井间地震是在上个世纪八十年代兴起的一项新型的地震勘探方法,它是在一个井内放置震源激发,在相邻的一个或多个井内放置检波器来接收地震波,然后对相邻的两个井获得的地震数据进行井间层析成像或反射波成像,以获取能够反映两井之间地质结构的一种地震方法。与地面地震相比,井间地震的采集具有能量传播距离短、接近探测目标、避开低速带等特点,因此能获得高频率、高信噪比的地震数据,使得勘探的精度显著提高。井间地震由于具有高精度、高分辨率等特点已被广泛应用于油气领域的构造精细成像、储层精细描述,工程地质与水文地质勘察,土木工程质量检测等多个方面。自上个世纪井间地震技术提出以来就一直是研究者研究的热点,目前井间地震的研究主要集中在井间二维成像阶段,即通过相邻的两个井进行数据采集和走时反演,获取两井之间的地下结构。但是二维井间勘探也存在一些不足之处：1)井间接收到的地震波场是来自三维空间的波场响应,二维条件下模拟的波场记录并不能全面地反映出井间三维空间的波场信息；2)二维井间的走时成像仅能获得两井所在平面的地质结构,不能获得剖面侧向的地质结构信息,使得成像结果的横向连续性差,不利于三维地质结构的解释和评价；3)维走时成像只是利用相邻的两个井进行成像,没有将分布在三维空间的多个井的信息进行利用,使得空间井位的利用率不高；4)对于二维的走时成像还面临大倾角界面不能成像(界面倾角大于45。),侧向结构影响成像结果的精度等问题(三维侧向高速介质折射造成二维平面内初至走时变化)。另外,近年来发展较为迅速的逆时偏移方法在井间地震成像方面的研究又仅限于二维空间,同样不能解决空间多井位利用以及三维空间成像的问题。本文在综述了当前井间地震以及逆时偏移成像方法的基础上,针对目前研究中存在的问题,开展基于多井数据的井间三维弹性波波场数值模拟和三维声波逆时偏移成像研究。通过井间三维弹性波波场模拟来分析井间波场特征与传播规律,进行逆时偏移成像来获得井间的真三维地质结构,弥补目前井间二维成像存在的不足,为井间地震勘探提供更为真实和准确的三维地质信息。本文的主要工作研究内容和成果概括如下：(1)有限差分数值模拟中边界条件是一项重要的研究内容,论文从弹性波基本理论出发,根据波动方程交错网格有限差分的基本思想,在分析非分裂的卷积边界条件(CPML)原理的基础上,推导了CPML边界条件在三维交错网格有限差分下的离散形式,并用Fortran语言实现了基于CPML边界条件的三维弹性波波动方程数值模拟。对比了CPML边界条件和经典PML边界条件在常规入射与大炮检距(掠射角)入射下的吸收效果、数值模拟所需要的存储空间、计算效率等几个方面的差异。研究结果表明本文采用的CPML边界条件能够很好地对不同炮检距入射到边界的波场进行吸收、同时具有占用存储空间小、计算效率高等优点,可更好地用于三维弹性波波场数值模拟中。(2)三维数值模拟中计算量是必须考虑的问题,为了满足三维弹性波波场数值模拟大规模计算的需求,采用OpenMP技术进行三维弹性波波动方程的并行化计算。分析了OpenMP并行化计算的计算效率,为后续大规模的三维波场数值模拟和逆时偏移成像计算提供了基础。基于以上研究内容,开展了井间三维弹性波波场数值模拟和特征分析研究。分析了层状介质模型、局部不均匀体模型、大倾角界面模型、侧向高速界面模型等典型井间三维地质体的波场特征。重点讨论了局部不均匀体和侧向高速界面对周围区域波场传播的影响。通过这些典型井间三维地质体的数值模拟,获得了侧向反射波、折射波以及绕射波等波场,丰富了井间记录波场的类型；重点分析了这两类侧向高速介质对周围走时场的影响,增强了对井间波场传播特征的认识,为井间波场数据的识别、分析和处理提供了基础和理论依据。(3)井间三维波场相对复杂,为了获得单独的纵波场,本文从地震偏振理论出发,基于井间地震波在视速度和偏振上的差异,提出了一种针对井间三维三分量地震数据的纵横波分离方法。该方法将获得的三分量数据进行检波点方位校正,获得在径向分量、垂向分量和切向分量的波场记录,并采用高分辨率τ-p变换来分离波场的上行波和下行波；最后利用协方差偏振分析方法在共激发点道集上分离出上、下行波波场中的纵波和横波,最终获得井间单独的纵波记录和横波记录。所用方法充分利用了井间波场的视速度和偏振特征,并且避免了常规波场分离中估计出射角的问题。对理论模型的三分量数据进行了纵横波分离实验研究,验证了本文方法的有效性和可行性,为井间三维声波方程偏移成像提供了基础。(4)研究了基于声波方程的三维逆时偏移成像方法。在分析逆时偏移成像基本理论的基础上,探讨了逆时偏移成像中互相关成像条件、激发时间成像条件、振幅比成像条件的基本原理,实现过程以及优缺点。在综合考虑三维成像的成像效果、计算量的基础上,采用激发时间成像条件作为论文研究的成像条件。同时为了满足逆时偏移成像对走时精度的要求,论文采用精度和稳定性较高的快速推进算法进行井间的三维走时的计算。详细阐述了快速推进算法的基本原理,并给出了快速推进算法的实现过程。通过理论模型试验获得了满足成像精度的计算参数,同时还用复杂模型验证了快速推进算法在三维走时计算中的稳定性和有效性。分析了逆时偏移成像过程中噪声的产生机制,以及不同类型的去噪方法,并采用Poynting矢量去噪与Laplace去噪相组合的三维逆时偏移成像去噪方法,来提高三维逆时偏移成像结果的信噪比。理论层状介质模型的逆时偏移成像结果验证了本文采用的组合方法在噪声消除上的有效性。(5)开展了基于多井数据的井间三维声波方程逆时偏移成像方法研究。在三维井间弹性波波场数值模拟、纵横波波场分离、逆时偏移成像研究的基础上,实现了基于声波方程的多井井间三维逆时偏移成像。对典型的层状模型、局部不均匀体模型、大倾角界面模型、断层模型进行了多井井间三维逆时偏移成像。通过多井成像获得了井间的三维结构分布,解决了二维成像中不能获取横向结构变化的问题,同时也解决了CT成像中对大倾角界面不能成像的不足,为井间三维地质结构的解释提供了基础和依据的同时,也为井间地震勘探提供了新方法和新思路。(6)在多井井间三维逆时偏移成像的基础上,以两层介质模型为例,进行了不同观测系统下多井井间三维逆时偏移成像效果研究。研究认为在文中所研究的两种勘探区域内,分别采用12个井位和6个井位可以获得可靠的成像结果。针对井间的弹性波记录提出了：井间三分量数据方位校正-上下行波分离-纵横波分离-纵波合并-多井数据声波逆时偏移成像的多井井间三维逆时偏移成像流程。并以层状模型为例,对弹性波记录进行纵横波分离,然后采用分离出的纵波波场进行多井三维声波逆时偏移成像,获得的成像结果与声波方程的成像结果基本相同,说明本文采用处理流程的正确性和可行性。最后用加噪声的数据进行了多井三维成像,验证了方法的抗噪能力和实用性,为方法在井间三维地震勘探中的应用提供了基础。综上所述,本文进行了井间三维弹性波波场数值模拟与特征分析研究,获得了井间三维弹性波波场的传播规律,增强了对井间三维波场传播特征的认识,为井间波场数据的识别、分析和处理提供了基础和理论依据。在多井观测系统下,开展了基于多井的井间三维地震叠前逆时偏移成像研究,获得了井间的真三维地质结构,提高了横向分辨率；讨论了观测系统对成像结果的影响,给出了多井井间声波逆时偏移成像的处理流程,为井间地震勘探提供了新思路和新方法。