工程井间地震波正演模拟及层析成像技术研究

论文摘要

井间地震由于具有多波接收、高精度、高分辨率、能量传播距离短、接近探测目标、避开低速带等一系列优点,在工程中得到了越来越广泛的应用。但是由于井间地震波的多样性和复杂性,为了更有效了解不同波场分量在均匀半空间的分布情况,分析井间波场中的反射、透射、绕射、散射以及能量的衰减等运动学和动力学的各种细节特征,更好地指导地质解释,本论文开展了基于典型工程地质模型的井间地震波的交错网格正演模拟;并在作者多年从事水利水电工程地震层析成像技术研究和应用的基础上,总结了工程应用中的一些重要技术措施,可为工程井间地震层析成像技术的推广应用,提供了科学依据,具有指导意义。本论文就工程井间地震波正演和层析成像技术两大内容,开展了以下工作:（1）在水利水电工程勘察中进行井间地震层析成像时,不同于油气田的井间地震勘探,其井深度较小,大多在100米深度内,当震源、检波器接近地表或井中水位面顶部时,地表面和井中水位面的影响不可忽略。为此,作者在本文中,结合水利水电工程的特点,建立了包含地表和井水位面的井间地震模型,并对其进行了正演模拟,得到了模拟的井间地震记录和水平粒子分量波场快照。（2）作者系统地总结了前人的研究成果及当前主要的地震波场正演算法的基础上,推导了二、三维的一阶速度-应力弹性波方程及其任意阶时间和空间精度的交错网格差分格式。在正演计算过程中,为节约内存空间和模拟计算时间,作者采用了非规则的可变有限差分网格和变化的时间步长理论,在保证计算精度的前提下,较大地提高了计算速度。（3）详细地探讨了交错网格差分法正演计算时的稳定性条件,得出了偶阶精度差分的时间和空间采样步长须满足的稳定性条件;分析了地震波数值频散产生的原因,阐述了通量校正传输（FCT）和提高差分精度两种频散压制方法;归纳了几种经典吸收边界条件的分类方法及这些吸收边界条件的优缺点,着重介绍了完全匹配层（PML）吸收边界条件,并导出了二、三维各向同性介质一阶应力-速度弹性波方程的相应的PML边界条件的差分格式,为跨孔地震波场的差分法正演模拟及其相应的程序编制打下基础。（4）结合Visual C++可视化程序设计语言,编制了井间交错网格的差分法地震波正演程序,把该自制程序应用于典型工程地质模型的正演计算中,得到了相应模型的波场快照和地震记录,记录中可以清晰观测到初至波、反射波、透射波及多次波的运动学和动力学特征。通过分析这些正演记录和波场快照,可更深刻地理解地震波场的传播规律,可加深对井间地震波场快照的认识,提高井间地震资料处理的解释精度。此外,对不同力源（水平方向单力源与水平方向力偶源）在快、慢地层产生的地震波,进行了全波场正演模拟,得到了压力、水平应力、水平粒子速度、垂直粒子速度的地震记录及波场快照,通过这些跨孔地震全波场的模拟,可全面把握不同场源、不同粒子速度的特征。（5）详细分析了走时（速度）层析成像技术的原理,总结了不同层析成像射线追踪技术的优缺点,并应用ART算法和SIRT通过对数字化模型分别进行重构,比较了两种算法的优劣。在此基础上编制了层析成像正反演处理系统软件,通过对四侧和两侧观测系统下的正方形缺陷模型和十字裂隙模型进行正演模拟和反演成像,深入地研究了观测系统对成像精度的影响。综合利用地质地球物理资料、速度测井、孔内摄像和地震记录,提出了建立初始速度模型和反演边界约束条件的综合方法,耿得了更准确和清晰的反演成像效果。然后,深入探讨了地震波吸收层析成像的机理,得知地震吸收层析成像方法,它可为地震波速层析成像提供有益补充。针对这两种层析成像技术的优缺点,提出了利用多参数（波速、吸收系数）综合地震层析成像的想法,使波速层析成像与吸收层析成像两者能相互印证、互为补充。作者把它们应用于工程实践中,有效地提高地震层析成像技术在工程应用中的解释精度,为地质解释与工程诊断提供更充分的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工程井间地震正演技术研究的目的及意义
• 1.2 井间地震正演模拟研究现状及特点
• 1.3 层析成像技术研究现状
• 1.4 论文结构及主要工作
• 第二章 井间地震波波动方程推导及交错网格求解
• 2.1 弹性介质中的波动方程
• 2.1.1 应力
• 2.1.2 应变
• 2.1.3 弹性波的运动平衡微分方程
• 2.1.4 应力与应变的关系
• 2.2 弹性各向同性介质中的波动方程
• 2.3 弹性各向异性介质中的波动方程
• 2.4 一阶速度-应力弹性波方程
• 2.5 时间-空间偶数阶差分近似格式的推导
• 2.5.1 时间上的2M阶差分近似格式
• 2.5.2 空间导数的2N阶差分近似格式
• 2.6 一阶速度-应力弹性波二维差分格式推导
• 2.7 非规则可变有限差分网格
• 2.8 变化的时间步长理论
• 2.9 震源函数
• 2.10 本章小节
• 第三章 稳定性分析及初边界条件
• 3.1 差分方程的稳定性分析
• 3.1.1 一阶弹性波方程交错网格高阶差分形式
• 3.1.2 稳定性分析方法
• 3.1.3 二维各向同性介质高阶差分方程的稳定性条件
• 3.2 数值频散分析
• 3.2.1 频散压制
• 3.2.1.1 通量校正传输方法（FCT）
• 3.2.1.2 提高差分精度
• 3.3 波动方程有限差分解的初始值
• 3.4 自由边界条件及其近似表示
• 3.5 吸收边界条件（Absorbing boundary conditions,ABC）
• 3.6 PML法吸收边界条件的基本原理
• 3.6.1 三维各向同性弹性介质中PML吸收边界条件
• 3.6.2 二维各向同性弹性介质中PML吸收边界条件
• 3.7 本章小结
• 第四章 典型工程地质模型的井间地震波场正演
• 4.1 均匀半空间模型
• 4.2 均匀半空间含孔模型
• 4.3 粘弹性半空间跨孔模型
• 4.4 水平层状模型
• 4.5 倾斜层状模型
• 4.6 断层模型
• 4.7 均匀介质快地层跨孔纪录
• 4.7.1 水平方向单力源
• 4.7.2 水平方向力偶源
• 4.8 均匀介质慢地层水平方向力偶源跨孔纪录
• 4.9 本章小结
• 第五章 工程井间地震波层析成像技术研究
• 5.1 波速层析成像的概况
• 5.2 波速层析成像基本原理
• 5.2.1 波速层析成像物理基础
• 5.2.2 波速层析成像数学基础
• 5.3 层析成像射线追踪技术
• 5.3.1 直射线追踪技术
• 5.3.2 扫描打靶射线追踪技术
• 5.3.3 最小走时射线追踪技术
• 5.3.4 平方射线慢度追踪技术
• 5.4 算法原理及实现
• 5.4.1 直射线实现方法
• 5.4.2 弯曲射线实现方法
• 5.5 工程井间地震波层析成像工作方法研究
• 5.5.1 井间地震波层析成像观测系统设计
• 5.5.2 井间地震波图像重建算法比较
• 5.5.3 初始速度模型的建立
• 5.5.4 工程井间地震波层析成像资料解释
• 5.6 工程井间地震波层析成像测试技术措施
• 5.6.1 确保工作顺利开展的技术措施
• 5.6.2 提高原始记录品质的技术措施
• 5.6.3 提高成果精度的技术措施
• 5.7 吸收层析成像技术
• 5.7.1 岩石对地震波的吸收特性
• 5.7.2 地震吸收层析成像原理
• 5.7.3 地震吸收层析成像与波速层析成像综合应用
• 5.8 井间地震波层析成像工程实践
• 2类岩体固结灌浆工程'>5.8.1 向家坝水电站Ⅲ₂类岩体固结灌浆工程
• 5.8.2 广州地铁二号线北延段三元里～远景段工程
• 5.8.3 其它工程项目
• 5.9 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 论文的特色及创新点
• 6.2 后续的研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果