基于Spark大数据处理框架的逆时偏移成像技术研究

基于双程波动方程的逆时偏移成像技术是当前高精度地震偏移成像的主流手段,可实现地下复杂构造的精确成像。近年来,随着高密度地震采集技术的不断发展,日益增长的海量地震数据对偏移成像过程中数据的存储和高效计算提出了更高的要求。提出了一种基于Spark大数据处理框架的逆时偏移成像技术,该技术充分利用了Spark框架分布式内存计算及其分布式文件存储系统支持海量数据读写的优势。采用数据均衡服务实现了分布式存储数据的均衡分布并利用数据动态分块算法实现了计算资源的充分利用和并行粒度的合理分配,从而保证了并行作业的负载均衡。与MPI及MapReduce两种并行方式下的实际数据偏移测试对比分析结果表明,所提出的基于Spark大数据处理框架的逆时偏移成像技术能够在保证成像精度的前提下实现计算效率的提升并满足海量数据存储的要求。     

三维全波形反演高效异构并行计算

全波形反演(FWI)每次迭代都需要进行若干次地震波正演,计算量非常大,尤其在三维情况下,提高并行计算的效率和稳健性至关重要。引入随机边界来反传、重建震源波场,可充分发挥GPU的计算能力,从而实现反演梯度的高效计算,相比监测点(checkpoint)和有效边界技术,大幅减少了数据存储和数据交换的开销,具有计算效率高和存储量小的优点;开发了作业池并行作业管理机制,与常规消息传递接口(message passing interface,MPI)并行机制相比,可动态增减节点,具有近似线性的加速比,更适应大规模异构并行。采用三维SEG/EAGE推覆体模型进行了速度反演测试,结果证明该技术高效且可靠。     

大规模三维地震数据Kirchhoff叠前深度偏移及其并行实现

本文提出了基于共炮检距数据体的适用于大规模三维地震数据体的Kirchhoff叠前深度偏移(PSDM)并行实现方案。其基本思路为:①利用任意介质中的动态规划法三维旅行时计算方法提供旅行时场;②按照炮检距组织数据;③根据机器物理内存大小分配成像深度段;④对共炮检距数据分深度段进行基于消息传递接口(MPI)的进程并行处理;⑤对单进程作业进一步利用OpenMp并行同时实现多个单道的成像处理。此方案可充分利用节点内存,减少数据输入/输出(I/O)量。该方案是将单个炮检距的某个深度段的成像空间和需要的所有炮的对应深度段的旅行时场调入内存中,每一深度层的成像均在内存中进行,而且Inline和Crossline方向的偏移孔径可以自适应地根据偏移速度和成像深度进行选择,并采用空变反假频技术,可较大地提高成像精度。成像结果按体偏移形式输出,同时也可以输出成像道集。该方案在内存利用、数据I/O量和计算效率上达到最佳平衡。并行方式充分采用MPI+OpenMp混合编程模式,可高效、高精度地处理大规模三维地震数据。理论和实际数据的偏移成像结果均证明了本文方案的正确性和高效性。     

波动方程初至双差走时层析反演

对于有限频带的地震信号,地震波绝对走时受到震源子波的波形特征、走时测量准则等多种因素的影响,提高走时测量的精度有助于增加反演结果的可靠性。为降低绝对走时测量误差对反演的影响,采用双差走时代替绝对走时,并将其与Rytov近似导出的相位延迟敏感度核函数相结合,构造有限频带地震波的双差走时敏感度核函数。针对初至双差走时层析反演,提出了一种基于隐式矩阵向量积的高斯牛顿迭代算法,该方法无需显式计算、存储核函数及Hessian矩阵。相较于传统的散射积分方法(需要显式计算并存储核函数),波动方程初至双差走时层析反演方法仅利用了波动方程Born模拟及逆时偏移算法,因此降低了对计算机内存和外部存储的需求,可进行高效的大规模计算。高斯扰动模型数值模拟实验表明,该方法可以消除初至走时测量误差(震源子波未知)对反演的影响;Overthrust模型数据和二维起伏地表实际数据测试结果表明,采用该方法反演得到的高精度的近地表速度模型与实际地层较为吻合。     

快速回转波近地表速度建模方法

常规基于迭代反演的初至波层析近地表速度建模方法在大规模数据处理时计算量较大、耗时多。为了提高近地表建模的效率,发展了一种回转波快速近地表建模方法。该方法假设在最大炮检距范围内近地表速度横向不变但随深度线性变化。为了提高反演精度,在算法内部采用多基准面校正方法降低地表起伏对反演结果的影响;为了增强反演的稳定性,应用基于局部加权的稳定射线参数估计方法降低初至拾取误差对反演结果的影响。理论模型数据与实际数据测试验证了方法的有效性及高效性。     

分布式并行云存储系统Parastor及在石油勘探领域的应用

针对石油勘探领域的发展现状与日益增长的海量地震数据存储的需求,探索将云技术应用到石油勘探业务系统中。选用新型高效的Parastor并行分布式云存储文件系统,构建石油勘探云存储一体化架构。该系统包括存储子系统、计算子系统、网络子系统、地震资料处理与计算子系统,从而解决了石油勘探行业大规模数据存储,高I/O带宽与高浮点计算性能需求。其中存储子系统Parastor由硬件节点层、数据处理层与应用协议层三层架构组成,具有强大的小文件聚合与高效数据容错重构功能。与传统的分布式文件系统架构相比,该架构在系统扩展性、可靠性和服务性等多方面均更加具有优势。能够适应日益增长的石油勘探系统海量数据存储需求,解决石油勘探系统中大容量数据存储的瓶颈,从而为用户提供高质量的云存储服务。     

一种多信息约束的初至波走时层析反演优化方法

初至波走时层析成像是准确获取复杂近地表表层速度结构的有效方法。对西部复杂山前带而言,近地表速度建模精度低,严重影响后续中深层速度建模和偏移成像质量。因此,研究一种高效、可适应复杂近地表条件的初至波走时层析算法非常重要。提出了一种基于Tikhonov正则化方法多信息约束的初至波走时层析反演的优化策略,通过多模板快速推进算法(MSFM)解程函方程计算网格单元走时,用迭代反演方法线性化计算非线性逆问题,避免大规模Frechet矩阵的求取和存储,提升了计算效率;根据微测井信息建立初始速度模型,利用视慢度等先验信息对层析反演目标函数进行约束,采用Tikhonov正则化来解决最小化数据差和模型平滑度的反问题,降低了目标方程的病态性,从而提高反演精度。起伏地表模型和西部实际资料应用结果表明,该方法通过对初至走时和走时-偏移距曲线联合拟合有效适应复杂地表条件,解决了三维地震资料初至波走时层析成像出现的“高速异常体”问题,提高了反演的稳定性和计算精度。     

异构计算环境下的三维Kirchhoff叠前深度偏移混合域并行算法

三维Kirchhoff叠前深度偏移（KPSDM）面对数据量的不断增长以及可编程图形处理器（GPU）的引入,传统的并行策略已经不再适合当前的超大规模异构集群的体系架构。本文提出了一种新的混合域KPSDM并行算法,从成像空间、输入数据两个维度对偏移任务进行拆分,消除了任务之间的依赖性。为了应对异构计算环境,将核心计算部分移植到GPU上,并实现了“动态异步”的任务调度策略,保证了负载均衡;对于KPSDM执行过程中重复访问地震数据与旅行时场带来的巨大I/O开销,利用作业节点的本地存储构建分布式缓存系统,解决KPSDM可扩展性受限于共享存储能力的问题。在256节点的集群上处理实际地震数据,获得了接近线性的加速比效果。     

基于OpenMP+MPI的2.5维电磁场正演并行化方法

针对2.5维复电阻率电磁场正演串行算法的效率瓶颈,研究了一种基于OpenMP+MPI的混合计算并行化方法。将波数域分解到计算机集群的各节点上,采用MPI对各波数进行并行运算;在各节点内部,对复双共轭梯度法求解线性方程组的过程采用OpenMP并行运算。波数等间隔分配到各集群节点,以利负载均衡;集群节点读取各自的模型参数,MPI群集传递当前波数的计算结果,以降低通信开销。不同类型和规模算例的实验结果表明,该并行方法不仅能够达到与串行方法等同的精度,而且获得了接近线性的加速比。     

基于CPU+GPU联合计算真地表叠前时间偏移实用化研究

为了提高起伏地表条件下的基尔霍夫叠前时间偏移算法的计算效率,针对CPU+GPU异构计算平台开展了算法移植与优化研究。首先分析了起伏地表条件下提高偏移成像精度的反假频、弯曲射线旅行时计算以及真地表旅行时校正的处理方法,然后在对算法的并行计算特征进行分析的基础上,针对CPU+GPU异构平台的算法移植进行了多级并行联合计算架构的设计,通过炮检距域的多进程数据域并行、地震数据I/O与偏移计算的异步并行、基于CUDA的超大规模线程成像域并行以及联合CPU计算的多线程成像域并行技术对算法进行了移植及优化。利用大规模测试数据集进行了计算效率测试,测试结果验证了多级并行联合计算架构以及分别针对CPU和GPU平台的算法优化技术能够极大地提高偏移处理效率。     

复杂三维表层模型层析反演与静校正

针对三维地震勘探中的复杂地表问题，本文研究了三维初至波表层模型层析反演及静校正方法。该方法利用了三维地震直达波、回折波、折射波及三者组合的初至波和具有三维空间变速优势的三维层析反演，实现了适应速度任意变化的复杂三维表层模型层析反演，此法对初至的要求是，只需检测首先到达的波的起跳时间，无须解释此波的类型；三维模型正演采用以费马原理为基础的三维网络法射线正演方法；三维层析反演采用带阻尼的最小平方QR分解迭代算法。采用上述措施不仅可提高表层速度模型层析反演的可靠性，为三维地震资料层析静校正提供合理的表层速度模型，而且提高了计算效率，增强了方法的实用性。     

近地表速度的约束层析反演

本文采用程函议程有限差分法计算通过速度模型的初至旅行时射线路径,然后引入先验地质信息和正则约束条件,用约束最小二乘交分解法（CLSQR）进行走时反演,获得近地表速度结构,这种层析反演方法以块体为基本单元,可以模拟和反演复杂速度结构,它不必识别波形,计算速度快,实际数据的反演结果表明,在复杂地表条件区表层速度存在强烈的横向变化,经层析反演获得的叠加剖面成像更加清晰。     

连续速度模型反演静校正技术的改进

我国西部存在巨厚黄土区、无稳定潜水面的沙漠区及巨厚砾石堆积的山前带,其表层速度具有连续性特点,采用常规表层调查控制点法和初至折射法难以控制表层速度和厚度分布规律。为此,本文在以往的“连续速度模型反演静校正技术”的基础上,通过在反演过程中充分、合理地利用表层调查资料,结合大炮初至的回折波和折射波信息,进行连续速度模型反演,可精确地求出表层结构参数,再通过积分的方式计算出最终的静校正量。实例分析表明,文中所述方法较好地解决了表层速度在垂向上连续变化的西部地区的静校正问题。     

高斯束层析与全波形反演联合速度建模

基于叠前地震波场模拟的全波形反演（FWI）技术走向实用化充满挑战性。陆上地震资料的低信噪比、缺失低频、复杂近地表及三维数据的巨大内存需求和海量计算等因素都制约了FWI技术的应用推广。为此,研究并开发了高斯束层析速度建模技术,弥补了传统射线层析无法反演得到的中波数速度成分,为FWI提供了高精度宏观速度模型,有效避免了周波跳跃现象;利用基于相位匹配的互相关目标泛函取代L₂范数求解梯度,降低了反演对低频数据的依赖,有效解决了FWI海量计算难题;利用伪保守波动方程形成自伴随的正演算子,大幅度提升了基于伴随状态法的梯度计算能力,增强了反演对陆地数据的适应性,实现了陆地资料的FWI高分辨率速度建模能力。     

Imagingcomplex near-surface structures in Yumen oil field by joint seismic traveltime and waveform inversion

The first-arrival traveltime tomography is a standard approach for near-surface velocity estimation.However,it cannot resolve complex near-surface structures and will produce a smooth velocity model with low resolution.Early arrival waveform inversion is a robust tool for imaging the near surface structures,but it requires a good initial model to avoid cycle skipping between the predicted and observed data.Furthermore,waveform inversion requires substantial computation efforts.Therefore,we present joint seismic traveltime and waveform inversion method,and we expect the joint inversion method retains the advantages of both traveltime inversion and full waveform inversion and overcomes their respective drawbacks at the same time.The objective function includes both the traveltime and waveform misfit.At each iteration,the traveltimes are calculated by wavefront raytracing,and the waveforms are computed using a finite-difference method.The nonlinear optimization problem is solved by the conjugate gradient method.We apply the joint inversion method to study complex near-surface area where shallow overthrust and rugged topography present a significant challenge for applying traveltime inversion and waveform inversion alone.We test synthetic data to verify the advantages of the joint method,and then apply the method to a 2Ddataset acquired in Yumen Oil field,China.The inversion results suggest that the joint traveltime and waveform inversion helps constrain the very shallow velocity structures and also resolve complex overthrust with large velocity contrasts.     

基于约束初至波层析反演的近地表建模技术

地震资料处理中,当地表起伏剧烈,横向速度变化大,高速顶界面不稳定时,采用常规的反演方法建立高精度的速度模型比较困难,针对这种情况,在分析了目前生产中常用的近地表建模各种算法的特点后,提出了基于小折射和微测井约束的层析反演方法,该技术在实际地震资料处理中,可以进一步提高近地表模型的精度,取得较好的静校正效果。     

消息传递接口在声波方程正演中的应用

声波方程正演在地震资料采集、处理、解释与反演中均发挥重要作用,但现有的基于求解地震波动方程的正演算法由于受庞大计算量的制约而难于大规模应用于工业生产。从声波方程出发,研究了利用有限差分法并行求解该方程的基本思路与方法,给出了适于并行求解的计算空间划分方法,分析了不同参数条件下并行程序的运行时间、加速比与效率,引入消息传递接口（MPI）实现了声波方程的并行求解,极大地提高了数值求解声波方程的计算效率。     

射线追踪方程与程函方程的初至旅行时层析对比

初至旅行时层析反演是目前应用最广泛的近地表建模方法。按照反演中正演算子的不同，可将基于射线理论的层析反演方法分为基于射线追踪方程与程函方程两类。本文分别从理论及数值测试上对两种方法在反演精度、计算效率等方面进行了系统的对比分析。结果表明：①两种方法可在统一的反演框架下推导得到，两者主要的差别均是由反演中正演算子的不同引起的；②两者具有相似的反演精度，由于后者的核函数是带限的，在复杂地区的层析反演中更加稳定；③前者的计算效率、内存占用等依赖于检波点个数，后者则依赖于模型大小，检波点稀疏时优选前者，否则优选后者；④前者具有射线密度等质控手段，后者缺少类似的质控手段。     

初至波走时信息在复杂地区近地表速度反演中的应用

在地表条件复杂的地区近地表速度横向变化十分剧烈．对静校正及偏移成像的结果影响很大。要提高成像质量，必须要有高精度的近地表速度。介绍了用初至波走时信息反演来确定复杂地区近地表速度的方法，并用模型测试了方法的有效性．最后分别用初至波走时信息反演法和常规方法建立了实测资料近地表速度结构，并基于这2种速度生成了叠加剖面。对比显示．初至波止时信息反演法应用效果非常理想。