波动方程叠前偏移与波形反演研究

论文摘要

本文就当前反射地震勘探的两个热点问题——波动方程叠前深度偏移与基于波动方程的全波形反演进行了多方面的探讨。深度偏移的核心是波场延拓算子的求取,我们编程实现了目前使用较多的几种算子:相移、相移插值、分步傅立叶、傅立叶有限差分以及广义屏算子。数值例子说明,这些算子均有各自的优点和局限,应该根据介质的特点选择成像精度与计算时间可接受的方法。共炮记录的偏移是最直观、易实现、精度高的叠前偏移技术,然而其计算量很大。近些年出现了旨在提高叠前偏移计算效率的多种非共炮记录的偏移方法。其中双平方根偏移基于沉降观测概念,将震源和记录同时向下延拓,计算迅速,而平面波偏移则先对震源和记录做平面波分解,再偏移叠加,是一种有效降低多次覆盖地震记录冗余性的好方法。这两种方法均可为速度分析等输出重要的共成像道集。为给叠前偏移实验提供必要的输入,我们基于惠更斯原理生成了共炮记录,与其它正演方法相比,该方法计算效率高、各种绕射波完整清晰、信噪比高,可以灵活的选择波场延拓算子,并且对观测系统有很好的适应能力,能够方便处理地表起伏时的记录正演问题。起伏地表的处理是困扰复杂地区成像质量的一个关键因素,本文借鉴Reshef“逐步—累加”的波场外推概念,在起伏地表上充填常速度,变不平坦地形为平坦地形,实现了共炮记录的生成和偏移,结果表明,我们的方法是处理复杂地表的简单有效策略。偏移是构造成像的基本手段,然而随着油气勘探的不断深入,人们越来越希望由地震资料获得更多的岩石物性信息,其中高精度的介质速度场亦是偏移成像必要的输入,所以,各种地震反演方法迅速发展起来。由于基于波动方程的波形反演方法直接采用微分方程模型,能够充分利用地震信息,可以得到更加精确可靠的反演结果,近些年成为国内外研究的热点。然而,传统的梯度法反演存在收敛速度慢、不易重建速度场低波数成分的严重缺点,而高斯—牛顿法的计算量又很大。我们采用近些年国外学者提出的将虚震源法与互易定理相结合计算雅可比矩阵的方法实现了高斯—牛顿法波形反演,并将结果与梯度法做了比较,深入认识了波场反演的规律。算例表明,采用这种方法计算雅可比矩阵进行高斯—牛顿法反演计算量显著减小,收敛速度快,对速度场的低波数成分重建迅速。我们认为,随着高性能计算机技术的发展,基于波动方程的全波形反演将为更精确的物性成像提供可行的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 选题的依据及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 波动方程叠前深度偏移研究现状
• 1.2.2 波形反演研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 偏移算子与叠后深度偏移
• 2.1 偏移原理及偏移算子的发展
• 2.2 五种傅氏域深度偏移算子
• 2.2.1 相移波场延拓算子
• 2.2.2 相移插值延拓算子
• 2.2.3 分步傅立叶延拓算子
• 2.2.4 稳定的Born近似广义屏延拓算子
• 2.2.5 傅立叶有限差分延拓算子
• 2.3 叠后深度偏移算例
• 第3章 波动方程叠前深度偏移
• 3.1 共炮记录的叠前正演及其深度偏移
• 3.2 非共炮记录叠前偏移方法
• 3.2.1 共炮检距剖面相移时间偏移
• 3.2.2 倾斜叠加偏移
• 3.2.3 双平方根算子偏移
• 3.2.4 平面波偏移
• 3.3 地表起伏条件下叠前共炮记录的正演与偏移
• 第4章 波形反演
• 4.1 反问题与线性化
• 4.2 三种基本反演方法
• 4.2.1 马奎特法
• 4.2.2 广义逆法
• 4.2.3 梯度法
• 4.3 波动方程波形反演
• 4.3.1 雅可比矩阵的计算
• 4.3.2 梯度的计算
• 4.4 数值算例
• 4.4.1 一维波形反演
• 4.4.2 二维波形反演
• 第5章 结论与建议
• 致谢
• 参考文献