（地质资源与工程专业论文）基于集群环境的剩余偏移方法研究.pdf

，”。： 。 一 “。“ “。2 。 。 ” 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：尘亟遮蝴 日期：加，年歹月多口日 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。 学位论文作者签名：j 蜱 指导教师签名：域 出复一 日期：加f r 年岁月多d 日 日期：劲f 年j 月；de l 哪x “i ，- 一 一? - “，v，“_j _ 一一- “ 摘要 对于复杂地下构造，现有的各种偏移方法各具特色，目前叠前深度偏移是公 认的地震成像最有效的技术之一。影响叠前深度偏移成像效果的一个重要因素就 是偏移速度。而偏移速度无法一次性的正确求取，所以需要利用剩余偏移方法对 剩余偏移速度进行偏移校正，不断地提升偏移精度，从而消除由于速度不准确造 成的偏移位置的误差。 论文对地震偏移方法和偏移速度进行了深入研究剖析，分析各方法的特点和 适用性，对叠前深度偏移方法进行充分的研究论证，提出了叠前深度偏移的具体 实现方法和处理流程。这种实用的叠前深度偏移方法就是稳态相f - e 相移偏移和 几何法剩余偏移相结合，能较好的适应偏移速度在横向上的剧烈变化。 论文在对叠前深度偏移所在域的选择、偏移方法和偏移步骤的选择进行深入 分析和总结后，提出了剩余偏移方法的实现方案，并对该方法进行了数理推导， 又对几何剩余偏移的合理性进行了充分的论证。得到这样一个结论：在f - k 相移 偏移之后做几何偏移是提高偏移成像精度的有效手段。做几何偏移的一个重要参 数是三维地层( 同相轴) 的产状和真倾角，采用三维曲面拟合技术获取。论文具 体介绍了三维曲面拟合的数理基础，并用m a r m o u s i 模型来检验剩余偏移方法的 有效性，对某复杂地质构造地区的地震资料进行了处理。资料处理的结果证明， 论文所采用的方法和实现技术路线是可行的、有效的。用剩余偏移方法对剩余速 度进行不断修正，提高精度，能比较精确地解决横向变速条件下三维空间的偏移 归位问题，从而为提供正确的钻井位置和钻探深度创造了条件，降低了勘探成本， 可为提高油气资源勘探精度提供一种技术手段。 由于波动方程叠前深度偏移计算量巨大，必须构建相应的高性能计算环境， 才能实现其工业化的应用。论文在对高性能计算环境的配置及应用进行深入研究 的基础上，构建了一个实用、有效的地震资料处理的松耦合微机计算集群，对建 立的集群做了性能测试，并对实际地震资料进行了处理。 关键词：叠前深度偏移；偏移速度；复合正交基；三维曲面拟合；时间一空间域 r e s e a r c ho fr e s i d u a lm i g r a t i o nb a s e do nc l u s t e r h ex u l i ( g e o l o g i cr e s o u r c ea n de 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 i a b s t r a c t f o rc o m p l e xu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s ，t h ee x i s t i n gv a r i o u so f f s e tm e t h o dh a si t s o w nl i m i t a t i o n ，a n dn o wp r e s t a c k d e p t hm i g r a t i o ni sr e g a r d e do n eo ft h em o s t e f f e c t i v et e c h n o l o g yi ns e i s m i ci m a g i n g m i g r a t i o nv e l o c i t yi sm o s ti m p o r t a n tf a c t o r f o rp r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o ni m a g i n g b u tt h em i g r a t i o nv e l o c i t yc a nn o tb ea c q u i r e d c o r r e c t l yi n o n et i m e ，s or e s i d u a l m i g r a t i o nm e t h o ds h o u l d b eu s e dt or e c t i f y m i g r a t i o nv e l o c i t y , i m p r o v i n ga c c u r a c yo fm i g r a t i o nc o n t i n u o u s l yi no r d e rt or e m o v e t 1 1 ee r r o ro fo f f s e t i nt h i s p a p e r , s e i s m i cm i g r a t i o na n dm i g r a t i o nv e l o c i t yr e s e a r c ha l ed o n e i n c l u d i n gt h em e t h o d so fc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b i l i t y m e t h o d so fp r e s t a c kd e p t h m i g r a t i o na r es t u d i e da d e q u a t e l y , p r o p o s i n gt h ep r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o no nt h e c o n c r e t em e t h o da n dp r o c e s s t h i sp r a c t i c a lp r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o ni s s t e a d y s t a t e p h a s ef ko f f s e t ，c o m b i n i n gt h er e s i d u a lm i g r a t i o nm e t h o dc a l la d a p tt om i g r a t i o n v e l o c i t yi nd r a s t i cc h a n g i n gm o r eb e a e r t h r o u g hd e e pa n a l y s i sa n ds u m m a r yo nt h et h es e l e c t i o no ff i e l di np r e s t a c k d e p t hm i g r a t i o n ，a n dt h em i g r a t i o no fm i g r a t i o ns t e p s ，t h er e s i d u a lm i g r a t i o n i m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sp u tf o r w a r d t h er a t i o n a l i t yo ft h eg e o m e t r i cr e s i d u a l m i g r a t i o nw a sf u l l yd e m o n s t r a t e d ac o n c l u s i o nw a ss u c hg e t ：i ti st h eb e s t c o m b i n a t i o ns e l e c t i o nf o rp r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o nw i t ht h es t e p s ，f i r s tf - kp h a s es h i f t s a n dt h e ng e o m e t r i cm i g r a t i o n o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro f g e o m e t r i cm i g r a t i o n i st h r e e d i m e n s i o n a ls t r a t aa n di t st r u ea n g l e t h e s ep a r a m e t e r sc a nb ea c q u i r e dw i t h 3 - dc u r v e d s u r f a c ef i t t i n gt e c h n i q u e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a t h e m a t i c a lb a s i so f 3 - dc u r v e d - s u r f a c ef i t t i n g t h em a r m o u s im o d e la n dac o m p l e xg e o l o g i c a ls t r u c t u r e a r e ao fs e i s m i cd a t aa r ep r o c e s s e di no r d e rt ot e s tt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o do f r e s i d u a lm i g r a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sc o r r e c ta n de f f e c t i v e l l t e c h n i c a lr o u t e u s er e s i d u a lm i g r a t i o nm e t h o dc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo fr e s i d u a l v e l o c i t y , c a nm o r eb e t t e rr e s o l v et h ep r o b l e mo fs p a c ep o s i t i o ni nt h ec o n d i t i o n so f l a t e r a lv e l o c i t y , s oa st op r o v i d et h ec o r r e c tp o s i t i o na n dd r i l l i n gd e p t ho fd r i l l i n g c o n d i t i o n s ，a n dr e d u c et h ec o s to fe x p l o r a t i o nf o ro i la n dg a sr e s o u r c e s ，p r o v i d e i m p o r t a n tt e c h n i c a lg u a r a n t e e t h e w a v ee q u a t i o np r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o nn e e d sl a r g ec o m p u t i n gr e s o u r c e h i g hc o m p u t i n ge n v i r o n m e n ti sn e c e s s a r yi ft h et e c h n o l o g yi su s e di n t os e i s m i cd a t a i n d u s t r yp r o c e s s al o o s ec o u p l i n gc o m p u t i n gc l u s t e rf o rs e i s m i cd a t ap r o c e s s i n ga r e b u i l to nt h eb a s eo fh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gr e s e a r c h t e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a t t h i sc l u s t e rh a sh i g he f f i c i e n c y k e y w o r d s ：p r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o n ；m i g r a t i o nv e l o c i t y ；c o m p o u n do r t h o g o n a l p o l y n o m i a l ；3 - dc u r v e d s u r f a c ef i t t i n g ；t i m e s p a c ed o m a i n i i i 性进行理论推导。 2 通过对“处理速度一的深入分析和研究，提出了初始偏移速度就是求取 动校正速度和三维曲面拟合求取三维地层产状两种技术的结合。通过剩余偏移 速度的求取和剩余几何偏移，可以不断的提升偏移成像的精度，从而达到高精 度三维变速成像的目的。 3 研究了旁射线理论推导出的c r s 面双曲参数方程，推导了对传统的动校正 速度的校正方程式，提出了求取多参数动校正速度和偏移速度的计算方法及 步骤，为剩余偏移和偏移叠加提供了较为精确的偏移速度和叠加速度，能够较好 的提高偏移精度和偏移叠加的质量。 4 构建了一个由十多个塔式服务器组成，以松藕合方式组成的硬件平台， 该集群性价比高，并行效率高，可满足叠前深度偏移海量计算的实际需求，能在 常规实验室环境下完成小规模的生产应用。 l v 二0 ，t 一，。x ， 一。一。“ “一“”“”。 目录 第一章绪论1 1 1 论文来源及研究的目的和意义1 1 2 论文所涉及的研究对象的现状以及本论文研究所要达到的目标2 1 2 1 波动方程叠前深度偏移的研究现状2 1 2 2 集群技术与叠前深度偏移相结合的研究现状3 。 1 3 论文的研究思路及主要内容4 1 4 论文取得的主要成果5 1 5 论文的创新点6 1 6 本章小结7 第二章现行各种偏移方法的综合分析8 2 1 偏移方法综述8 2 2 各类地震偏移方法的对比分析8 2 2 1 叠后偏移与叠前偏移8 2 2 2 时间偏移与深度偏移9 2 2 3 二维偏移与三维偏移9 2 3 基于波动方程的偏移1 0 2 3 1 波动方程偏移成像原理1 0 2 3 2 波动方程偏移的数学原理1 2 2 4 常用偏移方法1 4 2 4 1k i r c h h o f f 积分法1 5 2 4 2 有限差分( f d ) 法1 6 2 4 3 频率波数域偏移1 9 2 5 对叠前偏移的几点认识2 1 2 6 叠前深度偏移比叠前时间偏移具有更大的优越性2 l 2 7 本章小结2 6 第三章偏移速度的求取2 7 3 1 偏移速度分析方法综述2 7 3 2 偏移速度概念及常规速度分析2 9 v 3 2 1 成像速度2 9 3 2 2 常规的速度分析3 0 3 3 地震成像中常用的偏移速度分析3 3 3 3 1 利用扫描道集修正偏移速度的方法3 3 3 3 2 基于波动方程的叠前深度偏移速度分析3 4 3 4 处理速度概念的提出3 5 3 5 本论文偏移速度圪喀的求取3 9 3 5 1 动校正速度的求取3 9 3 5 2 初始偏移速度的获得3 9 3 5 3 第二次偏移速度的求取4 0 3 6 本章小结4 1 第四章叠前深度偏移和剩余偏移4 2 4 1 叠前深度偏移所在域的选择4 2 4 1 1 在c s p 域和c p , p 域偏移存在的问题4 2 4 1 2 解决的办法4 3 4 2 合成震源波场的数学描述4 4 4 3 偏移方法和偏移步骤的选择4 5 4 3 1 对积分法、差分法、卜k 法三种偏移方法的优缺点分析4 5 4 3 2 对积分和差分两种偏移方法中不足处的归纳4 7 4 4 本论文采用的偏移方法4 7 4 4 1 对卜k 相移偏移的数理剖析一一时移定理的拓展4 7 4 4 2 利用拓展的时延定理对f - k 相移偏移做几何解释4 8 4 4 3f _ k 偏移的另一种实现方式几何偏移4 9 4 4 4 合理偏移的思路5 0 4 5 几何偏移合理性的其他佐证5 0 4 6 不能用几何偏移完全代替波动方程偏移的理由5 1 4 7 在f k 相移偏移之后做几何偏移是最佳的组合选择5 2 4 7 1 用差分方法做剩余偏移的不足5 2 4 7 2 几何偏移做剩余偏移的优点5 3 v l 菇， 一 _ i ”、“” 一 “ 4 8f - k 相移偏移5 4 4 9 几何法剩余偏移5 5 4 9 1 三维剩余偏移移动量的求取5 6 4 9 2 移动量的方向和边界处理5 6 4 9 3 第二次剩余偏移5 7 4 1 0 本章小结5 7 第五章用三维曲面拟合技术获取地层产状和真倾角5 9 以及用多参数速度分析求取偏移速度5 9 5 1 三维曲面拟合的数理基础5 9 5 1 1 复合正交基的求取5 9 5 1 2 曲面的线性拟合6 1 5 1 3 曲面的双曲拟合6 2 5 1 4 曲面的挠曲拟合6 2 5 2 求取地层的真倾角6 3 5 3 用多参数速度分析来求取偏移速度6 4 5 4 本章小结6 9 第六章深度偏移和剩余偏移的测试：7 0 6 1 = a z m o u s i 模型的处理效果展示7 0 6 2 单层模型测试7 9 6 3 二维实际资料的处理效果及分析8 7 6 4 三维实际资料的处理效果及分析9 l 6 5 本章小结9 5 第七章高效能集群环境9 6 7 1 影响集群效率的因素9 6 7 2 集群的基本构建9 7 7 2 1 采用松耦合集群结构9 7 7 2 2p c 集群的主要配置9 8 7 2 3 集群网络架构9 9 7 2 4 采用的操作系统9 9 7 2 5 软件环境r s h 1 0 0 v i i 7 3 安装和配置并行文件系统l u s t r e 1 0 1 7 3 1 并行文件系统简介1 0 1 7 3 2 安装并行文件系统l u s t r e 1 0 2 7 4 安装和配置并行环境1 0 3 7 5 安装和配置集群作业调度系统1 0 4 7 6 集群系统的性能测试1 0 5 7 6 1l i n p a c k 测试1 0 5 7 6 2i o 效率测试1 0 7 7 6 3 剩余偏移并行效率测试1 0 8 7 7 本章小结1 0 9 结论1 1 0 参考文献1 1 1 博士在读期间取得的研究成果。1 2 1 博士在读期间参加的科研项目1 2 1 致 射1 2 2 作者简介1 2 3 v i l l 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第一章绪论 随着勘探开发的不断深入，油气勘探的重点正转向复杂地质条件的区域。现 有的偏移方法n 吲各有千秋，其中的一些方法还不z 丹, 匕- , ，, k e i 好的解决地下构造的空间 归位问题，因此有必要开展更有效的偏移方法研究，剩余偏移方法就应运而生。 剩余偏移就是对偏移数据体用剩余速度进行一次偏移校正，从而消除由于速度不 准确而造成的偏移位置的误差以及偏移后叠加效果的不佳，可以说，利用剩余偏 移可以不断提升偏移精度。因而，在进行剩余偏移前，先做叠前深度偏移，在获 取合理的偏移速度后结合剩余偏移技术的综合应用和研究，就能获取比较理想的 地下油气藏的三维空间形态，从而为提供正确的钻井位置和钻探深度创造了条 件，可降低勘探风险和勘探成本，为提高油气资源勘探精度提供了一种技术手段。 由于地震资料数据庞大、求解波动方程叠前深度偏移的计算量巨大，因此需 要高速、有效、稳定的计算环境来完成相应的工作，本论文还将对相应的计算环 境进行研究。 1 1 论文来源及研究的目的和意义 本论文来源于中石化江苏油田富民三维地震资料叠前偏移处理项目。 地震常规处理多数是假设在较理想的状态下，例如均匀介质或水平层状介质 为前提，对于缓变介质或不太复杂的构造而言，可以获得令人满意的成像效果。 但是对于地质构造复杂的情况，如岩性构造、深层构造和隐蔽油气藏等等，在地 层倾角较大、横向速度变化剧烈的情况下，采用常规处理就很难达到正确的偏移 成像盯吲。对复杂地质构造的地震成像，目前普遍认为最有效的处理方法是采用 叠前深度偏移技术来实现。叠前深度偏移是先偏移后叠加，因此适合构造复杂、 速度横向变化大的地下地质体成像n 别。由于复杂的地下地质构造可导致速度变 化难以计算，而叠加及偏移成像的质量很大程度上取决于地下介质速度的准确与 否，因此偏移速度的精确是获得精确的地震成像的保障。而叠前深度偏移处理无 法一次性计算出正确的偏移速度，因此需要对偏移速度进行不断的修正，提高偏 移速度的精度，剩余偏移方法的研究就是在此背景下开展的，从而为复杂构造的 正确偏移成像开辟了有效的途径。 1 第一章绪论 1 2 论文所涉及的研究对象的现状以及本论文研究所要达到的目标 本论文对实现高精度的偏移进行分析，主要对波动方程叠前深度偏移的实现 及其偏移速度的提取进行深入的研究，并最终提出了实现的步骤和一般流程。由 于波动方程偏移计算量巨大，因而为了配合其海量计算，还对相应的硬件平台和 相关的操作系统进行了深入的研究，并构建了一个简易高效的的计算平台。从而 使软硬件的需求互促互进：海量计算的需求促进了硬件平台及其相关的软硬件系 统环境的完善，而软硬件环境的不断完善反过来又保证和加速了对叠前深度偏移 的研究进程。 1 2 1 波动方程叠前深度偏移的研究现状 偏移成像技术起源于2 0 世纪中期，先后经历了从叠后到叠前、从时间域到 深度域、从二维到三维的发展历程。早期的叠前偏移研究主要集中于基于 k i r c h h o f f 积分的各种实现n 3 1 ，之后基于微分解的波动方程叠前深度偏移方法 技术得到了迅猛的发展。在偏移速度方面，主要有深度聚焦分析( d f a ) 1 5 - 1 9 、剩 余曲率分析( r c a ) 1 和基于共聚焦点( c f p ) 乜卜2 3 1 的速度分析方法等。 叠前偏移技术早在二十世纪七十年代就已提出，由于当时的计算环境无法承 受其庞大的计算量，而且叠前记录的信噪比较低、偏移的初始模型又很难确定， 所以对它的深入研究一直未能广泛开展。直n - - 十世纪九十年代，随着计算机技 术的迅猛发展，叠前偏移才开始应用于油气勘探地震数据的精细处理中。局限于 早期的计算机的计算性能有限，人们对于叠前偏移过程的实现，首先想到的是使 用一种快捷的算法来实现，以便节约机时。基于射线的k i r c h h o f f 积分法，依靠 射线追踪获得成像所需的旅行时，不受反射界而顷角限制，计算效率高、灵活， 很快成为了叠前偏移方法研究的热点，并且迅速推出了应用软件，广泛应用于各 油田现场。在工业化现场应用中，k i r c h h o f f 积分法叠前偏移成像效果也确实优 于常规偏移的成像效果。然而，对于复杂地质构造的准确成像，k i r c h h o f f 积分 法仍有其局限性。随后，发展出了有限差分法直接求解方程的k i r c h h o f f 积分偏 移方法。这类方法可以提高旅行时场的精度，但是通常情况下仅能计算初至旅行 时，而对于复杂速度场中存在的多至走时现象仍然无法处理，这样就影响了 k i r c h h o f f 积分偏移在复杂地质体的成像效果。基于这些原因，人们开展了对新 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 偏移方法的探索，波动方程叠前深度偏移技术因此被广泛研究。 基于波动方程偏移的理论是建立在波场的反向外推技术之上的，它能解决强 横向变速条件下复杂地质体的地震波成像问题。因此，数年来人们对波动方程叠 前偏移进行了大量的研究。张关泉等人提出对单程波方程的系数进行优化，以便 提高低阶方程的成像精度。c l a e r b o u t 提出了一种在地震成像中广泛应用的方法， 不使用单程波的半圆频散关系，而是用抛物线的频散方程。s t o f f a 提出分步傅立 叶偏移方法，这种方法的实现分为两步：先对常速度波场用相移法进行波场延拓， 再针对变速扰动引起的时差进行时移校正。这种方法适用于非剧烈变速情况下的 深度偏移成像，成像效果很好。f - k 域偏移方法由s t o l t 首次提出，但是只能应用 于常速介质中，经过改进，f - k 偏移能够实现横向变速，但也只能适应横向变速 较为缓慢的介质。g a z d a g 和s g u a z z e r o 在1 9 8 4 年研究出相移加插值偏移，目的是 使相移法适应横向速度变化。遗憾的是这个方法缺乏理论基础，而且计算工作量 相当大。r i s t o w 等提出了傅立叶有限差分深度偏移成像方法。它是在分步傅立叶 方法的基础上，通过增加一个有限差分项，对时差进行校正。王华忠瞻朝提出了 一种在时空域进行的有限差分深度偏移算法，该算法采用共扼梯度法对常规方程 进行优化。 尽管如此，不论是哪种偏移方法，都有各自的适用性和局限性，对于深层地 质构造的准确成像，处理得始终不理想。这是因为，对于深层而言，由于地震反 射波速度较大，形成比浅层平缓得多的时距曲线，这种平缓的时距曲线不利于进 行速度分析一1 。时距曲线越平缓，动校正时差就越小，从而导致叠加速度的误 差也越大，速度分析的精度就越低，这是导致深层资料不容易处理好的主要原因。 本论文将在研究偏移方法的基础上，针对以上一些存在的问题，提出相应的解决 方法。并结合了软硬件环境平台的深入研究，使叠前深度偏移能付诸实现。 1 2 2 集群技术与叠前深度偏移相结合的研究现状 叠前深度偏移的突出特点：一是数据量巨大，二是运算量庞大。它对计算机 计算性能和存储能力以及网络带宽的需求非常苛刻，可以说，它的需求和其它许 多领域相比，遥遥领先。当前各项石油科技技术的发展都离不开计算机技术的支 持，大规模油气勘探开发对计算机技术的需求是无止境的。 3 第一章绪论 采用集群技术不仅能够满足大规模的地震数据处理需求，而且能耗相对较 低，节约成本。我国地震数据处理领域对计算机技术的研究发展至今已经已有 3 0 余年的历史。如今，基于集群环境的地震数据处理中心己在各石油部门得到 广泛推广和应用。2 0 世纪9 0 年代末，基于客户朋艮务器模式的i n t e r n e t 地震数 据处理系统开始出现，随后网格技术也在石油领域得到应用。现在，全球石油行 业已经广泛使用集群计算环境进行勘探开发。 现有的用于地震资料处理的集群模式大多是采用刀片服务器，这类集群有着 明显的优点：可用性好、可管理性强、良好的服务支持等等，因此刀片服务器在 各大油田已获得广泛应用。但是由于经费所限，本论文的研究内容是在基于传统 的塔式服务器集群上开展的，因此将对这类集群技术进行深入分析和研究，并构 建高性能计算环境，使之在简单的机房条件下，以低能耗、低成本的软硬件配置， 能够较长时间的稳定运行，完成较大面积的三维地震资料叠前深度偏移处理的任 务。 1 3 论文的研究思路及主要内容 论文在叙述了研究叠前深度偏移的目的及其现实意义之后，对研究主体的研 究现状进行了简明扼要的介绍，并阐明了开展此项研究所要达到的目标。 在此基础上，对本课题所涉及的各种偏移方法及其相应技术进行全面了解、 对比和分析，这就是第2 章的内容。在对比分析的基础上，指出了叠前偏移相对 叠后偏移有诸多优越性，而叠前偏移中，叠前深度偏移和叠前时间偏移相比，又 具有更大的优越性，从而明确了本论文所确定的研究主题的合理性和科学性。这 个研究主题，就是如何进行叠前深度偏移，如何做好叠前深度偏移。 叠前深度偏移的核心不在于深度偏移的本身，而是偏移速度的正确提取和合 理应用。论文的第3 章对各种速度求取方法及其相应技术进行了全面的了解和分 析研究，在此基础上，提出了本论文所定义的“处理速度 这一概念，并对“处 理速度 范畴内的各种速度白争求取进行了初步的论述。从第3 章悬开始进入了 本论文所研究和论述的主体部分。 速度是偏移的最主要参数，研究和论述偏移就离不开对速度的研究和论述， 所以第4 章通过对叠前深度偏移的深入研究，对偏移速度也同时进行了深入的探 4 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 讨。为了减少偏移中边界条件的影响，引入了合成震源的概念，而合成震源的理 论基础就是w r w 模型，因此，对w r w 的物理意义进行了剖析和论述，从而奠定了 在共炮检距域进行叠前深度偏移的理论基础，并且确定了在共炮检距域进行叠前 深度偏移的流程。 通过对三种传统的偏移方法的各自局限性的研究和分析，提出了本论文所采 用的偏移方法：即通过f - k 相移偏移和几何剩余偏移来实现高精度的叠前深度偏 移，并对几何偏移的理论基础进行了探讨和论证，最终付诸实施。 为了让偏移及其偏移速度更具有理论上的完整性和实用性，所以在第5 章对 速度的求取以及几何偏移中对剩余偏移量求取所依赖的一个重要参数：地层的三 维产状参数韵获取，进行了数学上的严格推导和物理意义上的明确阐述，并将其 用于多参数速度分析。 这样，第三、四、五章就构成了本论文研究课题的核心，第六章通过m a r m o u s i 模型处理展示和单层模型测试以及实际资料的处理结果，验证了本论文研究成果 的正确性和实用性。 为满足叠前深度偏移海量计算的需求，必须构建一个高性能的硬件平台以及 相应的软硬件环境，第七章专门对此平台的构建、系统软件性能及其环境的建立 进行详细的论述和介绍。 1 4 论文取得的主要成果 在对国内外地震资料处理中各种偏移方法的研究和对比分析的基础上，提 出了叠前深度偏移的具体实现方法和处理流程。这种实用的叠前深度偏移方法就 是稳态相f - k 相移偏移和几何法剩余偏移的相结合，从而避开了积分法中不易确 定孔径大小的难题，也避开了差分法中差分精度及其频散的问题，也避开了f _ k 偏移中只能纵向变速却不能横向变速的局限。事实上，积分法在偏移孔径范围内 的横向变速以及差分法的横向变速，也受到了诸多局限，所以无论是差分法还是 积分法都不能很好地适应横向偏移速度的剧烈变化。而f - k 偏移和几何剩余偏移 两者的结合，却能较好的适应偏移速度在横向上的剧烈变化。 偏移速度的求取是本论文取得的另一个主要成果，这一成果与以上成果两者 配合起来就较好的解决了偏移成像的精度。偏移速度的求取，包括“处理速度” 5 第一章绪论 概念的提出、初始偏移速度的求取、三维地层产状的求取、均方根速度的获得以 及剩余偏移速度的迭代求取等等。这样，就使得偏移所涉及到的最主要的参数， 即偏移速度的求取进入到一个可以实现并易于操作的实用阶段。 论文取得的第三个成果就是为服务于叠前深度偏移而配套建立的硬件平台 及其相应的软硬件环境，该硬件平台所用集群由十多台塔式服务器以松藕合方式 组成，易于散热，所在机房也非常简易，就是普通的办公室。由于塔式服务器类 似于p c 机，发展非常迅猛，价格下降迅速，所以这种松藕合的集群，可以充分 利用计算机市场的这种优势，不断地降低硬件平台的成本，整个硬件平台的能耗 也非常低廉。 1 5 论文的创新点 1 提出了有效可行的偏移实现方法：先进行纵向上变速、横向上不变速的 f k 相移偏移，再做剩余几何偏移，可以避开用差分代替微分解波动方程所造成 的误差，又能克服f - k 相移偏移不能适应横向变速的局限，并对几何偏移的合理 性进行理论推导。 2 通过对“处理速度”的深入分析和研究，提出了初始偏移速度就是求取 动校正速度和三维曲面拟合求取三维地层产状两种技术的结合。通过剩余偏移 速度的求取和剩余几何偏移，可以不断的提升偏移成像的精度，从而达到高精 度三维变速成像的目的。 3 研究了旁射线理论推导出的c r s 面双曲参数方程，推导了对传统的动校正 速度。的校正方程式，提出了求取多参数动校正速度和偏移速度的计算方法及 步骤，为剩余偏移和偏移叠加提供了较为精确的偏移速度和叠加速度，能够较好 的提高偏移精度和偏移叠加的质量。 4 根据叠前深度偏移海量计算的实际需求，构建了一个由十多个塔式服务 器组成，以松藕合方式组成的硬件平台，该集群性价比高，并行效率高，能在常 规实验室环境下完成小规模的生产应用。该硬件平台有以下一些特色： ( 1 ) 能稳定、高效地一次性完成数十平方公里的三维地震资料的处理，处理 方式既可以是单块三维区块叠前深度偏移的处理，也可以是多区块、连片叠前 深度偏移处理。 6 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 ( 2 ) 机房场地环境要求简单，一般的办公室环境就可以满足要求，能耗量与 具有相同处理能力的大机群相比，要低很多，相当于一个大型计算机实验室的 能耗量。 ( 3 ) 能及时跟随硬件性能提升迅猛，而价格下降迅速的计算机市场，可以达 到用性价比最佳的计算机来提升硬件平台的整体性能的目标，不断地降低硬件 平台的成本水平。 1 6 本章小结 本章1 1 节从论文研究的目的和意义着手，说明开展剩余偏移研究的必要性 和可行性；1 2 节介绍了波动方程叠前深度偏移的研究现状。求解波动方程需要 巨量计算，1 3 节介绍了集群技术在石油勘探领域的研究现状。1 4 节详细介绍了 本论文的研究思路和主要研究内容，1 5 节列出了论文研究取得的主要成果，1 6 节对论文的五个创新点进行归纳。本章是整个论文的总纲，1 3 节是论文研究的 内容和展开思路，1 4 节和1 5 节将论文取得的成果和创新点凸现了出来，论文的 以下章节就是围绕着1 3 、1 4 和1 5 论述的内容全面展开的。 7 第_ 二章现行各种偏移方法的综合分析 第二章现行各种偏移方法的综合分析 地震偏移成像的原理是用数学的方法对地球内部介质的分布情况进行描述， 通过数学推导计算出单程波外推算子，再利用该算子进行波场外推，最终提取成 像值。这个过程就描述了地震偏移成像的本质，通过偏移成像，得到地下结构的 图像。 2 1 偏移方法综述 当前的地震偏移方法方法种类繁多，大致可这样来划分b 1 ： 1 二维偏移和三维偏移 2 时一空域、频率一波数域等 空间维数角度： 数据域角度； 3 有限差分法、积分法和差分法等一一数值计算角度； 4 叠前偏移与叠后偏移一一叠加先后角度。 各种偏移方法可以从不同角度对其进行划分，这些偏移方法也可以互相组 合，成为多种甚至上百种的地震偏移新方法。这些地震偏移方法对不同的地质构 造条件有其适用性和局限性。 2 2 各类地震偏移方法的对比分析 2 2 1 叠后偏移与叠前偏移 叠后偏移是先叠加后偏移，叠前偏移是先偏移再叠加，这两种方法都是为了 获得地下地质构造的准确图像。两者依据的模型不同：叠后偏移以水平层状介质 模型为基础，在共中心点叠加数据上进行零炮检距剖面偏移，这种叠加的速度模 型也只能是层状介质型的；叠前偏移的叠加依据的模型是任意的非水平层状介质 的，是共反射点反射波的叠加。 显然，叠前偏移依据的叠加模型更具有普遍性，其成像结果应该比叠后偏移 的图像在空间位置上更准确。 但是在实际地震资料处理过程中，有很多处理出来的叠前地震偏移剖面成像 质量很好，可是所表现出的地质构造的可信度却非常低，也就是说叠后偏移剖面 8 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 反而优于叠前偏移剖面。主要原因是：无论采用叠前偏移还是叠后偏移，都要求 地震记录具有一定的信噪比，才能够偏移出比较正确的结果。如果叠加前地震记 录的信噪比低，那么叠前偏移结果往往是不正确的。因此，对于地质条件不十分 复杂的情况，如果地震记录的信噪比较低，采用先水平叠加再叠后偏移的处理步 骤，其结果有时反而会优于叠前偏移。 2 2 2 时间偏移与深度偏移 时间偏移适用于速度横向变化不大的情况。深度偏移适用于速度变化大、地 层倾角陡的地质情况。如果速度的横向变化剧烈，时间偏移的结果通常是不正确 的，需要进行深度偏移。已有很多前辈通过模型试验证实了这个问题1 。因此 可以说时间偏移剖面只能反映构造的形态、位置，但不能确切表示界面的深度和 产状，要得到正确的空间位置，必须进行时深转换，通过深度偏移来求得。对水 平叠加剖面先作偏移，再进行时深转换。对偏移剖面，可直接用下式进行： h = 抄，。 h 是深度，矿是平均速度，t 。是回声时间。时深转换一般采用平均速度，也 可用层速度逐层求层厚度。 但是，在实际应用中这种方法往往达不到理想效果，其原因在于深度偏移更 依赖于速度模型，速度模型的准确与否决定着深度偏移成像结果的精确度。如果 速度模型不正确，那么深度偏移后成像质量远不如时间偏移，而且偏移位置不正 确。在应用波动方程进行深度偏移时，速度模型的确定性及准确性表现得尤为重 要。所以应用波动方程进行深度偏移时，需要对偏移速度进行不断的校正，这正 是本论文的主要研究内容。 2 2 3 二维偏移与三维偏移 从原理上讲，现实世界中的地质构造总是三维的，通过三维偏移可以将来自 三维空间的地震反射波偏移到产生它们的地下位置点上去，所以三维偏移结果应 当优于二维偏移结果。早期，较为实用的三维偏移方法计算比较简单，属于三维 叠后时间偏移h h 别，分为两步实现：先沿着纵测线y 方向做二维偏移，再沿横测 9 第一二章现行各种偏移方法的综合分析 线x 方向做二维偏移，做完这两次二维偏移后，就得到三维偏移的结果。这种三 维偏移方法只有在常速情况下才是正确的n 3 叫4 l ，适用性较差，但是简单、计算速 度快。三维叠前偏移有的做法也是有分两步进行的：先在x 方向上进行二维叠前 深度偏移，然后在y 方向上做二维叠后深度偏移。显然，这种三维叠前深度偏移 只能是一种近似