基于一阶速度-胀缩-旋转方程的纵横波地震偏移角度域共成像点道集提取方法（英文）

角度域共成像点道集(angle-domain common-image gathers,ADCIGs)是多波AVA反演和偏移速度分析的基础数据。纵、横波坡印廷矢量的准确求取是获得多分量地震资料ADCIGs的前提。由常规速度-应力弹性波方程得到的坡印廷矢量代表了纵、横两种波的混合波场的传播方向,而非纯纵波或纯横波的传播方向。一阶速度-胀缩-旋转弹性波方程能够求取纯纵波或纯横波的坡印廷矢量,获得单一类型波的传播方向信息。本文基于一阶速度-胀缩-旋转弹性波方程逆时偏移实现纵、横波ADCIGs的求取,具体思路为:利用胀缩振动速度矢量和胀缩标量分别求取炮点和接收点波场中纯纵波的坡印廷矢量,利用剪切振动速度矢量和旋转矢量求取纯横波的坡印廷矢量,取炮点波场中各网格点纵波能量最大时刻的纵波坡印廷矢量为入射纵波传播方向矢量,取接收点波场中各网格点纵(横)波能量最大时刻的纵(横)波坡印廷矢量为反射纵波(反射转换横波)传播方向矢量,据此求取入射角并最终得到纵、横波角道集。模型试算表明:本文方法可以准确求取界面处入射波和反射波的传播方向矢量,得到地震波入射角,实现纵、横波角道集的高精度提取。     

叠前多级优化联合偏移速度建模

推导了基于角度域共成像点道集的叠前深度层析速度建模公式,提出了一种叠前多级优化联合偏移速度建模方法.通过基于共散射点(CSP)道集的叠前时间偏移速度分析获取初始速度,利用基于角度域共成像点道集(ADCIGs)的叠前深度层析速度反演进行速度更新建模.实现步骤可以概括为:首先,将叠前地震数据映射为CSP道集,利用CSP道集的叠加速度谱进行速度分析得到均方根速度场;其次,通过Dix公式将均方根速度场转换为层速度场,以此进行层析初始速度建模,基于ADCIGs实现叠前深度层析速度反演,最终得到高精度的叠前偏移速度场.断层模型和实际资料试算结果验证了该方法的正确性和有效性.     

基于高斯束传播算子的成像域走时层析成像方法

层析反演是速度建模中最重要的方法之一,结合偏移成像在成像域进行走时层析速度反演是当前比较成熟有效且广泛应用的技术.本文从高斯束偏移成像条件出发,在波动方程的一阶Born近似和Rytov近似下,推导了成像域走时扰动与速度扰动的线性关系,建立了成像域走时层析方程及其显式表达的层析核函数.该核函数的本质是有限频层析核函数,利用该核函数替换常规射线层析核函数可以明显提高层析反演精度.该核函数的计算关键是背景波场格林函数的计算,本文利用高斯束传播算子计算格林函数进而得到走时层析核函数,实现方式灵活高效且计算精度较高.基于高斯束传播算子的偏移成像与层析成像相结合进行深度域建模迭代,体现了速度建模与偏移成像一体化的思想.数值计算及实际数据应用证明了基于高斯束传播算子的成像域走时层析方法的有效性.     

基于矢量波场逆时偏移的保幅角道集提取方法（英文）

将偏移后的炮域偏移距道集转换为角度域共成像道集(ADCIGs)可为偏移速度分析(MVA)和叠前反演提供输入道集,并且ADCIGs是理论上没有假象的叠前反演道集,也是目前公认的精度最高的叠前反演道集。本文研究了基于矢量波场逆时偏移的弹性波保幅ADCIGs的提取方法,以保幅弹性波逆时偏移方程为基础,其核心是求取不同震源位置的纵、横波场在地下各成像点的入射角,对于转换波勘探,二者共享一个入射角,即震源纵波入射角。根据几何关系,震源纵波波场的传播角、构造的局部地层倾角之差为震源纵波入射角,震源纵波波场的传播角利用解耦后纵波场的极化向量得到,构造的局部地层倾角利用偏移叠加剖面的复波数得到。对纵、横波的共炮点偏移道集按入射角重新排列即可得到各自的ADCIGs。文中利用水平层状介质模型、倾斜层状介质模型、Marmousi-Ⅱ弹性波部分模型和实测资料验证了算法的有效性,计算结果表明,本文方法计算的纵、横波角度具有较高的精度,提取的角道集具有较好的振幅保真性,能够为MVA和叠前反演提供可靠的输入道集。     

基于射线追踪的成像域走时层析反演及其应用

层析成像是现今地震勘探开发处理中的常用手段,针对传统走时层析反演中角度覆盖问题,利用正则化约束加以解决,利用角道集的拾取拟合来判断实验模型的准确性,同时,不再利用原始炮记录拾取剩余时差,利用深度残差与走时残差的线性关系提高走时残差的拾取精度。以三层洼陷模型和实际资料进行试算,结果表明:本方法可以较好地反演更新偏移速度场,得到更精确的偏移成像结果,对于小尺度地质构造可以精细刻画。      

基于保幅波场分离的弹性波逆时偏移方法研究（英文）

欲实现基于弹性波方程的矢量波场逆时偏移纵、横波独立成像,必须在波场延拓过程中实现纵、横波场的分离,散度和旋度算子分离的纵、横波出现振幅与相位的畸变,导致输出成像结果的振幅失真。本文提出一种在弹性波场延拓过程中实现纵、横波保幅分离的方法,在传统的弹性波方程中加入纵波压力、纵波振动速度和横波振动速度方程,实现纵横波的矢量分解,再对分解后的矢量纵波和矢量横波做标量化合成得到保幅分离的纵、横波场,对保幅分离的纵、横波场应用成像条件,然后实现矢量波场逆时偏移的保幅纵横波成像。该方法可以保证分离后纵、横波的振幅与相位不变;同时,分解后的纵波压力和纵波振动速度可用于层间反射噪音压制和横波极性校正,提高多分量地震资料联合逆时偏移的纵、横波成像质量,从而实现保幅弹性波逆时偏移的目的,为叠前深度剖面应用于叠前反演工作奠定基础。     

基于Born波路径的高斯束初至波波形反演

为了提高表层速度反演精度,本文提出了一种新的波形反演方法.该方法只利用初至波波形信息以减少波形反演对初始模型的依赖性,降低反演多解性与稳定性.由于只利用初至波波形信息,所以该方法利用高斯束计算格林函数和正演波场,以减少正演计算量.为了避免庞大核函数的存储,该方法基于Born波路径,利用矩阵分解算法实现方向与步长的累加计算.将此基于Born波路径的初至波波形反演方法应用于理论模型实验,并与声波方程全波形反演和初至波射线走时层析方法相对比,发现该方法的反演效果略低于全波形反演方法,但明显优于传统初至波射线走时层析方法,而计算效率却与射线走时层析相当.同时,相对于全波形反演,本文方法对初始模型的依赖性也有所降低.     

基于声波测井资料的波动方程走时层析反演速度建模

地震勘探目标逐渐由浅层(<2000 m)转向中深层(2000～3500 m),高精度速度建模是实现精确地震成像的关键手段之一.目前,初至波或早至波速度层析建模方法已较为成熟,然而对深层速度建模更为重要的反射波层析建模方法依然面临走时拾取困难及计算量大等难题.针对当前中深层走时层析速度建模方法面临的难题,本文提出了一种基于声波测井资料的波动方程全波走时层析速度建模方法及策略.该方法首先通过早至波层析反演获得浅层及大尺度速度信息;其次,通过提取初次成像剖面的构造倾角信息,利用声波测井资料进行稀疏反演,进一步获得更高精度的速度模型;最后,以此为初始模型,进行全波层析反演获得最终偏移速度模型.数值结果表明,本文所提出的速度建模方法及策略不仅可以避免传统反射波层析建模方法因采用Born近似反偏移所带来的大计算量问题,且大幅提高了中深层速度建模的精度,进而能有效地提高中深层复杂构造区域的地震成像质量.     

VSP直达波和反射波波动方程走时联合反演

地面资料全波形反演采用低波数回折波敏感核和高波数偏移等时线恢复地下模型的长波长和短波长分量.当回折波的穿透深度有限时,很容易陷入局部极值.波动方程反射波走时反演采用反射波的透射敏感核更新速度模型.当浅层速度存在较大误差时,仍无法得到满意的反演结果.VSP资料中直达波是一种透射波,穿透深度大,可用于井旁背景速度场建模.本文发展了针对VSP观测方式的波动方程走时联合反演(直达波和反射波)方法.采用全局优化参数反演法实现VSP上下行波和纵横波分离,构建了基于下行直达波和上行反射波走时残差的混合目标函数,推导了相应的伴随状态方程和梯度公式,给出了背景速度和反射系数分步反演流程.理论和实际VSP资料应用表明：直达波和反射波走时联合反演可以得到运动学特征精确的速度模型,为后续全波形反演提供可靠的初始模型;联合反演比单独直达波/反射波走时反演的精度高,比直达波和反射波走时级联反演的耗时少.     

复杂地表变偏移距VSP角度域旅行时层析及叠前深度偏移（英文）

变偏移距VSP反射波射线路径是不对称、覆盖次数也不均匀,因此通常使用偏移速度分析、层析反演建立准确的2D、3D速度场,尤其角度域共成像道集最适合偏移速度分析,通常拾取其剩余曲率更新速度,建立准确的速度场。为了建立高精度速度模型,本文推导了VSP角度域共成像道集剩余深度与旅行时残差的关系,用最小二乘求解更新速度,建立了一个四参数层析反演方程,包括地层倾角、入射角、剩余深度、灵敏度矩阵等四个参数。在角度域中将反射波分解为上行、下行两个透射波计算其旅行时。采用"逐步-累加"方式进行复杂地表叠前深度偏移ωx。通过叠前深度偏移得到偏移距域共成像道集,拾取剩余深度;在叠加成像剖面上拾取层位获取地层倾角;利用Runge-Kutta射线追踪计算地层反射点到检波点的射线路径,确定入射角,再计算地层反射点到复杂地表的射线路径;将偏移距域剩余深度映射为角度域,建立层析方程并求解。经模型和塔里木盆地"双复杂"地区Walkaway VSP实测资料验证表明,推导的层析反演方程能建立较准确的速度模型,偏移算法能适应复杂地表。     

Wave-equation migration velocity analysis. I. Theory

We present a migration velocity analysis (MVA) method based on wavefield extrapolation. Similarly to conventional MVA, our method aims at iteratively improving the quality of the migrated image, as measured by the flatness of angle‐domain common‐image gathers (ADCIGs) over the aperture‐angle axis. However, instead of inverting the depth errors measured in ADCIGs using ray‐based tomography, we invert ‘image perturbations’ using a linearized wave‐equation operator. This operator relates perturbations of the migrated image to perturbations of the migration velocity. We use prestack Stolt residual migration to define the image perturbations that maximize the focusing and flatness of ADCIGs. Our linearized operator relates slowness perturbations to image perturbations, based on a truncation of the Born scattering series to the first‐order term. To avoid divergence of the inversion procedure when the velocity perturbations are too large for Born linearization of the wave equation, we do not invert directly the image perturbations obtained by residual migration, but a linearized version of the image perturbations. The linearized image perturbations are computed by a linearized prestack residual migration operator applied to the background image. We use numerical examples to illustrate how the backprojection of the linearized image perturbations, i.e. the gradient of our objective function, is well behaved, even in cases when backprojection of the original image perturbations would mislead the inversion and take it in the wrong direction. We demonstrate with simple synthetic examples that our method converges even when the initial velocity model is far from correct. In a companion paper, we illustrate the full potential of our method for estimating velocity anomalies under complex salt bodies.     

角度域弹性波Kirchhoff叠前深度偏移速度分析方法

为提高地震成像结果的准确性并真实反映实际地震波场在介质中的传播特性,应该充分利用多分量地震数据的矢量特征进行弹性波成像,其中,最为棘手的问题是纵横波偏移速度场的确定,为此,本文提出了直接利用多分量地震数据进行弹性波角度域偏移速度分析的方法.基于空移成像条件的弹性波Kirchhoff偏移方程提取了弹性波局部偏移距域共成像...     

Extraction of amplitude-preserving angle gathers based on vector wavefield reverse-time migration

Angle-domain common-image gathers (ADCIGs) transformed from the shotdomain common-offset gathers are input to migration velocity analysis (MVA) and prestack inversion. ADCIGs are non-illusion prestack inversion gathers, and thus, accurate. We studied the extraction of elastic-wave ADCIGs based on amplitude-preserving elastic-wave reversetime migration for calculating the incidence angle of P-and S-waves at each image point and for different source locations. The P-and S-waves share the same incident angle, namely the incident angle of the source P-waves. The angle of incidence of the source P-wavefield was the difference between the source P-wave propagation angle and the reflector dips. The propagation angle of the source P-waves was obtained from the polarization vector of the decomposed P-waves. The reflectors’ normal direction angle was obtained using the complex wavenumber of the stacked reverse-time migration (RTM) images. The ADCIGs of P-and S-waves were obtained by rearranging the common-shot migration gathers based on the incident angle. We used a horizontally layered model, the graben medium model, and part of the Marmousi-II elastic model and field data to test the proposed algorithm. The results suggested that the proposed method can efficiently extract the P-and S-wave ADCIGs of the elastic-wave reverse-time migration, the P-and S-wave incident angle, and the angle-gather amplitude fidelity, and improve the MVA and prestack inversion.     

一阶Rytov近似有限频走时层析

传统的波动方程走时核函数(或走时Fréchet导数)多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因此,本文基于Rytov近似和互相关时差测量方式,导出了基于Rytov近似的有限频走时敏感度核函数的两种等价形式:频率积分和时间积分表达式.在此基础之上,本文提出了一种隐式矩阵向量乘方法,可以直接计算Hessian矩阵或者核函数与向量的乘积,而无需显式计算和存储核函数及Hessian矩阵.基于隐式矩阵向量乘方法,本文利用共轭梯度法求解法方程实现了一种高效的Gauss-Newton反演算法求解走时层析反问题.与传统的敏感度核函数反演方法相比,本文方法在每次迭代过程中,无需显式计算和存储核函数,极大降低了存储需求.与基于Born近似的伴随状态方法走时层析相比,本文方法具有准二阶的收敛速度,且适用范围更广.数值试验证明了本文方法的有效性.     

波动方程叠前深度偏移直接产生角道集

基于单程波深度延拓算法,得到震源波场在成像点的入射角度,结合对地层倾角的估计,获得入射地震波与界面法线的夹角.通过运用"保幅"的反褶积成像条件和考虑累加的炮数,解决了炮点覆盖不均匀导致的成像幅值误差问题,进而建议了炮域波动方程叠前深度偏移直接产生角道集的方法和流程.与基于空间移动或时移成像条件的波动方程叠前深度偏移提取角道集的方法相比,本文建议的方法只需少量额外的存储空间,又可补偿观测系统非均匀覆盖对成像幅值的影响;其增加的计算量与炮域偏移算法相比几乎可以忽略.文中算例表明,本文方法提取的角道集可为叠前反演提供较精确的AVO振幅特性.此外,就改善地震成像效果本身而言,提取角道集使得可在波动方程叠前深度偏移中应用剩余动校和拉伸切除技术,从而可更好地保持高频成分并提高成像的信噪比.     

数据域特征波反射走时反演

地震波的运动学信息(走时、斜率等)通常用于宏观速度建模.针对走时反演方法,一个基本问题是走时拾取或反射时差的估计.对于成像域反演方法,可以通过成像道集的剩余深度差近似计算反射波时差.在数据域中,反射地震观测数据是有限频带信号,如果不能准确地确定子波的起跳时间,难以精确地确定反射波的到达时间.另一方面,如果缺乏关于模型的先验信息,则很难精确测量自地下同一个反射界面的观测数据同相轴和模拟数据同相轴之间的时差.针对走时定义及时差测量问题,首先从叠前地震数据的稀疏表达出发,利用特征波场分解方法,提取反射子波并估计局部平面波的入射和出射射线参数.进一步,为了实现自动和稳定的走时拾取,用震相的包络极值对应的时间定义反射波的到达时,实现了立体数据中间的自动生成.理论上讲,利用包络极值定义的走时大于真实的反射波走时,除非观测信号具有无限带宽(即delta脉冲).然而,走时反演的目的是估计中-大尺度的背景速度结构,因此走时误差导致的速度误差仍然在可以接受的误差范围内.利用局部化传播算子及特征波聚焦成像条件将特征波数据直接投影到地下虚拟反射点,提出了一种新的反射时差估计方法.既避免了周期跳跃现象以及串层等可能性,又消除了振幅因素对时差测量的影响.最后,在上述工作基础之上,提出了一种基于特征波场分解的新型全自动反射走时反演方法(CWRTI).通过对泛函梯度的线性化近似,并用全变差正则化方法提取梯度的低波数部分,实现了背景速度迭代反演.在理论上,无需长偏移距观测数据或低频信息、对初始模型依赖性低且计算效率高,可以为后续的全波形反演提供可靠的初始速度模型.理论和实际资料的测试结果证明了本文方法的有效性.     

Tomographic velocity inversion for ADCIGs in areas with a rugged surface

Pre-stack depth migration velocity analysis is one of the key techniques influencing image quality. As for areas with a rugged surface and complex subsurface, conventional prestack depth migration velocity analysis corrects the rugged surface to a known datum or designed surface velocity model on which to perform migration and update the velocity. We propose a rugged surface tomographic velocity inversion method based on angle-domain common image gathers by which the velocity field can be updated directly from the rugged surface without static correction for pre-stack data and improve inversion precision and efficiency. First, we introduce a method to acquire angle-domain common image gathers (ADCIGs) in rugged surface areas and then perform rugged surface tomographic velocity inversion. Tests with model and field data prove the method to be correct and effective.     

A method of directly extracting multiwave angle-domain common-image gathers

Angle-domain common-image gathers (ADCIGs) can provide an effective way for migration velocity analysis and amplitude versus angle analysis in oil–gas seismic exploration. On the basis of multi-component Gaussian beam prestack depth migration (GB-PSDM), an alternative method of directly extracting multiwave ADCIGs is presented in this paper. We first introduce multi-component GB-PSDM, where a wavefield separation is proceeded to obtain the separated PP- and PS-wave seismic records before migration imaging for multiwave seismic data. Then, the principle of extracting PP- and PS-ADCIGs using GB-PSDM is presented. The propagation angle can be obtained using the real-value travel time of Gaussian beam in the course of GB-PSDM, which can be used to calculate the incidence and reflection angles. Two kinds of ADCIGs can be extracted for the PS-wave, one of which is P-wave incidence ADCIGs and the other one is S-wave reflection ADCIGs. In this paper, we use the incident angle to plot the ADCIGs for both PP- and PS-waves. Finally, tests of synthetic examples show that the method introduced here is accurate and effective.