可重构计算技术及其在地球物理中的应用前景

石油地球物理勘探一直是高性能计算技术的主要应用领域之一，集群已成为高性能计算的主流体系架构。但是，随着地球物理计算对高性能计算需求的不断提升，集群系统节点规模不断提高，一方面大大提高了系统建设、运行、维护、管理及应用软件开发的复杂性，另一方面在提高系统总体性能方面也越来越受到较大的制约。基于现场可编程门阵列(FPGA)的可重构计算技术，将有可能在不远的将来替代集群计算技术成为高性能计算的主流技术。在可重构计算系统中，硬件信息(可编程器件的配置信息)可以象软件程序一样被动态调用或修改。可重构计算技术将硬件软件化，使可重构计算系统既具有软件计算方式的灵活性和可升级性，又具有硬件计算系统的高性能和并行性。可重构计算技术的特点使得它在地球物理计算领域具有广阔的应用前景，部分研究结果已经向我们展示了这种前景。     

地球物理高性能计算的新选择：GPU计算技术

随着地球物理对高性能计算需求的不断提升，集群系统节点规模不断提高，一方面大大提高了系统建设、运行、维护、管理及应用软件开发的复杂性，另一方面在提高系统总体性能方面也受到越来越大的制约。随着微电子技术的发展，GPU计算技术与可重构计算技术，将有可能替代集群计算技术成为高性能计算的主流技术。充分利用GPU并行处理能力，可以将GPU作为计算加速器为基于CPU的通用计算平台提供高性能的科学计算能力补充，这样可以在现有通用计算平台的基础上实现高性价比的高性能计算解决方案。GPU计算平台上的应用软件开发比可重构计算平台上的应用软件开发要容易得多，这一点使得GPU计算技术可以更早地广泛应用于地球物理领域。GPU计算产品已达到很高的性能，相应的软件开发环境也已推出，对于GPU计算平台应用软件开发技术的研究将使得GPU计算技术在不远的将来广泛地应用于地球物理计算中。     

静气柱压力数值计算方法及其应用

井口最高稳定关井压力计算的准确与否直接关系着钻完井设计水平和施工安全性。在目前设计施工中其常采用近似公式和精确公式两种方法进行计算，其中近似公式在深井计算中误差较大，精确公式由于缺乏气体组分数据，在计算结果上也存在一定误差。为此，引入数值计算方法，建立了气体一维稳定管流压力计算模型；基于气井井口关井条件，形成了井筒内静气柱压力分布计算方法，并通过实例验证其实用性和正确性。     

变网格有限差分弹性波方程数值模拟方法

 研究复杂介质中地震波传播规律及地震响应特征，需要在细小网格剖分下进行弹性波方程数值模拟计算，而小网格下的数值模拟计算将带来巨大的计算量问题，采用变网格计算是减少计算量的有效途径。本文给出一种变网格差分计算的实现方法，在局部复杂介质区域采用细网格计算，其余区域采用粗网格计算，在两种网格的过渡区通过改变差分算子和波场插值实现波传播的过渡衔接。理论分析和数值模拟结果表明，变网格时在粗细网格的过渡区不会对地震波传播模拟带来影响，从而达到了既减少计算量又保证计算精度的目的。     

BWRS状态方程在轻烃回收工艺装置中的平衡分离计算

通过对辽河油田15×104m3（标）／d轻烃回收装置的平衡计算介绍了BWRS状态方程的计算方法，该计算方法计算准确、快速，大大地减轻了计算强度，在轻烃回收工艺计算中是很理想的状态方程。     

高压容器爆破压力的计算

通过对高压容器爆破压力计算方法的比较，在保证计算精度的前提下，提出了一种比较简便的计算方法，使相当繁琐的计算成为简单易解决的问题，为在工程设计中推行爆破失效准则做了探索工作。     

南充炼油厂催化裂化钢烟囱设计计算

本文利用塔器设计计算程序，通过适当的结构转换，对南充炼油厂１５万ｔ／ａ催化裂化装置中的１６００／２４００×６００００钢烟囱进行了强度及稳定计算，从而在满足工程要求的前提下，大大提高了钢烟囱设计计算的合理性及计算效率，并通过建立一系列假设，对钢烟囱热力计算进行了有益的探讨，为今后此类不规则设备的全面计算提供了可循依据。     

基于OpenMP并行计算的匹配追踪时频分析方法

基于匹配追踪的平滑伪Wigner-Ville分布具有良好的时频分辨率，但由于计算量过大，影响其在实际地震数据处理中的应用。在深入研究基于OpenMP的并行算法的基础上，本文将该并行计算方式应用于匹配追踪法对Morlet子波的寻优过程以及计算多个Morlet子波平滑伪Wigner-Ville分布。实际数据计算结果表明：该并行算法加速性能良好，加速比随线程数增加呈近线性增长，即在确保计算精度的情况下，能显著提高计算效率；而且计算量越大其加速性能体现越充分。     

基于UNICORE的地震网格计算应用插件

地震网格计算应用插件以油气地震勘探应用网格（SeisGrid）为运行框架，完成网格环境下的地震成像计算。在iCluster叠前深度偏移成像软件系统运行环境、网格计算需求和并行计算模式分析的基础上，提取适合在客户端完成的应用功能及最迫切需要在网格环境运行的计算功能，借助于SeisGrid客户端的强大网络功能和安全机制，研发了面向网格的地震应用插件。地震网格计算应用插件可方便地使用SeisGrid管理的各计算中心的网格计算资源，实现对分布式计算资源的无缝、安全和简单易行的访问，通过网络访问远程网格计算资源和iCluster应用软件资源，完成网格环境下的叠前深度偏移成像计算。     

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文章采用SRK和DPR理论计算模型并结合不同的校正模型，对四川罗家寨高含硫气田的罗7、罗9井，计算了80℃、103℃条件下压力在9.014～45.02 MPa范围内气体的偏差因子，并与实验测试的结果进行了对比分析。试验测试结果表明，酸性气体偏差因子变化规律与常规天然气相似；试验与计算结果对比表明，计算酸性气体的偏差因子时必须对其临界参数进行校正，否者计算结果偏小；SRK状态方程在计算酸性气体偏差因子时误差较大，DPR计算方法能够满足工程计算的要求；随着温度的升高，硫化氢和二氧化碳对于体系的压缩因子的影响越来越小。     

波前快速推进法起伏地表地震波走时计算

波前快速推进法(FMM)是一种快速、准确而稳定的走时计算方法，它不仅计算速度快、灵活性好，而且对任何复杂速度场都具有无条件稳定的特点。常规的走时计算基本都是基于水平地表，这限制了方法在山区、丘陵等起伏地表地区的应用。以FMM为基础，提出了一种在复杂地质条件下计算起伏地表起伏界面地震波走时计算方法。理论模型的计算结果表明，该方法对于复杂地质条件下的走时计算是切实可行的。     

大斜度井钻柱动态摩阻扭矩快速求解方法

中国正在逐渐加大滩海油气资源的开采力度，大斜度井是滩海油气开采的主要井型，大斜度井极限延伸钻进长度在很大程度上决定了其开采效益。钻前与钻井过程中摩阻扭矩的精准预测和准确快速计算是确保大斜度井极限延伸钻进的关键。目前基于有限元框架的动态摩阻扭矩计算方法，既能计算稳态摩阻扭矩又能计算瞬态波动量，同时与解析解相比，还可以更好地处理边界条件，有效提高摩阻扭矩的计算精度，但计算速度慢，现场使用不便。为确保动态摩阻扭矩的计算精度并提高计算速度，笔者基于大斜度井动态摩阻扭矩参数敏感性分析和相似度原理，建立了各系统参数影响摩阻扭矩的快速插值模型，并开发了一套高精度和高计算效率的摩阻扭矩计算软件，该方法和软件已在冀东油田的大斜度井中推广应用。     

自然曲线法测斜计算中的数值方法

在井眼轨道计算中．自然曲线法具有比最小曲率法和圆柱螺线法更好的计算精度，但是计算公式复杂，逻辑判断条件多，容易出现影响数值计算稳定性和精度等问题。推导出了自然曲线法的一组等价计算公式，具有比较简单的表达形式，特剐适合于计算机上数值计算．提高数值计算过程的稳定性和计算精度。还对自然曲线井眼轨迹的平均井眼曲率的计算方法进行了研究，提出了一个数值积分计算方法，实际算例表明，数值积分法计算出的平均井眼曲率比其他两种方法能更准确反映井眼弯曲情况。     

岩石物理横波速度曲线计算技术

横波速度是地震勘探中的重要参数。针对实际生产中缺乏横波速度测井曲线资料，利用经验公式计算精确度不高的问题，通过对横波速度计算理论模型的研究分析，选择Blot-Gassman模型法，利用岩石矿物成分、流体成分、孔隙度及密度等测井曲线进行横波速度测井曲线的计算，并对横波速度计算技术和流程进行研究。在实际工区进行了横波速度曲线计算，计算结果与实测横波吻合程度较高，误差小于10％，该技术在储层和流体识别预测的应用中取得了较好效果。     

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煤层气独特的地质特征决定了其储量计算方法有别于常规天然气。介绍了煤层气储量计算方法的建立过程，即将物质平衡法和容积法结合起来，通过两组方程的迭代，在计算机上自动完成。与常规天然气储量计算不同的是，煤层气储量计算中应充分考虑吸附气与游离气的综合贡献，同时物质平衡方程中应包括解吸、扩散和渗流三种机制。应用该方法，计算了山西某煤层气田的资源量和储量。对于勘探程度高、资料可靠的区块计算精度高，且可计算出经济可采储量；反之，则计算出的资源量精度低，且无法计算储量。     

基于模型计算的控制系统的分析和设计

分析两类基于模型计算的控制系统，系统分析和实践表明，基于模型计算测量值的控制系统将计算环节引入反馈回路，会造成系统开环总增益的变化，因此，影响系统稳定性，增大偏离度，使控制系统品质恶化，为此应将计算环节引入到设定通道。基于模型计算设定值的控制系统没有稳定性问题。还讨论了它们在工程设计和实施时的注意事项。     

碳纤维连续抽油杆冲程损失计算方法

碳纤维连续抽油杆的应用越来越广泛，但目前尚无专用于该类抽油杆冲程损失的计算方法，而用计算钢质抽油杆冲程损失的常规方法其误差很大，甚至常因计算误差太大而导致出现井下撞泵现象。通过对碳纤维连续抽油杆的材质进行分析，在考虑碳纤维连续抽油杆自身结构特征的基础上，结合作业温度变化对碳纤维复合材料与各种复合材料弹性模量的影响，并考虑到抽油杆振动所带来的影响，建立了适用于碳纤维连续抽油杆冲程损失的计算模型。计算实例表明，与常规计算方法相比，碳纤维连续抽油杆冲程损失计算模型的冲程损失计算结果误差由33.1%降至3.6%，完全满足现场对于冲程损失计算的精度要求。研究结果表明，建立的碳纤维连续抽油杆冲程损失计算模型可以解决碳纤维连续抽油杆应用中存在的冲程损失计算误差大、防冲距调整不精确的问题。      

用交叉偶极声波计算砂泥岩剖面地应力的初步研究

本文简要介绍用交叉偶极计算地应力的方法原则，并给出一段计算应力剖面的实例，通过计算表明用该方法计算的结果与过去计算的相比不同，在泥岩段水平最大与最小主应力基本相等或相差甚小，在砂岩段才呈较大差异，对地应力计算中存在的一些问题进行了探讨。     

用节点矩阵求解支状管网水力计算问题

依据管路能量平衡方程式，建立了支状管网水力计算的数学模型，并用数值分析的方法，采用节点矩阵在计算机上求解，具有计算精度高、速度快，编机程序简单等优点，为解决支状管网水力计算问题提供了一种实用可靠的方法，并以实例进行计算，获得了较满意的结果。     

复合射孔上部压井液运动理论模型研究

在复合射孔理论模型的研究中，对上部压井液运动的研究较少，并且现有的计算模型可靠程度不高。根据水下爆燃理论分析了井底高能气体与上部压井液之间的作用机理及过程，推导出了描述压井液运动的微分方程组，并以此为基础，在考虑水击波在压井液中的传播速度、压井液体的压缩性、流体运动与井筒之间的摩擦作用等因素的同时，建立了一种压井液运动计算模型，该计算模型将其运动分为流体压缩和刚体运动2个阶段来进行分析。计算实例分析表明，流体压缩和刚体上移的距离较为合理，建立的计算模型可近似描述复合射孔过程中在压裂火药燃烧时间内上部压井液的运动规律，计算结果与实际情况基本吻合。