石油勘探领域高性能计算应用和实践

一、高性能计算的发展现状

当前，高性能计算(High Performance Computing)已经是一个非常热门的词汇，伴随着经济发展车轮滚滚向前，计算机技术飞速发展，高性能计算机的计算速度正在不断提高，超级计算机已经达到令人咂舌的运算速度。国家的宣传工具，经常把计算机的运算速度作为增加自豪感的工具，综合国力的体现，在某种意义上，这是有道理的。

目前，高性能计算机的衡量标准主要以计算速度(尤其是浮点运算速度)作为标准。我们知道，高性能计算机是信息领域的前沿高技术，衡量一个国家综合实力的重要标志之一。随着信息化社会的飞速发展，高性能计算的功效在科研机构、工业企业、大学院校得到充分的展现，近两年来，随着网络技术的应用，高性能计算在金融、教育、网络游戏等更广泛的领域得到应用。作为我们国家，处于大规模工业化的进程中，高性能计算在资源勘探等工业领域的应用，最突出的体现在石油勘探过程中。

二、石油勘探领域的工业特性决定了高性能计算的规模化应用

石油是工业的血液，石油勘探是石油工业的基础。但为什么高性能计算与石油勘探结缘如此紧密，这是由于原油的资源禀赋和埋藏特性决定的。

我国是一个贫油国家，在早年石油勘探的过程中，使用传统的地质学方法和地球化学方法来勘测原油分布，这种方法最大的不足是浪费大量的人力物力财力。首先要通过地质学的理论判断，推测勘测出一片地下可能储有石油的区域，然后试探性开掘，查看是否能够出油。这种作业方式，结果具有偶然性，因为，从我国原油的禀赋条件来讲，油田在地下并不是以“油海”的形式存在，而是一个个彼此隔离的“葡萄串”，不够精准的勘测，必须通过多钻井进行尝试，而打一口油井，其花费往往都会达到上千万甚至是上亿元，为提高石油勘探的能力和效率并降低其成本，在勘探中采用了更为先进的地震波法。

地震波法，就是用炸药在地面激起人工地震波，通过地震波传入地下，碰到不同形态的岩层时形成不同的反射波，这些反射波经过收集、转变成电子信号后可存储为数据，通过对数据进行计算处理，就能清晰摸拟出勘测区域的地下地质构造，并找到那些存有石油岩层的精确位置。

地震波法勘探收集的数据通常都以TB计，这些海量数据的处理只有借助高性能计算机，才以实现最佳的勘探效益，这就是为什么石油勘探领域的工业特性决定了高性能计算的规模化应用。

三、高性能计算应用在我国石油领域呈现增长态势

我国目前的石油已经在很大程度上依赖于进口支撑，国内产油量处于保量态势，然而，这丝毫不能减弱高性能计算在石油领域的增长态势。特别是在油田的技术寻优，三次采油、四次采油，提高采收率等技术上，必须高性能计算作为保障。

在野外数据采集、地震资料处理、油藏摸拟、资料解释、计算可视化等工作流程中，辅助高性能计算，显著提高了石油勘探准确度，缩短了勘探时间，有利于获得更精确和更丰富的数据，进行三维计算分析，更精准经济快速模拟地下矿藏分布和预测储量的数据，获得准确的资料解释。从某种意义上说，高性能服务器已经成为提升石油行业勘探水平、增强国际竞争力的关键所在。

2007年-2009年，石油行业采购高性能服务器的数量分别为155台、198台、258台，呈现明显上升趋势，并没有收到金融危机导致石油价格下跌的显著影响，保持坚挺。

四、高性能计算与某大型国有石油企业的科技研发

我国某大型油田企业（去掉企业名称）是一家以石油、天然气勘探开发为主营业务的国家控股特大型企业，开发近半个世纪，为国家社会经济发展做出了显著贡献。然而，也面临着一系列困难，第一是由于开发时间长，储油面积减少，第二是由于地质构造属于砂岩油田，必须通过自主科技创新，来大幅度提升原油采收率，保证连续稳定出油。

在一些重点研发领域和重大核心技术，如发展完善大型陆相沉积砂岩油田分层开采、高含水期油藏精细描述和化学复合驱油等技术上；发展完善低深难领域勘探目标地震准确识别、三维模拟计算、多学科油藏精细地质研究等技术上，都广泛的应用了高性能计算支持。特别是在对高性能计算最成熟的领域，先后发展形成了叠前深度偏移处理、微地震井间监测、petrel三维地质建模软件等技术。并利用高性能计算机，完成了两个平台建设，一是成功建立了生产管理信息平台。建成了覆盖全油田的计算机网络，开发应用了油田勘探、开发、地面工程等数十个数据库应用系统，实现了生产管理信息查询、浏览、预警的实时化和可视化。二是建立了勘探开发一体化研究平台。建成了油田统一的数据中心，实现了数据采集、管理和应用一体化、勘探开发一体化，实现了企业内部科技信息的高度共享和集成研发。

重点介绍一下，某油田自主研发的叠前深度偏移处理成像技术中高性能计算机的应用。当前，叠前偏移技术是地震波勘探处理技术发展的一大亮点。在构造复杂、地震速度横向剧烈变化的区域，叠后偏移方法一般会造成成像位置不准确，而叠前偏移成像，特别是基于深度域速度模型的叠前深度偏移成像，客服水平叠加速度不准确引起的误差，使得地震成像精度大大提高。这主要归功于高性能集群计算技术的发展，使得叠前深度偏移处理技术在实际生产中得到了研发和应用。

五、高性能计算在石油勘探领域面临的挑战

在高性能计算如火如荼发展的过程中，我们也要一分为二的看问题，辩证看待高性能计算在石油勘探领域面临的挑战，主要概况为以下几个方面：一是面对石油勘探企业的技术需求和经济考量，高性能计算机厂商和服务提供商在进一步提高计算性能、降低系统建设与运行维护成本等方面面临着一系列的挑战。二是计算机性能的提高，主要依靠增加计算节点和提高节点性能，目前看，通过不断提高处理器工作频率来提高节点性能的技术路线已经逐步走向其极限，如何突破性提高性能面临挑战。三是高性能计算机的体积大、耗电多、编程难、效率低等弱点以及对庞大的计算机房空间需求、空调需求、用电量和系统维护工作，已经成为数据处理中一大挑战。

六、高性能计算在石油勘探领域的未来发展

在高性能计算在石油勘探领域的前景，主要有三点想法：一是地震成像仍然在相当长一段时间内占据着石油物探高性能计算的大部分计算能力；二是计算网格、计算云、存储云提供地震数据处理与分析服务，可能会成为石油行业一种新的商业运行模式。三是石油物探高性能计算系统的规模可能在速度上进一步提升，且随着微电子技术、网络技术、软件技术的快速发展，为高性能计算开创新的革命性领域。