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地震成像现状存在问题及发展趋势

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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地震成像技术的发展现状存在问题及发展趋势(杜炳毅 地球探测与信息技术 着地震勘探难度的逐渐的增加和油气藏复杂性的增加,油气勘探开发对地震勘探精度的要求越来越高。为了实现高精度的地震资料在油气勘探中的应用,近年来地震方法和技术重点发展了两个方向:一是地震成像技术,二是开发地震技术。地震成像技术发展现状地震成像是现代地震勘探数据处理中的重要组成部分,分为叠加成像和偏移成像。随着油气勘探难度的增加,地震成像技术得到了迅速的发展,并且成为高精度地震勘探数据处理的关键技术。地震偏移成像可以分为地震叠后偏移方法和地震叠前偏移方法。叠后偏移是在共中心点叠加数据上进行零炮检距偏移,主要有叠后时间偏移和叠后深度偏移,叠后时间偏移主要包括射线偏移和波动方程偏移。而叠后深度偏移可以有效的结果构造不太复杂,横向速度变化比较大的地质体的地震成像问题,并且能够提高地震成像的计算效率,常用的叠后深度偏移有 分法,分步傅里叶法,有限差分法以及逆时偏(。叠前偏移是把共炮点道集记录或者共偏移距道集记录中的反射波归位到产生他的反射界面上,并使绕射波收敛到产生它的的绕射点上。也分为叠前时间偏移和叠前深度偏移。叠前时间偏移是基于绕射叠加或者 射波成像原则,是一种成像射线,能够解决叠后时间偏移存在的问题,叠前时间偏移的方法主要有 动方程法叠前时间偏移(包括平面波分解法叠前时间偏移和 法叠前时间偏移) ;叠前深度偏移方法可以分为两类:第一类是基于射线理论的叠前深度偏移方法,另一类是基于波动方程理论的叠前深度偏移方法。射线法叠前深度偏移方法主要有 分法叠前深度偏移,高斯波束叠前深度偏移;波动方程叠前深度偏移主要有 有限差分叠前深度偏移,波动方程叠前深度偏移,限差分(波动方程叠前深度偏移,广义屏近似波动方程叠前深度偏移,基于双平方根方程的波动方程的叠前深度偏移,基于波动方程的真振幅偏移,逆时叠前深度偏移。地震偏移是一种将地震信息进行重排的反演运算,以便使地震波能量归位到其空间的真实位置,获取地下真实构造图像。除了深度域构造成像外,地震偏移还为其它特殊处理提供振幅、相位等信息,用于速度估计和属性分析,建立在波动方程基础上的地震偏移成像技术代表了地震处理的极致。地震偏移最初是在水平迭加基础上进行的,目的是使倾斜界面共深度映像聚焦,使绕射波归位,将共深度点剖面看作一系列绕射点组成的源反射,可用计算机实现对这些绕射点的偏移,即建立在射线理论基础上的绕射扫描迭加方法以及后来的纪70 年代初美国斯坦福大学以 J. F. 首的究小组第一个对标量波动方程提出了有限差分近似解法, 分法、F - K 方法及其各种变形等方法广泛应用爆炸反射面模型(et ,1976)而波动方程偏移一方面可以解决复杂介质条件下成像问题,另一方面保持了波场的动力学特征。地震偏移各种方法最初是作为时间偏移方法出现的, 目的是满足二维时间叠加剖面成图需要,后来为满足横向变速情况下成像精度需要, 发展了深度偏移方法(977,981)。近20 年来, 偏移方法又发展到了三维和叠前偏移, 三维叠前深度偏移代表地震偏移的发展水平. 当今各种各样的偏移技术方法极为丰富, 如时间偏移、深度偏移、二维、三维、迭前、迭后; 如使用共炮集、共方位角道集、考虑如此复杂而庞大的内容, 本文只对波动方程地震偏移中核心算法。波场延拓和成像的现状与进展进行阐述, 照算法实现的原理可以分为两大类: 基于射线理论的偏移方法和基于波场延拓的偏移方法 [10]。基于射线的分类方法, 依靠射线追踪获得成像所需的旅行时,不受反射界面顷角限制, 计算效率高,灵活,但在复杂地质条件下,多值走时使射线追踪难于获得正确旅行时,有限差分法、法等,物理概念清晰,自然解决了多值走时问题,立在波动方程基础上的分方法与波场外推的限差分方法数理基础相同。已证明在常速介质中分方法与有限差分方法使用波动方程的各种近似,其波场外推公式除相位精度外,形式与前两者基本相同,于波场反向外推的实现算法不同,1 分类偏移方法分法波动方程偏移建立在波动方程分解[ 11] 的基础上, 把分中的格林函数用它的高频渐进解( 即射线理论解) 后按照相应的走时从地震记录中拾取子波并进行叠加,如果对所有的路径计算出的走时都正确,对所有记录数据的叠加结果会在某些部位产生相对较大的值, 这些值给出地下界面( 即反射体位置)。1978)建立了1987) 将分公式是严格的波动方程分解, 但它的实现是利用波动方程的零阶高频渐近近似(射线方程),这种近似只有在t 时刻的圆频率￿ 较大时才合理,因而源点或接收点的几个波长以内的绕射点不能正确成像,复杂介质中,由于速度不均匀和高频近似,绕射点与源点和接收点之间的传播距离要远大于几个波长,这种大距离反向外推波场,就存在多重路径问题,造成旅行时求取困难,近年来人们不断改进旅行时求取方法et 1997) 对这些方法进行了总结和对比。由分法成像时对绕射面扫描到的数据,没有考虑频率成份, 绕射面较陡部分在它扫过未偏移数据平坦部分时,将对地震子波进行重采样,1992)和(1994) 提出减少绕射面段陡部分扫描到子波频率成份,克服了这个问题。归纳起来, 1) 分辨率随着深度的增加而变差,从而导致对深部结构分辨率降低,这一现象源于利用射线解近似格林函数时对菲涅尔带的影响;(2)成像信息中缺乏正确的振幅信息,这一现象源于射线近似在复杂介质中存在焦散、时提高1990, 2001)提出了高斯束偏移方法。该方法将源点和接收点的波场局部分解为“束”样能量可以通过多个路径在像点位置与源点和接收点之间旅行,解决了多路径问题997)984)但只对二维实用。于波场延拓的波动方程偏移方法分偏移采用地表所有记录数据单一整体空间褶积计算每一个点的像,并且地表位置与像点位置之间通常只采用一个路径, 基于波场外推的波动方程偏移方法递推地从前一个深度 的波场计波场, 自然考虑到每个深度可能的绕射点与每个源点Z或接收点的多重路径,因而可以在较为复杂介质条件精确成像。随着偏移技术的发展,波场外推偏移成像从最早单一的T - 展为诸如 域、小波变换域等多种域实现偏移P有限差分法, 逆时偏移方法;或波数域有限差分方法( 限差分法波动方程偏移是最早提出的一种波场延拓波动方程偏移方法。这种方法直接对动方程进行坐标变换并略去二阶导数项, 得到变换后的简化的波动方程,然后再利用有限差分方法求解波动方程, 地面下延拓至反,0x’, z’)时,波场函数P( x’, z’, t’)的旅行时t#为波从震源到反射点Q ( x’,z’)的下行传播时间 [23] 18] :①由于空间离散化造成的数值频散, 导致不同频率的波以不同的速度传播,从而造成成像的误差和人为假象; ②由于矩形网格划分导致的三维数值各向异性,可分为隐格式和显格式两大类. 隐格式求解困难, 但精度高,对倾角较大情况偏移效果好. 隐格式有限差分偏移自971) 提出15°有限差分偏移以来得到充分发展,马在田( 1982)和张关泉( 1986)分别提出高阶方程降阶方法, 有效地解决了隐式有限差分方法难以高角度成像问题, 但是没有考虑到降低计算量的问题 [ 35, 37] 27] 速,但精度较低, 26],1999)在二维情况下有效解决了该算法的稳定性 [ 2],2] 换到波数域,可进一步得到近似方程,其是F - 分偏移方法在偏移孔径处理上存在显著差异 [ 2] 。果需要较大孔径,这个孔径必须作为一部分包含在整个计算内,换句话说即使记录地表这些道位置处没有能量,三维叠前深度偏移中, 难于经济适用。1. 2. 2 逆时偏移( 时偏移也是一种应用有限差分求解波动方程实现波场延拓的方法,它不是深度域外推,而是进行时间外推,求解双程波声波或弹性波方程, 精度较高. 它的计算方法正好与地震正演模拟的计算顺序相反,以最大时间开始向最小时间计算。et 1983)和1983) 给出这种方法的详细内容并描述了高精度全倾角成像能力 [ 24, 25] 。之后许多学者提出了不同的差分格式,不同计算方法实现逆时偏移方法, 如双线性变换逆时偏移 [ 27] ( 李志明 , 1991) 。逆时偏移法完全遵循全波波动方程,是最为精确的方法,但同有限差分模拟一样,存在稳定性和数值频散问题,同时计算量非常大。于单程波方程的偏移方法从理论上讲,波场延拓应该用波动方程的边值问题来解决,但由于地面上的观测范围有限,这种边值问题是不稳定的,为此,就是零炮检距剖面偏移)通过炮点波场和接收点波场向下延拓实现的。在叠后偏移中的成像运算是取零时刻的波场值。炮集叠前深度偏移的成像运算是炮点波场与接收点波场做互相关。基于单程波方程的方法有和相移加插值法( 域交替的裂步域与域广义相位(法.(1) 移算法 [28]1978) 提出的K x , t , z = 0)的谱p(w,z = 0) 一步求出偏移剖面p ( x , t= 0, z ) 的谱 p(( t= 0, ,率高,能适应横向变速, 是一个时间偏移方法。(2) 相移法( 和相加插值算法( [29 1978)提出相位移方法.( 3)频散,但由于在中延拓,x )关系无法确定, 984)提出相移加插值算法克服这个问题,在每一个深度用多个不变的参考速度计算几个外推波场,再变换到正波场根据V( x )物理本质意义,计算量较大,且不能完全改善对横向变速的适应.(3) 裂步法( [32,33]针对相移法不能适应横向变速情况,et 990)速度场分为背景速度和扰动项之和,推导出波场延拓公式,交替在似于相移加插值思想,1992)将多参考速度对数(入两参考速度之间重叠区进行插值,但增加了较大计算量.(4) [34—37]也是针对(3)式不能处理横向变速,想办法将其变换到985)可以改善倾角限制。马在田( 1982) 提出的平方根算子连分式展开, 将高阶近似方程分裂为多个低阶方程,在而进一步解决了大倾角有限差分偏移问题.( 5)[38,39]et 994)et 1990) 的法进行一般化并进行改善,以适应剧烈横向变速. 该方法将速度分裂为常速的背景场和横向变化速度场,数法,首先将问题变换到频率域,然后利用快速空间域和波数域之间往返转换,实现双域操作。波的自由传播是在波数域通过一个具有某种参考速度的均匀介质进行的,参考速度可以纵向变化;算量比时间 6) 广义屏方法([40义屏方法(一个结合双域操作得混合算法,是基于散射理论和43],另一途径是基于径积分[44]相应给出这些算子的命名,如拟屏传播算子(复屏传播算子(加窗传播算子(高阶广义屏传播算子(这些算子在实际应用中得到很大得发展,裂步方法和相移加插值方法都没有什么限制,们探索了两个方向,一个是绕开出快速实现的显格式短算子;另一个是探索矩阵求逆的快速算法设法实现三维在短算子构造方面张剑峰提出一种优化方法 [45],可以较快构造出二维短算子,然后引入6]的方法,把多维数据体看成一维数据体,引入螺旋坐标系使得拉普拉斯算子的矩阵表述具有良好性质,采用谱因式分解方法可以比较快地求出矩阵的三角和上三角)分解, 39] 基于波场延拓的波动方程偏移方法的结合有学者结合射线追踪和有限差分各自的优点提出射线+ 有限差分偏移方法 [47]。该方法利用射线追踪速度快的优点,替代炮记录上波动方程偏移中源子波的正向传播过程,确定地震子波在各个时刻的位置,二维偏移到三维偏移,从时间偏移到深度偏移,造稳定、快速、精确算法的同时,立叶变换)的波场延拓算子进行分析同时,数学和物理领域新兴的理论和工具为波动方程偏移提供了新的思路和方法,如前文提到的高斯束方法,以及小波分析和现代群论逐渐被应用于地震波场研究中,1 相空间小波分析地震波场偏移成像的步进算法 [48究波传播与成像的常用方法是利用特定的基函数( 如波,数)变换后的基函数所满足的方程是否易解,这种展开为有效表示,例如求均匀介质中的场对u(x ,z)对x 做开, 这时在变换域u)(,z)满足的方程易于求解 . 但是在非均匀介质中,u)( kx,z)所满足的方程与u( x , z ) - 短时、小波变换(近年来发展起来的数学分析方法,由于其基函数具有时空局部化特性,993)在频率用短时通过对非均匀介质作部分均匀近似的途径,推导出相空间地震波传播算子,给出步进算法,993)000)对出基于将这种算法用于地震成像,000)将非均匀介质分解为局部背景介质和局部扰动介质,推导出了离散表示的局部化传播算子,将波场分解为一个紧标架(架)或局部余弦基的表示,丘模型成像,根源上解决非均匀介质波传播和成像问题,2 哈密顿体系下地震波场延拓的辛群算法和李群算法 [54地震波传播理论和偏移成像研究中,应用辛群和李群算法是中国科学院地质与地球物理研究所以刘洪为首的研究小组探索的一个方向, 获得了比较准确、格朗体系与哈密顿体系是力学的三个等价的体系. 牛顿体系将运动表示为二阶微分方程;拉格朗体系将力学体系表示为一个变分极值问题; 哈密顿体系则给出在相空间(位置和动量) 的一阶微分方程并指出相空间物体运动满足辛几何. 当将它们表示成数值算法时,计算过程和结果是不等价的, 有限差分方法是牛顿力学体系表述下的算法, 有限元是拉格朗日体系表述下的算法, 欧氏几何是长度不变. 冯康院士在研究拉格朗日体系后 ,独立地发现了有限元方法冯康又进一步发现, 当把连续的在一种离散化方法,可以得到离散的 统,这种系统的运动方程满足辛几何性质, 这种离散化的方法, )式中平方根算子的不同处理方法是波动方程偏移不同算法的基本原理. 对于横向均匀介质在 e 指数进行准确计算, 为处理横向变速介质, 将其表示成一个辛算子与一个窗算子的乘积, 用辛几何方法改进辛算子数值计算精度,用短算子非平稳滤波来加快窗算子计算. 已有方法 (如导致了一种新方法, 称为二阶辛几何方法(2001)。 辛算法对单程波方程算子中平方根算子和e 指数提出了高阶辛同其它非辛方法相比提高了成像精度,而且比低了频散,适应横向变速,具有保幅特点. 用短算子非平稳滤波来加快窗算子计算,能够根据速度的变化最佳切除消逝区干扰波,001)提出一种优化方法,可以较快构造出二维短算子,然后进行一个二维到三维的001)将二阶辛几何方法用分裂法推广到维,并用法国石油研究院三维型)作了检验。进一步研究表明,单程波方程波场随深度延拓过程,群是对称的李群,辛几何算法是李群算法的一种,场传播矩阵算法的递推关系、多项式的分解皆与李代数密切相关,小波函数的构造就是一种李群表达, 1 保幅偏移算法研究由于偏移成像结果要用于属性分析,速度估计及岩石物性研究,群等保结构算法,有待深入研究,推进实用化。3. 2 速度估计、速度模型建叠前深度偏移成像要求准确的层速度模型,这三者将在迭代的偏移过程中相互结合,3 弹性波(或转换波)波动偏移方法研究弹性波方程同声波方程相比,更有普遍性,在缝等勘探需要,对转换波、分量或多分量)造遵循波场传播规律的保持真幅度的稳定、精确、入现代调和分析和现代群理论的研究成果以及其他学科的相关工具,必将为地震波传播与成像提供新的思路,从本质上较为深刻地解决偏移成像的关键问题。
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