一种基于波动方程的小尺度大模型正演模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于波动方程的小尺度大模型正演模拟方法，它涉及地震勘探技术领域。其步骤为：(1)吸收边界关键参数计算；(2)跨尺度模型设计；(3)模型离散化与观测系统参数设计；(4)有限差分系数的优化与计算；(5)小尺度模型区域正演；(6)大尺度边界区域正演；(7)过渡区域有限差分系数优化计算；(8)基于时间步长非线性插值的正演；(9)波动方程正演模拟记录的输出。本发明专利技术通过在吸收边界引入大尺度网格来有效避免了内存资源的浪费，并提高了小尺度大模型正演模拟的计算效率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，它涉及地震勘探
。其步骤为：(1)吸收边界关键参数计算；(2)跨尺度模型设计；(3)模型离散化与观测系统参数设计；(4)有限差分系数的优化与计算；(5)小尺度模型区域正演；(6)大尺度边界区域正演；(7)过渡区域有限差分系数优化计算；(8)基于时间步长非线性插值的正演；(9)波动方程正演模拟记录的输出。本专利技术通过在吸收边界引入大尺度网格来有效避免了内存资源的浪费，并提高了小尺度大模型正演模拟的计算效率。【专利说明】
本专利技术涉及的是地震勘探
，具体涉及一种基于波动方程的小尺度大模型 正演模拟方法。
技术介绍
波动方程正演模拟是地震勘探和地震学研宄的重要内容，通过在已知地下介质结 构与物理性质参数的基础上，利用波动方程正演模拟方法探索地震波在目的层中的传播规 律，因此对利用反射地震方法开展油气勘探来说有重要的指导意义。有限差分正演模拟方 法通过有限差分算子对波动方程进行离散化，在空间域与时间域分别用差分代替微分，从 而基于差分方程的数值求解来分析地震波在介质中的传播规律，因此成为目前最常用的一 种波动方程数值模拟方法。由于开展正演模拟的模型范围是有限的即相当于人为给定了地 震波传播的边界，从而导致地震波在模型边界处会引起反射，目前通常采用完全匹配层来 处理模型边界处产生的人为反射。因此对基于波动方程的地震波反射特征正演模拟来说， 基于完全匹配层吸收边界条件的有限差分方法已经发展成熟并且得当了广泛的应用。 受地震勘探震源频率和地球介质参数的影响，研宄地震波在地下介质中的传播规 律主要在大网格尺度下开展研宄，目前常规的波动方程正演模拟方法已经发展比较成熟。 而当开展井间地震、井中声波等地球物理方法研宄时，由于震源主频高、目的层研宄对象的 厚度非常薄，因此需要采用小尺度的网格对模型进行空间离散化以准确模拟目的层内部细 节的地震波响应特征。由于波动方程正演模拟时需要在模型边界添加额外的网格以吸收传 播到边界处的地震波，从而减少模型边界所引起的反射，为了达到较好的吸收效果通常要 求在模型的边界区域有足够厚度的吸收层。在开展小尺度大模型的数值模拟时，尺度越小 模型越大则需要用更多数量的网格作为吸收边界才能满足地震波正演模拟的要求。特别是 在测井尺度下开展地震波数值模拟时，吸收边界区域所采用的网格点数在整个波动方程正 演模拟的总网格数中占据了相当大的份量，从而大幅度增加了计算机内存的消耗量且降低 了计算效率。因此，目前非常缺乏一种内存使用量小、计算效率高、计算精度高的小尺度大 模型地震波正演模拟方法，从而准确的掌握小尺度网格条件下井中地震波的传播规律，并 进一步与地面地震相结合以提高地震勘探的针对性。 现有技术方案为"基于完全匹配层的波动方程有限差分正演模拟方法"即在已知 地下介质结构与物理性质参数的基础上，通过数值方法求解波动方程并在指定的有限范围 内获取反映模型特征的地震波传播规律。如图1(a)所示，中间黑色方框内带点的网格为正 演模型的有效范围，在该模型范围内加载地震震源后分别通过空间域和时间域的有限差分 算子将波动方程离散化，从而获取地震波在该模型内的反射透射特征。由于模型范围是有 限的，地震波传播到黑色方框附近时会由于边界处模型参数与模型范围外的速度差而产生 人为的反射，从而影响了地震波正演模拟结果的合理性。通过在黑色方框外加入一定厚度 的匹配层（图1(a)中黑方框外没有黑点的网格）对入射到边界处的地震波进行衰减，从而 确保在黑色方框内传播的地震波特征不受模型范围的限制，有效的提高了采用波动方程数 值模拟方法分析地震波传播规律的准确性。 在开展小尺度大模型正演模拟时由于网格尺度小且数量大，因此需要大量增加吸 收边界的匹配层数量才能够有效衰减入射到边界处的地震波，从而引起计算机内存占用量 过大、计算效率过低等问题。 如图1(a)所示，当模型越大时黑框外的网格点数必然随之成倍的增长，从而引起 更大的内存消耗。图2是在相同尺寸的正演模型计算区域内采用不同大小的网格尺度开展 波动方程正演模拟时为了确保边界处不产生反射所需要的匹配层数量变化规律曲线。其中 当空间步长分别为l〇m、5m、Im和0. 5m时分别需要至少20层、40层、200层和400层作为吸 收边界，才能有效衰减入射到模型边界处的地震波。从图2中可以看到随着网格尺度的减 小，对相同模型开展波动方程正演模拟时所需要采用的吸收边界层数是成倍增长的，而对 于三维的小尺度大模型来说更多的边界则需要提供大量的匹配层才能确保波动方程正演 模拟的合理有效开展，因此不仅严重占用内存而且影响了波动方程正演模拟的计算效率。
技术实现思路
针对现有技术上存在的不足，本专利技术目的是在于提供一种基于波动方程的小尺度 大模型正演模拟方法，解决了常规波动方程有限差分方法在针对小尺度大模型正演模时存 在的计算机内存占用量过大、计算效率过低的问题，通过在吸收边界引入大尺度网格来有 效避免了内存资源的浪费，同时提高了小尺度大模型正演模拟的计算效率。 为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种基于波动方程的 小尺度大模型正演模拟方法，其步骤为： 1、吸收边界关键参数计算 根据待正演的模型中的速度信息来计算所需吸收边界的层数和衰减系数d(x)，当 模型正演计算区域的地震波垂直入射到吸收边界时，经过匹配层衰减后的地震波与无边界 时未衰减地震波的振幅比表示为， 【权利要求】1. ，其特征在于，其步骤为：（I)、吸 收边界关键参数计算；（2)、跨尺度模型设计；（3)、模型离散化与观测系统参数设计；(4)、 有限差分系数的优化与计算；（5)、小尺度模型区域正演；(6)、大尺度边界区域正演；(7)、 过渡区域有限差分系数优化计算；(8)、基于时间步长非线性插值的正演；(9)、波动方程正 演模拟记录的输出。2. 根据权利要求1所述的，其特征在 于，所述的步骤（1)根据待正演的模型中的速度信息来计算所需吸收边界的层数和衰减系 数d(x)，当模型正演计算区域的地震波垂直入射到吸收边界时，经过匹配层衰减后的地震 波与无边界时未衰减地震波的振幅比表示为，其中u#(x，t)表示采用完全匹配层后的地震波，u(x，t)表示没有采用完全匹配层时的 地震波，匕是波数，ω是角频率，X表示当前计算点到吸收边界层内边界的距离。此时，衰 减系数可以表示为，其中，H为吸收边界的总厚度，η为衰减指数，一般取η= 4,dmax为最大衰减值，R为理 论反射系数，取1〇_6,Cmax则表示正演模型介质中的速度最大值。 当最大衰减值dmax固定时，对于相同的吸收边界层数来说，空间网格尺度越小则吸收边 界层的总厚度H越小，此时传播到边界处的地震波衰减效果越弱。为了在不同尺度网格条 件下都达到相同的吸收衰减效果，采用不同空间网格尺度开展正演模拟时需要采用相同厚 度的吸收边界，因此当空间网格尺度越小时，需要的吸收边界层数也就越多。3. 根据权利要求1所述的，其特征在 于，所述的步骤（2)在步骤（1)确定好正演模型吸收边界层数的基础上，对待开展正演模拟 的模型进行跨尺度扩边设计。步骤（1)计算的吸收边界层数是在小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波动方程的小尺度大模型正演模拟方法，其特征在于，其步骤为：(1)、吸收边界关键参数计算；(2)、跨尺度模型设计；(3)、模型离散化与观测系统参数设计；(4)、有限差分系数的优化与计算；(5)、小尺度模型区域正演；(6)、大尺度边界区域正演；(7)、过渡区域有限差分系数优化计算；(8)、基于时间步长非线性插值的正演；(9)、波动方程正演模拟记录的输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹丹平，蒲义涛，印兴耀，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37