• Thứ Năm, 15/01/2004 14:43 (GMT+7)

    Về ứng dụng tính toán song song trong công nghiệp dầu khí

    LTS: Bài viết giới thiệu phương pháp tính toán song song, một phương pháp rất đặc trưng xử lý các bài toán của công nghiệp dầu khí bằng CNTT. Liệu phần mềm VN có khả năng thâm nhập vào khu vực này? 
    Trên thực tế, chỉ các tập đoàn dầu khí mạnh và các viện nghiên cứu lớn có thể đầu tư vào các hệ thống tính toán đắt tiền. Vì thế, khả năng tính toán song song với thiết bị tương đối rẻ rất được các công ty dầu khí chú ý.
    Hướng đi có triển vọng và thích hợp hiện nay có lẽ là hợp tác với các cơ sở nghiên cứu bên ngoài TCTy, những nơi có tiềm lực không chỉ về mặt toán học và khoa học tính toán, mà còn cả về các hệ thống tính toán hiệu năng cao.

    Tại sao phải áp dụng tính toán song song?
    Công nghiệp dầu khí (CNpDK) bao gồm nhiều giai đoạn, từ nghiên cứu, tìm kiếm - thăm dò, khai thác, đến vận chuyển, chế biến, hoá dầu, và̀ phân phối - tiêu thụ.


    Nhà máy khí hóa lỏng Dinh Cố

    CNpDK là một trong các khách hàng truyền thống của các siêu máy tính và các hệ thống tính toán hiệu năng cao. Lý do là nhu cầu xử lý thông tin ở đây rất lớn, nhất là trong các giai đoạn thăm dò và khai thác (thường được viết tắt là E&P - exploration and production). Trên thực tế, chỉ các tập đoàn dầu khí mạnh và các viện nghiên cứu lớn có thể đầu tư vào các hệ thống tính toán đắt tiền. Vì thế, khả năng tính toán song song với thiết bị tương đối rẻ rất được các công ty dầu khí chú ý.
    “Tính toán song song”, nói một cách đơn giản, là chia một bài toán ra làm nhiều phần độc lập tương đối với nhau và xử lý các phần đó đồng thời, tức là song song với nhau, trên máy tính có nhiều bộ xử lý hoặc trên nhiều máy tính.
    Các bài toán E&P lớn tập trung trong các lĩnh vực: xử lý dữ liệu thăm dò - chủ yếu là thăm dò bằng phương pháp địa chấn (thăm dò địa chấn), mô phỏng mỏ và bố trí giếng khoan tối ưu.

    Thăm dò địa chấn
    Phương pháp thăm dò dầu khí bằng địa chấn phản xạ được mô tả tóm tắt như sau:
    Sóng đàn hồi phát ra từ một nguồn phát (nổ mìn, nguồn đập hoặc một nguồn tạo xung khác) trên bề mặt (đất hoặc biển), được lan truyền trong môi trường bên dưới, khi gặp các mặt phản xạ (là ranh giới giữa các lớp đất đá khác biệt về đặc trưng truyền sóng) sẽ phản xạ trở lại bề mặt. Máy thu được bố trí trên mặt đất ghi lại các xung phản xạ đó. Đây là dữ liệu địa chấn, mang thông tin về lòng đất chúng đi qua.
    Từ các dữ liệu thu được đó, người ta dựng lại mô hình cấu trúc của lòng đất. Bài toán này gọi là bài toán ngược (inversion). Căn cứ vào kết quả giải bài toán ngược mà có phán đoán về cấu trúc địa chất, triển vọng dầu khí, v.v... Bài toán ngược địa chấn có khối lượng dữ liệu rất lớn, thuật toán giải phức tạp, nhu cầu hiển thị đồ họa các kết quả rất cao.
    Việc xử lý tài liệu địa chấn, do vậy, chủ yếu được tiến hành tại các trung tâm xử lý chuyên dụng, sử dụng các phần mềm thương mại của các công ty dịch vụ đã được tín nhiệm. Ở̉ Việt Nam, một trung tâm như vậy dưới hình thức liên doanh giữa Viện Dầu Khí và hãng Golden Pacific (Mỹ) đang hoạt động tại TP. Hồ Chí Minh, chủ yếu xử lý thuê cho các công ty dầu khí đang hoạt động tại Việt Nam.

    Cùng với việc năng lực tính toán của các hệ thống máy tính được nâng lên gấp bội, các thuật toán song song để giải bài toán ngược về địa chấn đang được tập trung nghiên cứu cả trong các viện nghiên cứu và trường đại học (ĐH)̣.
    Bản chất các thực nghiệm địa chấn (các phương pháp thu đo) là tổ hợp của các thực nghiệm độc lập nhỏ hơn. Do vậy, “song song”  gần như đã nằm trong cơ sở của bài toán này. Một hướng nghiên cứu thực tế hơn là chuyển các bộ chương trình xử lý truyền thống theo các thuật toán không song song cũ thành các chương trình chạy được trên môi trường phân tán (ví dụ, Geovecteur của CGG). Việc chuyển này gồm  nghiên cứu khả năng giải quyết vấn đề song song của Fortran (ngôn ngữ được dùng để viết các bộ xử lý địa chấn thương mại lớn hiện được khai thác), và viết lại mã của chúng bằng các ngôn ngữ mới thích hợp hơn (ví dụ như Java).

    Mô phỏng mỏ
    Nội dung của bài toán này là nghiên cứu các “hành vi” của mỏ dầu dưới tác động của quá trình khai thác, như việc hút dầu và khí lên, bơm ép các chất lỏng hoặc khí xuống để duy trì các điều kiện khai thác, nhằm nâng cao khả năng thu hồi dầu (EOR – enhanced oil recovery).
    EOR hiện nay là mối quan tâm số một của CNp khai thác dầu khí, ngay cả đối với những nước giàu có như Hoa Kỳ. Vai trò của tính toán song song trong lĩnh vực này rất được đề cao. Có thể minh họa ý nghĩa của tính toán song song qua cách đặt vấn đề của dự án “Tính toán song song trong khoa học về lòng đất” (GPCP -  Geosciences Parallel Computing Project) sau đây : “Khai thác dầu và khí có vai trò quan trọng sống còn đối với nền kinh tế Hoa Kỳ. Việc khai thác trong tương lai phụ thuộc vào khả năng sử dụng khoa học tính toán nhằm giúp đỡ cho việc hút dầu và khí từ các mỏ hiện có tại Mỹ. Các máy tính song song cho phép nhà nghiên cứu xây dựng được mô hình chi tiết về mỏ dầu, nhờ đó dự báo được tốt hơn hiệu quả của việc bố trí các giếng khoan và của chiến lược tăng cường khả năng thu hồi dầu”. Dự án GPCP được chính phủ bang Texas - khu vực dầu mỏ quan trọng nhất của nước Mỹ - trợ cấp, và là dự án hợp tác giữa một số ĐH của Texas như ĐH Rice, ĐH Texas ở Austin, ĐH Houston, với một số công ty dầu khí.

    Cơ sở của mô phỏng mỏ là bài toán về dòng trong môi trường có độ rỗng (flow in porous media). Dự án tính toán song song cho bài toán này là dự án đầu tiên của GPCP, tập trung nghiên cứu các vấn đề tính toán song song trong mô phỏng mỏ dầu, một trong các lĩnh vực phát triển nhất hiện nay. Các phần mềm thương mại về mô phỏng mỏ cũng được các hãng “song song hoá”. Hiệu quả đạt được của nhiều dự án rất cao, thí dụ dự án “Xây dựng một khuôn khổ mới, thế hệ tiếp theo, để mô phỏng song song các mỏ” (1988) do DOE – Bộ Năng Lượng Mỹ tài trợ. Thử nghiệm với một lưới 3 chiều, 4 triệu khối (block – một mắt lưới không gian), 32 triệu ẩn (mỗi khối có 8 ẩn), giả lập chạy mất 32 phút trên máy  IBM SP 128 bộ xử lý. So sánh: nếu chạy trên workstation với 1 bộ xử lý, bài toán 32 triệu ẩn như trên sẽ mất 200 ngày, thực tế là không khả thi.
    Tuy nhiên, có lẽ các nghiên cứu về mô phỏng song song trên chùm các PC được chú ý đặc biệt, do chúng phù hợp với các công ty và tổ chức có mức đầu tư khiêm tốn hơn.
    (Về bố trí giếng khoan tối ưu: ở đây chưa đề cập đến.)

    Về áp dụng tính toán song song trong CNpDK Việt Nam
    Hiện nay, Tổng Công Ty (TCTy) Dầu Khí VN và các công ty thăm dò khai thác dầu thuộc TCTy sử dụng phần mềm thương mại để giải quyết yêu cầu sản xuất và nghiên cứu khoa học của mình.
    Xử lý địa chấn chủ yếu do các nhà thầu tiến hành, hoặc thuê xử lý tại các trung tâm, trong đó có liên doanh với Golden Pacific như đã nói.    
    Đối với mô phỏng mỏ, hiện một số đơn vị của TCTy Dầu Khí đang sử dụng phần mềm Eclipse do hãng Geoquest bán. Các phần mềm này hiện chạy trên các workstation 1 bộ xử lý (RS 6000, SUN Ultra 60). 
    Việc nghiên cứu ứng dụng các thuật toán song song tại TCTy Dầu Khí VN chưa được bắt đầu. Nhu cầu, nhất là trong mô phỏng mỏ, chắc chắn là có, do bài toán EOR cũng đang được đặt ra rất gay gắt đối với các mỏ dầu khí Việt Nam. Đầu tư cho các hệ thống CNTT cũng còn hạn chế, chỉ dựa vào việc mua các PM nước ngoài như hiện nay cũng không phải là giải pháp hiệu quả.

    Để ứng dụng các công nghệ tính toán hiệu năng cao và xử lý song song, hướng đi có triển vọng và thích hợp hiện nay có lẽ là hợp tác với các cơ sở nghiên cứu bên ngoài TCTy, những nơi có tiềm lực không chỉ về mặt toán học và khoa học tính toán, mà còn cả về các hệ thống tính toán hiệu năng cao. Việc hợp tác tương tự giữa các ĐH và viện NC với các công ty dầu trong các vấn đề như trên cũng đã được triển khai ở các nước như Mỹ, Trung Quốc và một số nước khác.
    Bạn đọc quan tâm có thể liên hệ với Trung Tâm Thông Tin – Tư Liệu Dầu Khí, 80 Nguyễn Du, Hà Nội, Email: pic@hn.vnn.vn, để biết thêm thông tin.

    Ts. Cao kim ánh

    ID: B0304_20