粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

公開了一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。該方法可以包括：基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長及波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得多個(gè)速度區(qū)域的波場；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長進(jìn)行交界處理，獲得多個(gè)速度區(qū)域的交界處的波場；以及基于多個(gè)速度區(qū)域的地震波場及交界處的地震波場，獲得整個(gè)區(qū)域的波場。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及地震勘探領(lǐng)域，更具體地，涉及一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
在地震勘探領(lǐng)域，地震數(shù)值模擬是地震勘探和地震學(xué)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是了解復(fù)雜介質(zhì)中地震波傳播規(guī)律的重要工具，其作用貫穿于整個(gè)地震采集、處理和解釋中。隨著地震勘探開發(fā)的深入，常規(guī)的彈性介質(zhì)理論難以滿足實(shí)際介質(zhì)需求。地震波在實(shí)際地層中傳播時(shí)，能量和相位都發(fā)生改變，直接影響地震資料的分辨率，實(shí)際地層表現(xiàn)出一定的粘彈特性，因此通過對(duì)粘彈介質(zhì)中的地震波進(jìn)行數(shù)值模擬，來研究和分析地震波傳播過程中的衰減特征，對(duì)實(shí)際地震資料分辨率的提高非常有意義。但是確保粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬穩(wěn)定是一個(gè)急需解決的問題(即時(shí)間步長的確定)，關(guān)系到模擬算法的成敗，也關(guān)系到模擬效率的高低。目前主要是運(yùn)用粘彈固體模型來表征實(shí)際介質(zhì)的粘滯特性，應(yīng)用最廣、最流行的是開爾文-佛格特(Kelvin-Voigt)固體模型。專利技術(shù)人發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)中，一般是在彈性穩(wěn)定條件的基礎(chǔ)上，通過試算法來確定粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬的時(shí)間步長，其缺點(diǎn)在于給出的參數(shù)不能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而帶來額外的運(yùn)算量，導(dǎo)致模擬的效率不高，甚至出現(xiàn)時(shí)間步長滿足不了運(yùn)算穩(wěn)定條件，運(yùn)行到中途自動(dòng)中斷的情況。因此，有必要開發(fā)一種高效的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。公開于本公開
技術(shù)介紹
部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本公開的一般
技術(shù)介紹
的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本公開提出了一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，其能夠通過在不同速度區(qū)域中合理選擇不同時(shí)間步長進(jìn)行粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了高效的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬。根據(jù)本公開的一方面，提出了一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法，所述方法可以包括：基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長及波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得多個(gè)速度區(qū)域的波場；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長進(jìn)行交界處理，獲得多個(gè)速度區(qū)域的交界處的波場；以及基于多個(gè)速度區(qū)域的地震波場及交界處的地震波場，獲得整個(gè)區(qū)域的波場。根據(jù)本公開的另一方面，提出了一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以包括：用于基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長的單元；用于基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長及波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得多個(gè)速度區(qū)域的波場的單元；用于基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長進(jìn)行交界處理，獲得多個(gè)速度區(qū)域的交界處的波場的單元；以及用于基于多個(gè)速度區(qū)域的地震波場及交界處的地震波場，獲得整個(gè)區(qū)域的波場的單元。本公開的方法和裝置具有其它的特性和優(yōu)點(diǎn)，這些特性和優(yōu)點(diǎn)從并入本文中的附圖和隨后的具體實(shí)施例中將是顯而易見的，或者將在并入本文中的附圖和隨后的具體實(shí)施例中進(jìn)行詳細(xì)陳述，這些附圖和具體實(shí)施例共同用于解釋本公開的特定原理。附圖說明通過結(jié)合附圖對(duì)本公開示例性實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實(shí)施例中，相同的參考標(biāo)號(hào)通常代表相同部件。圖1示出了根據(jù)本公開的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法的步驟的流程圖。圖2示出了開爾文-佛格特(Kelvin-Voigt)粘彈固體模型的示意圖。圖3a和3b示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法的各種波場分量和物性參數(shù)的示意圖。圖4示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的不同速度區(qū)域的交界處的示意圖。圖5a-5c示出了分別以三個(gè)時(shí)間步長進(jìn)行粘彈介質(zhì)模擬的示意圖。圖6示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的速度模型的示意圖。圖7a和7b示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的不同時(shí)間步長模擬結(jié)果和相同時(shí)間步長模擬結(jié)果的比較的示意圖。具體實(shí)施方式下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的優(yōu)選實(shí)施例，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。實(shí)施例1圖1示出了根據(jù)本公開的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法的步驟的流程圖。在該實(shí)施例中，根據(jù)本公開的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法可以包括：步驟101，基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長；步驟102，基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長及波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得多個(gè)速度區(qū)域的波場；步驟103，基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長進(jìn)行交界處理，獲得多個(gè)速度區(qū)域的交界處的波場；以及步驟104，基于多個(gè)速度區(qū)域的地震波場及交界處的地震波場，獲得整個(gè)區(qū)域的波場。該實(shí)施例基于粘彈固體模型，在不同速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下合理選擇不同的時(shí)間步長進(jìn)行粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了高效的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬。下面詳細(xì)說明根據(jù)本公開的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法的具體步驟。獲得穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長在一個(gè)示例中，可以基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長。在一個(gè)示例中，該粘彈固體模型可以為開爾文-佛格特(Kelvin-Voigt)粘彈固體模型。但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本公開的粘彈固體模型并不限于此，可以采用本領(lǐng)域已知的各種粘彈固體模型。圖2示出了開爾文-佛格特(Kelvin-Voigt)粘彈固體模型的示意圖。如圖2所示，Kelvin-Voigt粘彈固體模型可以由一個(gè)彈性體(彈性系數(shù)為M1)和阻尼器(粘滯系數(shù)為M2)并聯(lián)組成的，這樣構(gòu)造后能表征介質(zhì)的粘彈特性。在一個(gè)示例中，可以基于所建立的Kelvin-Voigt粘彈固體模型，根據(jù)Kelvin-Voigt粘彈固體模型的構(gòu)成，推導(dǎo)出其本構(gòu)方程。下面示出了Kelvin-Voigt粘彈固體模型的本構(gòu)方程：其中，P可以表示粘彈固體的應(yīng)力，σ1為可以彈性應(yīng)力，σ2可以為粘滯應(yīng)力，t可以表示時(shí)間，ε可以為彈簧和阻尼器產(chǎn)生的位移(應(yīng)變)。由圖2可知，彈簧和阻尼器產(chǎn)生的位移相等。然后，可以建立穩(wěn)定性方程。應(yīng)變?chǔ)排c質(zhì)點(diǎn)位移(u,v,w)間的關(guān)系可以表示為：其中，x，y，z相互垂直，可以分別表示質(zhì)點(diǎn)位移的三個(gè)方向。把公式(2)代入公式(1)，可以得到：對(duì)公式(3)左右兩邊同時(shí)對(duì)t求二次偏導(dǎo)數(shù)，可得：對(duì)于聲波的納維爾(Navier)方程可以表示為：其中，ρ可以表示粘彈固體的密度。把公式(5)代入公式(4)中，可以得到：將公式(6)中的應(yīng)力P取空間傅里葉變換，可以得到波數(shù)域中的表達(dá)式為：其中，可以為P的空間傅里葉變換，k可以為波數(shù)。將公式(7)中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)用差分近似，整理后可以得到：其中可以分別為第n-1,n,n+1時(shí)刻的值，Δt可以表示時(shí)間采樣間隔(也即，時(shí)間步長)。然后，可以令則有：因?yàn)椋渲衯可以為地震波的速度，ω可以表示圓頻率，Q可以為品質(zhì)因子。從而可以得到：顯然，穩(wěn)定性條件可以為狀態(tài)傳遞矩陣A的特征值λ的模小于1。其中，由此，可以得到Kelvin-Voigt模型的穩(wěn)定性條件為：其中，v′可以表示粘彈介質(zhì)地震波傳播速度，且有ω＝2πf，f為頻率。在空間差分精度為2N的情況下，設(shè)x,y,z三個(gè)方向上的網(wǎng)格步長分別為Δx,Δy,Δz，波數(shù)分量分別為kx,ky,kz。可以得出：其中al可以為2N精度的差分系數(shù)，l的取值范圍可以為[-N，N]。所以，可以有：把公式(11)代入公式(10)，得到穩(wěn)定條件表達(dá)式可以為：在一個(gè)示例中，在二維波動(dòng)方程的差分計(jì)算情況下，粘彈固體模型的穩(wěn)定性條件為：其中，Δt本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法，包括：基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長及波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得多個(gè)速度區(qū)域的波場；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長進(jìn)行交界處理，獲得多個(gè)速度區(qū)域的交界處的波場；以及基于多個(gè)速度區(qū)域的地震波場及交界處的地震波場，獲得整個(gè)區(qū)域的波場。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法，包括：基于粘彈固體模型，獲得在多個(gè)速度區(qū)域的穩(wěn)定性條件下的時(shí)間步長；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長及波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得多個(gè)速度區(qū)域的波場；基于多個(gè)速度區(qū)域的時(shí)間步長進(jìn)行交界處理，獲得多個(gè)速度區(qū)域的交界處的波場；以及基于多個(gè)速度區(qū)域的地震波場及交界處的地震波場，獲得整個(gè)區(qū)域的波場。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法，其中，所述粘彈固體模型為開爾文-佛格特粘彈固體模型。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬方法，其中，在二維波動(dòng)方程的差分計(jì)算情況下，所述粘彈固體模型的穩(wěn)定性條件為：Δt≤hv′...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：肖云飛，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國石油化工股份有限公司，中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11