辽河物探的HPC之路

物探企业都想借助HPCC系统提高地震资料的处理和解释水平,辽河油田在追求高密度、高分辨率和高精度的这条路上也探索了整整四年。

油勘探成亦物探,败亦物探”,是原石油工业部王涛部长的一句名言,从这句话中足见物探对石油勘探的重要性。“物探”是地球物理勘探的简称,它是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础,用不同的物理方法和物探仪器,探测天然的或人工的地球物理场的变化,通过分析、研究所获得的物探资料,推断、解释地质构造和矿产分布情况。

辽河石油勘探局物探公司(以下简称“辽河物探”)是物探行业的大型企业,拥有丰富的物探经验和强大的技术实力,尤其是在深层地震勘探技术、高分辨率地震采集技术、变观测系统施工技术、低信噪比地区采集技术、复杂地表区不规则三维地震采集技术,以及VSP技术、井间地震技术和四维地震技术上,均处于国内领先水平。

物探行业的大脑―HPCC

能源勘探行业一直以来都是高性能计算(HPC)应用的传统行业。由于数据量大、连接外设多、并行任务重、网络体系复杂,石油勘探又是能源行业中的HPC大户。石油勘探承担着寻找储油构造、确定井位的重要任务,包括野外数据采集、地震资料处理和资料解释三个流程。

由于每打一口井都要投入上千万元的成本,所以要在石油存储量有限的条件下获得更大的先机和主动权,必须要提高石油勘探的准确度,缩短勘探时间,这就需要获得更精确和丰富的数据,通过高性能计算机进行计算分析,获得准确的资料解释。

在石油勘探的高性能计算工作中,需要用复杂数据模型模拟实际的地质、地貌,并对采集而来的各种参数不断进行测试,通过对地质数据的综合处理、解析,最终得到储油量的理论数据,整个运算过程是对高性能计算机运算性能的极大挑战。

地震勘探是目前查明地下地质构造的最有效方法之一,即通过人工爆破激发地震波,在地面布置检波器,当爆炸声传到地下后遇到不同物质界面会反射回来,工作人员再通过研究收集到的地震波在地层中传播的情况,并利用高性能计算机对其进行分析,间接查明地质构造。

从记录地面振动情况的数据出发,得到地震剖面图和地震波速度资料,绘制出反映某些主要层位完整起伏状态的构造图,这样的处理过程需要对大量数据进行快速处理,尤其是地震数据叠前时间和深度偏移时的海量数据计算,利用高性能计算机对获得的原始资料进行计算,按照计算规模不同,计算时间甚至可长达几十天。

辽河物探从2005年开始构建自己的高性能计算集群系统(HPCC)。最初,他们用数百台PowerEdge服务器搭建出一个60多个节点的HPCC系统,在实际应用中取得了明显的效果之后,开始不断引入服务器,升级和扩展HPCC系统。

辽石油勘探局物探公司系统室主任朱大力谈道:“HPCC是物探工作的大脑,所有物探的原始数据最终都要通过这个大脑转化为直观的图纸,所以,在构建HPCC系统时,我们不仅希望能采用高性价比的产品和先进的技术,还需要专业周到的服务,可以让我们更快地部署系统、更好地运行系统和更轻松地扩展系统。”

物探行业HPCC的实施重点

已探明石油储量的不断消耗,使得相对容易开发的油藏资源越来越稀少,在更广泛面积内找到可开采石油资源所耗费的代价也越来越高,这都导致了石油HPC计算模型和运算方式向更精细化的方向发展,比如随着石油勘探的地震成像/建模算法的不断进步,石油波动方程计算模型正在从二维向三维方向推进,计算面积也在不断增大。这些更精细的计算模型必然导致计算强度和中间数据量的急剧上升。

戴尔大中华区公共事业部解决方案总监王珊在和国内十几个大型油田的客户接触并交流之后,将石油行业对于高性能计算集群系统最看重的特点归纳为三点:第一,最重要的是计算力。因为石油物探行业的应用,是拿地震数据计算平方面积,然后去做展现,所以他们最看重的是计算力。因为地震资料以前可能一次性只做精度,或只做某一个节点,但是现在他们对于同一个节点会做叠前叠后计算,所以排在首位的是计算力。

第二个是硬件体系的管理。大型油田的数据处理中心,已经拥有5、6千个CPU,这些CPU的性能直接关系着数据处理的效率和勘探开发的生产力,所以他们更关注硬件的管理。石油勘探行业用户主要应用高性能计算机进行地震数据叠前时间和深度偏移等海量数据计算,一旦加载了数据资料,计算时间随规模不同最多可达几十天。相反,他们对于上端的应用和中间件的管理反而不那么亲力亲为,都留给了应用厂商和系统集成商来进行。

第三是实施。地震资料处理和科研工作的不同之处在于,石油和地震勘探等业务都将HPCC直接应用于生产系统,而且规模相对较大。所以,第一时间充分使用所有的计算力,就是物探部门对大规模的HPC计算集群以及开发商提出的挑战。油田的用户都希望HPCC到达数据中心之后,能以最短的时间完成安装并投入使用,这样现有的数据就可以立即负载上去运行并开始计算。

物探行业的“三高“趋势

高密度、高分辨率和高精度物探已成为整个行业不可逆转的发展趋势,各类物探企业纷纷搭建和升级HPCC系统,以此提高地震资料的处理和解释水平。在这种大背景下,2007年底,辽河物探对原有的HPCC系统进行了一次升级。辽河物探的升级原则是在确保稳定性、可扩展性和可管理性的前提下,最大化系统性能,最小化建设成本。

具体而言,在稳定性上,所采用的每种设备都必须具有充分的可用性设计,具备较强的容错性,整个方案具有多层次、全方位的冗余备份手段,以此保证系统一旦出现故障,能够在最短的时间内得到恢复;在可扩展性上,系统必须采用标准化的产品和模块化的架构,可随着业务的变化而灵活调整和轻松升级;在可管理性上,要拥有完善的软硬件管理体系和机制,建立必要的系统侦测、诊断、预警和隔离功能;在性能上,整个系统要能够与最新版本的物探软件高度兼容;最后在成本上,辽河物探提出不仅要控制初期设备购置成本,而且要充分考虑到配套服务、产品能耗和维护难度等各方面问题,以此降低系统的长期使用成本。

所以,在对辽河物探的需求进行分析之后,戴尔设计了一套包含136台服务器、8套存储设备和6台交换机的解决方案,在2007年12月,协助辽河物探将这些设备全部添加到原有的HPCC系统中,完成了包括方案规划、设备测试、设备供货、集群系统部署、网络系统部署、存储系统部署、系统调试和系统试运行等各项工作。

升级后的HPCC系统一年多来运行得非常稳定,没有出现任何故障。辽河物探系统室主任朱大力对升级的效果很满意:“以前我们的计算多以叠前时间偏移为主,受硬件和软件的限制,很难开展精度更高的叠前深度偏移计算。即便是勉强从事这方面的计算,计算周期也要一个月或者是更长的时间,这对实际勘探业务的意义不大。升级之后,我们全面具备了开展叠前深度偏移计算的能力。就普通规模的叠前深度偏移计算而言,目前我们只需耗时一周左右的时间就能迅速完成。总的来说,此次系统升级后,无论是在计算速度还是在业务承揽能力上,都上了一个新的台阶。”

朱大力除了关注性价比之外,还很看重软硬件兼容的问题。因为此次升级采用的PE服务器全部通过了最新版本地震资料处理软件的认证,所以在实际使用中,系统的软硬件配合得很流畅,从未出现过以前曾在小型机上发生的部分模块无法顺利运行,甚至整个系统发生死机的情况。

现在,辽河物探已经将其HPCC系统的节点数扩展到了200多个,HPCC也成了辽河物探最为倚重的地震资料处理和解释平台。