（地质资源与工程专业论文）双聚型cfp保幅处理及并行实现.pdf

摘要 随着油气勘探开发的进一步深入，对岩性解释需求迫切。为了能够高效率的为解释 工作提供可靠的保幅剖面，开展了双聚型c f p 保幅处理及并行实现的研究工作。在研究 了传统的基于射线理论的双聚型c f p 保幅处理后，提出了基于波动方程波场延拓理论的 双聚型c f p 保幅处理方法；针对c f p 技术计算效率较低的问题，研究并实现了以上方 法的并行计算，研发了c f p 技术处理系统以方便该地震成像方法的推广应用。 在基于射线理论的双聚型c f p 保幅处理的研究中，第一步聚焦利用有限差分走时计 算，等时原理、差异时移分析等方法技术，研究计算聚焦算子、生成c f p 道集、确定 共聚焦点响应位置和估算正确的聚焦算子。将旅行时和振幅信息结合在一起，使算子的 振幅符合了波场传播特征；采用基于稳相原理和菲涅尔带叠加的方法，提高了c f p 道集 的分辨率和信噪比。在第二步聚焦中，利用褶积和相关原理，生成网格点道集。借助 r a d o n 变换，求取反射系数函数，实现了射线理论保幅处理及其a v p 分析。 在基于波动方程波场延拓理论的双聚型c f p 保幅处理的研究中，分别在两步聚焦过 程中采用波场延拓技术，实现了半波动和全波动的处理流程。通过考虑波前扩散、地质 条件的影响，设计了消除采集效应和传播效应的保幅算子。通过改进傅立叶有限差分的 延拓算子，补偿了几何扩散损失引起的振幅误差。 在以上两种处理过程中，通过分析d t s 面板，更新算子，逐步更新速度场，解决 了初始速度模型不准确的问题，保证了所求取的成像结果的正确性。模型试算和实际数 据试处理以及c f p - a v p 分析结果都表明了基于射线理论和基于波动方程波场延拓理论 的双聚型c f p 保幅处理方法的有效性和实用性。 在c f p 保幅处理技术中，计算效率问题是阻碍其推广应用的一大瓶颈，根据并行计 算的实现原理，利用消息传递机制，设计实现了数据并行和基于检查点的主从式并行的 两种并行算法，并分别将其应用到双聚型c f p 保幅处理上，提高了计算效率。 基于l i n u x 操作系统，结合跨平台的c + + 图形用户界面库q t ，使用c c + + 和f o r t r a n 编程语言混合编程、多线程和面向对象等技术，研发了c f p 保幅处理系统。该系统的实 现也为地震资料处理软件的研发提供了一套解决方案。利用该软件对理论模型数据和实 际地震资料进行了试算，获得了比较理想的结果。 关键词：共聚焦点，叠前深度偏移，保幅处理，并行计算，系统集成 a m p l i t u d e p r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no fc o m m o n f o c u sp o i n tt e c h n o l o g ya n di t sp a r a l l e l i z a t i o n d i n gr e n w e i ( g e o l o g i c a lr e s o u r c e sa n dg e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t o n gz h a o q ia n dp r o f l iz h e n c h u n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg a sa n do i le x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o n , l i t h o l o g i ci n t e r p r e t a t i o n s a r ei nt h e g r e a tn e e d i n o r d e rt o e f f i c i e n t l yp r o v i d ei n t e r p r e t a t i o n s m o r ep r e c i s e a m p l i t u d e - r e s e r v e ds e c t i o n ，w es t u d i e da m p l i t u d e p r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a l v e r s i o no fc f pt e c h n o l o g ya n di t sp a r a l l e l i z a t i o n a f t e rt h es t u d yo fa m p l i t u d e p r e s e r v e d p r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no fc f pt e c h n o l o g yu s i n gc o n v e n t i o n a lr a yt h e o r y , w e p o i n t e do u ta m p l i t u d e - r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no fc f p t e c h n o l o g yu s i n g w a v ee q u a t i o nw a v ef i e l d e x t r a p o l a t i o nt h e o r y p a r a l l e l i z a t i o no ft h o s et w om e t h o d si s p r e s e n t e di nt h i sp a p e rf o rp r o m o t i n gt h ec o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y w ea l s od e v e l o p e dag u i f o rt h ew i d eu s eo ft h e s em e t l l o d s d u r i n gt h es t u d yo fa m p l i t u d e - p r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no fc f p t e c h n o l o g yu s i n gr a yt h e o r y , i nt h ef i r s tf o c u s i n g s t e p ，b yu s i n gt h em e t h o do ft h ef i n i t e d i f f e r e n c et oc o m p u t et h et r a v a l t i m e ，u s i n gt h ep r i n c i p l eo fe q u a lt i m ea n dt h ea n a l y s i so f d i f f e r e n t i a lt i m es h i f t ，w es t u d i e dt h ec o m p u t a t i o no ft h er e v e r s e d t i m ef o c u s i n go p e r a t o r , t h e c o m p u t a t i o no fs y n t h e t i cc f pg a t h e r , t h ep o s i t i o ni d e n t i f i c a t i o no fc f pm s p o n s ea n dt h e e v a l u a t i o no fc o r r e c tf o c u so p e r a t o r w ec o m b i n e dt r a v e l t i m ea n da m p l i t u d et o g e t h e rt om a k e t h ea m p l i t u d eo f o p e r a t o rm e e tt h ef e a t u r eo fw a v ef i e l dp r o p a g a t i o n w eu s e dt h ep r i n c i p l eo f s t a t i o n a r yp h a s ea n dt h es t a c ko ff r e s n e lb a n dt op r o m o t et h er e s o l u t i o na n ds i g n a ln o i s er a t i o o fc f pg a t h e r i nt h es e c o n df o c u s i n gs t e p ，u s i n gt h ep r i n c i p l eo fc o n v o l u t i o na n d c o r r e l a t i o n ， 鲥dp o i n tg a t h e r sa l eg e n e r a t e d w eg o tr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tf u n c t i o n sb yu s i n gt h er a d o n t r a n s f o r m a t i o n u l t i m a t e l yw er e a l i z e da m p l i t u d e - p r e s e r v e dm i g r a t i o na n dt h ea n a l y s i so f c f p - a v pb a s e do nr a yt h e o r y d u r i n gt h es t u d yo fa m p l i t u d e - p r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no fc f p t e c h n o l o g yu s i n gw a v ee q u a t i o nw a v ef i e l de x t r a p o l a t i o n , w er e a l i z e dah a l fw a v ee q u a t i o n a n df u l lw a v ee q u a t i o np r o c e s s i n gf l o w w ef u l l yc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c e so fw a v ef r o n t d i f f u s i o n , g e o l o g i c a lc o n d i t i o n , d e s i g n e dt h ea m p l i t u d e p r e s e n ，e do p e r a t o rw h i c hc a n e l i m i n a t et h ee f f e c to fr e c e i v e r sa n dp r o p a g a t i o n w ei m p r o v e df f d e x t r a p o l a t i o no p e r a t o rt o c o m p e m m e t h ea m p l i t u d ed i f f e r e n c eg e n e r a t e db yg e o m e t r yd i f f u s i o nl o s s i nt h o s et w o p r o c e s s i n g ，w eu s e dd t sp a n e la n a l y s i st ou p d a t et h eo p e r a t o ra n dt h ev e l o c i t y f i e l d ，w h i c hw ec a ng e tt h ec o r r e c tv e l o c i t ym o d e la n dg a r e n t e et h ec o r r e c ti m a g i n gr e s u l t t e s t su s i n gm o d e ld a t aa n df i e l dd a t a , a n dc f p a v pa n a l y s i sa l lp r o v e dt h ev a l i d i t ya n d p r a c t i c a l i t yo fa m p l i t u d e - p r e s e r v e dp r o c e s s i n gm e t h o db a s e do nb i f o c a lv e r s i o no fc f p t e c h n o l o g y t h ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c yo fa m p l i t u d e - p r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no f c f pt e c h n o l o g yi sab i gp r o b l e mw h i c hc a np r e v e n tt h ei m a g i n gm e t h o df r o mw i d e l yu s et o t h ei n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp a r a l l e l i z a t i o n , a n du s i n gm p is c h e m e ，w c d e s i g n e da n dr e a l i z e dt w op a r a l l e la l g o r i t h m s o n ei s d a t ap a r a l l e la l g o r i t h m ，t h eo t h e ri s m a s t e r - s l a v ep a r a l l e la l g o r i t h mb a s e do nc h e c kp o i n t s w ei m p r o v e dt h ec o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c yb ya p p l y i n gt h e mt oa m p l i t u d e r e s e r v e dp r o c e s s i n gb a s e do nb i f o c a lv e r s i o no f c f p t e c h n o l o g y as e i s m i cd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nc f pt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do n l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，c o m b i n i n gac r o s s - p l a t f o r mc + + g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c el i b r a r yq t , u s i n gm i x e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e si n c l u d i n gc c + + a n df o r t r a n ，t h em u l t i - t r e a d t e c h n o l o g y , o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) t h i n k i n g ，e t e 。t h i sw i l l a l s op r o v i d ea s o l u t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fo t h e rs e i s m i cd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e w et e s t e di tu s i n g m o d e ld a t aa n df i e l dd a t a ，a n dg e tg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：c o m m o n f o c u sp o i n t ，p r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o n ，a m p l i t u d e - p r e s e r v e dp r o c e s s i n g ， p a r a l l e lc o m p u t i n g ，s y s t e mi n t e g r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：飞形侈 日期：唧年厂月爹日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于；保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：砌7 年 日期：籼予年 石月5 日 6 月! ，1 3 双聚型c f p 保幅处理及并行实现 创新点摘要 1 、充分考虑聚焦算子计算、算子振幅确定、能量补偿等方面，研究实现了基于射 线理论的双聚型c f p 保幅处理；采用有限差分走时计算确定聚焦算子的时间，并考虑了 算子振幅。通过聚焦算子更新、稳相原理的应用、菲聂耳带叠加、振幅补偿等技术保证 了处理结果的保幅性。 2 、提出并实现了基于波动方程波场延拓理论的双聚型c f p 保幅处理；研究了半波 动和全波动的c f p 处理技术，取得了较好的保幅效果。通过考虑波前扩散、地质条件的 影响，设计了消除采集效应和传播效应的保幅算子，通过改进傅立叶有限差分( f f d ) 的延拓算子，补偿了几何扩散损失引起的振幅误差。基于射线理论和基于波动方程波场 延拓技术的双聚型c f p 保幅处理均采用了摄动法更新算子的方法更新速度场，保证成像 的准确性和保幅性。 3 、根据双聚型c f p 保幅处理的过程，分析了存在的并行性，利用消息传递机制， 研究并行计算方法，提高计算效率。提出了基于数据并行的并行处理和基于检查点的主 从式并行处理，并分别对基于射线理论和基于波动方程波场延拓技术的双聚型c f p 保幅 处理按照提出的两种并行方式进行了并行化编程，取得了较好的并行效果。 4 、分析总结了c f p 处理技术的特点，形成一套基于c f p 技术的保幅处理流程。利 用l i n u x 操作系统环境的稳定、高效的特点，结合跨平台的c + + 图形用户界面库q t ，使 用c c h 和f o r t r a n 编程语言混合编程、多线程和面向对象等技术，开发了基于c f p 技 术的地震资料处理系统。该系统具有了初步的人机交互功能，较强的稳定性。同时，该 系统的实现也为地震资料处理软件的研发提供了一套解决方案。 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 随着各油气探区地震勘探和油气开发难度的增大、油气藏复杂性的增加，对地震勘 探精度的要求越来越高。工业界希望地震偏移在提供精确构造图像的同时，还要提供与 地下界面反射系数成比例的振幅信息，以便于后续的a v o a v p 分析等过程得到更确定 的岩性参数与储层信息。为使地震资料更好地为各油气田的勘探和开发服务，保幅性偏 移成像处理已经成为人们关注的重点和焦点。 有了保幅的地震偏移成像结果之后，地质科学家会结合构造成像剖面，对成像探区 进行构造和岩性解释，分析地下结构、层位和岩性等地质属性。然后利用这些解释来确 定井位。如果在成像过程中出现错误，如采用的速度场不准确，层位不对，都会使得构 造图及依据该图做出的解释出错，从而定井也出现偏差，因此成像质量的误差分析非常 重要，但是这种误差分析却很难给出。本论文引入的共聚焦点( c f p ，c o m m o nf o c u s p o i n t ) 技术【1 2 1 ，能够在计算过程中施行误差分析，以确保成像结果的正确性。 另外，在c f p 处理技术中，双聚型偏移是实现保幅型岩性成像的一种有效技术1 2 。 该类型的c f p 偏移，及后续a v p 分析，可以方便的实现岩性反演及其解释。c f p a v p 分析由于利用了所有有效信息、产生较少的干扰噪音和不需要正确的速度信息，是进行 叠前属性分析、油气储层预测和油藏动态监测的最佳方法。c f p a v p 分析就是基于双聚 型共聚焦点偏移( 一种矢量成像用于岩性与储层研究) 得出的保幅剖面，通过反射系数 随射线路径参数( 即水平慢度) 的变化规律进行油气储层研究，进而进行油气动态检测， 为下一步的油气开发提供可靠依据。 因此开展高效的，便捷的双聚型c f p 保幅处理研究对油气田各探区提高油气采收 率、达到直接增加油气产量和间接增加地质储量具有特别重要的现实意义。 在任何数值计算领域，计算效率是一个比较重要的问题。由于双聚型c f p 技术是对 地下逐个网格点进行处理，计算效率不高，为此本论文研究并行计算方法，提高计算效 率，以此保证双聚型c f p 保幅处理的高效可用性。 随着多年的研究，不管从理论上还是在算法实现上，c f p 技术都越来越完善。目前， 制约c f p 技术发展和大规模推广应用的原因，除了c f p 本身存在的技术问题以外，缺 少良好的用户界面也是原因之一。因此，开展基于c f p 技术的地震资料处理系统的研发 工作具有重要的现实意义。同时，该系统的实现也可以为地震资料处理软件的研发提供 第一章前言 了一套解决方案。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c f p 技术研究现状 在地震数据处理领域，上世纪6 0 年代开始引入数字处理技术；7 0 年代以时序处理 为特征，其输入和输出都是时间，例如统计反褶积、水平叠加和时间偏移等；8 0 年代波 动理论扮演主要角色，基于波场延拓的3 d 叠前深度偏移确立了自己在现代处理技术中 的重要地位。随着时间的推移，叠前深度偏移将继续得以改进，油藏描述也日益要求叠 前深度偏移技术能够提供随角度变化的反射信息。为了适应这种新的需求，共聚焦点技 术应运而生。b e r k h o u t ( 1 9 9 2 ) 首创面炮记录理论后 3 1 ，于1 9 9 7 年提出了共聚焦点( c f p ， c o m m o nf o c u sp o i n t ) 成像技术【1 - 2 ；其博士生t h o r b e c k e 用实际数据验证了c f p 技术多 方面的先进性【4 】。随后，c f p 技术有了较快发展和一定应用。国外，c f p 技术的理论、 方法和算法较为完善，并在叠前偏移、偏移速度建模、基准面重建和复杂地表静校正、 观测系统优化、层间多次波消除、岩性成像、多分量偏移、越o a v p 分析以及油 藏动态监测等方面得到了初步应用【5 剀。研究的重点集中在聚焦算子更新，算子振幅估 算，层析反演等方面的研究。国内，也正处在对c f p 技术理论和方法的全面研究中。研 究的重点集中在使用d t s 面板更新聚焦算子，速度反演，解决复杂近地表问题等方面 的研究【2 5 - 2 9 。 共聚焦点技术是一种基于等时原理，将k i r c h h o f f 积分法的一步偏移分两步聚焦来 完成( 即激发聚焦和检波聚焦的双聚焦偏移) 的叠前地震成像方法【l j 。依据激发聚焦和 检波聚焦的概念，通过等时原理，可以较好地实现复杂地质体的叠前偏移处理。其中的 检波聚焦是把炮记录转变成c f p 道集；而激发聚焦是把c f p 道集转变成叠前深度偏移 剖面。双聚焦过程中所依据的等时原理和差异时移( d t s ) 分析可以检验所用偏移速度 场的正确性和成像的聚焦性，这正是c f p 偏移技术的独到之处，是k i r c h h o f f 积分法叠 前偏移所不能做到的。在c f p 偏移中，通过时空域的零走时成像原理( c f p 偏移的共 聚型) 和r a d o n 域的零截距时间成像原理( c f p 偏移的双聚型) 分别实现构造成像( 角 平均的标量成像) 和岩性成像( 考虑a v o 的矢量成像) 。总体来讲，共聚焦点技术的优 势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) c f p 偏移技术是基于数据驱动的地震成像技术，它借助于两个连续且相互独 立的聚焦步骤，将叠前偏移与速度分析分离开来，该技术在精确成像的同时，很好的避 免了“速度难题”。所谓的“速度难题 实质上是无法将速度估算过程与相关的数据处 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 理( 如静校正、多次波消除、偏移成像等 过程分离开来【5 l 。 ( 2 ) c f p 偏移技术除了基于两步聚焦来实现偏移以外，而且还给出了一个中间结 果c f p 道集，通过c f p 道集和逆时聚焦的互相关得到的差异时移面板( d t s 面板) 进行速度误差的分析，实现用算子的更新代替传统的对速度模型的直接更新，最后经由 正确更新的聚焦算子反演出地下的速度模型。 ( 3 ) c f p 技术有共聚焦偏移和双聚焦偏移两种形式。共聚焦偏移通过时空域的零 走时成像原理实现构造成像；双聚焦偏移通过r a d o n 域的零截距时间成像原理实现岩性 成像，用于分析、得到岩石及其空隙等跟储层描述有关的信息。因此，利用c f p 技术可 以将偏移成像、速度分析以及储层描述的a v o 、a v p 分析结合起来。 虽然c f p 技术是理论上先进、应用前景广阔、具有较多优势的偏移技术。尤其是双 聚型c f p 技术与a v p 技术相结合，更是为解决地质情况复杂的地区的地震勘探与开发 提供了一种先进而且实用的新技术。但该技术存在许多未解决的难题： ( 1 ) 正确聚焦算子估算、自动更新及算子振幅的确定问题； ( 2 ) c f p 道集分辨率、c f p 响应位置的确定问题； ( 3 ) 算子的保幅性和保幅条件； ( 4 ) c f p 偏移的算法流程，计算效率问题； ( 5 ) 实际资料的适定性、适应性问题： 1 2 2 保幅处理研究现状 真振幅处理的目的是为解释保持地震数据中的振幅和相位信息，从而提供地下弹性 参数，为岩性解释服务。理论上讲所有地震处理都应该是“真振幅 的，但实际上很难 做到。但是，可以在处理的过程中采取各种措施，使得处理结果尽可能的接近“真振幅 ， 这种处理称为保幅处理。 保幅处理的研究开始于十九世纪八十年代。当时，建立在牢固的数学基础之上的 k i r c h h o f f 积分法可以对地下物性参数作定量分析，偏移剖面的振幅与局部的反射系数近 似成正比。 积分法偏移一直占据着理论上的优势，自二十世纪初开始，振幅保真的单程波方程 偏移理论开始出现，并在迅速发展中。目前，基于波动方程的保幅偏移方法主要集中在 单平方根方程保幅叠前深度偏移方法、双平方根方程保幅叠前深度偏移方法、角度域成 像方法研究等方面。考虑到c f p 法是基于数据而不是模型进行偏移，因此相对k i r c h h o f f 积分法具有较高的精度和保幅性以及较强的适应性，丽波动方程法的计算效率较低且对 3 第一章前言 速度深度模型依赖性强。另外，双聚型的c f p 偏移能够提供振幅随射线参数变化( a v p ) 的信息。 1 2 3 并行计算研究现状 并行计算已经在气象、邮电、通讯、生物工程、军事、数字地球等许多方面有了充 分的发展和应用。目前，应用最广的并行环境是微机机群( p cc l u s t e r ) 以及运行在环 境上的并行软件。微机机群( p cc l u s t e r ) 思想是来自1 9 9 4 年n a s a 肿c c 地球和空间 科学的b e o w u l f 项目，该项目的主要研究目的是能否在不花费过多经费的前提下用微机 群实现高性能计算。从2 0 世纪9 0 年代中期开始，国内外陆续开始p cc l u s t e r 技术的 研究，并已取得了可进行大规模工业应用的软硬件产品。目前，世界上已有很多研究机 构在从事p cc l u s t e r 研究。近几年，在地学领域，基于g p u 计算环境的并行研究成为 了热点。例如，总部设在休斯顿的s e i s m i c c i t y 公司正在采用n v i d i a t e s l a 聊s 1 0 7 01 u 系统来进行逆时偏移( r t m ) 的并行计算，从而提高计算效率。国内，g p u c p u 协同 并行处理也已经开始在地震资料处理领域使用。 并行计算在地震资料处理领域的应用研究很早就开始了。基于射线的、波动方程的 叠前、叠后的地震资料处理都已经开展了许多并行研究工作【7 8 8 刀。目前，p cc l u s t e r 已 经成为地球物理领域数据处理的主要计算力量。实际生产单位，也在充分利用并行地震 处理方法，解决问题。 1 3 论文主要研究内容和成果 论文中，进行了双聚型c f p 保幅处理的理论分析和方法研究工作，实现了基于射线 理论和基于波动方程波场延拓理论的双聚型c f p 保幅处理。 在基于射线理论的双聚型c f p 保幅处理的研究中，第一步聚焦利用有限差分走时计 算，等时原理( r a d o n 域等截距时间原理) 、差异时移分析和相位误差的对称性分析等 方法技术，研究计算聚焦算子、生成c f p 道集、确定共聚焦点响应位置和估算正确的 聚焦算子。为了使算子的振幅符合波场传播特征，把旅行时和振幅结合在一起，并应用 同态反褶积从模型或者实际资料中提取子波的方法，提高了算子的计算精度和分辨率； 为提高c f p 道集的分辨率和信噪比，采用基于稳相原理和菲涅尔带叠加的方法。在第二 步聚焦中，利用褶积和相关原理，生成网格点道集；借助于拉东变换和广义线性反演， 建立双聚型c f p 保幅偏移的定量关系，设计最优双聚型c f p 保幅偏移算子，实现了射 线理论保幅处理及其a v p 分析。 4 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 在基于波动方程的双聚型c f p 保幅处理的研究中，分别在两步聚焦过程中采用波场 延拓技术，实现了半波动和全波动的处理流程。在研究延拓过程中所使用的保幅偏移算 子时，通过考虑波前扩散、地质条件的影响，设计了消除采集效应和传播效应的保幅算 子。通过改进傅立叶有限差分( f f d ) 的延拓算子，补偿了几何扩散损失引起的振幅误 差。双聚型成像时，在如何提高网格点道集的信噪比，以及怎样优化a v p 分析结果， 更好更有效地提高结果保幅性的问题上，采用了加a 中值滤波，从地震炮记录中提出子 波等措施。通过以上技术，恢复了期望的反射系数，实现了保幅性偏移处理。 在以上两种处理过程中，通过分析d t s 面板，更新算子，逐步更新速度场，最终 解决了初始速度模型不准确的问题，保证了所求取的成像结果的正确性。研究证明，基 于射线理论与基于波动方程波场延拓理论的保幅处理相比，后者无论是处理结果的信噪 比和同相轴能量以及连续性都要优于前者，特别是对信噪比不是很高的实际资料，但是 计算效率较低。模型试算和实际数据试处理以及c f p a v p 分析结果都表明了基于射线 理论和基于波动方程波场延拓理论的双聚型c f p 保幅处理方法的有效性和实用性。 在c f p 保幅处理技术中，计算效率问题是阻碍其推广应用的一大瓶颈，本论文通过 改进算法，采用并行计算等方法提高了计算效率。根据并行计算的实现原理，利用消息 传递机制，研究并行计算方法，设计实现了适用于分布式共享内存并行计算机的基于数 据并行和基于检查点的主从式并行处理模式，并分别将其应用到双聚型c f p 保幅处理 上，提高了计算效率。 论文还分析总结了一套基于双聚型c f p 技术的保幅处理流程，基于l i n u x 操作系统， 结合跨平台的c + + 图形用户界面库q t ，使用c ，c 抖和f o r t r a n 编程语言混合编程、多线 程和面向对象等技术，研发了交互式c f p 保幅处理系统。该系统具有了初步的人机交互 功能，较强的稳定性，基本上可以满足实用的要求。 1 4 论文的组织结构 本论文的研究内容按下列七部分组织： 第一章是绪论。本章说明了论文的研究目的和意义，分析了c f p 技术，保幅处理及 并行计算的研究现状，并介绍了本论文研究内容、思路和取得的成果，最后是论文的组 织结构。 第二章是双聚型c f p 保幅处理理论分析。本章首先分析总结了c f p 处理技术，重 点分析了双聚型c f p 处理。对双聚型c f p 保幅处理中涉及到的几个问题进行了总结， 最后对双聚型c f p 保幅处理的速度更新问题进行了说明。 s 第一章前言 第三章是射线理论双聚型c f p 保幅处理。在本章的开始，提出了基于射线理论的双 聚型c f p 保幅处理流程，接下来分析了利用有限差分走时计算求取算子旅行时，以及具 体保幅算法的实现。其中，为提高c f p 道集的分辨率和信噪比，还讨论了采用基于稳相 原理和菲涅尔带叠加的方法。 第四章是波动方程法双聚型c f p 保幅处理。本章首先提出了基于波动方程波场延拓 理论的双聚型c f p 保幅处理，研究了半波动和全波动方法，并绘制了流程图。在探讨了 保幅延拓算子后，开展了辅助性的后处理及相关分析。 第五章是模型和实际资料的试处理。本章选取了平层，薄层，五层和岩丘模型以及 两处实际资料进行了试运算，验证了双聚型c f p 保幅处理算法流程的正确性和有效性。 第六章是双聚型c f p 保幅处理并行实现及系统研发。在本章并行实现部分，通过分 析双聚型c f p 保幅处理技术的并行特性，遵循并行程序设计原则，编程实现了完全基于 数据的并行处理和基于检查点技术的多次握手主从式并行处理，并进行了并行算法的优 劣评价。系统研发部分，从系统设计开始，分析了主要应用的技术，最后展示了部分图 形用户界面图。 最后是结论部分。该部分对论文的研究内容和成果进行了总结分析，提出了几点结 论和认识。 6 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第二章双聚型c f p 保幅处理理论分析 c f p 偏移技术是2 0 世纪9 0 年代b e r k h o u t 教授提出的，它是一种基于等时原理，将 k i r c h h o f f 积分法的一步偏移分两步聚焦来完成( 即激发聚焦和检波聚焦的双聚焦偏移) 的叠前地震成像方法。 c f p 技术借助于聚焦的概念来实现。所谓聚焦，就是将震源( 或检波器) 排列的响 应进行特殊的时延叠加，以得到想要的地质体反射率等信息。在2 0 世纪9 0 年代早期， “聚焦 是作为面向目标的波场合成的特殊形式来看待的。如果对上行波场也同下行波 场一样使用这一概念，地震偏移方程就可以用两步连续的数据聚焦过程( 激发聚焦和检 波聚焦) 来重新表达。c f p 技术中实现叠前偏移的两步聚焦过程是相互独立、可以转换 的。 需要明确的是，共聚焦点( c f p ) 与通常的共中心点、共反射点、共炮点、共检波点、 共偏移距及共角度道集等概念大相径庭。后者都有一个共性，即对经过预处理的地震记 录按照特定方式进行抽道：而c f p 则是采用聚焦算子对地震记录作加权叠加，并产生中 间输出c f p 道集和网格点道集，再利用这些道集和聚焦算子可以进行成像和速度分析 等处理。本论文中将要探讨的保幅处理就是以c f p 处理中的双聚型偏移为基础，研究基 于射线理论和波动方程波场延拓理论的保幅处理。在分析了c f p 技术基本的理论后，讨 论了双聚型c f p 处理技术，并分析了保幅型的c f p 处理技术。最后探讨了摄动法c f p 速度分析，并在本论文的处理研究中应用了该速度分析方法，以确保成像的准确性和保 幅性。 2 1 共聚焦点技术理论基础 共聚焦点成像是一种叠前深度成像技术，它是建立在b e r k h o u t 提出的一次反射波的 正演模型( w r w 模型) 基础上的，通过分别处理震源和下行传播效应，上行传播和接 收点效应，实现了求取反射系数的目的。 2 1 1 一次反射波的正演模型 a j b e r k h o u t 提出地震观测( 2 d ，3 d ) 的几何关系可以用图2 1 所示的数据矩阵来 表示【1 】。矩阵的每- - n 表示一个炮记录。对于不规则数据，各列数据是不规则的。叠前 偏移包括沿每- - n 的加权求和( 检波聚焦) 和沿每一行的加权求和( 激发聚焦) 。该矩 阵可直接用于地震处理中的统计算法和基于波动理论的数值算法。从理论上说，要假设 数据矩阵中的各个元素是规则采样值。 7 第= 章口聚型c f p 保幅齄4 目论分析 经过地面相关的预处理后( 消除直达波和自由表面的影响) ，对于每一傅立叶项( 或 拉普拉斯项) ，数据矩阵e ( z o ) 可以按照传播算子和反射算子表示为( 图2 - 2 ) ： p ( z o ) = d 一( z o ) x ( z o ，z o ) s + ( z o ) ( 2 - 1 ) 其中： x ( z o ，z o ) = f w 一( z o ，z ) r ( z ) w + ( z , z o ) d 2 ( 2 - 2 ) 圈2 - 1 三维地震观测的羲据矩阵 鞴醇- 1 d a t a m a t r i e o f 3 ds e i s m i cg e o m e t r y 方程( 2 1 ) 是离散形式( s + ，x ，d - 是矩阵算子) ，方程( 2 - 2 ) 是连续形式( w - , r ，w + 表示多维积分算子) 。在矩阵方程( 2 - i ) 中，对于一个震源点( 或面炮组合) t 震源矩 阵s + ( 岛) 的每一列表示在地面z 。处产生的下行震源波场；数据矩i 车p ( z 。) 对应的列向量 表示在检波点( 或面检波组合) 处得到的上行波场：检波矩阵d 。( 气) 的每一行表示一个 接收点( 或面检波组合) 处的( 组合) 算子：传递矩阵x ( 气，：。) 的每一个元素表示由单 l m 中国i 油大学( 华东) 博士学位站立 个炮点处单位震源产生，在单个接收点处得到的上行波场。对于积分方程( 2 - 2 ) ，对应 于地面的每一点毛和地下深度层f 的每一点之间，w + ( z ，：。) 的列向量和w ( 岛，力的行 向量表示下行和上行波场连续的一次波传播算子；r ( z ) 对应于在深度层z 处入射波场的 连续的反射算子( 圈2 - 2 所示) 。 m + + tm f - ：= = = = = ：= 、f - ：= = ：= _ = ：nr ：z i z = = 二nr ：= = = = = = ： l l f ：i ；： ：1f ：1f ： f ；p ( m ) i 】= i ；i9 _ 【。) i i i ix c m ，m ) i i ；ir ( a ) ；i 蟾影撕；一可撕 。姬，一影 p ( 匈) = 孕一( 如) 善( 却，匈) s + ( z o ) 蜀：囤期_ 扩型支黼“ 器( 岛，动) = 厂彤一( 锄，z ) 8 ( 刁旷c 劲) 如 = 三三孰 - _ 扛? 到 翼( 自，z o ) = w 一( z o ，) r ( ) w + ( ，自) 哦 圉2 - 2 三维一次波反射模型的涌量值( a ) 和传播矩阵( b c ) ，后 者是基于波传播的连续表示( b ) 和离散表示形式( c ) 。 m 9 2 - 2m e a s u r i n gv a l u 嘲) a a dp r o p a g a t i n gm a t r i c ( b ，0o f 3 df i r s t a r r i v a l w a v e ，( b 】i s t h ec o n t i u o u s f o r m ； ) i s t h e d i s c r e t e f o r m 下面，看一下方程( 2 - 2 ) 的离散形式。沿着纵坐标= 的积分变成求和多维积分算 子一，r ，+ 应由矩阵算子w + ，r ，w + 来代替( 图2 - 2 ) ： x ( 撕) 2 ；w 靠) 8 ( 2 m ) w 。) ( 2 - 3 ) 或者，将( 2 3 ) 与方程( 2 1 ) 合并： p ( 氐) = d 一( 却) ；【w 一( 气，) r ( ) w + ( ，毛) 】8 + ( 如) ( 2 4 ) 在方程( 2 - 4 ) 中，包括五个矩阵( 见图2 - 2 ) ，它们都具有图2 - 1 所示的结构。对于 ha“纠纠 + q ! w 一 ，ilinn