基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI介质中波场数值模拟

分数阶微分算子具有描述历史依赖性和全域相关性的特质,本文利用这种特质描述双相介质固体骨架的黏弹性特征.基于Kjartansson常Q理论将含有分数阶时间导数的黏弹固体骨架各向异性本构关系与双相介质理论有机地结合起来,并引入流变学本构关系描述孔隙流体的黏滞性力学行为,提出一种新的基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI模型.推导了相应的时间域波传播方程,然后对该方程进行了数值模拟.对整数阶导数采用高阶交错网格有限差分算法,对分数阶时间导数采用短时记忆中心差分算法,进行了不同相界、不同品质因子组及双层地质结构情况下该类介质中波场的数值模拟与特征分析.模拟结果表明：将含有分数阶时间导数的常Q黏弹固体骨架各向异性本构关系及孔隙流体的黏滞性本构关系引入双相介质理论是可行的,二者的结合能更好地反映地下介质的黏弹性特征,对于进一步认识波在黏弹各向异性孔隙介质中的传播机理具有重要意义,为反演和重构地下油气储层和结构奠定正演理论基础.     

具有离散裂缝空间分布的二维固体中地震波传播的有限差分模拟

结合有限差分方法和等效介质理论,模拟了离散分布裂缝介质中地震波的传播. 基于等效介质理论,利用二维有限差分实现封闭裂缝的离散分布;裂缝可以处理成固体岩石中的高度柔性界面,并可以用线性滑动或者位移间断模型进行裂缝的物理描述. 对于含有多组裂隙的破裂固体,其有效柔度可以认为是固体骨架背景柔度和裂缝附加柔度之和. 在一阶近似条件下,固体骨架和裂缝参数可以通过有效各向异性系数联系起来,有效各向异性系数决定了各向异性（裂缝效应）对于地震波传播的影响. 通过与射线理论方法的对比检验,说明本文提出的模拟方法的有效性,并通过几个数值算例说明本方法可有效模拟不同的裂缝分布效应. 结果表明,即使在裂缝密度很小的情况下,具有相同裂缝密度的不同的空间分布可以产生不同的波场特征. 同时,也验证了不同裂缝尺度对波长的不同影响,以及裂缝尺度具有幂率分布（分形）时,尺度对波场的影响. 最后得出结论：在运用建立在等效介质理论基础上的地震各向异性概念来描述裂缝固体的特征时,要倍加小心,等效介质理论中尚未合理处理的裂缝尺度和空间分布对波的传播特征具有重要的影响.     

基于走时约束的分频分步零偏VSP波动方程多参数反演

在地震勘探中,描述复杂介质的正演和反演问题通常包含许多反映介质不同特性的参数.同时获得这些参数对进行更准确的岩性描述和油藏预测具有重要的理论和现实意义.为了提高频率域黏弹性波动方程的零偏VSP多参数反演的精度,本文对多参数反演的可行性进行分析,明确了目标函数的敏感程度及参数之间的耦合情况,提出了一种基于走时约束的分频分步多参数反演策略.首先利用零偏VSP资料构建先验信息,然后分别利用高、低频数据进行两步反演,也就是"三个参数反演+五个参数反演"的过程,以提高反演的稳健性和精度.利用此方法可同时得到零偏VSP数据可靠的弹性波速度、密度和品质因子,为精确的时-深关系及含油气的解释和预测奠定基础,同时也可以为地面地震叠前反演提供可靠有效的约束,增强地面地震反演精度.     

基于可视性分析与能量补偿的金属矿弹性波全波形反演

采用弹性波全波形反演方法精确重建深部金属矿多参数模型,建模过程采用基于地震照明的反演策略.首先给出基于照明理论的观测系统可视性定义,利用可视性分析构建新的目标函数,对反演目标可视性较高的炮检对接收到的地震记录在波场匹配时占有更高的权重,确保了参与反演计算中的地震数据的有效性;其次将给定观测系统对地下介质的弹性波场照明强度作为优化因子,根据地震波在波阻抗界面处的能量分配特点,自适应补偿波场能量分布和优化速度梯度,以提高弹性波全波形反演过程的稳定性和反演结果的精度.理论模型和金属矿模型反演试验结果表明,基于可视性分析和能量补偿的反演策略可以使弹性波全波形反演更快地收敛到目标函数的全局极小值,获得适用于金属矿高分辨率地震偏移成像的多参数模型.     

含两种不相混流体的饱和孔隙介质的波场模拟

文中对含两种不相混流体的饱和孔隙介质模型进行了波场模拟,该模型基于封闭型系统假设,考虑了流相与固相的相对运动和孔隙率、饱和度(毛细管压力)的松弛机制,可以较好的模拟波场的数值衰减。与目前常用的等效流体方法和基于开敞系统假设的非饱和孔隙介质模型相比,更符合勘探阶段的实际情况。前人对该介质模型平面波的速度和衰减做了一定的研究,但对整个波场的计算研究还未见报道。本文推导了该模型包含毛细管压力和孔隙度松弛机制的波动方程,并利用有限元的方法进行了波场模拟,并对波场特征进行了分析。数值模拟结果表明,在地震频段,非湿相位移波场中慢波p3较为清晰;毛细管压力(饱和度)和孔隙度的松弛效应对非湿相流体位移有较大影响,随松弛系数的增大,位移减小。     

谱模拟法提取地层品质因子

品质因子Q反映了地下介质对地震波吸收衰减的强弱,是油气检测和储层描述的重要参数,Q值的准确提取,具有重要意义.谱模拟法是提取Q值的一个有效方法,其核心是对地震子波谱进行有效模拟.本文选取合适的函数对地震波谱进行拟合,结合能量衰减规律,发现谱拟合系数可分为三类:与吸收衰减有关;与非频率相关的衰减有关(如扩散、反射透射等);与能量衰减无关.根据与吸收衰减有关的拟合系数可反演品质因子Q值.无噪模型测试表明,拟合系数提取的Q值能较好地反映地层Q值走向.在弱噪情况下,根据三类拟合系数不同的变化规律,首先求取与衰减无关的拟合系数期望值,再对余下的系数进行二次拟合,较好地提高了地层参数的反演精度.模型测试结果证实了该方法的理论可行性.     

基于精确Zoeppritz方程的非线性AVO三参数反演

常规AVO三参数反演通常存在密度反演不准确的问题,而密度参数对常规油气藏中的流体识别、流体饱和度计算、孔隙度计算以及非常规油气藏中TOC含量计算、裂缝预测等都至关重要,因此对于研究如何利用大偏移距振幅信息和富含密度信息的PS波地震资料来提高密度反演结果的稳定性和精度显得尤为重要.研究基于贝叶斯反演理论框架,引入三变量Cauchy分布先验约束,利用精确Zoeppritz方程构建了AVO三参数联合反演的目标函数,对目标函数进行Taylor二阶非线性简化,得到模型参数的迭代更新公式,实现了大偏移距地震振幅信息的利用和PP波、PS波联合反演.合成数据和实际地震数据的方法测试结果表明,新方法不仅可以直接反演纵波速度、横波速度和密度,而且还具有很高的精度,尤其是密度反演结果.基于合成数据的PP波、PS波单独反演结果与PP波和PS波联合反演结果对比显示,联合反演稳定性更好,精度更高,抗噪能力更强,验证了该方法的可行性和有效性.与基于Aki-Richards近似公式的反演结果对比表明,该反演方法具有更高的反演精度和更好的抗噪性.     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息(如走时、包络和波形等)进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.     

基于Russell近似的纵横波联合反演方法研究

PP波和PS波联合反演方法作为有效的地震技术,比单纯纵波反演精度要高,能够提高地震储层识别的精度.以Russell近似理论为基础,推导了新的转换波AVO近似公式,双层模型界面的反射特征数值模拟显示,新公式具有较高的近似精度,且具备直接反演流体因子f、剪切模量μ和密度ρ等参数的优势,有效避免间接反演带来的误差.结合纵横波联合反演理论,提出了基于贝叶斯理论的新型联合反演算法.在实际应用中,对纵波和转换波角道集进行同相轴匹配处理,综合利用纵波和转换波资料携带的信息,实现基于Russell近似的多波联合反演.模型数据和实际资料测试结果表明,反演结果与真实值或测井结果匹配度较高,证实该方法真实有效.     

基于双相介质理论的储层参数反演方法

传统基于单相介质理论的储层参数反演方法将孔隙流体与固体骨架等效为单一固体,弱化了孔隙流体的影响,反演结果精度不高.本文提出根据双相介质理论反演储层参数的方法.首先,在前人研究的基础上,利用岩石物理模型建立弹性参数与孔隙度、饱和度、泥质含量等储层参数间的关系,进而将双相介质反射系数推导为储层参数的函数;其次,根据贝叶斯反演理论,在高斯噪声假设的基础上,采用更加符合实际情况的修正柯西分布函数描述反射系数的稀疏性,推导出储层物性参数目标反演函数;最后,应用差分进化非线性全局寻优算法来求解目标反演函数,使得反演结果与实际资料间误差最小.新方法旨在突出流体对介质反射系数的影响,以期得到较高的储层参数反演精度.模型与实际资料测试均表明该方法可行、有效且反演精度较高.     

Wavefield simulation in porous media saturated with two immiscible fluids

Wavefields in porous media saturated by two immiscible fluids are simulated in this paper. Based on the sealed system theory, the medium model considers both the relative motion between the fluids and the solid skeleton and the relaxation mechanisms of porosity and saturation (capillary pressure). So it accurately simulates the numerical attenuation property of the wavefields and is much closer to actual earth media in exploration than the equivalent liquid model and the unsaturated porous medium model on the basis of open system theory. The velocity and attenuation for different wave modes in this medium have been discussed in previous literature but studies of the complete wave-field have not been reported. In our work, wave equations with the relaxation mechanisms of capillary pressure and the porosity are derived. Furthermore, the wavefield and its characteristics are studied using the numerical finite element method. The results show that the slow P3-wave in the non-wetting phase can be observed clearly in the seismic band. The relaxation of capillary pressure and the porosity greatly affect the displacement of the non-wetting phase. More specifically, the displacement decreases with increasing relaxation coefficient.     

地震波在孔隙介质中低频衰减现象的粘弹性特征分析及近似（英文）

由于介观尺度的孔隙流体流动,弹性波传播过孔隙岩层时在地震频段表现出较强的频散和衰减。Johnson理论给出了在任意孔隙形状的条件下,部分气水饱和孔隙介质的理论相速度和品质因子的解析解。本文在Johnson模型的基础上,通过对Q值曲线的低频和高频近似,推导了Q值曲线的近似公式,以及基于孔隙介质基本地球物理参数和孔隙斑块几何形态参数T和比表面积S/V的最大衰减Qmin近似公式。通过与理论值的对比,对Qmin近似公式存在的线性误差进行改正,进一步提高了精度。复杂的斑块形态对最大衰减Qmin和过渡频率ftr的都产生一定影响,且对ftr影响更大。因为数值模拟直接求解介观尺度的Biot孔隙介质方程需要极大的计算量,我们使用Zener模型建立了等效粘弹模型,有效地模拟了地震频带内的衰减和频散现象。     

基于无分裂复频移卷积完全匹配层边界的黏弹介质勒夫波模拟

本文建立了无分裂复频移卷积完全匹配层(CFS-CPML)吸收边界条件,利用交错网格下的高精度有限差分格式对黏弹性介质中的勒夫波场进行了数值模拟;分析了松弛机制个数对品质因子拟合精度的影响,验证了CFS-CPML边界条件对大角度掠射波的吸收效果．数值结果表明:本文方法所使用的5个松弛机制和空间4阶差分精度,即可在保证计算效率的前提下满足目前理论研究的需要;随着品质因子的减小,频散特征曲线的相速度逐渐向增高的方向偏离理论频散特征曲线的相速度,且各模式的高频能量也随之减弱．本文结果可为发展高精度的面波反演方法提供必要的理论依据．      

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

Influence of the quality factor on simulated seismic waves: A case study of the 1994 Northridge earthquake

In numerical simulations of ground motion, the constant quality factor Q of a viscoelastic medium can be determined using the time-domain constitutive approximation method of the generalized standard linear solid (GSLS) model. This study introduces a numerical seismic wavefield simulation method which combines the spectral element method with the constant-Q model. The method is used to simulate the seismic wavefield of the 1994 Northridge earthquake. The optimal attenuation coefficient for the simulated seismic waves in this study area is determined empirically based on a quantitative analysis of the deviation curve. Further, the effect of the quality factor on the simulated wavefield are analyzed according to the site characteristics of each seismic station. The quality factor shows a variable effect on the different frequency components of the simulated wavefield. The effect of the quality factor also varies with the characteristic parameters of each seismic station site, such as site velocity structure, fault distance, and azimuth angle.     

基于波动方程的叠前地震反演

随着地震勘探和开发的不断深入,面向地质目标的精细储层预测技术变得越来越重要.由于透射损失、层间多次波、波模式转换以及随机噪声等的影响,观测地震数据和待反演的地下介质属性之间呈现出很强的非线性.考虑到这些非线性,本文基于积分波动方程开展叠前地震反演,从观测地震数据中恢复出介质属性和整体波场,其中反演参数是波动方程中的压缩系数、剪切柔度和密度的对比度,相比于常规线性AVO反演的波阻抗弹性参数,它们对流体指示有更强的敏感性.在反演过程中,从平滑的低频背景场出发,交替迭代求解数据方程和目标方程.采用乘性正则化方法于共轭梯度框架下求解反演参数,采用优化的散射级数Neumann序列获得整体波场,这种方法不易陷入局部极值,能收敛到正确解.测井资料和典型山前带模型测试表明,利用上述反演方法能获得高分辨率的深度域地下介质属性,可直接进行储层预测和解释.     

Seismic attenuation in porous rocks with random patchy saturation

Saturation of porous rocks with a mixture of two fluids has a substantial effect on seismic‐wave propagation. In particular, partial saturation causes significant attenuation and dispersion of the propagating waves due to the mechanism of wave‐induced fluid‐flow. Such flow arises when a passing wave induces different fluid pressures in regions of rock saturated by different fluids. Most models of attenuation and dispersion due to mesoscopic heterogeneities imply that fluid heterogeneities are distributed in a regular way. However, recent experimental studies show that mesoscopic heterogeneities have less idealized distributions and that the distribution itself affects attenuation and dispersion. Based on an approximation for the coherent wavefield in random porous media, we develop a model which assumes a continuous distribution of fluid heterogeneities. As this continuous random media approach assumes that there will be a distribution of different patch sizes, it is expected to be better suited to modelling experimental data. We also show how to relate the random functions to experimentally measurable parameters.     

介观尺度孔隙流体流动作用对纵波传播特征的影响研究——以周期性层状孔隙介质为例

介观尺度孔隙流体流动是地震频段岩石表现出较强速度频散与衰减的主要作用.利用周期性层状孔隙介质模型,基于准静态孔弹性理论给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设. 在此基础上对准静态与全频段下模型介质中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度变化形式及其对弹性波传播特征的影响进行了讨论,为更有效理解介观尺度下流体流动耗散和频散机制提供物理依据.研究结果表明,低频条件下快纵波孔压在介质层内近于定值,慢纵波通过流体扩散改变总孔隙压力, 随频率的增加慢波所形成的流体扩散作用逐渐减弱致使介质中总孔压逐渐接近于快纵波孔压,在较高频率下孔压与应力的二次耦合作用使总孔压超过快纵波孔压.介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,其纵波速度-含水饱和度变化形式也从符合孔隙流体均匀分布模式过渡到斑块分布模式,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性.     

基于临界孔隙度模型的地震波传播

基于岩石物里学中临界孔隙度模型,建立一种简洁的均匀弹性流体饱和孔隙介质模型,进行地震波传播研究.首先定义了构建目标模型的基本力学模型:介绍了全孔隙度区间内基本力学模型和目标孔隙介质的含义,其中基本力学模型除了完全弹性固体模型S和完全弹性流体模型F还包括临界孔隙模型C.然后通过等效力学模型推出了目标力学模型介质本构关系的组分表达形式.文中分别通过直接求取弹性参数的表达形式和运用应力应变关系两种方法得到介质模型的本构关系,进而得到该模型波动方程的组分表达形式.最后对这种介质模型进行了地震波传播的数值模拟,结合模拟结果分析孔隙对地震波传播的影响.     

裂缝诱导双相HTI介质地震波场错格伪谱法模拟与波场特征分析

裂缝诱导的双相具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质模型是由一组平行排列的垂直裂缝嵌入到统计各向同性的流体饱和多孔隙岩石中而组成的,它综合考虑了裂缝型储层岩石的各向异性和孔隙性.高精度的地震波场数值模拟技术是研究该介质中地震波传播规律的主要方法.本文结合错格伪谱法和时间分裂法,求解描述该介质中地震波传播的一阶速度-应力方程.模拟了单层和双层模型中的地震波场,并对其进行了特征分析.研究结果表明:错格伪谱法能有效消除标准网格伪谱法波场模拟结果中出现的数值伪影现象,与时间分裂法结合能够获得稳定的、高精度的模拟结果;裂缝诱导双相HTI介质中的地震波场兼具裂缝各向异性介质和双相介质中传播的地震波的波场特征.