粘弹各向异性介质中地震波场模拟与特征

通过引入记忆变量,可以避免粘弹性应力-应变关系中的褶积运算,使波场数值模拟易于实现.通过伪谱法对粘弹各向异性介质中的qP波、qS波数值模拟,结合理论分析,研究了粘弹各向异性介质中速度各向异性和衰减各向异性.衰减各向异性要比速度各向异性更为显著,并且qS波比qP波的衰减各向异性明显.粘弹各向异性介质中,粘弹性对波的影响主要在于波的衰减,各向异性主要影响波前面形状.     

三维各向异性介质弹性波模拟的透射边界条件

在弹性波数值模拟中,为了压制人工边界反射,需要使用边界条件.本文从三维各向异性介质中弹性渡方程出发,在边界入射波为平面波的假设前提下,利用特征值分解以及坐标系旋转,导出人工边界处质点位移矢量计算公式,实现了在边界处为任意倾斜入射时的透射边界条件.并显示了边界条件的使用效果.     

较复杂介质波场计算中的一种透射边界

传统的人工边界是在声波或弹性波分解为内行和外行分量的基础上设计的.对于较复杂的介质模型（如粘弹介质、弹塑介质、塑性介质模型等）,地震波不能简单地分解为各自满足其运动方程的纵波、横波等成分,且地震波在传播过程中还有衰减现象,因此传统的人工边界已不能有效地用于非弹性的较复杂介质的波场模拟.本文提出了一种适合于更一般的地震模型的波场计算的透射边界条件,并以粘弹介质的一个较简单的二维几何模型为例,通过有限元数值求解这种透射边界和刚性边界下粘弹波的激发和传播,得到地面合成地震记录,证明了这种透射边界用于较复杂介质波场计算是可行的.     

较复杂介质波场计算中的一种透射边界

传统的人工边界是在声波或弹性波分解为内行和外行分量的基础上设计的.对于较复杂的介质模型（如粘弹介质、弹塑介质、塑性介质模型等）,地震波不能简单地分解为各自满足其运动方程的纵波、横波等成分,且地震波在传播过程中还有衰减现象,因此传统的人工边界已不能有效地用于非弹性的较复杂介质的波场模拟.本文提出了一种适合于更一般的地震模型的波场计算的透射边界条件,并以粘弹介质的一个较简单的二维几何模型为例,通过有限元数值求解这种透射边界和刚性边界下粘弹波的激发和传播,得到地面合成地震记录,证明了这种透射边界用于较复杂介质波场计算是可行的.     

黏弹介质VSP高斯射线正演模拟

为了研究黏弹介质中VSP地震勘探地震波的波场特征,在理论分析地震波在黏弹介质中传播特性的基础上,采用高斯射线束方法对黏弹介质VSP地震进行波场正演模拟.正演结果与各向同性介质及VTI介质VSP正演对比,体现了地震波在黏弹介质中传播的特点.同时VSP高斯束正演方法能够解决复杂构造正演盲区问题,其动力学特征更能反映黏弹介质对地震波传播的影响,计算速度又优于波动方程类正演方法,正演结果能有效分辨地震波场特征,为VSP数据处理与解释提供了借鉴.     

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。     

黏弹性VTI介质频率空间域准P波正演模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,时间域有限差分计算方法因按时间片递推计算,每个时间片的舍入误差会累积到下一片中,当时间片较多,最终会导致累积误差太大.而频率域计算是按频率片对空间网格进行整体求解方程组,其计算误差分配到了每个网格点上,并且各个频率片之间是独立计算的,因此不存在累计误差,而且在频率-空间域更易于模拟黏弹各向异性介质的衰减,同时采用25点优化差分算子克服了常规差分算子的数值频散.本文首先推导了黏弹性VTI介质的频率-空间域准P波波动方程,在此基础上,利用25点优化差分算子构造了差分格式,实现了频率空间域的正演模拟.并以断层模型为例,模拟并对比分析了利用弹性VTI介质波动方程差分格式和利用黏弹性VTI介质波动方程差分格式模拟的井间地震准P波波场记录,得出黏弹性介质地震记录由于衰减振幅相对较小,主频相对较低的结论.     

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.

     

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。     

线性粘弹介质中地震波场数值模拟

本文将以往两种粘弹介质中地震波模拟方法的优点结合起来，以模型理论和积分本构方程为基础，从理论上分析了模型对地震波场的影响；采用交错网格有限差分法对粘弹介质中的地震波进行数值模拟.数值计算结果表明该方法不仅便于计算，同时也便于从力学的角度来分析地震波的传播.数值计算结果与理论分析一致，说明这种方法可以更为有效地模拟粘弹介质中地震波的传播.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

Incidence, reflection and transmission angles in anisotropic media

IntroductionGenerallyspeaking,theinclusionofanisotropy(exceptdeclaration,anisotropyreferstohomogenousanisotropy)rendersthemathematicalformulationquitecomplicated.Snell'Slawisnotanexceptionandthecalculationofreflectionandtransmissionanglesisnotatrivialtask.ThegraphicalapproachestocalculatingreflectionandtransmissionanglesforanisotropicmediawerepresentedbyAuld(1973)andRokhlin,etal(1986).DaleyandHorn(1977,1979)andSlawinski(1996)deriveSnell'slawintheparticularcasesoftransverselyisotropicandelli…     

黏弹性介质瑞雷波有限差分模拟与特性分析

本文通过数值模拟研究了介质黏弹性对瑞雷波传播的影响.模拟采用结合了交错Adams-Bashforth时间积分法、应力镜像法和多轴完美匹配层的标准交错网格高阶有限差分方案.通过模拟结果和理论结果对比,测试了方法的精度,验证了结果的正确性.在均匀半空间模型中,分别从波场快照、波形曲线及频散能量图三个角度,对黏弹性介质瑞雷波衰减和频散特性进行了详细分析.两层速度递增模型被用于进一步分析瑞雷波在黏弹性层状介质中的特性.结果表明：由于介质的黏弹性,瑞雷波振幅发生衰减,高频成分比低频成分衰减更剧烈,衰减程度随偏移距增大而增强;瑞雷波相速度发生频散,且随频率增大而增大,频散能量的分辨率有所降低;黏弹性波动方程中的参考频率,不会影响瑞雷波振幅衰减和相速度频散的程度,但决定了黏弹性和弹性介质瑞雷波相速度相等的频率位置.本研究有助于人们更好地理解地球介质中瑞雷波的行为,并为瑞雷波勘探的应用和研究提供了科学和有价值的参考.

     

方位各向异性粘弹性介质波场数值模拟

当地震信号通过复杂地球介质时,地层除了表现为各向异性,还表现为内在的粘弹性特征.因此,为准确描述地震波在地球介质中的传播特征,理想的地球介质模型应该能够模拟岩石的各向异性特征和衰减特征.本文给出了各向异性粘弹性介质模型的波动方程及其差分格式,并利用有限差分法实现了地震波波场数值模拟.结果表明了该介质模型中地震波场特征与各向异性主轴方位和介质的粘滞性参数之间的关系.     

Reflection and transmission of attenuated waves at the boundary between two dissimilar poroelastic solids saturated with two immiscible viscous fluids

The phenomenon of reflection and transmission of plane harmonic waves at the plane interface between two dissimilar poroelastic solids saturated with two immiscible viscous fluids is investigated. Both porous media are considered dissipative due to the presence of viscosity in pore‐fluids. Four attenuated (three dilatational and one shear) waves propagate in such a dissipative porous medium. A finite non‐dimensional parameter is used to define the effective connections between the surface‐pores of two media at their common interface. Another finite parameter represents the gas‐share in the saturation of pores. An attenuated wave in a dissipative medium is described through the specification of directions of propagation and maximum attenuation. A general representation of an attenuated wave is defined through its inhomogeneous propagation, i.e., different directions for propagation and attenuation. Incidence of an inhomogeneous wave is considered at the interface between two dissipative porous solids. This results in four reflected and four transmitted inhomogeneous waves. Expressions are derived for the partition of incident energy among the reflected and transmitted waves. Numerical examples are studied to determine the effects of saturating pore fluid, frequency, surface‐pore connections and wave inhomogeneity on the strengths of reflected and transmitted waves. Interaction energy due to the interference of different (inhomogeneous) waves is calculated in both the dissipative porous media to verify the conservation of incident energy.     

Vertical image waves in elliptically anisotropic media

By reparameterization of the kinematic expressions for remigration in elliptically anisotropic media using a new ellipticity parameter, we derive a new image-wave equation in elliptically anisotropic media describing the position of the reflector as a function of the medium ellipticity. This image wave equation, which is a kind of medium-dependent one-way wave equation, can be used for automatically stretching a time-migrated image in depth until wells are tied or other given geologic criteria are met. In this way, it provides a useful means to use a priori depth information for finding an estimate of the vertical velocity, which cannot be detected from time processing only. Simple numerical examples confirm the validity of the image-wave equation even for nonconstant velocity.     

弱各向异性介质中的P-SV波近似反射系数计算

We introduce the Thomsen anisotropic parameters into the approximate linear reflection coefficient equation for P-SV wave in weakly anisotropic HTI media. From this we get a new, more effective, and practical reflection coefficient equation. We performed forward modeling to AVO attributes, obtaining excellent results. The combined AVO attribute analysis of PP and PS reflection data can greatly reduce ambiguity, obtain better petrophysical parameters, and improve parameter accuracy.     

Reflection/transmission laws for slowness vectors in viscoelastic anisotropic media

The reflection/transmission laws (R/T laws) of plane waves at a plane interface between two homogeneous anisotropic viscoelastic (dissipative) halfspaces are discussed. Algorithms for determining the slowness vectors of reflected/transmitted plane waves from the known slowness vector of the incident wave are proposed. In viscoelastic media, the slowness vectors of plane waves are complex-valued, p = P + iA, where P is the propagation vector, and A the attenuation vector. The proposed algorithms may be applied to bulk plane waves (A = 0), homogeneous plane waves (A ≠ 0, P and A parallel), and inhomogeneous plane waves (A ≠ 0, P and A non-parallel). The manner, in which the slowness vector is specified, plays an important role in the algorithms. For unrestricted anisotropy and viscoelasticity, the algorithms require an algebraic equation of the sixth degree to be solved in each halfspace. The degree of the algebraic equation decreases to four or two for simpler cases (isotropic media, plane waves in symmetry planes of anisotropic media). The physical consequences of the proposed algorithms are discussed in detail. vcerveny@seis.karlov.mff.cuni.cz     

斯通利波在渗透地层和裂缝带的反射及透射: 解析和数值方法模拟对比

声波测井常用斯通利波来评价储层渗透性能和识别地层裂缝,描述声波在渗透性地层中的传播需要求解Biot孔隙弹性波动方程.本文采用有限差分方法来求解测井斯通利波在渗透地层和裂缝带的反射及透射问题.综合利用有限差分法和一维等效波数法研究和分析了不同层厚、孔隙度和渗透率下单个和多个渗透地层的斯通利波反射及透射系数以及变化规律,两种方法计算结果对比验证了一维等效波数法在0~2 kHz范围内的可靠性.对于等效波数法难以模拟、更为复杂的裂缝带模型,利用有限差分方法分析和研究了在不同渗透率、轴向和径向延伸长度下裂缝带的斯通利波反射和透射系数及其变化特征.本文结果表明: 斯通利波在渗透裂缝带中激发的流体渗流是一种穿透深度有限的趋肤效应,因此要达到0.1 m以上的探测深度,需要使用较低的激发频率(0~2 kHz),低频段内的斯通利波反射和透射系数对井壁附近裂缝带的渗透性能均有响应.随着渗透率升高,斯通利波反射系数在低频明显升高,透射系数在高频降低显著; 在高于Biot特征频率的频段,反射和透射系数曲线随渗透率升高呈复杂变化,与孔隙流体从渗流到波动的变化相关.本文的方法和结果有助于分析和解释斯通利波在裂缝型渗透地层的传播特征,为识别此类地层和评价其渗透性能奠定理论基础.