CN106054242B - 三维各向异性衰减介质波场模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维各向异性衰减介质波场模拟方法，包括：采用三维插值法，建模三维地质模型；定义震源类型；定义三维三分量观测系统；根据所述三维地质模型、所述震源类型和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照；输出所述地震炮记录和波场快照。通过本发明，以解决现有技术存在的介质各向异性衰减三维模拟的问题。

Description

三维各向异性衰减介质波场模拟方法

技术领域

本发明涉及地震勘探的技术领域，尤其涉及一种三维各向异性衰减介质波场模拟方法。

背景技术

地下蕴藏的油气大部分是裂缝型油气藏，裂缝不仅提供了油气储集空间，也提供了油气运移的通道，因此裂缝检测对油气勘探来说极其重要，近年来，油气勘探的重点方向，例如，裂缝型油气藏的油水检测以及页岩气等非常规资源勘探，都离不开对裂缝的精确分析，因此现阶段对于裂缝的研究显得尤为重要和迫切。采用等效介质理论，水平或垂直裂缝可以采用VTI/HTI介质描述，该类介质仅考虑了地震波传播的速度各向异性，而当考虑流体填充的裂缝储层时，VTI/HTI各向异性衰减是一种更为近似的描述方法，目前国内外在各向异性衰减三维波场计算和分析方面的研究尚待进一步发展。因此，针对各向异性衰减的波场模拟显得尤为重要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三维各向异性衰减介质波场模拟方法，以解决现有技术存在的介质各向异性衰减三维模拟的问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种三维各向异性衰减介质波场模拟方法，包括：采用三维插值法，建模三维地质模型；定义震源类型；定义三维三分量观测系统；根据所述三维地质模型、所述震源类型和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照；输出所述地震炮记录和波场快照。

根据本发明的技术方案，通过建模三维地质模型、定义震源类型及三维三分量观测系统，再根据所述三维地质模型、所述震源类型和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照。如此一来，有效地解决了介质各向异性衰减三维模拟的问题，尤其适用于油气水识别分析、非常规油气资源模型正演分析工作，还能够快速实现三维各向异性衰减波场模拟，准确记录数值模拟结果，并提高地质解释的精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的三维各向异性衰减介质波场模拟方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的三维地质模型的示意图；

图3是根据本发明实施例的地震子波的示意图；

图4是根据本发明实施例的三维观测系统的示意图；

图5a、图5b及图5c分别是根据本发明实施例的三维三分量各向异性模型模拟记录的示意图；

图6a、图6b及图6c分别是根据本发明实施例的三个分量波场快照的示意图。

具体实施方式

本发明的主要思想在于，基于建模三维地质模型、定义震源类型及三维三分量观测系统，再根据所述三维地质模型、所述震源类型和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照。如此一来，有效地解决了介质各向异性衰减三维模拟的问题，尤其适用于油气水识别分析、非常规油气资源模型正演分析工作，还能够快速实现三维各向异性衰减波场模拟，准确记录数值模拟结果，并提高地质解释的精度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步地详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种三维各向异性衰减介质波场模拟方法。

图1是根据本发明实施例的三维各向异性衰减介质波场模拟方法的流程图。

在步骤S102中，采用三维插值法，建模三维地质模型。在本实施例中，三维地质模型可包括速度模型或弹性系数矩阵。其中，所述速度模型包括模型参数，例如纵波速度、横波速度、密度、Thomson各向异性参数、纵波品质因子和横波品质因子。而弹性系数矩阵例如包括描述各向异性衰减的6*6弹性系数矩阵，且弹性系数矩阵的模型参数由HTI衰减的弹性系数给定，如图2所示。

进一步的，所述三维地质模型满足如下公式：

其中，V表示介质速度，ρ是密度，L是散度运算符，F表示体力，σ是应力矢量，ε是应变矢量，E是记忆变量，是各向异性衰减介质的弹性系数矩阵，

其中，E包括：

其中，E＝{e₁,e₁₁,e₂₂,e₂₃,e₁₃,e₁₂}^T，上标”.”表示时间的一阶导数，上标“..”表示时间的二阶导数，表示变量的方向导数，函数φ_α表达式如下：

其中，τ_σα和τ_εα分别表示应力和应变松弛时间，上角标1表示纵波，2表示横波，v_i,i＝x,y,z表示质点速度分量，函数Θ表达式如下：

在步骤S104中，定义震源类型。在本实施例中，地震子波是采用Ricker子波，并可自定义子波的主频、传播时间和震源类型。其中，震源类型例如可以定义为爆炸震源或者点震源，而震源的选取可以根据实际数值模拟需求来定义。震源类型满足如下公式：

其中，表Zk示体力项，Z表示体力的垂向分j量，表示垂向单位向量，φ表示一标量函数，所述标量函数是关于时间的函数， 分别为x和y方向的单位向量，x、y、z分别表示相互垂直的三维坐标轴。

在步骤S106中，定义三维三分量观测系统。在本实施例中，三维三分量观测系统是各向异性衰减研究的关键，根据目标体的特点，可以预先设计合理的观测系统，计算在预设观测点观测到的数值地震记录后，采集地震信息，制作出与实际地震资料品质相适应的地震记录，便于对比分析。進一步的，三维三分量观测系统可在主测线(Inline)和联络测线(Crossline)方向分别定义，给定接收线起始位置、线间隔、以及接收线条数后，可以确定接收线位置。并且，接收线道间距和接收点个数也可以在此时给定，以确定检波器关系。

在步骤S108中，根据所述三维地质模型、所述震源和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照。在本实施例中，计算各向异性衰减波场是采用傅里叶伪谱法、时间四阶龙格-库塔法。也就是说，将地质模型、震源、观测系统输入，作为模拟系统的初始条件，采用傅里叶伪谱法、时间四阶龙格-库塔法计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照。其中，傅里叶虚谱法的运算分两步，首先利用傅氏变换将波场函数表示成傅里叶级数的展开形式，然后在时间-波数域(或时间-频率域)中对波动方程进行数值求解。

另外，四阶龙格-库塔法可以实现各向异性衰减介质波动方程的时间导数计算，其目的是用来逼近泰勒级数解的一种算法，和泰勒展开式不同之处在于，龙格一库塔法除了一阶导数外，不用计算其高阶导数，代替的是算几个一阶导数，用这几个一阶导数的线性规律组合来逼近泰勒展开方程，去掉了计算高阶导数的繁琐。即可以通过简单的计算来实现。该方法是稳定的和递推的，也就是说，计算时只要用到前面一个点就能计算出该点的函数值。四阶龙格-库塔法满足如下公式：

其中，

H₁＝NVⁿ+Dⁿ

H₂＝N(Vⁿ+dt/2H₁)+D^n+1/2

H₃＝N(Vⁿ+dt/2H₂)+D^n+1/2

H₄＝N(Vⁿ+dtH₃)+Dⁿ⁺¹

Vⁿ表示第n阶波场，Vⁿ⁺¹表示第n+1阶波场，dt表示时间采样间隔，H₁表示时间段开始时的斜率，H₂表示时间段中点的斜率，H₃表示时间段中点的斜率，H₄表示时间段终点的斜率，N表示速度在空间三个方向的导数算子，Dⁿ表示各向异性衰减方程中常量在开始时刻(第n时刻)的数值，D^n+1/2表示常量在时间段中点(第n+1/2时刻)的数值，Dⁿ⁺¹表示常量在时间段终点(第n+1时刻)的数值。

进一步的，可将卷积完全匹配层(CPML)吸收边界引入到三维各向异性衰减介质数值模拟，且通过设置适当的参数值CPML。该方法引入复频域变换使离散方程与模拟的介质类型无关，是一种无需显式卷积计算的不分裂的迭代格。该方法通过坐标扩展函数将实数空间坐标变换为复数坐标，并将扩展函数的极点移动到复平面的虚轴上，对常规完全匹配层进行了改善。该方法引入虚拟的介质层，该层介质的波阻抗与相邻介质的波阻抗完全匹配，因而理论上人射波可以无反射的进人该层，并被完全吸收。该方法不仅吸收效果明显、易于实现，而且比传统PML明显节省存储量。

在步骤S110中，输出所述地震炮记录和波场快照。如此一来，本实施例能够快速实现三维各向异性衰减波场模拟，准确记录数值模拟结果。

上述已说明了三维各向异性衰减介质波场模拟方法，以下将提供一些实例来验证上述方法的适用性及准确性。

假设震源类型为爆炸震源，且地震子波主频设定为50Hz，时间延迟70ms，如图3所示。进一步，根据HTI衰减各向异性特性，可以定义出三维三分量观测系统，如图4所示。图4给出了0度和90度的检波线，两条检波线(即主侧线和联络测线)相互垂直，可以接收垂直裂缝和平行裂缝方向的快慢横波，检波器间隔是10m。将设置好的三维地质模型、震源类型和三维三分量观测系统运行模拟，其中每次运行一个时间采样，模拟会在终端显示运行情况，给出最直观的运行情况。

可选地，根据模拟需求可以设置时间采样间隔，默认值是1ms，时间采样大小可根据情况设置。同样，可以设置波场快照的间隔，系统默认值是100ms，即每隔100ms，模拟系统自动存储地震波的波场快照，存储文件以波场快照时间来命名，显示快捷方便。模拟完成后，可以显示三维三分量各向异性模型模拟记录，其为Z分量、R分量和T分量的三分量地震炮记录，如图5a、图5b和图5c所示。并且，波场快照包含了时间起始时间到终止时间的全部结果，利用X分量、Y分量、Z分量，可以显示地震波场在某时刻的传播情况，如图6a、图6b和图6c所示。

综上所述，根据本发明的技术方案，通过建模三维地质模型、定义震源类型及三维三分量观测系统，再根据所述三维地质模型、所述震源类型和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照。如此一来，有效地解决了介质各向异性衰减三维模拟的问题，尤其适用于油气水识别分析、非常规油气资源模型正演分析工作，还能够快速实现三维各向异性衰减波场模拟，准确记录数值模拟结果，并提高地质解释的精度。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的三维各向异性衰减波场模拟方法和各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。存储装置为非易失性存储器，如：ROM/RAM、闪存、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种三维各向异性衰减介质波场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用三维插值法，建模三维地质模型，所述三维地质模型包括速度模型或弹性系数矩阵；

定义震源类型，所述震源类型满足如下公式：

其中，表示体力项，Z表示体力的垂向分量，表示垂向单位向量，φ表示一标量函数，所述标量函数是关于时间的函数，分别为x和y方向的单位向量，x、y、z分别表示相互垂直的三维坐标轴；

定义三维三分量观测系统；

根据所述三维地质模型、所述震源类型和所述三维三分量观测系统，计算各向异性衰减波场，以产生地震炮记录和波场快照；

输出所述地震炮记录和波场快照。

2.根据权利要求1所述的三维各向异性衰减介质波场模拟方法，其特征在于，所述计算各向异性衰减波场是采用傅里叶伪谱法、时间四阶龙格-库塔法。

3.根据权利要求1所述的三维各向异性衰减介质波场模拟方法，其特征在于，所述速度模型的模型参数包括：纵波速度、横波速度、密度、Thomson各向异性参数、纵波品质因子和横波品质因子。

4.根据权利要求1所述的三维各向异性衰减介质波场模拟方法，其特征在于，所述弹性系数矩阵的模型参数由HT I衰减的弹性系数给定。

5.根据权利要求1所述的三维各向异性衰减介质波场模拟方法，其特征在于，所述三维地质模型满足如下公式：

其中，V表示介质速度，ρ是密度，L是散度运算符，F表示体力，σ是应力矢量，ε是应变矢量，E是记忆变量，是各向异性衰减介质的弹性系数矩阵，

其中，E包括：

其中，E＝{e₁,e₁₁,e₂₂,e₂₃,e₁₃,e₁₂}^T，上标“ .”表示时间的一阶导数，上标“..”表示时间的二阶导数，表示变量的方向导数，函数φ_α表达式如下：

其中，τ_σα和τ_εα分别表示应力和应变松弛时间，上角标(1)表示纵波，上角标(2)表示横波，v_i,i＝x,y,z表示质点速度分量，函数Θ表达式如下：