交错网格高阶差分法三维弹性波数值模拟

本文应用交错网格高阶有限差分方法模拟弹性波在三维各向同性介质中的传播。采用时间上二阶、空间上高阶近似的交错网格高阶差分公式求解三维弹性波位移-应力方程,并在计算边界处应用基于傍轴近似法得到的三维弹性波方程吸收边界条件。在此基础上进行了三维盐丘地质模型的地震波传播数值模拟试算。试算结果表明该方法模拟精度高,在很大程度上减小了数值频散,绕射波更加丰富,而且适用于介质速度具有纵向变化和横向变化的情况。     

基于CUDA的高阶旋转交错网格有限差分法的弹性波正演模拟

应用高阶旋转交错网格的有限差分法,求解了基于一阶的速度-应力弹性波方程,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的高阶有限差分离散格式.为了提高弹性波正演模拟效率,论文探讨了常规的CPU串行计算、基于GPU平台的节点并行计算、基于GPU平台的分量、节点同时并行的3种正演模拟计算模式,给出了不同算法的流程示意图.通过对比3种算法的耗时及后两种算法的加速比,可清晰判定,基于GPU平台的节点并行算法较CPU平台的串行算法有明显加速,最大加速比可达到60倍,而基于分量、节点同时并行算法的最大加速比最大可到180左右,加速效果更为明显.最后应用Marmousi模型的15000次时间步迭代的正演计算,基于分量、节点GPU并行算法大约是节点并行计算耗时的1/3,说明了该并行设计能有效提高弹性波正演模拟的效率,节约计算耗时.     

可变网格与局部时间步长的交错网格高阶差分弹性波模拟

交错网格高阶差分方法是一种在保持效率的前提下提高弹性波模拟精度的有效方法.本文将可变空间网格与变化的时间步长技术引入到交错网格高阶差分弹性波模拟中,提出一种空间网格可任意奇数倍变化与时间步长任意变化的交错网格高阶差分弹性波模拟方法.一系列数值试验表明,该方法能够在保证模拟精度的同时,通过有效降低空间与时间维度上的过采样来显著提高弹性波模拟的效率.同时,该方法还能够精细刻画含孔缝洞介质以及横向变化剧烈介质的局部细微结构,减小弹性波模拟误差,提高介质细微结构处的弹性波传播模拟精度.     

基于Biot理论的双相各向同性介质弹性波交错网格有限差分数值模拟

双相介质模型是一种相对单相介质来讲更加接近于实际地层情况的介质模型,因此,地震波在双相介质中的传播路径和衰减情况比单相介质更具有考察意义.交错网格有限差分法在不增加计算量和存储空间前提下,把速度对时间的奇数次高阶导数转化为应力对空间的导数,将高阶差分和交错网格有机地结合到一起,与一般差分法相比有频散小、精度高、效率高的特点,因此具有一定的优越性.本文首先研究了交错网格的稳定性条件和完全匹配层(Perfectly Matched Layer,简称PML)的边界条件;其次,对双相各向同向介质中弹性波波场进行数值模拟,分析了弹性波传播时受震源主频和耗散系数的影响;最后重点模拟了弹性波在黏滞性的双相介质分界面上的传播规律和衰减情况.研究结果表明:快慢纵波及横波在分界面处发生了反射和透射现象,且存在波型之间的相互转换,这与实际采集的地震资料中情况相符;且运用双相介质进行数值模拟对了解地震波在实际地下传播规律具有重要意义,并且上下层介质都为黏滞型的双层模型更为贴合实际地层情况.     

弹性波数值模拟的非规则网格差分法

基于应力、速度混合变量弹性波方程及任意四边形网格差分算子,给出了交错计算应力及速度的非规则网格弹性波应力一速度差分法该方法融合了有限元法能适应复杂形状边界及差分法无需计算刚度阵的特点,具有较高的计算精度,所需计算机存储空间较少,计算效率也很高．基于积分平衡方程引入了任意形状自由表面的边界条件,且通过局部滤波改善了自由表面边界条件的稳定性,使得该方法可应用于考虑地表形状影响的地震波数值模拟     

VTI介质准P波旋转交错有限差分数值模拟

本文采用旋转交错网格差分格式对VTI(垂直对称轴的横向各向同性)介质准P波一阶应力-速度方程进行数值模拟。并在PML边界条件和稳定性条件下得出Marmousi等复杂模型的高精度波场快照和地震记录,分析了各向异性对地震波的影响。数值结果表明:旋转交错网格有限差分能获得高精度的地震模拟数据,PML边界有较好的吸收效果。     

裂缝介质旋转交错网格正演模拟

油气勘探实践表明, 裂缝是油气的储存空间或运移通道, 裂缝介质地震波场的研究越来越受到关注. 实际地层中裂缝形成受多种因素控制, 物理属性比较复杂, 表现出强烈的各向异性. 由于上覆地层的压力使得水平或低陡倾角裂缝存在较少, 大多数为高陡倾角裂缝, 利用线性滑动裂缝介质的等效理论将高陡倾角裂缝介质等效为横向各向同性介质, 便于实际应用. 本文采用各向异性弹性波旋转交错网格模拟方法对含裂缝介质单炮记录进行模拟与分析. 结果表明: 裂缝的存在相当于人为增加反射界面; 裂缝密度越大, 裂缝纵横比越小, 裂缝充填物与背景介质弹性性质差别越大, 引起的反射波能量变化越大. 本文模拟结果为利用地震数据进行裂缝介质参数反演与储层识别及油气预测提供了依据.      

基于时间高精度-空间隐式矩形交错网格有限差分的弹性波数值模拟

针对弹性波数值模拟, 现有的时间高阶有限差分方法主要基于显式差分和正方形网格单元建立的, 因此容易引起较强数值频散且缺乏灵活性.基于上述问题, 本文通过结合十字形和菱形模板设计了一种改进的矩形组合差分模板, 在此基础上发展了隐式交错网格差分方法求解弹性波方程.该方案采用改进差分模板和二阶离散格式共同近似时间导数, 采用隐式差分格式求解空间导数.进一步给出了泰勒级数展开和最小二乘优化两种算法求取的高阶差分系数.联合应用高阶差分方案和波场分离技术产生高精度的弹性波场.将本文方法与几种现有差分方法进行了对比, 包括: 显式和隐式时间二阶差分法, 显式时间高阶差分法.数值分析和模型算例表明, 本文方法比其他方法具有更高的精度和灵活性.

     

交错网格与旋转交错网格对VTI介质波场分离的影响分析

利用交错网格有限差分和旋转交错网格有限差分进行各向异性介质弹性波场数值模拟时, 质点振动速度分量与应力张量的网格节点定义方式均不相同, 从而对各向异性波场分离效果产生不同的影响. 针对这一问题, 本文以具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质的波场分离为例, 首先分析了两种网格的参数定义方式以及VTI介质波场的分离过程; 其次, 详细研究和分析了这两种网格的参数定义方式对各向异性介质波场分离的影响, 并依据波前面连续性以及波场分离效果等方面, 通过数值模拟实验对该影响进行分析验证. 结果表明, 旋转交错网格的参数定义方式更有利于进行各向异性介质波场数值模拟和波场分离.      

黏弹TTI介质中旋转交错网格高阶有限差分数值模拟

以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征.     

交错网格中基于波数域插值的波场分离方法研究（英文）

应用多分量地震资料进行成像时通常需要先做波场分离,然后再对分离的波型进行成像。其中,波场分离可以在空间域或波数域实现。然而,由于用交错网格有限差分进行弹性波场数值模拟时,用来进行波数域波场分离的质点振动速度分量定义在不同网格节点上,本文提出了利用波数域插值方法来估算同一网格节点所需质点振动速度值;进而给出了先进行波数域插值后进行波场分离的波数域保幅波场分离方案。数值实验结果表明波数域插值方法具有较高的插值精度且保幅波场分离方法具有较好的保幅性,将本文方法进一步应用于弹性波逆时偏移可以获得保幅性较好的成像结果且对存在一定程度速度误差情况具有较好的适应性。     

适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML与CFS-PML吸收边界条件（英文）

无网格有限差分法能有效提高数值模拟的几何灵活性,且无需网格映射或复杂的网格生成过程。RBF-FD (基于径向基函数的有限差分)是最常用的无网格有限差分法之一,可以准确模拟地震波在非矩形计算域中的传播。本文提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML (完全匹配层)吸收边界条件,可以应用于非矩形速度模型的边界。但是PML吸收边界对近掠射波、低频波的吸收效果不好。为此,我们继续提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的CFS-PML(复频移完全匹配层)吸收边界条件。本文所提两种边界条件均是通过构造辅助微分方程,得到不分裂时域表达式,具有存储量小、便于编程实现的特点。模拟结果表明,两种PML吸收边界条件都能有效地消除无网格有限差分数值模拟的人工边界反射。此外,本文所提CFS-PML相较PML对近掠射波和损耗波的吸收效果更好。     

三维弹性波正演模拟中的混合吸收边界条件（英文）

地震波场数值模拟中不可避免地会出现边界反射,一般采用吸收边界条件以压制人工边界反射。目前常用的分裂式完全匹配层(PML)边界条件需要在边界处进行特殊处理,尤其是在三维情况下需要将变量分裂为三个分量,增加了数值模拟的计算时间和内存占用量。与分裂式PML吸收边界条件相比,混合吸收边界条件(HABC)具有易于实现、计算量小和吸收效果好等优点,可以提高三维波动方程数值模拟的计算效率。本文将基于一阶Higdon单程波方程的混合吸收边界条件从二维计算域发展到三维,提出了适用于三维弹性波数值模拟的混合吸收边界条件。均匀模型以及复杂模型的三维数值模拟结果表明,混合吸收边界条件与传统的完全匹配层边界条件相比,具有效率高、吸收效果好的优势。     

非规则极坐标系弹性波场正演模拟（英文）

在研究隧道、井孔等特殊地质环境下的波场传播时,极坐标正演模拟比传统的笛卡尔坐标正演模拟精度更高。而且在实际情况下,极坐标环境大多是不规则的,为了解决这一问题,提出了一种非规则极坐标系正演模拟方法提高模拟精度。该方法首先将具有不规则表面的空间在非规则极坐标系下进行网格剖分,并通过变换将不规则表面映射为规则表面,然后在非规则极坐标系下计算波场。在求解非规则极坐标系下的波动方程时,利用全交错网格对其进行差分离散求解。此外,利用人工吸收边界、极坐标系自由边界和圆周边界条件对虚假边界反射进行吸收。选取了三个模型来验证该方法,结果显示,相比于常规极坐标系正演模拟,本论文非规则极坐标系弹性波场正演模拟方法在对具有不规则表面的极坐标空间进行正演模拟时,可以更获得准确、稳定的波场模拟结果。非规则极坐标系弹性波全波形反演结果进一步证明了本文提出的弹性波正演模拟方法可以准确地模拟不规则极空间中的波场。     

横向各向同性介质紧致交错网格有限差分波场模拟(英文)

针对有限差分数值模拟的频散问题,本文将交错网格技术和紧致差分格式相结合,推导了横向各向同性介质一阶速度一应力波动方程的紧致交错网格差分格式;对比分析了紧致交错网格差分格式、交错网格差分格式以及紧致差分格式的截断误差主项,并利用Fourier误差分析方法分析了上述三种差分格式的近似精度;在此基础上,分别采用上述三种差分格式进行了波场数值模拟。结果表明,当差分方程阶数相同时,紧致交错网格差分格式截断误差最小,数值频散最弱,差分精度最高,证实了该方法的有效性。     

煤巷三维槽波全波场数值模拟与波场特征分析（英文）

当前煤巷地震槽波超前探测数值模拟主要以二维波场研究为主,难以精确模拟三维全波场特征和全空间观测方式接收的地震记录。本文应用三维弹性波动方程的交错网格有限差分算法模拟了在巷道迎头前方煤层中以纵波震源激发的三维全波场。采用取平均值的办法实现了交错网格地震波场模拟的振动速度三分量同点记录。查明了三维顶底板对称煤巷模型和非对称模型中传播的波型及其传播特征。研究发现巷道迎头前方煤层内Rayleigh型槽波能量较强,Love型槽波能量较弱,煤层内巷道迎头反射Rayleigh型槽波在煤层顶、底板中泄露能量较小,在煤层中传播距离较远;在巷道周围存在巷道面波和折射头波;在煤巷两侧煤层内接收的地震记录中Rayleigh型槽波能量较强,受头波和面波的干扰较弱,而Love型槽波能量较弱,受到相对强能量头波和面波干扰,难以识别;增加接收点在煤层中的深度可以有效降低面波对Rayleigh型槽波的干扰,但不能有效减弱面波对Love型槽波的干扰。基于以上波场认识,发现传统的采煤工作面Love型槽波构造探测方法难以适用于掘进煤巷构造超前探测,Rayleigh型槽波可以用于掘进煤巷构造超前探测。     

弹性波场数值模拟的隐式差分多重网格算法

为了得到稳定的弹 性波数值模拟,而不得不选择隐式差分方程;为了提高解的精度,又不得不增加节点数目, 但同时也降低了隐式迭代求解的收敛速度. 为此,本文使用隐式差分的多重网格算法进行弹 性波数值模拟,多重网格算法通过粗网格收敛较快的迭代过程求出近似解,以近似解为初值 使用细网格进行精确的迭代求解,从而加速了隐式迭代求解的过程,能够以较高计算速度、 精度、稳定性完成弹性波传播过程的数值模拟.     

非均匀TI介质P-SV波传播交错网格高阶有限差分数值模拟

给出了在非均匀横向各向同性(TI)介质情况下,四阶时间精度、高阶空间精度的一阶速度-应力P-SV波的波动方程交错网格有限差分解法.首先根据一阶速度(应力)波动方程把速度(应力)对时间的一阶和三阶导数转换为应力(速度)对空间的导数,从而在使用四阶时间精度有限差分格式计算某一时刻的波场时只需要前面两个时间步的波场值;然后在空间上采用高阶有限差分格式以提高数值模拟的精度.数值模拟结果和实测垂直地震剖面(VSP)记录符合得很好,说明该方法是可行的.     

用于弹性波模拟的交错网格预处理和多次校正的Chebyshev谱元法

本文基于弹性波动方程,从其弱形式出发,利用Galerkin变分原理,通过对方程进行空间和时间上的离散,在空间域中引入预条件共轭梯度的逐元算法,在时间域中引入时间积分的交错网格预处理/多次校正算法,发展了弹性波模拟的Chebyshev谱元算法。针对均匀固体介质和具有倾斜分层的分区均匀固体介质模型,通过与有限差分算法结果相比较验证其精度的可信性,同时利用该算法模拟了弹性波在具有水平分层的任意起伏自由表面模型中的传播,并分析了其传播特点。研究表明,我们提出的交错网格预处理/多次校正算法的Chebyshev谱元算法,保留了有限元法的优势,并且采用了具有最优张量乘积技术的元到元的算法,能够处理带有起伏自由表面的复杂介质模型,它具有比有限元法收敛快,计算效率较高等优点,特别适合于复杂结构和复杂介质中的弹性波传播的数值模拟。     

一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法稳定性研究

稳定性问题是数值求解波动方程的基本问题。文中对三维横向各向同性介质中一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法的稳定性进行了分析,给出了不同精度差分方程统一的稳定性条件,证明了三维Ｔ１介质中一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法的稳定性由弹性波在Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向上的Ｃｏｕｒａｎｔ数共同决定。最后通过几种精度差分方程的稳定性条件,说明了这种一阶弹性波方程高阶差分解法具有高精度、高效率的特点。