二维弹性及粘弹性TTI介质中地震波场数值模拟:四种不同网格高阶有限差分算法研究

本文利用交错网格、辅助网格、旋转交错网格、同位网格有限差分方法分别模拟了二维弹性TTI介质和二维黏弹性TTI介质中的地震波传播.在稳定性条件内,选用不同的网格间距及时间间隔,通过波场快照、合成理论地震图较为系统分析对比了这四种不同网格有限差分数值模拟在计算精度、CPU时间、相移、频散、以及保幅方面的优缺点.数值模拟结果表明:1)这四种不同网格有限差分算法都是很好的波场数值模拟算法;2)就CPU计算时间而言,旋转交错网格有限差分算法的计算效率最高;3)从计算精度来看,同位网格有限差分的计算精度最高;4)从振幅保护方面来看,四种网格的保护振幅的能力相当;5)相移方面,当网格间距增大时,交错网格和旋转交错网格有可能出现相移现象;6)频散方面,同位网格的频散现象不明显.     

用于声波正演模拟的时空域高精度交错网格有限差分方法

地震正演模拟是逆时偏移和全波形反演中的核心问题之一,因为它们都需要高效、高精度地模拟波场正向和反向传播。为了提高数值模拟的精度,人们广泛采用高阶有限差分方法,但是大多数方法仅在空间上具有更高的精度,在时间上只有二阶精度。首先系统介绍时空域高精度交错网格有限差分方法的基本原理,然后利用模型验证方法的有效性,结果表明:时空域高精度交错网格有限差分方法拥有比常规交错网格有限差分方法更低的数值频散。      

波场模拟中的数值频散分析与校正策略

波动方程有限差分法正演模拟,对认识地震波传播规律、进行地震属性研究、地震资料地质解释、储层评价等,均具有重要的理论和实际意义.但有限差分法本身固有存在着数值频散问题,数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰,会降低波场模拟的精度与分辨率.针对TI介质波场模拟的交错网格有限差分方法,本文从空间网格离散、时间网格离散和算子近似等三个方面对其产生的数值频散进行了分析,并结合其他学者的研究成果给出了TI介质波场模拟中压制数值频散的方法与策略：在已知介质频散关系时,对差分算子可实施算子校正;通过提高差分方程的阶数来提高波场模拟精度;采用流体力学中守恒式方程的通量校正传输方法来压制波场模拟中的数值频散;在实际正演模拟时,采用交错网格高阶有限差分方程,不仅在空间上采用高阶差分,而且在时间上也要采用高阶差分,否则只在单一方向上（空间或时间）提高方程的阶数对压制数值频散也不会取得理想的效果.     

深度均匀采样梯形网格有限差分地震波场模拟方法

由于重力引起的岩石压实效应,一般来说,地震波传播速度由浅入深整体逐渐增大.梯形坐标系设计可耦合速度由浅入深逐渐增大的变化,该坐标系中均匀网格采样所对应的物理直角坐标系网格由浅入深逐渐增大,也即浅部低速区对应细网格,深部高速区对应粗网格.在梯形坐标系表征波动方程后利用有限差分求解,本文实现一种深度均匀采样、横向采样间隔随深度增加逐渐线性增大的有限差分地震波模拟方法.梯形坐标系波动方程离散后,仍采用常规均匀网格有限差分算法对其求解.由于横向网格大小由浅入深线性增加,本方法可避免不同大小网格区域过渡所产生的虚假反射.梯形坐标系波场模拟浅层精度高,深层横向响应范围广,可有效减少有限差分网格数量.本文提出的方法是在更广义的坐标系下利用有限差分求解波动方程,正交坐标系仅为该梯形坐标系之特例.本文旨在为大速度动态范围深地高效高精度地震波场模拟提供一种思路.     

交错网格与旋转交错网格对VTI介质波场分离的影响分析

利用交错网格有限差分和旋转交错网格有限差分进行各向异性介质弹性波场数值模拟时, 质点振动速度分量与应力张量的网格节点定义方式均不相同, 从而对各向异性波场分离效果产生不同的影响. 针对这一问题, 本文以具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质的波场分离为例, 首先分析了两种网格的参数定义方式以及VTI介质波场的分离过程; 其次, 详细研究和分析了这两种网格的参数定义方式对各向异性介质波场分离的影响, 并依据波前面连续性以及波场分离效果等方面, 通过数值模拟实验对该影响进行分析验证. 结果表明, 旋转交错网格的参数定义方式更有利于进行各向异性介质波场数值模拟和波场分离.      

地震资料宽频处理技术在天然气水合物矿体描述中的应用研究

针对天然气水合物钻探难以有效解决的矿体空间展布等难点,提出一套基于自适应鬼波压制技术的地震宽频处理技术,有效改善资料分辨率。首先采用上下行波场分离的鬼波压制技术实现对震源端和电缆端鬼波的压制;然后通过高精度网格层析反演速度建模技术获取高质量速度场,利用叠前深度偏移成像进一步提高水合物层成像精度。实践表明,相对于常规处理而言,宽频处理的水合物地震特征更清晰,细节信息更丰富,有利于天然气水合物矿体的准确描述。      

海上地震资料子波提取鬼波压制技术

海洋地震勘探由于受到海面强反射界面的影响,记录数据中存在鬼波,致使数据频谱中产生陷波效应,限制数据的频带宽度,影响数据的分辨率,干扰地层反射的识别.近年来发展的鬼波压制方法,能够较好的压制地震数据中的鬼波,然而现有鬼波压制技术容易产生延续相位,且计算效率较低.为进一步提高鬼波压制效果和工作效率,本文对海上地震资料特性进行分析,研究认为,海上地震资料中的海底反射信号真实记录了海底有效反射、震源鬼波和检波点鬼波的形态,可以利用提取的海底反射子波对数据进行确定性子波反褶积处理,能够有效的压制震源鬼波和检波点鬼波.模型海上实际数据测试结果表明,该方法具有鬼波压制效果好、计算效率高的优势,处理之后的数据频带得到有效拓宽,低频和高频信息均得到加强.     

高阶交错网格非稳态相移叠后深度偏移

为更好地研究复杂构造和速度分布条件下地震资料的精确偏移.在波场模拟方面,本文采用了高阶交错网格有限差分[1]推导了二维各向同性介质声波方程的数值模拟公式.并给出了声波方程完全匹配层吸收边界[2-5](PML).在偏移方面,本文介绍了一种能适应介质速度横向变化的非稳态相移算子(NSPS)[6]及其叠后深度偏移方法.并对简单的四层模型和Marmousi模型进行试算.偏移结果表明,该方法可以有效地处理复杂条件下的各向同性介质声波偏移问题.     

隧道工程勘察中的超前预报成像方法研究

针对地下工程领域隧道超前预报地震波波场传播与成像中存在的问题,通过数值模拟,构建二维含低速异常的隧道介质模型,研究隧道弹性波场传播规律和异常体边界成像准确性.首先,利用一阶速度-应力波动方程和高阶交错网格有限差分计算方法,导出隧道超前预报数值模拟的稳定性条件和边界条件,对上述隧道模型进行数值模拟,识别波场特征;其次,利用叠前逆时偏移成像方法,对压制噪音干扰后的波场在互相关成像条件下,对隧道模型中的异常体边界进行逆时偏移成像.研究结果表明：采用高阶交错网格有限差分正演获得异常体边界清晰的反射波和角点产生的散射波;逆时偏移算法获得隧道内异常体准确成像结果,从而大大提高隧道超前预报的分辨率与准确性;靠近掌子面单一震源、多道接收观测系统对异常体成像效果最佳,为隧道内高效数据采集提供理论依据.     

岩石样品中超声波传播数值模拟及分析

为了深入研究超声波速度测试中超声波在岩石样品中的传播规律,对岩石超声波速度实验采用交错网格有限差分算法进行了数值模拟.选取了适合于超声波震源的差分精度、稳定性条件和吸收边界.通过模拟波形与实验记录波形的对比分析,结果表明:激发器和接收器直接位于岩心与探头接触面时,接收到的波形中干扰波较少,合成记录波形特征明显,易于分析;使用雷克子波作为超声波数值模拟的震源子波,计算得到实际首波初至时间为21.55μs,而波形图中首波初至时间为23.90μs,这是由于子波自身的长度使得波初至时间比实际波初至的时间晚;相对于岩心与探头接触面的反射波,岩心柱体与空气接触面的反射波对有效波形信号的影响更大.