地震正演模擬ppt課件

1、地震正演模擬,孫建國 中國石化石油勘探開發(fā)研究院,1,地震正演模擬,地震正演模擬-物理模擬 國內(nèi)外現(xiàn)狀 物理模擬基本概念 模擬結(jié)果 地震正演模擬-數(shù)學(xué)模擬,2,地震正演模擬-物理模擬,國內(nèi)外現(xiàn)狀 物理模擬基本概念 模擬結(jié)果,3,大專院校,休斯頓大學(xué)、加拿大卡爾加里大學(xué)、荷蘭德爾福理工大學(xué)、 英國石油公司、 法國石油研究所、Sercel公司、挪威大陸架和 石油技術(shù)研究所及俄羅斯、 日本等國都建立了模型實(shí)驗室和試驗場。,勘探難度增加 推動 方法和技術(shù)進(jìn)步,石油公司,建立了自己的模型實(shí)驗室和試驗場,研究單位,國內(nèi)外現(xiàn)狀,4,休斯頓大學(xué)（Allied Geophysical Lab）,水槽約1.6m2

2、m1.2m,固體約1.6m1.2m,5,荷蘭Delft 大學(xué)成像與科學(xué)實(shí)驗室,水槽約1.75m1.75m1.3m,水中,固體,地震物理模型,建模,6,荷蘭Delft 大學(xué)成像與科學(xué)實(shí)驗室,超聲微型換能器,激光測試系統(tǒng),7,澳大利亞Curtin工業(yè)大學(xué),高溫高壓1.2m0.8m1m,8,?？松凸?模型比例 6600：1,10123英尺的地質(zhì)模型,測試范圍約4m4m,3.483.660.91m模型,模型重量約12 噸 模型材料費(fèi)約 55 萬元,9,國內(nèi)地震物理模型實(shí)驗室概況,50年代未到60年代個別單位自制或引進(jìn)儀器開展聲波速度測試等初步研究。 78年北京大學(xué)地球物理系重建地震物理模型實(shí)驗室

3、，至90年代初以趙鴻儒為代表，結(jié)合教學(xué)開展了一系列的基礎(chǔ)模型實(shí)驗。 研究范圍：天然地震、工程勘探、煤炭石油勘探交通和國防等。 研究內(nèi)容：二維模型中不均勻介質(zhì)中地震波的傳播、各種介質(zhì)的速度和衰減測試、工程質(zhì)量檢測等。,10,80年代是國內(nèi)地震物理模型實(shí)驗室以展的頂峰時期，有近十家單位建有規(guī)模不等的實(shí)驗室： 1)石油物探研究所（原地礦部） 2)煤炭部地球物理勘探研究院(涿州) 3)長春地質(zhì)學(xué)院物理系 4)同濟(jì)大學(xué)地質(zhì)海洋系 5)石油大學(xué)(北京) 6)南京大學(xué)聲學(xué)所 7)武漢地質(zhì)學(xué)院物理系 還有成都地質(zhì)學(xué)院、江漢石油學(xué)院等,11,中石化石油物探研究所（原地礦部，南京）1980建立小型水箱和觀測系統(tǒng)，

4、1983建成大型水漕和高精度自動定位裝置，2002完成自動定位裝置的改進(jìn)。 同濟(jì)大學(xué)在1985年前后設(shè)計建立了大型水槽自動定位地震物理模型觀測系統(tǒng)，2001實(shí)驗室撒銷。 長春地質(zhì)學(xué)院物理系在1985年前后設(shè)計建立了大型水槽自動定位地震物理模型觀測系統(tǒng)，近幾年正在逐步完善觀測系統(tǒng)。,12,中石化石油勘探開發(fā)研究院南京石油物探研究所,有效測量范圍2m1.5m0.7m,定位裝置,控制系統(tǒng),模型,13,石油大學(xué)地震物理模型實(shí)驗室,地震固體物理模型實(shí)驗系統(tǒng),控制系統(tǒng),定位裝置,14,物理模擬 物理模擬相似三定理 物理模擬的相似準(zhǔn)則與相似條件 地震物理模擬 地震物理模擬的相似準(zhǔn)則 地震物理模擬的相似原理

5、運(yùn)動學(xué)理論幾何相似原理 動力學(xué)理論動力學(xué)相似原理,物理模擬基本概念相似比原理,地震正演模擬-物理模擬,15,物理模擬,物理模擬是通過物理實(shí)驗過程對某一科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中某個過程或現(xiàn)象進(jìn)行模擬的一種方法 模型實(shí)驗方法，是以相似理論為根據(jù)建立模型，通過模型實(shí)驗得到某些量之間的關(guān)系和規(guī)律，然后再把它推廣到實(shí)際對象上。,16,物理模擬相似三定理,相似第一定理：凡彼此相似的現(xiàn)象，必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則 相似第二定理：當(dāng)一現(xiàn)象由n個物理量的函數(shù)關(guān)系來表示，且這些物理量中含有k個獨(dú)立的物理量，即有k種基本量綱，就能得到（n-k）個相似準(zhǔn)則,描述這一現(xiàn)象的函數(shù)關(guān)系式，可表示成（n-k）個相似準(zhǔn)則間的函數(shù)關(guān)系式

6、 相似第三定理：凡具有同一特性的現(xiàn)象，當(dāng)單值條件彼此相似，且由單值條件的物理量所組成的相似準(zhǔn)則在數(shù)值上相等，則這些現(xiàn)象必定相似,17,物理模擬相似第一定理,在相似理論中，將兩個物理現(xiàn)象相似定義為：如果在幾何相似的物系中，現(xiàn)象進(jìn)行的是具有同一物理性質(zhì)的變化過程，而且兩個物理現(xiàn)象中各對應(yīng)的同名物理量之間有固定的比例常數(shù)，則稱兩物理量現(xiàn)象相似。 以兩質(zhì)點(diǎn)系的動力學(xué)相似為例，說明兩物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)。,設(shè)有兩個初始位置幾何相似的質(zhì)點(diǎn)系,各質(zhì)點(diǎn)上有作用方向?qū)?yīng)平行的力,在對應(yīng)的時間t,t內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)移動了距離,18,物理模擬相似第一定理,如果兩質(zhì)點(diǎn)系中對應(yīng)的同名物理量有固定的比例常數(shù),則根據(jù)定義，我們說這兩

7、個質(zhì)點(diǎn)系是相似的，其中 、 、 和 稱為相似常數(shù)，由牛頓第二定律我們得出這些相似常數(shù)的相互關(guān)系,19,物理模擬相似第一定理,對第一類質(zhì)點(diǎn)系有,（i=1,2, n）,對第二類質(zhì)點(diǎn)系有,（i=1,2, n）,可得,即,由上可得到,上式表明，相似現(xiàn)象中相似常數(shù)不都是可以任意選取的，它們之間存在一定的關(guān)系，這是物理現(xiàn)象中各物理量之間有一定的函數(shù)關(guān)系的原故。,稱為相似指標(biāo),，其中,20,物理模擬相似第一定理,可得,記一般形式為,則有,我們把量群 稱為相似判據(jù)，則相似第一定理可表述為：相似現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1；或者說相似現(xiàn)象的相似判據(jù)相等。,可以看出，相似判據(jù)是把兩相似現(xiàn)象中對應(yīng)的物理量聯(lián)系起來是相似模型

8、設(shè)計的依據(jù)。因此尋求所研究的物理現(xiàn)象有幾個相似判據(jù)以及每個相似判據(jù)的具體形式，是我們研究相似的主要目的之一。如果已知物理現(xiàn)象的物理方程，可以通過分析物理方程方法求得相似判據(jù)；如果對物理現(xiàn)象求不出它的物理方程，則可通過量綱分析求得相似判據(jù)。,21,其中 為該物理現(xiàn)象的k個基本物理量，故可選取k個基本單位,物理模擬相似第二定理,在相似當(dāng)所研究的物理現(xiàn)象求不出它的物理方程時，可以利用量綱分析方法求得該物理現(xiàn)象的相似判據(jù)。相似第二定理，證明了描述一個具體的物理現(xiàn)象有幾個獨(dú)立的相似判據(jù)。,設(shè)物理現(xiàn)象的物理方程為,k個基本量綱表示為,，其余n-k個導(dǎo)出物理量的量綱可表示為,根據(jù)基本單位可以任意選取的性質(zhì)，

9、我們這樣地變換基本單位的大?。菏棺儞Q后j1的單位增大到j(luò)1倍，j2的單位增大到j(luò)2倍， jk的單位增大到j(luò)k倍。則采用變換后的單位各物理量的數(shù)值為,22,物理模擬相似第二定理,根據(jù)量綱公式，各量群 都是無量綱的，記為 ，則有,23,物理模擬相似第二定理,按照量綱的齊次性，采用變換后的單位系統(tǒng)，物理方程仍可寫成,為方便起見，改寫為,這就證明了相似第二定理。,把由個物理量構(gòu)成的物理方程無量綱化為個無量綱群的關(guān)系式，使物理方程的變數(shù)減少了，這就大大地簡化了問題地理論研究工作。,24,物理模擬相似第三定理,在兩現(xiàn)象相似，它們必須是發(fā)生在幾何相似物系中同一類物理現(xiàn)象。因此系統(tǒng)的幾何相似和物理方程文字結(jié)構(gòu)

10、相同是兩物理現(xiàn)象相似的一個必要條件。物理方程可以轉(zhuǎn)換成判據(jù)方程，相似現(xiàn)象的判據(jù)方程完全相同。要使兩現(xiàn)象的判據(jù)方程完全相同，只要使它們的決定判據(jù)（單值量判據(jù)）相等即可。因此決定判據(jù)相等是兩現(xiàn)象相似的另一個必要條件。但是兩個必要條件還不足以判別現(xiàn)象相似，因為同一物理方程，或者說同一判據(jù)方程可以描述一系列同類的物理現(xiàn)象，要描述某以特定的物理現(xiàn)象還需要有把該物理現(xiàn)象與同類物理現(xiàn)象區(qū)別出來的單值條件。因此單值條件相似則是兩現(xiàn)象的充分條件。,25,物理模擬相似第三定理,一般固體力學(xué)問題單值條件相似包括： 1邊界條件相似，包括支承（或約束）條件相似，即支承地形式，支承的相對位置相似；荷載的形式和作用相對位置

11、相似等。 2物理參數(shù)相似，即對應(yīng)的同類已知物理量的比例常數(shù)相同，例如彈性體內(nèi)各點(diǎn)的彈性常數(shù),等等,對于動力學(xué)問題單值條件還應(yīng)包括： 3時間相似 4初始條件相似，即初始幾何位置，初始速度相似等。 總之相似第三定理可歸納未：發(fā)生在幾何相似物系中的物理現(xiàn)象，服從同一物理方程、單值條件、單值量對應(yīng)成常數(shù)比例、單值量判據(jù)相等，則現(xiàn)象相似。 相似第三定理給出使現(xiàn)象相似的必要和充分條件。這是設(shè)計相似模型的依據(jù)。,26,物理模擬相似準(zhǔn)則的導(dǎo)出,以量綱分析方法討論動力學(xué)相似為例，描述動力相似現(xiàn)象的物理量的函數(shù)為,式中： 為應(yīng)力、 為撓度、 為集中力、t為時間、Z為摩擦系數(shù)、 為密度、L為任一線性長度（包括長、寬

12、、高）、E為彈性模量,項的指數(shù)式為,列出量綱矩陣，寫出指數(shù)的聯(lián)立方程組求解，可得到動力學(xué)相似問題的相似準(zhǔn)則，即,上式即為動力學(xué)相似問題的最基本的相似準(zhǔn)則，由此可以導(dǎo)出一系列相似準(zhǔn)則來,27,物理模擬的相似條件,物理模擬的幾何相似、時間相似、運(yùn)動相似、動力相似和材料相似等相似準(zhǔn)則導(dǎo)出如下：由相似準(zhǔn)則中 ，代入相應(yīng)的相似倍數(shù)得,上式表明，在動力相似模型實(shí)驗中，模型材料、幾何相似倍數(shù)、力相似倍數(shù)以及時間相似倍數(shù)四個量，只有兩個量可以任意選取，另兩個則隨之而定。由上式，也可得到其它物理量的相似倍數(shù)：,式中： 為力相似倍數(shù)、 為密度相似倍數(shù)、 為彈性模量相似倍數(shù)、 為時間相似倍數(shù)、 為幾何相似倍數(shù),頻率

13、相似倍數(shù),速度相似倍數(shù),加速度相似倍數(shù),邊界摩擦系數(shù)的相似倍數(shù),28,地震物理模擬,地震物理模擬是在實(shí)驗室內(nèi)將野外的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體按照一定的模擬相似比制作成物理模型，并用超聲波或激光超聲波等方法對野外地震勘探方法進(jìn)行模擬的一種地震模擬方法,29,地震物理模擬的相似準(zhǔn)則,進(jìn)行地震物理模型是以無量綱波動方程的不變性為基礎(chǔ)，以幾何參數(shù)、物理參數(shù)的相似性為準(zhǔn)則的。一般正確模擬地震波傳播的物理過程和現(xiàn)象應(yīng)考慮下述原則： 二者物理過程服從同一自然規(guī)律，可以用相同的物理方程描述； 描述模型與原型的物理量應(yīng)相似； 模型與原型的空間條件和時間條件應(yīng)相似。,30,地震物理模擬的基本控制方程,模型和原型在均勻各向

14、同性介質(zhì)中波的傳播，都遵循彈性波動方程等基本控制方程：,用帶下標(biāo)m的字母代表模型介質(zhì)的參數(shù)，在模型介質(zhì)中的波動方程為：,31,地震物理模擬的相似準(zhǔn)則,定義某一個量 原型的值與模型值 之間的相似常數(shù) 為兩者比值或比例尺時，則模型介質(zhì)與實(shí)際介質(zhì)各參數(shù)的相似比有相應(yīng)的單值：,考慮幾何相似性，有 ，將上面的常數(shù)關(guān)系式代入基本控制方程，得,32,地震物理模擬的相似準(zhǔn)則,按照相似原則，原型與模型的基本控制方程中的同名物理量應(yīng)當(dāng)相似，即它們之間存在一定的相似比，設(shè),ML 、Mt、MV 和 分別為空間（L為幾何尺度，x，y，z為空間坐標(biāo)）、時間、波速和波動位移勢函數(shù)的相似比，代入基本控制方程,可以導(dǎo)出ML,3

15、3,地震物理模擬的相似準(zhǔn)則,欲使上式與基本控制方程一等價，必須有,上式中,分別為模型和原型中波長,為波長相似比。于是有,以上兩式就是地震模型實(shí)驗在模擬均勻、各向同性介質(zhì)中的地震波傳播時所要考慮的相似準(zhǔn)則。前者明確提出了在波動方程成立的前提下的時間、空間和介質(zhì)物性三方面的要求，并表明在介質(zhì)物性方面只要考慮波速相似即可；后者則指明了模型尺度相似比與波長相似之間的關(guān)系，為模型設(shè)計提供了依據(jù)。,34,地震物理模擬的相似原理,從幾何參數(shù)、物理參數(shù)兩個方面相似性考慮，也就是波在模型和實(shí)際介質(zhì)中傳播的運(yùn)動學(xué)特征和動力學(xué)特征都應(yīng)當(dāng)具備相似性 幾何相似原理幾何尺寸、波長、頻率、傳播時間成比例 動力學(xué)相似原理彈性

16、參數(shù)、密度、吸收衰減系數(shù)等相等或相似,35,地震物理模擬運(yùn)動學(xué)理論幾何相似原理,當(dāng)波在模型介質(zhì)和實(shí)際介質(zhì)中傳播速度相同時,分別代表速度、頻率、波長，下標(biāo)m代表模型,則有,即：模型介質(zhì)與實(shí)際介質(zhì)的尺度比傳播時間比波長比頻率的反比,36,地震物理模擬運(yùn)動學(xué)理論幾何相似原理,當(dāng)波在模型介質(zhì)和實(shí)際介質(zhì)中傳播速度不同時,則有,即：模型介質(zhì)與實(shí)際介質(zhì)的尺度比速度比傳播時間比頻率的反比速度比波長比,37,地震物理模擬動力學(xué)理論動力學(xué)相似原理,當(dāng)波在聲學(xué)介質(zhì)中傳播時，聲波方程為,要保持波的動力學(xué)特征必須滿足模型介質(zhì)和聲學(xué)介質(zhì)的彈性常數(shù) 和介質(zhì)密度 相等或相似,38,地震物理模擬動力學(xué)理論動力學(xué)相似原理,當(dāng)波在

17、彈性介質(zhì)中傳播時，彈性波方程為,要保持波的動力學(xué)特征必須滿足模型介質(zhì)和彈性介質(zhì)的拉梅彈性常數(shù) 和介質(zhì)密度 相等或相似,39,地震物理模擬動力學(xué)理論動力學(xué)相似原理,當(dāng)波在介質(zhì)飽含流體的雙相介質(zhì)中傳播時，雙相介質(zhì)彈性波方程為：,要保持波的動力學(xué)特征必須滿足模型介質(zhì)和雙相介質(zhì)的彈性常數(shù) 、衰減系數(shù) b 和介質(zhì)密度 相等或相似,40,實(shí)際,模型,41,幾種常用相似比因子組合,42,影響相似比的幾個主要因素,實(shí)驗室具有的條件： 1、模型材料速度范圍； 2、震源和接收器的定位精度； 3、A/D的采樣率和采樣長度； 4、震源和接收器的頻率和幅射直徑 野外模擬區(qū)要求： 1、模擬區(qū)域 2、觀測系統(tǒng)參數(shù) 3、地層

18、速度,43,實(shí)驗室裝備,現(xiàn)有地震物理模型實(shí)驗系統(tǒng),44,地震物理模型實(shí)驗方法 地震物理模型實(shí)驗是在實(shí)驗室內(nèi)將野外的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體按照一定的模擬相似比制做成物理模型，并用超聲波或激光超聲波等方法對野外地震勘探方法進(jìn)行正演模擬的一種地震模擬方法。,45,地震物理模型的優(yōu)點(diǎn) 與數(shù)學(xué)模型相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是地震物理模型模擬結(jié)果的真實(shí)性，不受計算方法、假設(shè)條件的限制，因而地震物理模型受到國外各石油公司和大學(xué)的普遍重視。 缺陷 震源和檢波器的尺度，參數(shù)變化困難。,46,地震物理模型的應(yīng)用 地震物理模型實(shí)驗在石油天然氣勘探、開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣泛。它除了在地震波理論研究，例如聲波介質(zhì)、彈性介質(zhì)、各向異性

19、介質(zhì)和雙相介質(zhì)中彈性波傳播理論研究外，還對復(fù)雜構(gòu)造（例如：鹽下構(gòu)造成象、河道砂預(yù)測） 、裂縫帶檢測、井間地震研究及油藏動態(tài)監(jiān)測等石油天然氣勘探、開發(fā)工作中發(fā)揮重要的作用。,47,應(yīng)用范圍,波傳播的基本規(guī)律 典型地質(zhì)構(gòu)造地震響應(yīng) 波傳播理論和數(shù)學(xué)計算方法的驗證 觀測系統(tǒng)的研究 勘探方法的研究 處理解釋的研究,48,超聲測試技術(shù)和設(shè)備,定位系統(tǒng) 發(fā)射接收儀 超聲換能器 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,地震物理模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖,49,三維定位與采集系統(tǒng),控制系統(tǒng),50,動態(tài)光彈物理模擬實(shí)驗裝置,51,激光超聲物理模擬實(shí)驗裝置,52,系統(tǒng)的硬件框圖,超聲發(fā)射接收方式,現(xiàn)實(shí)高穩(wěn)定性、高保真度、大瞬時動態(tài)范圍,53

20、,實(shí)驗所用不同的觀測系統(tǒng)示意圖,常用觀測系統(tǒng),54,1、大面積三維地震數(shù)據(jù)采集 2、固體和水槽兩種方式 3、多分量、多道數(shù)據(jù)采集 4、定位和采集全自動控制 5、高性能各種類型超聲波換能器,目前采集系統(tǒng)特點(diǎn)：,55,定位系統(tǒng),定位系統(tǒng)用來確定炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的位置，其精度影響著測試數(shù)據(jù)的成像 三種定位系統(tǒng) 手工定位，精度為0.5mm 拉線定位，精度為0.1mm 絲桿定位，精度為0.05-0.005mm,56,拉線定位,絲桿定位,幾種定位系統(tǒng),大型三維坐標(biāo)定位儀 特點(diǎn)：X 、Y和Z方向最大可移動范圍230230100，每個坐標(biāo)的空間精度為小于0.1mm，Z軸可承受壓力。,57,定位系統(tǒng)工作方式,定位系

21、統(tǒng)的功能就是把震源和接收器正確地放在系統(tǒng)的各個位置上。 實(shí)驗室采用單發(fā)單收的數(shù)據(jù)采集方式，通過重復(fù)放炮并移動接收器的位置來完成與野外一炮多道相同的測線記錄方式。 與信號采集系統(tǒng)配合可有兩種工作方式：行進(jìn)和步進(jìn)模式。 行進(jìn)模式是指定位系統(tǒng)在移動中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 步進(jìn)模式是定位系統(tǒng)每走一步，停頓一下，采集一次數(shù)據(jù)。,58,行進(jìn)模式采集速度快但定位精度有誤差，步進(jìn)模式定位精度高數(shù)據(jù)采集速度慢。 行進(jìn)模式采集時要精確計算出移動距離與采集時間之間的關(guān)系，否則會出現(xiàn)較大的誤差。 震源和接收器分另裝在兩套三維定位裝置上，兩者不能交叉使用，它限制了全方位的三維觀測系統(tǒng)設(shè)計采集，只能采用分區(qū)采集。 目前的定位系

22、統(tǒng)，采用行進(jìn)模式采集時最快在5-10道/秒。平均采集速度約10000道/小時。,59,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(發(fā)射和接收儀器),由脈沖發(fā)射器和信號衰減放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，震源和接收器使用超聲換能器。 實(shí)驗室沒有現(xiàn)成的發(fā)射和接收儀器系統(tǒng) 現(xiàn)有儀器的來源： 1) 使用組合儀器 2) 借用超聲檢測領(lǐng)域中的儀器 3) 自己研制,60,脈沖信號發(fā)生器,由電子振蕩器產(chǎn)生一個高壓電脈沖信號，同時還產(chǎn)生一個同步觸發(fā)信號（或電平）給接收器。 脈沖信號發(fā)生器的主要性能考慮幾個指標(biāo)： 1) 信號穩(wěn)定性（包括幅度和同步）， 2) 脈沖前后沿陡度（越陡越好）， 3) 脈寬可調(diào)。 最佳指標(biāo)為： 脈沖信號幅度：大于100伏，幅度

23、從10伏到最大可調(diào) 脈寬可調(diào)范圍: 0.1-5微秒，分段分檔可調(diào)； 脈沖上升時間：10-20納秒。 能同時滿足這三條不太容易。國內(nèi)很少見到此類產(chǎn)品。,61,脈沖信號發(fā)生器,專用儀器,自己研制,62,國外脈沖發(fā)射和接收儀,63,12個換能器排置方式,多路（16）接收轉(zhuǎn)換器,多道采集系統(tǒng),64,A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,16位，10MHz 23位，10MHz 23位，20MHz,最新儀器,65,地質(zhì)模型制作技術(shù),與數(shù)學(xué)模擬中的地質(zhì)構(gòu)造和速度建模一樣，在地震物理模擬實(shí)驗中地質(zhì)模型的構(gòu)制也是一個十分重要的工作。 三維地震物理模型的地質(zhì)模型制作是在整個地震物理模擬技術(shù)中最難解決的問題之一。實(shí)際地層由不同巖性組成

24、，其速度和密度的變化范圍很大，除巖石本身外，實(shí)驗室內(nèi)很難找到速度和密度可任意變化的材料來模擬各種地層。 另一方面，即使具有速度等參數(shù)合適模型材料，但要加工成各種地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)也不是一件易事。所以，構(gòu)制地震物理模型中的地質(zhì)模型分兩個部分：一是材料的選擇，二是模型形態(tài)的制作。,66,不同速度的模型混合材料研究,目前解決模型材料問題主要有二個途徑： 1)尋找各種工業(yè)或建筑材料，積累已有的各種材料的聲學(xué)和彈性數(shù)據(jù)庫， 2)開發(fā)研制一些復(fù)合材料，形成不同的速度系列。 材料中形態(tài)易加工的有各種樹脂、硅橡膠、石蠟、石膏等。其中，速度變化可控的復(fù)合材料是最理想的三維地質(zhì)模型制作材料，因為這種速度的變化可通過不

25、同的配比來控制。通過對大量不同的復(fù)合材料研究和實(shí)驗聲學(xué)參數(shù)的測試表明，環(huán)氧樹脂與硅橡膠類之間的復(fù)合仍是一種較合適的模型材料。 值得注意的是有些速度變化的復(fù)合材料，制作是時并不能完全實(shí)現(xiàn)化學(xué)上的復(fù)合，主要還是物理上的混合，所以在制作時要有一定的設(shè)備和工藝技巧。,67,各種工業(yè)或建筑材料,工業(yè)和建筑材料的種類很多，速度和密度的范圍相差也很大。 固體材料用來構(gòu)建地質(zhì)模型時會遇到兩個困難： 1)形態(tài)加工 2)層間膠接 普通的液態(tài)固化材料遇到困難是 1)固化時間長 2)不均勻性 3)速度和密度變化范圍不均等,68,復(fù)合材料,復(fù)合材料是根據(jù)不同性能的材料物理或化學(xué)的方法把兩種或多種材料混合而成的一種材料。

26、 材料中形態(tài)易加工的有各種樹脂、硅橡膠、石蠟、石膏等。其中，速度變化可控的復(fù)合材料是最理想的三維地質(zhì)模型制作材料，因為這種速度的變化可通過不同的配比來控制。通過對大量不同的復(fù)合材料研究和實(shí)驗聲學(xué)參數(shù)的測試表明，環(huán)氧樹脂與硅橡膠類之間的復(fù)合仍是一種較合適的模型材料。,69,實(shí)驗材料,70,轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗研究,不同速度材料的縱橫波速度和幅度,不同復(fù)合材料的縱橫波速度,71,復(fù)合材料地質(zhì)模型材料,72,真空攪拌機(jī),73,模型形態(tài)測試儀,測試范圍1000 600 800mm，精度0.07mm,74,75,模型制作工藝,76,起伏地表物理模型的半成品照片,模型制作,77,快速成型技術(shù)：三維實(shí)體噴墨

27、打印機(jī),78,換能器,79,適用于平觀測面，直徑1CM,適用于起伏地表，直徑2MM,微型超聲換能器,80,超聲換能器,81,82,微型換能器結(jié)構(gòu),83,84,換能器脈沖響應(yīng)研究,市場換能器,自行研制換能器,85,換能器方向性研究,壓電陶瓷球形換能器,復(fù)合材料換能器,86,換能器大小研究,170KHz,500KHz,87,起伏地表物理模擬,應(yīng)用條件沿面曲線運(yùn)動,88,解決方法,減小換能器接觸面,用球殼狀晶片,負(fù)面影響,激發(fā)接收能量減小,負(fù)面影響,能量減小、子波相位增加,起伏地表物理模擬,采用在探頭上增加觸點(diǎn)開關(guān)、壓力檢測和相應(yīng)測量電路的方法，為起伏地表物理模型的數(shù)據(jù)采集和高程測量同步進(jìn)行提供了行

28、之有效的方法，實(shí)驗采集 數(shù)據(jù)具有可靠保證。同時展示實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗成果。實(shí)驗證明該實(shí)驗系統(tǒng)完全適用于起伏地表地震物理模擬實(shí)驗。,89,起伏模型的高程測量方法,定位系統(tǒng)高程測量實(shí)現(xiàn),采用觸點(diǎn)控制方式,高程測量,數(shù)據(jù)采集,同步進(jìn)行,高程測量原理圖,壓力檢測,90,起伏地表地震物理模擬數(shù)據(jù)采集,91,起伏地表地震物理模擬數(shù)據(jù)采集,92,模擬起伏地表地震物理模型剖面圖及參數(shù),模擬結(jié)果,93,起伏地表物理模型的半成品照片,模型制作,94,地表高程模擬,長度比例尺1：40000 物理模型起伏地表形態(tài)：最高 30mm ，最低 5mm ，高差 25mm ，橫向長度 250mm 相當(dāng)于野外的起伏地表：最高1200m

29、 ，最低200m ，高差1000m ，橫向長度20000m,95,物理模型的實(shí)驗數(shù)據(jù)疊加剖面,水平面觀測,CDP,ms,觀測系統(tǒng)示意圖,發(fā)射 接收,水,2200m/s,2400m/s,2400m/s,1500m/s,3.2cm,96,水中起伏界面觀測,CDP,s,物理模型的實(shí)驗數(shù)據(jù)疊加剖面,97,起伏模型表面觀測,物理模型的實(shí)驗數(shù)據(jù)疊加剖面,CDP,s,98,水平面觀測偏移剖面 水中起伏面觀測偏移剖面 起伏表面觀測偏移剖面,3種觀測結(jié)果,99,縫洞儲層地震物理模擬,根據(jù)材料設(shè)計的要求，選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)劑（氣相、液相或固相），在適當(dāng)?shù)臏囟认拢柚诨w和它們之間的物理化學(xué)反應(yīng)，原位生成分布均勻的第

30、二相或稱為增強(qiáng)相，它能顯著改善材料中兩項界面的結(jié)構(gòu)狀況。,100,多孔灰?guī)r露頭樣品,致密灰?guī)r露頭樣品,101,多孔灰?guī)r露頭局部反大,致密灰?guī)r露頭局部反大,102,有機(jī)玻璃中激發(fā) 有機(jī)玻璃中接收,速度2600m/s厚度50mm，模擬野外500m,us,實(shí)驗子波,相當(dāng)于野外致密巖性激發(fā)和接收記錄,反射P多次,103,us,低速帶中激發(fā)、有機(jī)玻璃中接收,有機(jī)玻璃速度2600m/s厚度50mm，模擬野外500m 低速帶速度 1800m/s，厚度0.5mm，模擬野外5m,實(shí)驗子波,相當(dāng)于野外表層激發(fā)，致密巖性接收記錄,直達(dá)縱波,反射P,轉(zhuǎn)換波,面波,104,灰?guī)r中激發(fā)，灰?guī)r中接收,致密灰?guī)r速度6630m

31、/s厚度100mm，模擬野外1000m,實(shí)驗子波,透射縱波,透射橫波,透射縱波多次,us,100mm,相當(dāng)于野外破碎灰?guī)r激發(fā)和接收記錄,105,低速帶中激發(fā)，灰?guī)r中接收,實(shí)驗子波,透射縱波,透射橫波,透射縱波多次,100mm,低速帶速度 1500m/s，厚度1mm，模擬野外10m 致密灰?guī)r速度6630m/s 厚度100mm，模擬野外1000m,相當(dāng)于野外表層激發(fā)，破碎灰?guī)r中接收記錄,106,低速帶中激發(fā)，灰?guī)r中接收,低速帶中激發(fā)透射的道集記錄,實(shí)驗子波,透射縱波,透射橫波,透射縱波多次,低速帶速度 1500m/s，厚度3mm，模擬野外30m 致密灰?guī)r速度6630m/s 厚度100mm，模擬野外

32、1000m,100mm,107,低速帶中激發(fā)，灰?guī)r中接收,低速帶中激發(fā)多孔灰?guī)r透射的（放大增益）道集記錄,實(shí)驗子波,透射縱波,透射橫波,透射縱波多次,90mm,低速帶速度 1500m/s，厚度1mm，模擬野外10m 多孔灰?guī)r速度6400m/s 厚度90mm，模擬野外900m,108,巖溶儲層地震響應(yīng)特征,放空0.5m 求產(chǎn)：203d/t,放空1.4m 求產(chǎn)：204t/d,酸壓求產(chǎn)：479t/d,109,洞縫體地震波場模擬,110,模型平面圖,測 線 截 面 圖,模擬孔、縫物理模型截面示意圖,K-3模型,不同孔洞縫物理模型超聲觀測分析地震反射特征,超聲模型的定比觀測,111,K-3模型記錄,K-

33、3模型疊加剖面,K-3模型偏移剖面,疊加剖面上有繞射波,疊加剖面上有繞射波,偏移剖面上有串珠狀反射,偏移剖面上有串珠狀反射,偏移剖面上有串珠狀反射,112,孔洞物理模型疊加和偏移剖面,加反褶積,孔洞造成白煙囪狀,孔洞尺度稍大時,利用底部弱反射或振幅變化率研究上部孔洞體的存在,113,奧陶系孔洞儲層物理模型,K-4模型,K-5模型,114,模擬奧陶系儲層物理模型,含有孔洞,115,奧陶系孔洞儲層物理模型,不含孔洞,116,裂縫物理模型疊加和偏移剖面,疊加剖面上有繞射波,不同縫洞物理模型定比超聲觀測分析地震反射特征,偏移剖面上出現(xiàn)雜亂相,低部出現(xiàn)有雜亂干擾相,117,垂直裂縫帶觀測,118,垂直裂

34、縫帶觀測,119,P波通過垂直裂縫體后，與均勻介質(zhì)相比，均表現(xiàn)為振幅降低、速度減小，頻率衰減、時差變長等綜合響應(yīng)特征。波形及屬性變化帶往往與裂縫發(fā)育過渡帶對應(yīng)。 裂縫體反射P波波形及屬性變化較明顯。,垂直裂縫帶模型 自激自收觀測,120,垂 直 裂 縫 物 理 模 型 觀 測,深度M 時間MS,觀測方式： 道間距10m，炮間距離20m，最小偏移距200m，最大偏移距1390m， 接收道數(shù)120，共150炮；樣點(diǎn)10000，采樣0.5ms,記錄長5s;,目標(biāo)： 不同觀測點(diǎn)距下裂縫的響應(yīng)； 不同密度裂縫可能對地震波波場的影響；,121,觀測點(diǎn)距：,5m,7.5m,10m,Htop,Hbootm,1

35、22,30m,35m,40m,觀測點(diǎn)距：,繞射能量發(fā)生變化,123,Htop,Htop正相位,Htop后續(xù)負(fù)相位,裂縫模型頂部振幅與不同觀測點(diǎn)距變化圖,124,地震正演模擬-數(shù)學(xué)模擬,125,數(shù)值模擬,地震波傳播理論,巖石物理,數(shù)據(jù)采集,理論指導(dǎo),物性參數(shù),研究傳播規(guī)律,指導(dǎo)設(shè)計觀測系統(tǒng),地震解釋,驗證,數(shù)據(jù)處理,地震反演,提供理論數(shù)據(jù) 試驗處理流程,提供正演方法,地震波傳播數(shù)值模擬應(yīng)用領(lǐng)域,126,裝 備,地震波場數(shù)值模擬計算系統(tǒng) 地震波場數(shù)值模擬計算集群計算機(jī)系統(tǒng) 海量計算： 特殊配置：大內(nèi)存和磁盤配置,南方三維模型彈性波場計算 1000CPU約需3年,127,地震波場數(shù)值模擬計算系統(tǒng) 配

36、置規(guī)模計算參考依據(jù) 網(wǎng)格劃分規(guī)模（每炮計算模型規(guī)模內(nèi)） 4000萬： 500 x400 x200 2億：1000 x500 x400 10億：1000 x1000 x1000 40億：2000 x2000 x1000 內(nèi)存需求：74字節(jié)/網(wǎng)格點(diǎn)(彈性波)，18.5(聲波) 計算需求：0.5x10-6秒/時間步/網(wǎng)格點(diǎn)（安騰2：1.4GHz） 其它計算參數(shù) 樣點(diǎn)數(shù)：3000個（1毫秒采樣）,128,配置規(guī)模測算 內(nèi)存：1632GB 節(jié)點(diǎn)數(shù)：？ 2億網(wǎng)格：100個CPUx30天 - 800炮 10億網(wǎng)格：100個CPUx34天 - 200炮,129,地震模擬數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)內(nèi)容 巖石物理測試

37、數(shù)據(jù) 地震波場物理模擬數(shù)據(jù)：地震記錄 地震波場數(shù)值模擬數(shù)據(jù)：地震記錄/波場快照 模型、計算或模擬參數(shù) 磁盤陣列存儲系統(tǒng) 容量：50100TB 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 服務(wù)器 數(shù)據(jù)庫管理軟件,130,IFP-SEG/EAEG 推出的國際標(biāo)準(zhǔn)模型-Marmousi模型,二維聲波傳播數(shù)值模擬,131,右圖模擬記錄具有更高的精度，更小的數(shù)值頻散，更高的分辨率，波場更加豐富,Marmousi模型第110炮（左-IFP；右-同濟(jì)大學(xué)）,132,（SEG/EAEG提供的正演數(shù)據(jù)）,不同Marmousi模型模擬數(shù)據(jù)疊前深度偏移結(jié)果比較 （同樣的偏移方法）,（同濟(jì)大學(xué)提供的正演數(shù)據(jù)）,局部構(gòu)造更加清晰 （如巖性尖滅、目

38、標(biāo)油氣藏、小斷塊等）， 說明同濟(jì)的模擬方法具有精度高、頻散小的特點(diǎn),133,SEG/EAEG三維鹽丘模型,三維聲波傳播數(shù)值模擬,134,SEG,同濟(jì),切除+ AGC,炮點(diǎn)位于(7220,7540)m時模擬結(jié)果對比,在模擬精度、數(shù)值頻散等方面優(yōu)于SEG結(jié)果,135,地質(zhì)模型,二維彈性波傳播數(shù)值模擬,136,垂直分量,水平分量,137,縱波,橫波,寬頻帶，高精度,138,垂直分量振幅譜-頻帶寬，低頻成分豐富,139,T=400ms,T=1100ms,垂直分量,二維起伏地表彈性波傳播數(shù)值模擬,140,T=400ms,T=1100ms,水平分量,141,垂直分量,水平分量,142,波場分析,單炮記錄

39、疊加/偏移剖面 波場快照,介質(zhì)內(nèi)部波場傳播規(guī)律研究,143,高性能三維可視化系統(tǒng) 地震模型三維可視化 地震記錄分析 地表波場快照分析：動態(tài)/平面 地下波場快照分析：動態(tài)/平面/立體 海量數(shù)據(jù)動態(tài)分析：立體1-10TB級 平面10GB級,144,地質(zhì)模型可視化,145,地震波場動態(tài)化分析,146,地震模擬波場分析系統(tǒng),雙通道CAD Wall系統(tǒng),單通道VR Workroom系統(tǒng),147,數(shù)學(xué)模型（通南巴地區(qū)）,160炮、每炮120道、道距40米、單邊激發(fā)，記錄長度5s、采樣率1ms，偏移距：804840，地形最大高差：1485m，速度范圍：1750 6750m/s。,彈性波數(shù)值模擬炮道集,二維數(shù)

40、值模擬,野外實(shí)際炮道集,初至p波,反射p波,面波,地表散射,148,S波記錄,P波記錄,彈性波模擬,二維數(shù)值模擬,149,彈性波模擬,聲波模擬,二維數(shù)值模擬,初至波,反射波,150,地形最大高差：275m 地表速度范圍：4400-5157m/s 全模型速度范圍：4400-7113m/s,數(shù)學(xué)模型（黔中凱里地區(qū)）,151,共有12束線、束線距200m 每束線6線接收、8炮激發(fā)、121*6道接收 道距50m、線距200m、炮點(diǎn)距50m、炮線距300m 總炮數(shù):3456 記錄長度2s，采樣間隔1ms 面元大小25m*25m ，滿覆蓋60次 單次覆蓋：34.65 km2，滿覆蓋：13.2 km2,黃線內(nèi)為滿覆蓋區(qū)域,三維數(shù)值模擬,數(shù)學(xué)模型（黔中凱里地區(qū)）,152,X分量,153,Y 分量,154,V分量,155,P波記錄,156,3D波場模擬計算耗時對比表,每炮計算網(wǎng)格點(diǎn)數(shù): 24,192,000 所需內(nèi)存：1.8Gb 單炮計算時間: 697.7分鐘 單炮覆蓋面積: 4.29km2 總炮數(shù)：2400 CPU數(shù)：40 總時間：約30天,彈性波,每炮計算網(wǎng)格點(diǎn)數(shù): 24,192,00