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.     

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.     

基于反演基质矿物模量和多约束条件的双相介质AVO正演方法（英文）

基于双相介质理论的AVO正演技术是储层性质描述和流体预测的有效技术手段之一,但是输入参数中基质矿物模量的准确性和双相介质模型的的合理性极大地影响双相介质AVO正演效果。因此,本文采用基于流体因子的基质矿物模量反演方法,自适应反演基质矿物体积模量。引入具有岩石物理意义的多约束条件,使得流体替换技术制作的双相介质模型具有岩石物理意义。保证获得的双相介质AVO特征反映实际地层响应,真实可靠。通过不同岩性岩样的对比分析,说明反演方法的优越性和准确性。同时LH地区实际资料应用,获得孔隙度和流体饱和度等重要岩性参数变化时双相介质AVO特征,特别是不同储层孔隙度在同一入射角对应快纵波和横波反射系数幅值的大小差异和突变角差异是分辨储层孔隙度大小的依据。     

非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演方法

海洋勘探环境可以抽象为下伏固体与上覆流体相互耦合的介质,本文针对流-固边界耦合介质提出了一种高效、稳定的多参数（速度和密度）全波形反演方法.本文采用弹性波一阶位移-应力方程作为过渡层耦合声波压力方程与弹性波位移方程来模拟耦合环境,相比于传统的交错网格建模方法或者构建连续性条件,本文提出的方法在正演精度和稳定性上凸显出很大优势,极大降低了计算内存.反演策略对多参数全波形反演至关重要,由于不同参数之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得,因此本文将非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演分为两个步骤完成：第一步利用变密度声波方程结合推导出的密度梯度算子进行纵波速度和密度的双参数反演;第二步根据链式法则求取横波速度的梯度,结合第一步的反演结果使用流-固边界耦合方程反演横波速度.最后通过与声波动方程数值模拟结果对比证明正演算法的准确性;上覆流体的Marmousi-2模型的数值试验测试说明反演方法的有效性和适应性.     

基于快速非支配排序遗传算法的VTI介质多分量叠前联合反演

在VTI介质中,由于引入了各向异性参数使得多分量多参数地震反演问题的非线性程度显著增加,因此采用传统的权重加权法构建单目标函数进行反演得到的反演结果往往并不理想.本文以反射率法为基础,结合快速非支配排序遗传算法研究了一种VTI介质的多分量叠前联合反演方法.该方法以反射率法为正演方程,应用互相关原理构建PP波和PSV波的多目标函数,进而采用快速非支配排序遗传算法全局寻优获得VTI介质的厚度、纵横波速度、密度和各向异性参数等多个参数.在正演的过程中,反射率法可以考虑几何扩散、吸收衰减、透射损失、多次波以及纵横波旅行时不匹配等地震波传播效应,更能精确地描述地震波在地下地层中的真实传播情况;在反演的过程中,快速非支配排序遗传算法可以在不引入权重系数的条件下同时优化多个目标函数,获得联合反演问题的Pareto最优解,既不添加权重系数影响又充分利用多分量地震数据.模型测试结果验证了该反演方法的有效性和可行性.     

Characterization of fractured reservoirs using a consistent stiffness‐permeability model: focus on the effects of fracture aperture

In this paper we propose a method for the characterization of naturally fractured reservoirs by quantitative integration of seismic and production data. The method is based on a consistent theoretical frame work to model both effective hydraulic and elastic properties of fractured porous media and a (non‐linear) Bayesian method of inversion that provides information about uncertainties as well as mean (or maximum likelihood) values. We model a fractured reservoir as a porous medium containing a single set of vertical fractures characterized by an unknown fracture density, azimuthal orientation and aperture. We then look at the problem of fracture parameter estimation as a non‐linear inverse problem and try to estimate the unknown fracture parameters by joint inversion of seismic amplitude versus angle and azimuth data and dynamic production data. Once the fracture parameters have been estimated the corresponding effective stiffness and permeability tensors can be estimated using consistent models. A synthetic example is provided to clearly explain and test the workflow. It shows that seismic and production data complement each other, in the sense that the seismic data resolve a non‐uniqueness in the fracture orientation and the production data help to recover the true fracture aperture and permeability, because production data are more sensitive to the fracture aperture than the seismic data.     

Joint PP‐ and PSV‐wave amplitudes versus offset and azimuth inversion for fracture compliances in horizontal transversely isotropic media

We propose a robust approach for the joint inversion of PP‐ and PSV‐wave angle gathers along different azimuths for the elastic properties of the homogeneous isotropic host rock and excess compliances due to the presence of fractures. Motivated by the expression of fluid content indicator in fractured reservoirs and the sensitivity of Lamé impedances to fluid type, we derive PP‐ and PSV‐wave reflection coefficients in terms of Lamé impedances, density, and fracture compliances for an interface separating two horizontal transversely isotropic media. Following a Bayesian framework, we construct an objective function that includes initial models. We employ the iteratively reweighted least‐squares algorithm to solve the inversion problem to estimate unknown parameters (i.e., Lamé impedances, density, and fracture compliances) from PP‐ and PSV‐wave angle gathers along different azimuths. Synthetic tests reveal that the unknown parameters estimated using the joint inversion approach match true values better than those estimated using a PP‐wave amplitude inversion only. A real data test indicates that reasonable results for subsurface fracture detection are obtained from the joint inversion approach.     

岩石物理驱动的储层裂缝参数与物性参数概率地震反演方法

长波长假设条件下,各向同性背景地层中发育一组平行排列的垂直裂缝可等效为具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）介质.基于不同观测方位的岩石地震响应特征变化,宽方位地震数据不仅可实现裂缝岩石弹性参数与各向异性参数的预测,同时也蕴含着丰富的孔隙度等储层物性参数信息.本文结合实际地震资料提出了贝叶斯框架下岩石物理驱动的储层裂缝参数与物性参数概率地震联合反演方法,首先基于AVAZ反演裂缝岩石的弹性参数与各向异性参数,并在此基础上通过统计岩石物理模型表征孔隙度、裂缝密度等各向异性介质储层参数与裂缝岩石参数的相互关联,并采用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）抽样方法进行大量样本的随机模拟,使用期望最大化（EM）算法估计后验条件概率分布,最终寻找最大后验条件概率对应的孔隙度、裂缝密度等HTI裂缝介质储层参数即为反演结果.测井及实际地震数据处理表明,该方法能够稳定合理地从方位地震资料中获取裂缝岩石弹性参数与各向异性参数,并提供了一种较为可靠的孔隙度、裂缝密度等裂缝介质储层参数概率地震反演方法.     

京津唐张地区速度结构和震源位置联合反演的遗传算法

震源参数和速度结构的联合反演是一个典型的非线性名参数最优化问题，常规的局部线性化反演方法往往易于陷入局部极值，且严重依赖于初始模型的选取。模拟生物界进化的遗传算法则是一种简单而高效的全局性搜索方法。     

储层重力密度反演后验约束正则化方法

本文针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产中开发监测问题,发展了综合应用地震及重力数据反演储层密度的联合反演算法.通过测井数据建立纵波阻抗与密度的直接关系,并推导出这种关系下重力与纵波阻抗数据联合反演的计算方法,从而计算出蒸汽腔体密度分布规律.文中应用密度反演后验约束正则化方法,采用Tikhonov正则化模型,通过波阻抗数据作为约束进行联合反演,在算法上提高了稳定性,同时得到较高的反演精度.文中对SAGD生产中的理论模型进行了方法试算,并分析了算法的误差,最终应用于SAGD生产的实际数据中,通过最终反演结果分析,该方法取得了很好的应用效果.     

基于BISQ机制三维双相正交裂隙各向异性介质衰减及频散方位特性研究

对于复杂裂隙介质,双相各向异性介质模型更能真实地反映实际地层特征.本文基于BISQ机制推导了三维双相各向异性介质的频散方程,给出了用于确定相速度和逆品质因子的波数方程及其表达式,研究了固体骨架各向异性、固流耦合效应各向异性、渗透率各向异性对衰减及频散的影响,并对频散和衰减的方位特性进行了分析,为预测储层流体的存在、分布以及孔隙结构提供有力的理论依据,使得多方位储层地球物理参数联合反演具有可行性.     

A new method for dynamic inversion of anisotropic equations

ＡｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓＤＩＮＧ－ＨＵＩＹＡＮＧ１）（杨顶辉）ＪＩ－ＷＥＮＴＥＮＧ２）（滕吉文）ＺＨＯＮＧ－ＪＩＥＺＨＡＮＧ２）（张中杰）１）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅ...     

A nonlinear method for multiparameter inversion of pre‐stack seismic data based on anisotropic Markov random field

Multiparameter inversion for pre‐stack seismic data plays a significant role in quantitative estimation of subsurface petrophysical properties. However, it remains a complicated problem due to the non‐unique results and unstable nature of the processing; the pre‐stack seismic inversion problem is ill‐posed and band‐limited. Combining the full Zoeppritz equation and additional assumptions with edge‐preserving regularisation can help to alleviate these problems. To achieve this, we developed an inversion method by constructing a new objective function that includes edge‐preserving regularisation and soft constraints based on anisotropic Markov random fields and is intended especially for layered formations. We applied a fast simulated annealing algorithm to solve the nonlinear optimisation problem. The method directly obtains reflectivity R_PP values using the full Zoeppritz equation instead of its approximations and effectively controls the stability of the multiparameter inversion by assuming a sectionally constant S‐ and P‐wave velocity ratio and using the generalised Gardner equation. We substituted the inverted parameters, i.e., the P‐wave velocity, the fitting deviation of S‐wave velocity, and the density were inverted instead of the P‐wave velocity, the S‐wave velocity, and the density, and the generalised Gardner equation was applied as a constraint. Test results on two‐dimensional synthetic data indicated that our substitution obtained improved results for multiparameter inversion. The inverted results could be improved by utilising high‐order anisotropic Markov random field neighbourhoods at early stages and low‐order anisotropic Markov random field neighbourhoods in the later stages. Moreover, for layered formations, using a large horizontal weighting coefficient can preserve the lateral continuity of layers, and using a small vertical weighting coefficient allows for large longitudinal gradients of the interlayers. The inverted results of the field data revealed more detailed information about the layers and matched the logging curves at the wells acceptably over most parts of the curves.     

基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI介质中波场数值模拟

分数阶微分算子具有描述历史依赖性和全域相关性的特质,本文利用这种特质描述双相介质固体骨架的黏弹性特征.基于Kjartansson常Q理论将含有分数阶时间导数的黏弹固体骨架各向异性本构关系与双相介质理论有机地结合起来,并引入流变学本构关系描述孔隙流体的黏滞性力学行为,提出一种新的基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI模型.推导了相应的时间域波传播方程,然后对该方程进行了数值模拟.对整数阶导数采用高阶交错网格有限差分算法,对分数阶时间导数采用短时记忆中心差分算法,进行了不同相界、不同品质因子组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.模拟结果表明：将含有分数阶时间导数的常Q黏弹固体骨架各向异性本构关系及孔隙流体的黏滞性本构关系引入双相介质理论是可行的,二者的结合能更好地反映地下介质的黏弹性特征,对于进一步认识波在黏弹各向异性孔隙介质中的传播机理具有重要意义,为反演和重构地下油气储层和结构奠定正演理论基础.     

遗传算法反演地球等离子体层离子密度分布

本文介绍了采用一维遗传算法从地球等离子体层极紫外图像反演地球等离子体层He⁺密度的原理.首先采用通量管近似和磁偶极近似将三维问题转化为一维问题.通过引入权矩阵,将极紫外光强积分离散为求和函数,再采用一维实数编码遗传算法反演得到磁赤道面等离子体层He⁺密度,最后通过磁力线追迹得到三维密度分布.算法采用动态全球核心等离子体模式模拟的密度和光强分布作为初始输入参数,并通过遗传算法得到相应密度分布.反演结果表明,等离子体层密度相对误差在8%以内,光强相对误差趋于0,算法有效可行.本文研究为中国探月二期工程中月基极紫外图像反演奠定了基础.     

基于VSP直达波资料的粘弹介质参数遗传算法反演

粘弹性参数变得越来越重要,其反演算法也逐渐成为众多研究者的研究热点。而遗传算法是一种随机、自适应、启发式的算法, 具有很好的鲁棒性和全局收敛性, 本文基于VSP直达波方程,引入了遗传算法来进行粘弹参数反演, 首先将频率域直达波方程表示为复速度的函数,然后通过遗传算法反演出复速度。而复速度和品质因子又是复速度的函数,从而便可很容易的得出。但若直接反演复速度, 反演参数太多, 不容易实现, 所以又将复速度表示成参数C0和C∞的函数,以减少反演参数数量。最后给出了理论模型实验,以证明该算法的有效性。     

基于随机地震反演的Russell流体因子直接估算方法

本文研究了一种基于随机地震反演的Russell流体因子直接估算方法,该方法是一种基于蒙特卡罗的非线性反演,能够有效地融合测井资料中的高频信息,提高反演结果的分辨率.本文应用贝叶斯理论框架,首先通过测井数据计算井位置处的Russell流体因子,利用序贯高斯模拟方法(sequential Gaussian simulation,SGS)得到流体因子的先验信息;然后构建似然函数;最后利用Metropolis抽样算法对后验概率密度进行抽样,得到反演的Russell流体因子.其中对每道数据进行序贯高斯模拟时,采用一种新的逐点模拟方式,具有较高的计算速度.数值试验表明:反演结果与理论模型和实际测井数据吻合较好,具有较高的分辨率,对于判识储层含流体特征具有较好的指示作用.     

基于比值均方根的杨氏模量反演方法

杨氏模量和泊松比是表征岩石脆性、评价储层可压性以及描述储层流体特征的重要参数,叠前地震反演是从地震数据中得到此类参数的有效手段.常规的叠前地震反演方法多使用Zeopppritz方程的近似式计算反射系数,近似式的误差影响了反演结果的精度.针对这个问题,推导了比值均方根形式的杨氏模量、泊松比和密度的Zoeppritz方程,并基于广义线性反演构建了杨氏模量和泊松比直接反演方法,有效地避免了使用近似式的局限性,提高了反演的精度.模型测试和实际资料试算结果表明：采用比值均方根形式构建的反演流程稳定,能够从叠前地震数据中获得可信的杨氏模量、泊松比和密度,提供了一种可靠的杨氏模量和泊松比直接反演方法.     

基于精确Zoeppritz方程三变量柯西分布先验约束的广义线性AVO反演

常规AVO三参数反演是通过Zoeppritz方程的近似公式来建立AVO正演模拟的过程,然而在P波入射角过临界角和弹性参数在纵向上变化剧烈的情况下,Zoeppritz方程近似公式精度有限.针对这种情况,可以使用精确的Zoeppritz方程来构建反演目标函数,由于精确Zoeppritz方程中P波反射系数和弹性参数之间是一种复杂的非线性关系,通常解决途径是利用非线性的优化算法来进行数值计算,但是非线性优化算法的缺点是计算量过大;另外一种途径是利用广义线性反演的方法,通过泰勒一阶展开式将P波反射振幅展开后,用线性关系近似表达非线性关系,经过几次迭代后,在理论上可以达到很高的精度,但是广义线性反演算法的核心部分--Jacobian矩阵由于矩阵条件数过大,往往会造成反演算法的不稳定,其应用范围得到了限制.贝叶斯反演方法是通过引入模型参数的先验分布结合噪声的似然函数,生成模型参数的后验分布,通过求取模型参数的最大后验概率分布来得到模型参数的反演解,由于引入模型参数的先验分布信息,可以有效的降低反演的不适定问题.本文将两种反演算法的思想相结合,利用广义线性反演算法的思想,构建AVO正演模拟的过程来提高大角度地震数据反演的精度,同时结合贝叶斯理论,通过引入模型参数的先验分布信息构建反演目标函数的正则化项,可以有效降低由于Jacob矩阵条件数过大带来的反演不适定问题,该算法假设模型参数服从三变量柯西分布.     

An equivalent medium model for wave simulation in fractured porous rocks

Seismic wave propagation in reservoir rocks is often strongly affected by fractures and micropores. Elastic properties of fractured reservoirs are studied using a fractured porous rock model, in which fractures are considered to be embedded in a homogeneous porous background. The paper presents an equivalent media model for fractured porous rocks. Fractures are described in a stress‐strain relationship in terms of fracture‐induced anisotropy. The equations of poroelasticity are used to describe the background porous matrix and the contents of the fractures are inserted into a matrix. Based on the fractured equivalent‐medium theory and Biot's equations of poroelasticity, two sets of porosity are considered in a constitutive equation. The porous matrix permeability and fracture permeability are analysed by using the continuum media seepage theory in equations of motion. We then design a fractured porous equivalent medium and derive the modified effective constants for low‐frequency elastic constants due to the presence of fractures. The expressions of elastic constants are concise and are directly related to the properties of the main porous matrix, the inserted fractures and the pore fluid. The phase velocity and attenuation of the fractured porous equivalent media are investigated based on this model. Numerical simulations are performed. We show that the fractures and pores strongly influence wave propagation, induce anisotropy and cause poroelastic behaviour in the wavefields. We observe that the presence of fractures gives rise to changes in phase velocity and attenuation, especially for the slow P‐wave in the direction parallel to the fracture plane.