地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

范旭，婁兵，鄭鴻明，竇強(qiáng)峰，張超

地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

范旭1，婁兵1，鄭鴻明1，竇強(qiáng)峰1，張超2

1.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所(新疆烏魯木齊830013)
2.天津精采潛龍公司(天津102249)

詳細(xì)闡述了地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量過(guò)程分析與定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Seis-ProQC)的功能與效果。它是一套獨(dú)立于各資料處理系統(tǒng)的過(guò)程質(zhì)控分析與定量評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)，由新疆油田自主研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同處理目標(biāo)的全過(guò)程量化分析與評(píng)價(jià)，既可用于地震資料處理人員開展資料處理各環(huán)節(jié)的定量分析、優(yōu)選處理方法和參數(shù)，也可實(shí)現(xiàn)資料處理的第三方過(guò)程化質(zhì)量評(píng)價(jià)與管理，推動(dòng)地震資料處理成果品質(zhì)的整體提升。地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量過(guò)程分析與定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了資料處理質(zhì)量管理的規(guī)范化，質(zhì)量監(jiān)控的過(guò)程化，質(zhì)量評(píng)價(jià)的定量化。軟件系統(tǒng)具有快速高效、交互與批量方式相融合、質(zhì)控結(jié)果可視化的特點(diǎn)。

資料處理;數(shù)據(jù)格式;量化分析;地震屬性;過(guò)程質(zhì)控

1 地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1系統(tǒng)開發(fā)的目的

目前石油行業(yè)地震資料處理軟件眾多，數(shù)據(jù)分析及質(zhì)控方法各異，往往造成相同的原始地震資料分析出不同的屬性結(jié)果，同時(shí)由于地震原始資料采集方法、勘探環(huán)境及地下構(gòu)造的變化，資料處理技術(shù)手段、處理人員專業(yè)技術(shù)水平及軟件掌握程度的差異，造成資料處理成果千差萬(wàn)別。針對(duì)這些問(wèn)題，地震資料處理及質(zhì)量管理部門為提高資料處理品質(zhì)，保證處理質(zhì)量，建立了地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)體系及管理辦法，其目的是在資料處理過(guò)程中采用各種分析手段優(yōu)選資料處理參數(shù)和流程，監(jiān)控處理各環(huán)節(jié)質(zhì)量[1]。配合該體系而研發(fā)的地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Seis-ProQC)是一套獨(dú)立于各資料處理系統(tǒng)，具備完善的質(zhì)控屬性分析功能和靈活的交互分析手段，可對(duì)原始數(shù)據(jù)、處理過(guò)程數(shù)據(jù)及處理成果數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨(dú)立于各資料處理軟件，其目的是實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一量綱的質(zhì)控分析，避免由于各資料處理系統(tǒng)軟件算法、顯示方法的不同造成資料處理結(jié)果評(píng)價(jià)的差異。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

根據(jù)地震資料處理硬件環(huán)境配置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目前地震資料處理現(xiàn)狀是數(shù)據(jù)運(yùn)行及管理主要由并行計(jì)算機(jī)完成，處理過(guò)程分析主要由桌面臺(tái)式機(jī)或工作站完成，因此質(zhì)控系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式必須適應(yīng)上述工作特點(diǎn)，既能利用并行技術(shù)及開展海量數(shù)據(jù)的屬性分析，又能使處理及質(zhì)控分析人員在桌面臺(tái)式機(jī)或工作站開展快速資料處理環(huán)節(jié)分析與評(píng)價(jià)，其運(yùn)行模式如圖1所示，可實(shí)現(xiàn)兩種模式的系統(tǒng)運(yùn)行，模式一為工程數(shù)據(jù)庫(kù)與質(zhì)控系統(tǒng)客戶端程序獨(dú)立于不同工作站，模式二為工程數(shù)據(jù)庫(kù)與質(zhì)控系統(tǒng)客戶端程序均運(yùn)行于移動(dòng)工作站。

1.2.1 系統(tǒng)主體邏輯結(jié)構(gòu)

地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件平臺(tái)(Seis-ProQC)，系統(tǒng)主體邏輯結(jié)構(gòu)及功能如圖2所示，該系統(tǒng)平臺(tái)由質(zhì)控項(xiàng)目管理、質(zhì)控環(huán)節(jié)定義、質(zhì)控參數(shù)定義、交互化屬性分析、質(zhì)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)以及與資料處理系統(tǒng)接口模塊幾部分組成[2-3]。

質(zhì)控項(xiàng)目管理模塊主要負(fù)責(zé)處理質(zhì)控項(xiàng)目的建立、加載及查詢等管理功能。

質(zhì)控環(huán)節(jié)定義模塊主要是依據(jù)處理項(xiàng)目的類型及處理目標(biāo)，結(jié)合勘探區(qū)塊的表層特點(diǎn)及原始資料信噪比、能量、頻率等屬性分析情況，用于定義處理質(zhì)控監(jiān)控的環(huán)節(jié)、質(zhì)控的點(diǎn)、線、面。

質(zhì)控參數(shù)定義模塊用過(guò)交互向?qū)Х绞蕉x質(zhì)控分析的參數(shù)，包括質(zhì)控分析哪些屬性，質(zhì)控分析的視窗范圍，以及開展地震數(shù)據(jù)屬性采用的數(shù)學(xué)算法。

屬性計(jì)算模塊是依據(jù)定義的質(zhì)控參數(shù)，開展地震數(shù)據(jù)屬性計(jì)算，同時(shí)還可以管理正在運(yùn)行的屬性分析作業(yè)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度查看、進(jìn)程管理等功能。

交互化屬性分析及對(duì)比顯示模塊主要用于依據(jù)數(shù)據(jù)屬性計(jì)算的結(jié)果，開展曲線、柱狀圖、平面圖及表格方式的對(duì)比、分析及顯示。

質(zhì)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)存放了質(zhì)控項(xiàng)目相關(guān)的基礎(chǔ)信息、質(zhì)控分析參數(shù)信息、質(zhì)控分析輔助信息(如表層信息數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、井?dāng)?shù)據(jù)等)、質(zhì)控屬性及質(zhì)控報(bào)告等信息。

1.2.2 系統(tǒng)主要功能

地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各處理環(huán)節(jié)疊前及疊后地震數(shù)據(jù)的常規(guī)屬性分析、統(tǒng)計(jì)及結(jié)果圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)各環(huán)節(jié)處理前后屬性的對(duì)比分析，主要包括頻率、信噪比、能量，同時(shí)根據(jù)資料處理類型的不同，可實(shí)現(xiàn)AVO分析對(duì)比、地震速度顯示、平面等時(shí)切片分析等一些處理解釋一體化質(zhì)控分析功能[4]。

在質(zhì)控管理上可實(shí)現(xiàn)多工區(qū)管理及質(zhì)控，具備地震數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面定義;實(shí)現(xiàn)分析時(shí)窗的交互定義，實(shí)現(xiàn)質(zhì)控結(jié)果的表格化、圖形化輸出功能。

總之Seis-ProQC系統(tǒng)針對(duì)目前各地震資料處理系統(tǒng)質(zhì)量控制多采用定性分析的缺點(diǎn)，采用定量分析的方法，對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制分析，具有操作方便，自動(dòng)化程度高，支持多種處理系統(tǒng)文件格式，可實(shí)現(xiàn)地震資料處理過(guò)程質(zhì)量控制的快速高效。

2 系統(tǒng)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

式中:RSN為含信比;S代表有效信號(hào)，dB;N代表噪聲，dB;Rxy表示地震道X與Y的互相關(guān)，Rxx、Ryy分別表示地震道X和地震道Y的自相關(guān)。

描述地震資料品質(zhì)常用的屬性有含信比、主頻、頻帶寬度、能量、背景噪聲、子波一致性、AVO特征等物理量。通過(guò)這些地震屬性可以比較地震資料處理前后發(fā)生的改變并判定質(zhì)量的相對(duì)變化。核心模塊方法原理(含信比、主頻和頻寬、子波一致性)簡(jiǎn)述如下。

含信比即地震記錄中有效信號(hào)所占的百分比，它直接反映出地震資料的品質(zhì)和地震反射的可信度，是衡量地震資料好壞的重要標(biāo)志之一，含信比是信噪比的另一種表達(dá)方式，兩者可以通過(guò)算式互換，它的值域在0～1之間容易用圖形方式描述。信噪比計(jì)算方法是在不分離信號(hào)和噪音的前提下，利用信號(hào)和噪音在空間上的線性相關(guān)性，獲得信號(hào)和噪音相對(duì)分布，達(dá)到信噪比定量分析的目的。假設(shè)自相關(guān)相似系數(shù)是信號(hào)和噪聲能量的總和，互相關(guān)相似系數(shù)只包含有效信號(hào)的能量，那么含信比計(jì)算方式為:

主頻和頻寬是表征地震記錄分辨率屬性的關(guān)鍵參數(shù)，一個(gè)復(fù)雜的地震波是由不同頻率和初相的諧波疊加而成。按照付立葉分析理論，任意復(fù)雜的周期函數(shù)在滿足狄利克萊條件下，均可以展成付立葉級(jí)數(shù)，表示成不同初相諧波函數(shù)的和。

式中:M為樣點(diǎn)數(shù)，Δt、Δf分別為時(shí)間域和頻率域的采樣間隔。主頻可定義為頻譜極大值對(duì)應(yīng)的頻率，即能量占主要成分諧波的頻率或時(shí)間域一個(gè)完整地震波形周期的倒數(shù)。頻帶寬度理論上等于主頻能量值的0.707倍截取的兩個(gè)頻率之間的寬度，在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)認(rèn)為是完全通放帶，之外的頻帶均受到不同程度的壓制。

子波一致性是地震資料處理質(zhì)量控制的一個(gè)重要屬性，地震采集的信號(hào)按照褶積理論是反射系數(shù)與地震子波褶積而成，反射系數(shù)是由上下界面介質(zhì)的速度和密度決定，它是客觀存在且不隨地震采集方式的變化而變化。地震子波則不然，雖然影響子波特性的因素很多，最重要的因素還是地震波激發(fā)震源類型和激發(fā)圍巖性質(zhì)決定。由于從地震記錄中提取子波的算法相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)算量大，質(zhì)控系統(tǒng)采用的是以地震道自相關(guān)函數(shù)替代子波自相關(guān)函數(shù)的方法用于分析子波的特征：

對(duì)于地震單炮記錄而言，可以在給定的窗口內(nèi)對(duì)每一道求取自相關(guān)函數(shù)，疊加后作為本炮的子波自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析。

跨平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù):系統(tǒng)可同時(shí)運(yùn)行于并行計(jì)算機(jī)及桌面?zhèn)€人工作站，客戶端軟件開發(fā)采用C++語(yǔ)言，C++是最常見的開發(fā)語(yǔ)言之一，具有面向?qū)ο?、?zhí)行效率高，兼容C、Fortran，代碼維護(hù)性好等優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，適合于開發(fā)海量數(shù)據(jù)運(yùn)算的交互程序。采用C++語(yǔ)言開發(fā)的質(zhì)控軟件平臺(tái)可運(yùn)行于Linux、Windows操作系統(tǒng)，方便資料處理及分析人員操作應(yīng)用。

跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取技術(shù):目前國(guó)內(nèi)外地震資料處理系統(tǒng)眾多，其內(nèi)部數(shù)據(jù)格式各異，Seis-ProQC系統(tǒng)開發(fā)中為了避免數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換帶來(lái)的資源占用和低效問(wèn)題，通過(guò)對(duì)各處理系統(tǒng)內(nèi)部格式的解剖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的直接識(shí)別與提取，目前可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)SEGY格式以及主流處理系統(tǒng)CGG、EPOS、Geoeast、Promax內(nèi)部數(shù)據(jù)的直接讀取。

海量數(shù)據(jù)高效分析技術(shù):隨著地震勘探難度及需求的提高，外業(yè)采集覆蓋次數(shù)和覆蓋密度逐步提升，特別是高密度、寬方位地震資料數(shù)據(jù)量急劇攀升，給室內(nèi)資料處理質(zhì)控分析及監(jiān)控帶來(lái)了一系列問(wèn)題，尤其是質(zhì)控分析效率問(wèn)題，Seis-ProQC質(zhì)控系統(tǒng)采用多線程及共享內(nèi)存方式提高數(shù)據(jù)吞吐量，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，優(yōu)選出每次最佳數(shù)據(jù)讀取粒度，達(dá)到提高海量數(shù)據(jù)高效分析的目的[5]。同時(shí)在編程實(shí)現(xiàn)方面，通過(guò)MPI+OpenMP混合編程共享內(nèi)存并行計(jì)算方法提高運(yùn)行效率，圖3為MPI+OpenMP混合編程共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的并行計(jì)算方法示意，通過(guò)這種編程模式，屬性分析軟件可以利用MPICH2在通用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上開啟屬性分析進(jìn)程，進(jìn)程之間通過(guò)MPI消息傳遞模式協(xié)同工作，每個(gè)MPI進(jìn)程將獨(dú)立申請(qǐng)并管理必要的內(nèi)存空間，從集中存儲(chǔ)系統(tǒng)上讀取同一個(gè)數(shù)據(jù)體文件中指定未知的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)OpenMP開啟多個(gè)計(jì)算線程，OpenMP以道集指標(biāo)計(jì)算為并行計(jì)算單元同時(shí)對(duì)內(nèi)存中數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性分析計(jì)算。所有線程結(jié)束后，相關(guān)進(jìn)程將屬性分析結(jié)果發(fā)回集中存儲(chǔ)指定文件相對(duì)應(yīng)位置，然后回收注銷內(nèi)存空間，向管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送處理結(jié)束消息后等候管理進(jìn)程通知，接到管理進(jìn)程結(jié)束通知后注銷相應(yīng)進(jìn)程。

多窗口聯(lián)動(dòng)交互分析技術(shù):Seis-ProQC質(zhì)控系統(tǒng)能夠?qū)⑻幚砀鳝h(huán)節(jié)量化分析結(jié)果以表格、圖形方式顯示，實(shí)現(xiàn)了不同顯示方式間的互動(dòng)操作，便于查找數(shù)據(jù)屬性的極值點(diǎn)和特征信息。同時(shí)在質(zhì)控參數(shù)定義方面實(shí)現(xiàn)了交互定義，方便操作。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1資料處理質(zhì)控點(diǎn)、線、面的定義

地震資料處理數(shù)據(jù)量大，處理環(huán)節(jié)多，質(zhì)控分析不可能做到逐點(diǎn)逐線。在質(zhì)控分析中主要是通過(guò)對(duì)原始地震資料信噪比、頻率、激發(fā)能量的統(tǒng)計(jì)分析后，結(jié)合表層的變化，選擇工區(qū)具有代表性的特征點(diǎn)、線開展貫穿處理過(guò)程的分析對(duì)比，Seis-ProQC質(zhì)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上述功能，方便后續(xù)對(duì)比分析，圖4為準(zhǔn)噶爾盆地某三維利用Seis-ProQC質(zhì)控系統(tǒng)分析后選定的處理過(guò)程質(zhì)控點(diǎn)、線示意，質(zhì)控分析人員可依據(jù)工區(qū)高程的變化情況，結(jié)合主要目的層信噪比的平面特征來(lái)選擇質(zhì)控分析的點(diǎn)、線，這些質(zhì)控點(diǎn)有質(zhì)控系統(tǒng)記錄后貫穿處理質(zhì)控分析全過(guò)程。

3.2不同處理方法結(jié)果對(duì)比分析質(zhì)控

利用Seis-ProQC地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)可以對(duì)資料處理各環(huán)節(jié)不同方法處理結(jié)果進(jìn)行量化分析對(duì)比，判定方法與參數(shù)選擇是否合理，圖5為資料處理振幅補(bǔ)償環(huán)節(jié)不同補(bǔ)償方式目的層均方根變化統(tǒng)計(jì)平面圖，振幅補(bǔ)償前(圖5(a))由于受地表及地下條件變化，各單炮目的層振幅差異較大，圖5(b)、圖5(c)分別為不同方法振幅屬性平面統(tǒng)計(jì)，可以直觀地判斷圖5(b)由于處理參數(shù)選擇不當(dāng)未能較好地消除由于表層因素造成的空間振幅差異，工區(qū)北部條帶狀能量差異，明顯是由補(bǔ)償方法的參數(shù)定義造成。圖5(c)為調(diào)整振幅補(bǔ)償流程和參數(shù)后的工區(qū)目的層振幅平面統(tǒng)計(jì)，可以看出較好地消除了表層因素造成的振幅差異。

3.3資料處理各環(huán)節(jié)品質(zhì)分析及效果

Seis-ProQC地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件平臺(tái)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)處理參數(shù)變化造成的屬性差異對(duì)比，亦可對(duì)各環(huán)節(jié)的處理結(jié)果開展質(zhì)控分析，通過(guò)分析各環(huán)節(jié)資料品質(zhì)的變化，判定資料處理是否合理。圖6分別為原始單炮疊加、去噪后疊加、反褶積后疊加及最終疊加目的層信噪比平面圖及統(tǒng)計(jì)柱狀圖，通過(guò)質(zhì)控平臺(tái)的時(shí)間切片信噪比分析功能統(tǒng)計(jì)分析主要目的層信噪比變化情況，可直觀地看出隨著資料處理關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)程的推進(jìn)，說(shuō)明處理過(guò)程中目的層信噪比逐步提高。

4 結(jié)論

地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)能夠依據(jù)地震資料處理類型及處理目的不同，制定相應(yīng)的質(zhì)控關(guān)鍵環(huán)節(jié)，按照點(diǎn)、線、面相結(jié)合的方式，開展定量化的地震屬性分析，并以此為基礎(chǔ)監(jiān)控資料處理結(jié)果和質(zhì)量。系統(tǒng)對(duì)各環(huán)節(jié)涉及的地震資料頻率、信噪比、能量、子波展開分析，針對(duì)一些特殊的需求可以實(shí)現(xiàn)井控振幅分析、速度分析、靜校正分析、地震屬性平面分析等?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)處理各階段數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)量化統(tǒng)計(jì)、交互分析及顯示功能并生成質(zhì)檢報(bào)告。該系統(tǒng)既可用于地震資料處理人員開展資料處理各環(huán)節(jié)的定量分析，優(yōu)選處理方法和參數(shù)，也可實(shí)現(xiàn)資料處理的第三方過(guò)程化質(zhì)量評(píng)價(jià)與管理，有利于推動(dòng)地震資料處理成果品質(zhì)的整體提升。

地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)獨(dú)立于各資料處理軟件，避免了各處理系統(tǒng)之間分析造成的量綱差異，為地震資料處理過(guò)程分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了軟件手段，實(shí)現(xiàn)了資料處理質(zhì)量管理的規(guī)范化，質(zhì)量監(jiān)控的過(guò)程化，質(zhì)量評(píng)價(jià)的定量化，軟件系統(tǒng)具有快速高效、交互操作靈活、質(zhì)控結(jié)果可視的特點(diǎn)，目前已在新疆油田地震資料處理中全面推廣應(yīng)用。

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The seismic data processing quality process analysis and quantitative evaluation system developed by Xinjiang Oilfield is a software platform for process quality control analysis and quantitative evaluation which is independent of other data processing systems，and its function and effect are elaborated.It can finish the quantitative analysis and evaluation of different processing targets.It can be not only used for the quantitative analysis of various aspects of seismic data processing and the optimization of data processing methods and parameters，but also for the third-party process quality assessment and management of data processing to improve the quality of seismic data processing.The development and application of the seismic data processing quality process analysis and quantitative evaluation system achieve the normalization of data processing quality management，the procedurization of quality monitoring and control and the quantification of quality evaluation.The software has the characteristics of high efficiency，the combination of interactive and batch modes and the visualization of quality control results.

data processing;data format;quantitative analysis;seismic attribute;process quality control

學(xué)敏

2014-11-25

范旭(1968-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事勘查地球物理相關(guān)工作。