地震叠前逆时偏移中的去噪与存储

地震叠前逆时偏移是当前公认的地震成像的有效途径,然而它面临着计算量甚巨,低频成像噪音以及存储量大等问题,因此,业内科研工作者对其研究乐此不疲.借助GPU/CPU协同计算可以有效解决计算量的难点,笔者已在另文中阐述,本文着重探讨成像噪音抑制以及存储问题.文中分析了叠前逆时偏移产生成像噪音的机制,据此提出在叠前地震资料中先对数据进行相位与振幅校正,进而在成像后运用拉普拉斯算子滤波法消除成像噪音,从而有效去除成像所产生的低频噪音;针对存储量,采用随机边界,用计算换存储,并借助GPU实现,节省了GPU与CPU之间的数据通讯,数值实验结果表明,采用随机边界方法的逆时偏移结果与直接存储波场的方法得到的结果差别甚小.     

变阶数有限差分法及逆时偏移有效边界存储最优化策略

地震资料逆时偏移方法在计算过程中需要保存大量的波场信息,这种巨大的存储需求限制了该方法的实际应用.因此,研究能够显著降低波场存储量的存储策略对于推进逆时偏移方法的实用化具有重要的理论意义和实际价值.本文分别从时间和空间的角度提出了相应的波场存储策略:(1)提出变阶数有限差分算子,在计算波场左、右和下边界处时,将差分阶数由高阶递减至二阶,结合有效边界存储策略,可在不损失波场重建精度的同时大幅降低波场存储量;(2)借鉴checkpoint策略和缓冲区思想,提出了基于拉格朗日乘子法的参数最优化方案,在时间方向上压缩波场存储量.通过对二维盐丘模型进行震源波场重建和逆时偏移存储量测试,结果表明:本文方法可实现对震源波场的高精度重建,与传统方法相比,在不损失成像精度的前提下,新的存储策略可大幅降低逆时偏移方法的波场存储需求.     

各向同性弹性波随机边界逆时偏移

叠前地震逆时偏移是目前公认地震成像的有效途径.声学介质逆时偏移已经成熟,弹性波逆时偏移研究相对较少,本文研究了各向同性介质弹性波逆时偏移.传统逆时偏移由于存储量的巨大不便于实际应用.本文针对逆时偏移存储量大的缺点,采用随机边界条件,用计算换存储减少了存储量.首先从波动方程出发,推导了各向同性介质弹性波逆时偏移高阶有限差分算子;其次运用随机边界逆时偏移的流程进行逆时偏移;最后采用传统的拉普拉斯滤波的方法消除低频噪音.模型试算表明,采用随机边界得到逆时偏移结果与常规有限差分得到的逆时偏移结果差别较小,证明了该方法的正确性.     

地震叠前逆时偏移的有效边界存储策略

基于双程波动方程的逆时偏移被认为是目前最好的偏移成像技术,更适合于复杂构造成像.然而,大计算量和大存储量使得逆时偏移的计算成本很高而无法用于大数据量的地震成像.本文分析了目前常用的存储策略,并分别在空间和时间上对存储策略进行了研究:空间上,根据有限差分格式,在边界存储策略的基础上通过修改波场逆向传播的边界条件,提出了有效边界存储策略.该策略可在不增加任何计算量的情况下大幅降低逆时偏移对存储量的需求;在时间上,使用checkpointing技术对有效边界存储策略进行了改进,使叠前逆时偏移在增加少量计算量的情况下进一步降低存储量需求.Marmousi模型测试结果表明了有效边界存储策略的有效性和优越性.     

逆时偏移边界条件与存储策略分析

地震波场模拟是叠前逆时偏移方法的核心计算单元,因此,边界条件和存储方案的选择是高精度以及高效率逆时偏移算法不可回避的问题.本文就随机边界条件和吸收边界条件在逆时偏移算法中的应用效果以及相应的四种存储策略展开具体分析,给出了不同存储策略下的计算成本和存储量需求.文中优选随机边界条件和吸收边界条件的有效边界存储方案,引入GPU并行加速技术对SEG起伏地表模型进行测试,详细讨论分析了两种方法的计算效率和计算精度.测试表明,随机边界存储的计算成本要低于有效边界存储的计算成本,而受边界散射的影响,随机边界逆时偏移在浅层伴有噪音干扰.针对具体数据情况,合理地运用GPU加速技术、选择有效的边界条件以及存储方法,是改善逆时偏移成像精度和效率的有效途径.     

三维逆时偏移GPU/CPU机群实现方案研究

叠前逆时偏移是当前最为准确的地震成像方法,由于计算量大、存储量大等原因需要合适的实现策略和高效的计算平台.本文以高阶有限差分逆时偏移为基础,重点讨论了在GPU上实现需要解决的显存不足问题和人工边界问题.利用区域分解技术可以在当前GPU上高效地实现任意生产规模的三维逆时偏移成像,不会受到GPU显存规模的制约.常规最佳匹配层边界条件边界区域控制方程与内部区域差异较大,不适于GPU高速运算.本文在GPU上实现近似最佳匹配层(NPML)边界条件,使得高阶有限差分计算不需要分支判断,边界区域辅助波场的存储量也较低,保证了在GPU上进行波场传播的高效性.三维理论数据和实际资料成像结果表明了本文方法的正确性.     

VTI介质高精度叠前逆时偏移方法研究

基于双程波动方程的叠前逆时偏移方法成像精度高,而且无地层倾角限制,较适合于复杂地下构造成像.但是,由于地下介质的各向异性广泛存在,基于各向同性的正演算法,尚难准确描述真实的地下波场传播,逆时偏移的成像精度也因此受到限制.鉴于此,本文研究了各向异性VTI介质逆时偏移方法,首先根据VTI介质一阶准P波方程推导出了炮点和检波点的逆时延拓的交错网格高阶差分格式,针对算法计算量和存储量大的问题,文中研究了一种改进的基于GPU加速的有效PML边界存储策略.本文建议的方法只需增加少量的额外计算,就可降低大幅度的存储成本,进而实现高精度和高效率的各向异性逆时偏移.Hess 2DVTI模型测试表明,本文提出的方法不需要存储全部历史时刻的波场,可以实现高效率高精度的VTI介质叠前逆时偏移成像.     

反射声波测井逆时偏移中的波场存储策略优化方法（英文）

本文从反射声波测井逆时偏移成像方法出发,考虑逆时偏移本身存在海量波场数据存储问题,探讨了波场存储优化策略,提出并实现了激发振幅成像条件逆时偏移和随机边界法逆时偏移两种避免波场数据存储的优化方法。首先,激发振幅成像条件方法利用计算激发时间作为成像时间判断,只需存储小部分波场,如几十个时间点的波场数据,通过实例证明甚至仅需两个时间点波场即可完成成像。传统逆时偏移通常需存储数千时间点的波场数据,与之相比数据存储和读写量可缩小几十倍甚至数千倍;其次,随机边界方法利用波场在随机介质中发生散射而非反射进行震源声场反传重构,从而避免正传波场数据的存储。数值计算表明两种方法均可有效减少反射声波逆时偏移的波场数据存储,与其它偏移算法和常规逆时偏移相比,在保证成像精度的同时提高了数据处理效率,为井旁缝洞体高效、高精度成像提供了重要的技术手段。     

基于边界存储的地震波场重构及逆时偏移成像应用研究

逆时偏移是基于双程波动理论,没有倾角和横向变速限制,能够解决复杂地质构造成像问题.在逆时偏移成像实现过程中,需要对源波场进行正推和对接收波场进行逆推,由于这两个波场外推方向不一致,需要对其中一个波场(源波场或接收波场)进行存储,这部分存储量很大,是制约逆时偏移成像应用的瓶颈.本文探讨了一种有效的边界存储方法,即先让源波场正推到最大记录时间,在研究区域边界存储所有时刻波场记录,同时记录最大时刻该区域全波场.然后将边界存储波场和最大时刻全波场分别作为边界条件和初始条件,进行波场逆推来重构源波场,这样就解决了源波场与接收波场外推方向不一致的问题,从而可以克服逆时偏移成像存储瓶颈,并将该方法应用到逆时偏移成像.通过简单层状模型和复杂逆掩断层模型试验,并和直接存储方法进行了对比,证明了该方法的有效性.     

多分量联合逆时偏移最佳匹配层吸收边界

有限空间内的波动方程逆时偏移需要利用有效的边界处理技术用以消除人工截断对偏移结果产生的影响。本文以横向各向同性介质弹性波速度-应力方程为基础,依据传统分裂式最佳匹配层（Perfect Matched Layer,PML）吸收边界技术的思想,推导了应用于逆时偏移的完全匹配层波动方程,并给出了其高阶交错网格有限差分格式。针对由边界处向计算区域内传播的＂反射波＂,以及地震记录排列两端地震同相轴突变对计算区域的影响这两方面问题,本文给出了逆时偏移中吸收层的布设方式。模型和实际资料的弹性波叠前多分量联合逆时深度偏移结果表明本文的边界处理方法取得了较好的吸收效果,获得了好的联合偏移成像结果。     

基于自适应优化有限差分方法的全波VSP逆时偏移

与地面地震资料相比,VSP资料具有分辨率高、环境噪声小及能更好地反映井旁信息等优点.常规VSP偏移主要对上行反射波进行成像,存在照明度低、成像范围受限等问题.为了增加照明度、拓宽成像范围、提高成像精度,本文采用直达波除外的所有声波波场数据(全波),包括一次反射波、多次反射波等进行叠前逆时偏移成像.针对逆时偏移中的四个关键问题,即波场延拓、吸收边界条件、成像条件及低频噪声的压制,本文分别采用自适应变空间差分算子长度的优化有限差分方法(自适应优化有限差分方法)求解二维声波波动方程以实现高精度、高效率的波场延拓,采用混合吸收边界条件压制因计算区域有限所引起的人工边界反射,采用震源归一化零延迟互相关成像条件进行成像,采用拉普拉斯滤波方法压制逆时偏移中产生的低频噪声.本文对VSP模型数据的逆时偏移成像进行了分析,结果表明:自适应优化有限差分方法比传统有限差分方法具有更高的模拟精度与计算效率,适用于VSP逆时偏移成像;全波场VSP逆时偏移成像比上行波VSP逆时偏移的成像范围大、成像效果好;相对于反褶积成像条件,震源归一化零延迟互相关成像条件具有稳定性好、计算效率高等优点.将本文方法应用于某实际VSP资料的逆时偏移成像,进一步验证了本文方法的正确性和有效性.     

The issues of prestack reverse time migration and solutions with Graphic Processing Unit implementation

Prestack reverse time migration (RTM) is a very useful tool for seismic imaging but has mainly three bottlenecks: highly intensive computation cost, low‐frequency band imaging noise and massive memory demand. Traditionally, PC‐clusters with thousands of computation nodes are used to perform RTM but it is too expensive for small companies and oilfields. In this article, we use Graphic Processing Unit (GPU) architecture, which is cheaper and faster to implement RTM and we obtain an order of magnitude higher speedup ratio to solve the problem of intensive computation cost. Aiming at the massive memory demand, we adopt the pseudo random boundary condition that sacrifices the computation cost but reduces the memory demand. For rugged topography RTM, it is difficult to deal with the rugged free boundary condition with the finite difference method. We employ a simplified boundary condition that avoids the abundant logical judgment to make the GPU implementation possible and does not induce any sacrifice on efficiency. Besides, we have also done some tests on multi‐GPU implementation for wide azimuth geometries using the latest GPU cards and drivers. Finally, we discuss the challenges of anisotropy RTM and GPU solutions. All the jobs stated above are based on GPU and the synthetic data examples will show the efficiency of the algorithm and solutions.     

Improving waveform inversion using modified interferometric imaging condition

Similar to the reverse-time migration, full waveform inversion in the time domain is a memory-intensive processing method. The computational storage size for waveform inversion mainly depends on the model size and time recording length. In general, 3D and 4D data volumes need to be saved for 2D and 3D waveform inversion gradient calculations, respectively. Even the boundary region wavefield-saving strategy creates a huge storage demand. Using the last two slices of the wavefield to reconstruct wavefields at other moments through the random boundary, avoids the need to store a large number of wavefields; however, traditional random boundary method is less effective at low frequencies. In this study, we follow a new random boundary designed to regenerate random velocity anomalies in the boundary region for each shot of each iteration. The results obtained using the random boundary condition in less illuminated areas are more seriously affected by random scattering than other areas due to the lack of coverage. In this paper, we have replaced direct correlation for computing the waveform inversion gradient by modified interferometric imaging, which enhances the continuity of the imaging path and reduces noise interference. The new imaging condition is a weighted average of extended imaging gathers can be directly used in the gradient computation. In this process, we have not changed the objective function, and the role of the imaging condition is similar to regularization. The window size for the modified interferometric imaging condition-based waveform inversion plays an important role in this process. The numerical examples show that the proposed method significantly enhances waveform inversion performance.     

地震叠前逆时偏移算法的CPU/GPU实施对策

相较于单程波偏移算法而言,逆时偏移成像方法以其物理基础为依托优势,几十年来一直备受国内外地球物理学家的青睐.目前的逆时偏移(RTM)若直接采用双程波动方程进行延拓,尽管可以回避上下行波的分离处理,然就已有算法而言,其计算量和I/O(输入/输出)量却是最大的.针对此问题,本文在分析现行逆时偏移的多种算法基础上,提出利用CPU/GPU(中央处理器/图形处理器)作为数值计算核心,建立随机边界模型,从而克服存储I/O难题和提高计算效率.在实际的数据测试中,本文的方法可以大幅度的提高计算效率和减少存储单元,从而促使其高效地应用于生产实际.     

基于一步法波场延拓的正演模拟和逆时偏移成像

通常工业界实现逆时偏移算法时采用有限差分数值方法模拟地震波场,波场模拟常常受稳定性条件限制,且易产生数值频散,成像精度降低.本文引入了一步法波场延拓方法,首先构建声波传播算子,借助Chebyshev多项式和Jacobi-Anger展开式近似传播算子中的e指数项,进而实现波场递推,该方法时间步长的选取不受稳定性条件限制而且不存在空间频散现象.本文将一步法波场延拓方法用于逆时偏移成像的波场模拟,并提出双缓冲区存储策略,在不增加计算量的前提下,大幅降低了逆时偏移方法的波场存储量.波场模拟和逆时偏移成像测试表明,本文提出的一步法波场延拓方法模拟地震波场精度高,消除了频散影响,可在较大时间步长的情况下实现高精度波场模拟;提出的基于一步法波场延拓的逆时偏移方法成像质量好;基于双缓冲区存储策略的逆时偏移成像方法存储成本低.     

模拟地震波传播的三维逐元并行谱元法

高效地震波场正演模拟对于复杂模型中地震波传播与成像研究至关重要.本文在谱元法原理框架内,对已有逐元谱元法改进,提出一种新的逐元并行谱元法求解三维地震波运动方程,并得到地震波场.逐元并行谱元法的核心思想在于在单元上进行质量矩阵与解向量的乘积运算,并将此运算平均分配至每一个CPU计算核心,此处理有利提升谱元法的并行计算效率.同时,根据Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)数值积分点与插值点重合的特点,将稠密单元刚度矩阵的存储转化成单元雅克比矩阵行列式的值及其逆的存储,大幅减少谱元法计算内存开销.此外,在模型边界上利用逐元并行谱元法求解二阶位移形式完美匹配层(PML)吸收边界条件,消除边界截断而引入的虚假反射.通过逐元并行谱元法得到的数值解与解析解对比,以及实际地震波场模拟,数值结果证实了逐元并行谱元法用于地震波场模拟的高效性.     

基于时空域自适应高阶有限差分的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率.