井间地震数据的波动方程偏移成像_图文

1、第51卷第3期2008年5月地 球 物 理 学 报CH IN ESE JOU R N AL OF GEO PH YSICSVo l. 51, N o. 3M ay, 2008严建文, 方伍宝, 曹 辉等. 井间地震数据的波动方程偏移成像. 地球物理学报, 2008, 51(3 :908914Yan J W, F ang W B, Cao H, et al. Wave equatio n mig ration imag ing o f cro ss w ell seismic dat a. Chinese J . Geop hy s. (in Chinese , 2008, 51(3 :9089

2、14井间地震数据的波动方程偏移成像严建文1, 2, 方伍宝2, 曹 辉2, 郭全仕21中国地质大学(武汉 资源学院, 武汉 4300742中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所, 南京 210014摘 要 针对井间地震数据成像技术的一些缺陷并根据井间地震数据的特点, 利用井间上、下行反射波信息, 提出了一种基于波动方程的井间地震反射波偏移成像技术, 该技术既考虑了井间地震数据的运动学特征(时间信息 , 又考虑了动力学特征(振幅信息 . 以PC 机集群为计算平台, L inux 为操作系统, 设计了井间地震炮域波动方程偏移成像并行计算流程, 并且在64位联想机群上用井间模型数据和某油田的实

3、际数据对该技术和计算流程进行了测试和试处理, 试验结果表明成像方法和并行算法正确、实用且计算效率高. 关键词 井间地震, 井间反射波, 波动方程, 并行计算, 偏移成像文章编号 0001 5733(2008 03 0908 07中图分类号 P631收稿日期2007 04 04, 2008 02 15收修定稿Wave equation migration imaging of cross well seismic dataYAN Jian Wen 1, 2, FANG Wu Bao 2, CAO H ui 2, GUO Quan Shi 21S chool of Resources, China

4、 Univer sity of Geosciences , Wuhan 430074, China2I nstitute of Geop hy sical Pr osp ectin g , S I NOP EC Research I nstitu te of P etr oleu m E xp lor ation and Develop ment, N anj ing 210014, Ch inaAbstract Aiming at the defects of cro ss w ell imaging, combined w ith the characteristics of cross

5、w ell seism ic data, a cross w ell seismic reflection mig ration imag ing technique w as developed byutilizing the up g oing and dow n going reflection infor mation. The technique has considered the kinem atics char acteristics (tim e info rmation and the kinetics char acteristics (amplitude informa

6、tion o f cro ss w ell data. Taking PC gro up as calculation platform and Linux as o peration system , the w o rkflow of parallel com putation w as developed. The technique and com putation pro gram w ere tested and prepro cessed on 64bit Lianx iang co mputer gr oup by using cro ss w ell model data a

7、nd actual data from o ne oilfield. T he results show that the m ethod and parallel com putation is correct and feasible, and has high computational efficiency.Keywords Cro ss w ell seismic, Cross w ell reflectio n, Wav e equation, Par allel computation,M igration imaging1 引 言井间地震技术自20世纪70年代引入油气勘探行业以

8、来, 其发展经历了三个阶段13:70年代初基金项目 国家863计划课题(2006AA06Z205 资助.至80年代初的引入阶段、80年代初至90年代初的模型试验、方法研究、野外采集试验阶段和90年代以来的实际应用阶段. 井间地震主要包括井间地震资料的采集、处理和解释. 井间地震资料处理主要涉作者简介 严建文, 男, 1966年生, 高级工程师, 现为中国地质大学(武汉 在读博士生, 主要从事油气地球物理技术发展水平跟踪研究工作.net及去噪、初至拾取、波场分离、速度分析、速度模型建立、层析成像和偏移成像等技术. 资料解释主要涉及与测井、VSP 、地质和地面地震资料的联合解释.井间地震数据成像技

9、术发展较快的是井间层析成像(井间CT 技术4, 分为初至波层析成像技术和反射波层析成像技术. 目前利用初至波时间信息的层析成像(反演 技术已基本上达到了实用的程度, 而利用初至波振幅信息的层析成像技术和利用反射波时间信息的层析成像技术仍处于发展阶段. 井间地震反射波资料处理主要由预处理、反射波场分离、反射波成像三部分组成5. 反射成像则是利用走时场延拓成像和偏移成像6、VSP CDP 成像等技术, 将分离出的上、下行反射波转换成类似于地面地震资料的井间地震反射波剖面. 在井间地震反射波成像中, VSP CDP 成图方法是通常采用的方法710, VSP CDP 成图的优点是算法稳定、容易实现,

10、但其缺点也很明显, 主要原因是该方法基于水平层状常速介质假设, 因而成像精度较低. Byun 等11和Yu 等12限差分法等, 这类方法在偏移成像过程中既考虑了地震波的运动学特征(时间信息 , 又考虑了地震波的动力学特征(振幅信息 , 所以能够适用于复杂地质情况, 成像精度高, 地震波振幅保持好. 由于随着计算机技术的飞速发展和波动方程偏移成像算法的改进和优化, 长期以来困扰我们的低计算效率问题已初步得到解决. 本文采用当前成像精度高的炮域波动方程叠前深度偏移成像技术.该方法从单程波波动方程出发:=z22-v 2(x , z 22U(x , z , t ,(1其中U(x , z , t 为地震

11、波场, v(x , z 为介质速度, 符号分别对应反射波场和震源波场.地震波场的一般外推公式如下:-i k zU (x , z , =U(x , z , ! e z , 其中, z =z + z , k z =(2-k x , k x 为横向波数,在VSP CDP 成图方法的基础上, 再进为圆频率, z 为外推步长, U(x , z 为(x , z , 处的波场, U (x , z , 为外推到(x , z 处的波场.在井间地震资料应用中, 先分别对震源波场和反射波场进行延拓.震源波场延拓公式为:U =W 1W 2U S (x , z , , S (x , z ,反射波场延拓公式为:U P (

12、x , z , =W 1W 2U P (x , z , , (4其中, W 1, W 1为边界条件算子, W 2, W 2为延拓算子.然后成像, 其成像条件如下:M (x , z =N s=1行成图后偏移, 其成像质量虽然稍有提高, 但仍没有解决根本性的问题. 因为成图后偏移方法是基于常速情况下的绕射叠加, 主要处理边界的影响. 本文针对井间成像技术的一些缺陷并根据井间数据的特点开发出了一种基于炮域波动方程叠前深度偏移技术的井间地震反射数据偏移成像技术, 该技术既考虑了井间资料的运动学特征(时间信息 , 又考虑了其动力学特征(振幅信息 , 因而适合于复杂构造和横向变速介质, 相对于常规方法来说

13、其成像精度较高. 应用该技术对复杂模型数据和某油田的实际数据进行了处理, 成像结果清楚地反映了有关的地质特征.(3#U (x , z , USnnP *(x , z , d . (5即在一定的频率范围内, 对成像空间涉及的所有炮记录的震源延拓波场与反射延拓波场的复共轭进行相关求和. 其中, U S (x , z , 为震源延拓波场, U P *(x , z , 为反射延拓波场的复共轭, 0, n 为成像的角频率范围, n 为总的偏移炮数.一般情况下, 当前的波动方程叠前偏移成像方法针对上行反射波, 而对于井间下行反射波, 就要对成像空间进行变换, 使得波动方程叠前偏移成像方法适应于井间下行反射

14、资料. 根据上述井间偏移成像原理我们开发出了井间上行反射波和下行反射波波动方程深度偏移成像技术.2 方法原理叠前地震偏移成像技术按方法主要分为两大类, 即Kirchhoff 积分法和波动方程延拓法. Kir chhoff 积分法根据射线追踪等获得偏移成像所需的走时信息, 可以对陡倾角反射层进行成像, 对观测系统适应能力强, 计算效率高, 但在复杂地质条件下, 地震波的多路径问题难以解决, 在地震波振幅保持成像方面难度也较大. 波动方程延拓法1319包括频率波数域(F K 方法和有限差分法, 以及当前将F K 法的计算速度优势和有限差分法的计算精度优势相结合形成一系列新的偏移方法, 如分步傅里3

15、 计算并行化要问题, 目前一种有效的解决方法就是进行并行计算. 尽管许多学者在这一领域开展了很多研究, 但仍存在以下问题. 一是动态负载均衡仍没有很好地解决; 二是断点保护和容错处理考虑得较少.以PC 机集群为计算平台, Linux 为操作系统, 以移植性强、可扩展性好的MPI 消息传递并行编程环境为并行设计平台, 采用请求分配作业的主从并行模式, 进行了井间地震炮域波动方程偏移成像并行计算程序设计, 图1为计算流程图. 设计的主要思路是主节点先为每个从节点分配一份作业, 最先完成作业的从节点一旦完成作业, 就立即自动地给主节点反馈信息, 报告交付的作业已经顺利完成, 以便申请新的作业, 主节

16、点随即给这一从节点分配新的作业, 直到所有的作业被完成. 如果某一节点出现故障, 则停止申请作业, 但不影响其他节点的作业和最终的计算结果. 不过在此需要特殊处理, 即采用作业登记与分析技术予以断点保护. 对出现故障节点请求的任务、完成的任务及计算结果进行统计分析, 根据节点出现的软、硬件故障性质进行自动处理. 该并行方法在考虑到节点性能差异及多用户运行环境下最大限度地发挥了系统效率, 使各节点间的负载达到了动态均衡. 在IA64架构的联想机群上进行了并行性能测试, 结果表明该并行程序运行稳定, 用110CPU 时, 并行效率仍可达到 96%.图1 井间地震数据波动方程偏移并行计算流程F ig

17、. 1 W or kf low of para llel computat ion for cross w ell seismic data w ave equatio n migr ation设计一个半圆形的层位; 炮间距为0. 5m 、检波点距4 方法试验为了检验上述成像方法和并行算法的正确性和实用性, 我们从两个方面进行了方法试验, 即用井间模型数据检验其正确性, 用井间实际地震数据测试其实用性.4. 1 模型数据测试设计的井间模型数据测量参数如下:井距为100m, 测量的井深范围为0200m; 井间模型结构为中部和深部各有一个平层、浅层有一个尖灭、深部为0. 5m; 共测量401炮、每

18、炮401个检波点接收、采样率为0. 1ms 、每道2001个采样点. 其模型见图2. 设计该模型的目的是检验本文提出的井间反射数据波动方程偏移成像方法对复杂构造(尖灭, 起伏地层 的成像能力.从图3中可见反射波清晰, 只是在下行反射波炮记录上存在一些干扰. 从上行反射波成像结果(图4a 可以发现, 中深部的两个平层成像很清晰, 其成像深度与对应模型层位的深度完全一致; 尖灭层的成像效果理想, 尖灭点成像位置准确; 半圆形层位的图4 模型数据上行(a 、下行(b 反射波波动方程深度偏移成像剖面F ig. 4 Wave equation depth mig ratio n imaging prof

19、ile of up go ing r eflectio n w aves (aand do wn g oing reflectio n w aves (b of modeling dat a基本特征成像清楚, 其两翼成像较模糊的主要原因是地震波照明很弱; 存在的一些噪声是由于模型数据的边界反射引起的. 从下行反射波成像结果(图4b 可以发现, 浅层的一个平层和尖灭层的成像较理想, 深层未能成像的原因是由于受观测方式的影响未能接收到反射波, 由于模型数据的边界反射从而引起较多的偏移成像噪声. 该测试在64位联想机群上用41个CPU 进行并行运算, 计算时间为7min. 4. 2 实际数据某油田实

20、际井间地震数据测量参数如下:井距为300m, 测量井深范围为25003100m; 炮间距为1. 5m 、检波点距为1. 5m ; 共测量389炮、每炮350个检波点接收、采样率为0. 25m s 、每道1001个采样点. 该井间地震观测的目的是了解两井间的含油气地层的连通性和井间的断层分布情况.从图5中可见到反射波较清晰, 但是其反射波组特征不很明显, 这不利于成像结果的合理地质解释. 图6是利用初至波层析反演得到的速度模型. 从图7中可以看到反射波成像清晰, 由于受观测方式的影响, 上行反射波的成像剖面上深部能量强、 浅部3期 严建文等: 井间地震数据的波动方程偏移成 像 913 能量弱,

21、而下行反射波的成像结果正好相反, 深部能 量弱、 浅部能量强. 上、 下行反射波联合偏移成像的 结果( 图 8 在清晰度和反射波组特征等方面均优于 单个反射波场的成像结果. 井间的多个小断层成像 清晰, 如 CDP 160、 度 2780 m, CDP 210、 度 深 深 2795 m 等处的小断层, 深度为 3050 m 处的基底成 像非常清楚, 在 2850 3050 m 深度范围内 的目的 层反射波组清晰、 分辨率高, 特别是在 CDP 160、 深 度 3000 m 处的断层成像很清楚. 在靠近两 井附近 的反射波成像效果不太理想, 主要是由于反射波的 覆盖次数较低引起的. 该试处理

22、在 64 位联想机群上 用 40 个 CPU 进行并行运算, 计算时间为 31 m in. 6 Cao H , Tang J L, G uo Q S, et al . T he w ave fi eld separati on an d appli cat ion of sei smic cross h ol e met h od. Geop hysi cal P rospe ct ing Pet rol eum ( in C hines e , 2004, 43 ( 6 : 518 522 4 刘清林, 管路平, 王世库. 井间地震野外资料的叠前波动方 程 深度偏移. 石油物探, 1995,

23、 34( 3 : 1 13 Li u Q L, G uan L P, W an g S K . Prest ack w ave equati on dept h migrat ion of fi eld cr os s well s eism ic dat a. Geop hysi cal P rospe ct ing P et rol eum ( in Chin ese , 1995, 34( 3 : 1 13 5 曹 辉, 郭全仕, 唐金 良等. 井间地震 反射波资料处 理. 石 油 物探, 2006, 45( 5 : 514 519 Cao H , G uo Q S, T ang J L

24、, et al . Process ing of cross w ell seismic refl ect ion wave dat a. Ge op hysi cal P rosp ect ing P et role um ( in Chinese , 2006, 45( 5 : 514 519 郭 全仕, 邬达理, 唐 金良等. 井间地震反射 波成像技术探 讨. 石油物探, 2005, 44( 5 : 439 444 G uo Q S, Wu D L, T ang J L, et al. T he ref lect ion imagin g of seismic cross w el l.

25、 Ge op hy si cal P rosp ect ing P etr oleu m ( in 5 结 语 本文根据井间地震数据的特点, 基于炮域波动 Chin ese , 2005, 44( 5 : 439 444 7 方伍宝等. 实测井 间反 射高 分辨 率成像. 石油地 球 物理 勘 探, 1996, 31( 3 : 350 358 Fang W B, Ch en L, G uan L P. High resolut ion image of cros s w ell refl ect ion w ave. O il G eoph ysic al Pr osp ect in g (

26、in Chin ese , 1996, 31( 3 : 350 358 8 St ew art R R, M archisi o G . Cr os s w ell seismic im aging usin g ref lect ions. 61t h SEG Ex pand ed A bst ract s, 1991. 375 378 9 Lazarat os S K , R ect or J W , Harris J M , et al. H igh resolut ion imagin g w it h cros s w ell refl ection dat a. 61t h S E

27、G Expanded A bs t ract s , 1991. 150 153 10 Y u G , Bryans B, J u C, et al. Hig h r esolu tion cros sw ell seismic imagi ng i n Jian gsu O ilf ield, China. Expanded A bs t ract s , 2003 11 Byun J , H at ch R, Zhang Y , et al. Case st udies of high resolut ion imaging of complex res ervoirs us ing t

28、wo st ep migrat ion: Jianghan O ilf ield and S hengl i Oi lfi eld in C hina. 72t h SEG Ex pand ed A bst ract s, 2002 12 Y u G, M eyer, J Payt on C, Zhang Y , et al. A case st udy of high res ol ut ion cross w ell seismi c imaging in com plex 73t h S EG 方程叠前深度偏移原理开发出了井间上行反射波和 下行反射波波 动方程 深度 偏移 成像技 术.

29、并在 以 Linux 为操作系统的 PC 机集群上采用主从并行计 算模式, 对井间地震炮域波动方程偏移成像技术进 行了并行程序实现, 其运行稳定, 并行计算效率高. ( 1 基于炮域波动方程偏移方法适合于井间观 测的地震数据 成像, 类似 的方 法可进 一步 应用 于 VSP 观测和起伏地表直接偏移成像. ( 2 主从式并行计算在充分利用集群计算机资 源的同时, 可最大程度减少软硬件故障对计算机的 影响. ( 3 由于井间观测的特殊性, 偏移速度分析不能 采用地面地震的速度分析方法, 本文采用层析速度 场作为偏移速度场, 试验结果证明基本能够满足成 像的需要. ( 4 井间观测系统决定了中间成

30、像优于井旁成像. 参考文献( References 1 裴正林. 井间地 震层 析成 像的 现状与 进展. 地 球物 理 学进 展, 2001, 16( 3 : 91 97 Pei Z L. St atu s and progress on cross w ell s eis mic reservoir. 72t h SEG Ex pand ed A bst ract s, 2002 13 陈必远, 马在田. 三维叠 前偏移新 技术. 地球 物理学报, 1994, 37( 3 : 400 407 Chen B Y , M a Z T . N ew t echnic f or 3D p rest

31、 ack migrat ion. Chi nese J . Ge op hys. ( in Chinese , 1994, 37( 3 : 400 407 14 耿建华, 马在田, 王华忠等. 波 动方程有 限差分法 叠前深度 偏 移. 地球物理学报, 1998, 41( 3 : 392 399 G eng J H , M a Z T, Wang H Z, et al. Prest ack dept h migrat ion by w ave equati on f init e diff er ence. Chi nese J . Ge op hys. ( in Chinese , 1998

32、, 41( 3 : 392 399 15 金胜汶, 许士勇, 吴如山. 基于 波动方程 的广义屏 叠前深度 偏 移. 地球物理学报, 2002, 45( 5 : 684 690 Ji n S W , X u S Y , W u R S. Wave equati on based pres tack dept h migrat ion using gen eralized s creen propagat or. Ch ine se t omography. Pr og re ss i n G eophy sic s ( in C hinese , 2001, 16 ( 3 : 91 97 2 曹 辉. 井间地震 技术发展现状. 勘探地球物理进展, 2002, 25( 6 : 6 10 Cao H . Current st at us of cr os s well s eism ic t echnology. P rog ress i n E xp l or ati on G eop hy sic s ( in Ch ines e , 2002, 25 ( 6 : 6 10 3 曹 辉, 唐金良, 郭全仕等. 井间地震反射波场分离 及应用研 究. 石油物探, 2004