复杂地表起伏多重变加密网格有限差分法波动方程数值模拟

常规变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法采用水平分层加密网格,该网格剖分策略在适应地形起伏和近地表速度结构变化特征方面效果较差。针对该问题,提出一种起伏多重变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法。该方法根据地形起伏和近地表低速层到高速层的速度分布特征进行网格加密;采用不同网格中的变系数差分格式离散声波方程,在保证波场模拟精度的同时兼顾计算效率;同时,为了进一步保障地表附近波场模拟的精度,地表附近最细网格中的差分格式不做降阶处理,针对位于地表以上的虚像点的波场值,提出一种融入自由地表边界条件的法向虚像外推法。算例分析验证该算法对速度模型不同区域进行的网格多次加密显著提高了计算效率,以黄土塬实际模型为例,耗时为常规1 m×1 m网格耗时的43.3%,并可达到和细网格基本一致的模拟精度,模拟误差控制在10^-12范围内,同时表现出很好的近地表散射压制和边界吸收效果,且算法能稳定地适应实际复杂地表介质。     

起伏地表条件下频率-空间域声波介质正演模拟

频率-空间域正演模拟是频率域及Laplace-Fourier域全波形反演的基础,起伏地表条件下波形反演算法的关键是正演算法中考虑起伏地表的影响。基于带PML吸收边界的声波波动方程,在已有最优9点有限差分正演算法的基础上构建了起伏地表条件下频率-空间域正演算法。通过应用变网格技术,进一步提高算法的计算效率、降低内存开销,使得大规模起伏地表模型的频率域正反演问题成为可能。理论分析及数值测试表明：通过对近地表区域进行局部网格加密,可有效地压制由于矩形网格离散引起的角点散射;结合变网格技术可较易获得5倍以上计算效率的提高及内存占用的降低,且随着模型尺度的增加及地表起伏高程差的减小,倍数将显著增加;在细网格与粗网格交界处产生的虚假反射振幅幅值控制在原始波场的2%以内,满足地震波场正反演的需求。     

交错网格任意阶导数有限差分格式及差分系数推导

交错网格有限差分算法以其高效、精确、实用等优点在地震波数值模拟中得到广泛应用。目前交错网格有限差分的精度已达到时间4阶、空间2N阶;然而在求空间三次导数时,差分格式实际上并未达到所谓的2N阶精度,而是采用了低阶的差分格式及差分系数,这样有利于提高大尺度空间正演时的计算效率;但从计算精度的角度考虑,有必要推导出准确的满足2N阶精度的交错网格有限差分格式及差分系数,以得到更高精度的正演结果。笔者利用Taylor公式展开首次推导出了可导函数任意次导数的任意偶数阶精度的差分近似式及相应的差分系数,从而完善了常规高精度交错网格有限差分算法。采用新推导的交错网格有限差分格式得到的正演波形与解析解进行了对比,证明了新推导的差分格式的正确性,并与常规差分格式的正演波形进行了比较,结果显示,新推导出的交错网格有限差分格式模拟结果稳定性好,精度更高。     

基于PML边界下的弹性及黏弹性TTI介质波场模拟

基于一阶速度-应力波动方程,采用高阶交错网格有限差分数值模拟方法,对弹性及黏弹性TTI介质进行正演数值模拟。模拟时采用完全匹配层吸收边界条件(PML)消除边界反射。同时设计了层状介质模型、断层模型,通过模型的正演计算,得到了不同时刻的地震波波场快照及合成地震记录,分析其波场运动学及动力学特征。模拟结果表明,交错网格有限差分法可以很好地完成对复杂介质的波场模拟,具有较高的精度和可靠性。     

起伏地表二维瑞雷面波正演模拟及波场分析

采用高精度交错网格有限差分法,建立了在起伏地表条件下瑞雷面波数值模拟的自由边界条件,通过对倾斜二层模型模拟的结果与解析解对比,二者完全一致,由此证明了起伏地表下瑞雷面波数值模拟的正确性。在此基础之上,模拟并分析了小凸起与小凹陷模型条件下,瑞雷面波的波场传播特征。通过分析得出瑞雷面波在这二种地形传播时,都存在反射、波型转换,以及能量再分配。因此,在起伏地表条件下,利用瑞雷面波进行勘探时要考虑起伏地表对瑞雷面波波场的影响。     

粘弹性介质中跨孔波场的交错网格有限差分法正演模拟

井间地震正演模拟技术是研究地震波在井间传播规律的重要手段之一,可以帮助认识井间地震的复杂波场.从二维井间地震波传播波动方程出发,结合初始、边界条件,推导出了交错网格任意偶阶精度差分格式,阐述了非均匀差分网格的实现方法.在此基础上,编制了跨孔波场交错网格有限差分正演程序,并应用该程序对半空间粘弹性跨孔模型进行了正演计算,得到了震源在不同位置时的波场快照及地震记录图.这对于跨孔模型波传播规律的研究,具有重要意义.     

曲线坐标系下的完全匹配层吸收边界条件

在地震波数值模拟中,需要采用吸收边界条件以吸收人为边界反射。本文针对曲线坐标系下的二阶弹性波方程提出了一种完全匹配层(PML)吸收边界条件。与直角坐标系下的PML吸收边界条件类似,曲线坐标系下的PML吸收边界条件是一种在频率域中给出的人工边界条件,由相应的复坐标变换得到。在变换到时间域后,完全匹配层中将出现复杂的卷积运算。为了避免这些卷积运算,引入了4个中间变量。为了简化自由边界条件,采用正交贴体网格对起伏地表模型进行网格剖分。数值算例表明,该方法可以有效消除人为边界反射。     

高阶旋转交错网格有限差分方法模拟TTI介质中横波分裂

笔者给出了一种能够模拟弹性波在任意各向异性介质中传播的二维三分量高阶有限差分算法.相对于常规交错网格有限差分方法,旋转交错网格有限差分方法在介质具有强差异性时能更精确地模拟地震波的传播,避免常规交错网格中因对弹性系数进行插值而带来的误差.采用高阶旋转交错网格有限差分方法模拟并分析了零偏移距横波分裂现象随裂缝介质方位角和倾角变化的响应特征.结果表明:结合完全匹配层(PML)吸收边界条件的高阶旋转交错网格有限差分方法能获得高精度的地震波场模拟数据,并且在边界具有良好的吸收效果;横波分裂现象主要受裂缝走向与波的极化方向之间的夹角影响,受裂缝倾角影响较小,且快慢横波的能量也跟裂缝走向与波极化方向间的夹角有关.具有倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质倾角的变化可能会导致记录中波到达时的变化,影响快慢横波的时差.利用横波分裂的能量分布和方位各向异性特征,可以帮助检测裂缝的方位角和倾角.横波在多层TTI介质中传播时会发生多次分裂的现象.     

TTI介质变网格模拟的菱形网格技术

数值模拟是研究地震波传播机理的重要工具,也是地震资料采集、处理、和反演领域的重要内容。基于常规矩形网格或交错网格的差分算法存在模拟精度和计算量之间的矛盾,变网格技术可以缓解这一矛盾,但对于TTI介质,常规变网格、变系数差分算法无法实现各分量的交错对应,旋转网格与旋转交错网格技术存在同样的问题。针对上述问题,提出了一种适用于TTI介质正演的新方法:即菱形交错网格剖分法,并给出了基于菱形交错网格的变系数、变网格方法,实现了TTI介质中弹性波场的高精度模拟。     

基于Poisson方程的曲网格生成技术

解决起伏地表条件下的数值模拟方法研究中的边界条件处理问题有许多途径,常用的有映射法、插值法和曲网格法。其中,映射法要求曲面光滑,并且除法的引入会带来一些计算上的问题。曲网格法直接在正交贴体曲网格上做数值计算,能更好地处理边界条件,可以避开映射及其带来的问题。本文选用Poisson方程型坐标变换方法生成贴体曲网格,从该方程生成曲网格的基本原理出发,系统的总结分析现有的源项（即P,Q函数,通过该方程中源项的适当选取,可以方便地调节网格的密集和稀疏）的构造来源、应用效果,将调节因子P,Q函数形式划分为面向某些网格节点附近网格疏密程度的形式、面向边界正交的形式和面向研究对象的形式3类,可以作为网格生成过程中调节因子P,Q函数选取的指导。     

二阶声波方程频域PML边界条件及频域变网格步长并行计算

研究了二阶声波方程频域PML边界条件和频域变网格并行计算技术。PML边界是一种较为理想的吸收边界方法,多用在求解时域应力速度方程中,但对于频域声波正演,二阶位移方程更常用。从一阶声波方程PML吸收边界条件导出频域二阶位移方程PML边界条件,模拟算例得到的频率切片、时间切片和地震记录对比都说明该边界条件吸收效果很好。频域单炮正演不同频率间是独立的,据此低频部分采用大网格计算,高频采用小网格,实现变网格步长计算技术,这是较时间域正演的一个优势,在保证模拟质量的同时,减少计算量和内存消耗。     

Finite-difference strategy for elastic wave modelling on curved staggered grids

Waveform modelling is essential for seismic imaging and inversion. Because including more physical characteristics can potentially yield more accurate Earth models, we analyse strategies for elastic seismic wave propagation modelling including topography. We focus on using finite differences on modified staggered grids. Computational grids can be curved to fit the topography using distribution functions. With the chain rule, the elasto-dynamic formulation is adapted to be solved directly on curved staggered grids. The chain-rule approach is computationally less expensive than the tensorial approach for finite differences below the 6th order, but more expensive than the classical approach for flat topography (i.e. rectangular staggered grids). Free-surface conditions are evaluated and implemented according to the stress image method. Non-reflective boundary conditions are simulated via a Convolutional Perfect Matching Layer. This implementation does not generate spurious diffractions when the free-surface topography is not horizontal, as long as the topography is smoothly curved. Optimal results are obtained when the angle between grid lines at the free surface is orthogonal. The chain-rule implementation shows high accuracy when compared to the analytical solution in the case of the Lamb’s problem, Garvin’s problem and elastic interface.     

基于频率域高阶有限差分法的正演模拟及并行算法

在弹性波频率空间域有限差分数值模拟方面,差分网格及边界条件是影响弹性波模拟成功与否的关键,为了压制数值模拟中的网格频散,采用25点有限差分算子,建立了有限差分矩阵方程,且借鉴匹配层衰减边界条件思想,设计了弹性波频率空间域有限差分数值模拟算法。由于采用高阶有限差分法来提高差分格式的精度,将会导致计算量显著增加,为此,对频率空间域有限差分弹性波数值模拟方法,采用流水线技术与分治策略进行了并行算法研究,提高了计算效率,使得在合理的计算时间内更精确地模拟弹性波在弹性介质中的传播过程。     

Multiscale mixed/mimetic methods on corner-point grids

Multiscale simulation is a promising approach to facilitate direct simulation of large and complex grid models for highly heterogeneous petroleum reservoirs. Unlike traditional simulation, approaches based on upscaling/downscaling, multiscale methods seek to solve the full flow problem by incorporating subscale heterogeneities into local discrete approximation spaces. We consider a multiscale formulation based on a hierarchical grid approach, where basis functions with subgrid resolution are computed numerically to correctly and accurately account for subscale variations from an underlying (fine-scale) geomodel when solving the global flow equations on a coarse grid. By using multiscale basis functions to discretise the global flow equations on a (moderately sized) coarse grid, one can retain the efficiency of an upscaling method and, at the same time, produce detailed and conservative velocity fields on the underlying fine grid. For pressure equations, the multiscale mixed finite-element method (MsMFEM) has been shown to be a particularly versatile approach. In this paper, we extend the method to corner-point grids, which is the industry standard for modelling complex reservoir geology. To implement MsMFEM, one needs a discretisation method for solving local flow problems on the underlying fine grids. In principle, any stable and conservative method can be used. Here, we use a mimetic discretisation, which is a generalisation of mixed finite elements that gives a discrete inner product, allows for polyhedral elements, and can (easily) be extended to curved grid faces. The coarse grid can, in principle, be any partition of the subgrid, where each coarse block is a connected collection of subgrid cells. However, we argue that, when generating coarse grids, one should follow certain simple guidelines to achieve improved accuracy. We discuss partitioning in both index space and physical space and suggest simple processing techniques. The versatility and accuracy of the new multiscale mixed methodology is demonstrated on two corner-point models: a small Y-shaped sector model and a complex model of a layered sedimentary bed. A variety of coarse grids, both violating and obeying the above mentioned guidelines, are employed. The MsMFEM solutions are compared with a reference solution obtained by direct simulation on the subgrid.     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明：时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。     

A Finite-Volume Method with Hexahedral Multiblock Grids for Modeling Flow in Porous Media

This paper presents a finite-volume method for hexahedral multiblock grids to calculate multiphase flow in geologically complex reservoirs. Accommodating complex geologic and geometric features in a reservoir model (e.g., faults) entails non-orthogonal and/or unstructured grids in place of conventional (globally structured) Cartesian grids. To obtain flexibility in gridding as well as efficient flow computation, we use hexahedral multiblock grids. These grids are locally structured, but globally unstructured. One major advantage of these grids over fully unstructured tetrahedral grids is that most numerical methods developed for structured grids can be directly used for dealing with the local problems. We present several challenging examples, generated via a commercially available tool, that demonstrate the capabilities of hexahedral multiblock gridding. Grid quality is discussed in terms of uniformity and orthogonality. The presence of non-orthogonal grid and full permeability tensors requires the use of multi-point discretization methods. A flux-continuous finite-difference (FCFD) scheme, previously developed for stratigraphic hexahedral grid with full-tensor permeability, is employed for numerical flow computation. We extend the FCFD scheme to handle exceptional configurations (i.e. three- or five-cell connections as opposed to the regular four), which result from employing multiblock gridding of certain complex objects. In order to perform flow simulation efficiently, we employ a two-level preconditioner for solving the linear equations that results from the wide stencil of the FCFD scheme. The individual block, composed of cells that form a structured grid, serves as the local level; the higher level operates on the global block configuration (i.e. unstructured component). The implementation uses an efficient data structure where each block is wrapped with a layer of neighboring cells. We also examine splitting techniques [14] for the linear systems associated with the wide stencils of our FCFD operator. We present three numerical examples that demonstrate the method: (1) a pinchout, (2) a faulted reservoir model with internal surfaces and (3) a real reservoir model with multiple faults and internal surfaces.     

利用时间分裂的错格伪谱法模拟地震波在基于改进BISQ模型的双相介质中的传播

改进的BISQ(Biot-Squirt)模型中各参数具有明确的物理意义和可实现性,在不引入特征喷流长度的情况下可将Biot流动和喷射流动两种力学机制有机地结合起来;而高精度的地震波场数值模拟技术是研究双相介质地震波传播规律的重要手段。本文从本构方程、动力学方程和动力学达西定律出发,推导了基于改进BISQ模型的双相各向同性介质的一阶速度--应力方程组;采用时间分裂错格伪谱法求该方程组的数值解,模拟半空间及层状双相介质中的地震波场。数值模拟结果表明:①与传统方法相比,时间分裂错格伪谱法波场数值模拟的精度更高,压制网格频散效果更好;②在非黏滞相界情况下,慢纵波呈传播性,而在黏滞相界情况下,慢纵波呈扩散性,以静态模式出现在震源位置;③双相介质分界面处,各类波型复杂的反射透射规律可由数值模拟结果清晰展现。     

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。