基于透射波梯度预处理的三维海上地震数据包络与全波形联合反演

The lack of practical and high-precision gradient precondition algorithms, the difficulty to obtain an initial model and the low computational efficiency are the main obstacles of the application of the time-domain full waveform inversion (FWI) for the 3D real marine seismic data. According to the problems above, Firstly, this project studies the mathematical mechanism of the gradient precondition method based on the high-precision transmission wave-field stimulated by the non-reflecting wave equation, and then applies the combined inversion strategy of seismic envelope and full waveform based on the gradient precondition method, which will overcome the problem of “cycle skipping” effectively and improve the accuracy and the rate of convergence of FWI of 3D real marine seismic data significantly. Furthermore, on the basis of the sufficient optimization of some related technology links such as the management mode of process and thread of the Graphic Processing Unit (GPU), the task allocation, the memory configuration, the CUDA stream and so on, a highly efficient acceleration of the inversion algorithm using GPU cluster will be achieved. Then combining with the strategies of grouping and shots sampling, the problem of low computational efficiency of time-domain FWI of 3D field marine seismic data will be solved significantly. Finally, a set of method of time-domain FWI of 3D marine seismic data with high efficiency and high accuracy will be established, which may provide a technical support for offshore oil and gas exploration.

实用且高精度的梯度预处理算法的缺少、初始模型获取困难以及计算效率低下是时间域全波形反演方法难以应用于实际三维海上地震数据的主要原因。针对上述问题，本课题首先在应用无反射声波方程模拟得到高精度透射波场的基础上，深入研究基于透射波场信息的梯度预处理方法，然后应用基于透射波场梯度预处理的地震包络与全波形联合反演策略，有效克服全波形反演中的“周期跳跃”问题，显著提高三维海上数据全波形反演的精度和收敛效率。此外，本课题通过对GPU进程/线程管理模式、任务分配、内存配置、CUDA流技术等相关技术环节的充分优化，实现反演算法的GPU集群高效加速，同时结合分组炮采样策略以有效解决海上三维地震数据时间域全波形反演的低计算效率问题，最终形成一套高效高精度的海上地震数据时间域全波形反演方法，以期为海上油气资源的勘探提供实用性的方法和技术支撑。

全波形反演技术具备精细刻画地下地质体速度结构的潜力，但其由于存在初始模型建立困难、计算效率低下以及深层反演精度低等问题难以在实际生产中得到广泛应用。本项目针对当前制约三维海上实际地震数据时间域全波形反演的关键问题开展研究，提出了一种余弦型的优化加权混合方式，同时推导了一种适合于GPU加速的二阶Higdon吸收边界条件及其角点方程的差分格式，最终实现了一种适合于GPU加速的二阶Higdon余弦型加权混合吸收边界，其可显著提升边界反射吸收效果并可有效提高GPU加速比，为三维地震全波形反演中大规模波场延拓的高效计算奠定了基础；提出并实现了一种基于同相轴优化追踪技术的多次波剔除与扩展维纳滤波相结合的组合自适应衰减方法，可实现复杂多次波的有效剔除，从而可为全波形反演提供高质量的地震数据；在深度解析基于透射波场梯度预处理方法的数学机制的基础上，推导了基于透射波场梯度预处理的计算公式，并在引入无反射声波方程波场延拓的基础上实现了基于透射波场梯度预处理的全波形反演，显著提高了速度模型的深层反演精度；在系统分析地震包络反演特性的基础上，以包络反演得到的长波长背景速度模型作为常规全波形反演的初始速度模型，实现了地震包络和全波形联合反演；提出了一种基于随机炮分配的相位编码时间域全波形反演策略，其可在GPU和相位编码技术的共同加速下，大幅度提升时间域全波形反演的计算效率，同时能更有效地压制炮间串扰噪声，进一步提升全波形反演的精度和收敛效率。.综合以上研究成果，项目组形成了一套适应于三维海上地震数据时间域全波形反演的高效高精度理论方法及实用技术，并基于所研发的时间域地震全波形反演软件系统，成功实现了我国东海和南海等海域的地下地质构造精细速度模型构建。反演所得的速度模型的精度和分辨率均明显优于常规算法所得的速度模型，有力地推动了东海、南海等海域的油气勘探进展，显示出项目组所研发的全波形反演系列技术在实际生产中具有良好的应用前景，其在实际生产中的深入推广对于我国的油气勘探事业具有重要的意义。

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