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        基于云平臺的微地震數(shù)值模擬系統(tǒng)研究

        2018-08-22 07:08:24梅麗斯李文煜
        物探化探計算技術(shù) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:演算法波場震源

        梅麗斯, 吳 琳, 劉 歡, 王 亮, 白 明, 李文煜

        (1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心,北京 100037; 2. 國土資源部 地質(zhì)信息技術(shù)重點實驗室,北京 100037; 3. 成都理工大學 數(shù)學地質(zhì)四川省重點實驗室,成都 610059)

        0 引言

        云平臺構(gòu)建了一套貫穿資料收集、野外采集、室內(nèi)整理、資料匯交、數(shù)據(jù)服務、產(chǎn)品服務、資源管理等全流程的地質(zhì)云環(huán)境,實現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)調(diào)查”的深度融合[1],能解決地質(zhì)大數(shù)據(jù)的存儲問題[2],進一步促進數(shù)字找礦與定量化礦產(chǎn)資源預測[3]。地質(zhì)數(shù)據(jù)通過云平臺,利用聚類、降噪、識別等多種地質(zhì)數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)了人機交互,實現(xiàn)了巖性識別、構(gòu)造特征分析、礦產(chǎn)資源預測等方面的工作[4]。因此,采用云平臺已成為現(xiàn)在地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的首選技術(shù)方案之一[5-7],本次研究采用也是云平臺,目的是以巖石數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以并行化技術(shù)為手段,開發(fā)微地震數(shù)值模擬,通過云平臺和三維可視化技術(shù)進行三維地質(zhì)模型展示,為儲層預測分析服務。

        1 云平臺的搭建

        以巖石數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、微地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以并行化技術(shù)為手段,開發(fā)微地震數(shù)值模擬,并通過云平臺和三維可視化技術(shù)進行三維地質(zhì)模型展示??傮w技術(shù)架構(gòu)將采用BS三層體系的結(jié)構(gòu),采用WEB方式提供服務,提供各種應用和基本服務。通過建立統(tǒng)一的業(yè)務模型,利用系統(tǒng)服務、系統(tǒng)組件和業(yè)務組件搭建平臺應用系統(tǒng),通過統(tǒng)一接口標準,實現(xiàn)業(yè)務應用系統(tǒng)的集成,技術(shù)架構(gòu)見圖1。

        技術(shù)架構(gòu)主要是考慮到基于并行化的微地震數(shù)值模擬和基于云平臺和三維可視化展示建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求,系統(tǒng)應用平臺應該具備跨平臺、支持多種數(shù)據(jù)庫環(huán)境的能力,采用構(gòu)件化設(shè)計方式,易于擴展和維護。

        2 微地震數(shù)值模擬方法

        微地震技術(shù)是地球物理研究的熱點技術(shù)之一,可以實時監(jiān)控研究區(qū)地下微小的信號并對其進行精確的定量研究,為采礦、防災等工作提供了大量有益信息,受到日益廣泛的關(guān)注和應用[8]。微地震數(shù)值模擬是研究微地震技術(shù)的重要內(nèi)容,其核心算法包括射線追蹤正演算法和波動方程正演算法[9]。

        圖1 基于云平臺的微地震數(shù)值模擬和基于云平臺的 三維可視化展示技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 Technical architecture diagram of cloud-based micro-seismic numerical simulation and three-dimensional visualization

        2.1 射線追蹤正演算法

        射線追蹤正演算法是一種快速的正演模擬算法,包括單震源單傳感器、單震源多傳感器、多震源多傳感器等類型。以單震源單傳感器為例,設(shè)介質(zhì)為層狀結(jié)構(gòu),震源位置為Ps(xs,ys,zs),傳感器位置為Pg(xg,yg,zg),射線終點為Pe(xe,ye,ze)。當震源和傳感器在同一層,則射線走時為式(1)。

        (1)

        其中:v為波速。震源和傳感器在不同的層,設(shè)vi為第i層的波速,Pi(xi,yi)為第i層的射線初始點,則

        (2)

        (3)

        (4)

        其中:hi為第i層的層高[10]。

        2.2 波動方程正演算法

        波動方程法是因其波場齊全,信息豐富而成為研究地震波場特點的最根本方法[9]。在實際的地震波場數(shù)值模擬工作中,需根據(jù)儲層模型來選擇模擬方程。根據(jù)模擬方程的不同,波動方程數(shù)值模擬主要包括:聲波模擬;粘滯聲波模擬;彈性波模擬;粘彈性波模擬以及裂隙和孔隙彈性模擬等。本文以基于相移加差值波動方程正演模型設(shè)計正演算法,具體算流程如圖2所示。

        圖2 正演算法的基本流程圖Fig.2 The basic flowchart of the forward algorithm

        初始地質(zhì)模型為:

        p(x,zi,ω)=u(x,zi,0)

        (5)

        地震波場為:

        (6)

        利用快速付氏變換將地震波場p(x,zi+1,ω)變到頻率波數(shù)域

        p(kx,zi+1,ω)=F(p(x,zi+1,ω))

        (7)

        kx為x方向波速,延拓波場需結(jié)合利用深度上的最大值V1與最小值V2的相移因子e[i(]kx-ω/V1)Δz〗、

        e[i(]kx-ω/v2)Δz〗得到波場

        p1(kx,zi+1,ω)=p(kx,zi+1,ω)e[i(]kx-ω/V1)Δz〗

        (8)

        p2(kx,zi+1,ω)=p(kx,zi+1,ω)e[i(]kx-ω/V2)Δz〗

        (9)

        利用付氏反變換將波場p1(kx,zi+1,ω)、p2(kx,zi+1,ω)變到空間域p1(x,zi+1,ω)、p2(x,zi+1,ω)。利用波場插值得到插值波場p(x,zi+1,ω)。重復計算地震波場到插值波場過程直到達到最大深度。當插值得到的插值波場與原始地震剖面數(shù)據(jù)基本一致時,計算結(jié)束,輸出地質(zhì)模型。

        3 云平臺的微地震數(shù)值模擬系統(tǒng)

        在云平臺上需預先配置Linux系統(tǒng)和GPU并安裝CUDA、QT4、Coin3D和SoQt。系統(tǒng)主要功能包括觀測系統(tǒng)編輯,作業(yè)流管理,速度建模,射線追蹤,震源定位,波動方程正演等一系列完整微地震處理流程,以及豐富的三維顯示功能。

        目前該系統(tǒng)擁有射線追蹤正演算和波動方程正演兩套正演機制,其算法可以用于偏移成像,微地震監(jiān)控等工作(圖3)。

        圖3 微地震正演及其應用Fig.3 Seismic forward and applicattions(a)射線追蹤正演;(b)微地震定位;(c)波動方程正演;(d)偏移成像

        4 結(jié)論

        針對微地震正演計算量大的特點,筆者架設(shè)云平臺建設(shè)架構(gòu),在云平臺上設(shè)計開發(fā)了基于射線追蹤算法和波動方程的并行化微地震正演系統(tǒng),實現(xiàn)了云平臺上的微地震資料處理與三維展示,可為儲層預測分析服務。

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