基于云平台的微地震数值模拟系统研究

梅丽斯， 吴 琳， 刘 欢， 王 亮， 白 明， 李文煜

(1. 中国地质调查局 发展研究中心，北京 100037； 2. 国土资源部 地质信息技术重点实验室，北京 100037； 3. 成都理工大学 数学地质四川省重点实验室，成都 610059)

0 引言

云平台构建了一套贯穿资料收集、野外采集、室内整理、资料汇交、数据服务、产品服务、资源管理等全流程的地质云环境，实现了“互联网+地质调查”的深度融合[1]，能解决地质大数据的存储问题[2]，进一步促进数字找矿与定量化矿产资源预测[3]。地质数据通过云平台，利用聚类、降噪、识别等多种地质数据处理方法实现了人机交互，实现了岩性识别、构造特征分析、矿产资源预测等方面的工作[4]。因此，采用云平台已成为现在地质数据处理的首选技术方案之一[5-7]，本次研究采用也是云平台，目的是以岩石数据、测井数据、地震数据为基础，以并行化技术为手段，开发微地震数值模拟，通过云平台和三维可视化技术进行三维地质模型展示，为储层预测分析服务。

1 云平台的搭建

以岩石数据、测井数据、微地震数据为基础，以并行化技术为手段，开发微地震数值模拟，并通过云平台和三维可视化技术进行三维地质模型展示。总体技术架构将采用BS三层体系的结构，采用WEB方式提供服务，提供各种应用和基本服务。通过建立统一的业务模型，利用系统服务、系统组件和业务组件搭建平台应用系统，通过统一接口标准，实现业务应用系统的集成，技术架构见图1。

技术架构主要是考虑到基于并行化的微地震数值模拟和基于云平台和三维可视化展示建设的现状和发展需求，系统应用平台应该具备跨平台、支持多种数据库环境的能力，采用构件化设计方式，易于扩展和维护。

2 微地震数值模拟方法

微地震技术是地球物理研究的热点技术之一，可以实时监控研究区地下微小的信号并对其进行精确的定量研究，为采矿、防灾等工作提供了大量有益信息，受到日益广泛的关注和应用[8]。微地震数值模拟是研究微地震技术的重要内容，其核心算法包括射线追踪正演算法和波动方程正演算法[9]。

图1 基于云平台的微地震数值模拟和基于云平台的 三维可视化展示技术架构图Fig.1 Technical architecture diagram of cloud-based micro-seismic numerical simulation and three-dimensional visualization

2.1 射线追踪正演算法

射线追踪正演算法是一种快速的正演模拟算法，包括单震源单传感器、单震源多传感器、多震源多传感器等类型。以单震源单传感器为例，设介质为层状结构，震源位置为Ps(xs,ys,zs)，传感器位置为Pg(xg,yg,zg)，射线终点为Pe(xe,ye,ze)。当震源和传感器在同一层，则射线走时为式(1)。

(1)

其中：v为波速。震源和传感器在不同的层，设vi为第i层的波速，Pi(xi,yi)为第i层的射线初始点，则

(2)

(3)

(4)

其中：hi为第i层的层高[10]。

2.2 波动方程正演算法

波动方程法是因其波场齐全，信息丰富而成为研究地震波场特点的最根本方法[9]。在实际的地震波场数值模拟工作中，需根据储层模型来选择模拟方程。根据模拟方程的不同，波动方程数值模拟主要包括：声波模拟；粘滞声波模拟；弹性波模拟；粘弹性波模拟以及裂隙和孔隙弹性模拟等。本文以基于相移加差值波动方程正演模型设计正演算法，具体算流程如图2所示。

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

初始地质模型为：

p(x,zi,ω)=u(x,zi,0)

(5)

地震波场为：

(6)

利用快速付氏变换将地震波场p(x,zi+1,ω)变到频率波数域

p(kx,zi+1,ω)=F(p(x,zi+1,ω))

(7)

kx为x方向波速，延拓波场需结合利用深度上的最大值V1与最小值V2的相移因子e[i(]kx-ω/V1)Δz〗、

e[i(]kx-ω/v2)Δz〗得到波场

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)

利用付氏反变换将波场p1(kx,zi+1,ω)、p2(kx,zi+1,ω)变到空间域p1(x,zi+1,ω)、p2(x,zi+1,ω)。利用波场插值得到插值波场p(x,zi+1,ω)。重复计算地震波场到插值波场过程直到达到最大深度。当插值得到的插值波场与原始地震剖面数据基本一致时，计算结束，输出地质模型。

3 云平台的微地震数值模拟系统

在云平台上需预先配置Linux系统和GPU并安装CUDA、QT4、Coin3D和SoQt。系统主要功能包括观测系统编辑，作业流管理，速度建模，射线追踪，震源定位，波动方程正演等一系列完整微地震处理流程，以及丰富的三维显示功能。

目前该系统拥有射线追踪正演算和波动方程正演两套正演机制，其算法可以用于偏移成像，微地震监控等工作(图3)。

图3 微地震正演及其应用Fig.3 Seismic forward and applicattions(a)射线追踪正演;(b)微地震定位;(c)波动方程正演;(d)偏移成像

4 结论

针对微地震正演计算量大的特点，笔者架设云平台建设架构，在云平台上设计开发了基于射线追踪算法和波动方程的并行化微地震正演系统，实现了云平台上的微地震资料处理与三维展示，可为储层预测分析服务。