ĐẶNG KHÁNH TRUNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
ĐẶNG KHÁNH TRUNG
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
XÂY DỰNG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG THĂM DÒ
ĐỊA CHẤT TRONG NGÀNH DẦU KHÍ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
2013B
Hà Nội – Năm 2016
TRANG PH BÌA
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
ĐẶNG KHÁNH TRUNG
XÂY DỰNG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG THĂM DÒ ĐỊA
CHẤT TRONG NGÀNH DẦU KHÍ
Chuyên ngành : Công nghệ thông tin
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. Tạ Tuấn Anh
Hà Nội – Năm 2016
MC LC
TRANG PH BÌA .......................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 3
DANH MC CÁC KÝ HIU, CÁC CH VIT TT .................................................. 5
DANH MC CÁC BNG .............................................................................................. 6
DANH MC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ TH ......................................................................... 7
M ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V MÔ HÌNH THU N ĐỊA CHN ............................. 3
1.1. Bài toán phân tích đa tng da vào thu n địa chn ......................................... 3
1.2. Bài toán thăm dò du khí s dụng phương pháp thu nổ địa chn ...................... 4
1.3. Mô phng thu n địa chn trong phòng thí nghim ........................................... 7
CHƯƠNG 2: GIỚI THIU V MADAGASCAR ....................................................... 14
2.1. Tng quan v madagascar ................................................................................ 14
2.1.1. Mô hình x lý d liu trong madagascar .................................................. 16
2.1.2. Các công c x lý d liu chính trong madagascar .................................. 17
2.2. Các mô hình địa chn trong madagascar ......................................................... 21
2.2.1. awefd2d ..................................................................................................... 21
2.2.2. awefd3d ..................................................................................................... 23
2.2.3. ewefd2d ..................................................................................................... 24
2.2.4. ewefd3d ..................................................................................................... 26
CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN PHN MM H TR THÍ NGHIM MÔ PHNG ĐA
CHN ............................................................................................................................ 28
3.1. Khung ng dng mô phỏng địa chn ............................................................... 29
3.2. Mô hình kiến trúc ng dng mô phng ........................................................... 30
3.3. Quy trình mô phng s dng các công c ca madagascar ............................. 33
3.4. La chn công nghệ, cài đặt trin khai phn mm mô phng ......................... 35
CHƯƠNG 4: THỬ NGHIM BÀI TOÁN MÔ PHNG ĐỊA CHN TRÊN NHIU
H THNG ................................................................................................................... 41
4.1. Cu hình h thng th nghim ......................................................................... 41
4.2. Kết qu thc nghim bài toán mô phng ......................................................... 43
4.3. So sánh ............................................................................................................. 48
KT LUN VÀ KIN NGH ....................................................................................... 50
TÀI LIU THAM KHO ............................................................................................. 51
PH LC ...................................................................................................................... 53
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây công trình nghiên cứu của riêng tôi được sự hướng dẫn
khoa học của TS.Tạ Tuấn Anh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài y
trung thực và chưa ng bố dưới bất khình thức nào trước đây. Những số liệu trong
các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu
thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một snhận xét, đánh giá cũng như số
liệu của các tác giả khác, quan tổ chức khác đều trích dẫn chú thích nguồn
gốc.
Nếu phát hiện có bất k sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung
luận văn của mình. Trường đại học Bách Khoa Nội không liên quan đến những vi
phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có).
Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2016
Tác giả luận văn
Đặng Khánh Trung
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, giáo trường Đại
học Bách khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn đến TS.Tạ Tuấn Anh, người đã trực tiếp hướng dẫn, tạo
mọi điều kiện thuận lợi tận tình chỉ bảo cho em trong suốt thời gian m luận văn
tốt nghiệp.
Bên cạnh đó để hoàn thành đồ án y, em cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ, những lời động viên quý báu của bạn bè, gia đình đồng nghiệp. Em xin chân
thành cảm ơn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những người đã luôn ở
bên cổ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi cho em để em thể học tập tốt hoàn
thiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn !
DANH MC CÁC KÝ HIU, CÁC CH VIT TT
HPC
High Performance Computing
Hệ thống tính toán hiệu năng cao
Shot
Một lần thực hiện nổ và thu dữ liệu
địa chấn
CMP
Common mid point
Điểm giữa chung
Trace
Băng địa chấn
CPU
Central Processing Unit
Bộ xử lý trung tâm
GPU
Graphics Processing Unit
Bộ xử lý đồ họa
MPI
Message Passing Interface
Giao diện truyền thông điệp
DANH MC CÁC BNG
Bng 1 sc mnh tính toán ca h thống HPC đo bằng công c linpack ...................... 42
Bng 2 sc mnh tính toán ca h thng 4 GPU ti Trung tâm tin hc và tính toán .... 42
Bng 3 bảng đo sức mnh tính toán ca h thng lai CPU-GPU .................................. 42
DANH MC CÁC HÌNH V, Đ TH
Hình v 1.1 phương pháp địa chn phn x .................................................................... 4
Hình v 1.2 thc nghim thu n địa chấn thăm dò dầu khí trên bin .............................. 5
Hình v 1.3 mô hình thu n luân phiên 8 dây thu ........................................................... 6
Hình v 1.4 mô hình vn tc trong không gian hai chiu ............................................... 8
Hình v 1.5 mô hình vn tc trong không gian ba chiu ................................................. 9
Hình v 1.6 hình v mô t đứt gãy thun ........................................................................ 9
Hình v 1.7 hình v mô t đứt gãy nghch .................................................................... 10
Hình v 1.8 mô phng thí nghim thu n hai chiu vi 8 dây thu, mi dây thu 120
điểm thu ......................................................................................................................... 11
Hình v 1.9 video lan truyền sóng địa chn .................................................................. 11
Hình v 1.10 d liệu băng địa chấn thu đưc sau thí nghim ....................................... 12
Hình v 1.11 d liệu băng địa chn sau khi sorting ...................................................... 12
Hình v 2.1 các bước x lý d liu trong Madagascar .................................................. 17
Hình v 2.2 mô hình vn tc trong không gian 2 chiu ................................................ 19
Hình v 2.3 mô hình vn tc trong không gian ba chiu ............................................... 19
Hình v 2.4 d liu sóng ti mt thi đim trong không gian ba chiu ........................ 20
Hình v 2.5 biểu đồ ng địa chn v bng công c sfwiggle ...................................... 21
Hình v 2.6 mô hình vn tc đu vào cho awefd2d ...................................................... 22
Hình v 2.7 sóng lan truyn ti mt thời điểm trong không gian hai chiu .................. 22
Hình v 2.8 hình ảnh băng địa chấn thu được qua mô hình awefd2d ........................... 23
Hình v 2.9 ảnh băng đa chấn thu được ct theo không gian hai chiu ca mô hình
awefd3d ......................................................................................................................... 23
Hình v 2.10 biu diễn đồ ha ca ngun n trong mô hình ewefd2d .......................... 24
Hình v 2.11 mô hình vn tc và đ rn b mt đa tng .............................................. 25
Hình v 2.12 nh chp sóng lan truyn ti mt thi đim và băng đa chấn thu được . 26
Hình v 2.13 biu din ngun n trong không gian ba chiu trong mô hình ewefd3d . 26
Hình v 2.14 mô hình vn tc trong không gian ba chiu ca mô hình ewefd3d ......... 26
Hình v 2.15 nh chp sóng ti mt thi gian trong không gian ba chiu kết qu ca
mô hình ewefd3d ........................................................................................................... 27
Hình v 3.1 kiến trúc khung ng dng mô phng ......................................................... 29
Hình v 3.2 tương tác giữa thành phn giao din và mã x lý ngm ............................ 31
Hình v 3.3 lung x lý d liu ca ng dng mô phng ............................................. 32
Hình v 3.4 quy trình to mô hình vn tốc đầu vào ...................................................... 34
Hình v 3.5 tng hp d liu các ln n và sorting CMP ............................................. 35
Hình v 3.6 trang đăng nhập ng dng mô phng ........................................................ 36
Hình v 3.7 trang danh sách các d án thí nghim mô phỏng địa chn ........................ 36
Hình v 3.8 trang thông tin chi tiết d liệu đầu vào ca mô hình mô phng ................ 37
Hình v 3.9 công c v địa tng .................................................................................... 37
Hình v 3.10 các bước để to và chy d án ................................................................. 38
Hình v 3.11 trang kết qu đầu ra sau khi chy mô hình .............................................. 39
Hình v 3.12 trang kết qu d liệu băng địa chấn thu được t ng dng ..................... 40
Hình v 4.1 ti CPU khi chy bài toán được hin th bng công c đồ ha Ganglia .... 46
Hình v 4.2 băng địa chấn thu được khi chy mô hình dài 50km ................................. 47
M ĐẦU
[1]. Lý do chn đ tài
Trong những m gần đây, cùng với sự phát triển của các hệ thống tính toán
hiệu năng cao hướng nghiên cứu các bài toán triển khai trên hệ thống máy tính hiệu
năng cao đang rất được quan tâm cả ở trong nước và ngoài nước.
Một trong các ớng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm đó hướng
nghiên cứu các bài toán phỏng. Các bài toán phỏng thường yêu cầu sức mạnh
tính toán rất lớn mà các hệ thống trước đây không thể đáp ứng nổi. Bài toán mô phỏng
lan truyền sóng địa chấn theo phương pháp sóng phản xạ để thăm địa chất một
bài toán thú vị và có ý nghĩa thực tế. Bài toán có thể triển khai rất tốt trên hệ thống tính
toán hiệu năng cao.
Bài toán sẽ thực hiện phỏng lại quá trình kích nổ thu sóng phản xạ để
thăm địa chất. Việc nghiên cứu bài toán này sẽ trợ giúp cho công tác thăm địa
chất bằng các kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm bổ sung cho các kết quả
thu được thực tế ngoài thực địa. Trung tâm tìm kiếm khai thác thăm dầu khí -
Viện dầu khí hàng m đã phải đầu nhiều tiền cho việc thực nghiệm tại thực địa để
thăm địa chất dưới biển nhằm phát hiện nơi giếng dầu. Kết quả của nghiên cứu
sẽ góp phần giảm thiểu chi phí khi tiến hành thực nghiệm thăm dò địa chất tại thực địa
và góp một phần công sức vào việc thúc đẩy tính toán hiệu năng cao trong nước.
Trên cơ sở đó tôi đã lựa chọn đề tài: "Xây dựng hệ thống tính toán mô phỏng
thăm địa chất trong ngành dầu khí". Đề tài nhằm tập trung nghiên cứu xây dựng
phần mềm phỏng lại quá trình thu nổ địa chấn để thăm địa chất chạy trên hệ
thống máy tính hiệu năng cao. Đây một hướng nghiên cứu mới nhưng rất thiết thực,
rất đáng quan tâm.
[2]. Lch s nghiên cu
Đây là hướng nghiên cu mi nước ta.
Trên thế gii ng có nhiu nghiên cứu nng ch yếu trên nn tng seismic unix.
[3]. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cu tng quan v bài toán mô phỏng đ thăm dò địa cht
- Nghiên cu và th nghim mô hình trên h thng tính toán hiệu năng cao
[4]. Đối tưng nghiên cu
- Bài toán mô phng lan truyền sóng địa chn
[5]. Phm vi nghiên cu
- Nghiên cu bài toán lan truyền sóng địa chn thc hiện thăm dò địa cht
trên bin theo mô hình hai chiu và ba chiu
[6]. Cu trúc luận văn
Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu về hình thu nổ đ khảo sát địa tầng thực tế bằng
phương pháp sóng phản xạ hình thu nổ thăm dầu khí. phỏng thu nổ thực
tế trong phòng thí nghiệm.
Chương 2: Tổng quan về madagascar nguồn mở hỗ trợ các thí nghiệm địa
chấn và các mô hình áp dụng trong thu nổ địa chấn bằng phương pháp sóng phản xạ.
Chương 3: Phát triển phần mềm mô phỏng thu nổ địa chấn.
Chương 4: Thử nghiệm bài toán mô phỏng lan truyền sóng địa chấn.
Đây hướng nghiên cứu khá mới mẻ trong khuôn khổ luận văn tôi đã xây
dựng được hệ thống phần mềm phỏng lại các bài toán lan truyền sóng địa chấn để
thăm dò địa chất. Bài toán đã được thực nghiệm trên nhiều hệ thốngthể áp dụng
vào thực tế.
[7]. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cu thuyết toán hc gii bài toán lan truyn sóng
địa chấn để thăm dò đa cht.
- Phương pháp thực nghim, phân tích kết qu: thc nghim bài toán lan
truyền sóng địa chn bng các công c phng trên nhiu h thng khác nhau kết
hp phân tích kết qu thu được.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V MÔ HÌNH THU N ĐỊA CHN
Chương đầu tiên giới thiệu về bài toán phân tích địa tầng bằng thu nổ địa chấn
bằng phương pháp sóng phản xạ. Phương pháp này được áp dụng rất nhiều trong lĩnh
vực địa chất, địa cầu học và trong tìm kiếm thăm dò dầu khí.
Chương này cũng sẽ nêu bật các thực nghiệm thu nổ địa chấn để thăm dầu
khí trong thực tế. Mô hình thực nghiệm thực tế, cách thức thực hiện và kết quả của quá
trình thực nghiệm. Trên sở đó đề xuất hình thu nổ trong phòng thí nghiệm sử
dụng một số hình toán sử dụng phần mềm nguồn mở Madagascar [1] "Bộ công
cụ phần mềm hỗ trợ tính toán khoa học". Chương cũng nêu bật ý nghĩa thực tiễn trong
việc nghiên cứu bài toán và khả năng áp dụng thực tế của nghiên cứu.
1.1. Bài toán phân tích đa tng da vào thu n địa chn
Thăm địa chấn một lĩnh vực quan trọng trong địa vật lý. gồm tập hợp
nhiều phương pháp nghiên cứu cấu trúc quả đất dựa trên sở quan sát các đặc điểm
của trường dao động sóng đàn hồi phát triển trong môi trường đất đá.
Trong thăm dò địa chấn thực tế người ta sử dụng các kích động nhân tạo như nổ
mìn rung dập để ch thích vào môi trường địa chất các xung lực. Sự kích thích m
đất đá rung động và xuất hiện các sóng đàn hồi.
Sóng đàn hồi khi truyền sâu vào các môi trường vật chất khi gặp các tầng vật
chất khác nhau bị phản xạ và khúc xquay trở lại bề mặt. Người ta tiến hành thu nhận
ghi giữ các dao động sóng trên các băng địa chấn. Băng địa chấn chính số liệu
gốc, sử dụng để phân tích và quan sát lát cắt dưới sâu.
Phương pháp địa chấn phản xạ được dùng trong một vài lĩnh vực của khoa học
trái đất trong đó có tìm kiếm thăm dò dầu khí.
Trên hình người ta tiến hành kích hoạt nổ tại điểm nổ, tín hiệu phản xạ được thu
tại máy thu đặt gần điểm nổ. Mỗi máy thu ghi nhận cho ta một đường địa chấn (trace).
Bố trí y máy thu trên không gian cần phân tích địa tầng ta thu được nhiều đường địa
chấn tương ứng với số máy thu lắp đặt. Tập hợp các đường địa chấn này cho ta mặt cắt
địa chấn. Dựa trên các số liệu thu thập được y thông qua việc xử dữ liệu địa chấn
và minh giải địa chấn cho ta bản đồ địa tầng cần khảo sát.
Phương pháp thăm địa chấn đã được dùng trong một vài lĩnh vực của khoa
học trái đất. Một trong các ứng dụng chuyên sâu của sử dụng trong m kiếm
thăm dò dầu khí.
1.2. Bài toán thăm dò du khí s dụng phương pháp thu n địa chn
Phương pháp thực nghiệm cho nổ trên bề mặt địa chất để thu được sóng phản
xạ, dữ liệu băng địa chấn thu được sẽ qua quá trình xử lý minh giải để suy diễn các lớp
địa tầng cần khảo sát được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Một trong những lĩnh vực
quan trọng rất quan tâm đến các kết quả thí nghiệm của phương pháp đó trong
lĩnh vực tìm kiếm thăm dò dầu khí.
Vic thăm dầu khí hin tại được thực hiện bằng ch cho u chạy tn
bin và tiến nh ch n để thu các sóng phản xạ i nước. Các dữ liu băng địa
chn thu được y rt lớn đưc lưu trữ o băng từ để đem v xử lý. Mỗi ln thí
nghiệm được thc hiện trong một phạm vi rng lớn nhiều km tốn nhiều ngày trời
trên biển. Việc x c dữ liệu thu được vcũng là một bài tn lớn so với sức
mạnh nh tn hiện tại.
Hình v 1.1 phương pháp địa chn phn x
Hình v 1.2 thc nghim thu n địa chấn thăm dò dầu khí trên bin
Thí nghiệm được tiến hành bằng việc tàu sẽ kéo theo dãy dây cáp là các đầu thu
để thu tín hiệu sóng phản xạ trở lại. Tàu sẽ tiến hành chạy dọc theo khu vực địa tầng
cần khảo t. Từ điểm mốc tàu tiến hành kích nổ thu tín hiệu sóng phản xạ sau đó rời
đến điểm kích nổ tiếp theo cứ tiến hành như vậy cho đến khi hết không gian khảo sát.
Các thí nghiệm thực tế tại Trung tâm tìm kiếm thăm dầu khí thường thực hiện
với khoảng cách hai điểm kích nổ 12.5m.
Khi đã đi hết chiều dài khu vực khảo sát tàu sẽ quay trở lại tiếp tục tiến hành nổ
và thu dữ liệu cho đến khi lộ trình của tàu quét qua toàn bộ diện tích cần khảo sát.
Quá tnh tiến nh nổ thu nổ, slượng dâyp tùy vào mỗi lần thực nghiệm.
ththực hiện nổ chỉ tại một điểm nổ hoặc nổ luân phn giữa hai nguồn nổ.
Điểm nổ 1
12.5 m
Điểm nổ 2