起伏地表复杂介质波动方程有限元数值模拟方法

波动方程数值模拟是深入研究地震波传播规律的有效方法.有限差分法因其方法简单、精度高而得到了广泛的应用.但其缺点是不能准确模拟具有复杂几何形态的物性界面.因而当遇到起伏地表或复杂构造时,求解精度低.为了准确模拟起伏地形、复杂构造和复杂介质条件下的地震波场,本文采用有限元法模拟二维声波方程.用三角形单元模拟地形和速度界面;把单元内的场和波速均看作单元上的线性函数,以适应复杂介质压制边角散射;采用吸收边界条件去除来自截断边界上的反射;采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵使得显式时间递推无需对矩阵求逆,提高了计算效率.对模型的计算表明该方法正确有效.

波动方程有限元叠前逆时偏移

为研究起伏地表、复杂构造以及复杂速度分布条件下地震数据的精确成像方法,本文采用有限元法完成观测波场的声波方程逆时外推,并提出了以节点波场最大振幅出现时间作为成像时间的最大振幅成像条件。该成像条件不同于激发时间成像条件,它基于波动理论而不是射线理论,可使能量更好地聚焦。有限元法采用六节点三角形单元,对单元内的场和速度均作二次插值以提高模拟精度;用对角化的集中质量矩阵代替协调质量矩阵,避免了矩阵求逆,提高了计算效率。通过对带地形的凹陷模型、Mormousi模型及带地形的Mormousi模型等三个理论模型的计算,结果表明该方法能够有效处理复杂地质条件下的地震成像问题,对于复杂地质体中的断层、断块、背斜构造、高速体和目标体成像都比较清晰,位置准确。尤其对于基于起伏地表直接进行偏移的模型数据也得到了较好的成像结果。

利用组合质量矩阵压制数值频散

波动方程数值模拟一直受到频散效应的影响。利用有限元模拟声波方程时,协调质量矩阵和集中质量矩阵对频散误差起着相反的作用:协调质量矩阵使频散误差领先于真实信号,而集中质量矩阵使频散误差落后于真实信号。因此利用两种质量矩阵的线性组合能有效压制数值频散。速度对组合系数的影响很小,在2500～4000m/s范围内,最优组合系数均约为0.5。这种压制数值频散的方法,具有不增加额外计算量且不导致算法复杂的特点,能够适应变速模型。

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。

利用有限元解波动方程求取初至时间

叠前逆时偏移需要计算成像点的初至时间。射线追踪法因为计算效率高,常被用作旅行时的计算,但难以处理速度剧变和非规则网格情形。常用的有限元法在求解波动方程时,也会像有限差分法一样存在数据频散问题。本文采用有限元解波动方程获取地震波初至时间,与一般有限元法的主要区别在于利用集中质量矩阵压制时间频散使波前形态保真,并给出了根据震源子波第一极值出现时间求初至时间的方法。数值实验结果表明该方法能适用于非规则网格和速度剧变界面情形。

泥页岩有机显微组分的扫描电镜形貌特征及识别方法

显微组分是有机质的基本组成成分,是有机岩石学的主要研究内容,又是烃源岩有机质类型判别的重要依据,所以对显微组分的观测与识别具有重要的实际意义。扫描电镜具有放大倍数高,图像立体感强等优点,扫描电镜制样方法简单(新鲜断面),样品没有受到任何人工处理,各显微组分自身的赋存方式,形态特征,与矿物的接触关系等得以保存,所以扫描电镜研究有机显微组分与传统研究方法相比具有极大优势。电镜下有机质的识别要点是:首先通过形态识别,有机质是非晶质,没有规则的晶型,而且有机质硬度较低,容易被矿物质挤压而呈现不同的形态,最后利用能谱进行最终判断。识别出有机质后,结合煤岩学对显微组分形态的描述,并综合考虑样品的来源及地质年代来识别显微组分。作者用扫描电镜识别出了7个显微组分组中的13种显微组分:结构镜质体、无结构镜质体、碎屑镜质体、丝质体、孢子体、角质体、树脂体、藻类体、沥青质体、固体沥青、微粒体、动物有机碎屑和矿物沥青基质,并详细描述了这13种显微组分的物料来源、形态特征、赋存状态及识别方法。

频率域可控源电磁法2.5D正反演

CSEM有MT不可比拟的优势,得到国内外学者多年的大力发展,但是,其数据处理水平尚停留在1D和2D近似解释阶段。2.5D相对来说更加符合实际情况(3D),要想进一步发展该方法,必须开展CSEM 2.5D或3D正演和反演研究。采用有限元法实现了CSEM 2.5D正演模拟,在验证其代码有效的前提下,计算了水平地形和地堑地形的电磁场响应。采用共轭梯度法实现了对场值直接进行反演的算法。从试算低阻和高阻模型的结果可知,反演算法精度高,计算速度快,初步达到了实用化的程度。

泥页岩孔隙类型、形态特征及成因研究

泥页岩中存在丰富的微孔隙及微裂隙,这些微孔隙及微裂隙是泥页岩的存储空间与流通通道,对页岩气开采有着重要的意义。用氩离子抛光制样方法,采用场发射扫描电镜背散射模式能比较容易地观察到这些孔隙。我国泥页岩中常见微孔隙有:有机质孔隙,粘土矿物晶间孔,碳酸盐及长石溶蚀孔,微裂缝等四种类型。有机质孔隙是有机质达到一定成熟度后开始大量排烃,从而在有机质内部留下的孔隙;粘土矿物晶间孔多呈三角形或狭缝形,大小从几纳米到超过1微米;碳酸盐溶蚀孔多呈菱形,且多发生在矿物表面和边缘,长石溶蚀孔常沿长石解理方向平行分布,溶蚀孔与有机质分解过程中产生的有机酸有密切关系;微裂隙包括收缩裂缝,干裂缝,层间缝等,这些微孔隙及微裂缝为页岩气提供了重要的储存空间与流通通道。

一种聚合物水化分子形态的环境扫描电镜观测方法

聚合物、交联聚合物、凝胶等含水样品水化分子形态呈链状、线团状及网状等结构,这些样品由于有大量水的存在,不能用普通扫描电镜直接观察,而干燥后的样品又容易导致聚合物分子缩聚。本文介绍利用环境扫描电镜,简单有效的观察聚合物、凝胶等含水样品的水化分子微观形态的实验方法。

页岩有机碳含量的扫描电镜估算方法

页岩有机碳含量(TOC)是评价页岩可采性的重要指标之一。实验室TOC含量的测试方法一般采用燃烧法,该测试方法的优点是测试结果较为准确,但需要的仪器设备和试剂材料多,步骤繁琐耗时,经济成本也高。氩离子抛光扫描电镜方法是研究页岩孔隙结构一种最常用、最直观的方法。该方法一般选择背散射成像模式,其特点是扫描电镜图像亮度与观测物质的局部平均原子量大小(原子序数)相关,所以有机质和矿物质可以根据其在电镜照片中的特征亮度来区分。基于这一原理,可以由计算机算出有机质面积占比,再结合有机质及矿物质的密度,计算出有机碳的含量。这种方法准确性较高,作为扫描电镜对页岩孔隙结构观察的附带分析结果,也节约了经济成本和时间成本。

泥页岩样品自然断面与氩离子抛光扫描电镜制样方法的比较与应用

根据不同的研究目的,泥页岩的扫描电镜实验常用自然断面和氩离子抛光两种制样方法。自然断面的样品一般利用二次电子(SE)信号成像,反映样品表面原始形貌,图像立体感强,是最常用的制样方法。自然断面方法适合观察较大的孔隙结构,矿物及有机质形态特征,有机显微组分等。氩离子抛光样品一般利用背散射(BSE)信号成像,反映样品原子序数差异,容易区分有机质与矿物质。氩离子抛光样品表面光滑平整,适合观察泥页岩中纳米级孔隙,能直观地观察到矿物及有机质的颗粒大小及分布情况,但经过切割、研磨和抛光等一系列复杂的处理过程,样品原始形貌受到一定的破坏,会损失掉一些有用信息。本文详细比较了自然断面与氩离子抛光两种制样方法的特点及适用条件,指出如何根据样品特征及研究目的选择合适的制样方法。

三塘湖盆地芦草沟组页岩有机显微组分扫描电镜研究

三塘湖盆地芦草沟组泥页岩处于低成熟-成熟早期阶段,热演化成熟度适宜,源岩有机质丰度高,类型好,以I型和II型为主;大量烃类滞留于烃源岩中,形成页岩油,为一套优质烃源岩。扫描电镜具有放大倍数高,图像立体感强,制样方法简单等优点,使得显微组分原始状态及与矿物接触关系得以保存,是研究有机显微组分的良好手段。芦草沟组页岩有机显微组分种类丰富,笔者利用扫描电镜及能谱仪,通过形貌特征、赋存状态及化学成分识别出了腐泥组、镜质组、惰质组、壳质组和动物有机碎屑,五大显微组分组中的沥青质体、镜质体、丝质体、孢粉体、角质体、树脂体和动物碎屑体等七种显微组分,并详细介绍了每种显微组分的形成原因、形态特征及识别方法。芦草沟组页岩中,沥青质体是最主要的显微组分,具有很好的生烃潜力。

几种叠前逆时偏移成像条件的比较

叠前逆时偏移常用的成像条件主要有初至时成像条件、最大振幅到达时成像条件和互相关成像条件。初至时成像条件以成像网格点初至波的到达时间作为成像时间,计算速度快,适用于介质相对简单的情况。最大振幅到达时成像条件以成像网格点出现最大入射振幅的时间作为成像时间,选取能量最强的绕射波聚焦成像,提高了成像质量。互相关成像条件利用的是入射波和反射波的互相关,偏移前需要模拟整个放炮过程,计算量和存储量都很大,但能够充分利用全波场信息,可使各成像网格点多次成像,从而有效压制成像噪声。Marmousi模型叠前逆时偏移成像结果表明,互相关成像条件的抗噪性能优于初至时成像条件和最大振幅到达时成像条件,当偏移速度场足够准确时,互相关成像条件可以实现多次波成像。

海上拖缆采集地震数据接收点位移校正

海上拖缆地震数据采集时,接收点位移会使成像剖面产生与采集船航向相反的偏移,越晚到达的信号越偏离实际位置。针对常规P1/90导航文件提供的时间信息只精确到1s、精度较低的问题,采用具有更高精度的P2/94导航文件的时间信息计算船速,逐条电缆校正地震数据;通过建立弧长坐标的方法,将平面上的曲线映射为弧长坐标中的直线,降低数据插值的复杂性。模型数据和实际资料的测试证明,经接收点位移校正减小了时移地震两次采集时船速不同带来的成像误差,使资料的一致性更好,有利于突出储层物性变化的地震响应,提高油气藏变化监测的精度。该方法不仅针对海上时移地震资料匹配处理有效,对常规深水地震勘探同样具有借鉴意义。

离子减薄仪技术改进及功能开发

离子减薄仪是一种用来制备透射电镜样品的设备,其原理是利用被电离的氩离子轰击样品表面,从而使样品减薄,达到透射电镜观察要求。页岩中的微孔隙及微裂缝是页岩气储存空间及流通通道,有重要的研究价值,然而页岩中的孔隙微小,多为纳米级,用传统的制样方法很难观察到。国外一些研究人员采用氩离子抛光制样方法,成功地观察到了页岩中的纳米级孔隙,由于国内当时还没有此类设备,我们把我实验室原有的离子减薄仪进行开发,成功地实现了氩离子抛光的功能,满足了科研需求。

中海油多分量地震处理技术的发展与应用实例

20世纪末中海油在南海油气勘探中成功试验了二维多分量地震技术.其后十多年,中海油进一步在不同近海油气盆地采集了三维多分量OBC地震资料.但由于针对三维转换波的处理未能形成有效的关键技术,除双检叠加利用了水压分量和陆检垂直分量外,大量水平分量数据未被使用.鉴于此,中海油在十二五期间开展三维多分量地震数据处理的关键技术攻关:针对弹性波场的矢量特征、转换波射线路径不对称以及双程旅行时多时间尺度等问题,成功研发了矢量化的信号处理技术、弹性波速度建模以及叠前时间偏移成像等技术;集成了相对完善的三维弹性波成像EWI软件系统;完成了多个试验区的三维四分量OBC地震转换波的处理,取得了好于以往技术的效果;建立了海上多分量OBC地震资料处理流程.但相对于成熟的纵波处理技术,海洋多分量地震处理技术仍需要不断完善与发展.

基于三参数小波的频谱分解方法

首先阐述了频谱分解方法的基本原理,然后介绍了三参数小波,重点研究了每个参数对小波的影响,随后设计了正演模型,利用三参数小波进行时频分析;最后利用基于三参数小波的频谱分解方法预测储层,发现三参数小波能更好地显示细微的地质信息。模型测试及实际地震资料应用表明:①三参数小波的灵活性高,小波的调制频率σ影响小波的震荡程度。能量衰减因子τ影响小波的宽窄,当τ较大时,σ对小波的影响减弱。能量延迟因子β的影响颇为复杂,当其为周期的整数倍时,小波只产生时移,可以匹配零相位子波;当其为周期的非整数倍时,小波不仅产生时移,而且产生相位延迟,可以匹配非零相位子波。同时需要注意,β非零会造成河道埋深解释错误。②三参数小波变换较Morlet小波变换具有较好的时频分辨率,能更好地刻画薄互层内细微的地质沉积结构。③实际处理中可将从目的层段提取的地震子波与三参数小波做相关,优选相关性大的参数组合,从而获得最佳的三参数小波。

用MATLAB实现波动方程多核并行计算

波动方程数值模拟在油气勘探中发挥着重要作用,如何提高它的计算效率一直是人们研究的课题.目前多核计算机已非常普及,而现有程序基本都是采用MPI实现并行计算的.这种进程级粒度的并行计算方式在PC-Cluster之类的分布式计算机上效果很好,可是在单个节点上却受内存限制,往往只能使用少数几个甚至单个计算核心,多核处理器的效能难以得到有效发挥.本文基于MATLAB科学计算平台构建波动方程数值模拟算法,将占主要计算量的波场外推式计算分解为矩阵-向量乘法、向量对应元素相乘或相减运算,通过MEX文件机制,在MATLAB中引入了OpenMP多线程并行计算,解决了MPI进程级并行在内存使用受限的情况下,多核利用效率低的问题.在四核计算机上测试表明,右端项计算平均加速3.37倍,解对角线方程平均加速1.66倍,波场外推式的计算平均加速3.11倍,使正演计算的总体计算速度提高了近3倍,有效提高了计算效率.