基于波场外推的高精度积分法成像方法研究

摘要

Kirchhoff积分法叠前深度偏移的核心是复杂介质情况下的地震波旅行时计算，旅行时算法的效率和精度决定了成像方法的应用范围及效果。虽然基于射线追踪和程函方程差分解计算旅行时的常规积分偏移成像方法计算效率高，而且在许多实际地质情况下取得了良好的偏移成像效果。但是在复杂地质情况下，地震波初至的旅行时与携带主要能量的地震波到达时并不一致，此时用地震波初至的旅行时来完成地震成像就得不到精确的图像。另外，基于程函方程的旅行时计算方法仅适用于地震波长比目标体尺度小很多的情况。在速度场很复杂时，由于焦散区和阴影区的出现，射线追踪得到的旅行时场会存在大小不一的空白区，此时利用插值方法也不能很好地解决问题。针对常规积分方法存在的上述问题，本论文把Nichols(1996)提出二维最大能量格林函数计算方法推广到三维，提出了基于波场外推的最大能量积分成像方法。该方法的实现基于波动方程而不是程函方程，使用在地震波的有效频率范围内计算出的携带最大能量地震波旅行时完成积分成像，在理论和实际应用上都优于基于高频近似的地震波初至的常规kirchhoff积分偏移算法。论文的创新点主要是通过对最大能量积分成像方法所涉及的关键技术进行了深入研究，解决了一系列技术难题，设计了相应算法和成像计算流程，并编制相应软件。使用这套软件，对理论与实际数据的处理，均取得很好的成像效果。主要研究成果和技术创新如下：1、考虑到球坐标系下描述的地震波传播具有物理因果性的优点，选择在球坐标系下解波动方程模拟地震波的传播过程，并推导出三维波动方程的Helmholtz形式在球坐标系下用因式分解法求解的差分表达式。2、在波场外推过程中存在边界反射问题，使用共轭梯度法推导出波场外推的吸收边界条件公式；因为球坐标系的网格呈放射状，为保持差分网格的稳定性，提出自适应变化差分网格计算技术，实现差分网格自动随半径增加逐步变细，保证有限差分的计算精度。3、为提高旅行时计算效率，选择稀疏频率采样间隔下进行波场外推计算，利用地震波传播具有物理因果性的特点，合理地避免了时间假频对成像结果的影响；在时间域使用二次多项式拟合地震波格林函数能量谱，并使用牛顿叠代法检测出最大能量到达的时间；基于坐标系之间的空间拓扑关系，提出一种快速精确的三维球坐标系和直角坐标系之间的数据转换算法，该算法可以方便地推广到多值旅行时计算的内插和数据转换。4、在实现最大能量积分法偏移中，用格林函数的共轭转置算子描述地震波的逆时间传播，推导出基于数值格林函数计算的积分成像公式；设计的振幅加权因子，能够在求和过程中校正地震波振幅的空间变化关系。5、针对分布式微机群并行系统特点，设计出高效实用的动态负载平衡三维迭前深度偏移并行算法；使用合理的I/O优化策略，采用计算时间屏蔽I/O和通信时间，解决了影响微机群计算效率的I/O瓶颈问题，并获得理想的并行效率。本方法能够适应任意复杂三维介质，不需要对速度场进行任何平滑，没有角度限制和计算盲区。本方法在充分发挥积分法适应观测系统、计算量小、成像灵活等优点的前提下，能够完成和波动方程偏移质量相近的成像效果。根据论文的研究成果，研制了一系列具有自主知识产权的积分法偏移计算模块．这些模块均已集成到中石化的STseis地震成像软件系统中。使用这些模块对SEG/EAGE盐丘理论模型的成功成像，检验了方法的正确性、有效性和软件的稳定性。对具有埕南高陡倾角断层和复杂古潜山内幕的渤深6三维实际资料进行的叠前深度偏移成像处理，获得的地质效果明显优于物探研究院引进的国外同类软件的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1地震波成像方法概述

1.2论文选题背景

1.3论文的研究思路、主要内容、主要创新点

1.4国内外研究现状

第二章复杂介质中格林函数的计算

2.1引言

2.2极坐标系下二维单程波方程及求解

2.3极坐标系下对MARMOUSI介质计算的脉冲响应

2.4直角坐标系下吸收边界条件

2.5极坐标系下吸收边界条件

2.6球坐标系下三维单程波方程及求解

2.7小结

笫三章最大能量地震波旅行时的计算

3.1三参数模型

3.2格林函数的计算

3.3计算最大能量的地震波旅行时

3.4和其它旅行时方法的对比

3.5坐标系之间数据转换

3.6小结

第四章Kirchhoff积分法地震成像方法研究

4.1基本概念

4.2 Kirchhoff积分成像公式

4.3基于点散射理论的Kirchhoff积分成像

4.4 Kirchhoff积分偏移实用中的问题

4.5基于动态负载平衡的三维叠前深度偏移并行算法

4.6小结

第五章对理论模型和实际资料的KIRCHHOFF积分法成像

5.1引言

5.2二维MARMOUSI理论模型的测试结果

5.3三维SEG／EAGE模型的测试结果

5.4神通地震成像软件系统简介

5.5对渤深6三维探区实际资料的高精度成像

5.6小结

第六章结论与展望

致谢

参考文献

个人简历攻读博士学位期间公开发表的论文