变热物性地震波传播模拟方法、系统、设备

1.本发明属于地球物理勘探、深水（海洋地质勘察）/深层（陆地地质勘察）油气勘探领域，具体涉及一种变热物性地震波传播模拟方法、系统、设备。


背景技术：

2.我国油气勘探开发逐渐从常规油气资源向深层/深水油气资源发展，深层/深水油气的勘探主要依赖于地球物理技术，而岩石物理研究是油气测井评价和地震预测的基础，虽然我国深层/深水油气勘探取得局部突破，但深层/深水高温高压条件下的岩石物理规律认识并不清楚，高温岩石物理的理论和实验研究才刚刚起步，深层/深水环境下的高温对储层岩石的地球物理响应特征的研究几为空白。对于地下真实的高陡构造，只考虑常温情况，能够利用数值方法模拟弹性波在介质内的波场快照，也能用高精度偏移算法进行成像，恢复其高陡构造形态。但是如果对于一个高陡构造，不同地层的温度不同，这种假设更符合实际地层，弹性波在该介质中的传播过程是怎样，它的波场特征、相速度、走时是怎样；采集的信号是否衰减；利用高精度的偏移算法成像，其界面是否准确；在高温介质中，目前还不清楚，但若想回答以上问题，首先需要研究弹性波在高温介质中的传播规律。基于此，本发明提出了一种变热物性地震波传播模拟方法。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决在高温地层的地下构造成像时，现有技术无法对弹性波在高温介质内的波场快照进行模拟，进而导致地震成像不准确的问题，本发明第一方面，提出了一种变热物性地震波传播模拟方法，该方法包括以下步骤：s100，获取在地震勘探过程中采集的震源参数、变热物性介质参数以及速度模型参数；所述震源参数包括震源类型、震源主频；所述变热物性介质参数包括变热物性介质的密度、热导率、比热、热膨胀系数、参考温度、拉梅常数；所述速度模型参数包括速度模型的大小、网格间距、网格数量、时间步长以及吸收边界厚度；所述变热物性介质为岩石；s200，基于所述变热物性介质参数，通过热介质的热导率、比热随温度变化的线性公式，计算热导率参数随温度变化的快慢程度，即斜率值；s300，利用kirchhoff变换，将随温度变化的热导率和比热引入均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程，构建变热物性热弹性动力学方程；s400，结合所述变热物性热弹性动力学方程，利用伪谱法模拟弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照；s500，基于步骤s400获取的波场快照，结合所述斜率值，通过参考温度的温度增量与预设的变量的换算关系，得到弹性波在变热物性介质中的真实波场快照。
4.在一些优选的实施方式中，热介质的热导率、比热随温度变化的线性公式为：
其中，为参考温度为的温度增量，是随温度变化的热导率，为岩石热导率，为常温下的岩石的热导率，为系数，表示热导率参数随温度变化的快慢程度，是比热，是随温度变化的比热，为热扩散率，为密度。
5.在一些优选的实施方式中，所述均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程为：s热弹性动力学方程为： 其中，为拉普拉斯算子，为驰豫时间，为应力系数，，为热膨胀系数，和合称为拉梅常数，、分别表示、 对时间求一阶导数，、、分别表示 、、对时间求二阶导数，和 表示位移， 代表x方向的位移，代表方向的位移，右下角标或者表示对x方向或者z方向求一阶导数，右下角标 或者表示对x方向或者z方向求二阶导。
6.在一些优选的实施方式中，变量为：。
7.在一些优选的实施方式中，所述变热物性的热弹性动力学方程为：所述变热物性的热弹性动力学方程为：其中，表示对时间求一阶导数，为对位移求二阶导数，，分别表示对x方向或者z方向求二阶导数，表示对时间求导数，为参考温度。
8.在一些优选的实施方式中，结合所述变热物性热弹性动力学方程，利用伪谱法模拟弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照，其方法为：将所述变热物性的热弹性动力学方程按照速度-应力速度格式展开，空间导数采用傅里叶变换，时间导数采用中心差分，利用伪谱法模拟弹性波在每一个时间点和每一个位置的振幅值，即弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照。
9.在一些优选的实施方式中，所述参考温度的温度增量t与变量
ϑ
的换算关系为：。
10.本发明的第二方面，提出了一种变热物性地震波传播模拟系统，该系统包括：参数获取模块、斜率值计算模块、方程构建模块、伪谱法模拟模块、真实波场快照获取模块；所述参数获取模块，配置为获取在地震勘探过程中采集的震源参数、变热物性介质参数以及速度模型参数；所述震源参数包括震源类型、震源主频；所述变热物性介质参数包括变热物性介质的密度、热导率、比热、热膨胀系数、参考温度、拉梅常数；所述速度模型参数包括速度模型的大小、网格间距、网格数量、时间步长以及吸收边界厚度；所述变热物性介质为岩石；所述斜率值计算模块，配置为基于所述变热物性介质参数，通过热介质的热导率、比热随温度变化的线性公式，计算热导率参数随温度变化的快慢程度，即斜率值；所述方程构建模块，配置为利用kirchhoff变换，将随温度变化的热导率和比热引入均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程，构建变热物性热弹性动力学方程；所述伪谱法模拟模块，配置为结合所述变热物性热弹性动力学方程，利用伪谱法模拟弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照；所述真实波场快照获取模块，配置为基于伪谱法模拟模块获取的波场快照，结合所述斜率值，通过参考温度的温度增量与预设的变量的换算关系，得到弹性波在变热物性介质中的真实波场快照。
11.本发明的第三方面，提出了一种设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的变热物性地震波传播模拟方法。
12.本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的变热物性地震波传播模拟方法。
13.本发明的有益效果：本发明完成了弹性波在不同地层温度介质内的波场快照模拟，进而提升地震成像质量。
14.1）本发明建立耦合温度场和位移场的热弹性动力学方程，研究高温地层介质条件下弹性波的波场特征，实现了在不同地层温度介质内的波场快照模拟；2）本发明通过精度高的伪谱法模拟弹性波在热物性参数随温度变化的介质中的波场快照，使得模拟的波场快照结果可信度高；3）本发明考虑了热导率和比热随温度变化的情况，与真实地层中的热物性参数随温度变化的规律相符合，更加真实的反映地下弹性波在地层传播的特征，并提升了地震成像质量，使得本发明可以广泛应用于深层/深水环境下的陆地/海洋地质勘查业相关的地球物理领域。
附图说明
15.通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本技术的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
16.图1是本发明一种实施例的变热物性地震波传播模拟方法的流程示意图；
图2是本发明一种实施例的变热物性地震波传播模拟系统的框架示意图；图3是本发明一种实施例的变热物性地震波传播模拟方法的简略示意图；图4是本发明一种实施例的各类岩石的热导率随温度变化的曲线的示意图；图5是本发明一种实施例的未考虑热物性参数变化的热波波场模拟快照的示意图；图6是本发明一种实施例的考虑热物性参数变化的热波波场快照的示意图；图7是本发明一种实施例的在未考虑变热物性的道集设定位置提取的曲线特征的示意图；图8是本发明一种实施例的在考虑变热物性的道集设定位置提取的曲线特征的示意图；图9是本发明一种实施例的适于用来实现本技术实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
18.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.本发明的一种变热物性地震波传播模拟方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：s100，获取在地震勘探过程中采集的震源参数、变热物性介质参数以及速度模型参数；所述震源参数包括震源类型、震源主频；所述变热物性介质参数包括变热物性介质的密度、热导率、比热、热膨胀系数、参考温度、拉梅常数；所述速度模型参数包括速度模型的大小、网格间距、网格数量、时间步长以及吸收边界厚度；所述变热物性介质为岩石；s200，基于所述变热物性介质参数，通过热介质的热导率、比热随温度变化的线性公式，计算热导率参数随温度变化的快慢程度，即斜率值；s300，利用kirchhoff变换，将随温度变化的热导率和比热引入均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程，构建变热物性热弹性动力学方程；s400，结合所述变热物性热弹性动力学方程，利用伪谱法模拟弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照；s500，基于步骤s400获取的波场快照，结合所述斜率值，通过参考温度的温度增量与预设的变量的换算关系，得到弹性波在变热物性介质中的真实波场快照。
21.为了更清晰地对本发明变热物性地震波传播模拟方法进行说明，下面结合附图3对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
22.本发明提出一种新的变热物性地震波传播模拟技术，首先建立了热弹性动力学方
程，在此基础上，考虑了真实情况下岩石的比热和热导率随温度发生变化的情况，将两种变量（比热和热导率）引入 ，利用伪谱法模拟变热物性介质中地震波传播过程。对比考虑和未考虑热导率和比热性质随温度变化的波场快照，从而说明实际模拟过程中考虑热导率和比热性质随温度变化是非常有必要的。具体过程如下：s100，获取在地震勘探过程中采集的震源参数、变热物性介质参数以及速度模型参数；所述震源参数包括震源类型、震源主频；所述变热物性介质参数包括变热物性介质的密度、热导率、比热、热膨胀系数、参考温度、拉梅常数；所述速度模型参数包括速度模型的大小、网格间距、网格数量、时间步长以及吸收边界厚度；所述变热物性介质为岩石；在本实施例中，首先获取震源参数、变热物性介质参数以及速度模型参数。为了更好区分，将震源参数、变热物性介质参数作为方程参数，将速度模型参数作为模型参数。
23.其中，在本发明中，震源类型、震源主频优选设置为子波为主频3.5 mhz的雷克子波，密度优选设置为2600 kg/m3，热导率优选设置为2 wm-1
k-1
、比热优选设置为104 m/(s2°
k)，即本发明优选的变热物性介质为石榴斜长角闪岩、热膨胀系数优选设置为4.09
×
10-6 k-1
、参考温度优选设置为298k、拉梅常数优选设置为λ = 4.0
×
10
9 pa和μ = 6.0
×
10
9 pa，横向和纵向网格间距优选设置为100 μm，网格数量优选设置为231个网格，时间步长优选设置为100 μm、吸收边界厚度优选设置为20个网格。
24.s200，基于所述变热物性介质参数，通过热介质的热导率和比热随温度变化的线性公式，计算热导率参数随温度变化的快慢程度，即斜率值；在本实施例中，通过热介质的热导率、比热随温度变化的线性公式，计算热导率参数随温度变化的快慢程度，即斜率值，具体如同时（1）（2）所示：
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（1）（2）其中，为参考温度的温度增量，是随温度变化的热导率，为岩石热导率，为常温下的岩石的热导率，为系数，表示热导率参数随温度变化的快慢程度，是比热，是随温度变化的比热，为热扩散率，为密度。
25.其中，各类岩石（即热介质）的热导率随温度变化的曲线，如图4所示。
26.s300，利用kirchhoff变换，将随温度变化的热导率和比热引入均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程，构建变热物性热弹性动力学方程；在本实施例中，均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程（即热弹性波动方程和热传导方程）为：
ꢀꢀꢀꢀ
（3）
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（4）其中，为拉普拉斯算子，为驰豫时间，为应力系数，，为热膨胀
系数，和合称为拉梅常数，、 分别表示、 对时间求一阶导数，、、分别表示、、对时间求二阶导数，和 表示位移，，， 代表x方向的位移，代表方向的位移，右下角标或者表示对x方向或者z方向求一阶导数，右下角标或者表示对x方向或者z方向求二阶导。以上方程满足爱因斯坦求和公式。
27.利用kirchhoff变换公式，引入变量：
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（5）进而导出变热物性的热弹性动力学方程，如公式（6）（7）：
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（6）
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（7）其中，表示对时间求一阶导数，为对位移求二阶导数，，分别表示对x方向或者z方向求二阶导数，表示对时间求导数，为参考温度。
28.s400，结合所述变热物性热弹性动力学方程，利用伪谱法模拟弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照；在本实施中，具体来说，将上述的变热物性热弹性动力学方程按照速度-应力速度格式展开，空间导数采用傅里叶变换，时间导数利用中心差分，利用伪谱法可以模拟弹性波在每一个时间点和每一个位置的振幅值，即弹性波在介质中的波场快照。
29.其中，在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照，即未考虑变热物性参数变化的热波波场模拟快照，如图5所示。
30.s500，基于步骤s400获取的波场快照，结合所述斜率值，通过参考温度的温度增量与预设的变量的换算关系，得到弹性波在变热物性介质中的真实波场快照。
31.在本实施例中，参考温度的温度增量与变量的换算关系为：
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（8）得到的弹性波在变热物性介质中的真实波场快照，即考虑热物性参数随温度变化的热波波场快照，如图6所示。
32.基于得到的弹性波在变热物性介质中的真实波场快照，可以进一步进行地震成像，实现高效率、高质量的地质勘探。基于波场快照进行地震成像，属于现有技术，此处不再一一阐述。
33.另外，为了说明实际模拟过程中考虑热导率和比热性质随温度变化是非常有必要的，本发明将考虑和未考虑热导率和比热性质随温度变化的波场快照进行了对比，即分别提取变热物性和未变热物性的一个道集（即设定位置提取的道集），对比考虑热物性随温度变化前后的曲线特征，对比结果如图7、8所示。
34.本发明第二实施例的一种变热物性地震波传播模拟系统，如图2所示，具体包括以下模块：参数获取模块100、斜率值计算模块200、方程构建模块300、伪谱法模拟模块400、真实波场快照获取模块500；所述参数获取模块100，配置为获取在地震勘探过程中采集的震源参数、变热物性介质参数以及速度模型参数；所述震源参数包括震源类型、震源主频；所述变热物性介质参数包括变热物性介质的密度、热导率、比热、热膨胀系数、参考温度、拉梅常数；所述速度模型参数包括速度模型的大小、网格间距、网格数量、时间步长以及吸收边界厚度；所述变热物性介质为岩石；所述斜率值计算模块200，配置为基于所述变热物性介质参数，通过热介质的热导率、比热随温度变化的线性公式，计算热导率参数随温度变化的快慢程度，即斜率值；所述方程构建模块300，配置为利用kirchhoff变换，将随温度变化的热导率和比热引入均匀各向同性的l-s热弹性动力学方程，构建变热物性热弹性动力学方程；所述伪谱法模拟模块400，配置为结合所述变热物性热弹性动力学方程，利用伪谱法模拟弹性波在热物性参数不随温度变化的介质中的波场快照；所述真实波场快照获取模块500，配置为基于伪谱法模拟模块400获取的波场快照，结合所述斜率值，通过参考温度的温度增量与预设的变量的换算关系，得到弹性波在变热物性介质中的真实波场快照。
35.所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
36.需要说明的是，上述实施例提供的变热物性地震波传播模拟系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
37.本发明第三实施例的一种设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的变热物性地震波传播模拟方法。
38.本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的变热物性地震波传播模拟方法。
39.所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，未描述的方便和简洁，上述描述的设备、计算机可读存储介质的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
40.下面参考图9，其示出了适于用来实现本技术方法、系统、装置实施例的服务器的
计算机系统的结构示意图。图9示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本技术实施例的功能和使用范围带来任何限制。
41.如图9所示，计算机系统包括中央处理单元(cpu，central processing unit)901，其可以根据存储在只读存储器(rom，read only memory)902中的程序或者从存储部分908加载到随机访问存储器(ram，random access memory)903中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram903 中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。cpu 901、rom 902以及ram 903通过总线904彼此相连。输入/输出(i/o，input/output)接口905也连接至总线904。
42.以下部件连接至i/o接口905：包括键盘、鼠标等的输入部分906；包括诸如阴极射线管(crt，cathode ray tube)、液晶显示器(lcd，liquid crystal display)等以及扬声器等的输出部分907；包括硬盘等的存储部分908；以及包括诸如lan(局域网，local area network)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分909。通信部分909经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器910也根据需要连接至i/o接口905。可拆卸介质911，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器910上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分908。
43.特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分909从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质911被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)901执行时，执行本技术的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本技术上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本技术中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
44.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。
在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
45.附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
46.术语“第一”、
ꢀ“
第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
47.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
48.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。