偏移算法

偏移算法（精选三篇）

偏移算法 篇1

关键词：逆时偏移,GPU,并行算法,双程波动方程,GPU加速

0 引言

随着石油勘探难度的加大, 越来越多的石油勘探技术应用到现在的石油天然气的勘探研究工作中, 高密度地震资料的采集、傅里叶变换、克希霍夫偏移、单程波叠前深度偏移、单程波叠前时间偏移, 甚至逆时偏移和正在发展的全波形反演算法等一系列更为先进的方法在逐渐投入到石油天然气的勘探工作中, 但新技术的发展带来对计算机设备运算量需求的急剧增加, 对计算机本身和应用软件的要求更加苛刻。逆时偏移因其良好的偏移成像效果而被物探研究人员所推崇, 但因该算法固有的巨大运算量需求阻碍了其工业化应用和推广, 而且传统CPU集群很难满足逆时偏移对大规模并行计算的要求, 因此本文提出一种基于GPU的逆时偏移并行算法。由于GPU计算能力相对于CPU的巨大提升, 而且GPU卡中拥有更多的计算核心, 从而极大地提高逆时偏移的并行度和计算效率, 实现逆时偏移的高效计算和工业化应用, 并且与单程波成方程的成像效果的对比可以发现, 逆时偏移成像效果更好。

1 逆时偏移算法原理

逆时偏移是采用双程波动方程来反演地震数据的偏移方法, 通过波长外推方法和成像条件得到单炮的成像结果, 并将所有炮集成像结果进行叠加从而得到最终的偏移成像结果。在逆时偏移中最重要的步骤包括:波长外推方法、随机边界条件和成像条件。

1.1 波场外推方法

三维介质双程声波方程为:

式中, P=P (x, y, z, t) 为介质中的压力场, ρ=ρ (x, y, z) 为介质密度, v=v (x, y, z) 为速度场, s (x, y, z, t) 为震源项。

用高阶差分或紧致差分格式数值求解方程式 (1) 可以进行波传播的数值模拟。Dablain (1986) 详细地讨论了三维双程波动方程的高阶有限差分解法。此处仅仅列出正向和逆时外推的基本计算公式。

截断误差为O (ΔxM, ΔyM, ΔzM, Δt2) 的三维高阶差分波场外推方程为:

1.2 随机边界条件

在边界区域设置随机变化的速度场构成随机边界条件。方程式 (3) 为设置随机边界的方法为:

其中, α为与速度有关的量, 与速度有相同的量刚。R代表随机边界区域的厚度。珒r代表随机边界区域中的点距边界的距离。Ran (Idum) 代表有种子数Idum产生的随机数, Ran (Idum) ∈ (0, 1) 。x珒B代表随机边界中的点。v (x珒B) 代表随机边界中点x珒B处的随机速度值。珋v (x珒B) 代表随机边界外一点的速度值, 由它产生随机边界中各点随机速度值。通过调节α和R可以得到合适的成像结果。

1.3 成像条件

逆时偏移中成像条件的导出, 利用了如下的物理现实。在反射点处入射波场与反射系数褶积产生反射 (或出射) 波场。入射波场与出射波场在最小二乘意义下是逼近的。

一般地, 我们用下面的相关成像条件:

这个成像条件的物理含义是利用零延迟的自相关提取反射点处的子波能量。当然, 该能量受反射系数的标度。

在成像点附近, 利用Pasaval关系, 式 (4) 可以表达在时间域:

双向波逆时偏移时, 式 (5) 定义的成像条件使用比较方便, 因为地震波波场外推是在时间空间域进行的。

2 基于GPU的逆时偏移并行算法

三维波动方程是一个串行算法, 通过解耦和近似方法, 最终将其表述成一种能够通过软件实现的并行函数和算法, 从而满足产品化和实用化的需求。同时高运算性能的GPU的推出改变了传统的计算模式, GPU卡中的众多的计算核心使得在一台机器内部进程的并行度相对于CPU机有近十倍、百倍的提高, 运算性能得到极大提升。

鉴于以上技术的发展, 本文提出了基于GPU的逆时偏移并行算法, 下面给出其详细描述和说明, 如图1所示。

算法基于GPU逆时偏移并行算法

Master: (对应上图左部分)

(1) 初始化MPI并行作业;

(2) 读入参数文件;

(3) 形成作业列表;

(4) 调用多炮偏移程序, 循环直至偏移全部结束;

(5) MPI并行作业结束, 程序退出。

Slave: (对应上图右部分)

(1) 启动单炮偏移程序;

(2) 询问主节点作业是否结束, 未结束则继续, 结束则退出;

(3) 加载炮数据;

(4) 形成震源子波;

(5) 读入速度文件;

(6) 形成随机边界;

(7) 计算差分系数

(8) 调用GPU代码, 执行GPU偏移成像;

(9) 对偏移结果进行去噪;

(10) 将单炮偏移结果写盘。

基于GPU逆时偏移并行算法GPU运算部分的算法:

3 测试效果及性能分析

3.1 运算性能对比

逆时偏移采用的实验环境:

GPU集群

GPU:Tesla S2090, CUDA4.0开发平台, Linux AS 5.2

CPU:2*4核 (共8核) , 2.83GHZ

PC集群

CPU:2*4核 (共8核) , 2.83GHZ, Linux AS 4.8, Intel MPI

通过测试结果的时效对比可以看到, 基于PC集群的逆时偏移并行算法60个节点需要运行1 008小时, 而基于GPU的逆时偏移并行算法12个节点只需要运行112小时, 其单节点运行效率是基于PC集群单节点运行效率的43倍。

3.2 成像效果对比

通过分别与中科院地质地球物理研究所和同济大学联合开展以逆时叠前深度偏移为代表的GPU/CPU协同并行计算技术研究和应用, 分析了高阶有限差分格式的稳定性与频散关系, 对理论模型和实测资料进行计算, 并与单程波偏移方程偏移效果进行对比, 如图2所示。结果表明:基于GPU的逆时偏移成像技术能够很好的解决地下复杂地质构造成像难题, 尤其是对高成像倾角、垂直地层、盐丘等特殊构造成像效果显著提高。

4 结语

叠前深度偏移技术的应用 篇2

关键词：层析反演静校正,叠前多域保幅噪音衰减,地表一致性子波处理,叠前深度偏移

随着新疆吐哈盆地勘探程度的逐步提高和地质认识的不断深化, 就需要将叠后偏移处理转向叠前偏移技术, 特别是叠前深度偏移技术。叠前深度偏移是一个不同于常规的系统工程, 应分为两个阶段:时间域处理阶段和叠前深度偏移处理阶段。时间域处理阶段也叫数据准备阶段, 主要是为叠前深度偏移准备一个信噪比高、时间和空间上振幅均衡的叠前数据。

1 时间域处理

1.1 建立合理的浮动基准面

由于新疆吐哈盆地的地表条件较复杂, 因此必须确定一个相应的比较平缓的浮动基准面, 并把野外数据校正到这个平面上。因此首先要建立一个合理的浮动基准面, 以避免大的静态时移。浮动基准面选取的基本原则有两点:一是浮动基准面尽可能接近地表, 二是浮动基准面尽可能平滑。

2 时间域关键处理技术序列

2.1 模型约束层析反演静校正技术

模型约束层析反演静校正是利用原始地震记录初至时间反演出近地表速度模型, 计算出浮动面静校正量和水平基准面校正量。通过对浅层地表速度模型进行完全模拟, 完全剥蚀低降速层的层析反演静校正, 该方法能有效地消除长波长静校正量, 消除构造假象, 有利于后续精确速度分析和剩余静校正成功进行。模型约束层析反演静校正主要工作包含:交互方式拾取初至、初始模型建立、基于波动方程的快速步进波前追踪、非线性层析反演、层析反演质量控制、基准面校正和静校正质量控制。首先根据大炮初至迭代进行层析反演, 得出近地表模型, 其次根据野外小折射等测量成果对近地表模型进行校正, 求出炮点和检波点校正量。本方法优势主要体现在既应用了大炮初至信息, 同时也应用了野外近地表勘探成果, 精度非常高。通过精细的参数调试和优选工作, 模型约束层析反演静校正在该区块取得了明显效果。

2.2 叠前多域保幅噪音衰减技术

研究区块资料噪声严重, 因此在叠前预处理时必须进行叠前噪声的压制, 在不损失有效信号的前提下最大限度地提高信噪比。针对该区干扰波的特点, 通过试验对比, 主要采取由强到弱, 由高频到低频, 先规则后随机逐步去除干扰, 对于面波与线形干扰采用多域多系统方法压制, 使单炮及剖面的信噪比、分辨率及保真度得到了有效的提高。干扰波的组合去噪方案:1) 精细剔道、初至切除。2) 单频噪音的压制。3) 强振幅噪音压制。4) 面波及线性噪声的压制。5) 分频随机噪声的压制。叠前多域保幅噪音衰减技术方法和应用的主要技术模块, 如图1所示。图2鲁克沁区块噪音衰减前后单炮记录和叠加剖面对比, 从单炮记录上看到, 强能量的面波、异常能量、单频噪音、声波等一系列干扰波很好的压制, 单炮记录非常干净, 叠加后, 剖面信噪比明显提高, 有效反射能量增强, 同相轴连续性变好。

2.3 地表一致性子波处理技术

地表一致性子波处理技术主要包含地表一致性振幅补偿和地表一致性反摺积技术。地震波在传播过程中, 由于波前扩散、地层吸收等原因造成其能量衰减, 也造成了地震波高频信息损失。

采用地表一致性振幅补偿, 消除因激发和接收条件不同、仪器因素的变化及地表不均匀所造成的振幅空间变化, 它是假设激发、接收的振幅响应具有地表一致性, 应用统计学原理, 在选定的计算时窗计算每一道的对数功率, 然后用最小平方法将其线性分解为共炮点、共检波点、共偏移距、共中心点四个分量, 根据共炮点和共中心点分量求得炮点和检波点补偿因子, 在道集内逐道进行补偿。地表一致性振幅补偿可以有效地改善道间的振幅和相位关系, 从而有利于做到相对振幅保真, 并对提高叠加结果的信噪比和分辨率也是有利的, 对于深层能量的补充也有益。

2.4 精细速度分析与多系统剩余静校正迭代技术

由于剩余静校正量的存在使得速度分析时, 有效反射同相轴不能很好的聚焦, 从而使得很难准确提取有效反射波的精确叠加速度值。为此采用剩余静校正与速度分析迭代处理来进行速度分析, 以提高叠加速度的精度, 改善叠前CMP道集的资料品质。一般经过二到三次迭代处理后, 不但资料信噪比得到改善, 其叠加速度的精度也大大提高。

速度分析是资料处理的核心, 速度拾取的精确与否和处理的质量有直接的关系。为提高速度分析精度, 利用多种方法确定速度, 调查全区速度规律, 并进行交互速度解释, 常速扫描和变速扫描。利用动校正道集、叠加剖面和速度剖面进行质量控制。

3 叠前深度偏移

三维叠前深度偏移处理原理:时间域的偏移无法摆脱与实际情况相违背的层状介质假设, 深度偏移不依赖任何双曲线假设。其基本原理是以深度模型和层速度模型为依据, 利用射线追踪的方法计算反射旅行时, 建立非双曲线的cmp理论道集与实际地震记录相关, 采用相干函数定量计算二者的相干值, 确定层速度和深度模型, 以最终地球模型为基础进行偏移成像。

叠前深度偏移的主要工作分五步:

(1) 建立工区, 加载cmp道集及叠后时间偏移剖面, 检查数据的空间关系是否准确。

(2) 时间域的层位解释, 建立时间域地质模型:解释层位时要求尽可能选取反射能量强, 同相轴连续的反射层, 同时要求层间层间厚度适中。

(3) 建立初始地球模型:这是深度偏移最关键的一步。层速度模型的求取一般要求多种方法结合, 相互检验。以得到相对准确的接近实际地质特征的模型。

(4) 模型修正:初始地球模型往往与实际地球物理模型存在一定的速度-深度误差, 必须要作模型的优化, 建立相对精确的地球模型, 模型的准确程度不仅影响深度域成像质量, 同时也直接影响地层实际深度的可靠性。

(5) 目标线的偏移成像:建立最终地球模型后, 就可以做全数据体的深度偏移成像, 偏移孔径的选择可依据参考公式:Aperture=Max depth *0.75/cmp interval。

叠前深度偏移的最终效果主要取决于速度深度模型的准确性, 方法的实验集中于初始地质模型的建立及地质模型修正。

4 成果分析

4.1 资料处理成果分析

深度偏移技术的应用很好的解决了该区块难点问题, 鲁克沁新三维深层构造清晰准确成像问题。资料处理取得了明显效果。总体可以概括为资料保真度提高, 波组特征清楚, 断裂系统合理, 资料品质明显改善, 可以满足当前勘探开发要求。效果展示, 如图3所示。

4.2 地质应用成果分析

在地质应用上, 深度偏移处理技术也取得了众多勘探成果。通过解释交流, 重新优化速度模型, 精细化处理参数, 通过处理、解释人员共同深度模型的建立, 通过开展新处理资料解释研究, 重新落实断裂系统, 特别是落实了鲁克沁东区钻探的英10-P、鲁8、鲁201井的构造圈闭。以上成果, 为油田的精细化勘探发挥了积极作用。地质应用效果, 如图4所示。

5 结论与认识

深度偏移技术处理对叠前数据要求较高:具有一定的信噪比, 静校正问题得到较好解决、振副能量要均衡。在吐哈盆地表层模型的建立、静校正问题地解决程度和基准面的选择是偏移成败的关键。处理解释一体化建立和修正速度模型是做好叠前深度偏移的重要环节。针对不同的勘探目标和地震地质条件应用不同的偏移策略。

参考文献

[1]熊煮.复杂地震数据处理思路[M].北京工业出版社, 2002.

[2]熊煮.地震数据处理方法系统思维[M].石油工业出版社, 1995.

基坑围护桩顶部偏移事故分析 篇3

本工程为某核电公司检修热车间项目(见图1),车间结构形式为钢筋混凝土排架结构(单层、部分二层),其中地下室标高为-5.000 m,整个建筑物高度为16.350 m,外形尺寸72.2 m,324.5 m,屋面为大型预制屋面板,结构抗震等级二级,总建筑面积为3 813 m2。

检修热车间工程基坑围护采用排桩加冠梁支护结构。排桩采用冲孔灌注桩,桩径为800 mm,桩间距1.0 m～1.2 m,有效桩长约为3.50 m～9.50 m,嵌入深度随基岩面埋深不同而不同。桩数为168根,桩身的混凝土强度为C25。以坡、洪积土及中等风化岩层作为桩端持力层。冠梁断面尺寸为800 mm×600 mm,在基坑西南角采用钢筋混凝土现浇角撑,角撑梁断面为600 mm×600 mm。

基坑开挖的施工过程中,在区域⑧轴线～⑩轴线/?轴线～?轴线按照设计要求开挖完毕的第二天,发现基坑东段约1/3长度处,基坑北侧围护桩顶的冠梁产生裂缝,并向基坑方向偏移约100 mm。出现上述险情后,施工单位当即停止基坑的开挖工作,并对已开挖的基坑四周进行观测。此后,在基坑北侧围护桩与厂区主交通干线间绿化带的土体产生多条约20 mm～50 mm不等的裂缝,裂缝走向与北侧围护桩平行,并且在扩展。同时北侧围护桩的冠梁向坑内以每20 min约4 mm的速度继续偏移。当时情况非常紧急,基坑北侧围护桩随时有倾斜的危险。施工单位立即将现场险情应急措施通报了建设单位及监理,同时又与设计单位取得了联系。为控制险情,施工单位采取了如下紧急处理措施:将基坑北侧绿化带内的土体挖除卸载,减少土体对围护桩挡墙的土压力。

采取上述措施后,基坑北侧围护桩向基坑内偏移的速度明显减慢,及时有效地防止了基坑围护桩倾覆倒塌危险。事后说明,施工单位所采用的措施,是积极有效的,并得到了设计单位的认可。

2 原因分析

在施工现场,设计院、监理单位、施工单位与建设单位针对出现的事故险情共同分析原因,并研究解决基坑围护的方案,设计院介绍基坑围护设计的重点在于桩底必须进入岩石勘探报告中的第三层土,即洪坡积土约1 m～2 m。按设计长度,参照岩土勘探报告,从理论上讲,桩底已经进入了第三层土。由于该设计思想没有在图纸、图纸会审等设计文件中明确描述,施工单位与监理单位在围护桩施工过程中,重点控制桩的实际长度是否与设计长度一致。经查施工验收记录,表明实际施工桩长已达到设计长度。但从围护桩的施工过程中分析,从桩孔中抓出的泥土基本上都含有黑色软土,表明围护桩底进入第三层土的深度不够。

经过上述情况的交流说明,岩土勘探报告与实际地质条件有出入,产生险情的根本原因是围护桩没有进入到硬土层(洪坡积土层)及进入深度不够,导致围护桩端锚固不够。另外施工期间的雨水使得地下水位升高,土体含水率增高,使土侧压力加大。当然作为施工单位在围护桩的施工期间应关注成孔过程中所反映的地质变化情况并及时与监理方、设计单位沟通,以避免事故的发生。

3 处理方案

在找到险情发生的根本原因后,设计单位、监理单位和施工单位共同协商后明确了以下原则方案,由施工单位进一步实施:

1)在基坑东北角、西北角利用工字钢角作撑梁增设角支撑。

2)挖除基坑北侧的绿化带内的土层进行卸载,减少土压力。

3)在基坑北侧设3组～4组锚拉点,采用拉锚方式防止北侧围护桩在后期开挖过程中产生偏移。

4)加强基坑四周的排水措施。

4结语

对基坑支护重新加固后,保证了后续工序顺利进行,达到了预期效果。通过这次事故说明在进行基坑围护时,要注意以下几个问题:

1)施工前要认真分析地质勘探资料;结合围护桩的施工,与设计单位、监理充分沟通,理解设计内容,做好事前的质量安全控制分析落实措施