我国的常规油气藏开采已接近尾声,开发的重点将转向非常规致密油气藏。地震波探测是进行油气探测最有效的方法之一。波场数值模拟技术是地震波探测的重要基础,也是认识储层地震波响应的关键工具,更是地震资料解释中参数反演和成像的前提条件。目前的数值模拟方法主要针对声学、弹性、粘弹性等简单的单相介质的波动方程,但是这些介质理论不能描述真实的地质特征,特别是不能准确描述非常规致密油气藏的储层特征。孔隙弹性介质理论是现有的可准确描述真实油气藏物性特征的理论之一。因此开展基于孔隙弹性介质波动方程的波场数值模拟方法研究,具有重要的理论意义和应用价值。本论文基于经典的孔隙弹性介质理论——Biot理论,针对数值模拟方法的计算精度、运行效率等问题开展以下几部分研究,为非常规致密油气藏的正演模拟提供理论基础和技术支持。 (1)油气藏储层是固体骨架与气体、液体相互耦合的介质,因此一般的声学、弹性或粘弹性介质理论不能准确地描述储层特性。孔隙弹性介质理论考虑了固体与气体、液体相互耦合的特性,该理论可有效描述储层特征。本文从连续介质理论出发,详细推导了基于Biot理论的孔隙弹性介质波动方程及其频散关系、数值频散关系与稳定性条件,并采用交错网格有限差分方法对均匀孔隙弹性介质进行数值模拟。给出了不同的震源激励情况下,其对应的波场响应;相同的震源激励情况下,波动方程中各分量的波场响应。并分析了弹性与孔隙弹性介质波场响应的区别,指出孔隙弹性介质数值模拟的难点所在。(2)相对于声学、弹性介质,孔隙弹性介质的波动方程更加复杂。因此孔隙弹性介质的数值模拟将耗费大量的运行时间,使得方法的运行效率大大降低。针对此问题,本文旨在提高基于孔隙弹性介质的有限差分方法的运行效率,提出了变差分阶数有限差分方法。对于不同的速度,依据一定的准则求得相应的差分阶数。从而对于非均匀介质模型,其不同速度区域采用不同的差分阶数。当与采用模型中最大的差分阶数进行数值模拟的结果对比时,该方法可达到与其相同的准确性,然而其运行时间可有效缩短。接着,给出了变差分阶数有限差分方法的有效性与模型特征之间的关系。此外,当差分阶数较大时,采用以往的矩阵求逆方法求取有限差分系数时,会产生不稳定现象。本文提出了利用范德蒙矩阵的方法求取差分系数,可有效地克服该问题。(3)采用有限差分方法对波动方程进行数值模拟时,相当于波在离散化后的网格上以差分格式进行传播,这将直接导致各个频率成分的传播速度不同,即出现数值频散现象。一般采用缩小空间网格或提高差分阶数的方法来抑制数值频散问题,但这会加大运算量。本文提出了适用于孔隙弹性介质的时间空间域有限差分方法,其在不增加运算量的前提下可有效抑制数值模拟过程中的数值频散问题。该方法从孔隙弹性介质中慢P波的数值频散关系出发,在时间空间域求取有限差分方法的差分系数,可有效抑制慢P波的数值频散现象。然而,该方法对快P波和S的数值频散的抑制效果并不理想。为此,本文进一步讨论了时间空间域有限差分方法。首先对比了不同的震源空间函数,对孔隙弹性介质中快P波和慢P波数值频散问题的影响。接着分别采用快P波、慢P波及S波的数值频散关系设计时间空间域有限差分方法的差分系数。由于时间空间域有限差分方法将时空域进行耦合,并与速度息息相关,因此很难做到同时抑制三种波的数值频散问题。所以,可依据不同的实际问题,选取相应波的数值频散关系来设计有限差分方法的差分系数。(4)由于油气储藏存在于三维空间,并且其横向和纵向都有非均匀性。因此必须开展三维数值模拟方法的研究。此外,三维实际地球物理模型尺寸庞大,单机无法运行;并且三维孔隙弹性介质的波动方程非常复杂。所以开展并行算法的研究,是实现三维复杂介质数值模拟的有效途径。本文提出了基于集群和消息传递接口(MPI)的并行化算法,实现了三维孔隙弹性介质的波场模拟。首先,推导了三维孔隙弹性介质波动方程的数值频散关系以及稳定性条件,并分析了数值频散特性。接着,通过三维均匀介质的波场快照,可分析得出孔隙弹性介质中三种波——快P波、S波和慢P波在三维空间的波前面特征。此外,给出了三种不同震源——胀缩源、剪切源及方向力源的表示方法和波场特征。最后,三维层状介质的数值模拟结果证明了本方法的正确性。(5)数值模拟技术的目标是为实际地下结构及储层特征的预测提供数据支持。本章将论文提出的有限差分方法应用于实际模型的数值模拟中,包括二维实际模型:长庆油田苏156目标区、北部沙漠区、致密砂岩含气储层地质模型;以及三维标准模型:盐丘模型和逆掩推覆模型。数值模拟的结果证明了文中的数值模拟方法可适用于构造复杂、尺寸庞大的实际模型,并且其计算精度也可满足要求。此外,致密砂岩含气储层地质模型的数值模拟结果经过分角度叠加及属性处理,其结果可准确地指示出含气储层的位置及空间展布,进一步说明了本文方法的正确性和有效性。