CN113960663A - 基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法及系统。所述方法获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统;将三维地质模型和震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;介质速度包括X、Y和Z方向上的传播速度;根据第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算X、Y和Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算X、Y和Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算处理;求解第二待求解方程得到介质速度;根据介质速度和三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。本发明在确保数值模拟精度的条件下,可以提高正演模拟的效率。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域,特别是涉及一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法及系统。
背景技术
四川盆地是中国天然气勘探开发的重要区域,地质储层中的高角度裂缝控制因素复杂,影响储层物性和气藏开采效果,常规叠后波阻抗反演技术较难展示岩性非均质性及识别裂缝型薄储层。地震波在裂缝型薄储层中传播,波速的频散、能量衰减以及对应的方位变化特征将是流体识别和裂缝参数反演的重要途径。研究地震波在裂缝型薄储层中的地震响应特征,可以帮助识别波场,确定薄裂缝储集层的反演参数,常规的反演技术能大致刻画储层的分布,但识别精度受限。采用地质统计学反演和伽马拟声波等反演技术可以在该区开展储层预测。地质统计学反演可识别薄的Ⅰ、Ⅱ类储层,伽马拟声波反演能有效地剔除低阻抗的泥岩,在一定程度解决了分辨薄储层和岩性横向变化的问题,但受沉积微相变化而引起岩性变化的细节不能完全反映出来,反演预测的岩性与实钻的岩性结果不符合,难以满足开发生产需要,针对裂缝型薄储层流体识别难度大的问题,所以可以开展裂缝型薄储层正演模拟研究。
裂缝型薄储层可通过各向异性衰减模型进行表征,各向异性衰减的三维波动方程模拟是实现正演计算的有效途径,即裂缝型薄储层的地震响应特征,需要三维各向异性衰减正演技术模拟方位道集,分析波场的方位速度和方位衰减响应。但是在模拟过程中为了满足薄层的数值模拟精度,需要对三维地质模型进行更加精细的网格剖分,三维网格单元的数量呈指数形势增加,导致根据傅里叶伪谱法对空间参数进行求导时计算时间太长,大大增加了正演模拟的计算时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法及系统,在确保数值模拟精度的条件下,提高正演模拟的效率。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法,包括:
获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统;
将所述三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;所述第一待求解方程表示空间参数和介质速度的关系;所述介质速度包括X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度;
根据所述第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理;
求解所述第二待求解方程得到介质速度;
根据所述介质速度和所述三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。
可选的,所述求解所述第二待求解方程得到介质速度,具体包括:
对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
可选的,所述对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度,具体包括:
采用四阶龙格库塔法对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
可选的,所述三维三分量观测系统包括:
震源的位置、检波点的排列间距、检波点的个数、检波线的排列间距、检波线的起始位置、检波线的排列条数、炮线上炮点的间距、炮点的个数、炮线的间距、炮线的起始位置和炮线的条数。
一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟系统,包括:
获取模块,用于获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统;
第一方程确定模块,用于将所述三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;所述第一待求解方程表示空间参数和介质速度的关系;所述介质速度包括X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度;
第二方程确定模块,用于根据所述第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理;
速度计算模块,用于求解所述第二待求解方程得到介质速度;
计算模块,用于根据所述介质速度和所述三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。
可选的,所述速度计算模块,具体包括:
速度计算单元,用于对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
可选的,所述速度计算单元,具体包括:
速度计算子单元,用于采用四阶龙格库塔法对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
可选的,所述三维三分量观测系统包括:
震源的位置、检波点的排列间距、检波点的个数、检波线的排列间距、检波线的起始位置、检波线的排列条数、炮线上炮点的间距、炮点的个数、炮线的间距、炮线的起始位置和炮线的条数。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明将三维地质模型和震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;根据第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理;求解第二待求解方程得到介质速度;根据介质速度和三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照,本发明在求解空间参数的空间导数时采用OpenMP并行计算,提高了正演模拟的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法的流程图;
图2为三维地质模型图;
图3为地震炮记录的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
OpenMP并行方法使用多核计算机,按空间分任务实现多线程并行,可以较好地利用计算机的多核资源,这种算法的实现过程较简单,可以缩短三维薄储层的正演计算时间,提高数值模拟的计算效率。本发明将OpenMP并行技术应用到三维各向异性衰减正演模拟,实现基于OpenMP的三维多核并行算法,对波动方程的空间微分近似并行化,使用的线程数越多,并行的效率越高,较适合裂缝型薄储层的正演模拟。傅里叶伪谱法在频率域对波动方程的空间微分进行计算,将OpenMP并行技术对傅里叶伪谱法结合进行并行化处理,适用于三维模型的波场计算。
本发明提供了一种三维各向异性衰减模型的OpenMP并行计算方法,通过OpenMP并行计算可以对裂缝型薄储层正演模拟加速,提高数值计算效率的同时,为裂缝型油气储层的地震反演参数优选提供高质量的正演数据体。
基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法,具体步骤如下:
步骤101:获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统。
步骤102:将所述三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;所述第一待求解方程表示空间参数和介质速度的关系。介质速度是矢量形式表示地震波在介质中的传播速度,包括:X方向上的传播速度vx、Y方向上的传播速度vy和Z方向上的传播速度vz。
步骤103:根据所述第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理。
步骤104:求解所述第二待求解方程得到介质速度。
步骤105:根据所述介质速度和所述三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。
在实际应用中,所述求解所述第二待求解方程得到介质速度,具体包括:
对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
在实际应用中,所述对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度,具体包括:
采用四阶龙格库塔法对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
在实际应用中,所述三维三分量观测系统包括:
震源的位置、检波点的排列间距、检波点的个数、检波线的排列间距、检波线的起始位置、检波线的排列条数、炮线上炮点的间距、炮点的个数、炮线的间距、炮线的起始位置和炮线的条数。
在实际应用中,步骤103具体包括:
对于任意一个传播速度,将所述传播速度在三个维度上进行划分得到三个方向速度分量;例如将vx在三个维度上进行划分得到vx1、vx2和vx3。
对于任意一个方向和任意一个传播速度;计算所述传播速度的三个方向速度分量在所述方向上的偏导数,其中,在计算三个方向速度分量在所述方向上的偏导数时采用OpenMP并行计算方法处理;例如计算vx1、vx2和vx3在x方向上的偏导数时采用OpenMP并行计算方法处理,同时计算vx1、vx2和vx3在x方向上的偏导数,根据vx1、vx2和vx3在x方向上的偏导数得到vx在x方向上的偏导数。
根据各方向上的传播速度在各方向上的偏导数得到第一待求解方程中的空间参数;空间参数包括记忆变量和应变矢量。
将所述空间参数带入第一待求解方程得到第二待求解方程。
在实际应用中,在步骤101之前还包括:
1)建立三维地质模型,所述三维地质模型包括速度模型或弹性系数矩阵,速度模型的参数包括:纵波速度、横波速度、密度、Thomson各向异性参数、纵波品质因子和横波品质因子。弹性系数矩阵的模型参数由薄储层介质的弹性系数给定。
2)定义震源类型和正演模拟的时间采样率和模拟时间,以及输出波场快照的时间间隔。
震源类型满足如下公式:
正演模拟的时间采样率是1毫秒,模拟时间是5秒,输出波场快照的时间间隔是500毫秒。
3)定义三维三分量观测系统。
本发明首先建立三维裂缝型薄储层,然后给出震源类型和正演模拟的时间采样率和采样时间,以及输出波场快照的时间间隔,这些参数确定了正演模拟所需的时间参数;定义三维三分量观测系统,这些参数确定了炮记录的空间接收位置;根据三维模型、震源类型和观测系统,采用三维各向异性衰减波动方程实现OpenMP并行计算,以产生地震炮记录和波场快照;最后输出所述地震炮记录和波场快照,完成三维裂缝型薄储层的OpenMP并行计算,获得正演模拟数据体。
本实施例提供采用本发明提供的基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法在实际生活中的应用,具体步骤如图1所示:
1、建立三维地质模型。三维地质模型如图2所示,中间层是裂缝型薄储层,此处给出的是弹性系数矩阵为:
2、定义震源类型和正演模拟的时间采样率和模拟时间,以及输出波长快照的时间间隔。震源子波是雷克子波,子波的形态由子波主频、传播时间决定。
3、定义三维三分量观测系统。震源位于坐标系的原点:(0,0,0),检波点的排列间距是5米,17个检波点,检波线的排列间距是10米,检波线起始位置是原点(0,0,0),检波线共15条,炮线上炮点间距是10米,共5个炮点,炮线距是10米,炮线起始位置是(0,0,0),炮线条数是5条。
4、采用三维各向异性衰减波动方程实现OpenMP并行计算,以产生地震炮记录和波场快照。
4.1将三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程:
三维各向异性衰减波动方程满足如下公式:
其中,V表示介质速度上面加一点表示介质速度的时间导数,V=[vx,vy,vz]T,其中vi是i方向上的传播速度,i=x,y,z,ρ是一个三维密度模型,L是散度运算符,F表示体力,σ是应力矢量=[σxx,σyy,σzz,σxz,σzy,σyx],其中,σij,ij=x,y,z表示应力在i和j方向的应力分量。ε是应变矢量=[εxx,εyy,εzz,εxz,εzy,εyx],其中,εij,ij=x,y,z表示应变在i和j方向的应力分量。E是记忆变量,是各向异性衰减介质的弹性系数矩阵,矩阵的每个分量都是一个三维模型,这些矩阵参数是纵波速度、横波速度、密度、Thomson各向异性参数、纵波品质因子和横波品质因子的函数。F是外力矢量,由震源类型决定。
4.2、采用傅里叶伪谱法对第一待求解方程中的空间参数(记忆变量E和应变矢量ε)进行空间求导,在求导过程中要使用OpenMP并行计算对其进行处理,以E举例(ε和E一样均由多个分量组成),E={e1,e11,e22,e23,e13,e12}T,
其中,当等式右边的变量是t时刻的值,左边得到的是t+1时刻的值,e1和eij,i,j=1,2,3表示记忆变量的分量。上标”.”表示时间的一阶导数,上标“..”表示时间的二阶导数,表示变量的空间方向导数,在计算时要将vx按照维度划分,分成三个维度,同时(采用OpenMP并行计算)计算三个维度在x方向上的导数,这样就实现了并行计算减少了计算的时间,其他的求导是相同的过程也采用OpenMP并行计算方法。函数φα表达式如下:
其中,τσα和τεα分别表示应力和应变松弛时间,角标α为1表示纵波,角标α为2表示横波,vi,i=x,y,z表示质点速度分量,函数Θ表达式如下:
其中,傅里叶伪谱法的运算分两步,首先利用傅氏变换将波场函数表示成傅里叶级数的展开形式,然后在时间-波数域(或时间-频率域)中对波动方程进行数值求解。
4.3、将得到的ε和E,带入第一待求解方程得到第二待求解方程,当ε和E为t时刻的值时等式左边得到的是t+1时刻的值。
4.4、使用四阶龙格-库塔法对第二待求解方程进行时间求导得到介质速度。
四阶龙格-库塔法是用来逼近泰勒级数解的一种算法,和泰勒展开式不同之处在于,龙格-库塔法除了一阶导数外,不用计算其高阶导数,代替的是算几个一阶导数,用这几个一阶导数的线性规律组合来逼近泰勒展开方程,去掉了计算高阶导数的繁琐。即可以通过简单的计算来实现。该方法是稳定的和递推的,也就是说,计算时只要用到前面一个点就能计算出该点的函数值。四阶龙格-库塔法满足如下公式:
其中,
H1=NVn+Dn
H2=N(Vn+dt/2H1)+Dn+1/2
H3=N(Vn+dt/2H2)+Dn+1/2
H4=N(Vn+dtH3)+Dn+1
Vn表示第n阶波场,Vn+1表示第n+1阶波场,dt表示时间采样间隔,H1表示时间段开始时的斜率,H2和H3均表示时间段中点的斜率,H2采用斜率H1获得,而H3采用斜率H2决定。H4表示时间段终点的斜率,N表示速度在空间三个方向的导数算子,Dn表示各向异性衰减方程中常量在开始时刻(第n时刻)的数值,Dn+12表示常量在时间段中点(第n+1/2时刻)的数值,Dn+1表示常量在时间段终点(第n+1时刻)的数值。当完成整个时间迭代,存储三维模型顶界面的波场即可获得地震炮记录和波场快照。
4.5、将介质速度输入三维三分量观测系统,根据前面定义的正演模拟的时间采样率和模拟时间得到地震炮记录和波场快照,地震炮记录如图3所示,其中,图3(a)部分表示x分量上的炮记录,图3(b)部分表示y分量上的炮记录,图3(c)部分表示z分量上的炮记录,PP表示纵波反射,PS表示转换波反射。
5、输出地震炮记录和波场快照。
OpenMP对空间导数实现并行计算,包括:
a.对系统的OpenMP并行环境进行初始化。初始化使用的是fftw库函数:fftw_init_threads(void)。
b.创造一个并行策略。使用的fftw库函数是:fftw_plan_with_nthreads(nthreads),其中nthreads表示并行计算将要使用的核数。
c.实施傅氏变换,获得时间-波数域数据体。使用的fftw库函数是:p=fftw_plan_dft_r2c_1d(nx,in,out,FFTW_ESTIMATE),其中,p表示生产的傅氏变换策略,in表示输入的一维数组,nx表示数组元素个数,out表示输出数组,FFTW_ESTIMATE表示:由计算机系统构建一个合理的傅氏变换方案。
d.在时间-波束域计算波动方程的空间微分。
e.实施傅氏反变换,获得时间-空间域数据体,完成三维薄储层的OpenMP并行。
本实施例提供了一种与上述方法对应的基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟系统,所述系统包括:
获取模块,用于获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统。
第一方程确定模块,用于将所述三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;所述第一待求解方程表示空间参数和介质速度的关系;所述介质速度包括X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度。
第二方程确定模块,用于根据所述第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理。
速度计算模块,用于求解所述第二待求解方程得到介质速度。
计算模块,用于根据所述介质速度和所述三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。
可选的,所述速度计算模块,具体包括:
速度计算单元,用于对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
可选的,所述速度计算单元,具体包括:
速度计算子单元,用于采用四阶龙格库塔法对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
可选的,所述三维三分量观测系统包括:
震源的位置、检波点的排列间距、检波点的个数、检波线的排列间距、检波线的起始位置、检波线的排列条数、炮线上炮点的间距、炮点的个数、炮线的间距、炮线的起始位置和炮线的条数。
本发明有以下技术效果:
本发明主要针对三维裂缝型薄储层的正演模拟,根据波动方程的空间微分特征,通过OpenMP多核并行方法,实现三维裂缝型薄储层的OpenMP并行优化。实施方案体现了多核OpenMP三维各向异性衰减薄储层的并行计算,通过OpenMP多核并行策略,可以在确保数值模拟精度的条件下,加速三维薄储层正演模拟,提高正演模拟的效率,降低正演模拟的时间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法,其特征在于,包括:
获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统;
将所述三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;所述第一待求解方程表示空间参数和介质速度的关系;所述介质速度包括X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度;
根据所述第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理;
求解所述第二待求解方程得到介质速度;
根据所述介质速度和所述三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。
2.根据权利要求1所述的一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法,其特征在于,所述求解所述第二待求解方程得到介质速度,具体包括:
对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法,其特征在于,所述对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度,具体包括:
采用四阶龙格库塔法对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
4.根据权利要求1所述的一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法,其特征在于,所述三维三分量观测系统包括:
震源的位置、检波点的排列间距、检波点的个数、检波线的排列间距、检波线的起始位置、检波线的排列条数、炮线上炮点的间距、炮点的个数、炮线的间距、炮线的起始位置和炮线的条数。
5.一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟系统,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统;
第一方程确定模块,用于将所述三维地质模型和所述震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程;所述第一待求解方程表示空间参数和介质速度的关系;所述介质速度包括X方向上的传播速度、Y方向上的传播速度和Z方向上的传播速度;
第二方程确定模块,用于根据所述第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数,得到第二待求解方程,其中,计算所述X方向上的传播速度、所述Y方向上的传播速度和所述Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算方法处理;
速度计算模块,用于求解所述第二待求解方程得到介质速度;
计算模块,用于根据所述介质速度和所述三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。
6.根据权利要求5所述的一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟系统,其特征在于,所述速度计算模块,具体包括:
速度计算单元,用于对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
7.根据权利要求6所述的一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟系统,其特征在于,所述速度计算单元,具体包括:
速度计算子单元,用于采用四阶龙格库塔法对所述第二待求解方程进行时间求导得到所述介质速度。
8.根据权利要求5所述的一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟系统,其特征在于,所述三维三分量观测系统包括:
震源的位置、检波点的排列间距、检波点的个数、检波线的排列间距、检波线的起始位置、检波线的排列条数、炮线上炮点的间距、炮点的个数、炮线的间距、炮线的起始位置和炮线的条数。
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