复杂地表条件下的地震波场模拟方法研究

克服常规非零炮检距地震波场模拟只能采用双程波动方程的限制,以等时叠加原理为基础,提出了一种新的适用于复杂地表条件的基于单程波动方程的频率域地震波场模拟方法.该方法采用频率域单程波动方程延拓算子进行波场延拓,利用等时叠加原理进行波场成像,不仅具有很快的计算速度,而且可以得到高信噪比的模拟记录,仅包含一次反射波和不规则点的绕射波,不包含直达波、多次波等干扰波.实际模型的正演数值模拟和叠前偏移结果都证明了该方法的正确性和有效性.     

基于惠更斯原理的波动方程共炮点道集地震正演

地震非零炮检距正演模拟技术在叠前地震资料处理和解释中有重要意义.作者利用下行波将震源场延拓到地质介质任意深度,实现单程波动方程模拟叠前正演记录.用单程波动方程法对一个盐丘地质模型生成129个共炮点地震记录,并对所有共炮记录进行叠前深度偏移.在共炮记录中,来自盐丘地质模型的反射波和绕射波十分清晰.叠前深度偏移剖面和盐丘地质模型完全吻合.该方法生成记录质量好且计算效率高,并且叠前正演记录没有多次波、直达波和其他干扰波.     

频率域2.5维电磁测深有限元模拟中的吸收边界条件

针对频率域2.5维电磁测深问题,借鉴地震波模拟中吸收边界的处理方法,将波数域电磁场方程分解成两个传播方向相反的单程波方程,以沿边界外法向衰减的单程波方程作为该边界上的吸收边界条件.给出了全吸收边界条件的构造方法,并导出了15°吸收边界的具体形式.数值计算结果表明,该吸收边界条件使边界反射得到了有效压制,在相同的计算量下计算精度显著提高.     

数学检波器与波动方程地震叠前正演

地震非零炮检距正演模拟技术在叠前地震资料处理和解释中有重要意义.叠前正演通常用射线追踪法和全程波动方程法来实现.这些方法在计算效率和记录信噪比等方面存在许多固有的问题.作者通过提出数学检波器(MG)的概念和方法,使利用单程波动方程实现叠前正演成为可能.文中给出了用单程波动方程法对一个复杂地质模型形成8个共炮点地震记录的例子.在这些共炮记录中,来自复杂地质模型的反射波和绕射波十分清晰.记录质量好且计算效率高.更重要的是,利用作者研制的新方法可获得没有多次波、直达波和其它干扰的高信/噪比地震叠前正演记录.     

基于三角形剖分的复杂GPR模型有限元法正演模拟

针对基于矩形网格剖分的时域有限差分法(FDTD)和有限单元法(FEM),对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的模型适应性差的问题,从雷达波所满足的Maxwell方程出发,推导探地雷达(GPR)有限元波动方程,通过采用三角形网格剖分和线性插值基函数,在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,应用Galerkin有限单元法求解GPR波波动方程;同时为消除FEM进行GPR正演模拟时来自截断边界处的超强反射,采用透射边界条件把GPR波在截断边界处的反射波透射出去,进而压制来自截断边界处的反射波。然后,编制GPR有限元正演模拟的Matlab程序。应用该程序分别对起伏分界面、"V"字形2个复杂地电模型进行FEM正演模拟,得到基于三角形网格剖分的FEM正演模拟GPR剖面图,并把该正演模拟剖面图与常规的基于矩形剖分的FEM正演模拟剖面图进行对比,结果表明:基于三角形剖分的FEM对于复杂GPR模型的物性参数分界面拟合更好,其模拟所得的正演剖面与实际模型更相符,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译。     

任意偶数阶精度交错网格声波方程数值模拟

以波动理论为理论基础,利用泰勒级数展开推导出了一阶应力-速度声波方程组的空间任意偶数阶精度交错网格差分格式。选用衰减边界条件,进行了边界效果对比及差分精度选取测试。结果表明差分精度越高,频散越弱,数值模拟的效果越好。应用空间八阶、时间二阶精度差分格式,实现了各向同性介质模型的声波方程数值模拟。正演模拟结果可以清晰地反映出声波波场中波传播的运动学和动力学特征,可推广应用于三维声波高精度波场正演模拟中。     

双相介质中储层波场特征数值模拟研究

根据双相介质弹性波方程,并对弹性波方程进行分离得到了膨胀波方程。利用高阶差分对膨胀波方程进行数值模拟,边界处理采用完全匹配层的吸收边界条件,算法实现了任意高阶差分和自动加载边界条件的纵波方程正演模拟。计算结果表明,在双相各向同性介质中存在快纵波、慢纵波,两种纵波有明显的区别,快纵波的速度远大于慢纵波的速度。在分界面上,快纵波要产生透射快纵波、透射转换慢纵波,反射快纵波、反射转换慢纵波。慢纵波具有很强的衰减性,耗散系数越小,慢纵波越明显,反之亦然。该算法的高阶差分形式可以显著地降低数值频散,有效提高地震波正演计算的精度,适应性好,操作简便灵活。     

弥散黏滞性波动方程的吸收边界算法

针对地震波数值模拟中因计算区域有界而产生的人工边界反射问题,提出了一种弥散黏滞性波动方程的吸收边界算法.在所研究的有界计算区域周围加入合适的吸收层,使得吸收层内的地震波随传播距离指数衰减而达到吸收边界反射的目的.利用傅里叶变换求得无界空间该波动方程的解;引入衰减函数构建有界空间相应的辅助方程,合理地选择衰减函数使得计算区域内辅助方程的解为原方程的解,而边界吸收层内的解呈指数衰减;运用有限差分法在均匀介质和均匀层状介质中求解弥散黏滞性波动方程,采用该方法对边界进行处理并与未加边界处理的波场快照和地震记录进行对比.实验结果表明,所提方法处理后的波场快照几乎无边界反射波存在,在空间位置为x=147 m、z=747 m的地震记录中,0.5s处边界反射波的振幅趋于0.所提方法也适用于声波方程和Stokes方程.     

任意裂隙方位双相HTI介质的地震波方程及正演模拟

基于BISQ方程的高频极限,导出了适用于任意方位角的双相HTI介质波动方程,推导了该方程在交错网格空间中求解的高阶有限差分格式和对应的完全匹配层(PML)吸收边界条件,实现了该类介质的地震波场正演模拟。模拟结果表明,该方法能准确模拟地震波在双相HTI介质中的传播过程,得到高精度的波场快照和合成记录。分析得出:在双相各向异性介质中,弹性波的传播仍表现出各向异性特征;孔隙度、粘滞系数和固液耦合密度主要影响慢纵波的振幅和形态。     

粘弹性波动方程正演和偏移

理论和实际研究均表明大地介质属于非完全弹性介质,它是具有粘滞性的粘弹性体,地震波在大地中传播时,质点的震动能量转化为其他各种形式的能量,这种能量的转化使地震波在粘弹性介质中传播时,其高频成分很容易被吸收,振幅近似按指数规律衰减,波形和相位失真.作者从二维粘弹性波动方程出发,在频率波数域内导出了粘弹性波动方程的正演和偏移算法.根据设计的地质模型,分别对粘弹性介质和弹性介质中的点状绕射源进行正演模拟,模拟结果表明介质的粘滞性对地震波予以吸收和衰减;将粘滞性介质中点状绕射源的正演结果,分别用粘弹性波动方程偏移算法和弹性波动方程偏移算法进行偏移模拟,并予以对比分析,其结果进一步说明了对实际介质中地震波的吸收和衰减作用的处理效果,证明了所得算法的准确性和有效性.     

起伏地表有限元叠前逆时偏移完全匹配层

在地震波传播的数值模拟中,用有限区域代替求解无限区域地震波传播规律是一种有效手段。目前完全匹配层吸收边界条件是边界吸收最好的选择。通常正演模拟不考虑自由表面吸收条件,但在逆时偏移中,地表反射的存在会引起假的同相轴。推导了位移形式的有限元二阶声波方程的完全匹配层吸收边界条件公式,并应用于起伏地表声波方程有限元数值模拟与逆时偏移成像;通过数值分析并与传统的Clayton-Engquist吸收边界条件做了比较。计算结果表明,方法取得了理想的边界吸收效果,可以消除起伏地表反射引起的假同相轴。     

频散介质中探地雷达有限元法正演模拟

为了更准确地认识探地雷达(GPR)波在频散介质中的传播规律,从Maxwell方程组出发,在频散介质相对介电常数与频率满足Debye关系的条件下,经傅里叶变换,导出时间域GPR波电场和磁场的波动方程。对GPR波的电场波动方程采用伽辽金有限元法,推导频散介质中探地雷达二维有限元方程,采用透射吸收边界有效减弱截断边界的超强反射波,使得截断边界处的反射波充分吸收。利用依上述方法原理编制的程序分别对均匀模型和两圆状模型进行正演计算,验证该算法的正确性和可行性。研究结果表明:均匀频散介质中GPR子波的衰减比在非频散介质中的衰减要快得多,且GPR子波的宽度随着接收器与发射源距离的增加而变大;频散介质中异常体的反射波宽度比非频散介质中的反射波宽度大。     

基于起伏地形的瑞利面波有限差分数值模拟

利用瑞利面波的频散特性及其不同频率瑞利面波能量随探测深度衰减变化规律,能够用来进行浅地表的地质勘探和地球内部构造的研究。利用有限差分数值求解的算法,模拟起伏条件下的地下介质中的瑞利面波;建立速度-应力弹性波动方程,利用交错网格的差分方式,引入完全匹配层(Perfectly matched layer,简称PML)的人工边界条件,对几种简单的起伏地表模型进行正演模拟。结果表明交错网格有限差分方法有比较好的精度,PML边界条件能够对来自边界的虚反射有较好的吸收处理。     

基于波动方程的Ansys模型黏弹性边界条件研究

 研究了应用Ansys 有限元软件进行地震波场数值模拟的边界条件问题,提出一种基于波动方程的Ansys 模型黏弹性边界条件构建方法。由波动方程推导并建立了黏弹性边界条件的理论基础,在Ansys 模型中选用带阻尼的Combin14 单元作为加载有限元,采用APDL 代码成功地将黏弹性边界条件施加于Ansys 模型中。对模型进行实例计算,在模型边界设置虚拟检波器,加载Ricker 子波震源,提取计算后的波场快照和时间记录进行对比,结果显示,所施加的黏弹性边界条件可以很好地吸收边界反射波,表明了该方法所构建的Ansys 模型黏弹性边界条件的有效性。     

三维VSP波动方程保幅叠前深度偏移方法

VSP偏移成像技术在VSP资料处理中具有重要意义。为了对地下复杂构造进行精确成像,常要求对VSP数据进行三维叠前偏移处理。传统的单程波方程延拓计算时只能保证相位信息的正确性,没有对振幅做任何处理,仍存在保幅性较差的问题,不利于将其结果运用到岩性分析中去。本文以保幅型单程波偏移算子为基础,研究了三维VSP单程波动方程保幅偏移成像方法。并在实际资料中,采用了保幅型三维地震道插值方法,对非规则网格炮点采集的三维VSP数据进行插值,保证了波动方程保幅偏移的效果。     

不同边界条件下的二维声波方程数值模拟

地震波场数值模拟是研究波动现象的重要手段之一,对油气田的勘探和开发具有重要意义。数值模拟过程中,需要通过添加边界条件来尽可能消除由于截断所产生的边界反射。选取雷克子波作为震源项,分别建立均匀及层状地质模型,拟定合适的波场模拟参数,实现了不同边界条件下的二维声波方程数值模拟。利用数值模拟得到的波场快照和地震记录直观地对比分析不同边界条件对边界反射的消除效果,认为透明边界条件(TBC吸收边界条件)和Clayton-Engquist边界条件(CE吸收边界条件)都能够较好地消除边界反射。最后提出了一种组合边界条件的方法。     

波动方程保幅叠前深度偏移与AVO响应

从全声波方程出发,基于严格的解耦理论进行单程波保幅分解,得到直观、高效率的直接面对地震波传播波场的压力分量进行延拓的单程波动方程;按照叠前深度偏移方法中的波场双重向下延拓理论实现共炮域公式到CMP(共中心点)域公式的转换,推导出由双平方根方程定义的保幅单程波动方程,从而将振幅误差补偿作为偏移的一部分在偏移过程中实现,使得地震成像在给出正确位置的同时也给出真实振幅.在此基础上获得的CRP(共反射点)道集在保证真实振幅的前提下,有效解决了绕射波干涉、反射点弥散、与倾角有关的NMO等问题,使AVO响应更加清晰,提高了AVO资料的分析精度.     

地震波震源加载方式对波场特征的影响

目的地震波场数值模拟中,研究胀缩源、集中力源、剪切源在各向异性介质中引起的波场特征。方法采用MPML吸收边界,详细地分析了3种震源的加载机理,基于交错网格高阶有限差分法的波动方程进行数值模拟。结果不同震源在介质中对波场类型、偏振方向、各分量的能量分配等特征有较大的影响。结论结果对横波分裂的研究和野外观测系统的震源研究有一定的理论指导意义。     

含直立裂缝粘弹性介质地震波场正演模拟

以Carcione各向异性粘弹性理论为基础,导出了适用于任意方位角的粘弹性方位各向异性(HTI)介质的波动方程,推导了该方程在交错网格空间中求解的高阶有限差分格式和对应的完全匹配层(PML)吸收边界条件,实现了该类介质的地震波场正演模拟。模拟结果表明,该方法能准确模拟地震波在含直立裂缝粘弹性介质中的传播过程,得到高精度的波场快照和合成记录。初步分析了介质的各向异性特征和衰减特征,研究了裂缝方位角和粘滞性参数对地震波场的影响机理。     

不同边界条件下的二维声波方程数值模拟研究

地震波场数值模拟是研究波动现象的重要手段之一,它对于油气田的勘探和开发具有重要意义。数值模拟过程中,需要通过添加边界条件来尽可能消除由于截断所产生的边界反射。本文选取雷克子波作为震源项,分别建立均匀及层状地质模型,拟定合适的波场模拟参数,实现了不同边界条件下的二维声波方程数值模拟。利用数值模拟得到的波场快照和地震记录直观地对比分析不同边界条件对边界反射的消除效果,本文认为透明边界条件(以下简称TBC吸收边界条件)和Clayton-Engquist边界条件(以下简称CE吸收边界条件)都能够较好地消除边界反射。最后,本文提出了一种组合边界条件的方法。