石油勘探與高性能計算機

　　說起石油勘探，在人們的印象中更多浮現出來的是石油公司的野外勘探人員背著各種專用設備，通過一系列的地質勘探的方法來偵測并預估所探測地區的地層中是否存在石油，然后在這個區域內打上幾口試驗性的井，以驗證預估是否準確。事實上這一作業方式早已過時，而且其結果往往不精確。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，并在碰到不同形態的地質構成時形成不同的反射波，這種反射波經過地面的檢波器收集，并轉變為電子信號后可存儲為數據。通過對數據的處理，就可以模擬出勘探區域的地下地質構造，并找到存有油氣的巖層的精確位置。超級計算機的設計目的就是為了進行巨大規模的矩陣計算和超大容量的數據計算。

　　它主要用在大氣和地下結構的研究中，石油和氣象對超級計算機的需求最強烈，同時也直接推動超級計算機的發展。地球物理中做深部結構的研究人員對這種計算機尤其渴求，有了這種計算機，地球探測工作者會感到高性能的計算機簡直就是給他們插上了翅膀。中國工程院院士、浪潮集團首席科學家王恩東曾經說：“超級計算機解決了很多傳統方法解決不了的難題。比方說以前的石油勘探像看風水一樣，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，相當于給地球做了一個CT，可以精準地去找油。”普通計算機不敷使用，主要是因為地震波數據的特殊性。首先說其巨大。簡單的說，石油勘探面對的數學問題就是Ax=b。b是野外采集到的數據，規模通常是幾百GB到幾十TB之間;x是地下結構模型，最簡單的情況是僅考慮縱波速度，如果是一個20km×20km的工區，深度為10km，為了使反演的地下結構達到足夠的精度，模型的網格不能太大，比如50m×50m×20m,這個模型就有80000000個網格，或者說8千萬個需要求解的未知數。A:經過精細的信號處理，可以近似得到A。20km×20km的工區，石油勘探要做的是解一個有8千萬個未知數的方程，而且是病態欠定非線性方程。

　　實際上，石油勘探的工區通常遠遠大于20kmX20km，地下結構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的數據也需要進行復雜繁瑣的信號處理以提高信號質量。其次說復雜。從計算時間上來說，即使僅僅考慮勘探數據處理工作中的最后一步：偏移。直到本世紀初，工業界才開始在日常的數據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才可以處理這樣大規模的問題，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(這應該是上世紀末的水平)。

　　即使是今天，做一次20km×20km×10km這個規模的工區的簡單偏移，使用cluster，幾百個節點，每個節點上有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造，比如地層起伏、斷層分布，就需要對這一堆亂七八糟的數據做處理，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雜性，需要超級計算機的參與。高性能并行計算是石油勘探行業的基本要求，與此同時，在大規模運算領域里，石油勘探是一個見得到實實在在的金錢利益回報的領域，也刺激了超級計算機在石油勘探領域的應用。如果你到國內的石油勘探相關單位去參觀，都有幾百幾千個節點的并行計算機。

　　推薦閱讀：《石油政工研究》是經國家新聞出版廣電總局批準，國內外公開發行的大型社會科學類雜志;是中國石油天然氣集團公司主管，集團公司思想政治工作部(企業文化部)主辦。