高密度地震是在野外进行单点采集,数字检波器接收,室内进行组合叠加处理的地震勘探技术。高密度地震实施时一般采用单点激发/单点接收、小采集面元、小空间采样、均匀对称采样、大动态范围、多道接收、全方位、高覆盖次数的采集方式,获取更高频、更高保真度和更高分辨率的地震波场信息,在室内进行数字组合叠加处理及精细油藏描述。高密度地震勘探可以提高成像精度和分辨率,改善油藏特征描述,在油气田勘探开发中具有广泛的应用前景和重要的研究价值。地震正演模拟是认识地震波传播规律及波场特征的有利工具。本文基于高阶有限差分法对复杂模型进行了高密度采集模拟。分析高密度数据在刻画复杂地下构造方面的优势;然后使用交错网格有限差分方法模拟得到了瑞雷面波,并分析其传播速度、衰减深度、相位等特征。在此基础上,进行了高密度地震数据的特征分析,主要从采样密度、面元大小和覆盖次数等方面分析了高密度数据的信噪比和分辨率特点。高密度地震数据具有采样均匀对称的特点,大大减小了数据的空间不连续性,方便了噪声识别和分离。根据这个特点,开展了基于十字排列道集的F-Kx-Ky域相干噪声压制方法,以提高信噪比。本文重点研究了高密度数据的一致性组合叠加方法,通过使用叠前时间校正和时空变相位校正,消除由于组内检波器定位误差、灵敏度不同、高程差不同等因素引起的数据不一致性,并进行组合叠加处理。非重复时移地震中,前期地震数据和后期高密度地震数据的非重复性很高。建立两期地球物理模型,分别设计常规和高密度观测系统,使用高阶有限差分方法正演模拟得到两期非重复地震数据。分析两期数据的不一致性,针对性地进行数据匹配方法研究以及一致性校正方法研究,消除观测系统以及激发条件等因素引起的不一致性,得到油藏流体变化的真实地震响应,有利于确定油藏的变化。