单程波动方程叠前深度偏移并行算法

1、单程波动方程叠前深度偏移并行算法    1引言波动方程叠前深度偏移技术在墨西哥湾地区的应用,成功地解决了海相地层中强横向变速盐丘构造的成像问题13,也为在世界各地的广泛应用提供了示范。但国外研究主要集中在海上海相地层构造的成像,而对陆上陆相地层构造的成像研究相对较少,尤其对炮域的单程波动方程叠前深度偏移的应用性研究更少46。国内波动方程叠前深度偏移理论研究源于20世纪80年代,90年代开始逐步推广应用,现在已成为油气田勘探开发中一项主流技术。本文主要介绍单程波动方程叠前深度偏移技术的实用性研究成果。2单程波动方程叠前深度偏移流程鉴于由国外引进的地震资料处

2、理系统中有关三维炮域波动方程叠前深度偏移软件还不成熟,因此本文以胜利油田物探研究院自主研发的“Stseis叠前深度成像处理软件系统”为依据,根据三维炮域单程波动方程的成像特点,确定了相关的处理流程(图1),其主要包括地震数据预处理、波动方程速度分析和波场外推成像3部分。2.1地震数据预处理为了消除地表条件和采集质量变化对成像质量的影响,在处理中采用了有针对性的处理方法和技术措施,在炮道集数据上解决噪声干扰问题,包括:地表一致性静校正、地表一致性振幅补偿、地表一致性区域异常噪声衰减、地表一致性反褶积和炮间能量一致性均衡等7,8。这些措施为后续三维炮域单程波动方程高精度成像提供了前提。2.2速度分

3、析速度分析是叠前深度偏移技术的核心内容,也是获得精确速度场的有效工具。叠前深度偏移技术的最大优势就是实现地震数据处理、解释一体化思想,将解释人员对地质构造的认识融入速度迭代修正与速度建模过程中9。本文在实际资料处理中使用的速度分析工具是自主研发的“Stseis叠前深度成像处理软件系统”中的垂向和沿层波动方程剩余速度分析模块1012。2.3单程波动方程成像单程波动方程偏移被广泛应用于二维、三维地震数据的叠后时间/深度偏移中。随着勘探难度的增加以及计算机软、硬件的发展,基于单程波动方程的叠前时间/深度偏移也越来越引起人们的关注1315。尤其是在复杂介质条件下,单程波动方程叠前深度偏移能取得优于传统

4、基尔霍夫偏移的成像效果,这基本上得到了工业界的广泛认同。同所有基于波场外推的偏移方法一样,单程波动方程偏移由波场外推与成像两步组成。成像的计算方法与过程相对简单,而波场外推则比较复杂波场外推的目的是消除地震波在介质中的传播效应,其核心是基于上、下行波动方程的传播算子。近10年来,为了提高单程波动方程偏移在复杂介质中的成像精度,许多学者对传播算子进行了大量研究并取得了重要进展1620。已有的单程波动方程偏移方法基本可以满足构造成像的需要。3单程波动方程波场外推并行计算与基尔霍夫积分法叠前深度偏移和共角度域叠前深度偏移相比,单程波动方程波场外推的计算量十分巨大,这也是阻碍其投入实际应用的一个主要原

5、因。为提高单程波动方程波场外推计算效率,文中采用主从模式负载动态平衡并行算法21,22。该算法适合多任务、多处理器的分布式微机集群,能够充分发挥微机集群的高速计算性能。即使采用并行处理,要完成大规模的生产性处理任务也需要很长的处理周期。所使用的处理器的个数越多、处理周期越长,作业就越容易意外中断。目前的微机集群并行处理系统还没有断点恢复功能,中断的作业必须从头开始。断点恢复技术也是世界级的研究难题。为此,我们提出一种软件级断点恢复方法,并在实际应用中获得了良好的应用效果,从而保证了大规模并行处理的顺利完成。3.1单程波动方程波场外推算法根据单程波动方程波场外推原理,构造出共炮道集数据混合域波场

6、外推与成像算法流程23,24(图2),此流程的特点在于:给定速度深度层速度模型、震源子波和深度外推间隔,在进行混合域单程算子波场外推时,充分利用快速傅里叶变换(FFT),提高计算效率。数据流的控制是将震源子波和炮道集数据分别进行FFT,按照数据观测的相对位置注入计算机内存。FFT的另一个好处是将时间域的信号转换到频率空间域,可减少数据量、节约计算机内存。在频率空间域根据不同算子进行时移项校正和补偿项校正。通过FFT,再将波场变换到频率波数域,按所选深度外推步长,进行相移波场外推。反复上述过程,将外推得到的波场按成像条件进行成像,直到完成所有深度层。最后输出单炮成像结果。图2共炮道集数据混合域波

7、场外推与成像算法流程3.2并行计算策略24单程波动方程波场外推算法和数据流非常适合粗粒度的任务级并行计算,处理器间的通讯较少。在实际生产单位的大型微机集群处理系统中,各个计算节点上可能有多个处理任务,且各节点的处理任务不等,负载极不平衡。鉴于以上特点,本文采用了主从模式动态负载平衡并行策略21,22(图3)。由图3可看出,主节点控制管理各从节点的任务和数据,根据从节点的负载状况和完成本作业的情况动态地向各从节点发送计算任务和数据,一般以每炮的计算量为一个任务。该并行策略可以充分利用多个处理节点的空闲资源,提高作业的计算效率。同时由于任务间的通讯少,该并行方式具有较高的并行效率和良好的可扩展性。

8、在并行计算中,数据输入/输出速度是并行策略必须研究的问题。分布式微机集群系统一般配有两种数据存储器:一种是共享的大容量高速网络数据存储器;另一种是容量由几十个GB到几百个GB的本地数据存储器。为了避免输入/输出瓶颈,提高读写速度,可将读写次数较多或量较大的数据放在各计算节点的本地存储器上,其他共享数据放在共享存储器上。在BS6地区的实际资料处理应用中,是将炮道集数据放在共享存储器上,主节点通过自主研发系统的标准数据接口分送到各个从节点;将速度场数据预先放置到各个从节点的本地存储器上;由于成像结果数据量一般比输入的炮道集数据量大得多,而且又与其他处理节点的运算结果没有联系,可写在本地存储器上。在

9、所有的处理任务完成以后,再由主节点将各个从节点的运算结果归约叠加,输出到共享存储器上。3.3软件级断点恢复策略24将混合域单程波动方程波场外推算法与上述并行计算策略相结合,实现了软件级断点恢复功能(图4)。由图4可看出断点恢复功能的工作原理为:在进行并行计算时,由主节点建立一个任务池和任务状态表,同时向从计算节点发送任务和任务状态;从计算节点接受任务后,先检查任务状态,再根据任务状态进行处理(如果任务状态为“未完成”,就完成当前任务,并修改任务状态,再向主节点请求下一个任务;否则,直接向主节点请求下一个任务);当作业失败重新启动时,主节点首先注入任务池和修改过的任务注册表,再按上述过程处理。图

10、4软件级断点恢复原理图示在处理BS6地区实际资料时,利用90个节点180个CPU进行了12d的并行计算。由于各种原因,计算中断过3次,但是利用此断点恢复技术,从而使处理顺利进行。4BS 6探区实际资料叠前成像BS6探区构造位于埕东、孤岛、陈家庄、义和庄等凸起之间,位于沾化凹陷东部的渤南洼陷内,南缓北陡,是一个多物源沉积区。深层潜山带被埕南、孤西等大断层及次级断层分割成多个断块。这些潜山断块具有有利的供油条件和储集空间(图5)。潜山带完钻的多口探井分别在奥陶系顶部获工业油流,在潜山内幕亦见到良好显示。因潜山带埋藏较深,断裂复杂,勘探风险较大,因此对地震资料的质量有较高的要求。本次资料处理的目标是

11、:精细落实埕南断层、孤西断层、孤北断层及其断裂系统;提高中生界、上古生界地震反射的分辨率和信噪比,落实其潜山形态及内幕构造,满足不整合油藏精细解释和砂体描述的需要;提高下古生界地层信噪比,满足潜山断块精细构造描述的需要。4.1叠前成像速度场建立利用三维炮域偏移输出的共成像点道集,采用基于炮检距的垂向和沿层波动方程剩余速度分析及模型迭代修正,得到了适合三维炮域波动方程叠前深度偏移的速度场(图6、图7)。4.2成像结果对比分析图8为由“Stseis叠前深度成像处理软件系统”得到的三维炮域叠前深度偏移处理成像结果。由图8可见:其分辨率和信噪比较高,断层、断点清晰;在某些构造细节上,反射层位接触关系合

12、理;埕南断层、孤西断层、孤北断层等断点干脆,断面波及断裂系统清晰;中生界、上古生界分辨率和信噪比较高,潜山形态及内幕构造成像清晰,层位地质含义明确;中生界、古生界内部非标准层反射层次清楚,能满足不整合油藏精细解释和砂体描述的需要;下古生界地层成像信噪比和分辨率较高,可基本满足潜山断块精细构造描述的需要。图9为由国外引进的“Views叠前深度偏移处理系统”输出的成像结果。对比图8与图9可见,虽然后者整体上也能够反映区域构造面貌,但前者对一些复杂构造细节的成像效果更好。5结束语根据单程波动方程波场外推原理,本文总结了共炮道集数据混合域波场外推与成像算法流程,借助胜利油田物探研究院自主研发的“Stseis叠前深度成像处理软件系统”,将单程波动方程偏移算子的研究成果转化为实际的处理能力。文中还采用了主从模式动态负载平衡并行算法,实际应用表明,该算法可以充分利用多个处理节点的空闲资源,提高作业的计算效率。同时,