CN107526104A - 基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法，应用于裂缝性地震波场领域，通过在波动方程数值模拟中引入集群处理，通过MPI消息传递接口在多机上面工作，使得计算机集群应用在了细网格化的裂缝介质地震波场数值模拟中，极大得提高了运算速度；并且结合多线程的应用，充分利用了单个节点的多核性质，充分利用了计算机的内存和闲置资源，又极大一步提升了算法的加速比。

Description

基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法

技术领域

本发明属于裂缝性地震波场领域，特别涉及一种裂缝性储层地质模型。

背景技术

裂缝油气藏已经成为全球石油、天然气储量的重要组成部分和增储重点领域。利用地 面地震资料预测裂缝油气藏一直被地球科学家和油藏工程师视为颇具挑战的研究内容，其 中涉及的关键问题之一是不同形状、密度、大小尺度裂缝的地震波场响应特征难以识别。 在当今国际低油价的环境下，清晰地认识裂缝产生的地震波场响应特征对提高裂缝型油气 藏预测精度和裂缝油气藏钻井成功率至关重要。地震波场数值模拟是人们正确了解地震波 的传播规律和地下介质构造、结构和岩性特征的有效手段，具有正确的理论和实际意义， 是利用地震勘探方法识别和描述油气储层的前提和基础。

常用的地震波场数值模拟方法有射线追踪和波动方程法。波动方程法能够全面地反映 地震波的运动学和动力学两方面的特征，并且采用合理的算法，能够获得高精度的地震波 场正演模拟记录，尤其是针对裂缝介质。众所周知，地层中的裂缝具有多尺度性，大小介 于几微米至几十米之间。按照常规方法只能模拟大尺度的裂缝，对于小尺度的裂缝无能为 力。通常裂缝介质的数值模拟均是基于等效介质理论进行完成，即需要根据裂缝介质的性 质(密度、充填物等)将其划分为若干裂缝发育带，并假定位于同一裂缝发育带内的所有裂缝和裂缝之间的围体介质具有相同的性质。尽管采用等效介质理论简化了裂缝介质地震波场数值模拟的复杂度，但是数值模拟结果只能获得裂缝发育地质体边界处的地震波场响应特征，不能有效地分析不同形状、大小裂缝对地震波场的响应特征，不能有效地指导后续裂缝储层的精细预测和描述。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提出了一种基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟 方法，通过在波动方程数值模拟中引入集群处理，通过MPI消息传递接口在多机上面工作， 使得计算机集群应用在了细网格化的裂缝介质地震波场数值模拟中，极大得提高了运算速 度。

本申请采用的技术方案为：基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法，包括：

S1、根据裂缝的方向、形状、体积大小，找出最小裂缝单元，采用网格细分技术构建地质模型；

S2、采用相移校正和相移插值结合对构建的地质模型进行地震波场数值模拟；

S3、在波动方程频率域采用MPI与OpenMP并行的方式，实现地震波场数值模拟，具体 为：在集群的计算节点间采用MPI的粗粒度的多进程并行模式，在计算节点内采用OpenMP 的按频率细分的细粒度的多线程并行模式。

进一步地，步骤S3所述在集群的计算节点间采用MPI的粗粒度的多进程并行模式具体 为：

A1、调用MPI_INIT_THREAD启动并行环境；

A2、根据计算节点的数量，调用MPI_Comm_size命令确定进程个数，同时调用 MPI_Comm_rank命令获得各进程的编号；

A3、其他进程向主进程发送请求需要处理的频率块的范围，主进程接收到请求后向其 他进程分发需要处理的频率块范围；

A4、各进程执行波动方程正演数值模拟并行计算；

A5、将成像结果文件发送到主进程，由主进程进行合并；

A6、调用MPI_Finalize，结束并行环境。

进一步地，步骤S3所述在计算节点内采用OpenMP的按频率细分的细粒度多线程并行模式，具体为：

B1、根据当前结点的CPU核数，调用int_omp_set_num_threads函数设置当前节点要 启动的线程数目；

B2、在频率循环外层调用#pragma omp parallel num_threads()语句，将频率波场数值模 拟设定为并行计算区域；

B3、线程私有变量申请；

B4、在频率循环外层通过调用omp_get thread_num函数，得到当前的线程号，为每个 线程分配起始和终止频率。

本发明的有益效果：本发明的基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法，通过 MPI+OpenMP的混合并行模式，使得计算机内存和核数都得到充分利用来进行加速。通过 运用集群来实现MPI+OpenMP混合模型，使得计算效率得到了极大提升，可以达到以下有益效果：

1)通过在波动方程数值模拟中引入集群处理，通过MPI消息传递接口在多机上面工 作，使得计算机集群应用在了细网格化的裂缝介质地震波场数值模拟中，极大得提高了运 算速度；

2)再次应用多线程在上述过程中，充分利用了单个节点的多核性质，充分利用了计 算机的内存和闲置资源，又极大一步提升了算法的加速比；

3)从物理意义上讲，本发明该方法能够考虑不同裂缝方向、形状、体积大小等对地震波场的影响，得到的数值模拟结果更加符合实际情况，为裂缝储层的地震波场特征研究提供了一种的思路和方法。

附图说明

图1为本申请的方案流程图；

图2为本申请实施例提供的等效介质理论模拟与本申请方法的效果对比图；

其中，图2(a)为等效介质地震记录；图2(b)为本申请方法的地震记录；

图3为本申请实施例提供的偏移剖面；

图4为本申请实施例提供的各平台运行时间对比。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐 释。

如图1所示为本申请的方案流程图，本申请的技术方案为：基于多机多核的裂缝介质 地震波场数值模拟方法，包括：

S1、根据裂缝的方向、形状、体积大小，找出最小裂缝单元，采用网格细分技术构建地质模型；

S2、综合考虑裂缝发育区内裂缝与围岩介质的岩石物理性质，根据适合于速度横向变 化大的波动方程数值模拟理论，提出采用相移校正和相移插值结合对构建的地质模型进行 地震波场数值模拟；

S3、在程序的实现过程中，考虑到对采用网格细分后的地质模型进行波动方程数值模 拟计算量巨大，在波动方程频率域采用MPI与OpenMP并行的方式，实现地震波场数值模拟， 具体为：在集群的计算节点间采用MPI的粗粒度的多进程并行模式，在计算节点内采用 OpenMP的按频率细分的细粒度多线程并行模式。

步骤S2中相移校正和相移插值结合的波场延拓算子具体为：

从相移校正方法出发，三维零炮检距地震数据的波动方程如下：

当介质为非均匀的情况下，慢度场可分解成两部分：

在(2)式中，u₀(z)为参考慢度，而慢度的变化都归入Δu(x,y,z)分量内。把(2)式代入(1)式并对时间t作傅立叶变换，得到：

或

式(3)中：4w²(2u₀Δu+Δu²)p＝s(x,y,z)(即为非均匀介质的波动方程)称为源函数。

这时忽略Δu²的作用来求解方程(4)，得到另一个相移项e^{iwΔu(x,y,z)Δz}，该相移项就是近 似反映横向慢度的扰动源项。相移加校正的波长外推方法可简单地概括为(5)式描述：

p(x,y,z_n+1,w)＝e^iwΔuΔz2DDFT^-1(2DFFT(P(x,y,z_nw))e^iθΔz) (5)

在(5)式中：

为了适应速度波场横向剧烈的变化，对(5)式采用插值的方法，设在Δz的层中最小 速度为v₁，最大速度为v₂，则有慢度：

在Δz层段中用u₁和u₂进行延拓， u(x,y,z)是Δz间隔内的实际慢度。

其中，为空间域中的相移校正项。

实际波场由以下插值公式得到：

最后波场成像结果为：

尽管根据以上公式能够实现裂缝介质的地震波场数值模拟，但是该方法需要大量的计 算资源才能实现。消耗大量的计算资源主要体现在：(1)对每一频率进行地震波场数值 模拟时，需要在时间域和空间反复调用快速傅里叶变换；(2)对于裂缝与围岩速度横向的快 速变化，需要采用多个速度进行插值获得精度更高的波场；(3)针对裂缝介质，采用网格细分的方法构建的地质模型也显著地增加了计算工作量。为此本申请采用了多机多核的并行框架来进行加速。

基于MPI的相移校正和相移插值结合的波动方程数值模拟的节点间进程级并行计算实 现步骤如下：

A1、调用MPI_INIT_THREAD启动并行环境；

A2、根据计算节点的数量，调用MPI_Comm_size命令确定进程个数(一个节点执行一 个进程)，同时调用MPI_Comm_rank命令获得各进程的编号；

A3、其他进程向主进程发送请求需要处理的频率块的范围，0号进程为主进程，接收 到请求后向其他分发需要处理的频率块范围；

A4、各进程执行波动方程正演数值模拟并行计算；波动方程表达式见式(1)；

A5、将成像结果文件发送到0号进程，0号进程进行合并；

A6、调用MPI_Finalize，结束并行环境。

根据上述步骤实现的波动方程数值模拟并行计算，在每个节点上只启动一个进程，也 即每个节点上只调用一个CPU核参与计算，因此其可为各个进程提供足够大的内存。当然， 该并行模式下每个节点只有一个CPU核参与运算，也造成了计算资源的浪费，为充分利用 各个节点的计算资源，本发明在实现基于MPI的节点间波动方程数值模拟并行计算的基础 上，在每个节点内部又根据各个节点的CPU核数，基于OpenMP将每个节点的单进程分解为多个线程，每个CPU核执行一个线程，以充分利用计算资源，提高波动方程正演的并 行计算效率。

基于OpenMP的节点内波动方程数值模拟线程级并行计算实现步骤如下：

B1、根据当前结点的CPU核数，调用int_omp_set_num_threads函数设置当前节点要 启动的线程数目；

B2、在频率循环外层调用#pragma omp parallel num_threads()语句，将频率波场数值模 拟设定为并行计算区域；

B3、线程私有变量申请，例如：#pragma omp parallel for firstprivate(v,real,imag,vv,re,im) lastprivate(re,im)；为了确保线程安全，因为每个线程中的变量名都是一样的，变量在线程 中发生改变时，容易发生冲突，造成线程不安全。

B4、在频率循环外层调用omp_get thread_num函数，得到当前的线程号，为每个线程 分配起始和终止频率。

根据等效介质理论模拟的地震记录如图2(a)所示。在图2(a)中仅能观察到裂缝发育带边 界处的各种绕射波，裂缝发育带内部无响应；图2(b)为采用本专利方法获得的计算地震记 录；图2(b)中可以清楚地识别各种绕射波，不仅能观察到裂缝带边界处的地震响应特征， 也能展示裂缝带内部的反射特征，因此可在实际的地震剖面上识别这些裂缝发育区。由于 实际地震资料偏移处理时，不能将裂缝与围体的速度加以区分，我们采用等效介质获得速 度对图2(b)的进行偏移，获得图3所示的偏移剖面。从图3中我们能够清晰地识别裂缝产生 的地震响应特征，也从另一侧面证实了提出方法的正确性和有效性。

采用集群实现，本专利针对构建的地质模型，速度体大小4096*4096，开启了6个运行 节点，多线程个数为3，可以看出各个运行平台的时间对比图如图4所示，基于MPI+OpenMP 的时间比单机单核的基本上提高了23倍。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的 原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法，其特征在于，包括：

S1、根据裂缝的方向、形状、体积大小，找出最小裂缝单元，采用网格细分技术构建地质模型；

S2、采用相移校正和相移插值结合对构建的地质模型进行地震波场数值模拟；

S3、在波动方程频率域采用MPI与OpenMP并行的方式，实现地震波场数值模拟，具体为：在集群的计算节点间采用MPI的粗粒度的多进程并行模式，在计算节点内采用OpenMP的按频率细分的细粒度的多线程并行模式。

2.根据权利要求1所述的基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法，其特征在于，步骤S3所述在集群的计算节点间采用MPI的粗粒度的多进程并行模式具体为：

A1、调用MPI_INIT_THREAD启动并行环境；

A2、根据计算节点的数量，调用MPI_Comm_size命令确定进程个数，同时调用MPI_Comm_rank命令获得各进程的编号；

A3、其他进程向主进程发送请求需要处理的频率块的范围，主进程接收到请求后向其他进程分发需要处理的频率块范围；

A4、各进程执行波动方程正演数值模拟并行计算；

A5、将成像结果文件发送到主进程，由主进程进行合并；

A6、调用MPI_Finalize，结束并行环境。

3.根据权利要求1所述的基于多机多核的裂缝介质地震波场数值模拟方法，其特征在于，步骤S3所述在计算节点内采用OpenMP的按频率细分的细粒度多线程并行模式，具体为：

B1、根据当前结点的CPU核数，调用int_omp_set_num_threads函数设置当前节点要启动的线程数目；

B2、在频率循环外层调用#pragma omp parallel num_threads()语句，将频率波场数值模拟设定为并行计算区域；

B3、线程私有变量申请；

B4、在频率循环外层通过调用omp_get thread_num函数，得到当前的线程号，为每个线程分配起始和终止频率。