基于地震數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理技術(shù)研究

基于地震數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理技術(shù)研究

近年來，地震勘探期間現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)量從2.3tb增加到50tb以上。數(shù)據(jù)快速增長的主要原因如下。(1)可控震源高效采集技術(shù)的推廣應(yīng)用?？煽卣鹪匆蚱涫┕の廴拘?、施工成本低、施工效率高等特點,已經(jīng)成為陸上勘探中的首選震源(2)高密度空間采樣地震勘探的迅速發(fā)展。高密度采樣是解決精細(xì)構(gòu)造刻畫、隱蔽巖性油藏識別、油氣儲層預(yù)測及裂隙發(fā)育帶識別等勘探難題的有效技術(shù)措施。其技術(shù)核心是按照充分、均勻和對稱的空間采樣原則,弱化野外組合,保證地震信號和噪聲波場的原始性(3)全波場地震勘探逐步興起。由于基本地球物理假設(shè)在油氣復(fù)雜區(qū)受到挑戰(zhàn),存在著不同類型的噪聲、數(shù)據(jù)頻帶限制、各向異性現(xiàn)象、出射角變化等,限制了常規(guī)三維地震能力在開發(fā)領(lǐng)域的有效發(fā)揮。為了獲得更好的油藏成像質(zhì)量,油氣勘探和開發(fā)需要超越常規(guī)三維成像的地球物理假設(shè),全波場勘探是未來的發(fā)展方向,即采用多分量單點檢波器,無論是在縱波模式還是在橫波模式都能精確地測量振幅和速度的各向異性,忠實地記錄完整的大地振動,包括信號和各種噪聲,并盡可能記錄全頻帶寬的數(shù)據(jù)野外采集技術(shù)的進(jìn)步獲得了海量的原始地震數(shù)據(jù),給室內(nèi)數(shù)據(jù)處理帶來了極大的挑戰(zhàn),為了避免陷入“數(shù)據(jù)泛濫,信息匱乏”的尷尬境地,在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)研究相關(guān)的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)約簡、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分類、質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)方法和措施。本文分析了海量地震數(shù)據(jù)處理中的各種問題,優(yōu)化處理技術(shù)方案,研究了快速分析和質(zhì)量監(jiān)控方法,實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的有效壓縮。結(jié)合其他領(lǐng)域的相關(guān)研究成果,對未來海量地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了初步預(yù)測。1大量數(shù)據(jù)的問題1.1數(shù)據(jù)的預(yù)處理海量數(shù)據(jù)除了量的變化外,數(shù)據(jù)的質(zhì)也在發(fā)生變化。首先,野外高效采集數(shù)據(jù)都是實時接收數(shù)據(jù),比如激發(fā)、接收時的環(huán)境和條件對數(shù)據(jù)品質(zhì)有怎樣的影響,這些信息都及時記錄下來;其次,高密度空間采樣記錄了豐富的地震波場,在接收有效反射波的同時,也接收了來自不同方向的各種干擾波場;最后,數(shù)據(jù)變得越來越不規(guī)則、越來越不確定,甚至有很多廢數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)如何綜合處理和利用,對室內(nèi)數(shù)據(jù)的預(yù)處理來說是極大的挑戰(zhàn)。DS3(Distanceseparatedsimultaneoussweeping)技術(shù)是距離分離的同步掃描激發(fā)技術(shù),是一種高效的采集技術(shù)。在同一條炮線上,相距一定距離的兩臺或多臺震源同時激發(fā)、同時接收,達(dá)到在相同的時間段內(nèi)采集多炮的目的,實現(xiàn)高效采集1.2難以實時處理、監(jiān)控、實時反饋一方面,處理人員無法有效地對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析,難以實時處理、實時監(jiān)控、實時反饋;另一方面,解釋人員因不能及時得到所需的信息,而無法預(yù)測出潛在的問題和風(fēng)險,導(dǎo)致在海量數(shù)據(jù)體上,處理解釋一體化運作很難實施。1.3海量數(shù)據(jù)使用效率低,容易導(dǎo)致作業(yè)運行混亂對于TB/PT級的大數(shù)據(jù),如果采用傳統(tǒng)方式和架構(gòu)來應(yīng)對,按照正常的流程和已有技術(shù)處理海量數(shù)據(jù),除了機(jī)器中作業(yè)運行時間加長外,人員等待時間必然增加,作業(yè)出錯率會提高,重復(fù)操作浪費了大量的時間,限制了大數(shù)據(jù)中潛力發(fā)現(xiàn)和真正價值的挖掘。要想突破海量數(shù)據(jù)帶來的困局,需要借助新的技術(shù)手段和管理理念。因為數(shù)據(jù)本身是被動的,必須經(jīng)過有效的處理、集成、分析才能得以利用。2并行數(shù)據(jù)分析方案和處理方法2.1稱重數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)2.1.1基于疊前數(shù)據(jù)集的觀測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)特征分析是地震數(shù)據(jù)處理中最基礎(chǔ)的工作,對于海量數(shù)據(jù),采用空間子集選擇與多屬性統(tǒng)計相結(jié)合的方法,既保證了數(shù)據(jù)分析的覆蓋率,又提高了分析效率。具體分為以下3個步驟,調(diào)查全區(qū)的數(shù)據(jù)分布規(guī)律。第一步,分選不同類型的疊前數(shù)據(jù)集,如:共炮集、共接收點集、CMP集、空間子集等,認(rèn)識地震波場在各種數(shù)據(jù)集中的表現(xiàn)形式第二步,統(tǒng)計這些數(shù)據(jù)集的基本屬性,如能量、頻率、信噪比等,分析其相關(guān)性。第三步,按照空間坐標(biāo),顯示數(shù)據(jù)集的屬性,對波場特征進(jìn)行綜合分析圖4為海外某區(qū)原始三維數(shù)據(jù)的能量分布圖和主頻分布圖,采用上述步驟進(jìn)行了能量和頻率統(tǒng)計分析,可見原始數(shù)據(jù)中能量呈明顯的條帶狀,頻率分布極其不均勻。2.1.2完善質(zhì)量分析流程海量地震數(shù)據(jù)處理過程中的質(zhì)量評價應(yīng)遵循探索、分析和解決問題的三原則,即在由宏觀到微觀、由表及里和橫向?qū)φ?、縱向追溯的基礎(chǔ)上,分析、總結(jié)多個海量數(shù)據(jù)處理中質(zhì)量分析和改進(jìn)的經(jīng)驗,根據(jù)不同地域的表層統(tǒng)計、采集方案、數(shù)據(jù)特征、地質(zhì)特點等,建立并持續(xù)完善質(zhì)量分析流程,將其劃分為宏觀分析、微觀分析、改進(jìn)和效果驗證4個階段(圖5),圖5右側(cè)列出了各階段適宜的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析工具。上述分析流程是一個循環(huán)迭代流程,具有以下特點:①指導(dǎo)性強(qiáng),適應(yīng)疊前多道海量數(shù)據(jù)的分析要求;②易于使用,所采用的分析圖件是常規(guī)地震數(shù)據(jù)處理、解釋系統(tǒng)中簡單、易于形成的圖件,一般人員都可以借助分析工具了解數(shù)據(jù)的屬性分布和數(shù)據(jù)品質(zhì);③規(guī)范性強(qiáng),規(guī)范了大數(shù)據(jù)的分析過程,既能夠把握整體數(shù)據(jù)的特征,又可以針對感興趣的細(xì)節(jié)進(jìn)行研究。2.2高效預(yù)處理檢查方法數(shù)據(jù)處理中首先面臨的就是預(yù)處理檢查,因為原始數(shù)據(jù)總是或多或少存在著不合邏輯和不一致的問題,如炮點偏離、檢波器位置有誤等,所以預(yù)處理檢查工作非常費時而且極其繁瑣,但必須做,否則后續(xù)的工作將無法開展。對于波場復(fù)雜的海量數(shù)據(jù),基于常規(guī)逐炮線性動校正的檢查方式,已無法滿足生產(chǎn)周期需要。以海外某三維項目為例,野外采集共520束約194萬炮,且該區(qū)排列長,初至差,項目組投入4人,平均每人每天檢查一束線(3800炮),按此進(jìn)度計算,全部預(yù)處理檢查工作約需要4.3個月,可見,采用常規(guī)方法進(jìn)行預(yù)處理檢查是很不現(xiàn)實的。通過多方面調(diào)研和多種方法試驗對比,摸索形成了可控震源高密度海量數(shù)據(jù)共炮點疊加方式快速預(yù)處理檢查方法。由于可控震源采集資料初至質(zhì)量差,識別困難,處理中根據(jù)資料初至特點,通過采用濾波、小相位化、反褶積等方法對初至進(jìn)行優(yōu)化處理。圖6為某炮兩個排列初至優(yōu)化前后單炮線性動校正對比,可以看到初至優(yōu)化后易于識別。數(shù)據(jù)進(jìn)行初至優(yōu)化后進(jìn)行選排列的共炮點疊加工作,在共炮點疊加剖面上通過統(tǒng)計規(guī)律來檢測出觀測系統(tǒng)定義有問題的單炮記錄。如圖7a是某一束地震數(shù)據(jù)的近排列共炮點疊加剖面,從中可以看到紅色箭頭標(biāo)識的那一道從上到下錯動顯然不正常。共炮點疊加剖面中一道即代表著一個單炮記錄所有道的求和,那么把紅色箭頭標(biāo)識的那一不正常道對應(yīng)的單炮調(diào)顯出來(圖7b),可以發(fā)現(xiàn)該單炮實際是廢炮,處理中可以進(jìn)行剔除處理。海量地震數(shù)據(jù)通過共炮點疊加方式檢查預(yù)處理,可以大大減少數(shù)據(jù)量,其準(zhǔn)確度比常規(guī)逐炮線性動校正檢查方式高。2.3數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)應(yīng)用地表一致性處理、疊前偏移等多道處理需要進(jìn)行迭代分析和多輪次的參數(shù)試驗,而在海量數(shù)據(jù)體上進(jìn)行參數(shù)修改和迭代調(diào)整需要占用大量的機(jī)器資源,如果在全數(shù)據(jù)上進(jìn)行,會因初期的迭代耗時過長而降低工作效率,為此需要對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。針對海量數(shù)據(jù)中炮檢距和方位角分布密集的特點,開發(fā)了一項新的地震數(shù)據(jù)高效壓縮方法。該方法可以同時考慮方位角和炮檢距兩個因素,在實際使用中根據(jù)野外采集數(shù)據(jù)疏密程度對炮檢距和方位角進(jìn)行劃分,在某個小范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行組合疊加,從而達(dá)到疊前壓縮數(shù)據(jù)目的。采用數(shù)據(jù)壓縮新方法,對海外某三維疊前精細(xì)處理的CMP道集數(shù)據(jù)(83TB)進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮處理,處理后數(shù)據(jù)壓縮為25TB。圖8是該三維壓縮前后覆蓋次數(shù)平面圖對比,圖9是該三維數(shù)據(jù)壓縮前后最小炮檢距分布平面圖,圖10是該三維壓縮前后最大炮檢距分布平面圖,對比分析這些屬性圖后發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)壓縮處理后沒有改變該三維原有的各種屬性分布規(guī)律與數(shù)值分布范圍。圖11是全數(shù)據(jù)與壓縮后數(shù)據(jù)疊前時間偏移剖面對比,可以看到采用壓縮技術(shù)處理前后偏移成像效果基本相當(dāng)。這種針對海量數(shù)據(jù)的高效壓縮處理技術(shù)具有以下3個特點:①該技術(shù)輸入數(shù)據(jù)類型多樣,可以是CMP域數(shù)據(jù)、炮檢距域數(shù)據(jù)或者方位角域數(shù)據(jù);②該技術(shù)考慮了方位角信息,特別適合應(yīng)用于寬方位地震資料;③該技術(shù)運算速度快,例如海外某三維83TB數(shù)據(jù)僅用半天時間將數(shù)據(jù)壓縮為25TB。在今后海量地震資料處理中,可以根據(jù)資料特點與需要靈活使用該數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),其在海量數(shù)據(jù)資料分析、處理參數(shù)試驗、快速獲得處理成果等方面能夠發(fā)揮很好的作用。3并行處理技術(shù)的發(fā)展趨勢3.1高效時域業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)壓縮是提高海量數(shù)據(jù)預(yù)處理效率的一個必要手段,主要有兩方面的優(yōu)點:一是降低內(nèi)存需求,同時提高時域相關(guān)數(shù)據(jù)的交互性;二是可以減少這些數(shù)據(jù)的傳輸和處理時間。目前海量地震數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)還在研究中,如基于CMP面元中波場連續(xù)性的數(shù)據(jù)壓縮、基于波束變化規(guī)律的數(shù)據(jù)壓縮,OVT(OffsetVectorTile)3.2海量數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)挖掘作為一個新興的多學(xué)科交叉應(yīng)用領(lǐng)域,正在各行各業(yè)的大數(shù)據(jù)分析、處理和決策支持活動中扮演著越來越重要的角色。數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)和方法完全可以應(yīng)用于海量地震數(shù)據(jù)處理中。數(shù)據(jù)挖掘的方法主要包括:基于統(tǒng)計理論的方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、決策樹方法、粗集方法、遺傳算法等。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以應(yīng)用于概念描述、關(guān)聯(lián)分析、分類和預(yù)測、聚類分析、異類分析或孤立點分析、趨勢分析以及演變分析隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,勢必有更多新型算法被發(fā)現(xiàn)并被引入到數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中來,以推動這項技術(shù)更快更好地發(fā)展,并能夠在海量地震數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮作用。3.3并行計算技術(shù)由于地震勘探的原始數(shù)據(jù)量已相當(dāng)驚人,加之處理流程中增加的中間數(shù)據(jù),要完成資料處理并獲得高質(zhì)量的成果數(shù)據(jù)體所需的計算量急劇增加。特別是三維疊前深度偏移技術(shù)在業(yè)界的推廣應(yīng)用,需要大規(guī)模并行處理機(jī)的并行效率以縮短處理周期,地震數(shù)據(jù)處理中的并行計算將變?yōu)槌B(tài)。高性能計算(HPC,HighPerformanceComputing)是計算機(jī)科學(xué)的一個分支,主要是指從體系結(jié)構(gòu)、并行算法和軟件開發(fā)等方面研究開發(fā)高性能計算機(jī)的技術(shù)。同時,集群作為一種新型的并行計算環(huán)境,它的蓬勃發(fā)展得益于它的經(jīng)濟(jì)性和靈活性,更離不開并行計算技術(shù)的發(fā)展,尤其是并行編程模式和并行計算函數(shù)庫的支持。并行計算得到空前飛速的發(fā)展,它的發(fā)展主要基于以下兩個方面:一方面,雖然單處理機(jī)的計算速度不斷提高,但是仍然不能滿足大規(guī)模計算(如海量地震數(shù)據(jù)的疊前分析和處理)的需求,并行計算是實現(xiàn)計算的高性能和求解具有挑戰(zhàn)性問題的唯一途徑,地震數(shù)據(jù)處理中的問題在很多情況下都可以劃分成能夠在多個處理器上并行處理的子任務(wù)(分頻處理、疊前深度偏移、OVT域處理等)。針對某一個具體問題,通過分析,設(shè)計符合問題規(guī)模的并行算法,將計算分配到多個計算節(jié)點上,將計算結(jié)果進(jìn)行匯總就可以得到問題的解。另一方面,推動并行計算發(fā)展的動力來源于一些國際上先進(jìn)的計算能力和分析功能,可以實時處理海量數(shù)據(jù),并從中洞悉規(guī)律,提高決策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和時效性。3.4基于視化的多維數(shù)據(jù)研究數(shù)據(jù)的可視化顯示是利用可視化技術(shù)將用戶感興趣的數(shù)據(jù)通過圖形圖像的方式呈現(xiàn)給用戶,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、整合和分析。海量數(shù)據(jù)可視化這一研究領(lǐng)域需要新的理論和方法,使人們通過可視化來提高對疊前多維數(shù)據(jù)的認(rèn)知能力、感知能力和處理能力,從而應(yīng)對海量信息和數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)。為了精確、深入地進(jìn)行海量數(shù)據(jù)處理和研究,應(yīng)開發(fā)功能更齊全的可視化系統(tǒng)以便充分挖掘蘊(yùn)含于其中的豐富信息。總之,海量數(shù)據(jù)三維可視化顯示對提高工作效率,增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析、洞察和處理能力,縮短試驗過程,減少過程中的失誤等將起到重要的作用。3.5信息流場的數(shù)據(jù)分析與處理,為基礎(chǔ)的信息源的預(yù)測和經(jīng)營信息融合技術(shù)最初是出于軍事需要而產(chǎn)生的,由于計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展,信息融合技術(shù)作為數(shù)據(jù)處理的新興技術(shù)在近10來年中得到了驚人發(fā)展,也進(jìn)入了很多的非軍事應(yīng)用領(lǐng)域,地震勘探數(shù)據(jù)處理是潛在的應(yīng)用領(lǐng)域之一。信息融合是利用計算機(jī)技術(shù)將來自多個接收器或多源的觀測信息進(jìn)行分析、綜合處理,從而得出所需信息的處理過程,它包括對各類信息源給出的有用信息進(jìn)行采集、傳輸、綜合、過濾、相關(guān)及合成,輔助人們進(jìn)行態(tài)勢的判定、規(guī)劃、探測、驗證和診斷。信息融合的理論基礎(chǔ)是信息論、檢測與估計理論、統(tǒng)計信號理論、模糊數(shù)學(xué)、認(rèn)知工程、系統(tǒng)工程等,融合的目的即是通過組合以獲取比單個數(shù)據(jù)元素更多的信息,同時它也是一門綜合性極強(qiáng)的學(xué)科,包括了電子學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、各種控制理論等,在目前不同領(lǐng)域的研究方向中都可以使用到信息融合技術(shù)。雖然,信息量的增加有助于提高融合精度,但是也帶來了很多的問題,比如:大量的數(shù)據(jù)處理需要增加計算量等,所以僅僅依靠信息融合技術(shù)顯然是不夠的,還需要引入其他技術(shù)來處理