任意空间取向TI介质弹性波速度特征分析

相速度和群速度是表征地层介质物性特征的重要参数,在各向异性地震波传播理论研究和实际地震数据处理应用中都有重要作用。本文从本构坐标系下TI介质的弹性矩阵出发,通过Bond变换给出任意空间取向TI介质(ATI介质,Arbitrarily Transverse Isotropy)在观测坐标系下的刚度矩阵。联合弹性动力学的本构方程、柯西方程和牛顿运动微分方程,得到ATI介质的弹性波波动方程和Christoffel方程。通过本征值方法求解Christoffel频散方程,导出了ATI介质中3D相速度精确解析式;借鉴Crampin推导各向异性群速度公式的思路,推导出ATI介质中弹性波群速度公式。研究表明,本文给出的ATI介质弹性波速度解析式具有一般性,在特定条件下能退化成TTI、EDA介质,对各向异性射线追踪和偏移成像等具有重要意义。数值计算实例表明,ATI介质三维相速度和群速度曲面关于其对称轴对称,在观测坐标系下,不同类型TI介质的速度各向异性存在明显差异,据此可实现地下周期性细薄层或裂缝的走向识别。基于交错网格有限差分正演,在VTI、HTI、TTI、EDA和ATI五种TI模型介质中开展了地震波场正演模拟,对比分析了波场快照和群速度解析解,验证了ATI介质弹性波速度公式的正确性,同时明确了群速度控制着地震波场的波前形状。此外,还讨论了各向异性参数对地震体波相速度、群速度特征的影响。     

TTI介质qP波方程频率—空间域加权平均有限差分算子

 波动方程有限差分方法能够较精确地模拟任意非均匀介质中的地震波场，但它本身存在着数值频散问题。在具有倾斜对称轴的横向各向同性介质(TTI介质)地震波正演模拟中，为了解决常规有限差分算子的数值频散问题，本文构造了频率—空间域qP波方程加权平均有限差分算子，求取了归一化相速度，并根据最优化理论中的高斯—牛顿法确定了加权平均差分算子的最优加权系数。利用常规差分算子和加权平均差分算子对归一化相速度进行了频散分析，并对均匀TTI介质(包括各向同性介质和椭圆各向异性介质)中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟。结果表明：加权平均有限差分算子具有较高的数值精度，能有效地压制常规有限差分算子的数值频散，为TTI介质频率—空间域qP波正演模拟奠定了基础。     

双相各向异性介质正演研究

建立了一个具有双相各向异性介质特征同时可考查慢纵波行为的特殊模型,应用交错网格有限差分方法模拟并分析了此模型的合成地震记录;此外,通过改变双相各向异性介质的固流耦合密度和孔隙度,对比并分析了介质参数对慢纵波的影响。     

TTI介质一阶qP波方程交错网格伪谱法正演模拟

受TTI声介质强各向异性和对称轴极化倾角急剧变化的影响,传统有限差分法正演模拟易出现不稳定现象。本文基于TTI介质二阶耦合准纵(qP)波方程,推导了TTI介质一阶速度-应力方程,构建了交错网格中基于完全匹配层(PML)吸收边界条件的高阶有限差分格式;通过引入基于PML原理的一阶qP波方程伪谱法递推格式,实现了TTI介质qP波波场的稳定延拓。对二维TTI介质Wedge和BP模型的正演模拟试算结果表明:基于伪谱法递推格式实现的TTI介质正演模拟法,能较准确且稳定地模拟强各向异性及倾角变化剧烈区域的地震波场,验证了本文方法的有效性和较强适应性。     

裂缝介质弹性波场数值模拟及波场特征

裂缝介质的数值模拟是研究裂缝介质中地震波传播特征及规律的主要手段。以各向异性介质的弹性波动方程为基础,推导出空间交错网格方法一阶导数的任意偶数阶精度差分格式,并利用此差分格式对裂缝介质进行了2.5D三分量正演模拟。模拟结果表明:受裂缝影响弹性波在裂缝介质中传播的波场是非常复杂的,除了存在反射P波、反射P-SV波,还存在横波分裂现象和沿裂缝介质传播的导波等;数值模拟的三分量的方位道集呈现出波场传播的时间和振幅与裂缝的方位存在很大的关联,其方位各向异性特征与实际资料的方位各向异性特征一致,可以指导今后的方位各向异性处理和裂缝预测。     

基于HTI介质各向异性正演的裂缝预测属性优选

纵波方位各向异性裂缝预测方法应用较为广泛,通过对不同方位角地震数据的属性求取来拟合各向异性椭圆,从而预测储层裂缝的分布特征。为了优化目前方位各向异性裂缝预测方法应用中地震属性的求取和优选过程,提出了采用基于HTI介质的各向异性正演来实现方位各向异性椭圆拟合地震属性优选的新思路。以测井裂缝信息为基础,进行井上各向异性正演;对正演模拟道集进行各种地震属性的求取和裂缝敏感性分析;将优选出的最佳敏感属性用于各向异性椭圆拟合和裂缝分布特征预测。松辽盆地南部某地区火山岩储层的实际应用试验结果表明,基于各向异性正演优选属性的裂缝预测结果与测井裂缝信息吻合较好,验证了该方法的合理性和有效性。     

介质离散方法对地震波场有限差分数值模拟准确性的影响

地震波场有限差分数值模拟的准确性取决于空间网格大小,而空间网格大小通常仅依据差分格式的色散和耗散误差所要求的每最短波长网格数的选取,没有考虑速度模型的复杂性。对于存在速度间断面的复杂速度模型来说,不同的介质离散方法将导致不同的有限差分离散速度模型,进而导致模拟波形的差异。定量分析了地震波有限差分模拟中不同的介质离散方法(包括直接取值法、格点平均法、体积分平均法与正交各向异性等效介质法)对反射/透射波准确性的影响,探索了界面误差随网格变化的规律。通过数值计算获得了每种介质离散方法对不同类型弹性波满足给定的误差精度所要求的网格大小,为地震波场正演模拟中的网格参数选取提供了参考依据。     

双相PTL介质地震波场模拟

从基于Biot理论建立的双相各向异性弹性波方程出发,推导出二维双相PTL介质弹性波方程。在此基础上,高阶实现了高阶有限差分数值模拟,并对双相PTL介质模型和实际测井数据模型进行模拟试算。基于模拟结果,分析了各类波的传播规律,讨论了弹性参数和耗散系数对地震波传播的影响。结果表明：在双相PTL介质中存在快纵波、慢纵波和SV波,并具有各向异性,两种纵波有明显的区别,快纵波的速度远大于慢纵波的速度;慢纵波具有很强的衰减性,能否观察到慢纵波是与含流体地层介质的耗散性质有关。     

基于CPML-RML组合边界条件粘弹TTI介质旋转交错网格有限差分正演模拟

实际地下介质中因充满流体、裂缝和裂隙等而同时表现出粘滞性特征和各向异性特征,传统的分裂式完全匹配层(SPML)吸收边界条件不能有效吸收低频和大角度入射波。为此,提出将非分裂式卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件与随机介质层(RML)边界条件相结合的策略来改善边界吸收效果,并将其应用于粘弹TTI介质有限差分正演模拟。为提高正演模拟的稳定性和精度,采用了旋转交错网格有限差分算法,并推导出了适用于粘弹TTI介质的CPML吸收边界条件公式及相应的旋转交错网格有限差分格式;采用随机介质建模理论并结合CPML吸收边界条件,建立了CPML-RML组合边界条件。利用二维均匀介质模型和二维复杂Hess模型对组合边界条件的吸收效果进行了测试,结果表明:相比SPML吸收边界条件与CPML吸收边界条件,CPML-RML组合边界条件在不增加计算量的情况下,具有更好的吸收效果,能有效减少人工边界反射、提高数值模拟精度;粘弹TTI介质中的地震波场表现出明显的振幅衰减和相位延迟,地震记录表现出浅部能量强、深部能量弱的特征,验证了CPML-RML组合边界条件对复杂介质的适应性及正确性。     

TTI介质Low-rank有限差分法高效正演模拟及逆时偏移

计算效率是制约各向异性逆时偏移实用化的关键因素,此外,伪横波假象、数值频散以及不稳定问题也是TTI介质qP波正演模拟及逆时偏移的固有难题。Low-rank波场延拓算法虽能解决上述三方面问题,但其运算速度受模型参数限制,计算效率较低。为此,本文基于混合网格有限差分思想,给出一种新的紧致差分模板,并借助Low-rank分解求取与模型匹配的自适应差分系数,进而实现一种针对TTI介质的Low-rank有限差分法高效正演模拟及逆时偏移成像策略。数值模型测试结果表明:本文方法既继承了有限差分法高效灵活的特点,又拥有Low-rank波场延拓方法准确计算纯qP波波场的优势,即在提高计算效率的同时避免了伪横波假象和数值不稳定,是一种兼顾成像精度与计算效率的各向异性逆时偏移实用方法。     

裂隙介质中的各向异性研究

本文主要研究地震波在定向分布裂隙介质中的传播规律及其各向导性特征。以往,人们是借助于Hudson求解裂隙介质中等效弹性参数的方法,利用各向导性波动方程来模拟地震波在裂隙介质中的传播特性。这种方法需要巨大数量的计算机内存和极高的运算速度.实现难度较大.文中我们给出了一种新方法。该方法无需求解各向异性波动方程,而是利用有限元网格划分的灵活性,采用分裂节点的方法在均匀介质中设置裂隙,然后.通过求解各向同性波动方程的方法来模拟地震波在裂隙介质中的传播特性。从而使我们利用常规的各向同性有限元模拟方法便可研究裂隙介质中的各向导性问题。数值模拟的结果表明.该方法是可行的。     

地震裂缝预测技术研究进展

地下裂缝识别和预测对于油气勘探具有重要的实践价值。相关的理论研究和现场试验已经证明裂缝诱发的各向异性会对岩石的地震波传播特征产生影响,通过地震资料识别和表征地下裂缝的走向、密度及分布范围是可行的。地震识别裂缝方法具有费用低、覆盖范围广和探测深度大的优点,主要包括多分量转换波裂缝检测、纵波方位各向异性检测和叠后地震属性分析三大类。从应用情况来看,由于数据基础、数据要求、技术完备程度3方面的原因,不同方法的应用程度及效果存在差异。随着采集和处理等技术的不断进步,多分量转换波裂缝检测、纵波方位各向异性检测方法会得到更为广泛的应用;而在传统三维叠后数据基础上发展起来的属性分析技术也会因为数据对象类型的多样化而获得更为广阔的发展空间。     

准噶尔盆地风城地区风城组叠前裂缝检测技术应用

准噶尔盆地西北缘风城地区二叠系风城组岩性复杂,岩性主要以泥质白云岩为主,储层表现为裂缝—孔隙双重介质特点,预测裂缝发育走向和密度是油气勘探的关键环节之一。通过对比分析目前各类裂缝预测技术,选择了叠前方位各向异性裂缝检测技术。首先开展方位角各向异性正演模拟,确定该区各向异性的主要因素,其次进行了地震资料分方位角处理,完成叠前地震方位各向异性属性的计算。结合井资料对该区裂缝发育强度和走向进行预测,指明了进一步油气勘探的方向,后续钻探结果表明,裂缝预测结果与钻井结果吻合较好,证明此项技术在该区行之有效。     

变质岩裂缝性潜山油藏储层建模方法研究

根据潜山油藏岩性分布复杂、非均质性强的特点,提出了变质岩潜山油藏相控建模方法,即依据"优势岩性"理论,利用录井资料中的岩性分析数据,建立变质岩相分布模型;以变质岩相为约束条件进行储层建模,实现了相控条件下基质的孔渗模拟。针对该类油藏裂缝发育、存在裂缝渗透率各向异性的特点,将各向异性建模方法引入潜山裂缝性油藏建模中,建立裂缝渗透率各向异性的定量表征模型。该方法考虑了裂缝和基质渗流特征,建立了双重介质模型,更便于与油藏数值模拟结合应用。     

多波多分量波场的地震物理模型观测

在纵波震源激发的三分量记录中,经常在SH分量上得到P波或SV波的反射,通常认为这是地下不均匀或各向异性引起的,然而,均匀各向同性介质的三分量记录上也出现了各种波的反射同相轴。为此,在实验室进行了多波多分量地震物理模型实验,以解释这种现象出现的原因。采用纵波和横波换能器作为模型实验的震源和接收器,并通过将横波换能器的偏振方向转动90°来获得九分量的观测方式。设计了均匀各向同性层状介质和倾斜介质物理模型,利用纵测线和非纵测线得到了多波多分量的观测记录。对观测记录分析发现,平层模型纵测线观测时,在P-P,P-SV和SV-SV分量上都可以看到P波、转换SV波和SV波,这从另一方面说明,无论是P波震源还是S波震源都会产生P波和S波;平层模型采用非纵测线观测时,也能在各分量上得到各种波的反射;倾斜模型用P波震源激发,在SH分量上能接收到P波或SH波反射,这是因为P波和S波在SH分量上有振动分量。     

VSP资料的叠前波动方程逆时偏移

从波动方程出发,利用有限差分法导出波场外推公式,由此可以进行波场正演计算和偏移。用 P 波方程编制的偏移程序 VSP MIG 既可用于地面资料的偏移,也可用于井中资料的偏移;既可用于 P 波偏移,也可用于 P-SV 波偏移,但需相应的变化速度模型。对于 P 波和 P-SV 波,偏移的成像时间也是完全一样的。分别偏移分离后的上行 P 波和上行 P-SV 波,可以得到纵波和横波两张偏移剖面,这样比纵、横波资料的联合一次偏移可以得到更多的信息。     

基于一阶速度应力方程的双相各向异性介质波场模拟及耗散系数分析

为了解决在石油地震勘探中常常遇到的各向异性问题,利用双相各向异性介质的波动方程,导出双相各向异性PTL介质中的固相、流体相的一阶应力速度方程及差分方程。利用高阶二维交错网格差分方法,对双相PTL介质波长进行了模拟和分析,并讨论了耗散系数与双相PTL介质的波场问题。模拟结果表明：①双相PTL介质中存在快P波、慢P波和SV波,波场具有各向异性性质。②耗散系数对地震波传播的影响主要体现在对地震波能量的吸收和衰减上,耗散系数对慢P波产生较大的影响,大的耗散系数将使慢P波很快被衰减掉;在不同方位上,耗散系数存在较大差异时,慢P波能量并非只是在一个方向上衰减,而是整个慢P波的大部分能量在所有的方向上都要被衰减掉。该研究认识提高了计算效率,增强了计算的稳定性。     

P波各向异性裂缝预测技术在ZY区碳酸盐岩储层中的应用

利用地震数据较为准确地预测碳酸盐岩中的裂缝发育区,是碳酸盐岩裂缝型储层预测的关键手段。文中介绍了基于HTI(具有水平对称轴的横向各向同性)介质P波各向异性裂缝预测方法的原理及思路流程,从ZY区成像测井及岩心资料的裂缝发育情况出发,以叠前地震数据为基础,进行研究区碳酸盐岩裂缝分布特征的预测。通过与衰减有关的P波各向异性得到研究区的裂缝发育特征,认为裂缝发育情况与断层展布特征关系密切,区内裂缝方向以北东向为主,北北东为辅。成像测井及岩心资料上的裂缝信息验证了预测结果的可靠性和准确性;在预测裂缝分布特征基础上设计的井位,试油也获得工业油流。以上理论和应用实践表明,P波方位各向异性裂缝预测方法能够准确预测碳酸盐岩储层裂缝的分布特征,有效提升油气预测的成功率。     

正交各向异性介质反射系数精确解

中国陆相沉积岩大多具有薄互层特征,当受到构造运动的影响时,会发育垂向或近似垂向的高角度裂缝,呈现出典型的正交各向异性,可看作是VTI和HTI各向异性的叠置。研究正交各向异性介质的AVO响应特征对裂缝型储层的精细刻画有重要的意义。针对VTI背景介质中发育的一组直立裂缝诱导的正交各向异性,采用Tsvankin提出的各向异性参数构建刚度系数矩阵,再根据Christoffel方程和边界条件推导了精确反射系数和透射系数的计算方法。理论模型试算表明：①若P波从低阻抗各向同性介质入射至高阻抗正交各向异性介质,背景介质VTI各向异性强度的增大会导致PP波反射系数增大、PS1波和PS2波的反射系数减小;而随着裂缝弱度的增强会导致PP波反射系数的减小、PS1波和PS2波的反射系数的增大。②若P波从高阻抗各向同性介质入射到低阻抗正交各向异性介质,PP波、PS1波和PS2波的反射系数变化规律与①相反。③PP波反射系数的方位各向异性远小于PS1波和PS2波。与Rüger反射系数近似公式计算结果的对比,验证了该反射系数计算方法的正确性。     

垂直裂隙P波响应特征分析

应用反射P波数据预测裂缝发育带,进行流体识别是当前地震勘探的重点和难点。利用各向异性弹性波方程交错网格高阶有限差分数值模拟方法,开展了不同密度和不同充填物的垂直裂隙介质的波场响应特征研究。对不同模型反射P波的振幅和速度随方位角和炮检距的变化特征进行了定量的分析和总结。研究结果表明,当地层中含有单组垂直的平行裂隙时,反射P波振幅对垂直裂隙中充填物的敏感性大于速度对裂隙中充填物的敏感性,随着裂隙密度的增加,P波各向异性程度也相应增强,裂隙中含气时,各向异性程度较含饱和水时强。在一定程度上,为利用P波属性进行垂直裂隙油气藏的检测提供了理论依据。