各向异性介质中的弹性阻抗及其反演

地震反演已成为油藏描述中的重要组成部分.绝大多数的常规地震反演是叠后地震数据体上进行,很少考虑各向异性存在的情况.随着勘探开发的发展,地震各向异性和叠前地震波阻抗反演引起了人们极大关注.本文在各向同性介质中弹性阻抗研究基础上,推导出了各向异性介质中的弹性阻抗方程,提出了地震各向异性介质中用弹性阻抗进行储层参数描述的技术路线和框架,并对反演过程中存在的问题进行了有益探讨.     

VTI介质SH-SH波地震反演方法研究

近年来,随着横波可控震源技术的发展,国内外已经实现了纯横波地震勘探.相较于地震纵波,地震横波对横波阻抗、横波速度尤其是各向异性参数变化更为敏感,因此地震横波能够用来更好地估算上述地层参数.VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)是地层介质中广泛存在的一种各向异性形式,对振幅随偏移距变化(AVO)影响显著.本文提出了一种改进的VTI介质SH-SH波反射系数近似公式,新公式具有较高的精度且仅包含两项待求参数：横波阻抗和水平横波(SH波)速度.基于新方程建立了VTI介质SH-SH波反演方法,该方法相比VTI介质的PP波反演不确定性明显下降,同时降低了常规PP波各向异性反演对大角度数据的要求.为了获得独立的横波各向异性参数,进一步地提出了一种基于岩石物理关系的横波各向异性参数估算方法.合成地震数据测试和柴达木盆地九分量地震勘探实际地震数据应用结果表明,新方法能够准确地预测地层的横波阻抗、水平横波(SH波)速度、各向异性参数,为各向异性地层的岩性解释和油气储层预测提供了可靠的解决方案,从而深化了横波地震勘探的应用潜力.     

弱各向异性介质中P-SV波弹性阻抗与流体识别因子(英文)

基于Petr Jilek正交各向异性介质中的P-SV波反射系数精确公式,通过近似得到VTI和HTI介质中的P-SV波近似公式,同时结合Kenneth横波弹性阻抗原理,推导建立了VTI和HTI介质中P-SV波的弹性阻抗近似公式;在此基础上构建了弱各向异性介质中的流体识别因子公式,通过理论模型对Castagna和Smith的岩性组合进行了识别;最后详细分析了各向异性参数的取值对P-SV波弹性阻抗及识别因子产生的影响及变化趋势。     

三维TTI介质相速度和群速度

相速度和群速度是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,是弹性波传播理论中的核心内容,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文根据VTI介质的刚度矩阵,利用Bond变换建立了TTI介质刚度矩阵.再利用TTI介质刚度矩阵,结合弹性动力学的本构方程、牛顿运动微分方程和几何方程,得到了三维TTI介质弹性波波动方程和Christoffel方程.通过本征值方法求解Christoffel方程,推导了三维TTI介质弹性波相速度的解析表达式.利用Berryman和Crampin推导各向异性介质群速度公式,根据三维TTI介质的相速度解析式推导了三维TTI介质群速度解析表达式.数值试例表明,随着各向异性介质参数改变,TI介质弹性波相速度变化较为平缓,群速度变化较为剧烈,qP波和SH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.     

基于地震正交各向异性的裂缝介质岩石力学建模研究

岩石力学模型是描述地层原地应力状态的基础,而常规各向同性模型难以刻画地层本征横观各向同性(VTI)和天然高角度裂缝的耦合作用,建立更为准确的正交各向异性模型变得尤为重要.本文利用VTI介质中发育单组垂直缝的Schoenberg裂缝等效模型,简化了一般正交各向异性介质的表征参数,推导了由背景VTI介质弹性参数和裂缝参数的各向异性杨氏模量、泊松比和水平地应力的精确方程.借鉴Thomsen弱各向异性近似思路,舍去裂缝弱度参数高阶扰动项,推导了正交各向异性介质岩石力学近似方程,由裂缝弱度表示的近似方程更为直观地反映了裂缝对背景介质力学性质的影响,杨氏模量和泊松比值随裂缝法向弱度的增大而显著减小.选取页岩实验数据进行数值实验,结果表明本文方程与实际物理规律相吻合,随裂缝弱度的增加,形成相同应变所需的水平地应力值降低,且近似方程与模拟结果相对误差小于5%,有助于提高岩石力学参数估算和地应力预测精度.     

非均匀正交各向异性特征参数地震散射反演方法研究

在长波长假设条件下,水平层状地层中发育一组垂直排列的裂缝构成了等效正交各向异性介质.各向异性参数与裂缝弱度参数的估算有助于非均匀各向异性介质的各向异性特征描述,而弹性逆散射理论是非均匀介质参数反演的有效途径.基于地震散射理论,我们首先推导了非均匀正交介质中纵波散射系数方程,并通过引入正交各向异性特征参数,提出了一种新颖的正交各向异性方位弹性阻抗参数化方法.为了提高反演的稳定性与横向连续性,我们发展了贝叶斯框架下的正交各向异性方位弹性阻抗反演方法,同时考虑了柯西稀疏约束正则化和平滑模型约束正则化,最终使用非线性的迭代重加权最小二乘策略实现了各向异性特征参数的稳定估算.模型和实际资料处理表明,反演结果与测井解释数据相吻合,证明了该方法能够稳定可靠地从方位叠前地震资料中获取各向异性特征参数,减小参数估算的不确定性,为非均匀正交介质的各向异性预测提供了一种高可靠性的地震反演方法.     

基于一阶速度-应力方程的VTI介质最小二乘逆时偏移

地下地层普遍存在各向异性,忽略介质各向异性会导致速度估计不准确,成像精度下降.基于二阶声波方程的最小二乘逆时偏移忽略了介质各向异性及密度变化的影响,致使模拟地震数据与实际观测数据不匹配,影响收敛速度和反演成像质量.VTI介质一阶速度-应力方程能较好适应各向异性变密度情况,为此,本文首先从VTI介质一阶速度-应力方程出发,进行波动方程线性化;其次推导了相应的扰动方程和伴随方程,并通过伴随状态法得到梯度更新公式;最终形成基于一阶方程的LSRTM算法理论及实现流程.在实现算法的基础上,通过数值试算及成像结果对比,验证了本文算法在处理变密度和VTI介质时的有效性和优越性.偏移速度以及各向异性Thomsen参数误差的敏感性测试及误差收敛曲线对比结果进一步表明:速度及Thomsen参数对成像结果存在明显影响,其中速度敏感性最强,参数epsilon次之,参数delta的敏感性最弱.     

等价各向异性介质一阶拟声波 方程正演模拟及其效率分析

为克服各向异性弹性波动方程正演模拟的局限,本文研究了各向异性介质拟声波方程的交错网格有限差分数值解法.首先,从VTI介质胡克定律和qP-qSV波频散关系两种思路出发,通过声假设近似,给出了两种不同形式的VTI介质一阶拟声波方程,并通过引入波场的伪速度分量,推导了一种新的VTI介质一阶应力-速度方程,并通过旋转坐标系将其推广到TTI介质中;其次,构造了一阶拟声波方程的交错网格高阶有限差分格式,并推导了相应的PML边界条件;最后,对本文方法中固有的qSV人为干扰波的产生机制和压制方法进行了简单讨论.数值结果表明:3种一阶拟声波方程在运动学和动力学上是等价的,相对于各向异性弹性波正演模拟,其节省了内存,提高了计算效率;各向异性因素会影响反射波旅行时和振幅等波场特征,在后续的处理、反演和解释中不可忽略;VTI介质HESS模型的逆时偏移结果也验证了本文方法的合理性.      

VTI介质长偏移距非双曲动校正公式优化

常规Alkhalifah动校正公式精度低,不能精确描述各向异性介质长偏移距地震反射同相轴的时距关系.本文以提高VTI介质长偏移距地震资料动校正公式的精度为目标,在分析VTI介质常规动校正方程的基础上,根据误差最小原理建立优化校正系数图版,实现对常规动校正公式大偏移距误差的修正,建立最优化校正Alkhalifah动校正方程,实现了对VTI介质长偏移距地震资料常规动校正方程的改进.之后由Fomel群速度公式导出高精度VTI模型长偏移距时距函数,提出了高精度VTI介质长偏移距地震资料动校正方程.将以上的动校正方程用于各向异性参数反演,模型计算表明最优化校正Alkhalifah动校正方程的反演精度是常规长偏移距动校正方程反演精度的2～4倍,高精度动校正方程的反演精度是常规动校正方程反演精度的2～8倍.     

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合,使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例,在各参数辐射模式分析的基础上,基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取,进一步构建高斯牛顿方向,实现Hessian矩阵的有效利用,以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应,在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时,该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵,且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算,因此内存占用小,计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性,为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.     

基于叠前地震纵横波模量直接反演的流体检测方法

流体因子是储层流体识别的重要方法,而叠前地震反演是获得流体因子的有效途径之一.本文从流体因子的构建出发,基于多孔弹性介质岩石物理模型,建立了流体因子与纵横波模量之间的直接关系,避免了流体因子计算所需的密度参数无法准确求取的问题,通过推导基于纵横波模量的Zeoppritz近似方程及弹性阻抗方程,探讨了基于弹性阻抗的纵横波模量直接反演方法,模型与实际应用表明,基于弹性阻抗的纵横波模量直接反演方法合理、可靠,减少了常规方法间接计算纵横波模量带来的累积误差,基于纵横波模量的流体因子计算方法有较好的实际应用效果.     

基于LS-RSGFD方法优化的横向各向同性(TI)介质一阶qP波高精度数值模拟

为克服各向异性介质弹性波数值模拟中存在着计算量大和波场分离困难等局限,研究了声学近似的VTI介质和TTI介质一阶qP波数值模拟方法.首先对VTI介质弹性波方程进行声学近似,推导了VTI介质一阶qP波方程;然后基于精确的TTI介质频散关系,引入一个包含各向异性控制参数σ的新辅助波场,推导了稳定的TTI介质二阶耦合qP波波动方程,并通过引入波场的伪速度分量,推导了等价的一阶应力-速度形式.结合旋转交错网格有限差分(RSGFD)和基于最小二乘优化的有限差分(LS-FD)两种各具优势的方法,研究了最小二乘旋转交错网格有限差分(LS-RSGFD)方法,并用其数值求解VTI和TTI介质一阶qP波方程,然后通过构造其LS-RSGFD格式,实现了高精度的各向异性介质qP波波场数值模拟.数值模拟结果表明:TI介质一阶qP波方程能够准确地模拟各向异性介质中qP波的运动学特征,引入控制参数σ能够有效地减弱不稳定性问题,保证非均匀TTI介质中qP波场的稳定传播;利用优化的LS-RSGFD方法可以得到高精度的合成地震记录,同时还可以相对地提高计算效率.     

基于基追踪弹性阻抗反演的深部储层流体识别方法

深部储层地震资料通常照明度低、信噪比低、分辨率不足,尤其是缺乏大角度入射信息,对深部储层流体识别存在较大影响.Gassmann流体项是储层流体识别的重要参数,针对深层地震资料的特点,本文首先在孔隙介质理论的指导下,推导了基于Gassmann流体项与剪切模量的两项AVO近似方程.通过模型分析,验证了该方程在小角度时与精确Zoeppritz方程误差很小,满足小角度入射条件下的近似精度要求.然后借助Connolly推导弹性阻抗的思想,推导了基于Gassmann流体项与剪切模量的两项弹性阻抗方程.针对深部储层地震资料信噪比差的特点,利用奇偶反射系数分解实现了深部储层基追踪弹性阻抗反演方法,最后提出了基于基追踪弹性阻抗反演的Gassmann流体项与剪切模量的求取方法,并将提取的Gassmann流体项应用于深部储层流体识别.模型测试和实际应用表明该方法稳定有效,具有较好的实用性.     

针对深层流体识别的两项弹性阻抗反演与Russell流体因子直接估算方法研究

Russell流体因子是判识深层储层含流体特征的敏感指示参数.针对深层地震资料缺失大角度入射信息以及信噪比普遍较低的特点,开展了基于贝叶斯理论框架的两项弹性阻抗反演与Russell流体因子直接估算方法研究.首先,在饱和孔隙弹性介质理论的指导下,推导了包含Russell流体因子和纵波阻抗参数的两项反射系数近似公式,并且进一步得到了新的两项弹性阻抗方程.其次通过模型的近似精度分析,验证了新弹性阻抗方程满足小角度近似精度要求.最后提出了贝叶斯弹性阻抗反演和Russell流体因子的直接估算方法,通过模型试算表明直接估算方法不仅充分利用了弹性阻抗反演的高抗噪性与实用性,并且有效的避免了间接累计误差对流体因子计算精度的影响,实际应用则进一步验证了直接估算的Russell流体因子可以提高深层储层流体识别的可靠性.     

VTI介质纯P波混合法正演模拟及稳定性分析

各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性.     

基于入射角的两项流体阻抗反演方法

本文在孔隙弹性介质理论的指导下,基于入射角AVO近似方程推导了包含Russell流体项的两项AVO近似方程和相应的弹性阻抗方程,通过分析可知其精度符合反演要求.在贝叶斯理论框架下,建立了包含正则化约束的弹性阻抗反演方法,在此基础上直接提取Russell流体项.该方法可在缺少大角度叠前地震资料的情况下进行叠前直接反演得到流体因子,减少传统方法带来的累积误差.模型试算表明,该方法具有较好的准确度和稳定性.实际工区应用取得了良好的效果,表明该方法有实用性.     

基于波动方程的微地震震源位置、震源时间及VTI介质各向异性参数联合反演

对于非常规油气开发,水力压裂监控的效果取决于对微地震事件的分析、解释。准确的微地震震源位置是关乎施工成败的重要因素。微地震震源位置的准确性与多个参数相关,其不仅依赖于微地震事件的激发时间,同时也依赖于储层介质参数信息,因此进行微地震震源位置、震源时间、储层介质参数的联合反演尤为重要。页岩气储层通常表现出较强的各向异性,VTI介质可对其进行较好的近似描述。基于VTI介质波动方程,本文提出了同时反演微地震震源位置、震源时间以及VTI介质各向异性参数的联合反演方法。数值算例结果表明,该联合反演方法可以通过迭代反演同时得到高精度的微地震震源位置、震源激发时间以及VTI介质各向异性参数信息。     

基于Fatti近似的弹性阻抗方程及反演

用Connolly的弹性阻抗(EI,elastic impedance)公式进行反演只能直接得到纵、横波速度和密度的信息,然后才可间接计算得到纵横波阻抗等其它的参数数据体,这样便增加了一步误差使数据的准确性降低.本文首先针对该方法的这些缺点和不足,提出了以Zoeppritz方程的Fatti近似为基础一种新的弹性阻抗公式,由该公式可得到比用Fatti近似更准确的反射系数,然后对这个公式进行了标准化以实现不同角度的弹性阻抗间量纲的统一,最后用标准化后的公式进行了反演,从反演得到的不同角度的弹性阻抗数据体中可直接提取得到纵横波阻抗数据体.应用实例表明用这种方法提取得到的纵横波阻抗更加稳定、准确,而且能很好地反映储层信息.这种新的方法是对以Connolly公式为基础的传统方法的改进.