CN109212589A - 一种基于gpu/cpu协同并行的地震采集观测系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，属于石油天然气地震勘探调查技术领域。本发明首先根据所采集的数据生成三维地质模型；然后采用基于GPU/CPU协同并行算法对生成的三维地质模型进行正演模拟；最后对正演模拟出的地震数据进行二维、三维地震波场分析，生成模拟的叠前偏移剖面进行地震成像研究，分析观测系统设计参数变化引起的地震成像效果改变以指导观测系统设计。本发明利用基于GPU/CPU协同并行的三维地质模型波动方程正演模拟进行观测系统参数验证分析，优化观测系统，达到改进采集质量的目的，解决了射线分析方法在复杂构造区不足的技术问题，能够极大的降低成本，提高工作效率，具有广阔的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，属于石油天然气地震勘探调查技术领域。
背景技术
在地震勘探中，随着石油与天然气持续的勘探开发，地球物理勘探所面临的地质问题越来越复杂，地震采集观测系统设计需要针对解决的技术难题更多，科学合理设计需要有更加充分的论证手段来支持。基于射线追踪的正演模拟，在这方面起到了极其重要的作用，但是，在地下地质条件复杂地区速度各向异性地层中，简单的射线分析方法面对复杂的地质目标体其存在着一些不足(如:反射空白区、无法计算反射振幅值等),在复杂构造区会出现很大的误差，难以准确指导观测系统设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，以解决射线分析方法在复杂构造区导致误差大的技术问题。
本发明为解决上述技术问题提供了一种基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，该方法包括以下步骤：
1)采集地震地质数据，根据所采集的数据生成三维地质模型；
2)通过地震参数论证选出观测系统的主要参数范围，设计相应的观测系统；
3)采用基于GPU/CPU协同并行算法对生成的三维地质模型进行正演模拟；
4)对正演模拟出的地震数据进行二维、三维地震波场分析，生成模拟的叠前偏移剖面进行地震成像研究，分析观测系统设计参数变化引起的地震成像效果改变以指导观测系统设计。
进一步地，该方法还包括对以往地震资料进行对比分析和地质模型验证，找到观测系统参数对数据采集以及叠前偏移成像的质量影响，优选观测系统参数，以改善数据采集质量和提高叠前偏移成像精度。
进一步地，所述步骤3)中正演模拟的过程如下：
A.将GPU和CPU结合在一起构建协同并行计算系统的硬件部分，并将生成的三维地质模型写入协同并行计算系统；
B.由所述协同并行计算系统根据三维地质模型确定炮点位置、正演孔径范围和时间拓扑步长；
C.将震源子波和孔径内的速度模型读入协同并行计算系统的显存部分，由GPU采用有限差分法沿时间方向递推；
D.根据吸收边界条件和自由地表边界条件确定正演结果。
本发明的有益效果是:本发明首先根据所采集的数据生成三维地质模型；然后采用基于GPU/CPU协同并行算法对生成的三维地质模型进行正演模拟；最后对正演模拟出的地震数据进行二维、三维地震波场分析，生成模拟的叠前偏移剖面进行地震成像研究，分析观测系统设计参数变化引起的地震成像效果改变以指导观测系统设计。本发明利用基于GPU/CPU协同并行的三维地质模型波动方程正演模拟进行观测系统参数验证分析，优化观测系统，达到改进采集质量的目的，解决了射线分析方法在复杂构造区不足的技术问题，能够极大的降低成本，提高工作效率，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法的流程图；
图2是本发明实施例中根据某勘探区已有资料建立的三维地球物理模型图；
图3是本发明实施例中某勘探区基于GPU/CPU协同并行计算的三维模型正演地震记录；
图4是本发明实施例中某勘探区基于GPU/CPU协同并行计算的三维模型正演数据处理后的地震剖面对比图；
图5是GPU/CPU协同并行的正演模拟流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明利用基于GPU的波动方程正演模拟技术指导和改进地震采集设计，形成一套先进的、实用强的基于GPU/CPU协同并行的三维模型正演地震采集观测系统设计方法，该方法的流程如图1所示，具体包括如下步骤。
1.首先利用勘探区已有的解释好的地震数据生成三维地质模型，通过已有资料分析建立地质模型的可靠性。
2.通过地震参数论证选出合理的观测系统主要参数的范围参数论证结果设计出一套高密度的观测系统。
3.利用GPU/CPU协同并行计算地震波场正演室内采集系统，将模型和观测系统加载到地震模型正演软件中，利用基于GPU并行处理技术进行三维地震正演模拟。
本发明采用GPU/CPU协同并行计算系统来实现，该系统是一项跨计算机硬件、系统软件、应用软件、地球物理方法、计算方法等多学科的技术,实现了多项高端地球物理成像技术的规模化生产。所采用的协同并行计算(CPPC)架构就是将GPU和CPU两种不同架构的处理器结合在一起，组成硬件上的协同并行模式，同时在应用程序编写上实现GPU和CPU的协同配合的并行计算,在完成地震资料处理时把CPU服务器和GPU服务器结合起来，构成一个混合型的集群，由CPU负责执行顺序型的代码，如操作系统、数据库等应用，而由GPU来负责密集的并行计算。各司其职，大幅度提高计算机集群的运算速度和效率,使得先进的处理技术应用于生产。正演模拟计算流程如图5所示，过程如下。
A.将GPU和CPU结合在一起构建协同并行计算系统的硬件部分，并将生成的三维地质模型写入协同并行计算系统；
B.由所述协同并行计算系统根据三维地质模型确定炮点位置、正演孔径范围和时间拓扑步长；
C.将震源子波和孔径内的速度模型读入协同并行计算系统的显存部分，由GPU采用有限差分法沿时间方向递推；
D.根据吸收边界条件和自由地表边界条件确定正演结果。
4.利用正演模拟出的地震数据，开展二维、三维地震波长分析，并生成模拟的叠前偏移剖面进行地震成像研究，通过分析观测系统设计参数变化引起的地震成像效果改变知道观测系统设计。
5.通过与以往资料对比分析和地质模型验证，系统总结出观测系统参数对数据采集以及叠前偏移成像质量影响，优选观测系统参数，改善数据采集质量，提高叠前偏移成像精度，为后续地震工程观测系统设计提供方法指导。
下面以泌阳凹陷的实际应用为例来说明，在该地区凹陷高精度三维勘探中，针对核三上段复杂断裂清晰成像问题和核三下段地震反射信号弱、信噪比低的问题，在分析该地区以往的地震资料和地震采集方法的基础上，建立工区代表性地质模型，如图2所示；利用地质模型波动方程正演软件，通过本发明的基于GPU/CPU协同并行的三维模型正演地震采集观测系统设计方法成功地正演模拟了地下地层的反射情况，如图3和图4所示。通过对模型的模拟放炮获得的单炮记录和不同偏移距单道抽道合成的剖面分析，进行排列长度、道距等观测系统参数对地址目标成像的综合研究，分析设计参数对数据采集以及叠前偏移成像质量影响，优化设计观测系统，初步解决了该地区地震采集中的技术问题。通过本发明优化设计方法，对该区的地下结构进行了多种情况的正演分析，通过选择合适的观测系统正演模拟，改善了数据采集质量，提高了叠前偏移成像精度，搞清了该区地下的构造形态，既减少了施工和试验的盲目性，又保证了地质任务完成的有效性。
Claims (3)
1.一种基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)采集地震地质数据，根据所采集的数据生成三维地质模型；
2)通过地震参数论证选出观测系统的主要参数范围，设计相应的观测系统；
3)采用基于GPU/CPU协同并行算法对生成的三维地质模型进行正演模拟；
4)对正演模拟出的地震数据进行二维、三维地震波场分析，生成模拟的叠前偏移剖面进行地震成像研究，分析观测系统设计参数变化引起的地震成像效果改变以指导观测系统设计。
2.根据权利要求1所述的基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，其特征在于，该方法还包括对以往地震资料进行对比分析和地质模型验证，找到观测系统参数对数据采集以及叠前偏移成像的质量影响，优选观测系统参数，以改善数据采集质量和提高叠前偏移成像精度。
3.根据权利要求2所述的基于GPU/CPU协同并行的地震采集观测系统设计方法，其特征在于，所述步骤3)中正演模拟的过程如下：
A.将GPU和CPU结合在一起构建协同并行计算系统的硬件部分，并将生成的三维地质模型写入协同并行计算系统；
B.由所述协同并行计算系统根据三维地质模型确定炮点位置、正演孔径范围和时间拓扑步长；
C.将震源子波和孔径内的速度模型读入协同并行计算系统的显存部分，由GPU采用有限差分法沿时间方向递推；
D.根据吸收边界条件和自由地表边界条件确定正演结果。
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