伴随油气勘探工作的持续开展,勘探目标已从常规油气藏转变为非常规油气藏,常规地面地震观测系统存在垂直分辨率不足、信噪比较低等问题,VSP(Vertical Seismic Profiling)地震数据具有高分辨率及高信噪比等特点。由于VSP观测系统的特殊性,VSP数据对地下构造横向覆盖不均匀且覆盖次数较低,其逆时偏移(RTM,Reverse Time Migration)结果中常常存在偏移画弧现象,这会影响解释精度,严重时甚至会“淹没”有效反射波。本文针对VSP数据正演模拟、逆时偏移成像、波场分离、偏移孔径预测四个方面展开研究。首先,应用常规网格格式、旋转网格格式有限差分算法对二维常密度声波波动方程进行离散,应用完全匹配层(PML,Perfectly Matched Layer)吸收边界条件衰减波场边界反射,完成了地震波场的正演模拟;其次,针对逆时偏移过程中内存占用大、计算效率低等问题进行改进,应用有效边界条件、随机边界条件对逆时偏移算法进行优化,降低了内存占用量,应用GPU加速技术提高了计算速度;再次,针对互相关成像过程中产生的低频噪声,应用希尔伯特(Hilbert)变换方法分离上下行波波场,建立了水平层状速度模型,验证了波场分离方法的有效性;最后,提出了水平地层假设法和射线追踪法两种偏移孔径的预测方法,应用实际偏移速度场分别验证了二者对偏移画弧现象的压制效果,结果表明,两种方法均能有效改善偏移画弧现象,提高了VSP数据井周成像精度。综合分析表明,本文研究内容能够进一步提高VSP数据逆时偏移成像精度,改进VSP数据逆时偏移算法对于实现井周深层构造高精度成像具有深远的研究意义和广阔的应用前景。