基于Qt的Walkaway VSP逆時偏移軟件開發(fā)研究

王維紅,柯 璇,郭雪豹,張瑩瑩,于 鵬

(1.東北石油大學地球科學學院,黑龍江大慶163318;2.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司,吉林長春130062)

基于Qt的Walkaway VSP逆時偏移軟件開發(fā)研究

王維紅1,柯 璇1,郭雪豹1,張瑩瑩1,于 鵬2

(1.東北石油大學地球科學學院,黑龍江大慶163318;2.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司,吉林長春130062)

VSP觀測系統(tǒng)的檢波器位于井筒內(nèi),地震資料的信噪比高,波場信息豐富,利用基于雙程波的疊前逆時偏移方法可實現(xiàn)VSP資料的高精度成像,也為井筒附近復雜介質(zhì)和目的層流體性質(zhì)的研究提供基礎(chǔ)資料。在Walkaway VSP資料逆時偏移算法研究的基礎(chǔ)上,在Linux操作系統(tǒng)下,以Qt環(huán)境為開發(fā)平臺,設計了一套較為完整的VSP資料逆時偏移處理流程,初步開發(fā)了Walkaway VSP資料逆時偏移計算軟件。該軟件具有CPU和GPU兩套核心算法模塊,可適應不同的硬件系統(tǒng),理論模型數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明,該軟件平臺具有操作性強、移植性好和成像精度高的特點。

VSP;逆時偏移;Qt;軟件界面

逆時偏移(RTM)理論自Whitmore等1983年提出之后[1-3],許多地球物理工作者對其進行了深入的研究,但是由于其計算量巨大,而且在計算過程中產(chǎn)生大量中間數(shù)據(jù),對計算機的計算能力和存儲性能都有很高的要求,所以在問世之初未能得到廣泛應用。近年來,隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展,逆時偏移算法也得到很好的發(fā)展和應用。逆時偏移本身基于雙程波方程,同時由于直接對波動方程進行離散,因此能夠準確模擬地下復雜構(gòu)造的波場特征,從而大幅度提高地震資料的成像精度。在波場數(shù)值模擬過程中,常用的方法包括有限差分、有限元和偽譜法[4-6],其中有限差分法由于其實現(xiàn)相對簡單而得到普遍應用。在邊界條件方面,主要有隨機邊界和吸收邊界條件等。隨機邊界的引入主要是為了解決逆時偏移過程中的波場數(shù)據(jù)存儲問題,但實際上也會將隨機噪聲引入到成像過程中[7];吸收邊界中最常采用的是完全匹配層吸收邊界條件,其吸收效果好,理論上能夠吸收來自任何方向的入射波,但是計算效率較低,同時在偏移計算過程中產(chǎn)生的臨時波場數(shù)據(jù)量較大,一般的硬件系統(tǒng)限制該方法的有效應用。

隨著石油勘探和開發(fā)目標的復雜化,加之從勘探走向開發(fā)是當今地震技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一,井中地震資料的高精度成像處理成為地震數(shù)據(jù)處理的必然要求,VSP地震資料以其精度高和直接測量目的層的特點,得到開發(fā)人員和油藏地球物理工作者的認可。針對VSP地震資料的成像方法,許多學者進行了深入研究。Wyatt[8]提出了用時間域正演計算合成VSP地震記錄的方法,為后續(xù)的VSP地震資料成像研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);Lee等[9]提出了針對VSP地震數(shù)據(jù)的處理方法,并指出利用VSP地震數(shù)據(jù)可以有效進行子波整形、估算巖石波阻抗;Dillon[10]提出了對VSP數(shù)據(jù)進行Kirchhoff積分偏移計算,使得VSP地震資料的偏移歸位更為準確,為資料的應用奠定基礎(chǔ)。

前已述及,VSP資料對井周地層的精細刻畫及深部構(gòu)造高精度成像具有重要的意義，為進一步提高井周微幅構(gòu)造的成像效果,需要研究基于VSP資料的逆時偏移方法。劉清林等[11]和朱金明等[12-13]提出了VSP資料的逆時偏移處理方法,但是包括上述作者在內(nèi)的諸多學者對VSP資料逆時偏移的研究都僅限于理論與方法的研究。目前地震資料的逆時偏移軟件多為國外產(chǎn)品。業(yè)界針對VSP地震資料處理的商業(yè)軟件僅局限于速度分析等方面,尚無VSP資料的逆時偏移算法平臺。本文在軟件開發(fā)技術(shù)和VSP逆時偏移方法研究的基礎(chǔ)上,在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下,應用Qt開發(fā)了圖形用戶界面,形成了一套基于Qt的Walkaway VSP逆時偏移處理軟件,從而填補了VSP地震資料逆時偏移處理軟件的空白,為VSP資料高精度成像方法研究和實際應用奠定了基礎(chǔ)。

1 VSP逆時偏移原理

不同于傳統(tǒng)的地面地震勘探,VSP觀測系統(tǒng)是在地面激發(fā),在井筒內(nèi)的一定深度范圍布置檢波器,接收來自地下界面多次覆蓋的地震數(shù)據(jù),這在一定程度上降低了地面噪聲的干擾,井中檢波器記錄的地震反射波無需傳播至地面,旅行路徑更短。因此,VSP地震資料具有更高的信噪比和更小的能量衰減。VSP數(shù)據(jù)偏移是資料有效應用的基礎(chǔ),目前常規(guī)VSP偏移處理技術(shù),如VSP-CDP轉(zhuǎn)換、射線法等,難以獲得理想的成像效果,逆時偏移方法基于雙程波方程,結(jié)合VSP數(shù)據(jù)資料特點,可對井旁復雜構(gòu)造精確成像。

1.1 VSP逆時偏移的基本原理

根據(jù)VSP資料和逆時偏移算法的特點,在實際計算時首先進行震源波場的正演模擬,再在接收點位置載入檢波點波場,并進行反傳播模擬,然后將互相關(guān)成像條件應用于上述兩種波場,進行同時刻成像,最后疊加生成偏移數(shù)據(jù)體。對Walkaway VSP地震資料而言,正、反傳播波場的計算公式表述如下：

(1)

(2)

(3)

應用有限差分法對波場進行數(shù)值模擬,其時間二階、空間2M階精度的有限差分格式如下：

(4)

式中：i,j和m分別為波場在x,z和t方向上的離散序號;Δx,Δz和Δt分別為x,z和t方向的采樣間隔;Cl為有限差分系數(shù)。本文應用12階的高階差分格式進行正演模擬和逆時偏移計算,同時為進一步提高波動方程數(shù)值解的精度,應用了優(yōu)化差分系數(shù)的方法[14]。

1.2 隨機邊界條件

隨機邊界通過在速度模型邊界設置隨機速度層,從而降低邊界反射的相干性,減小其對成像結(jié)果的影響。由于該方法僅在速度模型的外圍區(qū)域設置隨機速度層,并未對波動方程做出改變,因此不會造成波場信息的任何損失,對于震源波場正傳來說,可以通過保存正傳波場最后幾個時刻(一般為兩個)的波場信息,再進行反傳達到節(jié)省存儲空間的目的。其在邊界部位的隨機函數(shù)構(gòu)造如下：

(5)

式中：v(x,z)為構(gòu)造邊界的隨機速度;v1(x,z)為構(gòu)造邊界的原始速度;r為隨機數(shù);d為內(nèi)邊界與速度點之間的距離,其保證了速度的隨機性隨距離的增加而增加[15]。

逆時計算時,首先將震源波場正傳至最大時刻,并存儲最后兩個時刻的波場信息,再利用這兩個時刻的波場信息逆推之前各個時刻的波場,這一過程與檢波點波場反傳同時進行,即可同時得到每一時刻的震源波場和檢波點波場,應用一定的成像條件(互相關(guān)成像條件或者震源歸一化成像條件)進行成像,直至零時刻,即可得到逆時偏移結(jié)果。隨機邊界方法可以極大地節(jié)省存儲空間,但計算量需增加一倍,即隨機邊界是一種以計算換存儲的計算方案,其計算效率的問題可通過后續(xù)給出的GPU加速技術(shù)得到有效解決。

1.3 成像條件

逆時偏移中常用的成像條件有激發(fā)時刻成像條件、反褶積成像條件和互相關(guān)類成像條件等,由于互相關(guān)類成像條件實施簡易且計算穩(wěn)定而得到普遍采用,互相關(guān)成像條件可表示為：

(6)

式中：s(x,z,t)代表t時刻的震源波場;r(x,z,t)代表t時刻的檢波點波場;s(x,z,t)與r(x,z,t)的乘積表示在t時刻對波場進行一次成像運算;求和計算代表最終所成的像是各時間步長成像的疊加。由此可知,互相關(guān)成像條件充分利用了雙程波場進行成像,是地面和井中地震資料逆時偏移中廣泛采用的成像條件。

針對VSP資料的特點,為保證目的層的成像效果,提高目的層的成像精度,本文采用的成像條件為震源歸一化互相關(guān)成像條件,其計算公式如下：

(7)

式中：ε為穩(wěn)定系數(shù),保證成像過程計算穩(wěn)定。

與(6)式所示的傳統(tǒng)互相關(guān)成像條件相比,震源歸一化互相關(guān)成像在成像數(shù)據(jù)的振幅上保持相對均衡,并且可在一定程度上補償深層的能量,提高深部的成像效果。

1.4 Laplacian去噪

由逆時偏移相關(guān)成像條件的原理可知,在震源與檢波點之間的射線路徑上均存在滿足相關(guān)條件的成像點,在對有效構(gòu)造進行成像的同時,也會產(chǎn)生低頻噪聲,可采用Laplacian噪聲壓制方法壓制該噪聲,從而提高疊加數(shù)據(jù)體的信噪比[16-17]。Laplacian算子可表示為：

(8)

式中：kx,ky,kz為成像域波數(shù)在空間方向的分量;kI為成像域的波數(shù)矢量;ω為角頻率;v為介質(zhì)速度;θ為入射角。此處對Laplacian低頻噪聲壓制方法的實現(xiàn)步驟不做重點闡述。

2 GPU/CPU并行加速

與地面地震資料的逆時偏移方法相同,為降低Walkaway VSP逆時偏移算法的計算成本,采用基于CUDA平臺的GPU并行加速算法提高計算效率。因GPU擁有更多的計算核心,因此,多線程調(diào)用可實現(xiàn)大規(guī)模并行計算,提高Walkaway VSP逆時偏移方法的計算效率。

GPU和CPU協(xié)同并行計算中,將需要GPU加速計算的部分打包成函數(shù)形式,稱之為kernel函數(shù),可在GPU上直接運行加速算法。在調(diào)用kernel函數(shù)前,需劃分計算量,并將其分配給不同的線程(Thread)計算,主要以Thread為基本單位。但是,CPU和GPU各具優(yōu)勢,因此,在編程過程中應根據(jù)其特性予以考慮,以充分利用兩者優(yōu)點達到節(jié)省計算資源和提高計算速度的目的。

當函數(shù)在GPU端計算時,線程(Thread)為基本單位,若干線程組成塊(Block),若干塊組成柵格(Grid),如圖1所示。Block的大小具有一定限制,主要由顯卡的型號決定,CUDA有對應變量對Block和Grid進行設置,并且每個線程都有編號與之對應。GPU上具有多種存儲器,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中僅顯示常用的存儲器,在調(diào)用kernel函數(shù)時,需先將數(shù)據(jù)傳輸至全局存儲器內(nèi),每個Block對應一個共享存儲器,共享存儲器的大小固定,每個Block內(nèi)的線程均可從共享存儲器中讀取數(shù)據(jù),Block之間的共享存儲器互不通信,其數(shù)據(jù)交互通過全局存儲器進行,每個線程對應一個寄存器,并且只能從其對應寄存器內(nèi)存取數(shù)據(jù),但寄存器本身很小,在線程進行運算時,從共享存儲器和寄存器進行數(shù)據(jù)讀取較全局存儲器更快,但由于這兩種存儲器本身存在限制,因此需充分考慮實際計算的需求。

圖1 GPU編程模式

圖2 GPU存儲器結(jié)構(gòu)

波場數(shù)值模擬是逆時偏移的核心,也是最耗時的部分,其本身包含大量的并行運算。對震源波場正傳和檢波點波場反傳進行加速計算,可以明顯提高逆時偏移的計算效率。實際編程時,首先利用CPU在串行計算方面的優(yōu)勢,從文件中讀取相應的數(shù)據(jù),包括震源子波、速度模型等參數(shù),將其傳輸至全局存儲器中,然后對計算任務進行優(yōu)化分配,以充分利用計算資源,調(diào)用kernel函數(shù)進行波場正傳的計算,并采用相應的存儲策略。之后進行檢波點處波場反傳,在反傳過程中,利用成像條件進行成像。最后,將所需要的數(shù)據(jù)從全局存儲器中傳回主機端進行保存。利用GPU并行計算,在很大程度上降低了逆時偏移算法的計算成本。

3 軟件設計

3.1 Qt環(huán)境

Qt是基于C++的跨平臺圖形界面程序開發(fā)軟件,具有跨系統(tǒng)平臺移植性,可提供“一次編寫,隨處編譯”的開發(fā)框架[18-19]。Qt通過信號和槽機制完成任意Qt對象之間的通信操作,整個過程由開發(fā)者自行定義,信號和槽的匹配關(guān)系不受數(shù)量限制,可提高對象處理的靈活性與多樣性。創(chuàng)建軟件界面主要有兩種方式：一是通過Qt平臺設計工具繪制圖形;二是編寫程序代碼設計圖形界面。本文采用后者,這樣可為后續(xù)界面組件的編輯和調(diào)試提供方便,同時形成的軟件系統(tǒng)也具有良好的可移植性。

3.2 架構(gòu)設計

軟件的架構(gòu)設計與軟件的執(zhí)行效率密切相關(guān),合理的架構(gòu)設計可提高軟件的執(zhí)行效率,大幅縮短地震資料的處理周期。軟件架構(gòu)設計思路如圖3所示。對逆時偏移算法模塊進行預編譯,生成可執(zhí)行程序,軟件界面向可執(zhí)行程序發(fā)送參數(shù)和命令,反過來可執(zhí)行程序給軟件界面提供功能支持。在界面代碼執(zhí)行過程中,僅進行參數(shù)傳遞等操作,也就是說直接調(diào)用前期編譯完成的算法可執(zhí)行程序。這樣做的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：形成的軟件平臺避免了界面代碼與算法代碼的混合編譯,使編譯更容易,計算效率更高,代碼算法也更易于實現(xiàn)。另外需要指出的是,按照上述方法設計軟件具有很好的可移植性和擴展性,只要提供可執(zhí)行軟件和必要的參數(shù)接口,就可以完成相關(guān)計算程序的界面化移植。

圖3 軟件執(zhí)行路線

3.3 流程設計

軟件平臺的操作流程和技術(shù)流程對于軟件的執(zhí)行和應用效果至關(guān)重要,作業(yè)流程的設計將直接影響軟件的執(zhí)行效率。VSP逆時偏移軟件平臺的基本流程為工區(qū)建立、數(shù)據(jù)載入、參數(shù)設置、作業(yè)發(fā)送等4個關(guān)鍵步驟,根據(jù)軟件系統(tǒng)不同子模塊的結(jié)構(gòu)和VSP逆時偏移的基本原理,設計了基于GPU并行計算的技術(shù)流程圖(圖4)。

圖4 VSP地震數(shù)據(jù)逆時偏移處理技術(shù)流程

4 軟件測試

在VSP逆時偏移算法的基礎(chǔ)上,基于Qt環(huán)境開發(fā)了垂直地震剖面數(shù)據(jù)逆時偏移的軟件平臺,為測試算法的準確性和軟件平臺的實用性,設計如圖5 所示的復雜斷陷盆地模型。該模型包括了高陡構(gòu)造、小斷層和尖滅等復雜地質(zhì)構(gòu)造,模型在x方向長度為2700m,z方向深度為2800m。在利用該模型進行VSP逆時偏移軟件測試前,首先進行VSP數(shù)據(jù)的正演模擬,在模型沿x方向0和2700m處共布置兩口VSP井,正演觀測系統(tǒng)參數(shù)如下：共270炮激發(fā),炮間距10m;井中共280級檢波器接收,檢波器間距10m;空間網(wǎng)格采用邊長10m的正方形;時間采樣間隔1ms;震源子波為主頻25Hz的Ricker子波;記錄長度2s。圖6為正演模擬的單炮記錄。其中圖6a為模型x=0處VSP井接收到的炮點坐標為0的單炮記錄;圖6b 為模型x=2700m處VSP井接收到的炮點坐標為1000m的單炮記錄。分析可知,模擬資料的上、下行波波場特征清晰。由于正演模擬所用的模型較為復雜,導致炮記錄上的時距曲線特征較為復雜,該模擬數(shù)據(jù)將用于測試VSP逆時偏移算法軟件的成像效果。

將正演模擬得到的270炮記錄作為數(shù)據(jù)輸入,基于圖5所示的速度模型,完成了逆時偏移試算,經(jīng)過疊加和低頻噪聲壓制后,得到的成像剖面如圖7a 所示。為進行成像效果的對比分析,圖7b給出了基于同樣速度模型的地面地震數(shù)據(jù)的逆時偏移成像剖面,需要說明的是該數(shù)據(jù)同樣是采取270炮激發(fā),270個檢波器布置于地面0～2700m處,檢波點間距10m,除檢波點位置不同外,其它的所有參數(shù)都和VSP資料的參數(shù)一致。對比VSP資料與地面地震資料的成像剖面可知,VSP逆時偏移算法對模型底部成像更清晰,主要原因是檢波器在井下,可實現(xiàn)對目的層的直接照明和成像,從而使得深層介質(zhì)及陡傾角地層的成像效果比地面地震更清晰。

圖5 復雜斷陷盆地模型

在成像精度測試的基礎(chǔ)上,對軟件平臺所包括的CPU和GPU并行方式的Walkaway VSP逆時偏移模塊進行了計算效率對比。利用前述模擬的270炮VSP地震記錄進行了逆時偏移計算時間測試，測試結(jié)果如表1所示?；贑UDA平臺GPU的Walkaway VSP逆時偏移方法可獲得較高的計算效率,相比傳統(tǒng)的CPU計算方式,可加速10倍左右。

圖6 正演模擬的單炮記錄

圖7 VSP資料(a)與地面地震資料(b)逆時偏移成像效果對比

表1 CPU和GPU不同計算方式Walkaway VSP逆時偏移計算時間對比

計算方式單炮計算時間/s270炮計算時間/sCPU12634020GPU123240

5 結(jié)束語

逆時偏移是當前地震資料高精度成像的重要算法,Walkaway VSP地震資料的逆時偏移可實現(xiàn)復雜勘探和開發(fā)研究區(qū)構(gòu)造的高精度成像?；赒t開發(fā)工具集成Walkaway VSP逆時偏移算法,進而形成了軟件系統(tǒng)平臺,為實際Walkaway VSP資料的高精度成像計算提供了方便。結(jié)合CPU和GPU兩種計算架構(gòu),實現(xiàn)了Walkaway VSP的逆時偏移計算,擴展了軟件的應用范圍,GPU并行加速算法,可在傳統(tǒng)CPU計算的基礎(chǔ)上,大幅提高計算效率,縮短成像計算的周期。復雜斷陷盆地模型的成像試算結(jié)果表明,所形成的軟件平臺具有計算精度高、計算效率高和實用性強的優(yōu)點。該軟件開發(fā)的研究實踐對同類軟件的設計和開發(fā)具有一定的借鑒意義。

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(編輯：陳 杰)

Qt based software development of reverse time migration for walkaway VSP seismic data

Wang Weihong1,Ke Xuan1,Guo Xuebao1,Zhang Yingying1,Yu Peng2

(1.CollegeofEarthSciences,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.Oil&GasExplorationDepartment,NortheastOil&GasBranch,SINOPEC,Changchun130062,China)

The geophones in VSP geometry are located down in the borehole,therefore VSP seismic data has high S/N and with rich wavefield information.Based on two-way acoustic wave raypath,the prestack reverse time migration (RTM) has high precision for imaging,and provides important data for the study of complex subsurface structure near the borehole and fluid properties in targeted formation.According to the algorithm of reverse time migration for walkaway VSP seismic data,the complete RTM processing flow of VSP data was designed and the VSP RTM software was preliminarily developed,which is developed by Qt language as well as in Linux operating system.Two types of core algorithm systems,CPU and GPU can be installed in different hardware.The test of model data demonstrated that the developed software is characterized by easy operating,good transferring and high imaging precision.

VSP,reverse time migration,Qt,software interface

2015-01-23;改回日期：2015-05-21。

王維紅(1975—),男,副教授,主要研究方向為地震資料數(shù)字處理。

國家自然科學基金面上項目(41474118)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA061202)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2015)04-0452-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.012