三維各向異性衰減介質波場模擬方法
【專利摘要】本發明公開一種三維各向異性衰減介質波場模擬方法，包括：采用三維插值法，建模三維地質模型；定義震源類型；定義三維三分量觀測系統；根據所述三維地質模型、所述震源類型和所述三維三分量觀測系統，計算各向異性衰減波場，以產生地震炮記錄和波場快照；輸出所述地震炮記錄和波場快照。通過本發明，以解決現有技術存在的介質各向異性衰減三維模擬的問題。
【專利說明】
三維各向異性衰減介質波場模擬方法
技術領域
[0001] 本發明涉及地震勘探的技術領域，尤其涉及一種三維各向異性衰減介質波場模擬 方法。
【背景技術】
[0002] 地下蘊藏的油氣大部分是裂縫型油氣藏，裂縫不僅提供了油氣儲集空間，也提供 了油氣運移的通道，因此裂縫檢測對油氣勘探來說極其重要，近年來，油氣勘探的重點方 向，例如，裂縫型油氣藏的油水檢測以及頁巖氣等非常規資源勘探，都離不開對裂縫的精確 分析，因此現階段對于裂縫的研究顯得尤為重要和迫切。采用等效介質理論，水平或垂直裂 縫可以采用VTI/HTI介質描述，該類介質僅考慮了地震波傳播的速度各向異性，而當考慮流 體填充的裂縫儲層時，VTI/HTI各向異性衰減是一種更為近似的描述方法，目前國內外在各 向異性衰減三維波場計算和分析方面的研究尚待進一步發展。因此，針對各向異性衰減的 波場模擬顯得尤為重要。
【發明內容】
[0003] 本發明的主要目的在于提供一種三維各向異性衰減介質波場模擬方法，以解決現 有技術存在的介質各向異性衰減三維模擬的問題。
[0004] 為解決上述問題，本發明實施例提供一種三維各向異性衰減介質波場模擬方法， 包括:采用三維插值法，建模三維地質模型；定義震源類型；定義三維三分量觀測系統;根據 所述三維地質模型、所述震源類型和所述三維三分量觀測系統，計算各向異性衰減波場，以 產生地震炮記錄和波場快照;輸出所述地震炮記錄和波場快照。
[0005] 根據本發明的技術方案，通過建模三維地質模型、定義震源類型及三維三分量觀 測系統，再根據所述三維地質模型、所述震源類型和所述三維三分量觀測系統，計算各向異 性衰減波場，以產生地震炮記錄和波場快照。如此一來，有效地解決了介質各向異性衰減三 維模擬的問題，尤其適用于油氣水識別分析、非常規油氣資源模型正演分析工作，還能夠快 速實現三維各向異性衰減波場模擬，準確記錄數值模擬結果，并提高地質解釋的精度。
【附圖說明】
[0006] 此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發 明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
[0007] 圖1是根據本發明實施例的三維各向異性衰減介質波場模擬方法的流程圖；
[0008] 圖2是根據本發明實施例的三維地質模型的示意圖；
[0009] 圖3是根據本發明實施例的地震子波的示意圖；
[0010] 圖4是根據本發明實施例的三維觀測系統的示意圖；
[0011]圖5a、圖5b及圖5c分別是根據本發明實施例的三維三分量各向異性模型模擬記錄 的不意圖；
[0012]圖6a、圖6b及圖6c分別是根據本發明實施例的三個分量波場快照的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]本發明的主要思想在于，基于建模三維地質模型、定義震源類型及三維三分量觀 測系統，再根據所述三維地質模型、所述震源類型和所述三維三分量觀測系統，計算各向異 性衰減波場，以產生地震炮記錄和波場快照。如此一來，有效地解決了介質各向異性衰減三 維模擬的問題，尤其適用于油氣水識別分析、非常規油氣資源模型正演分析工作，還能夠快 速實現三維各向異性衰減波場模擬，準確記錄數值模擬結果，并提高地質解釋的精度。
[0014] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖及具體實施例，對本 發明做進一步地詳細說明。
[0015] 根據本發明的實施例，提供了一種三維各向異性衰減介質波場模擬方法。
[0016] 圖1是根據本發明實施例的三維各向異性衰減介質波場模擬方法的流程圖。
[0017] 在步驟S102中，采用三維插值法，建模三維地質模型。在本實施例中，三維地質模 型可包括速度模型或彈性系數矩陣。其中，所述速度模型包括模型參數，例如縱波速度、橫 波速度、密度、Thomson各向異性參數、縱波品質因子和橫波品質因子。而彈性系數矩陣例如 包括描述各向異性衰減的6*6彈性系數矩陣，且彈性系數矩陣的模型參數由HTI衰減的彈性 系數給定，如圖2所示。
[0018]進一步的，所述三維地質模型滿足如下公式：
[0021]其中，V表示介質速度，P是密度，L是散度運算符，F表示體力，0是應力矢量，e是應 變矢量，E是記憶變量，亡是各向異性衰減介質的彈性系數矩陣，
[0022] 其中，E包括：
[0029] 其中，￡={61，611，622,623,613,612}1，上標"."表示時間的一階導數，上標".."表示 時間的二階導數，= W表示變量的方向導數，函數(K表達式如下：
[0031]其中，u和u分別表示應力和應變松弛時間，上角標1表示縱波，2表示橫波，Vi，i = x，y，z表示質點速度分量，函數@表達式如下：
[0033]在步驟S104中，定義震源類型。在本實施例中，地震子波是采用Ricker子波，并可 自定義子波的主頻、傳播時間和震源類型。其中，震源類型例如可以定義為爆炸震源或者點 震源，而震源的選取可以根據實際數值模擬需求來定義。震源類型滿足如下公式：
[0036]其中，.戶表Zk示體力項，Z表示體力的垂向分j量，f表示垂向單位向量，巾表示一標 量函數，所述標量函數是關于時間的函數，/，j分別為x和y方向的單位向量，x、y、z分別表 示相互垂直的三維坐標軸。
[0037]在步驟S106中，定義三維三分量觀測系統。在本實施例中，三維三分量觀測系統是 各向異性衰減研究的關鍵，根據目標體的特點，可以預先設計合理的觀測系統，計算在預設 觀測點觀測到的數值地震記錄后，采集地震信息，制作出與實際地震資料品質相適應的地 震記錄，便于對比分析。進一步的，三維三分量觀測系統可在主測線（Inline)和聯絡測線 (Crossline)方向分別定義，給定接收線起始位置、線間隔、以及接收線條數后，可以確定接 收線位置。并且，接收線道間距和接收點個數也可以在此時給定，以確定檢波器關系。
[0038]在步驟S108中，根據所述三維地質模型、所述震源和所述三維三分量觀測系統，計 算各向異性衰減波場，以產生地震炮記錄和波場快照。在本實施例中，計算各向異性衰減波 場是采用傅里葉偽譜法、時間四階龍格-庫塔法。也就是說，將地質模型、震源、觀測系統輸 入，作為模擬系統的初始條件，采用傅里葉偽譜法、時間四階龍格-庫塔法計算各向異性衰 減波場，以產生地震炮記錄和波場快照。其中，傅里葉虛譜法的運算分兩步，首先利用傅氏 變換將波場函數表示成傅里葉級數的展開形式，然后在時間_波數域(或時間-頻率域）中對 波動方程進行數值求解。
[0039]另外，四階龍格-庫塔法可以實現各向異性衰減介質波動方程的時間導數計算，其 目的是用來逼近泰勒級數解的一種算法，和泰勒展開式不同之處在于，龍格一庫塔法除了 一階導數外，不用計算其高階導數，代替的是算幾個一階導數，用這幾個一階導數的線性規 律組合來逼近泰勒展開方程，去掉了計算高階導數的繁瑣。即可以通過簡單的計算來實現。 該方法是穩定的和遞推的，也就是說，計算時只要用到前面一個點就能計算出該點的函數 值。四階龍格-庫塔法滿足如下公式：
[0041 ]其中，
[0042] Hi = NVn+Dn
[0043] H2 = N(Vn+dt/2Hi)+Dn+1/2
[0044] H3 = N(Vn+dt/2H2)+Dn+1/2
[0045] H4=N(Vn+dtH3)+Dn+1
[0046] Vn表示第n階波場，Vn+1表示第n+1階波場，dt表示時間采樣間隔，出表示時間段開始 時的斜率，H 2表示時間段中點的斜率，H3表示時間段中點的斜率，H4表示時間段終點的斜率， N表示速度在空間三個方向的導數算子，Dn表示各向異性衰減方程中常量在開始時刻(第n 時刻）的數值，Dn+1/2表示常量在時間段中點(第n+1/2時刻)的數值，Dn+1表示常量在時間段終 點(第n+1時刻）的數值。
[0047]進一步的，可將卷積完全匹配層(CPML)吸收邊界引入到三維各向異性衰減介質數 值模擬，且通過設置適當的參數值CPML。該方法引入復頻域變換使離散方程與模擬的介質 類型無關，是一種無需顯式卷積計算的不分裂的迭代格。該方法通過坐標擴展函數將實數 空間坐標變換為復數坐標，并將擴展函數的極點移動到復平面的虛軸上，對常規完全匹配 層進行了改善。該方法引入虛擬的介質層，該層介質的波阻抗與相鄰介質的波阻抗完全匹 配，因而理論上人射波可以無反射的進人該層，并被完全吸收。該方法不僅吸收效果明顯、 易于實現，而且比傳統PML明顯節省存儲量。
[0048]在步驟S110中，輸出所述地震炮記錄和波場快照。如此一來，本實施例能夠快速實 現三維各向異性衰減波場模擬，準確記錄數值模擬結果。
[0049]上述已說明了三維各向異性衰減介質波場模擬方法，以下將提供一些實例來驗證 上述方法的適用性及準確性。
[0050] 假設震源類型為爆炸震源，且地震子波主頻設定為50Hz，時間延遲70ms，如圖3所 示。進一步，根據HTI衰減各向異性特性，可以定義出三維三分量觀測系統，如圖4所示。圖4 給出了 0度和90度的檢波線，兩條檢波線（即主側線和聯絡測線)相互垂直，可以接收垂直裂 縫和平行裂縫方向的快慢橫波，檢波器間隔是l〇m。將設置好的三維地質模型、震源類型和 三維三分量觀測系統運行模擬，其中每次運行一個時間采樣，模擬會在終端顯示運行情況， 給出最直觀的運行情況。
[0051] 可選地，根據模擬需求可以設置時間采樣間隔，默認值是lms，時間采樣大小可根 據情況設置。同樣，可以設置波場快照的間隔，系統默認值是100ms，即每隔100ms，模擬系統 自動存儲地震波的波場快照，存儲文件以波場快照時間來命名，顯示快捷方便。模擬完成 后，可以顯不三維三分量各向異性模型模擬記錄，其為Z分量、R分量和T分量的三分量地震 炮記錄，如圖5a、圖5b和圖5c所示。并且，波場快照包含了時間起始時間到終止時間的全部 結果，利用X分量、Y分量、Z分量，可以顯示地震波場在某時刻的傳播情況，如圖6a、圖6b和圖 6(：所示。
[0052]綜上所述，根據本發明的技術方案，通過建模三維地質模型、定義震源類型及三維 三分量觀測系統，再根據所述三維地質模型、所述震源類型和所述三維三分量觀測系統，計 算各向異性衰減波場，以產生地震炮記錄和波場快照。如此一來，有效地解決了介質各向異 性衰減三維模擬的問題，尤其適用于油氣水識別分析、非常規油氣資源模型正演分析工作， 還能夠快速實現三維各向異性衰減波場模擬，準確記錄數值模擬結果，并提高地質解釋的 精度。
[0053]顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明的三維各向異性衰減波場模擬 方法和各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分 布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實 現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行。這樣，本發明不限制于任何特 定的硬件和軟件結合。存儲裝置為非易失性存儲器，如:ROM/RAM、閃存、磁碟、光盤等。
[0054]以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人 員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。
【主權項】
1. 一種三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： 采用三維插值法，建模三維地質模型； 定義震源類型； 定義三維三分量觀測系統； 根據所述三維地質模型、所述震源類型和所述三維三分量觀測系統，計算各向異性衰 減波場，以產生地震炮記錄和波場快照； 輸出所述地震炮記錄和波場快照。2. 根據權利要求1所述的三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，所述計算 各向異性衰減波場是采用傅里葉偽譜法、時間四階龍格-庫塔法。3. 根據權利要求1所述的三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，所述三維 地質模型包括速度模型或彈性系數矩陣。4. 根據權利要求3所述的三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，所述速度 模型的模型參數包括:縱波速度、橫波速度、密度、Thomson各向異性參數、縱波品質因子和 橫波品質因子。5. 根據權利要求3所述的三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，所述彈性 系數矩陣的模型參數由HTI衰減的彈性系數給定。6. 根據權利要求1所述的三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，所述震源 類型滿足如下公式：其中，#表示體力項，Z表示體力的垂向分量，備表示垂向單位向量，巾表示一標量函數， 所述標量函數是關于時間的函數，？_，分別為x和y方向的單位向量，x、y、z分別表示相互 垂直的三維坐標軸。7. 根據權利要求1所述的三維各向異性衰減介質波場模擬方法，其特征在于，所述三維 地質模型滿足如下公式：其中，V表示介質速度，P是密度，L是散度運算符，F表示體力，〇是應力矢量，e是應變矢 量，E是記憶變量，亡是各向異性衰減介質的彈性系數矩陣， 其中，E包括：其中，￡={61，611，622,623,613,612}1，上標"."表示時間的一階導數，上標".."表示時間 的二階導數，色，i =x，y，Z表示變量的方向導數，函數<K表達式如下：其中，?^和^分別表示應力和應變松弛時間，上角標1表示縱波，2表示橫波，Vi，i = x， y，Z表示質點速度分量，函數?表達式如下：
【文檔編號】G01V1/28GK106054242SQ201610289461
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】楊春穎, 王赟
【申請人】中國地質大學（北京）