用于有限差分建模的统一应用框架的制作方法
【专利说明】用于有限差分建模的统一应用框架
【背景技术】
[0001] 科学家和工程师经常采用地球物理勘测用于勘探、考古研究和工程项目。地球物 理勘测可以提供关于地下结构的信息，包括地层边界、岩石类型以及流体储层的存在或不 存在。这些信息可以极大地帮助寻找水、地热储层和矿藏(诸如油气和矿石）。石油公司尤其 经常投入大量的地震和电磁勘测以选择用于勘探油井的地点。
[0002] 地球物理勘测可以在陆地上或水中进行。如在图1中所指示的，靠近感兴趣的区域 104的能量源102生成波106,其传播进感兴趣的区域并且从诸如岩床边界的内部特征反射。 最终，反射波108到达表面112上或附近或者钻孔中的接收器阵列110。记录系统114捕获接 收到的信号用于存储和处理。利用多个不同的源位置并且任选地利用不同的接收器位置重 复该过程。虽然存在各种方法用于将接收到的波信号转换为地下结构的图像，但是，最流行 的这些技术采用有限差分波场建模过程，该过程使用离散时间步长和波函数导数的快速近 似及时地向前或向后传播波。利用足够小的时间步长和足够精确的近似，有限差分波场建 模过程提供了高效、高保真的解决方案。但是，有限差分模拟过程强加了大量的计算需求。
[0003] 已经做出了很多努力来满足有限差分波场建模过程的计算需求。已实现了许多组 合的硬件-软件解决方案来试图最大化运行时间效率。除了利用由不同的硬件系统提供的 不同的并行策略之外，软件通常被定制，以结合不同的地球模型、不同的波函数近似以及不 同的传播策略。这些因素导致严重的代码库分裂(fragmentation)，使得难以维护和重新使 用应用。在许多情况下，由于略有不同的底层算法或硬件实现，可能甚至难以比较不同应用 的结果。
【附图说明】
[0004] 相应地，本文公开了采用用于有限差分建模的统一应用框架的系统和方法。
[0005] 图1是地震勘测的示意图。
[0006] 图2是具有有限差分波场模拟器的地震勘测系统的框图。
[0007] 图3示出了说明性的数字化接收器信号迹线。
[0008] 图4示出了表示感兴趣的地下区域的数据空间。
[0009] 图5是说明性的地震成像方法的流程图。
[0010] 图6是适于实现有限差分波场建模的说明性的硬件平台的框图。
[0011] 图7说明了代码库分裂的特性形式。
[0012] 图8说明了用于有限差分建模的统一应用框架。
[0013] 图9示出了适于在基于数据流的中间表示中使用的说明性的节点类型的层级结 构。
[0014]图10示出了说明性的基于数据流的中间表示。
[0015]但是，应该理解，在下面的附图和【具体实施方式】中给出的具体实施例并不限制本 公开内容。相反，它们为普通技术人员提供了辨别涵盖在所附权利要求的范围内的可替代 形式、等价物和其它修改的基础。
【具体实施方式】
[0016] 以下的公开内容呈现了某些波场模拟系统和方法，其适于包括在各种硬件平台上 地震成像的许多用途。从有限差分内核的平台无关的数据流图中，用于各种硬件平台的定 制软件是可导出的。
[0017] 图2提供了用于所公开的波场模拟系统和方法的说明性的上下文。地震接收器阵 列110将地震波转换为放大的和数字化的电信号。（说明性的信号在图3中示出）。记录系统 114经由总线202或其它通信路径收集数字化信号并且将数字化信号存储在信息存储介质 上用于以后处理。通常，每个数字化信号与接收器位置和炮点位置204以及系统设计者认为 值得的其它此类信息相关联。记录系统114可以执行一些初始化处理，以过滤和/或压缩数 据，并且至少在一些情况下，执行质量控制。
[0018] 记录系统114经由互联网或一些其它通信机制206将地震勘测数据提供给具有足 够的计算资源的数据处理中心，以用于成像处理。数据处理中心包括充当有限差分波场模 拟器208的一个或多个计算机。虽然这模拟器208(-个或多个)可以是被适当编程的通用计 算机，但是能够通过使用专用硬件(诸如超级计算机、矢量处理单元、图形处理单元、现场可 编程门阵列(FPGA)、数据流处理器以及它们的组合)来获得更高的效率。结果产生的波场被 合并以形成地下结构的地图，其可以被在监视器210上显示并且被存储在持久性存储装置 中用于以后使用。
[0019] 为了模拟波场和构建图像，数据处理中心将感兴趣的区域建模为被划分成元素网 格402的二维或三维空间。图4示出了三维空间的示例。在元素内的所有点的属性被假定是 均匀的并且因此可以被表示为单个点。模拟器逐个元素地跟踪相关的属性(例如，压力、声 速、各向异性）。
[0020] 图5是可以由数据处理中心中的计算机执行的说明性的地震成像方法的流程图。 在方框502中，计算机获得勘测数据，其包括数字化信号和相关联的源以及接收器位置信 息。也可以在这个框中获得地下的初始模型，例如，以将估计的声速指定为位置的函数。通 常，采用均匀速度模型作为起始点并且在成像过程中逐步细化。
[0021] 在方框504中，计算机通过将源信号（或合适的替代物)从源位置传播到空间中来 模拟由源生成的波场。也就是说，源生成按照波动方程从源位置向外传播的压力波、剪切波 和/或其它类型的波。有限差分模型模拟这种传播，以确定源波场，即，模型空间中的每个点 处作为时间的函数的压力或加速度。
[0022] 在方框506中，类似的操作被应用到接收器信号。认识到，所记录的压力或加速度 到达接收器位置，这些压力或加速度被根据波动方程在时间上向后传播到模型空间中。尽 管具有反转的时间索引，但是可以使用与之前相同的有限差分传播模型来确定接收器波 场。（随着时间反转，接收器波形被像源波形一样对待）。因为地球中的反射器将源波场转换 为接收器波场，这两个波场在反射点处匹配。相应地，在框508中，源和接收器波场作为时间 和位置的函数被分析，以识别匹配的那些区域并且因此指示反射点。针对每个地震炮点这 一过程被重复并且匹配信息被相加（"堆叠"），以对整个感兴趣的区域成像。
[0023] 在方框510中，图像被分析，以识别估计速度中的不精确性。由于这种不精确性在 图像数据中产生特定图案，因此它们使得速度模型能够被细化。方框504-510可以被迭代地 重复，以逐步细化和改进速度模型（以及得到的图像）。一旦速度模型收敛，在方框512中计 算机可以显示图像。然后可以基于显示的图像采取行动，包括转向决定、着陆决定和完成决 定。
[0024] -个特定的注意点是，在达到收敛之前可能需要多次重复成像过程，并且成像过 程中的每次迭代需要传播方程针对每次放炮以及针对每个时间步长在模型空间中的每个 点处的解。因此，有限差分传播过程可能需要数千亿次计算。幸运的是，该过程包括显著的 并行度，并且已经开发了多种硬件平台来增加这一过程的效率。在传播过程中这种效率增 益的益处不限于成像。例如，也可以采用有限差分建模来为模拟目的生成合成炮点道集数 据。
[0025] 图6是适于实现有限差分波场建模的说明性的硬件平台的框图。一个或多个多核 处理器602基于存储在存储器606中和/或存储在经由I/O桥608可访问的持久性存储装置中 的软件协调系统的运算。总线桥604经由总线607将处理器602(-个或多个)和存储器606耦 接到系统的其余部分。各种外围设备可以耦接到总线，以使得可被处理器602(-个或多个） 访问。图示的平台包括一组具有可配置处理器和用于存储模型数据的大存储器的加速器卡 610A-610D。加速器卡还可以包括可以提供有限差分传播过程的流水线硬件实现的现场可 编程门阵列(FPGA)。处理器602(-个或多个)可以配置加速器卡以高效地实现波场迀移，并 且(例如，在模型空间的不同部分上或者在不同的炮点上)并行地运行它们。
[0026] 其它硬件平台可以提供迀移过程的不同实现，例如，采用图形处理器单元(GPU)、 诸如Intd?Xe〇n Phi?协处理器的协处理器、或其它矢量处理器来实现单指令多数据 (SMD)计算，或者依赖通用处理器用于测试新的算法。许多"通用"处理器现在包括对SMD 指令(例如，流SMD扩展(SSE)和高级矢量扩展(AVX))的支持，其中每个都需要其自己的制 造商特定的优化。作为这种情况的自然结果，趋向于发生代码分裂。图7表示由于为五种不 同的平台的各种定制已被分裂为超过20个软件包的七种不同的迀移过程(例如，用于不同 的近似，不同的优化和/或诸如各向同性、垂直横向各向同性（VTI )、倾斜横向各向同性 (TTI)或完全各向异性的不同的地层模型的过程）。维护这种断裂的代码库是不可行的。
[0027] 与此对照，图8说明了用于有限差分建模的统一应用框架，其使得单个有限差分建 模应用802能够是平台无关的并且仍然能够被转化为高效的、平台特定的程序816、826、 836、846。该框架使得应用开发人员能够指定传播"内核"，其描述将要在模型中的每个点处 在每个时间步长执行的有限差分计算。开发人员可以采用具有有用函数和关键字的领域特 定的语言用于这