裂隙含流体、气体各向异性介质波场数值模拟

由目前普遍被勘探地震工作者承认的Ｈｕｄｓｏｎ本构方程出发，首先讨论了裂隙含流体、气体各向异性介质一维二、三分量波动方程，然后用有限元方法进行了波场数值模拟。该研究有益于加深对地震波在裂隙含流体、气体各向异性介质中传播规律的认识。     

裂隙含流体、气体各向异性介质波场数值模拟

由目前普遍被勘探地震工作者承认的Ｈｕｄｓｏｎ本构方程出发，首先讨论了裂隙含流体、气体各向异性介质一维二、三分量波动方程，然后用有限元方法进行了波场数值模拟。该研究有益于加深对地震波在裂隙含流体、气体各向异性介质中传播规律的认识。     

正交各向异性介质中地震记录的有限差分数值模拟

本文首先介绍了正交各向异性介质弹性波动方程的建立过程,然后讨论了高阶有限差分算法的实现原理、算法的稳定性和收敛性以及吸收边界条件的选取,并对正交各向异性介质作了正演模拟。通过波场快照、共炮点地震记录和ＶＳＰ模拟记录等正演分析,结果表明该算法在模拟各向异性介质中弹性波的传播是有效的     

各向异性介质储层数值模拟及波场特征研究

各向异性介质储层中波场特征的研究,有利于对多波资料的准确解释。在弹性波方程基础上,结合数值模拟技术与AVO技术,对多种介质模型和第二类含气砂岩储层模型进行数值模拟与波场特征描述。以表征介质各向异性程度的Thomsen参数为出发点,研究各参数对地震波场动力学和运动学特征的影响,并对第二类含气砂岩介质中模拟得到的正演记录,以及各向异性参数对波场的影响程度进行分析,进一步加深了对该类储层各向异性特征的认识,这为各向异性介质中的参数反演与地震资料解释提供了有力的参考依据。     

三维方位各向异性介质数值模拟及波场分析

采用交错网格技术将速度-应力方程中的速度对时间的导数转化为应力对空间的导数, 将弹性波动方程表示为与二阶双曲方程等价的一阶应力-速度公式, 以实现三维三分量地震波场模拟。对获得的波场快照、VSP记录图像和地面记录图像进行波场分析, 发现在波场图像中存在明显的拟P波、拟快横波和慢横波, 还出现了横波分裂、横波分裂盲区及波面三分叉等地震波在方位各向异性介质传播时产生的特殊现象。研究结果表明, 用交错网格三维模拟方法研究方位各向异性介质对方位各向异性介质中地震波传播反演能起到很强的辅助作用。     

TTI介质拟声波方程数值模拟

TTI介质qP波数值模拟方法因为考虑了倾角因素,可以比VTI介质qP波数值模拟方法更加准确地描述各向异性介质中地震波场的传播规律。文中用拟声波方程对TTI介质中的地震波场进行了高阶有限差分数值模拟,在改进衰减函数分布方式后,通过坐标变换,利用改进的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)边界控制方程对波场边界进行吸收处理,取得了良好的效果;然后分析了拟声波方程数值模拟中的稳定性问题,并对波场中的伪横波进行压制。通过对不同模型的数值模拟,验证了文中使用的TTI介质拟声波波动方程的稳定性以及所采用的PML边界控制方程的可靠性和适用性。     

2.5维各向异性介质中多波波场正演模拟与波场分析

完全3维弹性波数值模拟计算时间长,并且占用庞大的计算资源,这不利于在计算机配置不高的情况下进行科学研究,而二维弹性波数值模拟又达不到三维模拟的精度;同时,当模型、波场空间分布比较复杂时,传统的3维波动方程拟谱法模拟结果比较差.因此,在较高数值精度的一阶应力-速度弹性波动方程的基础上,采用傅氏变换仅计算y方向的偏导数,利用有限差分方法计算x、z方向和时间的偏导数,即利用2.5维数值模拟方法,实现在二维介质中计算三维弹性波场.最后通过数值模拟实现了在各向异性介质中多波波场的数值模拟,验证了2.5维方法是一种高精度、高效率、且能适应复杂模型的正演模拟方法,通过波场分析进一步认识了波在各向异性介质中的传播规律.     

稳定的二维TTI介质一阶qP波方程RSGFD数值模拟

相比于VTI介质q P波数值模拟方法,考虑倾角因素的TTI介质q P波数值模拟方法能够更加准确地描述各向异性介质中波场的传播特征。常规的声学近似方法往往会造成TTI介质中倾角急剧变化的区域出现数值不稳定,笔者首先引入一个各向异性控制参数,推导了稳定形式的TTI介质二阶q P波方程,保证q P波场的稳定传播;其次,通过引入波场的伪速度分量,推导了其等价的一阶应力—速度形式及相应的PML边界条件,并应用优化的旋转交错网格有限差分(RSGFD)方法实现了精确的数值模拟。数值结果表明:TTI介质一阶q P波方程能够稳定、有效地模拟q P波的运动学特征,利用优化的RSGFD方法可以得到精确的合成地震记录,同时可以相对地提高计算效率。     

VTI介质井间地震高斯束正演数值模拟

为了研究垂直横向各向同性(VTI)介质井间地震中,地震波的传播方向及波场特征,采用高斯束方法对复杂构造进行波场正演模拟。分析VTI介质中地震波的群相关系,并提出群相数据库思想来解决地震波在VTI介质中传播的方向和速度问题,改善了波场正演模拟的算法。同时高斯束正演方法不仅能够解决复杂构造的盲区问题,且其动力学特征更能反映各向异性介质对地震波传播的影响。较VTI介质频率-空间域弹性波正演模拟方法,正演结果一致且计算效率高,能有效分辨地震波场特征,为地震数据的处理与解释提供了借鉴。     

可控力源激发EDA介质中横波分裂现象正演模拟研究

在研究了各向异性介质中波动方程的正演模拟现状的基础上,对波动理论进行了总结,并采用FCT有限差分法对EDA介质中的波动方程进行了数值模拟,得到了EDA介质中横波分裂的波场快照,并对波场特性进行了分析。     

三维梁-颗粒模型在岩石材料破坏模拟中的应用

用三维梁-颗粒模型BPM3D(beam-particlemodelinthreedimensions)对岩石类非均质脆性材料的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁-颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。在模型中,材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石类材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行研究。岩石类非均质脆性材料在单轴压缩状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。通过数值模拟结果之间的对比分析,揭示出岩石试样宏观破坏模式随细观层次上韦伯分布参数的变化而不同。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石类非均质材料的破坏机理进行了探讨。     

2.5维各向异性介质中地震波场数值模拟

这里实现了在2.5维各向异性介质中地震波传播的数值模拟。首先从2.5维一阶速度-应力弹性各向异性波动方程出发,得出了该方程的拟谱法数值解法;然后通过对Marmousi速度模型进行数值模拟,表明了拟谱法的有效性;最后计算并分析了均匀和混合各向异性介质中波的传播快照和理论模拟的地震记录,进一步认识了波在各向异性介质中的传播规律。     

基于各向异性AVO的裂缝弹性参数叠前反演方法

基于各向异性理论,将具有水平对称轴的高角度裂缝介质等效为HTI介质。首先,通过分析HTI介质反射界面的纵波反射系数公式,研究裂缝介质振幅随偏移距和方位角的变化特征,探索了方位各向异性介质弹性参数和各向异性参数的叠前反演方法。其次,为更好地估测介质的弹性参数:纵波阻抗IP、横波阻抗IS以及各向异性梯度Γ,对反射系数近似式进行了简化,同时对简化公式的精度进行了对比分析。最后,选取2D逆掩断层模型,利用褶积公式制作不同方位的合成地震道集,并对合成地震道集添加随机噪声(信噪比为2∶1),将其应用于方位AVO叠前反演算法试算中。结果表明,当信噪比为2时,方位AVO叠前反演所得纵波阻抗、横波阻抗及各向异性梯度的估测值与模型真实值基本吻合,而且估测值能够较准确地反映原始模型的地层特征,验证了方位AVO叠前反演算法的准确适用性。     

二维随机介质模型正演指导复杂地层地震解释——以薄层砂泥岩交互地层为例

大港油田砂泥岩交互地层存在着非均质复杂地质形态,为保证其精细解释效果,根据随机过程理论,提出了选用二维指数型椭圆自相关函数为复杂非均质地质体进行简化建模的方法。正演算法使用交错网格有限差分法模拟弹性波在二维随机介质模型中的传播,激发方式使用自激自收模式。正演结果表明,随机介质模型模拟大港油田薄层砂岩互层地层具有合理性,交错网格有限差分算法对于该模型的正演数值模拟,算法合适。     

任意各向异性介质三维有限元航空电磁响应模拟

在航空电磁探测方法应用中,地下探测环境复杂,地下介质物性参数存在各向异性特征。如果采用常规各向同性介质模型,在资料解释过程中会产生严重的偏差。本文基于矢量有限元法开展三维任意各向异性频率域航空电磁响应模拟计算研究。首先,将总场分解成一次场和二次场,对空气介质的均匀全空间进行一次场解析计算,同时利用矢量有限元法对二次电场的双旋度方程进行求解。为提高求解速度,采用共享内存直接求解器PARDISO对大规模稀疏矩阵并行计算,大大提高了三维模型的计算速度。之后开展了4种典型目标模型的三维各向异性介质模拟：围岩各向同性-目标体各向异性（绕z轴旋转）模型;围岩各向同性-目标体各向异性（绕x轴旋转）模型;围岩各向异性-目标体各向异性（绕z轴旋转）模型;围岩各向异性-目标体各向异性（绕x轴旋转）模型。对比分析了不同模型在不同旋转角度情况下,磁场实虚分量的变化特征,进而总结了各向异性参数对航空电磁响应的影响规律和识别方法。     

FDwave3D: a MATLAB solver for the 3D anisotropic wave equation using the finite-difference method

Seismic modeling plays an important role in geophysics and seismology for estimating the response of seismic sources in a given medium. In this work, we present a MATLAB-based package, FDwave3D, for synthetic wavefield and seismogram modeling in 3D anisotropic media. The seismic simulation is carried out using the finite-difference method over the staggered grid, and it is applicable to both active and passive surveys. The code package allows the incorporation of arbitrary source mechanisms and offers spatial derivative operators of accuracy up to tenth-order along with different types of boundary conditions. First, the methodological aspects of finite-difference method are briefly introduced. Then, the code has been tested and verified against the analytical solutions obtained for the homogeneous model. Further, the numerical examples of layered and overthrust models are presented to demonstrate its reliability.

     

各向异性介质转换波速度逐层单参数分析方法

转换波的时距曲线是非双曲线方程,由于介质的各向异性,使得转换波在实际地层中的传播更为复杂。针对各向异性介质中PSV转换波的速度分析展开讨论,鉴于各向异性介质的PSV波速度分析不能脱离PP波数据而单独进行,在学习前人研究成果的基础上,充分利用PP波速度分析的有效信息,对PSV转换波进行逐层单参数分析,在一定程度上简化了速度分析的程序,提高了速度分析的精度,并通过理论模型试算,验证了方法的正确性和可行性。     

Fast 2.5D finite element simulations of borehole resistivity measurements

We develop a rapid 2.5-dimensional (2.5D) finite element method for simulation of borehole resistivity measurements in transversely isotropic (TI) media. The method combines arbitrary high-order \(H^{1}\)- and \(\mathbf {H}\)(curl)-conforming spatial discretizations. It solves problems where material properties remain constant along one spatial direction, over which we consider a Fourier series expansion and each Fourier mode is solved independently. We propose a novel a priori method to construct quasi-optimal discretizations in physical and Fourier space. This construction is based on examining the analytical (fundamental) solution of the 2.5D formulation over multiple homogeneous spaces and assuming that some of its properties still hold for the 2.5D problem over a spatially heterogeneous formation. In addition, a simple parallelization scheme over multiple measurement positions provides efficient scalability. Our method yields accurate borehole logging simulations for realistic synthetic examples, delivering simulations of borehole resistivity measurements at a rate faster than 0.05 s per measurement location along the well trajectory on a 96-core computer.     

基于环形扫面测量的三维直流电阻率法任意各向异性模型响应特征

高精度地下任意各向异性介质电性分布特征识别是当前的热门研究课题。本文以国内外前人工作为基础,基于非结构化网格,利用基于梯度恢复的后验误差估计指导网格自适应细化过程,实现了直流电阻率法三维有限元数值模拟。通过与一维模型半解析解的对比,验证了本文算法的有效性。考虑到电各向异性介质在观测中存在视电阻率反常现象,本文采用了环形扫面测量方法。通过对几种典型各向异性模型的模拟分析,得到了相应的各向异性影响规律和识别特征,各向异性主轴电阻率之间的比值大小决定了椭圆型视电阻率极性曲线长轴与短轴的比值大小,主轴电阻率的旋转方向会改变视电阻率极性曲线的形状。本文的算法研究及数值模拟技术可为直流电法数据精细处理和解释提供技术支撑。