基于横向各向同性BISQ方程的弹性波传播数值模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制. 近年来，利用同时处理这两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)模型，弹性波衰减和频散的问题已被广泛研究；然而基于BISQ方程的波场数值模拟尚未见到公开的报道．本文从BISQ方程出发，利用交错网格方法对横向各向同性孔隙介质中不同频率和相界情况，以及双层介质中的弹性波传播进行数值模拟，研究了在同时考虑两种流动机制作用情况下地震波和声波的传播特性及传播过程中出现的各种波动现象．      

基于Kelvin-Voigt黏弹性骨架的含非饱和流体孔隙介质BISQ模型(英文)

本文综合考虑了在波传播过程中孔隙介质的三种重要力学机制——"Biot流动机制一squirt流动机制-固体骨架黏弹性机制",借鉴等效介质思想,将含水饱和度引入波动力学控制方程,并考虑了不同波频率下孔隙流体分布模式对其等效体积模量的影响,给出了能处理含粘滞性非饱和流体孔隙介质中波传播问题的黏弹性Biot/squirt(BISQ)模型。推导了时间-空间域的波动力学方程组,由一组平面谐波解假设,给出频率-波数域黏弹性BISQ模型的相速度和衰减系数表达式。基于数值算例分析了含水饱和度、渗透率与频率对纵波速度和衰减的影响,并结合致密砂岩和碳酸盐岩的实测数据,对非饱和情况下的储层纵波速度进行了外推,碳酸盐岩储层中纵波速度对含气饱和度的敏感性明显低于砂岩储层。     

多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.     

基于Biot-Squirt方程的波场模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制,对地震波和声波的传播均产生重要影响. Dvorkin和Nur提出了同时包含Biot流动和喷射流动力学机制的统一的BISQ(Biot-Squirt)模型,基于这一模型,尽管有关弹性波在多孔隙介质中的衰减和频散问题已被广泛研究,然而,基于BISQ波传播方程的波场数值模拟至今仍未见报道. 本文从同时包含两种力学机制的孔隙弹性波方程出发,利用FCT有限差分法对含流体孔隙各向同性介质中的地震波和声波进行了数值模拟,并与基于Biot流动的Biot理论之模拟结果进行比较. 数值模拟结果表明:同时包含Biot流动和喷射流动影响的地震波和声波速度比仅包含Biot流动作用的地震波和声波速度慢,慢P波的衰减比根据Biot理论模拟的慢P波衰减更强.     

Biot流动和喷射流动耦合作用下波传播的FCT紧致差分模拟

本文从含流体多孔隙介质中同时包含Biot流动和喷射流动两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)方程出发,利用FCT(Flux-Corrected Transport)紧致差分方法数值模拟了在Biot流和喷射流共同作用下的波在含流体多孔隙各向同性介质中的传播.通过与仅受Biot流动作用下的波场结果对比,我们研究了...     

基于改进BISQ机制的双相HTI介质波传播伪谱法模拟与特征分析

改进BISQ(Biot-Squirt)机制在不引入特征喷流长度的情况下,将含流体孔隙介质中Biot流动和喷射流动两种重要的力学机制有机地结合起来,且各相关参数具有明确物理意义和可实现性.本文将改进BISQ机制一维孔隙流体压力公式推广到三维具有水平对称轴横向各向同性介质(HTI介质)情况,结合裂缝各向异性理论,给出了基于改进BISQ机制的双相HTI介质模型及其二维三分量波传播方程,采用伪谱法求解该方程,进行了不同相界、不同频率以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.数值模拟结果表明:伪谱法模拟精度高,压制网格频散效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;基于改进BISQ机制的双相HTI介质模型兼具裂缝各向异性特征和孔隙弹性特征,其为从双相各向异性理论角度深入研究裂缝性储层的地震响应奠定了理论基础.     

裂缝性孔隙介质储层参数全波形反演的高效计算

基于BISQ机制的裂缝孔隙介质储层参数(孔隙度、固相密度和流相密度)全波形反演对于BISQ理论的推广应用以解决油气勘探和开发的实际问题具有重要意义.然而,庞大的计算量将限制其发展和应用.本文提出了将小生境主从式并行遗传算法与多震源混合激发采集技术相结合的方法来改善这一问题.最后,以双层的基于BISQ机制的二维裂缝孔隙介质模型为例,进行了储层参数反演的数值分析.数值反演算例结果表明:基于小生境主从式并行遗传算法和多震源混合激发采集技术的储层参数反演方法极大地提高了原小生境遗传算法储层参数反演的计算效率,为利用孔隙介质储层参数反演进行油气预测和油藏监测奠定了理论基础.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

基于Zener线性体的黏弹孔隙介质衰减频散特征分析

地震波传播经过储层时,表现出明显的衰减和频散特征.该现象的主要成因应该包含两种机制:一是固体骨架的黏弹机制,二是孔隙流体的流动机制.这两种机制在单独研究时具有各自的局限性.Zener线性体模型描述的黏弹机制将储层等效为一个固体,忽略了孔隙中流体流动造成的地震波衰减;而BISQ模型考虑了储层的双相结构以及宏观及微观的孔隙流体流动机制,但其模拟衰减频带处于高频,不能解释在地震频带明显的衰减现象.本文分析了Zener模型和BISQ模型的作用机制,并将两种机制结合,推导了Zener-BISQ模型的本构方程.通过求解新模型的平面波解,分析了其相速度和逆品质因子的衰减和频散特征.最后,通过3个模型的数值实验研究了Zener模型其中的作用和控制方式.     

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.     

基于储层砂岩微观孔隙结构特征的弹性波频散响应分析

储层砂岩微观孔隙结构特征不仅影响干燥岩石的弹性波传播速度,也决定了岩石介质中与流体流动相关的速度频散与衰减作用.依据储层砂岩微观结构特征及速度随有效压力变化的非线性特征,将其孔隙体系理想化为不同形状的硬孔隙(纵横比α0.01)与软孔隙(纵横比α0.01)的组合(双孔隙结构).基于孔弹性理论,给出软孔隙最小初始纵横比值(一定压力下所有未闭合软孔隙在零压力时的纵横比最小值)的解析表达式,并在此基础上利用岩石速度-压力实验观测结果给出求取介质中两类孔隙纵横比及其含量分布特征的方法.通过逐步迭代加入软孔隙的方法对基于特征纵横比的"喷射流"(squirt fluid)模型进行了扩展,以考虑复杂孔隙分布特征对岩石喷射流作用的影响及其可能引起的速度频散特征.相较于典型的喷射流作用速度频散模式,对于岩石中软孔隙纵横比及其对应含量在较宽的范围呈谱分布的一般情况,其速度频散曲线不存在明显的低频段和中间频段,速度随频率的增大呈递增趋势直至高频极限.这说明即使在地震频段,微观尺度下的喷射流作用仍起一定作用,同样会造成流体饱和岩石介质的地震速度与Gassmann方程预测结果有不可忽略的差异.本文是对现有喷射流模型的重要补充,也为利用实验数据建立不同频段间岩石弹性波传播速度的可能联系提供了理论依据.     

基于BISQ模型的三维双相各向异性介质数值模拟

Biot-flow and squirt-flow are the two most important fluid flow mechanisms in porous media containing fluids. Based on the BISQ （Biot-Squirt） model where the two mechanisms are treated simultaneously, the elastic wave-field simulation in the porous medium is limited to two-dimensions and two-components （2D2C） or two-dimensions and three-components （2D3C）. There is no previous report on wave simulation in three- dimensions and three-components. Only through three dimensional numerical simulations can we have an overall understanding of wave field coupling relations and the spatial distribution characteristics between the solid and fluid phases in the dual-phase anisotropic medium. In this paper, based on the BISQ equation, we present elastic wave propagation in a three dimensional dual-phase anisotropic medium simulated by the staggered-grid high-order finite-difference method. We analyze the resulting wave fields and show that the results are an improvement.     

砂泥岩储层孔隙度和含水饱和度同步反演

基于岩石物理和地震反演理论,提出了一种同步反演储层孔隙度和含水饱和度的方法.以岩石物理为基础,建立了砂泥岩储层物性和弹性参数之间定量的关系-Simon模型,以贝叶斯理论为手段,结合不同类型的砂泥岩储层,建立了多信息联合约束的物性参数反演目标函数,并通过蒙特卡罗和遗传算法相结合的思路求解该目标函数,最终得到孔隙度和含水饱和度的同步反演结果.将该方法应用于河道砂和砂砾岩两种不同的砂泥岩储层中,孔隙度和含水饱和度数据的联合应用,进一步减少了储层预测的多解性,为石油地质综合研究提供了更加丰富准确的基础数据.     

Two-dimensional inversion of magnetotelluric data with consecutive use of conjugate gradient and least-squares solution with singular value decomposition algorithms

I investigated the two‐dimensional magnetotelluric data inversion algorithms in studying two significant aspects within a linearized inversion approach. The first one is the method of minimization and second one is the type of stabilizing functional used in parametric functionals. The results of two well‐known inversion algorithms, namely conjugate gradient and the least‐squares solution with singular value decomposition, were compared in terms of accuracy and CPU time. In addition, magnetotelluric data inversion with various stabilizers, such as L2‐norm, smoothing, minimum support, minimum gradient support and first‐order minimum entropy, were examined. A new inversion algorithm named least‐squares solution with singular value decomposition and conjugate gradient is suggested in seeing the outcomes of the comparisons carried out on least‐squares solutions with singular value decomposition and conjugate gradient algorithms subject to a variety of stabilizers. Inversion results of synthetic data showed that the newly suggested algorithm yields better results than those of the individual implementations of conjugate gradient and least‐squares solution with singular value decomposition algorithms. The suggested algorithm and the above‐mentioned algorithms inversion results for the field data collected along a line crossing the North Anatolian Fault zone were also compared each other and results are discussed.     

Two-dimensional inversion of spectral induced polarization data using MPI parallel algorithm in data space

Traditional two-dimensional (2D) complex resistivity forward modeling is based on Poisson’s equation but spectral induced polarization (SIP) data are the coproducts of the induced polarization (IP) and the electromagnetic induction (EMI) effects. This is especially true under high frequencies, where the EMI effect can exceed the IP effect. 2D inversion that only considers the IP effect reduces the reliability of the inversion data. In this paper, we derive differential equations using Maxwell’s equations. With the introduction of the Cole–Cole model, we use the finite-element method to conduct 2D SIP forward modeling that considers the EMI and IP effects simultaneously. The data-space Occam method, in which different constraints to the model smoothness and parametric boundaries are introduced, is then used to simultaneously obtain the four parameters of the Cole—Cole model using multi-array electric field data. This approach not only improves the stability of the inversion but also significantly reduces the solution ambiguity. To improve the computational efficiency, message passing interface programming was used to accelerate the 2D SIP forward modeling and inversion. Synthetic datasets were tested using both serial and parallel algorithms, and the tests suggest that the proposed parallel algorithm is robust and efficient.