远探测声反射波测井裂缝识别条件分析（英文）

裂缝识别对碳酸盐岩储层测井评价至关重要,传统的测井仪器由于探测深度浅(小于3米)而无法对井壁外围(大于3米)裂缝发育情况进行评价,远探测声波测井仪器釆用相控阵发射、同时加大源距,有效提升了测井仪器的探测深度。但由于缺少正演模拟研究,目前对于裂缝的解释往往是基于经验而缺乏理论依据,导致很多现象难以解释。本文利用髙阶有限差分方法对远探测声反射波测井裂缝识别进行了正演模拟及叠前逆时偏移成像研究,首先在理论研究的基础上构建正演模型,重点研究不同裂缝离井壁距离、裂缝张开度和倾角的响应特征;其次在单因素变化基础上提取成像区域的能量强度,分析确定出在实际地层速度有波动变化时远探测声反射波测井方法能够识别裂缝的条件;最后通过对裂缝识别的影响因素定量化分析,确定裂缝识别的最大距离、最小张开度和最小倾角,降低了裂缝识别与评价中的多解性。研究成果对远探测声反射波测井仪器的发展、数据处理方法的改进,以及后续的测井解释工作都有一定的借鉴意义。     

基于PML边界条件的二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟

完全匹配层(PML)作为一种稳定高效的吸收边界条件,广泛应用于基于一阶电磁波动方程的探地雷达(GPR)数值模拟中.为解决基于二阶电磁波动方程的GPR数值模拟的吸收边界问题,本文借鉴二阶弹性波动方程的PML边界条件构建思想,提出了一种适合二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟的PML边界条件.从二阶电磁波动方程出发,基于复拉伸坐标变换,推导了PML算法的频域表达式;通过合理构造辅助微分方程,得到了PML算法的时域表达式,并以变分形式(弱形式)加载到GPR时域有限元方程中,实现了PML边界条件在二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟中的应用.在此基础上,对比了无边界条件、Sarma边界条件和PML边界条件下均匀模型的波场快照、单道波形、时域反射误差和能量衰减曲线,结果表明:PML边界条件的吸收效果要远优于Sarma边界条件,具有近似零反射系数.一个复杂介质模型的正演模拟验证了PML边界条件在非均匀地电结构中电磁波传播模拟的良好吸收效果.     

用正演数值计算方法开展双侧向测井对裂缝的响应研究

采用有限元分析软件ANSYS对裂缝的双侧向测井视电阻率与裂缝孔隙度、泥浆电阻率、裂缝倾角和基岩电阻率的关系进行了计算. 在大量正演数据的基础上得出双侧向测井响应反演公式和裂缝孔隙度计算公式,提出更为精细的裂缝倾角的弹性划分模型,用双侧向视电阻率值近似估算裂缝倾角的方法,提高了利用双侧向测井求裂缝产状与裂缝孔隙度（裂缝宽度）的精度.     

声反射成像测井在地层中的三维波场模拟方法研究

声反射成像测井方法和仪器近来成为勘探地球物理界的新研究热点.但有利于成像的反射波信号与井中的模式波叠加而难以分离出来.为了改进仪器设计,研究更有效的数据处理和解释方法,必须用以波动方程为基础的数值模拟方法来精确描述声反射成像测井的波场.为此建立了非均匀交错网格、加PML吸收边界的、能够用于正交各向异性介质的3维有限差分数值模拟方法和并行算法程序.将其应用于典型各向同性和各向异性地层中反射声波成像测井的三维波场模拟,并与已公开发表的应用离散波数方法的相应结果对比,证明了此方法正确、算法高效.模拟的波场动态范围能够大于60dB,计算速度比常规算法提高了3.5倍.这些技术能够正确、有效地模拟大尺度(在10m左右)、较高频率(10kHz左右)的反射声波成像测井波场.为我们研究声反射成像测井仪器和资料处理解释方法提供了有力的定量分析工具.     

高分辨率Radon变换及其在声反射成像测井中的应用

声波反射成像测井是利用阵列声波测井的反射波进行井旁构造成像的测井新方法,由于是从滑行波能量较强的阵列声波信号中来获得反射波,因此反射波的提取问题尤为重要,文中采用能使波场更加聚焦的高分辨率Radon变换来提取反射波.分析得出滑行波和反射波到时在阵列数据道情况下表现为线性或近似线性特征,因而采用线性Radon变换方法.首先分析了声反射成像测井不同数据道集的波场几何特征,得出滑行波和反射波在不同道集都表现有不同程度的视速度差异,为反射波提取提供了依据.传统的Radon变换采用的最小二乘法不能使同相轴在Radon域足够聚焦,结合最大熵原理和贝叶斯原理实现了线性高分辨率Radon变换,模型数据处理结果表明后者可以在较复杂条件下提取出期望的波场.采用高阶交错网格有限差分模拟得到软、硬地层声反射成像测井波场,处理结果表明,相对于最小二乘Radon变换,采用高分辨率Radon变换后可以使波场更加聚焦,能提取出高质量的反射波,并能适应不同性质地层,相比于目前应用较多的反射波提取方法,其结果更接近于理论波形.实际数据处理也表明了该方法的有效性和准确性.该方法在声反射成像测井的速度分析、数据道插值以及偶极反射波提取方面有一定潜力,需要进一步研究.     

随钻伽马测井快速正演算法及地质导向应用

在定向井及水平井钻井过程中,常采用地质导向技术;地质导向的关键在于实时确定地层界面和产状、实现地层模型的实时更新和井眼轨迹的及时调整,从而最大限度地提高油层的钻遇率.利用基于地层模型的测井响应正演曲线与随钻测井曲线进行对比是确定地层界面的有效方法;本文基于伽马射线在地层中的衰减规律,导出了不同地层模型中随钻伽马测井响应快速正演算法,克服了目前难以将蒙特卡罗算法用于实时随钻伽马测井正演的困难.应用实例表明该方法可以有效地辅助实时判定实际地层界面,更好地实现地质导向.     

基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟.     

地震正演数值模拟完全匹配层吸收边界条件研究综述

由于对边界反射具有优秀的吸收效果,完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)吸收边界条件自被提出就受到了广泛的关注和研究,并发展成为地震正演数值模拟中应用最广泛的边界条件.随着地震正演数值模拟技术的发展,对PML边界条件的研究取得了显著的进展,发展形成了多种PML边界条件,并在声波、弹性波等多种方程的地震正演数值模拟中得到了广泛的应用,取得了良好的效果.但是,对于该领域涌现出的大量的研究成果,缺少系统总结的综述性文献.为此,本文归纳梳理了近年来PML边界条件在地震正演数值模拟领域的研究和应用成果,分阶段地概述了PML边界条件的发展进程.最后讨论总结了各种方法的异同之处,并对地震正演数值模拟领域中PML边界条件的研究方向进行了展望.     

耦合PML边界条件的三维大地电磁二次场有限差分法

本文将大地电磁场分解为一次场和二次场,应用交错网格有限差分法模拟计算大地电磁二次场,并引入各向异性最佳匹配层(PML)吸收边界条件作为二次场边界条件,实现了耦合PML吸收边界条件的三维大地电磁二次场有限差分正演模拟.为了确保正演的稳定性和效率,QMR求解器和磁感应矢量散度校正技术被用于PML吸收边界条件下系数矩阵的快速求解.三维模型正演响应表明,基于二次场的三维大地电磁有限差分算法具有较高的计算精度和可靠性.通过计算分析不同PML吸收因子条件的大地电磁正演结果,显示在适当的吸收因子下,PML吸收边界条件可较大幅度的减小外边界距离,从而有效的压缩模型求解空间,最终提高三维大地电磁正演模拟的效率.     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上，将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中，探讨了PML应用的可行性，并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率，比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异，对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明， 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性，但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果，在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显；PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中，未见失稳等不良反应，比MTF人工边界有更好的稳定性；在合理选择参数的情况下，PML人工边界的运算量可接受.      

三维弹性波正演模拟中的混合吸收边界条件（英文）

地震波场数值模拟中不可避免地会出现边界反射,一般采用吸收边界条件以压制人工边界反射。目前常用的分裂式完全匹配层(PML)边界条件需要在边界处进行特殊处理,尤其是在三维情况下需要将变量分裂为三个分量,增加了数值模拟的计算时间和内存占用量。与分裂式PML吸收边界条件相比,混合吸收边界条件(HABC)具有易于实现、计算量小和吸收效果好等优点,可以提高三维波动方程数值模拟的计算效率。本文将基于一阶Higdon单程波方程的混合吸收边界条件从二维计算域发展到三维,提出了适用于三维弹性波数值模拟的混合吸收边界条件。均匀模型以及复杂模型的三维数值模拟结果表明,混合吸收边界条件与传统的完全匹配层边界条件相比,具有效率高、吸收效果好的优势。     

基于反射地震数据的时频域包络反演

包络信号含有丰富的低频分量,即使在地震数据缺失低频条件下,包络目标函数也能有效缓解全波形反演的周期跳跃现象.但是,当初始速度模型较为平滑时,观测数据中的反射地震事件在模拟数据中没有与之相对应的波形,导致包络反演初期无法很好地利用反射波信号进行速度建模.本文提出基于反射地震数据的时频域包络反演方法,通过结合反射波全波形反演理论,构建反射波时频域包络目标函数,来提高包络反演的速度建模精度.本文首先利用Gabor变换获取时频域地震数据,并提取振幅信息,即为时频域包络信号.然后,推导反射波时频域包络反演的伴随震源和梯度算子.Marmousi模型数据测试结果表明,基于反射地震数据的时频域包络反演方法可以为全波形反演提供一个较好的初始速度模型.     

基于反射地震数据的时频域包络反演

包络信号含有丰富的低频分量,即使在地震数据缺失低频条件下,包络目标函数也能有效缓解全波形反演的周期跳跃现象.但是,当初始速度模型较为平滑时,观测数据中的反射地震事件在模拟数据中没有与之相对应的波形,导致包络反演初期无法很好地利用反射波信号进行速度建模.本文提出基于反射地震数据的时频域包络反演方法,通过结合反射波全波形反演理论,构建反射波时频域包络目标函数,来提高包络反演的速度建模精度.本文首先利用Gabor变换获取时频域地震数据,并提取振幅信息,即为时频域包络信号.然后,推导反射波时频域包络反演的伴随震源和梯度算子.Marmousi模型数据测试结果表明,基于反射地震数据的时频域包络反演方法可以为全波形反演提供一个较好的初始速度模型.     

基于递归积分的复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法

常规完全匹配吸收边界(PML)对以近掠射角入射到界面上的波以及低频波、损耗波都会产生虚假边界反射.基于递归积分的不分裂复频移PML算法,利用复频移拉伸函数,极大地改善了PML边界条件的性能,我们进一步推导出基于递归积分的不分裂复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法,对长条形介质模型进行数值模拟,与常规PML算法进行比较说明该算法对以掠射角入射到PML界面的波以及PML层内损耗波的吸收效果.     

三维随钻反射声波成像测井的数值模拟

采用有限差分方法对基于圆弧片状声源和接收器的三维随钻反射声波成像测井进行模拟,研究了反射信号的幅度、相位等参数随方位和源距的变化规律,着重分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性.研究结果表明,钻铤的存在使得圆弧片状声源能够向固定方位辐射声场,其主瓣三分贝角宽窄,旁瓣级低,向目的方位辐射的纵波场的幅度约为传统环状声源的0.6倍,适用于三维随钻反射声波成像测井;对于本文计算的井孔模型,反射波信号约为井孔导波信号的1/100;随着源距的增加,反射纵波幅度逐渐减小,转换波(P-SV、SV-P)的幅度先增加后减小,反射SV波的幅度增加,建议在实际应用中,选择合适源距的波形进行处理,并对其他非目的波动进行压制,以期获得更好的成像效果.本文模拟了在水平井中对地层上下界面进行探测的例子,结果显示,反射波纵波信号有较好的方位分辨率,能够准确获得井外波阻抗不连续界面的方位,而且对上、下界面的成像互不影响.     

随钻方位伽马测井快速正演及定向井动态监测

钻定向井水平井已成为近些年钻井行业的热点.钻水平井过程中,地质导向起着关键作用,井眼轨迹的动态监测是其中的一个重要方面,包括沿钻进方向钻头距上下界面距离及距界面的垂直距离等,从而使井眼轨迹尽量保持在目的层中,最大限度的提高油气采收率.本文基于方位伽马测井的测量原理并结合几何特征,推导了一种随钻方位伽马测井的快速正演方法,该方法使正演计算中的复杂性大大降低,克服了利用蒙特卡罗方法正演模拟的困难.同时,本文利用方位伽马正演模拟曲线,对钻进过程中沿钻进方向上钻头到层界面距离及钻头距界面的垂直距离进行了反演计算.通过正演及反演结果对比,证明该方法在地质导向中应用的可行性.     

基于卷积神经网络和MPGA-LM算法的阵列侧向测井快速反演方法

在大斜度井/水平井环境下,阵列侧向测井受钻井液侵入、地层倾角和各向异性等多种因素影响,导致测井响应复杂,需借助反演手段提取地层真实电阻率.然而,阵列侧向测井三维正演效率低,难以满足测井资料快速反演和油气藏快速评价的需求.为此,本文基于深度学习并联合混合多种群遗传(MPGA)与列文伯格马奎特(LM)算法建立了一种快速反演方法.首先从地层参数敏感性出发,基于严格的三维有限元正演算法,依次确定侵入、各向异性和地层倾角的敏感性大小;其次,引入深度学习和模型可视化技术,实现斜井各向异性地层阵列侧向测井响应的快速正演;最后,基于数据集分解技术和混合MPGA-LM算法,实现斜井各向异性地层电阻率剖面快速精确重构.数值模拟结果表明:斜井各向异性地层中,阵列侧向测井响应对侵入深度敏感性最高,各向异性和地层倾角次之;相较于反向传播神经网络(BPNN),二维卷积神经网络(2D-CNN)能够实现阵列侧向测井响应的快速精确计算,计算一个测井点仅需0.36 ms,精度可达99％左右;基于三层反演模型的MPGA-LM混合算法稳定性强,电阻率参数反演精度高的优点,可用于阵列侧向测井资料的快速处理.     

用传播矩阵法研究层状交错地层中的多分量感应测井

为了实现交错沉积等复杂环境中的电磁场数值模拟,本文在常规横向同性模型的基础上引入了电导率主轴坐标系相对地层坐标系的层理方位角和倾角,建立了交错地层模型.并利用传播矩阵法建立了一维层状交错地层模型中的多分量感应测井仪器响应的正演模拟算法.首先将频率-波数域中的电磁场分解为上行和下行模式波,给出了任意朝向的磁偶极子在无限大地层中模式波的解析解.进一步通过引入地层界面上的透射、局部反射以及广义反射系数矩阵,推导了一维层状地层中的模式波表达式.在此基础上,利用二维Gauss-Legendre积分实现了Fourier逆变换,得到了可用于多分量感应测井模拟的频率-空间域磁场并矢格林函数.最后,通过多个数值模拟结果考察了井眼倾角、层理方位角和倾角变化对多分量感应测井响应的影响.     

高阶交错网格和PML吸收边界在横向各向同性介质地震波场模拟中的应用

完全匹配层吸收边界条件通常可以很好地吸收模型边界的地震反射波,但对于横向各向同性介质的模拟效果欠佳,且尚在发展阶段。为此,文中推导了横向各向同性介质中弹性动力学波动方程,给出了施加完全匹配层(PML)吸收边界条件下时间域二阶、空间域十阶精度的高阶交错网格的有限差分形式,并分别建立了均匀的垂直向对称轴的横向各向同性介质(VTI介质)和倾斜向对称轴的横向各向同性介质(TTI介质)模型。计算结果表明,对于对称轴为任意角度的横向各向同性介质,当PML边界层厚度达到一定的数值时,可以很好地抑制人工边界所产生的地震波反射效应,且PML的吸收效果不会被入射角与入射波频率影响。     

探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究

介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数α,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML.