TTI介质qP波伪谱法正演模拟

基于Tsvankin的VTI介质qP波精确相速度公式,利用坐标变换的方法,导出了三维空间TTI介质qP波的精确相速度公式;结合Thomsen的弱各向异性假设以及泰勒展开式,简化了三维TTI介质qP波的精确相速度公式,建立了近似相速度公式;TTI模型的计算结果表明,近似相速度公式能较好地逼近精确相速度公式。从近似相速度公式出发,推导了三维qP波的频散关系以及时间-波数域波动方程,构建了纯qP波时间-波数域波场递推格式,分析了递推公式的稳定性条件。最后,基于伪谱法对三维均匀（VTI、TTI）模型、Hess VTI模型以及BP 2007 TTI模型进行qP波正演模拟。结果表明,利用所提方法得到的波场快照没有伪横波干扰,波场计算结果稳定。     

三维TTI介质中的弹性波场分解

根据三维TTI介质倾斜对称轴与观测坐标系之间的几何关系,经坐标旋转,可以将其近似看成三维VTI介质,故适用于VTI介质的波场分解方法就可以应用于TTI介质。为此,从三维各向异性弹性波动方程出发,通过求解Christoffel方程的特征向量,构建了三维VTI介质的波场分解算子;再利用坐标旋转推导了三维TTI介质的波场分解算子;最后通过泊松方程实现三维TTI介质的弹性波场分解。引入改进的快速算法,避免了直接求解泊松方程。推导的分解算子考虑了随空间变化的弹性参数和倾斜对称轴,可适用于复杂的三维TTI介质模型。当各向异性参数以及对称轴倾角都为零时,该算子可以退化为各向同性的形式。数值计算结果表明,该TTI介质波场分解算子比各向同性或VTI介质算子能得到更精确的分离结果,可高效实现三维各向异性矢量弹性波场分解。     

TTI介质相速度对弹性模量参数的敏感性研究

速度敏感函数是相(群)速度对各向异性介质参数的偏微分表达式,它是各向异性介质走时扰动方程的重要组成成分,所以具有重要的研究价值。由于群速度是相速度的函数,所以利用相速度偏微分表达速度敏感函数更加简便。参考前人基于VTI介质模型的速度敏感函数计算方法,推导出了基于TTI介质模型以相速度偏微分表达的速度敏感函数计算方法,并对VTI介质和TTI介质的qP波、qSV波和qSH波分别模拟计算了速度敏感函数。对速度敏感函数的特性分析结果表明,不同弹性参数的速度敏感性不同,同一弹性参数不同观测角度的速度敏感性也不同,VTI介质的速度敏感函数存在对称性,而TTI介质的速度敏感函数相对复杂得多。最后利用TI介质反射波非线性走时反演算法对层间块状异常体模型进行了走时反演,反演结果验证了速度敏感函数计算方法的正确性,也证实了速度敏感函数对反演结果具有预测和指示作用。     

三维TTI介质波动方程分解

 波动方程分解是指从弹性波方程中分解出描述各种波场独立传播的波动方程。在各向异性介质中,由于纵波、横波是耦合在一起传播的,所以通常不具备解耦性质。本文从Thomsen弱各向异性近似和声学假设近似两个途径对三维TTI介质弹性波波动方程进行了分解。利用本征值方法求解三维TTI介质弹性波的Christoffel方程,得到描述SH波、qP波和qSV波的精确频散关系方程,通过Thomsen弱各向异性表征理论,推导出了弱各向异性条件下描述qP波和qSV波传播的时空域波动方程;由TTI介质qP波和qSV波耦合的频散关系方程出发,根据声学假设原理,推导出三维TTI介质描述qP波传播的波动方程。数值试算表明,通过波动方程分解获得的三维TTI介质qP波和qSV波波动方程具有较高的精度,为研究三维TTI介质qP波和qSV正演模拟和深度偏移算法奠定了理论基础     

TTI介质各向异性伪谱法逆时偏移

在Thomsen精确相速度方程和弱各向异性假设前提下,将VTI相速度方程拓展为TTI介质相速度方程,进而得到TTI介质的P波方程。利用伪谱算法对P波方程进行了正演和逆时偏移,并和各向同性F-X域深度偏移效果进行了对比,结果表明:①对于各向异性介质,利用各向同性的偏移算法得到的结果会有误差,成像结果有明显的畸变;②在考虑效率和精度的前提下,伪谱法由于其利用快速二维傅里叶变换解决空间导数的计算问题,这对于实际应用中计算成本颇高的逆时偏移是一个较理想的选择;③推导的近似方程在弱各向异性条件下可以较好地应用于TTI介质中。     

TTI介质逆时偏移成像

本文基于Alkhalifah的P-SV波频散关系,应用声波近似假设推导了横向各向同性介质(TI)中的声波标量方程组,其中每个方程都含有与时间和空间有关的二阶导数项,并且方程中不含有混合导数项,易于利用有限差分法进行数值模拟。文中采用改进的不完全声波近似假设,从而获得了更长的稳定模拟时间,与采用传统声波近似假设相比,波场传播更加稳定。有限差分数值模拟及复杂模型数据的计算结果表明,TI介质中的声波标量方程组能准确地描述准声波在TI介质中的运动学特征,能很好地进行逆时偏移成像。     

TTI介质弹性波随机边界逆时偏移的实现

从TTI介质弹性波波动方程出发,推导出逆时偏移高阶有限差分算子,应用完全匹配层(PML)吸收边界条件压制边界反射,通过高阶有限差分与通量传输校正(flux-corrected transport,FCT)方法压制网格频散,建立起常规的TTI介质弹性波有限差分逆时偏移流程。在此基础上针对逆时偏移存储量大的问题,采用计算换存储的思路,引入随机边界条件有效减少存储空间,给出了便于实际应用的TTI介质弹性波随机边界逆时偏移方法实现流程。最后采用传统的拉普拉斯滤波方法压制低频成像噪声。多层模型和逆掩断层模型试算结果表明,随机边界逆时偏移流程与常规有限差分逆时偏移流程成像界面位置一致,只是存在少量可以忽略的随机噪声,证明了该方法的正确性与有效性。     

基于波前构建法的TTI介质射线追踪

射线(群速度)方向与旅行时梯度(相速度)方向不一致,使得TTI介质的射线追踪变得非常困难。传统的以弹性参数表示的各向异性射线追踪系统比各向同性条件下要复杂得多,而且在每一步都要求通过解特征值问题来计算极化矢量,使得整个射线追踪过程相当耗时。鉴于此,本文引入一种用相速度和群速度重构的射线追踪系统,该射线追踪系统与各向同性条件下的完全相似,从而简化了TTI介质的射线追踪问题。在综合考虑多种走时计算方法的优劣后,选择波前构建法进行射线追踪和波前传播的计算。将简化的射线追踪系统与波前构建法的优势相结合,得到了简单、高效的TTI介质射线追踪方法,并通过模型试算验证了此法的可行性。     

基于TTI介质的P波剩余时差裂缝检测技术正演模拟研究

针对塔河油田碳酸盐岩储层中存在的高角度裂缝的检测问题,开展了基于倾斜对称轴的横向各向同性介质(TTI介质)的P波剩余时差裂缝检测技术研究.回顾了TTI介质及其方位NMO剩余时差的基础理论,计算了三维TTI介质中P波的相速度;开发了一套适用于叠前地震道集的P波剩余时差裂缝预测技术,详细论述了其技术流程和具体实现步骤;设计了TTI介质裂缝模型,利用有限差分法模拟计算模型的叠前方位地震道集,根据模拟数据提取的方位NMO剩余时差反演出裂缝发育强度和裂缝角度,与模型设计参数基本吻合,验证了基于TTI介质的P波剩余时差裂缝检测技术的有效性.     

TI介质中的相速度和群速度及射线参数

根据横向各向同性(TI)介质中体波相速度的解析表达式,分析了不同各向异性参数条件下相速度曲线的特征.分析结果表明,随着各向异性参数所满足的条件不同,相速度曲线既可能单调递增,也可能单调递减,或在一定相角范围递增而在其它相角范围递减.相速度曲线的单调性决定群对相的偏离方向,当相速度递减时,群向TI对称轴方向偏离,群相偏离角为负;当相速度递增时,群向背离TI对称轴的方向偏离,群相偏离角为正.利用相表示的射线参数表达式和群相关系得出了群、相联合表示的射线参数表达式,并用数值算例进行了验证.     

基于反射率法的TTI介质正演模拟

本文在平面波入射和全固态各向异性介质的假设条件下,推导了水平层状TTI介质中的频率—慢度域纵、横波反射/透射系数表达式,合成了截距时间—慢度(τ-p)域地震记录,分析了各向异性参数对反射纵、横波AVO特性的影响;利用τ-p变换和迭代相似系数加权相结合的方法合成了球面波,压制了积分截断效应。研究结果表明:①τ-p变换和迭代相似系数加权相结合的方法压制截断效应效果良好。②对于反射纵波,TTI介质中的θ、ε、δ参数既控制大角度入射,也控制小角度入射,VTI介质中ε控制大角度入射,δ控制小角度入射;对于反射横波,各向异性参数对AVO特性的影响规律还有待进-步研究。③受地下介质的各向异性影响,用不同的各向异性参数进行反射率法正演模拟得到的合成记录是不相同的,并且TTI介质反射率法得到的纵、横波合成记录不涉及解耦问题。模型测试证明本方法具有较高的精度和效率。     

基于Lebedev网格的TTI介质二维三分量正演模拟

传统交错网格有限差分法是研究地震波传播规律的一种较为常用的数值模拟方法,但是在交错网格中每个变量的不同分量都是交错定义的,对于没有定义的点需要进行变量插值,从而降低了模拟精度。为此,在前人的研究基础上,推导了TTI介质二维三分量的应力—速度方程,采用Lebedev网格对其进行了高精度的差分离散处理,避免了传统交错网格在处理各向异性介质时波场插值引起的误差,提高了模拟精度,并将多轴完全匹配层吸收边界（M-PML）引入了Lebedev网格。分别对单层TTI介质和含透镜体的复杂TTI介质模型进行了正演模拟,结果表明：①由于Lebedev网格对各向异性介质的弹性波方程做离散时无需进行波场插值,与传统交错网格有限差分方法相比,模拟精度更高;对TTI介质进行模拟时可以清晰地观察到纵波、快横波和慢横波,并且快、慢横波的偏振方向相反,在单炮记录中观测到的三种波的速度特征也符合波场传播规律。②引入多轴完全匹配层（M-PML）吸收边界条件后,在不影响模拟效果的情况下边界反射现象被有效地压制。     

TTI介质准P波和准SV波方程的迭代有限差分解法

本文介绍了时间和空间微分耦合的具有倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质准P波和准SV波方程,并把该方程从时间—波数域转换到时间—空间域,提出了该方程的两种有限差分解法并给出稳定性条件。解法一按常规有限差分近似式对波动方程进行逼近,每个时间步波场的计算都需要求解一个大型稀疏矩阵线性方程组;解法二先对各网格节点的波场赋以零值,再通过由有限差分近似建立的公式逐个节点进行迭代计算,每次计算仅使用少数网格节点的波场值,不需要求解方程组。与伪谱法的理论模型计算结果对比表明,迭代有限差分解法是正确的,虽然其计算精度较低,但计算速度较快,而且具有较好的收敛性。     

TTI介质各向异性参数优化提取方法

对传统基于井震联合网格层析的TTI介质各向异性参数建模结果的分析发现,在地层厚度变化剧烈的情况下,反演得到的参数模型会出现畸变。为了避免这种不合理的现象,提出了一种优化的TTI各向异性参数反演方法,即通过基于各向异性参数δ的井震误差插值方法将地层厚度信息引入各向异性参数反演流程,使反演结果更加精确。实际资料处理结果表明,优化方法可以有效避免地层厚度突变带来的各向异性参数畸变问题,模型参数不受地层厚度变化的影响,因而比传统方法更为精确、合理。     

组合边界条件下二维三分量TTI介质波场数值模拟

从TTI介质一阶应力—速度方程出发,利用旋转交错网格高阶有限差分方法,将非分裂完全匹配层(Non-spliting Perfect Match Layer,简称NPML)边界吸收条件和自由边界条件相结合形成组合边界条件,进行了二维三分量TTI介质弹性波场数值模拟。波场快照和炮记录表明:①采用非分裂式边界条件能较好地消除近地表大角度入射波和瞬逝波;②组合边界条件与NPML边界吸收条件相比,不仅有效地压制了边界反射,同时实现了对自由地表的模拟,获得了丰富的全波场信息,其中在地表产生的PS转换横波作为一种特殊的横波现象,可为近地表结构调查以及多波波场分析等提供有益信息;③自由地表引起的面波以及多次波对偏移结果有着重要影响,因此在实际地震资料处理中应当充分考虑自由地表条件对波场的影响效应。数值模拟结果证实了组合边界条件下二维三分量TTI介质波场数值模拟方法的可行性和正确性。     

一种基于Kirchhoff积分的快速三维非均匀弹性介质地震波场模拟方法

提出了一种基于Kirchhoff积分的快速地震波场数值模拟算法。在地下弹性介质的速度、反射界面的空间位置及反射率均已知的情况下，可以利川该算法计算三维非均匀弹性介质模型中的反射地震波场。讨论了算法的计算效率和计算精度。针对基丁Kirchhoff积分的二维地震波场模拟计算量巨大这一问题，采用了两种尺度网格单元和限制积分区域等手段，不仅降低了计算量，节省了内存，同时还保待了足够的计算精度。利用数值模拟对算法的有效性进行了验证。     

简化的三维TTI介质黏滞纯声波方程及其数值模拟

地球介质普遍具有非弹性和各向异性特征,因此在研究地震波在地下空间传播时应该同时考虑各向异性和黏滞性。在各向异性介质波场模拟、偏移成像和波形反演中,目前主要采用的是伪声波方程,该类方程是在直接将横波速度设置为0的基础上发展的,当介质参数不满足假设条件时容易产生伪横波数值干扰及模拟不稳定。考虑到伪声波方程存在的问题,文中应用泊松算子和有限差分相结合的策略求解高精度的三维TTI介质纯声波方程。同时,考虑到衰减介质对地震波振幅和相位的影响,在各向同性黏滞声波方程的基础上,推导了一种简化的三维TTI介质黏滞纯声波方程,该方程能够模拟纯声波的相位畸变和振幅衰减。应用三维层状模型、TTI楔状体模型和改进的Marmousi模型验证了方法的有效性和适用性。