一种适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法
【专利摘要】本发明提供了一种适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，该方法首先获取海水和地层中的相关数据、观测系统和震源参数；接着从质量守恒方程、欧拉方程和绝热状态方程出发，利用渐进方法和基于海水实际情况的适当假设，推导适用于非均匀运动水体的一阶应力-速度方程；然后，给出合理的边界条件；最后采用高精度有限差分将控制方程和边界条件离散化，模拟地震波在海水和海底弹性介质中的传播过程。本方法综合考虑了海水中密度、声速和流速对地震波传播的影响，可以真实地反映地震波在复杂海洋环境中的传播情况，在海洋油气勘探中，尤其是海洋环境比较复杂的深水油气勘探中具有广泛的应用价值。
【专利说明】一种适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋地震勘探领域，具体地为深水油气勘探领域，涉及一种针对复杂 海洋环境的地震波模拟方法。
【背景技术】
[0002] 提高深水区地震成像精度以得到勘探目标真实的深度构造图对深海油气田开发 具有重要意义。但是，深水区地震成像目前仍存在很多问题，其中深海海洋环境条件极其复 杂就是主要因素之一。海水中存在着中尺度涡、内波和海洋锋等中尺度现象。观测资料发 现，当地震波穿过深水海域时中尺度现象会时时地反映在地震数据中（Biescas等，2008 ; Song等，2008 ;Ruddick，2003 ;Pinheiro等，2010)，同时这些非均勾水体所引起的多次超强 反射还会覆盖中深层数据。因此我们有必要研宄复杂海洋环境（即非均匀运动水体）下地 震波的传播特征。
[0003] 目前的地震勘探中，人们仍主要采用常规的声波方程，将非均匀运动的海水视为 均勾介质。Kormann等（Kormann等，2008 ;2009)采用简化的波动方程和二阶完全匹配层吸 收边界条件，模拟了海水层产生的地震反射波。但是在该研宄中假设海水的流速为〇并且 海水中的密度和声速满足C= (其中K为流体压缩模量），以上假设有一定的局限性， 因为海水是在不停运动的，并且海水中声速和密度的关系比较复杂。姬莉莉等（姬莉莉等， 2013)推导了含流速的声波方程，研宄了中尺度涡对声波传播的影响，但是其假设海底地层 只存在纵波。在海洋油气勘探中，气枪产生的信号在海底会产生纵波和横波，同时由油气层 反射的横波信息在海底会重新转换为一些纵波传入水中。因此，为了全面研宄复杂海洋环 境对地震勘探的影响，海底地层不能简单的处理为声波层。若将海底视为弹性基底，同时考 虑纵波和横波的传播，则需要对现有的控制方程和边界条件做出改进，使其在适用于非均 匀运动水体的同时，又与海底弹性基底相匹配。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足及问题，本发明提供了一种适用于非均匀运动水体的地震波 正演模拟方法，可以综合全面地考虑海水中密度，声速、流速等因素对地震波传播的影响， 又可以模拟海底弹性波的矢量波场。
[0005] 依据本发明的技术方案，提供一种适用于非均匀运动水体的地震波正演模拟方 法，具体包括以下步骤：
[0006] 1)获取海水和地层中的相关数据、观测系统和震源参数；
[0007] 2)利用渐进方法和基于海水实际情况的适当假设，推导出适用于非均匀运动水体 的一阶应力-速度方程；
[0008] 3)给出合理的边界条件；
[0009] 4)采用高精度有限差分将控制方程和边界条件离散化；
[0010] 5)计算非均匀运动水体影响下接收的地震波场和地震记录。
[0011] 其中所述步骤1)获取海水和地层中的相关数据、观测系统和震源参数，包括：
[0012] 获取海洋中的声速、密度和流速数据，海底地层中的密度、纵波速度和横波速度， 并把这些数据按网格间距网格化，形成网格化数据文件；
[0013] 获取观测系统参数包括道间距、最大、最小偏移距和时间采样间隔；
[0014] 获取震源参数包括震源坐标和震源频率。
[0015] 此外步骤2)从质量守恒方程、欧拉方程和绝热状态方程出发，利用渐进方法和基 于海水实际情况的适当假设，推导出适用于非均匀运动水体的一阶应力-速度方程：
【权利要求】
1. 一种适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 获取海水和地层中的相关数据、观测系统和震源参数； 2) 利用渐进方法和基于海水实际情况的适当假设，推导出适用于非均匀运动水体的一 阶应力-速度方程； 3) 给出合理的边界条件； 4) 采用高精度有限差分将控制方程和边界条件离散化； 5) 计算非均匀运动水体影响下接收的地震波场和地震记录。
2. 如权利1所述的适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，其特征在于，所述步 骤1)获取海水和地层中的相关数据、观测系统和震源参数，包括： 获取海洋中的声速、密度和流速数据，海底地层中的密度、纵波速度和横波速度，并把 这些数据按网格间距网格化，形成网格化数据文件； 获取观测系统参数包括道间距、最大、最小偏移距和时间采样间隔； 获取震源参数包括震源坐标和震源频率。
3. 如权利1所述的适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，其特征在于，所述步 骤2)从质量守恒方程、欧拉方程和绝热状态方程出发，利用渐进方法和基于海水实际情况 的适当假设，推导出适用于非均匀运动水体的一阶应力-速度方程：
其中，⑷，I)为水中速度分量，A是水中密度，月;是水中的压力，i水中的声速，％为水中 的流速。
4. 如权利1所述的适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，其特征在于，所述步 骤3)中在模型四周引入PML边界层，同时由于水中的波阻抗较小，为了能够看到水中的反 射波，边界层引起的反射必须比水中的反射小一个数量级。基于以上要求，水中PML边界层 中控制方程为：
PML边界层厚度。 地层中PML边界条件采用与水中类似的方法，对各个变量进行分裂：
得到地层中PML边界层中控制方程为：
其中，(t，t)为弹性介质中速度分量，A是弹性介质中密度，和4是弹性介质中 的应力，A和y为介质的弹性常数。
5. 如权利1所述的适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，其特征在于，所述步 骤4)中采用交错网格有限差分方法将控制方程和边界条件离散化。
6. 如权利1所述的适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法，其特征在于，所述步 骤5)计算非均匀运动水体影响下接收的地震波场和地震记录，获得非均匀运动水体对接 收到地震记录的影响，以提高地震数据质量。
【文档编号】G01V1/28GK104483702SQ201410836793
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】姬莉莉, 郝天珧, 游庆瑜 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所