多震源地震正演数值模拟技术

常规地震采集技术因受相邻时间激发炮之间时间间隔的制约而存在采集周期过长,采集成本过高的问题,而多震源同步激发地震采集技术可以克服这方面的缺陷,但存在着波场过于复杂的问题,地震正演模拟技术可以帮助我们提高对这种复杂波场的认识水平,为此采用2D弹性波方程交错网格高阶有限差分格式,开发了多震源同步激发波场正演数值模拟技术,能够模拟任意多个同步激发震源的弹性波波场,震源函数可以是雷克子波,也可以是可控震源扫描信号,且同步激发震源之间可以有随机时差.模型试算结果分析表明,该技术既是一项高精度的多震源正演模拟技术,也是一项高效率的地震正演数值模拟技术.     

井间地震波动方程正演数值模拟及其应用

井间地震正演模拟是在给定地层参数及边界条件的情况下求波动方程数值解的过程.本文详细推导了井间二维声波方程四阶差分方程;根据假设的包含楔形体和丘状体的理论地层模型,对其波场进行了模拟计算分析;据胜利油田垦71区块两口井的实际声波测井资料建立了精细速度模型,对其正演模拟的合成记录波场进行分析,并把合成记录反射波成像与实际的过井三维地震剖面进行了对比,验证了所设计观测系统的合理性.     

井间地震方向性震源模拟方法

为了能够在水平方向上传播更远的距离,井间地震震源辐射能量具有水平方向强的特性,这是井间地震资料大入射角反射波能量强的主要原因.为了研究井间地震震源方向特性对地震信号的影响,本文提出了圆形震源阵列模拟方法.基于声波方程的一阶应力一速度方程的交错网格有限差分算法,进行了均匀各向同性无限介质的直达波和反射波正演数值模拟.数值模拟结果表明,井间方向性震源辐射能量的方向特性影响了地震记录的能量分布,为进一步研究方向性震源的能量补偿提供了理论依据.     

黏弹性VTI介质微地震正演模拟与震源机制全波形反演

微地震矩张量能够描述储层岩石破坏的细节,有助于了解水力压裂储层的地质力学特征,震源机制矩张量反演对于非常规油气开发具有重要的作用.水力压裂通常在页岩油气储层中进行,震源区介质表现出速度和衰减各向异性,需要研究衰减各向异性介质中微地震信号的传播规律.基于观测到的微地震记录,通过波形反演能够获得矩张量,忽视震源区介质的衰减和速度各向异性会导致震源机制反演结果的误差.本文提出了一种考虑地层各向异性吸收衰减作用的震源机制全波形反演方法,对于黏弹性VTI介质,采用GPU并行的伪谱法计算合成地震记录,通过全波形反演方法匹配合成波形和记录波形,借助优化算法获得震源机制矩张量反演结果.本文通过实验测试验证了该方法的有效性,分析了震源区各向异性速度和衰减参数、噪声以及观测系统等对于微地震震源机制各分量及成分反演结果的影响,研究表明考虑模型中的黏弹性各向异性对于获得可靠的震源机制反演结果非常重要.

     

横向同性地层中井间电磁响应的三维频域耦合势正演模拟研究

本文针对电导率横向同性地层中三轴发射-接收线圈系的井间电磁响应,开展三维正演算法及模拟研究.首先将发射线圈简化为三轴正交磁偶极子源.为克服低频电磁产生的数值迭代收敛缓慢问题,利用低感应数预处理方法将频域Maxwell方程组转化为基于矢势与标势的Helmholtz方程.采用非等间距的Yee氏交错网格、电导率的体积加权平均技术以及积分形式的有限差分格式实现对控制方程的离散化.借助于不完全LU分解预处理的稳定双共轭梯度法计算井间电磁响应的数值解,并通过与有限元软件COMSOL的数值结果对比验证本文模型与算法的有效性.数值计算结果表明：在横向同性地层的垂直井模型中,测井响应横向分量xx和yy能反映出地层电导率各向异性信息,但横向探测能力较差.轴向分量zz虽只反映地层水平电阻率信息,但具有较好的横向探测能力,且对地层中异常体非常敏感,而交叉分量xz、zx则具备较强的层边界识别能力.

     

EDA各向异性层状介质MT正演模拟

推导了ＥＤＡ型层状各向异性介质大地电磁测深正演计算公式,对多种模型从不同的频率,测量方向计算了地表视电阻率曲线。结果表明,一般的各向异性介质的地表视电阻率值不仅与测量频率有关,而且与测量方向相对电性主轴的交角有关。     

双相介质的AVO正演模拟

岩石的孔隙度、流体饱和度等信息是影响地震波振幅随炮检距变化（AVO）的重要因素.本文在实验给定了岩石的物性参数（孔隙度及孔隙流体的不同相态）,利用Gassmann方程计算储层条件下的纵、横波速度,通过模拟不同类型的孔隙流体的地震响应,研究双相介质中流体成分的变化对地震反射波AVO的影响.     

起伏地表地震波正演数值模拟

常规起伏地表地震波数值模拟均将地表以上的介质视为真空介质来处理,而这与实际情况不符。为解决这一问题,将地表以上介质视为声学介质,使地震波在该介质中以350m／s的速度传播。以两层起伏地表速度模型为例,分别采用声波和各向同性弹性波波动方程进行正演数值模拟,并与常规基于真空介质假设的计算结果进行对比,结果表明,基于声学假设的模拟记录可以更加有效地模拟真实的数据采集,并且反射波同向轴具有更好的连续性。     

二维应变速率正演模拟

由给定的随时间和空间变化的二维应变速率分布计算速度场,根据速度场计算二维热传导方程,得到岩石圈的热演化结构,然后计算由热扰动引起的密度变化,进而确定加载到岩石圈上的载荷,根据载荷计算挠曲方程,最终得到盆地的沉降.在此基础上讨论了热源对地表热流和沉降的影响以及岩石圈有效弹性厚度对盆地几何形态的影响.结果表明,热源对地表热流影响显著,对沉降影响不大,岩石圈有效弹性厚度则控制盆地的几何形态.二维应变速率正演为下一步的反演奠定了基础.     

离散介质波场正演模拟与弱化性影响分析

从流变力学角度建立的离散介质本构关系同时考虑了介质的弹性、粘性与弱化性,与损伤力学建立的本构关系比较表明弱化因子具有损伤因子的力学意义。本文采用交错网格伪谱法正演模拟了离散介质中波的传播,并以平面波解分析了体波的频散和介质的吸收系数。高频和低频情况下波场数值模拟的结果是:饱和多孔介质中体波速度随弱化因子的增加而降低,介质吸收系数随弱化因子的增加而增加,弱化性对不同体波频散的影响程度不同。     

塌陷采空区的正演模拟及波场分析

老窑塌陷采空区造成的透水事故严重威胁着大型矿井的生产与安全,探测出塌陷采空区已成为当前三维地震的一项重要研究课题.针对老窑采空区不同的塌陷类型,建立多种不同内部结构的塌陷采空区地质模型。并采用有限差分法数值模拟技术对其进行正演模拟,分析出不同塌陷采空区在生成时间剖面上的波场特征.结合一些典型的工程实例,总结出塌陷采空区在地震资料上的判别标志以及识别特征,为矿井提供出准确的塌陷采空区位置.     

考虑卷积完全匹配层数值色散的井间电磁三维正演

本文将以卷积完全匹配层为吸收边界条件的时域有限差分法应用到井间电磁的三维正演模拟中. 证明了卷积完全匹配层中的数值色散会因为有效延伸因子而产生,列举常规有效延伸因子和网格间距对电磁波相速度各向异性的影响,并通过波场快照验证卷积完全匹配层中数值色散的存在;进而推广三维卷积完全匹配层中最大有效延伸因子、最大网格间距与激励源主频之间的约束,以此完善卷积完全匹配层的最优参数设置方案. 在此基础上,通过正演结果中二次场的垂直磁场分量和走时来展示灵敏度分布,以此划定井间电磁勘探的优势区域,提出井间电磁正反演所需要的约束测井系列和最佳取井方案.     

广角反射波场特征研究及正演模拟分析

本文主要讨论了广角反射波场特征及影响广角反射波波形识别的几个主要因素，通过高斯射线正演模拟分析，以及对实际广角反射资料(WAR)进一步处理与研究，得到了一些十分有意又的结论，这些结论可以作为一些特殊地质构造地区进行广角反射地震勘探的理论依据。     

基于OBS的正演模拟与初至识别研究

在深部壳幔结构研究中,采用OBS接收到深部构造的折射、反射信号并通过层析成像反演地下结构是当前最为有效的方法.初至识别则是层析成像处理OBS资料最重要的工作之一,而基于OBS的正演模拟对于初至的正确识别具有重要的指导作用.本文利用二维声波波动方程实现了基于OBS的数值模拟,获得了水平层状、倾斜模型条件下的OBS共接收点道集.通过研究OBS共接收点道集反射波、折射波在不同地质模型下的规律,对OBS初至识别方法进行总结,并在实际资料处理中加以应用.结果表明,利用OBS共接收点道集的多图对比可以较简便地实现初至识别,其中水平层状地质模型初至必然呈现对称性,而倾斜模型的初至则需要综合考虑反射波、折射波的规律进行判断.     

电法勘探正演数值模拟的若干结果

本文前一部分叙述了点源二维电阻率法数值模拟正演计算的有限单元法,文中采用混合边界条件、用LL~T分解解线性方程组等优化措施,使二维有限单元法电阻率法正演计算的速度和精度都比目前国外流行的L.Rijo方法和程序有了进一步的提高。文中介绍了有关的方法并引入了若干计算结果。本文后一部分叙述了三维电阻率法数值模拟的积分方程近似解法,由于对K.Dieter等人提出的方法作了一些近似处理,并用迭代法求解积分方程表示式,实算结果说明在保证计算精度的条件下,提高了计算速度,从而提高了三维电场正演计算的有效性和实用性。所提出的方法容易推广到激发极化法的正演计算中。     

三维单斜裂隙介质地震正演模拟

多组任意夹角直立裂隙的排列方式比单组平行排列直立裂隙更具一般性,因此本文基于线性滑动理论和Hudson理论,将上述多组任意夹角直立裂隙介质等效为单斜各向异性介质,给定物性参数计算刚度矩阵,运用交错网格高阶有限差分法求解三维单斜介质弹性波一阶速度-应力方程来模拟弹性波在单斜介质中的传播过程.通过分析不同物性下的波场和共炮点道集,不同偏移距下的方位角道集,说明裂隙物性与波场特征之间的关系,以及其方位特征信息.     

塔里木地区勘探地震正演模拟研究

以塔里木前陆盆地地质背景为模型,采用三维任意差分精细积分方法并行算法实现了库车地区三维正演模拟.三维任意差分精细积分方法通过时间域采用局部积分半解析方法求得波动方程的递推算子,与常规的差分法相比计算精度有较大提高;文中计算稳定性根据实际算例进行分析,采用稳定因子约束,得到较好的稳定性;边界条件采用改进的自适应吸收边界,并通过串行程序并行化,大大减少了三维正演模拟的耗时,完成了大数据量三维正演模拟.     

多通道瞬变电磁有限差分正演模拟

为适应多通道瞬变电磁法的特点,文章对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了四点改进:第一,通过解一个三维直流电法正演问题获取准确的初始值,既避免了光滑波形近似带来的误差,又可适应浅表电阻率不均匀的模型;第二,利用阶跃响应和脉冲响应的导数关系对二者进行交错递推,可同时获得阶跃响应和脉冲响应而不增加计算量;第三,引入了Kirchhoff积分延拓公式,代替传统的基于静磁场假设的地空边界条件,提高了地空边界条件的精度.第四,通过褶积合成最终响应,可以适应任意发射电流波形.文中利用改进后的三维时域差分格式分别对均匀半空间模型、含油气薄层的层状模型和含油气薄层的盐丘模型进行了正演计算,并通过与伪随机码褶积合成了带波形的响应.计算结果表明:在合适的参数条件下,该差分格式是稳定的,且模拟结果是精确可靠的.含油气薄层的模型计算结果证明多通道瞬变电磁法对油气薄层有较好的勘探能力.     

薄层时频特征的正演模拟

基于正演模拟的薄层时频特征响应分析是薄层定性识别与厚度定量预测的基础与关键.本文基于波场延拓理论,利用深度域相移法对不同厚度薄层进行了正演模拟.采用广义S变换对零偏移距地震道的反射复合波进行瞬时频谱分析,发现当薄层顶底反射系数极性相反时,复合波的干涉作用具有升频降幅作用,而极性相同时具有升幅降频作用;理论推导和实验分析均证明主峰值频率与薄层双程旅行时间厚度存在定量解析关系,这为薄层厚度定量预测提供了重要的技术手段;由于峰值频率对反射系数大小与极性变化不敏感,因此,峰值频率方法与时域振幅方法相比更具稳定性.     

CSAMT三维正演数值模拟研究进展

可控源大地电磁(CSAMT)资料的三维正、反演问题已成为国际地球内部电磁感应领域研究的前沿课题.本文介绍了可控源音频大地电磁法中三种主要的数值模拟正演方法,即有限元法、有限差分法,积分方程法,比较了这三种方法的优缺点.积分方程法只需对异常区进行剖分,仅需计算小体积异常区的场,计算速度快,但只适合模拟简单模型,精确度也较低;有限元法与有限差分法虽然精确度较高,但要求对全部区进行离散化,占用的计算机容量较大,计算时间长,因此基于并行算法的三维电磁场正演研究可能是可控源音频大地电磁法未来的发展趋势.