tNavigator基于現(xiàn)代CPU和GPU計算平臺的精細油藏模擬器助力大型油氣田高效開發(fā)

羅冬陽 喬聰穎 谷悅 張鵬

摘要：大型油氣藏的數(shù)值模擬以及對油氣藏的精細刻畫是當(dāng)前油藏工程師關(guān)注的兩大重點，而這無疑會增加數(shù)值模擬的運算量，常規(guī)模擬器無法負擔(dān)如此高昂的時間成本。tNavigator作為新一代數(shù)值模擬器，優(yōu)化了計算內(nèi)核，提高了并行運算效率和加速比，可調(diào)用GPU進行加速運算，顯著降低了數(shù)值模擬工作的時間成本，為油氣田的高效開發(fā)提供了強大的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：tNavigator;模擬器;油氣藏;GPU;加速

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0205-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引言

當(dāng)前，油氣田的生產(chǎn)開發(fā)正面臨諸多難題，數(shù)值模擬領(lǐng)域也面臨諸多挑戰(zhàn)。

大型油氣田的整體模擬需求在不斷增加。過去的數(shù)值模擬工作主要集中在單井、井組或某一區(qū)塊，而油田尺度的大型油藏數(shù)值模擬工作仍具有很大的挑戰(zhàn)性。

工程手段的模擬增加了數(shù)值模擬的復(fù)雜度。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分支井以及完井方式、全區(qū)水力壓力、體積壓裂等應(yīng)用的廣泛普及，數(shù)值模擬工作不僅增加了計算量，還面臨諸多不確定性。

精細化油氣藏模擬觀念在不斷深化。在傳統(tǒng)的建模數(shù)模工作中，由于受到計算能力的限制，必須要對模型進行粗化處理，大量的地質(zhì)細節(jié)信息會丟失，計算結(jié)果的可信度也會降低。當(dāng)前，為了滿足對油藏開發(fā)動態(tài)的深入把控，滿足油氣藏地質(zhì)特征的細致刻畫，流體分布、運移規(guī)律的準確描述，需要基于精細的地質(zhì)模型進行數(shù)值模擬。

常規(guī)數(shù)值模擬器一般基于幾十年前的軟件架構(gòu)開發(fā)，很難適應(yīng)當(dāng)前數(shù)值模擬的實際需求。而隨著油田數(shù)據(jù)加速整合，工程技術(shù)的不斷提高，精細的動態(tài)油田模擬需求也在不斷升級。想要解決上述問題，需要借助強大的硬件設(shè)備、高效的求解算法以及先進的軟件框架。

2 tNavigator大型精細油氣藏模擬器

2.1 tNavigator簡介

tNavigator軟件是由俄羅斯軟件公司Rock Flow Dvnamics（RFD）研發(fā)，Intel參與合作，經(jīng)多年研發(fā)、目前已在全球各大油公司得到廣泛應(yīng)用的新一代高效數(shù)值模擬系統(tǒng)，行業(yè)首發(fā)的基于CPU+GPU協(xié)同并行計算引領(lǐng)新一代精細油氣藏高效精準數(shù)值模擬技術(shù)。tNavigator作為行業(yè)內(nèi)革命性的新一代數(shù)模技術(shù)產(chǎn)品，使得工程師在面臨超大網(wǎng)格節(jié)點巨型（千萬至千兆級網(wǎng)格節(jié)點）油藏模型數(shù)值模擬時不再手足無措。

隨著各個模塊的不斷完善與豐富，tNavigator已經(jīng)成為高度集成的建模數(shù)模一體化平臺，從地震到油藏、從井筒到管網(wǎng)、從建模到數(shù)模、從人工到智能，針對油氣藏的一體化研究可提供全面的解決方案。

2.2 tNavigator技術(shù)優(yōu)勢

以目前的行業(yè)現(xiàn)狀而言，油田往往會在精細油藏地質(zhì)描述階段投入大量的經(jīng)費和力量，但是在進行油藏數(shù)值模擬時，由于算力等條件的限制，不得不將模型進行粗化處理，很多只存在于較小尺度下的地質(zhì)特征會不可避免地丟失掉，已經(jīng)沒有了“精細”的味道。tNavigator軟件解決了這一難題，基于工作站即可實現(xiàn)巨型油藏的高效并行數(shù)值模擬。未粗化的模型保留了油藏的精細地質(zhì)特征，模擬效果更加接近真實的地下流體運移動態(tài)，這對我們深入研究地下流體的流動規(guī)律提供了更可靠的依據(jù)，基于此提出的開發(fā)方案以及調(diào)整策略也會更具針對性，從而在更大程度上降低整個油田的各項成本，提高效益。

與其他數(shù)值模擬器相比，tNavigator具有以下明顯的優(yōu)勢：

（1）先進的求解器及軟件架構(gòu)，卓越的并行效率

并行集群節(jié)點之間使用SMP+MPI同步，優(yōu)化算法更好地協(xié)調(diào)節(jié)點負載;CPU+GPU協(xié)同并行運算，采用充分利用硬件優(yōu)勢大幅提高運算速度，2020年新推出的FuIIGPU模式可進一步提升運算效率;采用BCGS（穩(wěn)定雙共軛梯度）一大型線性方程組求解器，大幅縮短方程組求解時間。

（2）優(yōu)異的交互體驗

交互界面操作簡潔、功能強大，可實時多窗口顯示計算結(jié)果，方便工程師隨時監(jiān)控模擬動態(tài);斷點保護功能支持模型隨時暫停、修正、續(xù)算;支持Python語言的后處理，可以實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析及生產(chǎn)動態(tài)控制。

（3）強大的兼容性

兼容業(yè)內(nèi)多種數(shù)值模擬器所支持的數(shù)據(jù)格式，可直接加載、運算，無須手動轉(zhuǎn)換。

（4）智能化的不確定性分析、歷史擬合

智能歷史擬合功能帶給建模/數(shù)模工程師極大的便利，可以快速進行不確定性分析，篩選主控因素;可以通過優(yōu)化算法迅速逼近最優(yōu)方案;提供了優(yōu)秀的數(shù)據(jù)分析功能，即使不通曉統(tǒng)計學(xué)，也可做出專業(yè)判斷。

（5）成熟的工程技術(shù)應(yīng)用

獨特的水力壓裂模擬技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)裂縫片形式的全區(qū)水力壓裂模擬，還可以實現(xiàn)任意形態(tài)的體積壓裂模擬;支持設(shè)定支撐劑和流動方程，與工程參數(shù)結(jié)合更緊密;支持GO-HFER軟件的計算結(jié)果，快速導(dǎo)人裂縫數(shù)據(jù)。

支持近井地帶的儲層物性修改，針對酸化等增產(chǎn)措施。

可進行地質(zhì)力學(xué)模擬，能夠分析地應(yīng)力變化對孔隙度和滲透率的影響，以及注采過程中地層的彈性形變/位移演化等。

（6）智能的流線模擬及水驅(qū)優(yōu)化管理

集有限差分和流線模擬于一體，在模擬計算的同時輸出流線結(jié)果，基于流線可實時追蹤油氣水滲流規(guī)律;可基于注采強度自動調(diào)整注水量，優(yōu)化注采關(guān)系，顯著提高注水效率。

（7）高效的協(xié)同工作模式

支持大型模型的自動劈分與合并功能，可以實現(xiàn)多名工程師協(xié)同進行歷史擬合工作，擬合數(shù)據(jù)可以自動合并。

tNavigator作為高度集成的一體化平臺，涵蓋了地震解釋、地質(zhì)建模、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)模前處理、數(shù)模運算分析、智能歷史擬合以及地面管網(wǎng)等油田開發(fā)的各個方面，為油田生產(chǎn)動態(tài)模擬、數(shù)據(jù)分析、策略調(diào)整提供高效解決方案。

3 tNavigator部署和應(yīng)用

3.1 部署總體架構(gòu)

tNavigator部署在刀片機集群上，總體架構(gòu)共有五個核心部分：

（1）8臺IBM刀片服務(wù)器-PureFlex SYstem x440;

（2）刀片中心機箱-IBM BladeCenter刀片;

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：外網(wǎng)采用萬兆直通模塊，內(nèi)網(wǎng)采用voltaire40Gb QDR Infiniband接口互連;

（4）采用網(wǎng)絡(luò)儲存方式;

（5）系統(tǒng)管理一在單個機箱中獨立配置。

集群部署以通用的運行處理架構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，以“刀片”作為整個計算系統(tǒng)架構(gòu)的主要模塊，每個節(jié)點均安裝RedHat En-terprise Linux6.3操作系統(tǒng)，并且各個節(jié)點之前通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了高速互聯(lián)。通過完善的計算機資源管理、優(yōu)化的任務(wù)調(diào)度以及計算性能監(jiān)控，可以高效完成各類研究任務(wù)，如圖1所示：

3.2 應(yīng)用實例

國內(nèi)某海相砂巖油藏，模型大小167X 87x23，有效網(wǎng)格數(shù)達334167，生產(chǎn)井?dāng)?shù)13口，根據(jù)歷史觀測數(shù)據(jù)定油生產(chǎn)14年，如圖2。tNavigator與Eclipse運算結(jié)果模型儲量和生產(chǎn)動態(tài)相對誤差較小，歷史擬合精度均能滿足油藏研究要求。tNavigator具有較強的容錯能力和兼容性，對算例中的Eclipse模型關(guān)鍵字完全兼容，轉(zhuǎn)換后可直接運算，不需進行修改。運算效率方面tNavigator具有明顯的優(yōu)勢，在32核并行計算的條件下，tNavi-gator運算速度是Eclipse的3倍，如圖3。

4 結(jié)論

tNavigator GPU版專門為精細數(shù)值模擬研究而設(shè)計，具備人性化圖形用戶界面、研究人員易于上手;支持CPU/GPU協(xié)同并行，具有非常高效的并行計算效率，針對千萬級甚至數(shù)億網(wǎng)格模型的數(shù)值模擬依然可以高效完成;在滿足大型、復(fù)雜油氣藏模擬運算需求的基礎(chǔ)上，將運算效率提升到新的高度;同時tNavigator具備建模數(shù)模一體化平臺，可實現(xiàn)地質(zhì)、油藏一體化綜合研究。

基于精細地質(zhì)模型的研究、超大規(guī)模模型的運算效率以及更具預(yù)測性的精細油氣藏數(shù)值模擬，是目前業(yè)內(nèi)的迫切需求。在此基礎(chǔ)上，提出更好的下步開發(fā)方案，最終更大程度提高油田采收率，得到更有效益的勘探開發(fā)對海上研究有著更重要更深遠的意義！

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：聞翔軍】