石油开采中两类非线性模型的并行计算方法的研究

There are two kinds of very important nonlinear models in oil exploitation: the petroleum reservoir simulation model used for describing the subsurface fluid distribution and the oil-field exploration model to achieve the sustainable development of the oil-field. With the development of the oil industry and the constant exploration of oil-fields, the scale of nonlinear models in oil exploration will become large and large, because the total number of the overall simulated network of reservoir reaches as much as several millions or even ten millions, it is difficult for the traditional algorithm to meet the demands. However, it is hopeful to design parallel algorithm of high performance for the better solution of the problem which is significantly meaningful for the high-yield and stable performance of a large amount of the old oil-fields in the high water-cut stage. The program will be studied from the following two aspects. Firstly, it theoretically studies the overall simulation parallel algorithm of reservoir. By using the structural characteristics of highly performance parallel computer system, it develops the software of parallel reservoir simulation based on CUDA and multiple node CPU/GPU collaborative and parallel hardware and software platform, in order to achieve the goal of interactive 3D visualization of mass reservoir numerical simulation data.Secondly, it builds the oil-field exploration model based on the bilevel planning and designs its parallel algorithm. The outcome will be of great value, both theoretically and practically, with great economic and social benefits if applied successfully.

在石油开采中有两类非常重要的非线性模型：描述地下流体分布的油藏数值模拟模型及实现油田开发可持续发展的油田开发规划模型。随着石油工业的发展和油田的不断开发，石油开采中提出的非线性模型的规模越来越大，采样点的总数多达几百万甚至上千万，常规算法已经难以满足要求，而设计高性能的并行计算方法有望能较好地解决这一问题，这对促进我国相当部分已进入高含水后期老油田的高产、稳产势必具有重要意义。本项目将从两方面开展研究。首先，从理论上研究大油藏的整体模拟并行计算方法，并利用高性能并行计算机系统的结构特性，研制并行大油藏模拟软件，实现基于CUDA和多节点CPU/GPU协同并行软硬件平台的大油藏模拟数据交互式三维可视化。其次，构造油田开发规划的二层规划模型，并设计其并行求解方法。该研究项目具有重要的理论和应用价值，研究成果具有广泛的应用前景，所产生的社会效益和经济效益将是重大的。

在石油开采中有两类非常重要的非线性模型：描述地下流体分布的油藏数值模拟模型及实现油田开发可持续发展的油田开发规划模型。随着石油工业的发展和油田的不断开发，石油开采中提出的非线性模型的规模越来越大，采样点的总数多达几百万甚至上千万，常规算法已经难以满足要求，而设计高性能的并行计算方法有望能较好地解决这一问题，这对促进我国相当部分已进入高含水后期老油田的高产、稳产势必具有重要意义。为了较好的解决上述问题，本项目主要从以下三个方面展开了研究：（1）大规模优化问题的共轭梯度方法研究：分别提出了求解无约束优化问题的谱共轭梯度算法以及修正的HS共轭梯度算法，同时分析了上述两种共轭梯度算法的收敛性，为研究油藏数值模拟的相关问题奠定了理论基础。（2）油藏数值模拟以及石油勘探的并行计算与可视化方法的研究：该方面的主要研究内容包括，非线性反演方法、并行计算与并行可视化的研究、石油勘探数据处理与可视化方法研究、基于云计算的石油勘探数据处理与并行可视化方法研究等，采用完全的数据并行、并行I/O、通信极小化、井的并行处理算法、高效并行解法器等技术，实现了基于CUDA和多节点CPU/GPU协同并行软硬件平台的大油藏模拟数据交互式三维可视化。（3）几类二层规划问题的算法设计及应用研究：为了更好的解决采用二层规划描述油田开发规划的问题，本项目首先分别采用罚函数、神经网络、光滑化函数、粒子群等方法研究了半向量二层规划问题、二层多目标规划问题的较为有效的求解算法，特别是对高维二层多目标规划问题设计了较为有效的求解算法，并给出了数值实验结果；随后，建立了油田开发规划的二层多目标规划模型，并采用已经设计的求解方法对模型进行了求解，为油田管理者提供了一种新的决策方法。本项目的相关研究成果具有广泛的应用前景，有望产生较大的社会和经济效益。