO加f-k反DMO方位角校正方法，软件研发及实际应用。最后，本文从理论程序的软件化、处理流程建立和实际资料处理等几方面，进行了应用研究。将单平方根混合域炮道集叠前深度偏移程序软件化，建立单平方根混合域炮道集叠前深度偏移及相关处理流程，应用自主研发的处理系统软件—STseis，在国内首次用三维炮域波动方程叠前深度偏移方法，完成胜利探区140平方公里的实际资料处理，获得较好的处理效果。同时将三维共方位角波动方程深度偏移算法纳入了STseis软件系统，建立了合理的三维共方位角波动方程深度偏移处理流程，在国内首次用波动方程深度偏移技术完成了130平方公里以上的三维地震资料处理，也取得了明显的应用效果。本文的主要创新点：1.提出自适应多参考速度选择策略，改进混合域单平方根和双平方根波动方程波场外推算子。2.提出主从模式负载平衡动态任务分配并行算法和软件级断点恢复方法。3.将研究成果软件化，形成具有自主知识产权的叠前成像软件系统的核心模块。在国内首次用波动方程叠前偏移技术完成300平方公里的三维地震资料的处理，使自主创新技术实用化。关键词：波动方程叠前深度偏移，单平方根算子，双平方根算子，并行计算

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1地震偏移成像的定义

1.2波场外推的发展过程

1.3地震波成像对数据采集的要求

1.3.1复杂构造情况下的地震波照明

1.3.2空间采样的均匀性

1.3.3地震数据的频带展布与信噪比

1.4偏移成像与观测系统

1.4.1野外观测系统描述

1.4.2偏移常用的地震剖面类型

1.5地震波偏移成像与速度场

1.6论文的主要研究内容

1.7论文的主要创新点

第2章：叠前地震数据规则化

2.1概述

2.2影响数据质量的野外采集的因素

2.3不规则的空间采样对成像的影响

2.4地震数据映射的理论基础

2.5地震数据的规则化的主要方法

2.6基于DMO++DMO-1串级算子的方位角校正方法

2.6.1方法原理

2.6.2 DMO++DMO-1地震数据规则化的步骤

2.6.3理论数据试验

2.6.4实际地震资料方位角校正试验

2.7基于Radon++Radon-变换道集重建方法

2.7.1基于抛物Radon变换道插值的基本思想

2.7.2数值实验及分析

2.7.3实际数据测试与分析

2.8小结

第3章 单平方根方程波场外推理论方法

3.1概述

3.2傍轴近似方程

3.2.1 Clarebout的15 0方程

3.2.2高角度傍轴近似方程

3.2.3高阶微分方程的降阶

3.2.4多步分裂波动方程降维与解法

3.3横向变速介质混合域波动方程波场外推算子

3.3.1分步Fourier偏移方法

3.3.2 Fourier有限差分偏移方法

3.3.3频率空间域的有限差分偏移方法

3.3.4广义屏偏移方法

3.3.5各种波场外推算子之间的定性比较

3.3.6吸收边界条件问题

3.3.7理论模型数值试算

3.4强横向变速介质自适应多参考速度叠前偏移算子

3.4.1自适应横向变速参考速度的选择策略与方法

3.4.2波场外推算子与波场重构

3.4.3自适应多参考速度波场外推算子数值试验

3.5小结

第4章 单平方根方程叠前深度偏移应用

4.1概述

4.2探区概况

4.3 BS6地区实际资料处理

4.3.1地震数据预处理

4.3.2速度分析

4.3.3三维单平方根波动方程波场外推

4.4影响成像的因素分析与对策

4.4.1野外观测方式的影响

4.4.2偏移孔径的影响

4.4.3速度模型的影响

4.5成像结果对比分析

4.6小结

第5章 双平方根方程叠前深度偏移理论

5.1概述

5.2二维常速介质地震反射射线路径

5.3二维稳相原理与射线路径的关系

5.4三维稳相原理与几何含义

5.5变速介质双平方根叠前深度偏移算法

5.5.1全三维双平方根波场外推算子

5.5.2窄方位角叠前深度偏移

5.5.3自适应多参考速度双平方根方程广义屏算法

5.5.4三维盐丘模型数值实验

5.6小结

第6章 双平方根方程叠前深度偏移应用

6.1概述

6.2探区概况

6.3地震数据处理流程

6.3.1数据预处理

6.3.2速度分析

6.3.3并行计算

6.4处理效果分析比较

6.4.1数据规则化

6.4.2波场外推噪音压制

6.4.3速度模型修正

6.5结论

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果