正交介质中地震波传播数值模拟与分析

建立了正交各向异性介质中的波动方程,应用高阶有限差分进行数值模拟,得到三分量地震波场快照,并在此基础上,分析了正交各向异性介质中地震波场特征,结果表明：在正交各向异性介质中,地震波场十分复杂,三个分量相互藕合,两个水平分量波的偏振方向与裂隙走向既不平行,也不垂直。     

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。     

柱对称条件下地震面波波场正演研究

地震波场模拟能使地震波在地球介质中的传播过程可视化,有助于了解地震波的传播特点。为提高计算效率,通常将三维空间简化为二维处理。但在二维直角坐标下的波场正演无法获取波场的三维特征,对体波振幅特征、面波振幅和相位特征的描述都不甚准确。为此,在柱对称的基本假设下,选择二维柱坐标以模拟弹性体波和面波的波场传播;推导柱坐标下的弹性波方程,对该方程进行有限差分正演,计算柱坐标系下的面波波场。正演模拟结果表明：柱坐标下正演所得波场具备三维空间的振幅和相位特征,体现了该算法的正确性;该算法兼具保持振幅特征与计算效率两方面优势。     

各向异性介质中三分量地震记录的FCT有限差分模拟

基于声波或弹性波方程的有限差分方法是数值模拟地震波场或合成ＶＳＰ地震记录的有力工具。然而传统的有限差分方法在每一波长内采样太少时，会存在严重的数值频散，降低数值结果的分辨率。本文将流体动力学方法中的通量校正传输技术与求解各向异性波动方程组的有限差分方法结合获得了一种适用于求解各向异性介质中二阶声波和弹性波方程的ＦＣＴ有限差分算法，有效地压制了传统有限差分数值模拟中的数值频散。     

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。     

含倾斜裂隙页岩介质地震波场传播特征研究

研究裂隙页岩介质地震波场传播特征对于页岩气的勘探开发有重要意义。基于Hudson理论,Bond变换和Backus加权平均法,从介质参数和裂隙参数出发,推导了含倾斜裂隙页岩介质长波长等效弹性系数的计算公式,进而用高阶旋转网格有限差分法模拟了该介质的地震波场响应。数值模拟结果证明了该弹性系数计算方法的正确性和Backus加权平均法在计算薄互层介质等效弹性系数时的有效性,同时也证明了含倾斜裂隙页岩介质具有和TTI介质类似的倾角各向异性和方位各向异性特征。另外,对比裂隙饱含水和裂隙干燥(含气)时的模拟结果可知,裂隙含气时倾斜裂隙页岩介质具有更强的各向异性特征。     

基于双相介质BISQ模型的地震波正演模拟

Biot流动机制和喷射流动机制是含流体孔隙介质中的两种重要的力学机制,同时包含这两种机制的BISQ模型能够更好地反映孔隙介质中弹性波的传播规律。本文从BISQ模型的基本方程出发,推导了完全匹配层(PML)吸收边界的交错网格高阶有限差分方法的表达式,对双相各向同性介质中地震波场进行了数值模拟;然后通过调整孔隙度、渗透率等储层参数,对比分析了储层参数对双相介质波场特征的影响。数值模拟结果表明,基于BISQ模型的正演模拟正确反映了双相各向同性介质的波场特征;储层参数取值变化对波场特征的影响也十分明显。     

低速破碎带弹性波场特征数值模拟研究

页岩气的开发需要对地层进行水平井压裂,在压裂过程中会产生地下破碎带。破碎带会对地震波的传播产生影响,较为明显的现象是,由于低速薄层的存在,地震波"陷入"在薄层内形成"导波"。文中基于弹性波方程的交错、变网格高阶有限差分正演模拟,研究了低速破碎带地层弹性波波场特征;针对破碎带呈现的各向异性和随机特征,建立了均匀异性介质模型和各向异性随机介质模型,进行了弹性波场数值模拟。结果表明:低速破碎带对地震波能量有"禁锢"作用;各向异性介质模型模拟的波场清晰,适用于页岩气储层压裂分析;破裂导致的随机扰动分布致使波场存在较强散射。     

基于随机介质模型的近地表波场模拟及分析

为了更好地研究野外实际近地表波场特征,特别是瑞雷面波的波场特征,根据弹性波方程,采用交错网格有限差分算法对基于随机介质模型的近地表波场进行了模拟和分析。通过半空间随机介质模型的模拟,分析了瑞雷面波能量在水平和垂直传播方向上的衰减情况以及震源埋深对面波能量的影响;利用层状随机介质模型的模拟,分析了不同随机介质自相关长度对近地表波场的影响。     

双相各向同性介质伪谱法地震波场数值模拟

伪谱法是一种模拟精度和计算效率都较高的地震波场数值模拟方法.该方法通过对空间坐标的快速傅里叶变换实现数值计算,在时间域直接采用差分运算代替导数的求解,避免了求偏导数;不存在有限差分和有限元等方法对高频成分限制的问题,可以实现全频带地震波场模拟;对内存容量的需求远远低于有限元法.利用伪谱法实现双相各向同性介质地震波场数值模拟的基本原理是:首先基于Biot模型给出双相各向同性介质弹性波波动方程;然后推导出二维双相各向同性介质的伪谱法计算公式;最后对给定的介质模型进行模拟试算.模拟结果表明,弹性波在双相各向同性介质中以快纵波、横波和慢纵波3种方式传播.基于模拟结果,分析了各类波的传播规律,讨论了耗散系数和孔隙度对地震波传播的影响.     

基于横向各向同性BISQ模型的弹性波高阶交错网格有限差分数值模拟

 孔隙介质模型主要有Biot模型与BISQ模型。BISQ模型同时考虑了Biot流动与喷射流动,能够获得比Biot理论更为准确的结果。弹性波数值模拟有利于认识波的传播特性与过程，而采用高阶交错网格有限差分法数值模拟的空间频散性比低阶差分法小。本文从BISQ模型弹性波的本构方程和运动方程出发，推导出了基于横向各向同性BISQ模型的弹性波高阶交错网格有限差分算法，还进行了数值模拟。通过调整差分阶数、频率以及黏滞系数，研究了兼顾两种流动机制时弹性波的传播特性，并分析了BISQ模型下弹性波的透射与反射。     

碳酸盐岩礁滩相储层地震波场数值模拟

采用分步傅里叶频率波数域法对地震波场进行延拓,实现了复杂碳酸盐岩礁滩相储层地质模型的地震波场数值模拟,得到了合理的正演地震记录和偏移图像,并总结了地震响应特征。结果表明,该方法计算效率高、精度高、稳定性好,能适应大倾角和速度纵横向任意变化,是一种较好的地震波场模拟算法。     

地震波数值模拟中的频散压制方法分析

波动方程有限差分法正演模拟对认识地震波传播规律和指导地震资料解释等具有重要的意义。但差分算法固有的数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰，会降低波场模拟的分辨率。为提高模拟精度，同时又尽可能减少计算量，采用定量分析的方法，对比分析了横纵网格比变化时入射方向和差分精度等因素对数值频散的影响，分析结果表明，矩形网格较之正方形网格能更好地压制频散，同时可以避免高阶差分导致的低计算效率。模型试验表明，该方法切实可行，能较好地适应实际地震勘探中的波场模拟。     

差分法模拟地震波勘探

本文利用Ｔａｙｌｏｒ级数展开和弹性力学波动方程的变换，得到既适用于各向同性介质，也适应于各向异性介质非规则网格的差分方法。计算结果表明，该方法的精度与常规的规则网格差分方法相当。     

有限差分数值模拟的最小频散算法及其应用

有限差分法是求波动方程数值解的一种常用方法，但常规的有限差分法难以克服数值频散的干扰。在总结、分析前人工作的基础上，本文对有关技术做了整合和扩展，形成了有限差分的优化算法，主要内容包括高阶有限差分、优化差分参数和通量校正传输(FCT)技术。与常规方法相比，本文方法既提高了波动方程正演的精度又减少了计算量，可广泛用于起伏地形和复杂地下地质构造的波场模拟和分析。通过对煤层模型和BM工区进行正演模拟，验证了本文方法的有效性。     

基于微地震离散裂缝与自动历史拟合的数值模拟

针对复杂缝网精细刻画、表征复杂,数值模拟历史拟合繁琐、不确定性强,导致非常规储层实现精准数值模拟难度大的问题,采用微地震复杂缝网反演、离散裂缝方法缝网精细刻画、集合卡曼滤波方法(EnKF)自动拟合技术3种手段形成的综合数值模拟技术,对复杂缝网条件下的非常规储层实现精准数值模拟.结果表明:文中提出的复杂缝网反演方法与直接...     

基于时空域交错网格有限差分法的应力速度声波方程数值模拟

目前应力速度声波方程数值模拟普遍采用时间二阶和空间2M阶交错网格差分法,相应的差分系数仅利用空间域频散关系和泰勒展开求解。但波动方程数值求解在时间和空间域同时进行,仅利用空间域频散关系计算差分系数,易产生数值频散,因而影响数值模拟精度。针对该问题,从差分离散波动方程和平面波理论出发,推导出了时间二阶、空间2M阶交错网格差分法的时空域频散关系,并进一步导出了基于时空域频散关系和泰勒展开的差分系数算法,该算法求解的差分系数随地震波的传播速度自适应变化。数值频散分析结果表明,新的差分系数算法能够有效减小数值频散进而提高模拟精度;稳定性分析结果表明,新的差分系数算法能够有效增强交错网格有限差分法的稳定性,使得该方法能采用更大的时间步长从而提高计算效率。层状介质模型和塔里木盆地典型复杂构造模型数值模拟实例进一步验证了基于新差分系数算法的交错网格有限差分法在提高模拟精度和计算效率方面的优越性。     

混合法VSP共炮记录叠前深度偏移

VSP处理方法反演地下结构直接、精确，是寻找复杂构造的、隐蔽的油气藏的最重要的方法系列之一。文章提出的混合波场延拓法VSP共炮记录单程波动方程叠前深度偏移，就是一种VSP对复杂构造精确成像的方法。首先把波动方程分解为上行和下行单程波，把波动方程解析解法(傅氏变换法)和数值解法(有限差分法)相结合，提出VSP偏移的混合波场延拓法，以使波场延拓适应速度的纵横向变化；再结合VSP的特点，在波场外推过程中，当在某深度处继续下延波场时，把从上部延拓至此的波场加上此处埋置的检波器的记录结果作为此处的波场；借鉴地面地震叠前深度偏移原理，提出了可适应速度纵横向变化的、可对复杂构造精确成像的单程波动方程混合波场延拓VSP共炮记录叠前深度偏移方法。纵、横向变速介质的数值模拟结果显示，该方法精确、有效。