淺談石油勘探與高性能計(jì)算機(jī)

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說(shuō)起石油勘探，在人們的印象中更多浮現(xiàn)出來(lái)的是石油公司的野外勘探人員背著各種專用設(shè)備，通過(guò)一系列的地質(zhì)勘探的方法來(lái)偵測(cè)并預(yù)估所探測(cè)地區(qū)的地層中是否存在石油，然后在這個(gè)區(qū)域內(nèi)打上幾口試驗(yàn)性的井，以驗(yàn)證預(yù)估是否準(zhǔn)確。事實(shí)上這一作業(yè)方式早已過(guò)時(shí)，而且其結(jié)果往往不精確。不精確的原因在于，油田在地下并不是以油海形式存在，而是由一個(gè)彼此隔離的“葡萄串”構(gòu)成的，只有油井剛好打在“葡萄”上才能大功告成。然而因?yàn)殂@井費(fèi)用非常昂貴，為提高效能，石油企業(yè)開(kāi)始在勘探中采取地震波法。

所謂地震波法，就是用炸藥在地面激起人工地震波，這種地震波可傳入地下深處，并在碰到不同形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)成時(shí)形成不同的反射波，這種反射波經(jīng)過(guò)地面的檢波器收集，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)后可存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，就可以模擬出勘探區(qū)域的地下地質(zhì)構(gòu)造，并找到存有油氣的巖層的精確位置。超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)目的就是為了進(jìn)行巨大規(guī)模的矩陣計(jì)算和超大容量的數(shù)據(jù)計(jì)算。它主要用在大氣和地下結(jié)構(gòu)的研究中，石油和氣象對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的需求最強(qiáng)烈，同時(shí)也直接推動(dòng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展。地球物理中做深部結(jié)構(gòu)的研究人員對(duì)這種計(jì)算機(jī)尤其渴求，有了這種計(jì)算機(jī)，地球探測(cè)工作者會(huì)感到高性能的計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)直就是給他們插上了翅膀。中國(guó)工程院院士、浪潮集團(tuán)首席科學(xué)家王恩東曾經(jīng)說(shuō)：“超級(jí)計(jì)算機(jī)解決了很多傳統(tǒng)方法解決不了的難題。比方說(shuō)以前的石油勘探像看風(fēng)水一樣，打一口井的成本差不多2億元人民幣，下面有沒(méi)有油要打完井以后才知道。但是今天通過(guò)超級(jí)計(jì)算，相當(dāng)于給地球做了一個(gè)CT，可以精準(zhǔn)地去找油。”普通計(jì)算機(jī)不敷使用，主要是因?yàn)榈卣鸩〝?shù)據(jù)的特殊性。首先說(shuō)其巨大。簡(jiǎn)單的說(shuō)，石油勘探面對(duì)的數(shù)學(xué)問(wèn)題就是Ax=b。b是野外采集到的數(shù)據(jù)，規(guī)模通常是幾百GB到幾十TB之間；x是地下結(jié)構(gòu)模型，最簡(jiǎn)單的情況是僅考慮縱波速度，如果是一個(gè)20km×20km的工區(qū)，深度為10km，為了使反演的地下結(jié)構(gòu)達(dá)到足夠的精度，模型的網(wǎng)格不能太大，比如50m×50m×20m,這個(gè)模型就有80000000個(gè)網(wǎng)格，或者說(shuō)8千萬(wàn)個(gè)需要求解的未知數(shù)。A:經(jīng)過(guò)精細(xì)的信號(hào)處理，可以近似得到A。20km×20km的工區(qū)，石油勘探要做的是解一個(gè)有8千萬(wàn)個(gè)未知數(shù)的方程，而且是病態(tài)欠定非線性方程。

實(shí)際上，石油勘探的工區(qū)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20kmX20km，地下結(jié)構(gòu)模型也并不是只包括縱波速度，同時(shí)野外采集到的幾百GB到幾十TB的數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的信號(hào)處理以提高信號(hào)質(zhì)量。其次說(shuō)復(fù)雜。從計(jì)算時(shí)間上來(lái)說(shuō)，即使僅僅考慮勘探數(shù)據(jù)處理工作中的最后一步：偏移。直到本世紀(jì)初，工業(yè)界才開(kāi)始在日常的數(shù)據(jù)處理工作中引入深度偏移，就是因?yàn)閺哪菚r(shí)開(kāi)始高性能并行計(jì)算機(jī)才可以處理這樣大規(guī)模的問(wèn)題，也僅僅是能夠處理而已；因?yàn)橐淮纹仆ǔＰ枰獛滋斓綆字?，甚至幾個(gè)月（這應(yīng)該是上世紀(jì)末的水平）。即使是今天，做一次20km×20km×10km這個(gè)規(guī)模的工區(qū)的簡(jiǎn)單偏移，使用cluster，幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有16個(gè)64位的CPU，一次偏移也需要十個(gè)小時(shí)左右的滿負(fù)荷運(yùn)算。而且通常情況下，速度模型需要迭代求解，所以一個(gè)項(xiàng)目可能需要多次偏移。另外，為了盡可能真實(shí)還原看不見(jiàn)摸不著的地下的構(gòu)造，比如地層起伏、斷層分布，就需要對(duì)這一堆亂七八糟的數(shù)據(jù)做處理，提高信噪比(即增加有用信息、剔除干擾信息)，以不同方式還原出盡可能清晰且合理的圖像。這也提升了計(jì)算的復(fù)雜性，需要超級(jí)計(jì)算機(jī)的參與。高性能并行計(jì)算是石油勘探行業(yè)的基本要求，與此同時(shí)，在大規(guī)模運(yùn)算領(lǐng)域里，石油勘探是一個(gè)見(jiàn)得到實(shí)實(shí)在在的金錢利益回報(bào)的領(lǐng)域，也刺激了超級(jí)計(jì)算機(jī)在石油勘探領(lǐng)域的應(yīng)用。如果你到國(guó)內(nèi)的石油勘探相關(guān)單位去參觀，都有幾百幾千個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行計(jì)算機(jī)。

作者：蘇衡