單程波動方程疊前深度偏移并行算法

1、單程波動方程疊前深度偏移并行算法    1引言波動方程疊前深度偏移技術(shù)在墨西哥灣地區(qū)的應(yīng)用,成功地解決了海相地層中強(qiáng)橫向變速鹽丘構(gòu)造的成像問題13,也為在世界各地的廣泛應(yīng)用提供了示范。但國外研究主要集中在海上海相地層構(gòu)造的成像,而對陸上陸相地層構(gòu)造的成像研究相對較少,尤其對炮域的單程波動方程疊前深度偏移的應(yīng)用性研究更少46。國內(nèi)波動方程疊前深度偏移理論研究源于20世紀(jì)80年代,90年代開始逐步推廣應(yīng)用,現(xiàn)在已成為油氣田勘探開發(fā)中一項主流技術(shù)。本文主要介紹單程波動方程疊前深度偏移技術(shù)的實用性研究成果。2單程波動方程疊前深度偏移流程鑒于由國外引進(jìn)的地震資料處

2、理系統(tǒng)中有關(guān)三維炮域波動方程疊前深度偏移軟件還不成熟,因此本文以勝利油田物探研究院自主研發(fā)的“Stseis疊前深度成像處理軟件系統(tǒng)”為依據(jù),根據(jù)三維炮域單程波動方程的成像特點(diǎn),確定了相關(guān)的處理流程(圖1),其主要包括地震數(shù)據(jù)預(yù)處理、波動方程速度分析和波場外推成像3部分。2.1地震數(shù)據(jù)預(yù)處理為了消除地表條件和采集質(zhì)量變化對成像質(zhì)量的影響,在處理中采用了有針對性的處理方法和技術(shù)措施,在炮道集數(shù)據(jù)上解決噪聲干擾問題,包括:地表一致性靜校正、地表一致性振幅補(bǔ)償、地表一致性區(qū)域異常噪聲衰減、地表一致性反褶積和炮間能量一致性均衡等7,8。這些措施為后續(xù)三維炮域單程波動方程高精度成像提供了前提。2.2速度分

3、析速度分析是疊前深度偏移技術(shù)的核心內(nèi)容,也是獲得精確速度場的有效工具。疊前深度偏移技術(shù)的最大優(yōu)勢就是實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)處理、解釋一體化思想,將解釋人員對地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識融入速度迭代修正與速度建模過程中9。本文在實際資料處理中使用的速度分析工具是自主研發(fā)的“Stseis疊前深度成像處理軟件系統(tǒng)”中的垂向和沿層波動方程剩余速度分析模塊1012。2.3單程波動方程成像單程波動方程偏移被廣泛應(yīng)用于二維、三維地震數(shù)據(jù)的疊后時間/深度偏移中。隨著勘探難度的增加以及計算機(jī)軟、硬件的發(fā)展,基于單程波動方程的疊前時間/深度偏移也越來越引起人們的關(guān)注1315。尤其是在復(fù)雜介質(zhì)條件下,單程波動方程疊前深度偏移能取得優(yōu)于傳統(tǒng)

4、基爾霍夫偏移的成像效果,這基本上得到了工業(yè)界的廣泛認(rèn)同。同所有基于波場外推的偏移方法一樣,單程波動方程偏移由波場外推與成像兩步組成。成像的計算方法與過程相對簡單,而波場外推則比較復(fù)雜波場外推的目的是消除地震波在介質(zhì)中的傳播效應(yīng),其核心是基于上、下行波動方程的傳播算子。近10年來,為了提高單程波動方程偏移在復(fù)雜介質(zhì)中的成像精度,許多學(xué)者對傳播算子進(jìn)行了大量研究并取得了重要進(jìn)展1620。已有的單程波動方程偏移方法基本可以滿足構(gòu)造成像的需要。3單程波動方程波場外推并行計算與基爾霍夫積分法疊前深度偏移和共角度域疊前深度偏移相比,單程波動方程波場外推的計算量十分巨大,這也是阻礙其投入實際應(yīng)用的一個主要原

5、因。為提高單程波動方程波場外推計算效率,文中采用主從模式負(fù)載動態(tài)平衡并行算法21,22。該算法適合多任務(wù)、多處理器的分布式微機(jī)集群,能夠充分發(fā)揮微機(jī)集群的高速計算性能。即使采用并行處理,要完成大規(guī)模的生產(chǎn)性處理任務(wù)也需要很長的處理周期。所使用的處理器的個數(shù)越多、處理周期越長,作業(yè)就越容易意外中斷。目前的微機(jī)集群并行處理系統(tǒng)還沒有斷點(diǎn)恢復(fù)功能,中斷的作業(yè)必須從頭開始。斷點(diǎn)恢復(fù)技術(shù)也是世界級的研究難題。為此,我們提出一種軟件級斷點(diǎn)恢復(fù)方法,并在實際應(yīng)用中獲得了良好的應(yīng)用效果,從而保證了大規(guī)模并行處理的順利完成。3.1單程波動方程波場外推算法根據(jù)單程波動方程波場外推原理,構(gòu)造出共炮道集數(shù)據(jù)混合域波場

6、外推與成像算法流程23,24(圖2),此流程的特點(diǎn)在于:給定速度深度層速度模型、震源子波和深度外推間隔,在進(jìn)行混合域單程算子波場外推時,充分利用快速傅里葉變換(FFT),提高計算效率。數(shù)據(jù)流的控制是將震源子波和炮道集數(shù)據(jù)分別進(jìn)行FFT,按照數(shù)據(jù)觀測的相對位置注入計算機(jī)內(nèi)存。FFT的另一個好處是將時間域的信號轉(zhuǎn)換到頻率空間域,可減少數(shù)據(jù)量、節(jié)約計算機(jī)內(nèi)存。在頻率空間域根據(jù)不同算子進(jìn)行時移項校正和補(bǔ)償項校正。通過FFT,再將波場變換到頻率波數(shù)域,按所選深度外推步長,進(jìn)行相移波場外推。反復(fù)上述過程,將外推得到的波場按成像條件進(jìn)行成像,直到完成所有深度層。最后輸出單炮成像結(jié)果。圖2共炮道集數(shù)據(jù)混合域波

7、場外推與成像算法流程3.2并行計算策略24單程波動方程波場外推算法和數(shù)據(jù)流非常適合粗粒度的任務(wù)級并行計算,處理器間的通訊較少。在實際生產(chǎn)單位的大型微機(jī)集群處理系統(tǒng)中,各個計算節(jié)點(diǎn)上可能有多個處理任務(wù),且各節(jié)點(diǎn)的處理任務(wù)不等,負(fù)載極不平衡。鑒于以上特點(diǎn),本文采用了主從模式動態(tài)負(fù)載平衡并行策略21,22(圖3)。由圖3可看出,主節(jié)點(diǎn)控制管理各從節(jié)點(diǎn)的任務(wù)和數(shù)據(jù),根據(jù)從節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀況和完成本作業(yè)的情況動態(tài)地向各從節(jié)點(diǎn)發(fā)送計算任務(wù)和數(shù)據(jù),一般以每炮的計算量為一個任務(wù)。該并行策略可以充分利用多個處理節(jié)點(diǎn)的空閑資源,提高作業(yè)的計算效率。同時由于任務(wù)間的通訊少,該并行方式具有較高的并行效率和良好的可擴(kuò)展性。

8、在并行計算中,數(shù)據(jù)輸入/輸出速度是并行策略必須研究的問題。分布式微機(jī)集群系統(tǒng)一般配有兩種數(shù)據(jù)存儲器:一種是共享的大容量高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲器;另一種是容量由幾十個GB到幾百個GB的本地數(shù)據(jù)存儲器。為了避免輸入/輸出瓶頸,提高讀寫速度,可將讀寫次數(shù)較多或量較大的數(shù)據(jù)放在各計算節(jié)點(diǎn)的本地存儲器上,其他共享數(shù)據(jù)放在共享存儲器上。在BS6地區(qū)的實際資料處理應(yīng)用中,是將炮道集數(shù)據(jù)放在共享存儲器上,主節(jié)點(diǎn)通過自主研發(fā)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口分送到各個從節(jié)點(diǎn);將速度場數(shù)據(jù)預(yù)先放置到各個從節(jié)點(diǎn)的本地存儲器上;由于成像結(jié)果數(shù)據(jù)量一般比輸入的炮道集數(shù)據(jù)量大得多,而且又與其他處理節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果沒有聯(lián)系,可寫在本地存儲器上。在

9、所有的處理任務(wù)完成以后,再由主節(jié)點(diǎn)將各個從節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果歸約疊加,輸出到共享存儲器上。3.3軟件級斷點(diǎn)恢復(fù)策略24將混合域單程波動方程波場外推算法與上述并行計算策略相結(jié)合,實現(xiàn)了軟件級斷點(diǎn)恢復(fù)功能(圖4)。由圖4可看出斷點(diǎn)恢復(fù)功能的工作原理為:在進(jìn)行并行計算時,由主節(jié)點(diǎn)建立一個任務(wù)池和任務(wù)狀態(tài)表,同時向從計算節(jié)點(diǎn)發(fā)送任務(wù)和任務(wù)狀態(tài);從計算節(jié)點(diǎn)接受任務(wù)后,先檢查任務(wù)狀態(tài),再根據(jù)任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行處理(如果任務(wù)狀態(tài)為“未完成”,就完成當(dāng)前任務(wù),并修改任務(wù)狀態(tài),再向主節(jié)點(diǎn)請求下一個任務(wù);否則,直接向主節(jié)點(diǎn)請求下一個任務(wù));當(dāng)作業(yè)失敗重新啟動時,主節(jié)點(diǎn)首先注入任務(wù)池和修改過的任務(wù)注冊表,再按上述過程處理。圖

10、4軟件級斷點(diǎn)恢復(fù)原理圖示在處理BS6地區(qū)實際資料時,利用90個節(jié)點(diǎn)180個CPU進(jìn)行了12d的并行計算。由于各種原因,計算中斷過3次,但是利用此斷點(diǎn)恢復(fù)技術(shù),從而使處理順利進(jìn)行。4BS 6探區(qū)實際資料疊前成像BS6探區(qū)構(gòu)造位于埕東、孤島、陳家莊、義和莊等凸起之間,位于沾化凹陷東部的渤南洼陷內(nèi),南緩北陡,是一個多物源沉積區(qū)。深層潛山帶被埕南、孤西等大斷層及次級斷層分割成多個斷塊。這些潛山斷塊具有有利的供油條件和儲集空間(圖5)。潛山帶完鉆的多口探井分別在奧陶系頂部獲工業(yè)油流,在潛山內(nèi)幕亦見到良好顯示。因潛山帶埋藏較深,斷裂復(fù)雜,勘探風(fēng)險較大,因此對地震資料的質(zhì)量有較高的要求。本次資料處理的目標(biāo)是

11、:精細(xì)落實埕南斷層、孤西斷層、孤北斷層及其斷裂系統(tǒng);提高中生界、上古生界地震反射的分辨率和信噪比,落實其潛山形態(tài)及內(nèi)幕構(gòu)造,滿足不整合油藏精細(xì)解釋和砂體描述的需要;提高下古生界地層信噪比,滿足潛山斷塊精細(xì)構(gòu)造描述的需要。4.1疊前成像速度場建立利用三維炮域偏移輸出的共成像點(diǎn)道集,采用基于炮檢距的垂向和沿層波動方程剩余速度分析及模型迭代修正,得到了適合三維炮域波動方程疊前深度偏移的速度場(圖6、圖7)。4.2成像結(jié)果對比分析圖8為由“Stseis疊前深度成像處理軟件系統(tǒng)”得到的三維炮域疊前深度偏移處理成像結(jié)果。由圖8可見:其分辨率和信噪比較高,斷層、斷點(diǎn)清晰;在某些構(gòu)造細(xì)節(jié)上,反射層位接觸關(guān)系合

12、理;埕南斷層、孤西斷層、孤北斷層等斷點(diǎn)干脆,斷面波及斷裂系統(tǒng)清晰;中生界、上古生界分辨率和信噪比較高,潛山形態(tài)及內(nèi)幕構(gòu)造成像清晰,層位地質(zhì)含義明確;中生界、古生界內(nèi)部非標(biāo)準(zhǔn)層反射層次清楚,能滿足不整合油藏精細(xì)解釋和砂體描述的需要;下古生界地層成像信噪比和分辨率較高,可基本滿足潛山斷塊精細(xì)構(gòu)造描述的需要。圖9為由國外引進(jìn)的“Views疊前深度偏移處理系統(tǒng)”輸出的成像結(jié)果。對比圖8與圖9可見,雖然后者整體上也能夠反映區(qū)域構(gòu)造面貌,但前者對一些復(fù)雜構(gòu)造細(xì)節(jié)的成像效果更好。5結(jié)束語根據(jù)單程波動方程波場外推原理,本文總結(jié)了共炮道集數(shù)據(jù)混合域波場外推與成像算法流程,借助勝利油田物探研究院自主研發(fā)的“Stseis疊前深度成像處理軟件系統(tǒng)”,將單程波動方程偏移算子的研究成果轉(zhuǎn)化為實際的處理能力。文中還采用了主從模式動態(tài)負(fù)載平衡并行算法,實際應(yīng)用表明,該算法可以充分利用多個處理節(jié)點(diǎn)的空閑資源,提高作業(yè)的計算效率。同時,