基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法与流程

本发明涉及地震资料处理领域，特别是涉及到一种基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法。
背景技术：
：可控震源具有安全、环保、高效、低耗、方式灵活等优点，因此在地震勘探领域的得到了广泛应用。可控震源地震勘探始于20世纪50年代，到了20世纪60年代以后，可控震源逐渐成为地震勘探中重要的激发震源之一。可控震源的特点是激发时间长，远长于各界面的反射时间，因此相邻界面的反射波形在地震记录上相互重叠，通过将原始地震记录与扫描信号互相关得到最终的地震记录。可控震源的工作效率远远大于其他震源形式。可控震源扫描方式的不断更新推动着可控震源工作效率的提高。1979年，Allen提出了交替线性扫描方法；1991年和1995年阿曼石油公司(PDO)分别对交替扫描和滑动扫描法进行了试验，结果证明生产效率较常规方法分别提高至少一倍、两倍以上。2007年CGGVeritas公司率先提出了可控震源的高效采集方法—HPVA；2008年Postel等人提出单台震源采集技术；同年由Howe和Meunier等人给出了单台震源独立工作模式(ISS)，并由BP公司在阿尔及利亚试验成功；2007年Stefani提出了抖动扫描高效采集技术，Schlumberger公司在此基础上结合滑动扫描技术提出了抖动滑动扫描技术(DSS)。地震数值模拟是地震反演和偏移成像的重要基础，是地球物理数据处理的基石之一。目前地震勘探中采用的地震数值模拟方法有射线类方法(射线追踪法、高斯射线束等)和波动方程法(有限差分法、有限元法、伪谱法、谱元法、反射率法等)。有限差分法(Kellyetal.,1976)因其计算速度快，占用内存低，容易实现等优点成为地震波数值模拟的首选。目前对可控震源的数值模拟的研究还很少，因此可控震源的模拟实例也不是很多。2006年王忠仁、陈祖斌等人采用有限差分法进行可控震源二维的地震勘探的数值模拟；同年，王忠仁、陈祖斌等人又给出了用可控震源进行非线性扫描地震响应的数值模拟，分别模拟了用指数扫描、对数扫描、二次扫描等非线性扫描的形式进行了地震数值模拟。传统的数值模拟都是基于常规采集方法采用串行正演模拟方法进行的，存在采集消耗时间长，采集效率低等缺点，不能适应日益增加的采集数据的需求。可控震源滑动扫描方法相比于常规采集方法节省了大量的时间，在可控震源采集中处于重要地位。但滑动扫描方法产生在负时间轴的谐波干扰刚好与前一炮的正时间轴有效信号相互重叠，对前一炮的有效信号造成污染。所以在进行正演模拟时，各炮之间不是独立的,因此，常规的并行方法无法实现。为此我们发明了一种新的基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法，解决了以上技术问题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种计算效率高、模拟结果准确可靠的基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法。本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法，该基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法包括：步骤1，输入模拟参数，包括常规观测系统参数和可控震源滑动扫描参数；步骤2，根据输入的模拟参数计算可控震源滑动扫描模拟参数；步骤3，根据可控震源滑动扫描模拟参数，进行可控震源滑动扫描正演模拟；步骤4，输出并行正演模拟结果。本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：在步骤1中，输入的常规观测系统参数包括：炮间距，道间距，最大、最小偏移距，时间采样间隔；输入的可控震源滑动扫描参数包括：震源台数，扫描信号长度，最高频率，最低频率，记录时间，滑动时间。在步骤2中，计算得到的可控震源滑动扫描模拟参数包括：每一台震源的起始位置、开始扫描时间以及结束时间，每一台震源的扫描信号。在步骤3中，进行的可控震源滑动扫描正演模拟为基于声波交错网格进行的高阶有限差分波场延拓计算。在步骤3中，可控震源的扫描总时间为td，记录时间为tl，两炮之间的启振时间间隔为滑动时间th，当第N+1炮的启振时间与第一炮的启振时间间隔Δt大于扫描时间与记录时间的和td+tl时，第N+1炮与第一炮的记录时间没有重叠，两炮的关系相当于交替扫描，所以第N+1炮对第一炮的记录没有任何影响，在进行并行计算时，第一个节点只需计算第1到N炮，通过互相关产生第一炮的炮记录，同理第M个节点只需要计算第M炮到M+N-1炮，相关之后求得第M炮的结果；各个节点计算结果组合到一起得到并行结果。在步骤3中，每个节点需要计算的炮数N由下式求得：其中，T为可控震源扫描信号的扫描长度；td为可控震源的扫描总时间，tl为记录时间。在步骤4中，并行正演模拟输出的是滑动扫描总的记录时间中每台震源振动后检波器所记录的母记录，将母记录与扫描信号进行互相关后得到滑动扫描的互相关地震记录。本发明中的基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法，基于滑动扫描这一特点提出了一种高效的滑动扫描并行正演策略，该算法能准确模拟可控震源波场传播和谐波干扰，准确地还原了滑动扫描技术各炮之间的相互关系，为后续对滑动扫描记录的反演成像研究做了技术支持，同时本发明具有很高的并行加速比。附图说明图1为本发明的基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法的一具体实施例的流程图；图2为本发明的滑动扫描采集方法示意图；图3为本发明的可控震源滑动扫描并行算法示意图；图4为本发明的数值模拟采用的速度模型；图5为本发明的可控震源滑动扫描方法数值模拟的原始炮记录；图6为本发明的分离后的第一炮的相关后的炮记录；图7为本发明的分离后的第二炮的相关后的炮记录；图8为本发明的分离后的第三炮的相关后的炮记录；图9为本发明的分离后的第四炮的相关后的炮记录。具体实施方式为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。如图1所示，图1为本发明的基于可控震源滑动扫描方法的并行正演模拟方法的流程图。在步骤101，输入模拟参数。在一实施例中,输入如下参数：常规观测系统参数：炮间距，道间距，最大、最小偏移距，时间采样间隔。可控震源滑动扫描参数：震源台数，扫描信号长度，最高频率，最低频率，记录时间，滑动时间。如图2所示，图2为滑动扫描采集方法示意图，表示了滑动时间th、信号 扫描长度td以及记录时间tl之间的关系。在步骤102，可控震源滑动扫描模拟参数计算。根据输入参数计算如下参数，并将这些参数输出到参数文件中。具体的参数有：每一台震源的起始位置、开始扫描时间以及结束时间，每一台震源的扫描信号。在步骤103，可控震源滑动扫描方式的并行正演模拟。可控震源滑动扫描正演模拟是基于声波交错网格进行的高阶有限差分波场延拓计算。如图3所示，实线段表示可控震源扫描信号的长度与记录时间之和td+tl；两炮之间的启振时间间隔为滑动时间th。每一个虚方框代表一个节点。由图3可以看出，当计算第一炮时并非所有炮产生的负时间轴的谐波干扰都对第一炮有影响，当第N+1炮的启振时间与第一炮的启振时间间隔Δt大于扫描时间与记录时间的和td+tl时，第N+1炮与第一炮的记录时间就没有重叠了，两炮的关系就相当于交替扫描了，所以第N+1炮对第一炮的记录没有任何影响，所以在进行并行计算时，第一个节点只需计算第1到N炮就可以了，通过互相关产生第一炮的炮记录。同理第M个节点只需要计算第M炮到M+N-1炮，相关之后就可求得第M炮的结果。各个节点计算结果组合到一起就可以得到并行结果。每个节点需要计算的炮数N可由下式求得。本发明提出的可控震源滑动扫描高效并行算法采用并行策略，可以准确进行多炮可控震源的正演模拟，各炮之间的谐波干扰也可以准确的模拟出来，同时具有很高的加速比。在步骤104，输出并行正演模拟结果。正演模拟输出的是滑动扫描总的记录时间中每台震源振动后检波器所记录的母记录(如图5)，而将母记录与扫描信号进行互相关后便可以得到滑动扫描的互相关地震记录。相对于常规的串行正演模拟，本发明的数值模拟结果更为准确，并且最大的优点是本发明的计算效率相对于串行正演模拟大幅度的提高。本文模拟结果主要有以下几个方面：(1)采用四炮滑动扫描对图4所示的模型进行试算。时间采样间隔为0.5ms，记录时间为3s，滑动时间为3s，扫描时间周期T＝10s，总计算时间为22s，起始频率f1＝5Hz，中止频率f2＝80Hz。得到原始记录图5；(2)对图5所示原始记录与扫描信号进行互相关得到的四炮相关后记录(分别为图6、图7、图8和图9)；(3)为了测试一下本发明提出的并行算法的加速比。对图4所示的模型应用上述参数分别采用炮数为1、10、15、20、30、50进行并行和串行计算得到加速比如表1所示；表1并行加速比炮数并行时间t1(s)串行时间t2(s)加速比t2/t112035.832038.75≈1103540.636506.041.84153542.7110408.542.94203545.2116685.004.71303549.5831207.718.79通过滑动扫描正演模拟得到22s的原始记录，从初始时刻截取到13s(扫描长度加记录长度)时刻为第一炮的地震记录，从3s(滑动长度)时刻到16s为第二炮的地震记录，从6s(滑动长度)时刻到19s为第三炮的地震记录，从9s(滑动长度)时刻到22s为第四炮的地震记录，分别将四炮的原始记录与扫描信号进行互相关就可以得到最终的炮记录(图5)。从图9中可以看出第四炮同相轴清晰，没有谐波干扰，而第一至四炮箭头所示区域产生较强的谐波干扰，与有效反射波混杂在一起，对有效波造成污染。因为模拟的扫描信号为线性升频信号，所以产生的谐波干扰出现在负时间轴，由于在滑动扫描过程中，各炮记录相互重叠，因此后炮产生在负时间轴的谐波干扰出现前炮的正时间轴，对前炮记录造成污染。从表1中可以看到，当炮数为1时，并行算法与串行算法所用时间相当，实际上，当炮数小于N＝4炮时，并行算法并不节省时间，但当炮数大于N时，并行算法就节省时间了，而且随着炮数的增加，加速比不断增加。而并行算法所用的时间约等于N炮串行计算的时间。本发明提出的可控震源滑动扫描高效并行算法采用并行策略，可以准确进行多炮可控震源的正演模拟，各炮之间的谐波干扰也可以准确的模拟出来，同时具有很高的加速比。上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本 发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，应此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。当前第1页1 2 3