淺談石油勘探與高性能計算機(jī)
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說起石油勘探，在人們的印象中更多浮現(xiàn)出來的是石油公司的野外勘探人員背著各種專用設(shè)備，通過一系列的地質(zhì)勘探的方法來偵測并預(yù)估所探測地區(qū)的地層中是否存在石油，然后在這個區(qū)域內(nèi)打上幾口試驗性的井，以驗證預(yù)估是否準(zhǔn)確。事實上這一作業(yè)方式早已過時，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。然而因為鉆井費用非常昂貴，為提高效能，石油企業(yè)開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)成時形成不同的反射波，這種反射波經(jīng)過地面的檢波器收集，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘柡罂纱鎯閿?shù)據(jù)。通過對數(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。超級計算機(jī)的設(shè)計目的就是為了進(jìn)行巨大規(guī)模的矩陣計算和超大容量的數(shù)據(jù)計算。它主要用在大氣和地下結(jié)構(gòu)的研究中，石油和氣象對超級計算機(jī)的需求最強(qiáng)烈，同時也直接推動超級計算機(jī)的發(fā)展。地球物理中做深部結(jié)構(gòu)的研究人員對這種計算機(jī)尤其渴求，有了這種計算機(jī)，地球探測工作者會感到高性能的計算機(jī)簡直就是給他們插上了翅膀。中國工程院院士、浪潮集團(tuán)首席科學(xué)家王恩東曾經(jīng)說：“超級計算機(jī)解決了很多傳統(tǒng)方法解決不了的難題。比方說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，下面有沒有油要打完井以后才知道。但是今天通過超級計算，相當(dāng)于給地球做了一個CT，可以精準(zhǔn)地去找油?！逼胀ㄓ嬎銠C(jī)不敷使用，主要是因為地震波數(shù)據(jù)的特殊性。首先說其巨大。簡單的說，石油勘探面對的數(shù)學(xué)問題就是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，最簡單的情況是僅考慮縱波速度，如果是一個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,這個模型就有80000000個網(wǎng)格，或者說8千萬個需要求解的未知數(shù)。A:經(jīng)過精細(xì)的信號處理，可以近似得到A。20km×20km的工區(qū)，石油勘探要做的是解一個有8千萬個未知數(shù)的方程，而且是病態(tài)欠定非線性方程。
實際上，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)雜繁瑣的信號處理以提高信號質(zhì)量。其次說復(fù)雜。從計算時間上來說，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)界才開始在日常的數(shù)據(jù)處理工作中引入深度偏移，就是因為從那時開始高性能并行計算機(jī)才可以處理這樣大規(guī)模的問題，也僅僅是能夠處理而已；因為一次偏移通常需要幾天到幾周，甚至幾個月（這應(yīng)該是上世紀(jì)末的水平）。即使是今天，做一次20km×20km×10km這個規(guī)模的工區(qū)的簡單偏移，使用cluster，幾百個節(jié)點，每個節(jié)點上有16個64位的CPU，一次偏移也需要十個小時左右的滿負(fù)荷運算。而且通常情況下，速度模型需要迭代求解，所以一個項目可能需要多次偏移。另外，為了盡可能真實還原看不見摸不著的地下的構(gòu)造，比如地層起伏、斷層分布，就需要對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。這也提升了計算的復(fù)雜性，需要超級計算機(jī)的參與。高性能并行計算是石油勘探行業(yè)的基本要求，與此同時，在大規(guī)模運算領(lǐng)域里，石油勘探是一個見得到實實在在的金錢利益回報的領(lǐng)域，也刺激了超級計算機(jī)在石油勘探領(lǐng)域的應(yīng)用。如果你到國內(nèi)的石油勘探相關(guān)單位去參觀，都有幾百幾千個節(jié)點的并行計算機(jī)。
作者：蘇衡