tNavigator基于現代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

羅冬陽 喬聰穎 谷悅 張鵬

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

關鍵詞：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（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

當前，油氣田的生產開發正面臨諸多難題，數值模擬領域也面臨諸多挑戰。

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

工程手段的模擬增加了數值模擬的復雜度。隨著工程技術的不斷發展，具有復雜結構的分支井以及完井方式、全區水力壓力、體積壓裂等應用的廣泛普及，數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。在傳統的建模數模工作中，由于受到計算能力的限制，必須要對模型進行粗化處理，大量的地質細節信息會丟失，計算結果的可信度也會降低。當前，為了滿足對油藏開發動態的深入把控，滿足油氣藏地質特征的細致刻畫，流體分布、運移規律的準確描述，需要基于精細的地質模型進行數值模擬。

常規數值模擬器一般基于幾十年前的軟件架構開發，很難適應當前數值模擬的實際需求。而隨著油田數據加速整合，工程技術的不斷提高，精細的動態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，Intel參與合作，經多年研發、目前已在全球各大油公司得到廣泛應用的新一代高效數值模擬系統，行業首發的基于CPU+GPU協同并行計算引領新一代精細油氣藏高效精準數值模擬技術。tNavigator作為行業內革命性的新一代數模技術產品，使得工程師在面臨超大網格節點巨型（千萬至千兆級網格節點）油藏模型數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已經成為高度集成的建模數模一體化平臺，從地震到油藏、從井筒到管網、從建模到數模、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技術優勢

以目前的行業現狀而言，油田往往會在精細油藏地質描述階段投入大量的經費和力量，但是在進行油藏數值模擬時，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特征會不可避免地丟失掉，已經沒有了“精細”的味道。tNavigator軟件解決了這一難題，基于工作站即可實現巨型油藏的高效并行數值模擬。未粗化的模型保留了油藏的精細地質特征，模擬效果更加接近真實的地下流體運移動態，這對我們深入研究地下流體的流動規律提供了更可靠的依據，基于此提出的開發方案以及調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。

與其他數值模擬器相比，tNavigator具有以下明顯的優勢：

（1）先進的求解器及軟件架構，卓越的并行效率

并行集群節點之間使用SMP+MPI同步，優化算法更好地協調節點負載;CPU+GPU協同并行運算，采用充分利用硬件優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果，方便工程師隨時監控模擬動態;斷點保護功能支持模型隨時暫停、修正、續算;支持Python語言的后處理，可以實現復雜的數據分析及生產動態控制。

（3）強大的兼容性

兼容業內多種數值模擬器所支持的數據格式，可直接加載、運算，無須手動轉換。

（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;可以通過優化算法迅速逼近最優方案;提供了優秀的數據分析功能，即使不通曉統計學，也可做出專業判斷。

（5）成熟的工程技術應用

獨特的水力壓裂模擬技術，不僅可以實現裂縫片形式的全區水力壓裂模擬，還可以實現任意形態的體積壓裂模擬;支持設定支撐劑和流動方程，與工程參數結合更緊密;支持GO-HFER軟件的計算結果，快速導人裂縫數據。

支持近井地帶的儲層物性修改，針對酸化等增產措施。

可進行地質力學模擬，能夠分析地應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優化管理

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果，基于流線可實時追蹤油氣水滲流規律;可基于注采強度自動調整注水量，優化注采關系，顯著提高注水效率。

（7）高效的協同工作模式

支持大型模型的自動劈分與合并功能，可以實現多名工程師協同進行歷史擬合工作，擬合數據可以自動合并。

tNavigator作為高度集成的一體化平臺，涵蓋了地震解釋、地質建模、井身結構設計、數模前處理、數模運算分析、智能歷史擬合以及地面管網等油田開發的各個方面，為油田生產動態模擬、數據分析、策略調整提供高效解決方案。

3 tNavigator部署和應用

3.1 部署總體架構

tNavigator部署在刀片機集群上，總體架構共有五個核心部分：

（1）8臺IBM刀片服務器-PureFlex SYstem x440;

（2）刀片中心機箱-IBM BladeCenter刀片;

（3）網絡設置：外網采用萬兆直通模塊，內網采用voltaire40Gb QDR Infiniband接口互連;

（4）采用網絡儲存方式;

（5）系統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技術為基礎，以“刀片”作為整個計算系統架構的主要模塊，每個節點均安裝RedHat En-terprise Linux6.3操作系統，并且各個節點之前通過內部網絡實現了高速互聯。通過完善的計算機資源管理、優化的任務調度以及計算性能監控，可以高效完成各類研究任務，如圖1所示：

3.2 應用實例

國內某海相砂巖油藏，模型大小167X 87x23，有效網格數達334167，生產井數13口，根據歷史觀測數據定油生產14年，如圖2。tNavigator與Eclipse運算結果模型儲量和生產動態相對誤差較小，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模型關鍵字完全兼容，轉換后可直接運算，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 結論

tNavigator GPU版專門為精細數值模擬研究而設計，具備人性化圖形用戶界面、研究人員易于上手;支持CPU/GPU協同并行，具有非常高效的并行計算效率，針對千萬級甚至數億網格模型的數值模擬依然可以高效完成;在滿足大型、復雜油氣藏模擬運算需求的基礎上，將運算效率提升到新的高度;同時tNavigator具備建模數模一體化平臺，可實現地質、油藏一體化綜合研究。

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

參考文獻：

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[3]劉義坤，羅鑫，初陽.基于MPl的eclipse并行計算在油藏模擬中的應用[J].科學技術與工程，2011，11（25）：6167-6170.

【通聯編輯：聞翔軍】