[发明专利]一种海量数据GPU波动方程逆时偏移成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种海量数据GPU波动方程逆时偏移成像方法，应用于石油勘探、天然气勘探、煤田勘探、矿产勘探等方面，属于地震勘探与开发领域。

背景技术

随着油气田勘探程度的不断深化，盐下油气藏勘探日益受到关注。采用传统的偏移方法无法圈定盐丘边界并对盐下构造进行成像，逆时偏移(RTM)采用双程波动方程，可以精确地描述波的传播过程，利用多次波、回转波等对陡倾角及反转构造进行准确成像，应用目前有限的偏移方法进行复杂地质构造成像。

逆时偏移技术作为复杂条件地震成像难题的解决方案，可以在遇到复杂险峻倾斜的反射面例如盐丘侧翼构造时，克服目前偏移方法的局限性，能够使大于70度的倾斜构造准确成像。逆时偏移技术采用双程声波波动方程，能够使用偏移校正包括垂直倾斜在内的所有地质倾斜，还可以实现倾斜构造的成像并保持振幅不变。逆时偏移提供的是一种可供选择的偏移方法：可在数据采集之后运行逆时偏移，选用适当的波场通过包括盐下、构造倾角大于70度等复杂的速度区域，以及在边界可能产生复杂的多次反射区域进行准确成像。

逆时偏移方法是通过双程波波动方程在时间域上对人工给予的震源子波正向传播和接受到的地震资料进行反向传播，结合成像条件实现偏移(Claerbout，1971)。由于逆时偏移需在同时计算震源正向传播和地震资料的反向传播过程中各个时刻的波场，因其各自时间的延拓方向不同，而致使实际应用中必须存储其中一个方向的传播过程，这需要甚大额外存储空间。并且如今的地震资料采集已经发展到了三维甚至四维，其数据量更是十分庞大，已经达到TB级甚至10TB级的叠前单炮数据。如此庞大的数据的IO时间将成为逆时偏移在推向海量数据的应用时不可回避的困难。例如，计算周期过长、容错能力弱、不易反复试验等问题。

另一方面，相较于单程波方程的波场延拓而言，逆时偏移运用的是双程波波动方程进行波场延拓，因其避免了上下行波的分离处理，因而成为最准确的成像算法，且不受倾角的限制，并能实现回转波和多次波成像。正基于此，地球物理学家从来没有放弃过对推进逆时偏移的追求。

GPU英文全称Graphic Processing Unit，中文翻译为“图形处理器”，是从CPU(中央处理器)衍生出来的的一个概念，它是显卡的心脏，和显卡板载内存成为一个子系统，共同决定PC系统的图形处理性能。图形处理器(GPU)用于通用计算(GPGPU)及其相关方面的问题目前已成为一个热门话题。GPU专为图像处理设计，存储系统实际上是一个二维的分段存储空间，包括一个区段号(从中读取图像)和二维地址(图像中的X、Y坐标)。此外，没有任何间接写指令。输出写地址由光栅处理器确定，而且不能由程序改变。这对于自然分布在存储器之中的算法而言是极大的挑战，存储器的访问效率是算法效率的关键问题所在。不同碎片的处理过程间不允许通信是一个SIMD数据并行执行单元，在所有碎片中独立执行代码。类似CUDA和OpenCL这样的高级编程语言的问世使编程新手也能够掌握GPU的计算性能优势。

利用GPU实现三维逆时偏移目前比较流行的方法是采用随机边界条件以计算换存储的方法来实现，该方法是利用了波场计算的可逆性的特点将边界反射随机化。但是这种方法会引入边界随机反射噪音在成像质量上难以上升。另外，若采用吸收边界条件则会由于存储的不连续性而大大降低GPU的实际计算效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明公开了一种海量数据GPU波动方程逆时偏移成像方法，不仅克服了传统的逆时偏移方法在处理海量数据的应用时不可回避的困难，如计算周期过长、容错能力弱、不易反复试验等问题，并且也克服了近些年新兴起的利用GPU采用随机边界条件以计算换存储的方法来实现三维逆时偏移所导致成像质量差、计算效率低的缺陷。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种海量数据GPU波动方程逆时偏移成像方法，逆时偏移的整体步骤包括三个模块，数据分配模块、逆时偏移模块、实时数据合并模块，所述数据分配模块将单炮数据分配给不同的GPU节点，所述逆时偏移模块将单炮数据计算成像并输出成像文件，所述实时数据合并模块对成像文件实时扫描，并统计分类，计算用户所需要的信息文件个数和大小，以百分比的形式通知用户需要多少时间完成数据合并，通过此方法，计算密集的波场传播、边界条件和成像部分实现了借助GPU并行计算。