tNavigator基于现代CPU和GPU计算平台的精细油藏模拟器助力大型油气田高效开发

罗冬阳 乔聪颖 谷悦 张鹏

摘要：大型油气藏的数值模拟以及对油气藏的精细刻画是当前油藏工程师关注的两大重点，而这无疑会增加数值模拟的运算量，常规模拟器无法负担如此高昂的时间成本。tNavigator作为新一代数值模拟器，优化了计算内核，提高了并行运算效率和加速比，可调用GPU进行加速运算，显著降低了数值模拟工作的时间成本，为油气田的高效开发提供了强大的技术支持。

关键词：tNavigator;模拟器;油气藏;GPU;加速

中图分类号：TP311文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）18-0205-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

当前，油气田的生产开发正面临诸多难题，数值模拟领域也面临诸多挑战。

大型油气田的整体模拟需求在不断增加。过去的数值模拟工作主要集中在单井、井组或某一区块，而油田尺度的大型油藏数值模拟工作仍具有很大的挑战性。

工程手段的模拟增加了数值模拟的复杂度。随着工程技术的不断发展，具有复杂结构的分支井以及完井方式、全区水力压力、体积压裂等应用的广泛普及，数值模拟工作不仅增加了计算量，还面临诸多不确定性。

精细化油气藏模拟观念在不断深化。在传统的建模数模工作中，由于受到计算能力的限制，必须要对模型进行粗化处理，大量的地质细节信息会丢失，计算结果的可信度也会降低。当前，为了满足对油藏开发动态的深入把控，满足油气藏地质特征的细致刻画，流体分布、运移规律的准确描述，需要基于精细的地质模型进行数值模拟。

常规数值模拟器一般基于几十年前的软件架构开发，很难适应当前数值模拟的实际需求。而随着油田数据加速整合，工程技术的不断提高，精细的动态油田模拟需求也在不断升级。想要解决上述问题，需要借助强大的硬件设备、高效的求解算法以及先进的软件框架。

2 tNavigator大型精细油气藏模拟器

2.1 tNavigator简介

tNavigator软件是由俄罗斯软件公司Rock Flow Dvnamics（RFD）研发，Intel参与合作，经多年研发、目前已在全球各大油公司得到广泛应用的新一代高效数值模拟系统，行业首发的基于CPU+GPU协同并行计算引领新一代精细油气藏高效精准数值模拟技术。tNavigator作为行业内革命性的新一代数模技术产品，使得工程师在面临超大网格节点巨型（千万至千兆级网格节点）油藏模型数值模拟时不再手足无措。

随着各个模块的不断完善与丰富，tNavigator已经成为高度集成的建模数模一体化平台，从地震到油藏、从井筒到管网、从建模到数模、从人工到智能，针对油气藏的一体化研究可提供全面的解决方案。

2.2 tNavigator技术优势

以目前的行业现状而言，油田往往会在精细油藏地质描述阶段投入大量的经费和力量，但是在进行油藏数值模拟时，由于算力等条件的限制，不得不将模型进行粗化处理，很多只存在于较小尺度下的地质特征会不可避免地丢失掉，已经没有了“精细”的味道。tNavigator软件解决了这一难题，基于工作站即可实现巨型油藏的高效并行数值模拟。未粗化的模型保留了油藏的精细地质特征，模拟效果更加接近真实的地下流体运移动态，这对我们深入研究地下流体的流动规律提供了更可靠的依据，基于此提出的开发方案以及调整策略也会更具针对性，从而在更大程度上降低整个油田的各项成本，提高效益。

与其他数值模拟器相比，tNavigator具有以下明显的优势：

（1）先进的求解器及软件架构，卓越的并行效率

并行集群节点之间使用SMP+MPI同步，优化算法更好地协调节点负载;CPU+GPU协同并行运算，采用充分利用硬件优势大幅提高运算速度，2020年新推出的FuIIGPU模式可进一步提升运算效率;采用BCGS（穩定双共轭梯度）一大型线性方程组求解器，大幅缩短方程组求解时间。

（2）优异的交互体验

交互界面操作简洁、功能强大，可实时多窗口显示计算结果，方便工程师随时监控模拟动态;断点保护功能支持模型随时暂停、修正、续算;支持Python语言的后处理，可以实现复杂的数据分析及生产动态控制。

（3）强大的兼容性

兼容业内多种数值模拟器所支持的数据格式，可直接加载、运算，无须手动转换。

（4）智能化的不确定性分析、历史拟合

智能历史拟合功能带给建模/数模工程师极大的便利，可以快速进行不确定性分析，筛选主控因素;可以通过优化算法迅速逼近最优方案;提供了优秀的数据分析功能，即使不通晓统计学，也可做出专业判断。

（5）成熟的工程技术应用

独特的水力压裂模拟技术，不仅可以实现裂缝片形式的全区水力压裂模拟，还可以实现任意形态的体积压裂模拟;支持设定支撑剂和流动方程，与工程参数结合更紧密;支持GO-HFER软件的计算结果，快速导人裂缝数据。

支持近井地带的储层物性修改，针对酸化等增产措施。

可进行地质力学模拟，能够分析地应力变化对孔隙度和渗透率的影响，以及注采过程中地层的弹性形变/位移演化等。

（6）智能的流线模拟及水驱优化管理

集有限差分和流线模拟于一体，在模拟计算的同时输出流线结果，基于流线可实时追踪油气水渗流规律;可基于注采强度自动调整注水量，优化注采关系，显著提高注水效率。

（7）高效的协同工作模式

支持大型模型的自动劈分与合并功能，可以实现多名工程师协同进行历史拟合工作，拟合数据可以自动合并。

tNavigator作为高度集成的一体化平台，涵盖了地震解释、地质建模、井身结构设计、数模前处理、数模运算分析、智能历史拟合以及地面管网等油田开发的各个方面，为油田生产动态模拟、数据分析、策略调整提供高效解决方案。

3 tNavigator部署和应用

3.1 部署总体架构

tNavigator部署在刀片机集群上，总体架构共有五个核心部分：

（1）8台IBM刀片服务器-PureFlex SYstem x440;

（2）刀片中心机箱-IBM BladeCenter刀片;

（3）网络设置：外网采用万兆直通模块，内网采用voltaire40Gb QDR Infiniband接口互连;

（4）采用网络储存方式;

（5）系统管理一在单个机箱中独立配置。

集群部署以通用的运行处理架构技术为基础，以“刀片”作为整个计算系统架构的主要模块，每个节点均安装RedHat En-terprise Linux6.3操作系统，并且各个节点之前通过内部网络实现了高速互联。通过完善的计算机资源管理、优化的任务调度以及计算性能监控，可以高效完成各类研究任务，如图1所示：

3.2 应用实例

国内某海相砂岩油藏，模型大小167X 87x23，有效网格数达334167，生产井数13口，根据历史观测数据定油生产14年，如图2。tNavigator与Eclipse运算结果模型储量和生产动态相对误差较小，历史拟合精度均能满足油藏研究要求。tNavigator具有较强的容错能力和兼容性，对算例中的Eclipse模型关键字完全兼容，转换后可直接运算，不需进行修改。运算效率方面tNavigator具有明显的优势，在32核并行计算的条件下，tNavi-gator运算速度是Eclipse的3倍，如图3。

4 结论

tNavigator GPU版专门为精细数值模拟研究而设计，具备人性化图形用户界面、研究人员易于上手;支持CPU/GPU协同并行，具有非常高效的并行计算效率，针对千万级甚至数亿网格模型的数值模拟依然可以高效完成;在满足大型、复杂油气藏模拟运算需求的基础上，将运算效率提升到新的高度;同時tNavigator具备建模数模一体化平台，可实现地质、油藏一体化综合研究。

基于精细地质模型的研究、超大规模模型的运算效率以及更具预测性的精细油气藏数值模拟，是目前业内的迫切需求。在此基础上，提出更好的下步开发方案，最终更大程度提高油田采收率，得到更有效益的勘探开发对海上研究有着更重要更深远的意义！

参考文献：

[1]曹建文，赵国忠.并行油藏模拟软件的实现及在国产高性能计算机上的应用[J].计算机研究与发展，2002，39（8）： 973-980.

[2]曹建文，刘洋，孙家昶，等.大规模油藏数值模拟软件并行计算技术及在B eowulf系统上的应用进展[Jl.数值计算与计算机应用，2006，27（2）：86-95.

[3]刘义坤，罗鑫，初阳.基于MPl的eclipse并行计算在油藏模拟中的应用[J].科学技术与工程，2011，11（25）：6167-6170.

【通联编辑：闻翔军】