各向异性介质的矢量波场分离与应用

针对裂缝各向异性介质,本文提出一种非正交假设下的矢量波场分离方法.本文首先对多分量地震勘探中常见的波型泄漏现象进行了数学描述,提出在纵、横波波场分离的同时应该考虑恢复纵、横波的矢量振幅.为了对裂缝方位角与各向异性系数进行定量预测,本文将矢量波场分离拆分成三个步骤来实施：第一步,用Z、R两分量的仿射坐标系变换分离ZR平面内的P波投影与SV波;第二步,用ZR平面内的P波投影与T分量的仿射坐标系变换分离P波与SH波;第三步,用纯净的SV波与SH波的成像剖面分离快慢横波,并预测裂缝发育参数.模型数据与实际数据的试验结果表明,本文提出的纵、横波波场分离方法能够获得完整的矢量振幅信息,并提供裂缝预测的精度.

     

基于Bond变换的裂缝介质波场方位特征模拟及分析

地震波场的方位特征对于裂缝性油气藏的地震预测方法研究有着重要的意义.为使裂缝模型更具一般性,本文基于线性滑动理论和Bond变换构造了两组任意夹角竖直裂缝模型;考虑到波场二维模拟中突出方位特征,依据弹性动力学的基本方程和Bond变换,推导出了含方位角的弹性波传播速度应力方程;使用高精度交错网格有限差分法对几种裂缝介质进行了数值模拟,并分析其波场特征的变化.模拟结果表明,在两组参数相同的任意夹角竖直裂缝模型中,裂缝内夹角各个方位的波场特征变化不明显,各向异性强度较低,裂缝外夹角各个方位的波场特征变化剧烈,裂缝正交时,各处波场特征相近;针对单组裂缝模型,分析了裂缝参数变化对波场特征的影响,总结出了三种波场形态,得出了裂缝垂直面的波场特征与裂缝法向弱度和切向弱度的相对大小有关,从裂缝垂直面到裂缝平行面的波场朝着相同的形态变化,与裂缝参数无关等认识.这些分析结果有助于进一步认识和应用裂缝介质的波场方位特征.     

基于三维孔隙网络模型的纵波频散衰减特征分析

波场在含流体的孔隙介质中传播时会产生频散和衰减现象.波场的频散和衰减与孔隙介质的岩石物理属性有关,包括孔隙度、渗透率、流体属性等.现有的三维裂缝/软孔隙网络模型利用椭圆截面纵横比的变化模拟从扁裂缝、软孔隙到硬孔隙的多种情况,而未考虑同时包含孔隙和裂缝的全局性网络空间.为了更好地描述裂缝-孔隙空间,本文提出同时包含裂缝和孔隙的三维裂缝-孔隙网络模型,并给出渗透率的计算方法.通过体积平均法推导了三维裂缝/软孔隙网络模型和三维裂缝-孔隙网络模型的波动方程,利用平面波分析方法得到纵波频散/衰减曲线的表达式,同时应用数值模拟研究了总孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝纵横比、裂缝数密度、孔隙流体黏度对纵波衰减和速度频散特征的影响.结果表明,在三维裂缝-孔隙网络模型下,总孔隙度、裂缝参数等对纵波频散衰减特征的影响与三维裂缝/软孔隙网络模型相似.具体表现为:纵波在高频段内出现频散和衰减现象.孔隙度的变化主要影响逆品质因子曲线峰值的大小;裂缝数密度主要控制速度显著变化的范围;裂缝纵横比对纵波速度和特征频率有显著影响.     

基于耦合反射/透射系数单程波传播算子的地震波模拟研究

单程波近似实际上是一种多次前向散射和单次后向散射近似.利用单程波近似来描述波传播可以极大地节省地震数值模拟的计算时间和内存,实现地震波长距离传播模拟和三维地震模拟快速计算.本文基于单程波近似和波动积分方程的分离变量逼近,从广义Lippmann-Schwinger波动积分方程推导出耦合反射/透射系数的单程波传播算子.该算子由两部分构成：分离变量Fourier单程波传播算子和薄板间的反射/透射系数表达.前者将常规的Fourier分裂步单程波传播算子(SSF)推广适应横向强速度变化介质和大角度传播波场.后者是利用垂直波数来表示反射/透射系数,自然耦合到波场传播的计算过程中,其为地质界面倾角的隐式表达,精确描述振幅随入射角的变化,能适应任意复杂的模型.通过两个数值算例和一个实际地质模型的计算,本文将该方法和边界元法进行了比较,结果表明：在算例给出的介质横向速度变化情况下,本文提出的方法在相位和振幅方面与全波数值方法基本吻合.     

二维弹性多波时空域高斯束偏移方法

随着我国勘探开发难度逐步增大,勘探目标开始向裂缝油气藏、岩性油气藏等复杂探区转移,研究高精度、适应性强的多波多分量深度偏移算法在后续的地震解释、属性分析及储层预测中具有重要意义.针对多波多分量地震数据,本文提出了一种二维弹性波时空域高斯束偏移方法.时空域高斯束沿中心射线传播时能够面向成像目标描述局部波场,且对振幅和频率可调制的Gabor基函数有天然的适应性,因而将基于Gabor分解的子波重构方法应用于震源波场构建,从而得到任意点源函数产生的时空域高斯束波场.该方法由于直接在时间域进行计算,可以避开频率域中出现的假频和边缘截断效应等问题.基于各向同性弹性波动方程的Kirchhoff-Helmholtz积分解,利用矢量时空域高斯束传播算子构建格林函数和格林位移张量,并结合上行射线追踪策略,实现了检波点波场的反向延拓.针对矢量波成像问题,本文借鉴弹性波逆时偏移方法从矢量延拓波场中分离出纯纵波分量和纯横波分量,进而采用修改后的内积成像条件产生具有明确物理意义的PP、PS成像结果,避免了转换波成像的极性反转问题.最后利用简单两层模型和不含盐体构造的部分Sigsbee2a模型的成像结果,并将其与应用近似纵横波成像条件、标量和矢量势成像条件的偏移剖面进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.

     

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.     

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分：正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.

     

非对称圆弧片状声源在井旁地层中产生的声场

提出了一种可用于随钻三维反射声波成像测井的圆弧片状声源,推导了该声源声学性质在波数-频率域内的数学描述,并利用实轴积分的方法对该声源在井旁地层中产生的声场进行求解,考察了声源的线度、频率等因素对该声源向地层中辐射的声场的影响.研究结果表明,特定尺寸和特定频率下的圆弧片状声源产生的纵波场的水平和垂直指向性图中仅具有一个明显的主瓣,且主瓣三分贝角宽较窄,方位分辨率较高,指向性良好,适用于随钻三维反射成像测井;SV波场和SH波场的指向性图中存在两个或者多个角瓣,SV波场在垂直于井轴方向上辐射的能量为0,另外在井中发射和接收的反射SH波场和SV波场会相互干扰,所以难以利用SV波场和SH波场进行三维反射声波成像;声源的线度和频率等因素对其辐射声场影响较大,考虑到激励效率和方位分辨率等因素,对于本文描述的井孔模型,选择圆周角在75°和90°之间, 主频为12 kHz左右的声源是合适的.     

裂缝性储层的电各向异性响应特征研究

以水平裂缝分布的孔隙介质模型为基础,建立了水平裂缝面的平行裂缝分布和带粗糙表面的点接触裂缝模型,导出了两类裂缝模型的水平和垂直电阻率响应关系,分析了两类裂缝模型在没有围压和存在围压条件下的水平电阻率、垂直电阻率变化规律和电各向异性系数的变化特征.讨论了裂缝开度、裂缝密度和裂缝粗糙度等裂缝特征参数对裂缝性储层电各向异性的影响.为简化讨论,所有电性响应特征的分析都忽略了裂缝和孔隙表面的导电性和极化的影响.利用平行分布水平裂缝面模型和带粗糙面的裂缝模型,考察了围压条件下的裂缝性岩石的电各向异性响应特征,得到了对实际应用有意义的结果.     

波动方程Maslov射线解的有限差分计算

借助于守恒型程函方程的有限差分解法，构造出一种地震波场Ｍａｓｌｏｖ渐近解的数值计算方法，并针对不同坐标系进行了讨论。文中通过不同模型分别计算了透射波和反射波的射线路径、走时及相应的合成地震记录，结果表明本算法具有快速、准确的特点。本文算法可用于叠前Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ深度偏移及非均匀介质逆散射问题中Ｇｒｅｅｎ函数的计算，并就算法本身的局限性作了讨论。     

单程波算子地震波入射角计算

基于单程波深度延拓方法,发展了一种地震波入射角度计算方法.入射角度的计算仅利用简谐波场,可得到整个成像区域内所有点的入射波波前面方向.该方法具有较高的计算效率,可服务于合成角道集等深度偏移方法;与偏移算法相比,其计算量几乎可以忽略.与射线法或基于走时梯度的入射角度计算方法相比,本文方法更稳健,避免了速度场的微小变化导致的入射角较大变化,因此更适用于实际偏移速度模型,也与波动方程深度偏移方法更匹配.数值算例表明,本文方法既有较高的计算效率又有很好的精度,且有很好的稳定性.     

多点激励下拱桥竖向地震反应的简化计算方法

以某大跨公路拱桥为例,通过对拱桥在三种行波输入模式下地震反应的对比计算,提出了拱脚行波输入的简化输入方式;利用拱桥结构的对称性特点,提出了多点输入下半拱叠加的简化计算方法。经验证,这一计算方法具有良好的计算精度,可将较为复杂的拱桥多点输入地震反应计算问题,转化为工程技术人员熟悉的一致输入下地震反应计算问题。     

Theoretical basis and numerical simulation of parallel seismic test for existing piles using flexural wave

This paper presents theoretical analysis of the parallel seismic (PS) method for evaluating existing piles using the flexural mode wave exited by a horizontal impact on the lateral surface of a pile. A simplified theoretical model of the flexural wave for PS method was established to elaborate the theoretical basis. A correction factor was then obtained and proposed to correct the pile depth obtained from the PS method, thus providing a more accurate estimation. A three dimension (3-D) finite element (FE) model was developed and the existence of the flexural waves on branch F(1, 1) in the pile shaft has been verified. Two time domain methods were used to calculate the flexural wave velocity in the pile. One was based on the pile tip reflection signal using a model where pile head reflection was minimized, and another method used the slope of the upper fitted line in the PS test. The flexural wave velocities from both methods match well with the predicted flexural wave group velocity determined from the dispersion curve of a 1-D rod embedded in the soil. The accuracy in estimation of pile tip depth is improved by applying the correction factor. A series of parametric studies were carried out to demonstrate the effectiveness of using flexural wave for PS test and the correction factor proposed in this study.     

Cone model for two surface foundations on layered soil

In this paper, the cone model is applied to the vibration analysis of two foundations on a layered soil half space. In the analysis, the total stress field in the subsoil is divided into the free-field and the scattering field. Seed＇s simplified method is adopted for the free-field analysis, while the cone model is proposed for analyzing the dynamic scattering stress wave field. The shear stress field and the compressive stress field in the layered stratum with two scattering sources are calculated by shear cone and compressive cone, respectively. Furthermore, the stress fields in the subsoil with two foundations are divided into six zones, and the P wave and S wave are analyzed in each zone. Numerical results are provided to illustrate features of the added stress field for two surface foundations under vertical and horizontal sinusoidal force excitation. The proposed cone model may be useful in handling some of the complex problems associated with multi-scattering sources.     

二维粘弹性随机介质中的波场特征分析

通过交错网格有限差分正演,模拟了平面地震波在二维粘弹性随机介质模型中的传播及其自激自收时间记录．为研究粘弹性随机介质模型中的波场特征,我们在理论记录(垂直分量)剖面上选取两个时间区段;在这两个不同的时间区段上,分别计算剖面的三个统计特征(横向中心频率、纵向中心频率、波场能量相对值)．这样,对应每一个粘弹性随机介质模型,我们均可计算得到6个不同的波场特征量．我们通过在二维粘弹性随机介质中的正演模拟,研究当自相关长度以及粘弹吸收系数变化时,对应的上述波场特征量的变化特点,最终得出了若干结论。     

稀疏采样下陡角度构造的波动方程深度偏移成像

针对稀疏采样,特别是crossline方向稀疏采样的三维地震数据,提出了一个基于波动方程方法的陡角度构造深度偏移成像方法.文中针对一类混合域（空间和波数）的波动方程偏移方法展开研究.通过建立反假频的单程波算子和通过（形式上）填充空道重建理想采样的地震数据,有效地实现了陡倾角地层的准确成像.这一算法策略解决了波动方程偏移方法在实际应用中的一个关键问题,从而更好地发挥了波动方程偏移方法在复杂构造成像上的优势.二维理论数据（Marmousi模型）和三维实际地震资料成像结果表明本文方法是有效的.这一方法对现行的三维地震数据处理有重要的现实意义.     

二维横各向同性弹性随机介质中的波场特征

本文通过交错网格有限差分正演．模拟了平面地震波在二维横各向同性弹性随机介质模型中的传播及其自激自收时间记录．为研究横各向同性弹性随机介质模型中的波场特征,我们在五个不同的时间区段上,分别计算剖面的三个统计特征(横向中心频率、纵向中心频率、波场能量相对值)．这样,对应每一个横各向同性弹性随机介质模型．均可计算得到15个不同的波场特征量．我们通过在二维横各向同性弹性随机介质中的正演模拟．研究当自相关长度以及介质的各向异性系数变化时,对应的上述波场特征量的变化特点．证实了在随机介质模型中．各向异性系数的变化会引起波场记录上的某些统计特征的变化,归纳得出了若干结论．     

三维各向异性介质中的波动方程叠前深度偏移方法

基于三维VTI各向异性介质的频散关系,构建波数项和空间项分离的单程波算子表达式,以优化算法,确定算子的待定系数,实现广角逼近三维VTI介质的广义相移算子,发展了可灵活处理强或弱各向异性介质的波动方程叠前深度偏移方法.文中同时也针对其工业应用建议了三维VTI各向异性介质中可提高计算效率的频率相关变步长波场深度延拓算法及稀疏采样情况下可实现陡倾角构造正确成像的反假频波场延拓算法.SEG二维Hess VTI各向异性介质理论模型数据及野外数据集观测系统下的三维脉冲响应计算表明,本文提出了一种具有工业应用潜力的三维各向异性波动方程叠前深度方法.     

Pg回折波的上地壳三维层析成象

提出利用人工地震Ｐｇ回折波走时重建区域上地壳三维速度分布的方法。正问题利用经典最小二乘迭代求解垂向速度梯度模型的参数值及相应走时残差。反问题采用泛函空间的最小二乘准则来实现。对速度不需要预先进行参数化处理，可以计算反演区内任意点的速度值。数值计算结果表明了该方法的可靠性。处理了滦县地震区人工地震Ｐｇ走时资料，获得了该区上地壳顶部的三维速度分布。     

Shear wave velocity-based liquefaction evaluation in the great Wenchuan earthquake： a preliminary case study

The great Wenchuan earthquake (Ms = 8.0) in 2008 caused severe damage in the western part of the Chengdu Plain. Soil liquefaction was one of the major causes of damage in the plain areas, and proper evaluation of liquefaction potential is important in the definition of the seismic hazard facing a given region and post-earthquake reconstruction. In this paper, a simplified procedure is proposed for liquefaction assessment of sandy deposits using shear wave velocity (Vs), and soil liquefaction from the Banqiao School site was preliminarily investigated after the earthquake. Boreholes were made at the site and shear wave velocities were measured both by SASW and down-hole methods. Based on the in-situ soil information and Vs profiles, the liquefaction potential of this site was evaluated. The results are reasonably consistent with the actual field behavior observed after the earthquake, indicating that the proposed procedure is effective. The possible effects of gravel and fines contents on liquefaction of sandy soils were also briefly discussed.