基于伪解析法的TTI介质纯qP波地震波场正演模拟

近年来,各向异性介质纯qP波正演模拟及逆时偏移成像技术受到广泛关注。常规拟声波方程存在伪横波干扰、受模型参数限制(ε≥δ)、传播不稳定和计算精度不高等因素影响,极大地限制了其应用。为此,本文将qP波拟微分方程变换到空间—波数域,并通过坐标变换,推导了时间域TTI介质二阶纯qP波波动方程;为提高计算精度,引入伪解析算法(pseudo analytical method, PAM),实现了基于伪解析法的TTI介质纯qP波地震波场正演模拟。数值模拟结果表明:(1)本文方法克服了拟声波方程的局限性,消除了伪横波干扰,不受模型参数限制且地震波场能稳定传播;(2)与其他方法相比,伪解析法能有效提高数值模拟精度;(3)简单及复杂模型测试验证了本文方法的正确性与适用性。

黏声TTI介质中纯qP波逆时偏移成像方法

地下介质广泛存在黏滞性及各向异性特征,使得地震波在传播过程中发生相位畸变和振幅衰减。若在偏移成像时不对这些黏滞性及各向异性影响进行校正,则会引入成像噪声而降低成像分辨率。针对上述问题,首先将黏滞性引入到TTI介质波动方程,得到一种黏声TTI介质纯qP波波动方程。然后,基于新推导的黏声TTI介质波动方程,发展相应的逆时偏移成像方法。由于黏滞性补偿过程中能量会被放大,波场中指数增加的高频噪声易造成波场传播不稳定。鉴于此,将正则化算子引入到逆时能量补偿过程,以压制波场中的高频噪声。结果表明:新提出的黏声TTI介质逆时偏移成像算法可校正相位畸变,补偿能量衰减,实现对含黏滞性及各向异性介质的高精度成像。

裂缝诱导的TTI介质固液解耦反射系数方程及裂缝和流体参数反演方法

利用地震数据进行裂缝预测及流体识别对于裂缝性储层的勘探开发具有重要意义.针对单组旋转对称的倾斜裂缝诱导的TTI介质,基于各向异性Gassmann方程,推导了固液解耦纵波反射系数近似公式,分析了不同条件下近似公式的精度.根据实际研究工区裂缝储层的特征,选用高裂缝倾角近似公式,通过奇异值分解从方位弹性阻抗中估算裂缝密度和裂缝方位,进而分离和消除各向异性项,建立流体等效体积模量及孔隙度贝叶斯反演预测方法.模型试算表明,在信噪比大于2时,流体等效体积模量、孔隙度和裂缝参数的估计较为可靠,实际应用也验证了反演方法的有效性.

TTI介质隐式有限差分平面波偏移

文章研究了TTI介质隐式有限差分(IFD)波场外推算子和TTI介质平面波偏移.与各向同性和VTI介质相比,TTI介质频散关系要复杂的多,很难得到频散关系的显性表达,也不能再只用对称的偶函数表示,需要加入一个奇函数.文中设计TTI介质IFD波场外推算子并用非线性优化方法求解算子系数.将各向同性介质下平面波偏移理论与TTI介质IFD外推算子相结合,实现了TTI介质下平面波偏移.将设计算子的频散关系曲线和偏移脉冲响应与理论解对比,验证了外推算子的精度;将平面波偏移算法用于全波TTI方程拟合并用极化分析得到的P波数据,验证了TTI介质平面波偏移的准确性和高效性.

二维弹性及粘弹性TTI介质中地震波场数值模拟:四种不同网格高阶有限差分算法研究

本文利用交错网格、辅助网格、旋转交错网格、同位网格有限差分方法分别模拟了二维弹性TTI介质和二维黏弹性TTI介质中的地震波传播.在稳定性条件内,选用不同的网格间距及时间间隔,通过波场快照、合成理论地震图较为系统分析对比了这四种不同网格有限差分数值模拟在计算精度、CPU时间、相移、频散、以及保幅方面的优缺点.数值模拟结果表明:1)这四种不同网格有限差分算法都是很好的波场数值模拟算法;2)就CPU计算时间而言,旋转交错网格有限差分算法的计算效率最高;3)从计算精度来看,同位网格有限差分的计算精度最高;4)从振幅保护方面来看,四种网格的保护振幅的能力相当;5)相移方面,当网格间距增大时,交错网格和旋转交错网格有可能出现相移现象;6)频散方面,同位网格的频散现象不明显.

TTI介质有限差分逆时偏移的稳定性探讨

在沉积学中,可假设在相同时期的沉积层具有相近的物理性质和演化过程.因此,沿层传播的地震波和垂直于地层传播的地震波具有各向异性的特点.在纵波资料的处理中,考虑各向异性对逆时偏移的影响,通常假设介质的横波速度为零,这样可以得到纵波在TTI介质中的传播方程,但是该方程在实际计算中仍存在数值稳定性问题.本文加入横波分量可有效解决数值稳定性问题,并选取适当的横波速度减小对纵波成像的影响,实现地震波在TTI介质中的逆时偏移.实际测算表明,P-SV波的方程中包含横波分量,若假设SV的速度为零,则会导致方程的差分格式不稳定;若加入SV波,选择合适的SV波速度可以使SV波的全区各向异性和反射系数达到极小,并可有效的抑制SV波对纵波勘探的影响.本文的方法是一种稳定的TTI介质中的逆时偏移方法.

TTI介质弹性波相速度与偏振特征分析

相速度和偏振方向是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文假定倾斜横向各向同性(TTI)介质对称轴位于观测坐标系XOZ面内,在此观测坐标系下直接推导了TTI介质弹性波相速度和偏振方向的解析表达式,再进一步利用Thomsen弱各向异性理论,推导了弱各向异性近似条件下弹性波相速度以及qP波和qSV波偏振方向表达式.理论分析和数值试例表明,在相速度方面,随着各向异性介质参数改变,qP波和qSH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.弹性波相速度近似式误差均较小,能较好地近似精确相速度.在偏振方向方面,SH波偏振方向只是传播方向和对称轴倾角的函数,而与各向异性参数无关,SH波偏振方向既垂直于传播方向,又垂直于TTI介质对称轴方向.除特定方向外,qP波和qSV波的偏振方向与传播方向均成一定角度,并且随TTI介质对称轴倾角的改变而改变;在精确和近似情况下,qP波和qSV波的偏振方向始终垂直;在精度允许范围内,偏振方向的弱各向异性近似式与理论解析式吻合较好.

三维TTI介质波动方程分解

波动方程分解是指从弹性波方程中分解出描述各种波场独立传播的波动方程。在各向异性介质中,由于纵波、横波是耦合在一起传播的,所以通常不具备解耦性质。本文从Thomsen弱各向异性近似和声学假设近似两个途径对三维TTI介质弹性波波动方程进行了分解。利用本征值方法求解三维TTI介质弹性波的Christoffel方程,得到描述SH波、qP波和qSV波的精确频散关系方程,通过Thomsen弱各向异性表征理论,推导出了弱各向异性条件下描述qP波和qSV波传播的时空域波动方程;由TTI介质qP波和qSV波耦合的频散关系方程出发,根据声学假设原理,推导出三维TTI介质描述qP波传播的波动方程。数值试算表明,通过波动方程分解获得的三维TTI介质qP波和qSV波波动方程具有较高的精度,为研究三维TTI介质qP波和qSV正演模拟和深度偏移算法奠定了理论基础。

TTI介质qP波入射精确和近似反射透射系数

介质各向异性是影响振幅随炮检距变化(AVO)的重要因素之一.本文将Aki和Richards以及Rüger的方法进行推广,推导出两个弹性倾斜横向各向同性(TTI)介质密接条件下平面波反射和透射系数及其近似式.从位移波函数出发,利用位移连续和应力连续边界条件,建立了TTI介质qP波入射的拟Zoeppritz方程,求解得到精确反射透射系数.在此基础上,利用弱各向异性近似和介质分解理论,推导了TTI介质qP波入射近似的反射透射系数.近似式的物理意义明确,而且精度较高.PP反射系数近似式表明,垂直横向各向同性(VTI)不影响P-P波反射系数的截距(入射角为0时的反射系数),只对梯度有直接影响;而TTI既影响截距,又影响梯度.对于VTI介质,各向异性参数δ控制小角度反射系数,而ε影响大角度入射.但是对于TTI介质,参数ε和δ对小角度反射系数和大角度反射系数都有影响.

TTI介质逆时偏移成像

本文基于Alkhalifah的P-SV波频散关系,应用声波近似假设推导了横向各向同性介质(TI)中的声波标量方程组,其中每个方程都含有与时间和空间有关的二阶导数项,并且方程中不含有混合导数项,易于利用有限差分法进行数值模拟。文中采用改进的不完全声波近似假设,从而获得了更长的稳定模拟时间,与采用传统声波近似假设相比,波场传播更加稳定。有限差分数值模拟及复杂模型数据的计算结果表明,TI介质中的声波标量方程组能准确地描述准声波在TI介质中的运动学特征,能很好地进行逆时偏移成像。

TTI介质各向异性伪谱法逆时偏移

在Thomsen精确相速度方程和弱各向异性假设前提下,将VTI相速度方程拓展为TTI介质相速度方程,进而得到TTI介质的P波方程。利用伪谱算法对P波方程进行了正演和逆时偏移,并和各向同性F-X域深度偏移效果进行了对比,结果表明:①对于各向异性介质,利用各向同性的偏移算法得到的结果会有误差,成像结果有明显的畸变;②在考虑效率和精度的前提下,伪谱法由于其利用快速二维傅里叶变换解决空间导数的计算问题,这对于实际应用中计算成本颇高的逆时偏移是一个较理想的选择;③推导的近似方程在弱各向异性条件下可以较好地应用于TTI介质中。

Lebedev网格改进差分系数TTI介质正演模拟方法研究

本文采用一种新的交错网格-Lebedev网格(LG)进行TTI介质的正演模拟研究,避免了Virieux标准交错网格(SSG)算法在处理TTI、单斜等各向异性介质时波场插值引入的数值误差,提高了模拟精度.在方法实现过程中,本文针对有限差分正演模拟面临的网格频散与边界反射两个关键性问题分别做了优化,并通过模型试算验证了它们的有效性与可行性:(1)结合最小二乘思想推导出新的频散改进差分系数(DIC),该系数比Taylor系数更能有效地压制粗网格引起的数值频散,可以节约内存,提高计算效率;(2)将分裂的多轴完全匹配层(M-PML)吸收边界条件引入到LG算法中,解决了传统PML边界条件在某些各向异性介质中的不稳定现象并且具有较好的边界吸收效果.

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.

TTI介质声波方程分裂式PML吸收边界条件研究

针对倾斜横向各向同性(TTI)介质声波波动方程的特点,研究了TTI介质分裂式完全匹配层(Split perfectly matched layer,SPML)吸收边界条件。首先对常见的几种TTI介质声波波动方程进行了归纳,并从TTI介质波场传播稳定性的角度进行对比分析,结果表明,引入横波分量的TTI介质纵横波耦合方程适用于TTI介质。然后从TTI介质纵横波耦合二阶波动方程出发,推导得到其一阶波动方程的形式,进而推导出一阶波动方程形式的SPML波动方程,并给出了高阶交错网格有限差分算法的具体实现过程。数值模拟结果表明,SPML吸收边界条件能达到很好的人工边界反射吸收效果,相比优化海绵吸收边界条件,其人工边界反射吸收效果更好。

三维TTI介质相速度和群速度

相速度和群速度是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,是弹性波传播理论中的核心内容,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文根据VTI介质的刚度矩阵,利用Bond变换建立了TTI介质刚度矩阵.再利用TTI介质刚度矩阵,结合弹性动力学的本构方程、牛顿运动微分方程和几何方程,得到了三维TTI介质弹性波波动方程和Christoffel方程.通过本征值方法求解Christoffel方程,推导了三维TTI介质弹性波相速度的解析表达式.利用Berryman和Crampin推导各向异性介质群速度公式,根据三维TTI介质的相速度解析式推导了三维TTI介质群速度解析表达式.数值试例表明,随着各向异性介质参数改变,TI介质弹性波相速度变化较为平缓,群速度变化较为剧烈,qP波和SH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.

TTI介质qP波方程频率—空间域加权平均有限差分算子

波动方程有限差分方法能够较精确地模拟任意非均匀介质中的地震波场,但它本身存在着数值频散问题。在具有倾斜对称轴的横向各向同性介质(TTI介质)地震波正演模拟中,为了解决常规有限差分算子的数值频散问题,本文构造了频率—空间域qP波方程加权平均有限差分算子,求取了归一化相速度,并根据最优化理论中的高斯—牛顿法确定了加权平均差分算子的最优加权系数。利用常规差分算子和加权平均差分算子对归一化相速度进行了频散分析,并对均匀TTI介质(包括各向同性介质和椭圆各向异性介质)中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟。结果表明:加权平均有限差分算子具有较高的数值精度,能有效地压制常规有限差分算子的数值频散,为TTI介质频率—空间域qP波正演模拟奠定了基础。

TTI介质各向异性参数多波反演与PS波AVO分析

把遗传算法引入到了TTI介质AVO信息反演各向异性参数的过程中,依据TTI介质PP波、PS波反射系数公式,建立Thomsen参数和TTI介质对称轴倾角、方位角的目标函数,分别通过PP波和PS波的反射系数反演出了各向异性参数和对称轴倾角、方位角等信息.文中对反演结果的精确度和稳定性进行了分析,发现PS波的反演结果优于PP波反演结果;对称轴倾角的反演准确性明显优于对称轴方位角.本文通过模型正演合理解释了这一现象的原因.最后,本文通过对PS波AVO梯度的研究,提出了利用PS波振幅定性分析TTI介质对称轴倾角的方法.

组合边界条件下二维三分量TTI介质波场数值模拟

从TTI介质一阶应力—速度方程出发,利用旋转交错网格高阶有限差分方法,将非分裂完全匹配层(Non-spliting Perfect Match Layer,简称NPML)边界吸收条件和自由边界条件相结合形成组合边界条件,进行了二维三分量TTI介质弹性波场数值模拟。波场快照和炮记录表明:①采用非分裂式边界条件能较好地消除近地表大角度入射波和瞬逝波;②组合边界条件与NPML边界吸收条件相比,不仅有效地压制了边界反射,同时实现了对自由地表的模拟,获得了丰富的全波场信息,其中在地表产生的PS转换横波作为一种特殊的横波现象,可为近地表结构调查以及多波波场分析等提供有益信息;③自由地表引起的面波以及多次波对偏移结果有着重要影响,因此在实际地震资料处理中应当充分考虑自由地表条件对波场的影响效应。数值模拟结果证实了组合边界条件下二维三分量TTI介质波场数值模拟方法的可行性和正确性。

TTI介质一阶qP波方程交错网格伪谱法正演模拟

受TTI声介质强各向异性和对称轴极化倾角急剧变化的影响,传统有限差分法正演模拟易出现不稳定现象。本文基于TTI介质二阶耦合准纵(qP)波方程,推导了TTI介质一阶速度—应力方程,构建了交错网格中基于完全匹配层(PML)吸收边界条件的高阶有限差分格式;通过引入基于PML原理的一阶qP波方程伪谱法递推格式,实现了TTI介质qP波波场的稳定延拓。对二维TTI介质Wedge和BP模型的正演模拟试算结果表明:基于伪谱法递推格式实现的TTI介质正演模拟法,能较准确且稳定地模拟强各向异性及倾角变化剧烈区域的地震波场,验证了本文方法的有效性和较强适应性。

TTI介质相速度对弹性模量参数的敏感性研究

速度敏感函数是相(群)速度对各向异性介质参数的偏微分表达式,它是各向异性介质走时扰动方程的重要组成成分,所以具有重要的研究价值。由于群速度是相速度的函数,所以利用相速度偏微分表达速度敏感函数更加简便。参考前人基于VTI介质模型的速度敏感函数计算方法,推导出了基于TTI介质模型以相速度偏微分表达的速度敏感函数计算方法,并对VTI介质和TTI介质的qP波、qSV波和qSH波分别模拟计算了速度敏感函数。对速度敏感函数的特性分析结果表明,不同弹性参数的速度敏感性不同,同一弹性参数不同观测角度的速度敏感性也不同,VTI介质的速度敏感函数存在对称性,而TTI介质的速度敏感函数相对复杂得多。最后利用TI介质反射波非线性走时反演算法对层间块状异常体模型进行了走时反演,反演结果验证了速度敏感函数计算方法的正确性,也证实了速度敏感函数对反演结果具有预测和指示作用。