面向海洋可控源电磁法勘探的并行三维有限元时域模拟方法

The controlled-source electromagnetic (EM) method is an important approch in marine oil and gas exploration. With a unique advantage to accurately distinguish oil and sea water, the EM methods provides important supplements to the seismic methods. The current controlled-source EM methods are mostly based on finite-difference methods. In contrast, although finite-element methods provide a more accurate description of the complex geological structures, the need to solve large-scale linear equations makes it extremely difficult to parallelize the finite element methods, and prevents a wide use of the finite-element methods in the industry. In this project, to improve the applicability of finite element methods, we (1) propose modifications to the original mathematical model, to signicantly reduce the number of unknowns while maintaining a good convergence of the solver; (2) investigate adaptive time-stepping methods to reduce the total number of time steps; (3) accelerate the speed of the finite-element method by designing an efficient parallel solution on hybrid platforms with FPGA accelerators.By achieving a highly-efficient and fast 3D time-domain finite-element modeling method, we hope to provide support for further applying the finite-elment method in geophysics exploration.

可控源电磁法是海洋石油勘探中的重要方法。由于能够准确区分油藏中的海水和石油，可控源电磁法为地震波勘探提供了重要的补充。目前的可控源电磁法大多采用有限差分方法来实现。与之相比较，有限元方法虽然能够更准确地模拟复杂地质结构，但是由于需要求解大规模线性方程组，并行难度大，在实际生产中一直未得到广泛应用。本项目将针对海洋可控源电磁法，展开三维有限元时域模拟方法的研究。首先，研究更适合有限元方法的数学建模方法，在保持解的收敛性的同时，大幅降低所需求解未知数的规模；其次，探索自适应的时间步长调节方法，减少时域模拟的总时间；最后，针对每一步时间积分中求解大规模线性方程组这一性能瓶颈，使用基于FPGA的异构计算平台，研究高效的并行求解器。通过研究和设计高效快速的并行三维有限元时域模拟方法，为该算法在勘探地球物理领域内的应用和推广奠定坚实的基础。

可控源电磁法是海洋石油勘探中的重要方法。由于能够准确区分油藏中的海水和石油，可控源电磁法为地震波勘探提供了重要的补充。目前的可控源电磁法大多采用有限差分方法来实现。与之相比较，有限元方法虽然能够更准确地模拟复杂地质结构，但是由于需要求解大规模线性方程组，并行难度大，在实际生产中一直未得到广泛应用。本项目将针对海洋可控源电磁法，展开三维有限元时域模拟方法的研究。首先，研究更适合有限元方法的数学建模方法，在保持解的收敛性的同时，大幅降低所需求解未知数的规模；其次，探索自适应的时间步长调节方法，减少时域模拟的总时间；最后，针对每一步时间积分中求解大规模线性方程组这一性能瓶颈，使用基于FPGA的异构计算平台，研究高效的并行求解器。通过研究和设计高效快速的并行三维有限元时域模拟方法，为该算法在勘探地球物理领域内的应用和推广奠定坚实的基础。最终设计实现的有限元模拟软件可扩展至上百进程，将模拟时间从原有版本的1622秒大幅缩减到240秒，实现接近一个数量级的性能提升。项目相关工作共计发表SCI索引期刊文章13篇，EI索引会议文章16篇，专利1项，培养博士研究生2人，硕士研究生4人，共计6人。相关成果获选为FPL25年以来所发表的1765篇文章中最有影响力的27篇文章之一，三次入围高性能计算应用的最高奖项“戈登贝尔奖”，两次获奖。