羅冬陽(yáng) 喬聰穎 谷悅 張鵬

摘要：大型油氣藏的數(shù)值模擬以及對(duì)油氣藏的精細(xì)刻畫是當(dāng)前油藏工程師關(guān)注的兩大重點(diǎn)，而這無(wú)疑會(huì)增加數(shù)值模擬的運(yùn)算量，常規(guī)模擬器無(wú)法負(fù)擔(dān)如此高昂的時(shí)間成本。tNavigator作為新一代數(shù)值模擬器，優(yōu)化了計(jì)算內(nèi)核，提高了并行運(yùn)算效率和加速比，可調(diào)用GPU進(jìn)行加速運(yùn)算，顯著降低了數(shù)值模擬工作的時(shí)間成本，為油氣田的高效開發(fā)提供了強(qiáng)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(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）18-0205-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guò)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?cái)?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(jì)算量，還面臨諸多不確定性。

精細(xì)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(jì)算能力的限制，必須要對(duì)模型進(jìn)行粗化處理，大量的地質(zhì)細(xì)節(jié)信息會(huì)丟失，計(jì)算結(jié)果的可信度也會(huì)降低。當(dāng)前，為了滿足對(duì)油藏開發(fā)動(dòng)態(tài)的深入把控，滿足油氣藏地質(zhì)特征的細(xì)致刻畫，流體分布、運(yùn)移規(guī)律的準(zhǔn)確描述，需要基于精細(xì)的地質(zhì)模型進(jìn)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(shí)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(xì)的動(dòng)態(tài)油田模擬需求也在不斷升級(jí)。想要解決上述問(wèn)題，需要借助強(qiáng)大的硬件設(shè)備、高效的求解算法以及先進(jìn)的軟件框架。

2 tNavigator大型精細(xì)油氣藏模擬器

2.1 tNavigator簡(jiǎn)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(jì)算引領(lǐng)新一代精細(xì)油氣藏高效精準(zhǔn)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(diǎn)巨型（千萬(wàn)至千兆級(jí)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）油藏模型數(shù)值模擬時(shí)不再手足無(wú)措。

隨著各個(gè)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(tái)，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(duì)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(shì)

以目前的行業(yè)現(xiàn)狀而言，油田往往會(huì)在精細(xì)油藏地質(zhì)描述階段投入大量的經(jīng)費(fèi)和力量，但是在進(jìn)行油藏?cái)?shù)值模擬時(shí)，由于算力等條件的限制，不得不將模型進(jìn)行粗化處理，很多只存在于較小尺度下的地質(zhì)特征會(huì)不可避免地丟失掉，已經(jīng)沒(méi)有了“精細(xì)”的味道。tNavigator軟件解決了這一難題，基于工作站即可實(shí)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(xì)地質(zhì)特征，模擬效果更加接近真實(shí)的地下流體運(yùn)移動(dòng)態(tài)，這對(duì)我們深入研究地下流體的流動(dòng)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(huì)更具針對(duì)性，從而在更大程度上降低整個(gè)油田的各項(xiàng)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(shì)：

（1）先進(jìn)的求解器及軟件架構(gòu)，卓越的并行效率

并行集群節(jié)點(diǎn)之間使用SMP+MPI同步，優(yōu)化算法更好地協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)載;CPU+GPU協(xié)同并行運(yùn)算，采用充分利用硬件優(yōu)勢(shì)大幅提高運(yùn)算速度，2020年新推出的FuIIGPU模式可進(jìn)一步提升運(yùn)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(shí)間。

（2）優(yōu)異的交互體驗(yàn)

交互界面操作簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大，可實(shí)時(shí)多窗口顯示計(jì)算結(jié)果，方便工程師隨時(shí)監(jiān)控模擬動(dòng)態(tài);斷點(diǎn)保護(hù)功能支持模型隨時(shí)暫停、修正、續(xù)算;支持Python語(yǔ)言的后處理，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)控制。

（3）強(qiáng)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(yùn)算，無(wú)須手動(dòng)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(jìn)行不確定性分析，篩選主控因素;可以通過(guò)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(jì)學(xué)，也可做出專業(yè)判斷。

（5）成熟的工程技術(shù)應(yīng)用

獨(dú)特的水力壓裂模擬技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)裂縫片形式的全區(qū)水力壓裂模擬，還可以實(shí)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(dòng)方程，與工程參數(shù)結(jié)合更緊密;支持GO-HFER軟件的計(jì)算結(jié)果，快速導(dǎo)人裂縫數(shù)據(jù)。

支持近井地帶的儲(chǔ)層物性修改，針對(duì)酸化等增產(chǎn)措施。

可進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模擬，能夠分析地應(yīng)力變化對(duì)孔隙度和滲透率的影響，以及注采過(guò)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(jì)算的同時(shí)輸出流線結(jié)果，基于流線可實(shí)時(shí)追蹤油氣水滲流規(guī)律;可基于注采強(qiáng)度自動(dòng)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(dòng)劈分與合并功能，可以實(shí)現(xiàn)多名工程師協(xié)同進(jìn)行歷史擬合工作，擬合數(shù)據(jù)可以自動(dòng)合并。

tNavigator作為高度集成的一體化平臺(tái)，涵蓋了地震解釋、地質(zhì)建模、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)模前處理、數(shù)模運(yùn)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(gè)方面，為油田生產(chǎn)動(dòng)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(jī)集群上，總體架構(gòu)共有五個(gè)核心部分：

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

（2）刀片中心機(jī)箱-IBM BladeCenter刀片;

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：外網(wǎng)采用萬(wàn)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(chǔ)存方式;

（5）系統(tǒng)管理一在單個(gè)機(jī)箱中獨(dú)立配置。

集群部署以通用的運(yùn)行處理架構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，以“刀片”作為整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的主要模塊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均安裝RedHat En-terprise Linux6.3操作系統(tǒng)，并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)之前通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了高速互聯(lián)。通過(guò)完善的計(jì)算機(jī)資源管理、優(yōu)化的任務(wù)調(diào)度以及計(jì)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(shí)例

國(guó)內(nèi)某海相砂巖油藏，模型大小167X 87x23，有效網(wǎng)格數(shù)達(dá)334167，生產(chǎn)井?dāng)?shù)13口，根據(jù)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)定油生產(chǎn)14年，如圖2。tNavigator與Eclipse運(yùn)算結(jié)果模型儲(chǔ)量和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)相對(duì)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(qiáng)的容錯(cuò)能力和兼容性，對(duì)算例中的Eclipse模型關(guān)鍵字完全兼容，轉(zhuǎn)換后可直接運(yùn)算，不需進(jìn)行修改。運(yùn)算效率方面tNavigator具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在32核并行計(jì)算的條件下，tNavi-gator運(yùn)算速度是Eclipse的3倍，如圖3。

4 結(jié)論

tNavigator GPU版專門為精細(xì)數(shù)值模擬研究而設(shè)計(jì)，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(jì)算效率，針對(duì)千萬(wàn)級(jí)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(yùn)算需求的基礎(chǔ)上，將運(yùn)算效率提升到新的高度;同時(shí)tNavigator具備建模數(shù)模一體化平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、油藏一體化綜合研究。

基于精細(xì)地質(zhì)模型的研究、超大規(guī)模模型的運(yùn)算效率以及更具預(yù)測(cè)性的精細(xì)油氣藏?cái)?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(duì)海上研究有著更重要更深遠(yuǎn)的意義！

參考文獻(xiàn)：

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