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.     

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.     

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,...     

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.     

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.     

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.     

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.     

转换波方位各向异性裂缝检测技术研究及应用

HTI裂缝各向异性介质中,转换波随方位角的变化比较复杂,目前还没有解析公式可以表达其变化特征,只能通过物理实验或数值模拟来分析其应用的可能性.数值模拟结果表明,转换波在裂缝各向异性介质中传播时,其R分量和T分量的振幅属性都具有明显的方位各向异性特征,R分量振幅方位各向异性拟合椭圆的长轴方向指示裂缝方位,这与纵波方位各向异性特征相似;根据P波AVAZ方位各向异性分析原理,对转换波R分量振幅方位各向异性曲线进行方位椭圆拟合,寻找椭圆的长轴方向,即裂缝主方位,再由P波AVAZ技术中振幅响应与炮检方向和裂缝走向之间的夹角关系式得到裂缝的发育密度,从而构建转换波方位各向异性AVAZ裂缝检测技术.该技术已用于川西新场气田某区块的裂缝储层预测,取得了较好的应用效果.     

SKS波对地壳裂隙各向异性的响应——理论地震图研究

穿透含裂隙、裂缝地壳8s视周期的SV波的理论地震图研究表明,当地壳平均裂隙密度高于0.01即横波各向异性高于1%时,非对称面内不同方位的SKS波均发生分裂;地震图中直接的记录显示是切向T分量上出现SKS波的振动,其振幅随地壳平均裂隙密度的增大而增强,甚至能与径向R分量上的振幅相当.局限于上地壳的强裂缝各向异性同样能引起SKS分裂.长周期SKS波分裂对地壳内裂隙、裂缝的分布缺乏分辨率.直立平行排列裂隙、裂缝使得SKS分裂T分量记录特征具有方位对称性,这来自于HTI介质中快、慢波偏振和到时差随方位变化的对称性;而倾斜裂隙、裂缝使得该方位对称性丧失.对实际观测SKS分裂的偏振解释需要考虑地壳裂隙各向异性,特别是断裂附近的强裂缝各向异性.     

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.     

裂缝介质旋转交错网格正演模拟

油气勘探实践表明, 裂缝是油气的储存空间或运移通道, 裂缝介质地震波场的研究越来越受到关注. 实际地层中裂缝形成受多种因素控制, 物理属性比较复杂, 表现出强烈的各向异性. 由于上覆地层的压力使得水平或低陡倾角裂缝存在较少, 大多数为高陡倾角裂缝, 利用线性滑动裂缝介质的等效理论将高陡倾角裂缝介质等效为横向各向同性介质, 便于实际应用. 本文采用各向异性弹性波旋转交错网格模拟方法对含裂缝介质单炮记录进行模拟与分析. 结果表明: 裂缝的存在相当于人为增加反射界面; 裂缝密度越大, 裂缝纵横比越小, 裂缝充填物与背景介质弹性性质差别越大, 引起的反射波能量变化越大. 本文模拟结果为利用地震数据进行裂缝介质参数反演与储层识别及油气预测提供了依据.      

川西新场裂隙储层波场模拟与分析

川西坳陷致密碎屑岩储层虽然地质储量丰富,但是复杂地质条件导致的储层物性差、分布广、层系多、裂隙发育、非均质性强、流体关系复杂的特点加剧了勘探开发的难度。本文针对川西新场探区的复杂性和特殊性,将裂隙储层等效为各向异性储层,进行VTI介质和HTI介质波动方程正演模拟,分析该地区裂隙介质的地震响应特征。波场模拟结果分析表明,裂隙介质的存在,会引起反射波场的振幅和走时变化;另一方面,根据走时的变化,也能估算裂缝发育角度范围。      

Azimuthally pre-stack seismic inversion for orthorhombic anisotropy driven by rock physics

Based on the long-wavelength approximation, a set of parallel vertical fractures embedded in periodic thin interbeds can be regarded as an equivalent orthorhombic medium. Rock physics is the basis for constructing the relationship between fracture parameters and seismic response. Seismic scattering is an effective way to inverse anisotropic parameters. In this study, we propose a reliable method for predicting the Thomsen’s weak anisotropic parameters and fracture weaknesses in an orthorhombic fractured reservoir using azimuthal pre-stack seismic data. First, considering the influence of fluid substitution in mineral matrix, porosity, fractures and anisotropic rocks, we estimate the orthorhombic anisotropic stiffness coefficients by constructing an equivalent rock physics model for fractured rocks. Further, we predict the logging elastic parameters, Thomsen’s weak parameters, and fracture weaknesses to provide the initial model constraints for the seismic inversion. Then, we derive the P-wave reflection coefficient equation for the inversion of Thomsen’s weak anisotropic parameters and fracture weaknesses. Cauchy-sparse and smoothing-model constraint regularization taken into account in a Bayesian framework, we finally develop a method of amplitude variation with angles of incidence and azimuth (AVAZ) inversion for Thomsen’s weak anisotropic parameters and fracture weaknesses, and the model parameters are estimated by using the nonlinear iteratively reweighted least squares (IRLS) strategy. Both synthetic and real examples show that the method can directly estimate the orthorhombic characteristic parameters from the azimuthally pre-stack seismic data, which provides a reliable seismic inversion method for predicting Thomsen’s weak anisotropic parameters and fracture weaknesses.     

Anisotropic azimuthal surface-wave inversion for a vertically fractured and transverse isotropy medium: Theory and examples from a controlled field experiment

Fractures in elastic media add compliance to a rock in the direction normal to the fracture strike. Therefore, elastic wave velocities in a fractured rock will vary as a function of the energy propagation direction relative to the orientation of the aligned fracture set. Anisotropic Thomson–Haskell matrix Rayleigh-wave equations for a vertically transverse isotropic media can be used to model surface-wave dispersion along the principal axes of a vertically fractured and transversely isotropic medium. Furthermore, a workflow combining first-break analysis and azimuthal anisotropic Rayleigh-wave inversion can be used to estimate P-wave and S-wave velocities, Thomsen's ε, and Thomsen's δ along the principal axes of the orthorhombic symmetry. In this work, linear slip theory is used to map our inversion results to the equivalent vertically fractured and transversely isotropic medium coefficients. We carried out this inversion on a synthetic example and a field example. The synthetic data example results show that joint estimation of S-wave velocities with Thomsen's parameters ε and δ along normal and parallel to the vertical fracture set is reliable and, when mapped to the corresponding vertically fractured and transversely isotropic medium, provides insight into the fracture compliances. When the inversion was carried out on the field data, results indicated that the fractured rock is more compliant in the azimuth normal to the visible fracture set orientation and that the in situ normal fracture compliance to tangential fracture compliance ratio is less than half, which implies some cementation may have occurred along the fractures. Such an observation has significant implications when modelling the transport properties of the rock and its strength. Both synthetic and field examples show the potential of azimuthal anisotropic Rayleigh-wave inversion as the method can be further expanded to a more general case where the vertical fracture set orientation is not known a priori.     

多组垂直裂缝诱导各向异性的HTI近似及其特征分析

在裂缝诱导各向异性理论研究中通常使用等效HTI介质来近似多组裂缝所引起的综合效应.由于构造运动的复杂性,多组裂缝普遍存在于地壳与油气储层中.为了研究多组裂缝的地震属性特征,分析常用的等效HTI模型对于多组裂缝近似精度及附加裂缝对介质属性特征的影响,本文利用线性滑移模型进行了多组垂直裂缝的单斜各向异性等效介质理论计算,并利用空间搜索方法求取与其最为接近的HTI介质各向异性弹性参数.重点研究了在两种各向异性介质中纵波速度、快慢横波速度和极化特征及其差异,量化分析附加裂缝对于地震属性如速度、极化方向和走时等的影响,研究对附加裂缝敏感的地震属性.此研究结果和方法为进一步研究多组裂缝的反演及识别方法提供基础,同时对于将高阶对称性各向异性介质中已存在的计算方法应用于低阶对称性时的适用程度、精度分析及相关方法研究具有重要作用.     

基于各向异性梯度的裂缝密度反演

裂缝密度是评价裂缝性储层的重要参数. 本文提出一种利用各向异性梯度计算裂缝密度的新方法,即运用裂缝介质等效理论将高陡倾角裂缝介质等效为横向各向同性介质,得到裂缝介质AVO响应特征,从而得到裂缝介质的各向异性梯度,之后由该梯度与裂缝密度的关系得到裂缝介质的裂缝密度. 实际处理中可以根据地震数据直接求取裂缝介质的各向异性梯度,最后求取裂缝介质的裂缝密度. 模型试算表明, 该方法能得到裂缝介质准确的裂缝密度. 反演结果与初始模型基本一致验证了该方法的正确性; 另外地震记录添加一定的信噪比后也能反演得到准确的裂缝密度,证明了该方法的稳定性.      

裂隙型单斜介质中多方位地面三分量记录模拟

针对裂隙型储集层中更具代表性的各向异性介质模型,即在各向同性背景介质中含有两组斜交的垂直裂隙所构成的单斜各向异性介质模型,利用时间和空间上可达任意阶的高阶交错网格有限差分技术,对具有不同裂隙填充物性质的单斜介质中波的传播快照进行了模拟.结果证实各向异性介质中波的传播速度随传播方向的不同而产生明显的差异;裂隙填充物的性质对于速度各向异性具有很大的影响.另外,利用坐标旋转法,对水平层状各向异性介质中多方位地面三分量记录进行了模拟,结果表明了方位各向异性介质中,波的传播速度不仅随入射角的变化而变化,同时也随观测方位的不同而产生差异.数值模拟结果为进一步利用地面多方位地震属性进行各向异性参数的反演及裂隙参数的描述提供理论基础.     

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.     

Azimuthal Seismic Amplitude Variation with Offset and Azimuth Inversion in Weakly Anisotropic Media with Orthorhombic Symmetry

Seismic amplitude variation with offset and azimuth (AVOaz) inversion is well known as a popular and pragmatic tool utilized to estimate fracture parameters. A single set of vertical fractures aligned along a preferred horizontal direction embedded in a horizontally layered medium can be considered as an effective long-wavelength orthorhombic medium. Estimation of Thomsen’s weak-anisotropy (WA) parameters and fracture weaknesses plays an important role in characterizing the orthorhombic anisotropy in a weakly anisotropic medium. Our goal is to demonstrate an orthorhombic anisotropic AVOaz inversion approach to describe the orthorhombic anisotropy utilizing the observable wide-azimuth seismic reflection data in a fractured reservoir with the assumption of orthorhombic symmetry. Combining Thomsen’s WA theory and linear-slip model, we first derive a perturbation in stiffness matrix of a weakly anisotropic medium with orthorhombic symmetry under the assumption of small WA parameters and fracture weaknesses. Using the perturbation matrix and scattering function, we then derive an expression for linearized PP-wave reflection coefficient in terms of P- and S-wave moduli, density, Thomsen’s WA parameters, and fracture weaknesses in such an orthorhombic medium, which avoids the complicated nonlinear relationship between the orthorhombic anisotropy and azimuthal seismic reflection data. Incorporating azimuthal seismic data and Bayesian inversion theory, the maximum a posteriori solutions of Thomsen’s WA parameters and fracture weaknesses in a weakly anisotropic medium with orthorhombic symmetry are reasonably estimated with the constraints of Cauchy a priori probability distribution and smooth initial models of model parameters to enhance the inversion resolution and the nonlinear iteratively reweighted least squares strategy. The synthetic examples containing a moderate noise demonstrate the feasibility of the derived orthorhombic anisotropic AVOaz inversion method, and the real data illustrate the inversion stabilities of orthorhombic anisotropy in a fractured reservoir.