[發明專利]基于時空雙變網格的彈性波正演模擬技術

無效

• 申請號: 201110036626.4
• 申請日: 2011-02-12
• 公開（公告）號: CN102183790A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 李振春;黃建平;張慧
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(華東)
• 主分類號: G01V1/50
• 分類號: G01V1/50
• 代理公司: 山東濟南齊魯科技專利事務所有限公司 37108
• 代理人: 宋永麗

所屬技術領域

本發明屬于地震勘探基礎應用領域，是一種針對地下復雜介質的高效地震波正演模擬技術。

背景技術

隨著地震勘探開發的深入，勘探領域逐步過渡到復雜地表、復雜地質結構的雙復雜構造環境。此時地震勘探的成效，在很大程度上取決于所研發技術對復雜實際介質模型的適應性。因此在進行基于實際模型的地震波正演模擬時，模型的地表和深層復雜性是不可避免的。傳統有限差分地震波模擬方法基于規則的矩形網格，是處理非均勻介質，特別是連續非均勻介質波動問題的有效方法。但是，當模型存在低降速層或小型非均質體時，網格間距必須取得較小，以保證計算精度和穩定性，但是這種規則的網格離散方法極大的增加了計算量，降低了計算效率。

地震波場正演過程中，模型網格劃分的優劣與波場正演的效率密切相關。網格劃分可分為規則網格剖分和不規則網格剖分，而簡單的不規則網格可以通過沿x軸和z軸取不同的網格間距來實現。早期的變網格算法是在規則的矩形網格基礎上實現的，在精細網格和粗糙網格的過渡區域往往要使用插值算法來得到每一時刻的波場值。Jastram和Behle(1992)提出了基于二維聲波方程中某一深度變網格步長的算法；Jastram和Tessemer(1994)用了一種類似的方法針對二維彈性波模型，提出了在垂向上網格步長逐漸變化的算法。隨后Falk(1996)將這一方法用于模擬井間地震中產生的管波。Arben?Pitarka(1999)實現了低階精度的不規則交錯網格正演模擬，并首次分析了網格尺度變化帶來的數值頻散問題。Wang等(2001)年利用不規則網格實現了對粘彈性介質的模擬，在他的算法中需要在波數域對過渡區進行插值計算，并且只能適應2倍和3倍的空間網格變化。

在正演模擬中時間算子做為一個全局變量，局部變化非常困難。Falk等(1998)、Tessmer(2000)發展了二階運動方程的變時間算法，但是對一階速度-應力方程中時間采樣在半程上交錯計算的情況并不適用。Thomas(2000年)利用交錯位移-應力方程實現了大地地震聲波模擬中的P波傳播。盡管Thomas實現了局部穩定性條件，但是在不同區域邊界部分如何實現局部時間采樣步長變化并沒有給出詳細的處理說明。Hayashi等(2001)用3倍的精細網格對近地表的低速區域實現了不規則網格正演模擬。

發明內容

本發明的目的在于針對地表具有低降速帶、地下具有薄層介質、小型化構造和小尺度非均質體的情況，提出了一種適用于復雜地震地質模型，并且具有較高計算效率以及模擬精度的基于時空雙變網格的彈性波正演模擬技術，對復雜速度模型采用了更為合理的多尺度網格離散方案，局部采用精細網格剖分，從而避免了對整個模型采用精細網格剖分而導致的采樣過密帶來的計算耗時長，占用內存多等問題。同時，基于采樣定理給出的局部穩定性條件，對精細網格進行局部精細時間步長延拓，從根本上提高了計算效率。

本發明所采用的技術方案是：基于時空雙變網格的彈性波正演模擬技術，地震波在地下的傳播過程可以用彈性波波動方程進行描述，彈性波一階速度——應力方程求解地震波在給定速度場中的傳播，其特征在于其步驟是：

(1)首先針對已知的地震地質模型，根據地下介質的速度參數和彈性參數確定目標區域和背景區域的穩定性條件，從而計算出不同尺度的空間網格大小并對速度場進行離散化處理；

(2)然后利用泰勒公式和有限差分技術得到不同尺度網格點上變量的空間任意精度差分公式，即空間常網格算子和空間變網格算子的任意偶數階精度空間差分公式，利用推導出的空間差分公式計算精細剖分區域、粗糙剖分區域和中間過渡帶區域的波場值；

(3)同時，在時間層的波場外推過程中，對不同網格剖分區域采用不同的時間采樣間隔滿足局部穩定性條件，分別得到精細時間層內精細網格點處的波場值以及全局時間層內粗糙網格點處的波場值；

(4)在每一個全局時間層內，將精細網格剖分區域的波場值傳遞到粗糙網格剖分區域，得到整個速度場在此時刻的空間波場值；

(5)最后利用上述方法在每個時間層進行波場外推，得到單炮的正演模擬記錄。

地震波正演模擬中對速度場進行網格剖分，基于可變網格和不規則網格的地震波數值模擬方法對地震地質模型進行離散化，根據地震地質模型的背景速度參數和目標區域的彈性參數，將整體速度場剖分為小尺度網格區域、大尺度網格區域和過渡區域三個主要部分。

對各向同性非均勻介質的彈性波一階速度-應力方程(方程1)進行離散求解，采用交錯網格有限差分法，時間域二階精度的差分格式對各向同性非均勻介質的彈性波一階速度-應力方程進行離散求解：