地学数值模拟技术(1)
数字技术在地质勘探空间信息处理中的应用案例
数字技术在地质勘探空间信息处理中的应用案例地质勘探一直是石油、矿产等资源行业的重要环节，而数字技术的快速发展和普及为地质勘探带来了巨大的变革。
数字技术在地质勘探中的应用为空间信息处理提供了高效准确的解决方案。
本文将以几个具体案例为例，探讨数字技术在地质勘探空间信息处理中的应用。
一、地震勘探中的数字技术应用地震勘探是地质勘探中常用的一种方法，通过记录并分析地壳中产生的地震波，获取地下结构的信息。
在过去，地震勘探主要依靠人工解读数据，效率低下且容易出错。
随着数字技术的发展，人们可以利用计算机算法和模型来处理地震数据，大大提高了勘探的效率和准确性。
比如，在地震数据处理中，使用数字滤波技术可以有效地去除背景噪声，突出地下结构的细节。
同时，数字技术还可以通过反演算法，将地震数据转换成可视化的地下模型，帮助地质学家更好地理解地下结构，为勘探决策提供可靠的依据。
二、地形测量中的数字技术应用地形测量是地质勘探的另一个关键环节，通过测量地表的起伏和形状，可以确定地质构造和沉积环境等重要信息。
数字技术在地形测量中的应用使得数据的获取和处理更加便捷和准确。
激光雷达技术（LiDAR）是地形测量常用的数字技术之一。
利用激光雷达仪器对地表进行扫描，可以高精度地获取地表的数据。
获取到的数据可以通过数字海拔模型（DEM）进行处理和分析，快速生成地形图、坡度图、等高线等多种地表表示方式，为地质勘探提供宝贵的信息。
三、地质模拟中的数字技术应用在地质勘探中，地质模拟是一种重要的辅助工具。
通过数字技术，地质模拟可以更真实、更复杂地还原地下地质结构和过程，帮助地质学家更好地理解地质演化和资源形成。
数值模拟技术是地质模拟的一种重要方法。
利用计算机进行数值模拟可以模拟地震、地壳运动、岩石变形、沉积过程等多种地质现象，生成准确的地质模型。
这些模型可以用于预测资源分布、评估地质灾害风险等，为勘探工作提供指导和支持。
四、地质数据库中的数字技术应用地质数据库是地质勘探中重要的数据存储和管理平台。
姚姚-地震数值模拟
（四）地震数值模拟的发展
最简单的地震数值模拟就是一维合成地震 记录形成。它是利用声测井资料得到反射系数 序列，然后与不同的地震子波进行褶积计算得 到各种一维合成地震记录。其目的主要是要进 行波阻抗反演。
后来发展了射线追踪方法，然后又发展波 动方程数值模拟方法。
目前，全三维弹性波波动方程数值模拟已 经步入了实用阶段，考虑更为复杂介质情况的 全三维波动方程数值模拟也有可能了。
逆断层射线追踪数值模拟一炮的射线路径图 正断层射线追踪数值模拟一炮的射线路径图
（一）射线追踪数值模拟的发展与应用
传统射线追踪数值模拟主要是使用两点射线追踪 的试射法和弯曲法。
目前，射线追踪数值模拟在两个方面得到发展。 一是在计算方法上，发展了适应性更强的程函方程法、 波前重建法、最短路径法等；二是在克服只能得到运 动学特征的问题上，发展了近轴射线追踪、动力学射 线追踪、高斯束射线追踪等方法。
（二）地震数值模拟的应用
地震数值模拟在地震勘探、开发中的应用 范围非常广泛，归纳起来最主要有如下三方面 的应用：
1、在地震波场和地震勘探方法的理论研究 中有重要的作用，利用它可以研究各种复杂地 质条件下的地震波场响应特征和验证新方法的 可靠性。
2、在地震资料采集、处理和解释中均起着 重要的辅助作用（如观测系统的设计、解释结 果的验证、处理方法的使用等）。现在我们面 临着越来越复杂的地质对象，可以说，离开它 地震方法寸步难行。
垂直分量（左）
水平分量（右）
双层介质波动方程数值模拟一炮地面记录
射线追踪数值模拟只能模拟地震场的运动 学特征，但是运算速度快，而且提供的射线图 十分直观，在生产实际中还是很受青睐的，其 方法也比较成熟。但是它存在盲区、焦点等难 以解决的问题，特别是缺少地震波的动力学特 征，需要改进。
地质地貌与数值模拟
地质地貌与数值模拟地质地貌是指地球表面上的各种地形特征，包括山脉、河流、平原等。
地质地貌的形成受多种因素影响，如地质构造、气候变化、水文循环等。
为了更好地了解地质地貌的形成机制和演变规律，科学家们利用数值模拟方法对地质地貌进行研究和预测，以便提供对环境和资源利用的科学依据。
一、数值模拟在地质地貌研究中的应用意义数值模拟是利用计算机对自然现象进行模拟和预测的方法。
在地质地貌研究中，数值模拟能够帮助科学家们揭示地质地貌形成的内在机制和过程。
通过建立地质地貌模型和设定不同的参数，科学家们可以模拟不同地质环境下地形的形成和演化过程，从而推测地形的发展趋势和未来变化。
数值模拟还可以用于预测地质地貌的变化对环境和资源的影响。
例如，利用数值模拟可以预测地质活动对地震、火山爆发等自然灾害的影响，为防灾减灾提供科学依据。
此外，数值模拟还可以模拟气候变化对地质地貌的影响，预测气候变暖对冰川、海岸线等地貌的影响，为环境保护和资源管理提供参考。
二、地质地貌数值模拟方法地质地貌数值模拟方法根据研究目的和研究对象的不同，可以采用不同的模拟方法和模型。
以下是常用的几种地质地貌数值模拟方法：1. 离散元方法：离散元方法将地质地貌看作是由大量小颗粒组成的物质体系，通过模拟颗粒之间的相互作用和力学运动，来模拟地质地貌形成的物理过程。
该方法适用于模拟岩石碎裂、崩塌、滑坡等地质灾害的发生机制。
2. 流体力学模型：流体力学模型采用流体力学原理，对地质地貌形成和演化的流体过程进行模拟。
例如，利用流体力学模型可以模拟河流冲刷、沉积过程，并预测河流地貌的变化。
3. 数值地质模型：数值地质模型根据地质构造和物理过程建立地质模型，通过模拟不同物理过程的相互作用，来对地质地貌形成和演化过程进行模拟。
该方法适用于模拟山脉的隆升和侵蚀过程，以及地壳的变形等。
三、地质地貌数值模拟的案例1. 河流地貌演化模拟科学家们利用数值模拟方法对河流地貌的演化过程进行了模拟和预测。
地震波数值模拟技术转载
地震波数值模拟技术转载地震数值模拟在地震勘探和地震学各工作阶段中都有重要的作用。
在地震数据采集设计中，地震数值模拟可用于野外观测系统的设计和评估，并进行地震观测系统的优化。
在地震数据处理中，地震数值模拟可以检验各种反演方法的正确性。
在地震数据处理结果的解释中，地震数值模拟又可以对地震解释结果的正确性进行检验。
由于实际工作中所模拟的介质不同，所用的模拟方程也不一样。
根据模拟方程的不同，波动方程数值模拟主要有:声波模拟、弹性波模拟、粘弹性波模拟以及裂隙和孔隙弹性模拟等。
由于可以用射线理论、积分方程、微分方程来描述地震波的传播，模拟方法也相应地有射线追踪法、积分方程数值求解方法以及微分方程数值求解方法。
射线追踪方法通过求解程函方程计算地震波旅行时，通过求解传播方程计算地震波振幅。
该方法以高频近似为前提，适合于物性缓变模型中地震波传播模拟。
模型简单时该方法具有计算速度快的突出优点，正因为如此，它在地震成像、旅行时层析等方面得到广泛应用。
也正是高频近似，该方法不适合物性参数变化较大模型中地震波的传播模拟。
积分方程数值求解地震波数值模拟方法是基于惠更斯原理而得到的一种波场计算方法，它又可以分为体积分方法和边界积分方法。
该方法的半解析特征，使其在成像，反演理论研究和公式推导方面具有得天独厚的优势。
由于涉及Green函数的计算，该方法一般适合于模拟具有特定边界地质体产生的地震波，而要求该地质体周围为均匀介质。
因此，该方法的适应范围受到严格限制。
微分方程方法使对计算区域网格化，通过数值求解描述地震波传播的微分方程来模拟波的传播。
就目前看来，该方法对模型没有任何限制，在地震波模拟中使用最为广泛，主要问题是计算量比较大，对计算机内存要求较高;其中，有限差分法(FD)、有限元法(FE)以及傅立叶变换法(PS)是这类模拟方法中使用较多的方法。
近年来还出现界于有限差分法和有限元法之间的有限体方法(FV)，在理论上应该具有有限元法网格剖分的灵活性，又具有有限差分计算快速的特点，但在简单的矩形网格情况下，该方法完全退化为有限差分法。
实用油藏地质建模与数值模拟手册
实用油藏地质建模与数值模拟手册作为一名油藏工程师或地质学家，在工作中需要掌握油藏地质建模与数值模拟的技能，以便更好地预测油藏的产能以及制定开发方案。
下面是一份实用的油藏地质建模与数值模拟手册，其中包括步骤、方法、工具和注意事项。
1. 地质建模地质建模是预测油藏产能和制定开发计划的关键步骤。
下面是地质建模的步骤：1.1 数据采集收集合适的岩心、测井和地震数据。
这些数据将用于生成建模图。
1.2 地质建模图至关重要使用采集到的数据，优化建模图。
决策树和神经网络是优化建模图的有效工具。
1.3 发现模型基于地质建模图，构建发现模型。
发现模型是一个三维模型，代表油藏。
1.4 插值通过插值法确定发现模型中油藏的空穴。
这是一个确定油藏的关键步骤。
1.5 地球物理学使用地球物理学数据修改发现模型。
地球物理学能够监测地层中的变化，并且作为修改发现模型的依据。
2. 数值模拟数值模拟是更加准确地预测油藏几何形状和产能的关键步骤。
下面是数值模拟的步骤：2.1 数值模拟步骤在生成发现模型之后，使用数值模拟步骤确定油藏几何形状和产能。
2.2 数值模拟工具数值模拟需要使用复杂的工具和算法。
一些常见的数值模拟工具包括ECLIPSE、Powder River Basin、SEMSIM等。
2.3 模拟结果根据模拟结果，可以确定油藏的几何形状和产能。
这些结果将用于制定开发计划。
3. 注意事项在油藏地质建模和数值模拟过程中，需要注意以下事项：3.1 数据安全在数据采集、处理和传输过程中需要确保数据的安全。
3.2 数据准确性采集到的数据必须准确，否则会影响地质建模和数值模拟结果的准确性。
3.3 不确定性地质建模和数值模拟过程中存在不确定性，因此需要合理评估模拟结果的可靠性。
3.4 运营成本油藏地质建模和数值模拟可能非常昂贵。
在决定使用这些技术时，需要考虑运营成本。
综上所述，油藏地质建模和数值模拟对于制定油藏开发计划至关重要。
在进行这些工作时，需要遵循一定的步骤，并且注意数据安全、数据准确性、不确定性和运营成本等事项。
数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介
第41卷 第2期2005年3月 地质与勘探GE OLOGY AND PROSPECTI N G Vol 141 No 12March,2005技术・方法[收稿日期]2004-03-17;[修订日期]2004-05-13;[责任编辑]余大良。
[基金项目]中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZ CX2-101)。
[第一作者简介]谢建华(1978年-),男,2003年毕业于中南大学,获硕士学位,在读博士生,现主要从事研究方向为数值模拟工作。
数值模拟软件F LAC 及其在地学应用简介谢建华1,2,夏 斌1,徐振华3,张宴华4(11中科院广州地球化学研究所,广州 510640;2.中国科学院研究生院,北京 100039;3.仲恺农业技术学院,广州 520225;4.CSI RO Exp l orati on &M ining,P O Box 1130,WA6102,Australia )[摘 要]拉格朗日元法是一种常见的数值计算方法,以有限差分程序F LAC 软件为例,简单论述其原理,分析了它的优缺点并叙述其工作流程,表明其非常适合解决非线性、大变形问题。
同时通过介绍了在国内外地学方面的一些应用实例,对数值模拟技术在国内地学方面的应用和研究提出一些建议。
[关键词]数值模拟 有限差分法F LAC 地学[中图分类号]P628 [文献标识码]A [文章编号]0495-5331(2005)02-0077-04 数值模拟技术就是以计算机软件进行数值分析的一种方法。
它借助计算机、数学、力学等学科的知识,为工程分析、设计和科学研究服务,已广泛应用到地震、探矿找矿、防灾减灾等地质工程和科学研究的众多领域[1～5]。
1 F LAC 软件原理概述F LAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua ),即连续介质快速拉格朗日分析,它是一种基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序,是由美国Itasca Consulting Gr oup,I nc 1开发的商业软件。
数值模拟在地球科学中的应用
数值模拟在地球科学中的应用近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟在各个领域都得到广泛应用，特别是在地球科学研究中，其应用范围更是日益扩大。
数值模拟通过将地球自然过程抽象为数学模型，借助计算机进行模拟计算，能够提供对复杂地球系统的深度理解和有力支持。
首先，在地球气候研究领域，数值模拟技术具有重要的意义。
通过建立气候模型，科学家可以对全球气候系统的演化规律进行模拟，从而预测未来的气候变化趋势。
数值模拟考虑了大气、海洋、降水等多种因素的相互作用，能够更准确地描述气候系统的运行规律。
例如，国际上广泛应用的气候模式CMIP5就对全球气候变化进行了全面模拟和预测，为人们了解气候变化的影响、制定适应措施提供了重要的依据。
此外，在地球内部结构研究中，数值模拟也发挥着重要作用。
地震是地球内部能量释放的结果，研究地震活动有助于人们了解地球内部的构造和运动机制。
通过数值模拟地震过程，可以重现地震波的传播，揭示地震发生的原因和动力学过程。
这对于地震研究人员提供了重要的参考，帮助我们更好地预测地震，减轻地震灾害对人类的影响。
不仅如此，数值模拟技术在地质学研究中的应用也逐渐受到重视。
地质过程十分复杂，从地壳的形成到地貌的演化，都与地质力学、沉积学等学科的知识紧密相关。
通过数值模拟，可以模拟地质过程的发展历程，还原地壳运动的轨迹，深入探究地球演化的规律，为地质学家提供更丰富的数据和信息。
此外，数值模拟在海洋科学研究中也发挥着重要作用。
海洋是地球表面最广阔的水域，对于地球的气候调节、环境影响等方面具有巨大的影响力。
而数值模拟可以模拟海洋流体的运动、温度分布、海洋环境等复杂特征，从而帮助科学家深入了解海洋的动力学过程和海洋生态系统演变规律。
此外，数值模拟还能够模拟海底地形、大洋洋流等地质和生物过程，有助于科学家解开海洋之谜。
综上所述，数值模拟在地球科学领域的应用日益广泛，并且取得了重要的研究成果。
通过数值模拟，我们可以更加深入地了解地球的气候变化、地震活动、地质演化和海洋动力学等多个方面的复杂过程。
地震学中的数值模拟技术研究
地震学中的数值模拟技术研究自古以来，地震一直是人类无法掌控的自然灾害之一。
虽然我们无法预测地震的发生，但是对于地震的研究和预防措施，可以减轻地震给人类带来的伤害。
而当今地震学领域中，数值模拟技术正得到日益重视的研究。
1.数值模拟技术数值模拟技术是一种利用计算机对实际问题进行数学模型化，并以数值计算为手段求得问题精确解的方法。
在地震学中，数值模拟技术能够模拟地震的过程，对地震的形成、发展以及危害进行研究。
通过数值模拟技术，我们可以预测地震对地表、建筑物和人员的破坏情况，为地震预防和人员疏散提供科学的依据。
2.地震数值模拟的基本步骤地震数值模拟的基本步骤分为三个部分：准备工作、模型建立和数值模拟。
准备工作包括搜集地震波数据、测量地震发生的条件和影响因素等。
模型建立需要确定模型的基本参数，如模型边界条件、材料特性、地震波输入等。
数值模拟则是利用计算机进行数值计算，得到地震波的传播、反射、衍射、能量传输和破坏情况。
3.数值模拟技术在地震学中的应用数值模拟技术在地震学中有着广泛应用，其中主要包括以下方面：3.1 地震波传播研究地震波传播是地震研究的基础，也是地震预测与震害评估的重要依据。
数值模拟技术可以对地震波的传播进行快速、准确的模拟研究，帮助我们理解地震波在地下介质中的传播规律、地震波在地面上的表现形式，以及地震波与建筑物、结构物的相互作用关系。
3.2 地震危害评估地震危害评估是对地震中各种影响因素进行评估的一项工作。
数值模拟技术不仅可以模拟地震波对建筑物和结构物的破坏情况，还可以研究地表水位的变化、坡面变形等地震带来的影响。
3.3 地震预测虽然目前没有任何一种方法可以完全准确地预测地震，但是数值模拟技术可以根据历史数据和地震破坏情况，对未来地震的可能发生地点、规模、引发危害等进行有限预测。
4. 数值模拟技术的发展前景数值模拟技术在地震学中的应用已经趋于成熟，但是仍有很多问题需要解决。
如模型精度、边界条件的处理、计算机运算速度等等都是需要进一步研究的问题。
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地质模型
In geological history, coalbed methane……
Factors control the process
The process
palaeo-tectonic development history
Gas generating
coal bearing series forming history
资源与地球科学学院
煤层气成藏动力学过程模拟 地学数值模拟技术 概述
地质模型
Ground surface Opening fault
Coal organic matter generates gas
diffusion dissipation in Cap outburst dissipation permeation dissipation
Q=QQ+Q d di
ob pe Qdi — diffusing from coal reservoir to cap, m3/t;
Qob —flow through cap via cap outburst, m3/t;
Qpe —permeating through coal reservoirosphere, m3/t.
P o p P o v/(1 ) P tt Pop and Pcl — reservoir pressures before and after cap outburst takes place, Pa;
dH —athickness of cap rock, m a
6
Δt — the time diffusion occurs, sec.
资源与地球科学学院
煤层气成藏动力学过程模拟 地学数值模拟技术 概述
数学模型
• Capoutburst dissipation quantity Qob ——simplified arithmetic
verticle direction
along cleats and faults
a
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资源与地球科学学院
煤层气成藏动力学过程模拟 地学数值模拟技术 概述
数学模型
• General description of the process ——by mass conservation
Q=QQ g s
Qg — quantity of gas generated by coal organic material, m3/t;
D — diffusion coefficient, m2/s; t — evolution time, sec.; Z — points at the normal direction which is vertical to coal bed plane, m.
then:
Qdi D S dCt
d Qs — gas storing in coal reservoir, m3/t;
Qd —gas dissipated from the coal reservoir, m3/t;
• Gas Generation Qg ——by thermal simulation test of coal organic matter
cV dH
S and V — the diffusion area, m2, and volume of coal seam, m3;
c — average bulk density of coal, t/m3;
dC — free gas concentration difference, m3/ m3 -coal;
QF(R )M g
g o,m ax
n Ro, max —vitrinite reflectance of coal, %;
In Qinshui Basin:
Mn —pure organic material in coal (dry, ash-free) , t/t-coal; and Fg(Ro, max)
——Maturation history of coal organic material is a key to
access gas generation history
a
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资源与地球科学学院
煤层气成藏动力学过程模拟 地学数值模拟技术 概述
数学模型
• Dissipation of CBM Qd ——through different ways
地学数值模拟技术
韦重韬 教授 博士生导师 资源与地球科学学院 2009年
a
1
提纲
• 概述 • 数值模拟核心技术 • 煤层气成藏动力学过程模拟 • 油气盆地模拟技术 • 煤层气井排采过程模拟
a
资源与地球科学学院 地学数值模拟技术 课程提纲
2
资源与地球科学学院
煤层气成藏动力学过程模拟 地学数值模拟技术 概述
F g ( R o , m a x ) 1 . 6 9 1 ( R o , m a x ) 4 - 2 3 . 2 1 6 ( R o , m a x ) 3 9 0 . 9 5 0 ( R o , m a x ) 2 - 2 3 . 9 2 8 ( R o , m a x ) - 2 . 8 3 1
burial history
storing in the coal reservoir
dissipating
from the coal seam
palaeo-geothermal history coal reservoir physical features other factors
A better understanding of this process would significantly improve evaluation of CBM reservoirs fora coalbed methane exploitatio3n.
• Diffusion dissipation quantity Qdi ——concentration diffusion
C — free gas concentration in coal reservoir or cap, m3/ m3-coal or m3/ m3-cap;
DZ2C2
C t
0