一种适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于非均匀运动水体的地震正演模拟方法
本专利技术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。
技术介绍
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)，同时这些非均匀水体所引起的多次超强反射还会覆盖中深层数据。因此我们有必要研究复杂海洋环境(即非均匀运动水体)下地震波的传播特征。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匀介质。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。但是在该研究中假设海水的流速为0并且海水中的密度和声速满足(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，研究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，为了全面研究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。
技术实现思路
针对现有技术的不足及问题，本专利技术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。依据本专利技术的技术方案，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：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。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：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。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：其中，为水中速度分量，是水中密度，是水中的压力，水中的声速，为水中的流速。进一步地，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：其中，为在x和z方向上的分量，ηT-η0是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，为弹性介质中速度分量，是弹性介质中密度，和是弹性介质中的应力，λ和μ为介质的弹性常数。优选地，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。步骤5)用于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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：给出了适用于非均匀运动水体的一阶应力-速度方程，从而可以综合考虑水体中密度、流速和声速等因素对地震波传播的影响；采用交错网格有限差分格式，以保证计算的精度；给出的PML边界条件，保证了边界反射比水体中的反射波小一个数量级，这样可以使我们更清楚地观察海水对地震波的反射作用，并精确计算非均匀运动水体对接收的地震数据的影响，以提高地震数据质量。附图说明图1是依据本专利技术的地球物理模型示意图；图2(a)-图2(b)分别是含有中尺度涡的水中声速(a)和流速(b)分布示意图；图3是计算模型示意图；图4(a)-图4(b)分别是水中含中尺度涡时1.67s时刻计算的水平分量(a)和垂直分量(b)的波场快照图；图5(a)-图5(b)分别是水中不含中尺度涡时1.67s时刻计算的水平分量(a)和垂直分量(b)的波场快照图；图6(a)-图6(b)分别是有涡和没有涡时在海底接收到的地震波水平分量(a)和垂直分量(b)的对比图；图7是中尺度涡影响范围内的最小偏移距剖面。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外地，不应当将本专利技术的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。本专利技术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；最后用交错网格有限差分将控制方程和边界条件离散化，计算地震波场和地震记录。本专利技术提供的适用于非均匀运动水体的地震波正演模拟方法，具体内容包括：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。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。步骤2：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：其中，为水中速度分量，是水中密度，是水中的压力，水中的声速，为水中的流速。与目前正演模拟中常用的一阶应力-速度方程相比，上式多了含流速项。之所以写成一阶应力-速度方程的形式，是为了与地层中的弹性波方程相呼应，方便于整体求解。地层中的控制方程仍采用常规的一阶应力-速度方程，为：其中，为弹性介质中速度分量，是弹性介质中密度，和是弹性介质中的应力，λ和μ为介质的弹性常数。步骤3：给出合理的边界条件。海底(液固交界面)的边界条件为：法向位移和法向应力连续。在物理区域四周(上下左右四个面)加入完全匹配边界层(PML)。步骤4：采用交错网格有限差分法将控制方程和边界条件离散化PML边界层中方程的离散化如下：其中ηT-η0是PML边界层厚度，是沿坐标轴进行分裂所得。这样给边界条件是因为水中波阻抗较小，为了观察水中产生的反射波，必须保证边界反射比水中反射小一个数量级。同理可将地层中的控制方程以及地层周围的PML边界层离散化本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；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；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，为水中声波速度水平分量和垂直分量，是水中密度，是水中的压力，水中的声速，为水中的流速；为弹性波横向传播距离，为弹性波纵向传播深度，为弹性波传播时间；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬莉莉，郝天珧，游庆瑜，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11