梅麗斯， 吳 琳， 劉 歡， 王 亮， 白 明， 李文煜

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100037； 2. 國土資源部 地質(zhì)信息技術重點實驗室，北京 100037； 3. 成都理工大學 數(shù)學地質(zhì)四川省重點實驗室，成都 610059)

0 引言

云平臺構建了一套貫穿資料收集、野外采集、室內(nèi)整理、資料匯交、數(shù)據(jù)服務、產(chǎn)品服務、資源管理等全流程的地質(zhì)云環(huán)境，實現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)調(diào)查”的深度融合[1]，能解決地質(zhì)大數(shù)據(jù)的存儲問題[2]，進一步促進數(shù)字找礦與定量化礦產(chǎn)資源預測[3]。地質(zhì)數(shù)據(jù)通過云平臺，利用聚類、降噪、識別等多種地質(zhì)數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)了人機交互，實現(xiàn)了巖性識別、構造特征分析、礦產(chǎn)資源預測等方面的工作[4]。因此，采用云平臺已成為現(xiàn)在地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的首選技術方案之一[5-7]，本次研究采用也是云平臺，目的是以巖石數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)為基礎，以并行化技術為手段，開發(fā)微地震數(shù)值模擬，通過云平臺和三維可視化技術進行三維地質(zhì)模型展示，為儲層預測分析服務。

1 云平臺的搭建

以巖石數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、微地震數(shù)據(jù)為基礎，以并行化技術為手段，開發(fā)微地震數(shù)值模擬，并通過云平臺和三維可視化技術進行三維地質(zhì)模型展示?？傮w技術架構將采用BS三層體系的結構，采用WEB方式提供服務，提供各種應用和基本服務。通過建立統(tǒng)一的業(yè)務模型，利用系統(tǒng)服務、系統(tǒng)組件和業(yè)務組件搭建平臺應用系統(tǒng)，通過統(tǒng)一接口標準，實現(xiàn)業(yè)務應用系統(tǒng)的集成，技術架構見圖1。

技術架構主要是考慮到基于并行化的微地震數(shù)值模擬和基于云平臺和三維可視化展示建設的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，系統(tǒng)應用平臺應該具備跨平臺、支持多種數(shù)據(jù)庫環(huán)境的能力，采用構件化設計方式，易于擴展和維護。

2 微地震數(shù)值模擬方法

微地震技術是地球物理研究的熱點技術之一，可以實時監(jiān)控研究區(qū)地下微小的信號并對其進行精確的定量研究，為采礦、防災等工作提供了大量有益信息，受到日益廣泛的關注和應用[8]。微地震數(shù)值模擬是研究微地震技術的重要內(nèi)容，其核心算法包括射線追蹤正演算法和波動方程正演算法[9]。

圖1 基于云平臺的微地震數(shù)值模擬和基于云平臺的 三維可視化展示技術架構圖Fig.1 Technical architecture diagram of cloud-based micro-seismic numerical simulation and three-dimensional visualization

2.1 射線追蹤正演算法

射線追蹤正演算法是一種快速的正演模擬算法，包括單震源單傳感器、單震源多傳感器、多震源多傳感器等類型。以單震源單傳感器為例，設介質(zhì)為層狀結構，震源位置為Ps(xs,ys,zs)，傳感器位置為Pg(xg,yg,zg)，射線終點為Pe(xe,ye,ze)。當震源和傳感器在同一層，則射線走時為式(1)。

(1)

其中：v為波速。震源和傳感器在不同的層，設vi為第i層的波速，Pi(xi,yi)為第i層的射線初始點，則

(2)

(3)

(4)

其中：hi為第i層的層高[10]。

2.2 波動方程正演算法

波動方程法是因其波場齊全，信息豐富而成為研究地震波場特點的最根本方法[9]。在實際的地震波場數(shù)值模擬工作中，需根據(jù)儲層模型來選擇模擬方程。根據(jù)模擬方程的不同，波動方程數(shù)值模擬主要包括：聲波模擬；粘滯聲波模擬；彈性波模擬；粘彈性波模擬以及裂隙和孔隙彈性模擬等。本文以基于相移加差值波動方程正演模型設計正演算法，具體算流程如圖2所示。

圖2 正演算法的基本流程圖Fig.2 The basic flowchart of the forward algorithm

初始地質(zhì)模型為：

p(x,zi,ω)=u(x,zi,0)

(5)

地震波場為：

(6)

利用快速付氏變換將地震波場p(x,zi+1,ω)變到頻率波數(shù)域

p(kx,zi+1,ω)=F(p(x,zi+1,ω))

(7)

kx為x方向波速，延拓波場需結合利用深度上的最大值V1與最小值V2的相移因子e[i(]kx-ω/V1)Δz〗、

e[i(]kx-ω/v2)Δz〗得到波場

p1(kx,zi+1,ω)=p(kx,zi+1,ω)e[i(]kx-ω/V1)Δz〗

(8)

p2(kx,zi+1,ω)=p(kx,zi+1,ω)e[i(]kx-ω/V2)Δz〗

(9)

利用付氏反變換將波場p1(kx,zi+1,ω)、p2(kx,zi+1,ω)變到空間域p1(x,zi+1,ω)、p2(x,zi+1,ω)。利用波場插值得到插值波場p(x,zi+1,ω)。重復計算地震波場到插值波場過程直到達到最大深度。當插值得到的插值波場與原始地震剖面數(shù)據(jù)基本一致時，計算結束，輸出地質(zhì)模型。

3 云平臺的微地震數(shù)值模擬系統(tǒng)

在云平臺上需預先配置Linux系統(tǒng)和GPU并安裝CUDA、QT4、Coin3D和SoQt。系統(tǒng)主要功能包括觀測系統(tǒng)編輯，作業(yè)流管理，速度建模，射線追蹤，震源定位，波動方程正演等一系列完整微地震處理流程，以及豐富的三維顯示功能。

目前該系統(tǒng)擁有射線追蹤正演算和波動方程正演兩套正演機制，其算法可以用于偏移成像，微地震監(jiān)控等工作(圖3)。

圖3 微地震正演及其應用Fig.3 Seismic forward and applicattions(a)射線追蹤正演;(b)微地震定位;(c)波動方程正演;(d)偏移成像

4 結論

針對微地震正演計算量大的特點，筆者架設云平臺建設架構，在云平臺上設計開發(fā)了基于射線追蹤算法和波動方程的并行化微地震正演系統(tǒng)，實現(xiàn)了云平臺上的微地震資料處理與三維展示，可為儲層預測分析服務。