一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法，首先构建地质模型，基于各种震源加载方式的解析表达式，根据实际应用场景选择震源加载方式，再选择震源函数，将震源函数校正后加入地震波场正演模拟中，通过地震波场正演得到的接收记录来验证效果

【技术实现步骤摘要】
一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法


[0001]本专利技术属于地震勘探
，具体涉及一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法
。

技术介绍

[0002]地震波在地下介质传播的过程，不仅携带了地层介质的信息，还会携带震源的信息，地震波场正演中，震源数值模拟具有举足轻重的作用
。
震源数值模拟，即采用一定的方法模拟出准确的震源，目的是产生准确的震源从而模拟出实际的地震波场，为实际地震勘探提供参考
。
震源数值模拟的效果好坏主要体现震源加载方式和震源函数的选取，不同的震源加载方式会产生不同偏振方向的波
(
如纵波
、
横波
)
，不同的震源函数会使质点振动产生不同的波形
。
[0003]震源加载方式的好坏直接影响地震波场正演模拟的效果和正确性
。
有限差分波场正演技术以计算效率高
、
易于实现等优点，在地震波场正演中被广泛研究与应用
。
震源加载的实现就是在有限差分波场正演过程中在差分网格的某些点上以及在递推时间步的某些步上给出震源函数值来加载震源
。
在弹性波有限差分波场正演中，震源的加载方式根据加载的物理量分为应力加载
、
速度加载，即在一些特定的点上施加应力增量或在一些特定的点上施加速度增量，根据质点所受到的作用效果又可分为纵波震源
、
横波震源
、
方向震源等
。
文献“董清华r/>.
震源数值模拟
.
世界地震工程，
2000(03)
：
27
‑
32.”采用傅氏变换法推导了胀缩源
、
剪切源
、
方向力源的加载公式，文献“陈可洋
.
高精度地震纯波震源数值模拟
.
岩性油气藏，
2012
，
24(01)
：
84
‑
91.”提出高阶高精度纯纵波震源和纯横波震源的网格配置方法，文献“全红娟，朱光明，潘渊等
.
勘探地震物理震源模拟分析
.
物探与化探，
2017
，
41(02)
：
341
‑
346.”根据亥姆霍兹定理推导了压力源
、
剪切源
、
方向力源的加载公式，并对其物理机制进行了分析
。
前人对各种震源加载方式缺乏统一的解析表达式，难以指导实际应用中的震源加载，使得地震波场正演结果往往不够精确
。
[0004]震源函数常用雷克子波
(Ricker
子波
)
，数值模拟结果表明，震源子波随着传播距离的增加，波的振幅变小，形状也不再为
Ricker
子波的形态，发生了畸变，导致波场正演得到的波形与期望波形不一致
。
在实际的地震资料处理过程，通常利用地震道零相位化技术将地震记录中的非零相位子波转换为零相位子波，使得地震子波幅值增大且能够更准确地对应地层界面，可实现地震道的分辨率提高
。
在不考虑吸收衰减的情况，实际地震道零相位化处理后的地震记录近似可看作
Ricker
子波与地层反射系数褶积运算的结果，因此现有直接加载
Ricker
子波为震源函数的波场正演方式获得地震波场中的子波难以与实际地震资料中子波保持一致，难以指导实际地震资料的储层
、
流体识别等工作
。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法，构建了各种震源加载方式的解析表达式和震源校正公式，可以根据实际的应用场景选
择合适的加载方式，并将震源函数经过校正后加入地震波场正演过程中，从而实现对弹性地震波场的准确正演模拟
。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法，具体步骤如下：
[0007]S1、
构建地质模型；
[0008]根据所要解决的实际问题建立地质模型，设置模型的纵波速度
、
横波速度
、
密度
、x
轴方向网格点数量
、y
轴方向网格点数量
、z
轴方向网格点数量
、x
轴方向采样间隔
、y
轴方向采样间隔
、z
轴方向采样间隔
。
[0009]S2、
选择震源加载方式；
[0010]震源加载方式包括使用应力方式或者速度方式加载出需要的纵波震源
、
横波震源或者方向震源，根据实际应用场景选择一种进行加载
。
[0011]S3、
选择震源函数；
[0012]震源函数
s(t)
使用
Ricker
子波，设置子波的主频
、
持续时间
、
时间采样间隔
。
[0013]S4、
震源校正；
[0014]根据步骤
S3
选择的震源函数
s(t)
，采用震源校正公式对震源函数进行校正，通过校正后的震源函数
f
校正
(t)
，得到校正后的震源子波，按照原始震源函数设置的持续时间
、
时间采样间隔加入地震波场正演过程
。
[0015]S5、
地震波场正演；
[0016]采用弹性波一阶速度
‑
应力方程交错网格有限差分法进行地震波场正演模拟，在地震波场正演过程按照步骤
S2
选择的震源加载方式使用校正后的震源子波逐时间点加入震源，通过地震波场正演得到的接收记录来验证效果
。
[0017]进一步地，所述步骤
S2
中，震源加载方式具体如下：
[0018]1)
应力方式加载的纵波震源；
[0019]基于亥姆赫兹定理，矢量场分解为标量位的梯度与矢量位的旋度之和，则外力
f
写为标量位
Φ
的梯度与矢量位
Ψ
的旋度之和：
[0020][0021]其中，
f
P
表示纵向外力分量，
f
S
表示切向外力分量，表示哈密顿算子
。
[0022]当加载的震源为纯纵波震源时，外力
f
可写为：
[0023][0024]其中，
x,y,z
表示坐标系的三个轴方向，
e
x
表示
x
轴方向的单位方向矢量，
e
y
表示
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法，具体步骤如下：
S1、
构建地质模型；根据所要解决的实际问题建立地质模型，设置模型的纵波速度
、
横波速度
、
密度
、x
轴方向网格点数量
、y
轴方向网格点数量
、z
轴方向网格点数量
、x
轴方向采样间隔
、y
轴方向采样间隔
、z
轴方向采样间隔；
S2、
选择震源加载方式；震源加载方式包括使用应力方式或者速度方式加载出需要的纵波震源
、
横波震源或者方向震源，根据实际应用场景选择一种进行加载；
S3、
选择震源函数；震源函数
s(t)
使用
Ricker
子波，设置子波的主频
、
持续时间
、
时间采样间隔；
S4、
震源校正；根据步骤
S3
选择的震源函数
s(t)
，采用震源校正公式对震源函数进行校正，通过校正后的震源函数
f
校正
(t)
，得到校正后的震源子波，按照原始震源函数设置的持续时间
、
时间采样间隔加入地震波场正演过程；
S5、
地震波场正演；采用弹性波一阶速度
‑
应力方程交错网格有限差分法进行地震波场正演模拟，在地震波场正演过程按照步骤
S2
选择的震源加载方式使用校正后的震源子波逐时间点加入震源，通过地震波场正演得到的接收记录来验证效果
。2.
根据权利要求1所述的一种适合弹性波场正演的震源数值模拟方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，震源加载方式具体如下：
1)
应力方式加载的纵波震源；基于亥姆赫兹定理，矢量场分解为标量位的梯度与矢量位的旋度之和，则外力
f
写为标量位
Φ
的梯度与矢量位
Ψ
的旋度之和：其中，
f
P
表示纵向外力分量，
f
S
表示切向外力分量，表示哈密顿算子；当加载的震源为纯纵波震源时，外力
f
可写为：其中，
x,y,z
表示坐标系的三个轴方向，
e
x
表示
x
轴方向的单位方向矢量，
e
y
表示
y
轴方向的单位方向矢量，
e
z
表示
z
轴方向的单位方向矢量；弹性波方程的一阶速度
‑
应力方程组写为：
其中，
v
x
、v
y
、v
z
表示不同方向的速度分量，
σ
ii
(i
＝
x,y,z)
表示正应力，
τ
ij
(i,j
＝
x,y,z)
表示切应力，
f
i
(i
＝
x,y,z)
表示外力分量，
λ
、
μ
表示拉梅常数，
ρ
表示地质模型的密度，
t
表示时间；将式
(2)
代入式
(3)
可得应力加载纵波震源的解析表达式为：设震源点处的空间坐标为
(x0,y0,z0)
，在纵波震源中，
f
x
、f
y
、f
z
的作用效果导致在介质在
(x0+0
+
,y0,z0)、(x0,y0+0
+
,z0)、(x0,y0,z0+0
+
)
处产生坐标轴正向的合力
、
在
(x0+0
‑
,y0,z0)、(x0,y0+0
‑
,z0)、(x0,y0,z0+0
‑
)
处产生坐标轴负向的合力；当
x
轴方向采样间隔为
Δ
x、y
轴方向采样间隔为
Δ
y、z
轴方向采样间隔为
Δ
z
时，由于在处质点所受合力为则处合力的方向与震源处的应力大小为负相关关系；同理可得处合力的方向与震源处的应力大小为正相关关系；根据分析结果，得到满足条件的外力分量表达式为：其中，
δ
(
·
)
表示冲激函数；则可推导得出标量位
Φ
的表达式为：
Φ
＝
‑
s(t)
δ
(x
‑
x0)
δ
(y
‑
y0)
δ
(z
‑
z0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
其中，
s(t)
表示震源函数；
2)
速度方式加载的纵波震源；将式
(3)
的速度分量时间偏导项进行离散可将速度方程简化为：其中，
Δ
t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡涵鹏，黄建强，杨军辉，张力予，张志伟，马菀荻，王峣钧，胡光岷，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：