波场特征范文

波场特征范文（精选4篇）

波场特征 第1篇

1 探地雷达工作原理

探地雷达是利用接收发射的电磁波的反射和散射信号实现对目标体进行探测的。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度以及波形所通过的介质的电性性质随物性体截面几何形态而变化,根据发射和接收反射波的相位变化,双程走时、反射波强度等信息,对结构的内部进行判断[3]。

2 时域有限差分法

Max Well方程组是支配宏观电磁现象的一组基本方程,概括了宏观电磁场的基本规律。时域有限差分法(FDTD)是由微分形式的Max Well旋度方程出发进行差分离散得到的[4]。时域有限差分法(FDTD)作为一种新兴的基于Maxwell方程的波动方程法,以其广泛的适用性、可直接时域计算、计算程序的通用性、计算时间简单直观和节约存储空间等特点,现已成为重要的电磁场数值模拟方法之一[5]。

3 不同地质异常数值模拟及波场特征

根据煤巷掘进过程中可能遇到的各种不同的地质异常体,运用有限差分原理,分别建立了不同地质异常体的模型。模型中雷达天线频率采用100MHz,模型大小设置为15m×8m,空间步长为0.01m×0.01m,时窗设置为T=180ns。

3.1 超前探测断层模拟

设置煤层的相对介电常数为3,电导率为1×10-5S/m,岩层的相对介电常数为6,电导率为0.01 S/m,断层模型如图1(a)所示,模拟扫描图如图1(b)。由于煤与岩层之间的电性参数差异,导致电磁波在煤与岩层的分界面发生反射,由图1(b)可见,巷道前方断层分界面电磁波反射信号明显。

3.2 超前探测破碎带模拟

在巷道掘进过程中,经常会遇到破碎带,图2为断层破碎带模型图,破碎带用水与岩体的混合体来表示。分析正演模拟结果可以看到,由于断层破碎带的完整性比较差且断层内介质不均匀,当电磁波传播到断层时,由于断层破碎带内电性差异较大,会产生较强的界面反射。而当电磁波穿过破碎带的时候会产生散射和绕射现象,观察其波形可以看到其表现为波形杂乱,同相轴不规律,反映出了破碎带内部的不均匀性。

3.3 不同填充溶洞模拟

根据溶洞内填充物质的不同,分别设置溶洞内部介质为空气或者水体的两种模型。图4为溶洞充填物为空气的雷达波形图,圆形溶洞的雷达剖面图呈现双曲线状,弧顶位置为圆形溶洞的顶部位置。由模拟结果可得,当溶洞内部介质为水的时候,由于水的介电常数较大,电磁波穿过水时,能量衰减较快,并且还会在下方出现多次反射。

4 结论

(1)通过时域有限差分法的方法可以实现煤巷工作面超前探测中遇到的典型地质体的数值模拟。

(2)探地雷达可以准确地探测煤矿掘进工作面前方的地质情况,通过正演模拟可以为煤矿应用探地雷达探测提供经验并指导现场工作。

(3)通过分析不同地质异常体的雷达模拟波形可以发现有些异常体的波形较为类似,因此在进行超期探测时,可以结合其他的探测方法进行综合超前探测。

参考文献

[1]宋劲.矿井防爆地质雷达关键技术研究[D].长沙:中南大学,2013:1-3.

[2]张平松,等.井巷煤岩体内构造特征反射波探测技术与应用[J].矿业安全与环保,2006,33(6):43-46.

[3]曾昭发,等.探地雷达方法原理及应用[M].北京:科学出版社,2006:5-7.

[4]Goldman D.Ground-penetrating Radar Simulation in Engineering and Archaeology[J].Geophysics,1994,59(2):224-231.

波场特征 第2篇

起伏地表的自由基准面波场成像方法研究

基于波动方程基准面延拓的偏移方法理论,从地震波场正演模拟的角度出发,提出了一种新的适用于起伏地形的地震叠后正演方法.该方法综合利用了“地形淹没”和“零速层偏移”的思想,通过基准面变换和设置零波场传播层.将原始模型的地表作为新模型的一部分,有效地消除了起伏地形的影响,并采用常规的波场延拓算子进行波场延拓与波场成像计算,实现了起伏地表模型的地震叠后数值模拟.基干该方法理论,还发展了一套完整的自由基准面波场延拓流程,可以将地表观测的`地震波场延拓至任意的基准面之上,对研究野外地震波的传播规律、后续的偏移处理以及地震资料的解释具有非常重要的意义.仿真实验的结果均验证了地震正演模拟方法和自由基准面波场延拓流程的正确性和有效性.

作 者：熊晓军 贺振华 黄德济 XIONG Xiao-jun HE Zhen-hua HUANG De-ji  作者单位：成都理工大学信息工程学院,四川,成都,610059 刊 名：石油天然气学报  PKU英文刊名：JOURNAL OF OIL AND GAS TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 30(3) 分类号：P631.44 关键词：波场成像   自由基准面   起伏地表   叠后正演   波场延拓  

非零偏VSP波场分离的量化质控 第3篇

在地震数据处理中，分离相互干扰的不同波场是一个很关键的问题，而VSP观测系统同时记录了地面激发产生的下行波和上行波，尤其在有偏移距的VSP观测系统下，能同时观测到下行P波、下行P-S波、上行反射P-P波和上行反射P-S波。用于VSP波场分离方法很多，如f-k滤波、Radon变换和中值滤波等，都属于标量波场分离方法。非零偏VSP波场以一定角度传播到井中水平和垂直三分量检波器，这个角度随着偏移距离和传播时间的变化而变化，需要引入矢量波场分离方法对其进行分离。

Esmersoy在1988年将反演的方法引入到两分量VSP的矢量波场分离中来，他通过最优化的方法估算出下行P波和SV波的视慢度和极化角参数，然后将参数代入方程求解波场。随后这种技术被扩展到能同时分离上行P波和SV波并于下一年发表(Leaney和Esmersoy, 1989)。本文引用该反演方法，通过射线追踪正演约束反演参数，使反演方法更为稳定，参数更快收敛，提高程序运行效率，并着重利用参数反演方法本身的可逆性对分离出下行和上行P波和SV波对原始波场进行重构，与原始输入波场进行相减，验证保幅效果。

二、原理

参数反演波场分离方法假设各级井中三分量检波器接收到的波都是平面波，不同平面波场在时间域的时移，表现在频率域中就是线性的相位移动：

式中ω是角频率，△zm是第m级检波器和参考检波器之间的距离，sn是第n个平面波的视慢度。设mn是第n个平面波在角频率处的频率值，第m级检波器接收到的N个平面波的总合在角频率为ω时与实际观测数据的模型关系如矩阵方程：

式中d1dM是1到M级检波器记录的实际观测数据Fourier变换在角频率为ω时的频率成分所组成向量(水平径向分量和垂直Z分量)，投影旋转向量hn是把各个检波器记录的频率成分旋转到径向和垂直分量上。

给定了检波器序列，对一定时窗内的原始数据进行Fourier变换，这时以上模型假设式中参数视慢度、偏振角度和Fourier变换的幅值都是常量，非线性参数Sn和θn必须通过最优化方法求取，这样才能计算出精确的波场值。这些非线性参数可以通过迭代的非线性最小方差解法求取，在一定的频带范围内使模型数据和实际观测数据误差最小。可以将以上模型重写成以下矩阵方程：

最小方差解为：

式中T是复共轭转置，对矩阵G进行奇异值分解：

在频带范围内的所有频率值的模型数据和实际观测数据的最小方差总和为：

用非线性最优化方法可以估算出以上的范数最小时的各个参数值，把以上参数代入下式中每个波场的不同频率成分就可以求出：

然后再对这些频率成分进行逆Fourier变换到时间域，就可以分离出假设的各个波场。

检波器1到检波器M是以参考检波器为中心的，左边的矩阵可以被看做是旋转矩阵，为了使解唯一，检波器级数应该大于假设的波场数N。

将求解方程7得到的单纯波场带入3式，便可以用分离出的单纯波场对原始波场进行重构，用原始波场与重构波场想减，以量化的方法对波场分离的保幅效果进行评价。

三、实际数据

野外实际数据来自某井的有偏移距VSP实际观测资料。震源离井口的偏移距为2000m，取所观测井段的2720m到3700m，共50级，检波器级之间的距离20m。对原始数据进行水平分量旋转处理后，得到水平径向分量和垂直Z分量记录如图1 (a) (b)所示，(a)为水平径向分量，51到100道为垂直Z分量，下行直达P波、下行转换P-SV波、上行反射P-P波和上行反射转换P-SV波在图中清晰可见，然后对这些数据进行振幅保真的波场分离测试。分离出的下行直达P波、下行转换P-SV波、上行反射P-P波和上行反射转换P-SV波4种波场如图1 (c)到图1 (f)所示，很好地实现了4种单纯波场的保幅分离。

为了检验反演出的波场振幅保真程度，用反演出的4种波场对原始数据的水平径向分量和垂直Z分量进行了重构(如图4a)，结果显示2张剖面非常吻合，重构波场能量相当于原始波场能量的98.41%，主要区别在于重构的数据在层介质的边界处与原始输入数据差异明显，这种现象主要是由于数据的有限频带范围和参与计算的有限检波器级数造成的，并且在参与计算的检波器级之间的地层被假设成了局部各向同性介质。图8b显示原始波场与重构波场相减得到的剩余波场，由图所示层介质的边界处的速度突变，使在这一深度的反演误差较大，剩下的能量只是噪声的水平，与原始输入数据相比，剩下能量平均只相当于原始数据的1.58%。剩下一些波场的损失一部分可能是由于参数估计误差引起的，另一部分可能是P-S-P转换波或其他波场。由反演出的波场对输入的水平径向分量和垂直Z分量进行重构，这对波场分离的量化的质量控制是一个非常有力的工具。

四、结语

本文提出引用参数反演波场分离方法对有偏移距VSP资料进行波场分离，通过基于零偏移距建立初始速度模型，射线追踪正演得到各级检波器的极化角度，来约束反演参数，使反演效率得以提高，反演结果更加精确。精确的振幅保真能力及算法本身的可逆性使参数反演波场分离方法成为对有偏移距VSP资料波场分离效果进行量化质控的有利工具。参数反演波场分离方法在实际应用方面有很多优势，它非常适合于非零偏或变偏移距三分量VSP资料波场分离，不受空间采样率的限制，仅需要很少的检波器级数，就可以分离出有用的单纯波场，降低了生产成本。该方法的保幅效果使其成为VSP资料AVO分析的有利工具，估算出的单纯波场的极化角信息可用于研究裂缝方向，地层倾角估算等。

摘要：保幅的波场分离是VSP后续属性研究的关键步骤, 也是VSP准确成像的基础处理流程。文章引用参数反演的方法对非零偏VSP的波场进行分离, 其中反演出的入射角和视慢度参数在波场传播过程中具有实际物理意义, 利用方法本身的可逆性, 将分离出的单纯波场对原始波场进行重构, 再用重构波场与原始波场进行比较, 从而达到对波场分离的保幅效果进行量化质控的目的。应用该方法对实际资料进行了波场分离测试, 并对原始资料进行了重构, 验证了保幅的效果, 实现了量化质控的振幅保真的单纯波场分离。

波场特征 第4篇

关键词：一阶弹性波,Biot,双相介质,各向同性,伪谱法,波场分离

1 引言

由于地下油气藏都是由岩石固体骨架及其孔隙或裂缝中所含流体两部分组成, 即油气藏是由固体相和流体相两部分构成的双相介质或多相介质。因此, 研究含流体孔隙介质中的地震波场特征具有非常重要的实际意义。双相介质的研究在国外相对较早, Gassmann[1] (1951) 提出了弹性波在多孔介质中的传播理论, 建立了著名的Gassmann方程, Biot[2] (1956) 建立了孔隙介质理论, 研究了双相介质中Biot流体和固体骨架形变的力学机制以及地震波传播规律, 这成为后来研究双相介质问题的理论基础。国内如牟永光[3]等都对基于Biot的弹性波交错网格双相介质做过一些研究, 在波场分离方面, 马德堂[4]、李振春[5]等采用高阶有限差分法实现了一阶弹性波方程下的P波与S波波场分离, 陈可洋[6]运用有限差分对无耗散情况下Biot弹性波交错网格双相介质进行了波场分离。因此, 本文在前人的基础上推导它的虚谱法数值解, 并研究均匀模型和层状模型有耗散全波震源下的波场分离情况。

2 基本理论

2.1 Biot双相各向同性介质速度-应力弹性波方程

注, λ, µ, R和Q的单位为109kg.m-1.s-2;ρij的单位为103kg.m-3;b的单位为kg.m-3.s-1.

注, λ, µ, R和Q的单位为109kg.m-1.s-2;ρij的单位为103kg.m-3;b的单位为kg.m-3.s-1.

流相

在上面式子中, ρ111、ρ112分别为体积元的固相、流相的有效质量, ρ112为视质量, λ和µ为拉梅系数, R为孔隙流体的弹性参数, Q为固体与流体体积变化之间的耦合参数, b为耗散系数, , ϕ为孔隙度, η为流体粘滞系数, k为渗透率。

2.2 伪谱法数值解

虚谱法数值解法是采用傅氏变换方法计算对空间的偏导数, 采用中心差分计算时间的偏导数, 即对空间导数作快速傅氏正变换, 将其变换到波数域, 在波数域分别乘以x与z方向的波数, 然后再对其做逆变换就可得到虚谱法的空间数值解。虚谱法多采用指数衰减吸收边界条件[7], 即在计算区域外人工添加若干网格, 使得波场在边界区域迅速衰减, 稳定性条件与有限差分法[8]的稳定性条件的推导相似, 这里就不再讨论。

3 数值模拟及波场特征分析

3.1 均匀模型

设计均匀模型, 其物性参数见表1, 模型尺寸为2000m2000m, 网格大小为dx=dz=10m, 震源位于模型中央, 采用表1的参数, 在vx分量上激发, 采用频率为30Hz的雷克子波, 时间采样间隔为0.5ms, 模拟结果如图1。

通过模拟流相X、Z分量200ms的波场快照, 并对其进行波场分离, 可以看出纵波与横波都被分离出来, 而且分离的效果较好, 从而验证了算法的正确性。

3.2 层状模型

为了更好地分析储层内的波场特征, 设计上下介质均为双相介质的模型, 模型的物性参数如表2所示, 界面位于1000m处, 采用纵波源, 震源位置为 (1000m, 720m) , 其它参数与均匀模型一致, 模拟结果如图2所示。

从图2可以看出, 快纵波传播到界面并产生透射与反射, 反射波中可见反射快纵波、转换横波以及转换慢纵波, 透射波中可见快纵波、转换横波、转换慢纵波, 从波场分离来看, 波场都很清晰, 效果较好。

4 结论

本文从以Biot流动机制为基础的弹性波双相介质出发, 运用虚谱法对均匀模型与层状模型进行了数值模拟, 可以看出数值模拟的精度较高, 成功将有耗散Biot双相介质波场数值模拟的纵波与横波成份分离了出来, 可以更加真实地反映和了解地下介质的波场特征。

参考文献

[1]Gassmann F.Elastic waves through a packing of spheres[J].Geop hysics, 1951, 16 (4) :673-685

[2]Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid, Part I:Low frequency range[J].The Journal of the Acoustic Society of America, 1956, 28 (2) :168-178

[3]牟永光, 裴正林.三维复杂介质地震数值模拟[M].北京:石油工业出版社, 2005.103-124

[4]马德堂, 朱光明.弹性波波场P波和S波分解的数值模拟[J].石油地球物理勘探, 2003, 38 (5) , 482-486

[5]李振春, 张华, 刘庆敏等.弹性波交错网格高阶有限差分法波场分离数值模拟[J].石油地球物理勘探, 2007, 42 (5) :510-515

[6]陈可洋.双相各向同性介质弹性波高精度波场分离数值模拟方法.内陆地震, 2011, 25 (3) , 215-228

[7]李信富, 李小凡, 张美根.伪谱法弹性波场数值模拟中的边界条件.地球物理学进展, 2007, 22 (5) :1375-1379