含垂直裂解隙PTL介质长波长等效正交各向异性弹性常数

针对PTL介质中存在定向排列的铅垂裂隙系统的组合模型,探讨在长波长情况下其等效正交各向异性弹性常数的计算方法.根据Backus方法并结合Hudson微裂隙理论,推出了PTL与EDA组合之等效正交各向异性弹性常数的计算公式,且在裂隙呈稀疏分布的假设前提下,导出了等效弹性常数的具体计算表达式,并进而用伪谱法对含垂直裂隙PTL介质的弹性波场进行了数值模拟.本文的理论研究及数值计算结果表明:用5个长波长等效PTL弹性常数和3个无量钢的裂隙柔量,就可描述等效正交各向异性介质九个独立的弹性常数.     

一种基于3D复杂介质的弹性建模数值方法

储层中的裂隙会导致介质表现出各向异性.传统等效介质方法假定储层可以被等效成为横向各向同性介质,不适用于复杂裂缝储层的弹性等效建模和各向异性特征分析.本文在前人研究基础上,利用最小二乘方法开展3D复杂裂隙弹性等效数值模拟研究,并与常规等效介质理论方法进行比较,验证数值方法的精确性.数值方法不仅能有效避免Hudson理论和Eshelby-Cheng理论等解析方法在大裂隙密度条件下的参数估计误差,而且兼顾裂隙扰动作用对等效介质参数的影响.数值研究表明,数值方法能够较好地描述复杂裂缝介质的各向异性特征,为复杂裂缝储层地震波各向异性参数反演提供依据.     

非均匀正交各向异性特征参数地震散射反演方法研究

在长波长假设条件下,水平层状地层中发育一组垂直排列的裂缝构成了等效正交各向异性介质.各向异性参数与裂缝弱度参数的估算有助于非均匀各向异性介质的各向异性特征描述,而弹性逆散射理论是非均匀介质参数反演的有效途径.基于地震散射理论,我们首先推导了非均匀正交介质中纵波散射系数方程,并通过引入正交各向异性特征参数,提出了一种新颖的正交各向异性方位弹性阻抗参数化方法.为了提高反演的稳定性与横向连续性,我们发展了贝叶斯框架下的正交各向异性方位弹性阻抗反演方法,同时考虑了柯西稀疏约束正则化和平滑模型约束正则化,最终使用非线性的迭代重加权最小二乘策略实现了各向异性特征参数的稳定估算.模型和实际资料处理表明,反演结果与测井解释数据相吻合,证明了该方法能够稳定可靠地从方位叠前地震资料中获取各向异性特征参数,减小参数估算的不确定性,为非均匀正交介质的各向异性预测提供了一种高可靠性的地震反演方法.     

一种三维正交方位各向异性介质岩石 物理建模及弹性波正演模拟方法

通过线性滑动理论和岩石物理等效理论, 将两组正交直立裂隙介质等效为一种正交方位各向异性介质进行三维岩石物理建模, 通过高阶交错网格有限差分求解弹性波动方程模拟地震波在该种介质中的传播过程. 在建模过程中改变物性参数, 分析不同裂隙密度条件下的炮集和波场特征, 以及正交各向异性的方位特征. 研究结果表明, 各向异性强度随裂隙密度等物性增大而增强, 而且这些特征在共炮点道集和波场中均有所体现.      

基于最小二乘的三维正交介质弹性波高精度正演模拟

本文借助线性滑动理论,将裂隙密度、纵横比等不同物性参数等效为正交介质刚度矩阵,建立两组正交直立裂隙介质正演模型.利用基于最小二乘法优化的高精度交错网格高阶有限差分法模拟弹性波在正交介质中的传播过程.模拟结果表明介质各向异性强度与裂隙物性直接相关,正演波场和共炮点显示相比普通交错网格,最小二乘优化方法可以压制数值频散现象,明显提高模拟精度,子波主频较高和模型波速较低时改善效果更为突出.     

煤储层双相EDA介质的地震波场模拟

基于二维-二分量弹性波方程交错网格高阶有限差分法数值模拟,对各向同性介质模型、高裂隙密度含干裂隙和饱和水裂隙煤层各向异性介质和双相介质的二维层状模型进行了弹性波场数值模拟.结果表明:双相EDA介质中存在第二类纵波(慢纵波).各向异性理论和双相介质理论比单相理论要好,单相理论存在衰减问题.各向异性和双相理论在含气情况下比...     

裂隙性储层孔隙度与饱和度计算方法

裂隙性储层孔隙度与饱和度是油气藏评价的两个重要参数.本文提出利用裂隙介质AVO属性计算裂隙性储层孔隙度与饱和度的新方法.运用等效理论将裂隙介质等效为各向异性介质,得到裂隙介质的AVO响应即得到裂隙介质各向异性截距与梯度,根据各向异性截距梯度与孔隙度饱和度的关系得到裂隙介质的孔隙度和饱和度.本文建立裂隙介质(TTI介质)梯度截距和孔隙度饱和度的关系,可以根据地震数据直接求取裂隙介质的孔隙度和饱和度.模型试算表明,该方法能得到裂隙介质准确的孔隙度和饱和度,且稳定性较好.     

岩石物理驱动的正交各向异性方位叠前地震反演方法

基于长波长近似假设,周期性薄互层中发育一组平行排列的垂直裂缝则可视为等效的正交各向异性介质.岩石物理是构建裂缝参数与地震响应之间联系的基础,地震散射理论是各向异性介质参数反演的有效途径.文章提出了一种利用方位叠前地震数据实现正交各向异性裂缝储层Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数可靠预测的方法.首先,综合考虑矿物基质、孔隙、裂缝及各向异性岩石中流体替换的影响,通过构建正交各向异性裂缝岩石物理等效模型,实现正交各向异性刚度系数的估测,进而预测储层测井数据的弹性参数、Thomsen弱各向异性参数及裂缝弱度参数,为后续地震反演提供初始模型约束;然后,基于地震散射理论,推导了面向Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数反演的正交各向异性介质纵波反射系数方程,为后续地震反演奠定了理论基础;最后,发展了贝叶斯框架下的正交各向异性裂缝储层Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数AVAZ反演方法,同时考虑柯西稀疏约束正则化和平滑模型约束正则化约束,使用非线性的迭代重加权最小二乘策略实现正交各向异性特征参数的稳定估算.模型和实际资料处理表明,该方法能够稳定可靠地从方位叠前地震资料中获取正交各向异性特征参数,为正交各向异性介质的特征参数预测提供了一种高可靠性的地震反演方法.     

碳酸盐岩储层各向异性岩石物理建模与孔隙结构分析（英文）

针对非均质性较强的碳酸盐岩储层,综合各向异性自相容近似理论与差分等效介质理论建立了一种各向异性岩石物理弹性参数计算模型。通过对碳酸盐岩孔隙结构实验结果分析,提出了碳酸盐岩弹性参数计算的孔隙结构模型。综合使用各向异性等效介质理论与碳酸盐岩孔隙结构模型,给出了碳酸盐岩非均质储层弹性参数计算的实现方法。通过对比灰岩样品测试数据与理论模型计算结果,表明本文提出的等效弹性理论模型能够描述碳酸岩盐储层速度与孔隙度变化关系,可作为碳酸盐岩储层地震数据解释的基本依据。     

等效介质理论中裂缝密度的适用性研究

为了比较裂缝等效介质理论的预测精度,本文利用物理模拟的方法制作了一组9个裂隙密度模型,其中裂隙密度从0增大到12%,裂隙厚度和直径保持不变,分别为0.12mm和3mm.使用0.5MHz的纵横波换能器,采用脉冲透射法得到纵横波的速度和各向异性.然后,将基质的模量、裂缝填充物模量和裂缝参数代入等效介质理论中,计算出纵横波速度和各向异性随着裂隙密度的变化情况.通过纵横波速度的实测值与等效介质理论的定量对比,发现当裂隙密度小于12%时,Hudson理论和线性滑动理论对纵波速度的预测与实测值非常吻合.当裂隙密度小于8%时,Hudson理论和线性滑动理论对快横波速度的预测与实测值非常吻合.当裂隙密度小于9%时,各向异性自洽理论和NIA(非相互作用近似)理论对慢横波速度的预测与实测值非常吻合.通过纵横波速度各向异性实测值与理论计算值定量对比,发现当裂隙密度小于12%时,Hudson理论和线性滑动理论对纵波速度各向异性的预测与实测值更吻合;当裂隙密度小于6%时,各向异性自洽理论和NIA理论对横波速度各向异性的预测与实测值更吻合.     

地震勘探中小尺度非均匀性的描述及长波长理论

地球物理成像解释的一个重要问题是,地震波传播时其本身受到地质体中小尺度非均匀性的影响,对该问题的研究具有重要的意义且备受关注. 据此,本文首先从统计意义上的表示形式来描述小尺度非均匀性,给出一种拓展了小尺度非均匀性择优取向的随机介质建模新方法,重点阐述了建模过程中对误差处理的重要性. 其次讨论了地震波在水平层状介质中传播时的长波长理论,并指出对该理论的适用条件进行研究的重要意义.且还基于1D随机层状介质,从局部各向异性因子曲线的角度对长波长理论进行了研究,并讨论了密度及泊松比扰动对曲线形态的影响. 最后,从对1D和2D随机介质进行数值模拟的角度重点研究长波长理论不能满足的情况下地震记录的特点,为了便于对比分析,文中也计算了1D随机介质在不同平均化长度下,通过长波长理论得到的等效介质的理论走时(走时的计算是在弱各向异性假设条件下完成的),并给出有指导意义的结论.     

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.     

裂隙参数对衰减各向异性影响的数值模拟

理论、观测和实验均证实,在地壳和上地幔存在对应力变化敏感的直立裂隙,在整体上呈现方位各向异性.在Hudson裂隙理论基础上,系统全面地数值模拟了裂隙介质几何、物性和弹性波频率等参数对各向异性衰减的影响.结果显示,裂隙密度、裂隙纵横比、泊松比、裂缝填充物、弹性波频率和未破裂岩石母体纵横波速度等对各向异性衰减有着显著影响,...     

地壳介质的各向异性弹性本构关系讨论

论述了地壳介质中存在的几类各向异性弹性本构关系，推导了应变能变换公式、EDA薄层各向异性弹性常数及非对称面上EDA构成的单斜对称弹性常数的计算公式，讨论了几种各向异性对称系统的特征方程，并给出了弹性波的角散表达式，最后选取合理的参数对波的角散现象进行了数值模拟。     

具有离散裂缝空间分布的二维固体中地震波传播的有限差分模拟

结合有限差分方法和等效介质理论,模拟了离散分布裂缝介质中地震波的传播. 基于等效介质理论,利用二维有限差分实现封闭裂缝的离散分布;裂缝可以处理成固体岩石中的高度柔性界面,并可以用线性滑动或者位移间断模型进行裂缝的物理描述. 对于含有多组裂隙的破裂固体,其有效柔度可以认为是固体骨架背景柔度和裂缝附加柔度之和. 在一阶近似条件下,固体骨架和裂缝参数可以通过有效各向异性系数联系起来,有效各向异性系数决定了各向异性（裂缝效应）对于地震波传播的影响. 通过与射线理论方法的对比检验,说明本文提出的模拟方法的有效性,并通过几个数值算例说明本方法可有效模拟不同的裂缝分布效应. 结果表明,即使在裂缝密度很小的情况下,具有相同裂缝密度的不同的空间分布可以产生不同的波场特征. 同时,也验证了不同裂缝尺度对波长的不同影响,以及裂缝尺度具有幂率分布（分形）时,尺度对波场的影响. 最后得出结论：在运用建立在等效介质理论基础上的地震各向异性概念来描述裂缝固体的特征时,要倍加小心,等效介质理论中尚未合理处理的裂缝尺度和空间分布对波的传播特征具有重要的影响.     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.     

地震波在粘弹性各向异性地壳介质中的传播及其应用研究

实际地球介质中普遍存在着多尺度、多取向、填充各种流体的孔隙、裂隙和裂缝,这种介质常常被称为双相介质或多相介质。裂隙及其填充流体的存在一方面使得介质的弹性模量(体模量和剪切模量)减小,改变流体输运性质,另一方面也导致地震波传播的各向异性、衰减和频散。介质的双相和各向异性特征是现代地球物理学的两个难点。一般各向异性弹性介质的弹性矩阵有21个独立参量,满足Christoffel方程;在高频近似条件下,满足射线追踪方程。然而直接求解波动方程往往十分困难,常常不能得到解析解。考虑到实际地球介质大多是弱各向异性,因此可以利用扰动理论近似描述,将相速度、偏振矢量线性化并表示为弱各向异性参数(Weakly Anisotropy,WA)的形式。我们给出了TTI介质中qP波的相速度和偏振矢量的弱各向异性参数线性化反演公式。20世纪70年代以来,科学家们通过地震波速度的方位各向异性、横波分裂、接收函数法、面波偏振等方法研究地球介质的各向异性。其中横波分裂方法是各向异性最直观的表现,具有相对简单、横向分辨率高、对裂隙密度及纵横比较敏感等优点,是研究介质各向异性性质的一种主要方法,也是研究大构造(如岩石圈等)的重要手段。本文以EDA(Extensive Dilatancy Anisotropy),APE(Anisotropic Poro-Elasticity),Chapman多尺度模型为例介绍了双相介质中的等效介质模型。EDA、APE理论的研究对象是微观尺度的单组微裂隙,其裂隙密度定义为张性扩容各向异性。EDA被认为是地壳各向异性的主要因素,当横波通过这种介质会分裂成快慢横波,且快横波的优势偏振方向往往与区域最大水平应力相同。基于SOC(Self Organized Criticality)理论双相介质的破裂特性,可以对由于应力作用处于临界状态下的微裂隙与流体的动态特征进行描述的APE模型表明,横波分裂对地壳介质的微裂隙的几何特征(如裂隙的纵横比)十分敏感,而微裂隙的几何特征变化对应力场的变化十分敏感。因此将横波分裂结果在地震前后的变化解释为横波对地应力场变化的响应,并提出可以利用这一特征进行应力检测。在不同地质构造时期,由于区域应力场的作用,可能导致实际地球介质中的微裂隙是多尺度的,并且有多个优选方向。本文介绍的Chapman多尺度模型将中等尺度断裂加入分析中,并考虑两种尺度的微裂隙和裂缝之间的相互作用,获得了频率相关的等效弹性矩阵。通过引入复数弹性张量,可考虑各向异性粘弹性介质的波动理论。由于弹性矩阵的虚数部分的引入,且是频率相关的,因此解析解的计算比一般各向异性弹性介质更加复杂。在高频近似时,可将一般各向异性弹性介质的射线追踪方程以及扰动理论应用到弱各向异性弱衰减(Weakly Anisotropy-Attenuation,WAA)介质中,此时其固体骨架由各向同性变为各向异性介质,且弹性矩阵的扰动由实数变为复数。本文给出了P波在一般WAA介质中随方位衰减的线性化反演公式。通过2个、3个、6个等方位间距的剖面组成的walkawayVSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,验证了反演公式的正确性和可靠性。然后,对一个来自JavaSea的由三条剖面组成的walkaway VSP实际观测数据进行了反演计算,获得了钻井中不同深度检波器处的WA参数。中国地震台网中心测定,北京时间2008年5月12日14:28:04,在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上发生了逆冲为主带有少量右旋、挤压型M S8.0大地震(31.01°N,103.42°E)。为提高时频分辨率,分析时频局部化信息,引入Meyer-Yamada正交小波基MYW。在粘弹性各向异性线性化理论的基础上,运用小波分析方法对以汶川地震为中心,200km为半径的范围内的地震进行了分析,获得了汶川震中区9个固定台站的P波小波波谱的平均衰减结果和方位各向异性衰减结果。该方法能够有效利用小震数据研究震源区介质各向异性随时空的变化规律,具有广阔的应用前景。     

双相各向异性介质中弹性波传播有限元方程及数值模拟

基于Biot双相各向异性介质理论和动态问题的哈密顿原理，推导出任意双相各向异性介质中弹性波传播的有限元方程，并给出双相各向异性介质中弹性波有限元方程的数值解法．最后进行有限元法的数值模拟，对双相各向异性介质中弹性波传播特征进行了模拟与分析．       

利用介质的不均匀分布构建各向异性模型

在复杂区域应力场的作用下, 大范围扩容各向异性(extensive-dilatancy anisotropy, EDA)造成的裂隙定向排列形成了地壳内部介质的不均匀性。 因此, 地壳介质各向异性的描述不仅限于横向各向同性(transversely isotropic, TI)的理论。 我们首先利用自相关函数随机扰动得到水平向小尺度速度不均匀, 然后利用这种不均匀性描述地壳介质中EDA裂隙定向排列所造成的介质各向异性, 利用数值模拟弹性波在该介质中的传播过程验证了利用介质的不均匀性构建介质的各向异性是一个有效、 可靠的方法。 可以将此方法应用到复杂地壳介质结构中, 了解地震波在复杂地壳各向异性介质中的传播特征。     

Hamilton体系及弹性波在层状介质中的传播问题

利用结构力学与最优控制的模拟理论,研究弹性波在层状介质中传播的数值计算方法. 将弹性波传播问题导向哈密顿(Hamilton)体系,在哈密顿体系中,推导出一种新的半解析单元,称之为动力-部分杂交元,由此导出一套哈密顿体系下的半解析数值计算方法. 本文给出了该方法在层状正交各向异性材料介质的弹性波传播问题的数值算例,分析了一定频率的弹性波在层状介质中传播时的位移、应力的模式. 计算结果展现了Hamilton体系和辛几何在弹性波传播问题研究的应用前景.