CN106597531A - 含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法，属于勘探技术领域，以解决现有技术无法准确揭示页岩中含高角度裂缝的波场传播特征的技术问题。该含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法包括：建立本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵；基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵；基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，获得正交各向异性介质二阶波动方程；基于所述正交各向异性介质二阶波动方程，获得所述波场传播特征。

Description

含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法

技术领域

本发明涉及勘探技术领域，具体地说，涉及一种含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法。

背景技术

页岩气是当今勘探的热点，而清楚的认识页岩的波场传播特征及振幅变化规律对于勘探页岩气是非常必要的。

由于页岩具有层理特征，在数值模拟中，通常将页岩抽象为横向各向同性介质。实际情况页岩中也常发育有高角度天然裂缝，而裂缝发育是指示页岩“甜点”分布的主要因素之一，因此有必要将该类介质抽象为数学上的正交各向异性。

常规的裂缝等效介质正演模拟为基于本构坐标系下的数值模拟。而由于高角度裂缝在振幅、时差上具有“方位各向异性”响应特征，仅基于本构坐标系进行正演模拟，无法准确揭示页岩中含高角度裂缝的波场传播特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法，以解决现有技术无法准确揭示页岩中含高角度裂缝的波场传播特征的技术问题。

本发明实施例提供了一种含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法，包括：

建立本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵；

基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵；

基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，获得正交各向异性介质二阶波动方程；

基于所述正交各向异性介质二阶波动方程，获得所述波场传播特征。

可选的，建立本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵包括：

利用背景各向同性介质纵波速度、横波速度、密度以及VTI弱各向异性参数，获得背景横向各向同性弹性矩阵；

利用裂缝密度、背景各向同性介质纵波速度、横波速度，获得法向柔度和切向柔度；

利用背景横向各向同性弹性矩阵、法向柔度、切向柔度，构建本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵。

可选的，所述切向柔度包括第一切向柔度和第二切向柔度，当裂缝沿对称轴旋转不变时，所述第一切向柔度等于所述第二切向柔度。

可选的，基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵包括：

利用所述垂直裂缝发育方向的极化角和方位角，获取邦德变换矩阵。

基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵和所述邦德变换矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵。

可选的，基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，获得正交各向异性介质二阶波动方程包括：

基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，结合应力-应变方程、应变-位移方程和运动微分方程，获得正交各向异性介质二阶波动方程。

可选的，基于所述正交各向异性介质二阶波动方程，获得所述波场传播特征包括：

采用高阶有限差分法对正交各向异性介质波动方程进行有限差分数值模拟，结合完美匹配层吸收边界条件，获得地震波在正交介质中的传播特征。

本发明带来了以下有益效果：本发明针对垂直裂缝的页岩表征，首先引入正交各向异性介质数学模型，针对高角度裂缝在振幅和时差上产生的“方位各向异性”响应特征，进一步引入方位观测系统，相对于原有的基于页岩的正演模拟技术，本发明实施例提供的正演模拟方法更加准确的模拟了地震波在含垂直裂缝的页岩中的波场传播特征。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法；

图2是本发明实施例提供的正演模拟方法的效果示意图；

图3是现有技术的正演模拟方法的效果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法。在该正演模拟方法中，首先构建观测坐标系下的正交各向异性介质弹性矩阵，并推导得到二阶波动方程，进一步利用高阶有限差分法进行波场数值模拟。

如图1所示，该含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法包括如下步骤：

步骤S101、建立本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵。

步骤S102、基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵。

步骤S103、基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，获得正交各向异性介质二阶波动方程。

步骤S104、基于所述正交各向异性介质二阶波动方程，获得所述波场传播特征。

以下，将对上述正演模拟方法进行具体解释说明：

其中，正交各向异性介质弹性矩阵构建包括以下过程：

首先，本构坐标系下的正交各向异性介质为正交晶系，其弹性矩阵如下：

根据Schoenberg线性滑动理论，利用背景VTI弹性矩阵和法向柔度、切向柔度可表示为：

其中，C_11b、C_13b、C_33b、C_44b、C_66b为背景VTI弹性矩阵的元素，ΔN、ΔV、ΔH分别为法向柔度、垂直切向柔度和水平切向柔度。当裂缝面沿着垂直于的轴旋转，裂缝响应特征不变时，ΔV＝ΔH。

为了获得背景VTI弹性矩阵，首先需要对其中各元素进行计算，具体计算如下：

C_11b＝C_33b(1+2ε) (3)

C_66b＝C_44b(1+2γ)

其中，vp₀、vs₀、ρ分别为背景各项同性介质纵波速度、横波速度、密度，而ε、δ、γ均为VTI弱各向异性参数。

接下来计算ΔN和ΔV，通过ΔN和ΔV则可植入裂缝发育情况。

具体的，当裂缝为干燥或含气时：

而当裂缝含有流体时：

ΔN＝0 (6)

其中，e为裂缝密度，

因此，结合(3)-(7)式，则可构建本构坐标系下的正交各向异性介质弹性矩阵C_ort。

继而，根据本构坐标系下的正交各向异性介质弹性矩阵C_ort，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵如下：

根据邦德坐标变换原理有：

C_{ort_azi}＝M·C_ort·M^T (8)

其中，有：

前文中，M为Bond变换矩阵，M^T为其转置，θ为极化角，为方位角。

综上，则可得到观测坐标系下的正交介质弹性矩阵如下所示：

上述弹性矩阵由背景介质弹性参数、VTI各向异性参数、裂缝密度、裂缝含流体情况以及方位角等参数计算得到。

进一步地，结合应力-应变方程，应变-位移方程，运动微分方程则可推得正交各向异性介质二阶波动方程为：

针对上述波动方程，采用高阶有限差分法对正交各向异性介质波动方程进行有限差分数值模拟，边界条件采用完美匹配层(Perfectly Matched Layer，简称PML)吸收边界条件，最终得到地震波在正交介质中的传播特征。

综上，相对于已有的技术，本发明针对垂直裂缝的页岩表征，首先引入正交各向异性介质数学模型，针对高角度裂缝在振幅和时差上产生的“方位各向异性”响应特征，进一步引入方位观测系统，相对于原有的基于页岩的正演模拟技术，本发明实施例提供的正演模拟方法更加准确的模拟了地震波在含垂直裂缝的页岩中的波场传播特征。

具体的，为了说明本发明提供的正演模拟方法相对于现有技术的优势，可设计模型网格大小为：300×300，每个网格大小为10m，时间采样率为0.5ms，采用30Hz的Ricker子波中心激发，差分格式采用2阶时间，10阶空间高阶差分格式，PML边界网格为60，衰减吸收系数为0.000001。并设计其中的模型参数为如下表1：

模型

vp0

vs0

ρ

e

ε

δ

γ

含流体

一层

4500

2900

2650

0.1

0.12

0.15

0.18

干燥

表1

通过本发明实施例提供的正交介质的波场正演模拟，得到如图2所示的正交介质在不同方位下的波场快照。而基于现有技术提供的正演模拟方法中，VTI介质为正交介质的特例，将垂直裂缝的参数设为0，则可得到如图3所示的VTI介质的波场快照。从中可以到看到正交介质的P波波场快照在振幅和时差上具有明显的“方位各向异性”特征，而VTI介质则不具有“方位各向异性”特征，因此通过本专利的实施，更好的模拟了含垂直裂缝的页岩的波场传播特征。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种含垂直裂缝的页岩的波场传播特征的正演模拟方法，其特征在于，包括：

建立本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵；

基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵；

基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，获得正交各向异性介质二阶波动方程；

基于所述正交各向异性介质二阶波动方程，获得所述波场传播特征。

2.根据权利要求1所述的正演模拟方法，其特征在于，建立本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵包括：

利用背景各向同性介质纵波速度、横波速度、密度以及VTI弱各向异性参数，获得背景横向各向同性弹性矩阵；

利用裂缝密度、背景各向同性介质纵波速度、横波速度，获得法向柔度和切向柔度；

利用背景横向各向同性弹性矩阵、法向柔度、切向柔度，构建本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵。

3.根据权利要求2所述的正演模拟方法，其特征在于，

所述切向柔度包括垂直切向柔度和水平切向柔度，当裂缝沿对称轴旋转不变时，所述垂直切向柔度等于所述水平切向柔度。

4.根据权利要求1所述的正演模拟方法，其特征在于，基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵包括：

利用所述垂直裂缝发育方向的极化角和方位角，获取邦德变换矩阵。

基于所构建的本构坐标系下的正交各项异性介质弹性矩阵和所述邦德变换矩阵，构建观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵。

5.根据权利要求1所述的正演模拟方法，其特征在于，基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，获得正交各向异性介质二阶波动方程包括：

基于所构建的观测系统下的正交各向异性介质弹性矩阵，结合应力-应变方程、应变-位移方程和运动微分方程，获得正交各向异性介质二阶波动方程。

6.根据权利要求1所述的正演模拟方法，其特征在于，基于所述正交各向异性介质二阶波动方程，获得所述波场传播特征包括：

采用高阶有限差分法对正交各向异性介质波动方程进行有限差分数值模拟，结合完美匹配层吸收边界条件，获得地震波在正交介质中的传播特征。