Суперкомпьютеры в жизни нефтяной компании

Суперкомпьютеры в жизни нефтяной компании

Перед нефтяными компаниями при разработке нефтегазовых месторождений стоит задача эффективной добычи сырья. «Хорошие» месторождения давно закончились, и даже при докризисных ценах на нефть разработка многих месторождений в Восточной Сибири оказывалась нерентабельной. Для бурения новых скважин, выбора схемы добычи нефти и газа должны быть проведены исследования и компьютерные расчеты. Создание модели нефтегазового месторождения и ее анализ с использованием современных программных средств обязательны перед переходом к разработке на практике

Золотое правило: вы можете извлечь нефть только один раз, а моделировать этот процесс можете сколько угодно раз! На модели должно быть просчитано  все: объемы добычи, экономическая эффективность с учетом стоимости добычи, закачки, эксплуатации скважин, бурения, цены на нефть и инфляции. Должны быть выбраны оптимальная расстановка скважин и режимы их работы.

Как же создается модель нефтегазового месторождения? Сначала разрабатывается геологическая модель, затем она преобразуется в гидродинамическую.

Геологическая модель строится с использованием данных сейсмо- и магниторазведки, дополненных анализами керна (цилиндрический столбик горной породы, получаемый при пробуривании скважины) и данными геофизических исследований скважин. Далее будет уже трудно вернуться к исходным данным, так как все косвенные геофизические параметры пересчитываются на этом этапе в непосредственные характеристики  пластов месторождения. Это можно сравнить с пошивом одежды: портной снимает мерки, кроит по ним и шьет готовое изделие. Когда ткань разрезана, то вернуться к меркам и перекроить заново означает решение задачи с самого начала.

Первичная обработка сейсмических данных обычно осуществляется сервисными компаниями, выполняющими сейсморазведку,  с использованием суперкомпьютеров для ускорения обработки данных. Задача обработки сейсмических данных очень хорошо распараллеливается и может эффективно масштабироваться вплоть до тысяч вычислительных узлов. В российских реалиях именно эта задача доминирует в промышленных приложениях суперкомпьютерных систем. В результате обработки около 10-100  Терабайт данных сейсморазведки превращаются в 100-1000  Гигабайт сейсмического портрета пласта. Построение геологической модели на основе этих данных осуществляется сервисными компаниями либо непосредственно самими нефтяными компаниями с использованием параллельных вычислений на современных компьютерах для решения нижеперечисленных задач.

Таким образом, при помощи обработанных данных сейсморазведки и скважинных данных на многоядерной рабочей станции инженера-геолога создается трехмерная геологическая модель, состоящая из ряда объемных распределений геофизических параметров – так называемых «сейсмических кубов», – занимающая 10-100  Гигабайт.

Для получения гидродинамической модели в геологическую модель добавляются:

    данные добычи при разработке месторождения (объемы добычи нефти и газа, объемы закачки, значений забойного давления, пуски, остановы, ремонты скважин);
    свойства углеводородной смеси, полученные при лабораторных исследованиях керна;
    сетка (переинтерполяция геологических свойств на сетку меньшей размерности).

Работа с гидродинамической моделью требует решения большой системы нелинейных дифференциальных уравнений в трехмерной области, которая крайне плохо масштабируется: никто из производителей ПО для решения этой задачи не рапортует об ускорении на более чем 32 узлах. Поэтому здесь современные многоядерные системы могут конкурировать с кластерами.

Задачи работы с гидродинамической моделью, стоящие перед инженерами-гидродинамиками, это: адаптация модели и выбор оптимальной разработки месторождения (изучение прогнозов при разных схемах разработки).

Адаптация модели. Перед тем как делать по модели прогноз на будущее, необходимо проверить, может ли она воспроизвести «поведение» месторождения. Будут ли рассчитанные данные совпадать с реальными историческими? Адаптация моделей используется во многих областях, например для прогноза погоды. Если есть модель погоды, мы внесем в нее все метеорологические данные за предыдущую неделю. Прежде чем делать прогноз на завтра, мы по этой модели спрогнозируем погоду на сегодня и сравним с реальностью. Если есть расхождения, то надо исправлять параметры модели, пересчитывать заново, опять сравнивать и т. д. Это и есть адаптация.

Аналогично и инженеру-гидродинамику приходится делать большое количество расчетов, чтобы подобрать нужные параметры. Ведь достоверно были известны только данные в отдельных точках (скважинах), а нужно получить значения данных во всех блоках модели месторождения.

Выбор оптимальной разработки месторождения основан на изучении прогнозов при разных схемах разработки. Нужно ответить на следующие вопросы:

    Сколько добывать и закачивать?
    Когда и в каких местах бурить новые скважины?
    Когда скважины переводить из добывающих в нагнетательные (если скважина добывает мало нефти и много воды, целесообразно через данную скважину начинать закачивать в пласт воду)?
    Когда и какие проводить мероприятия и какой от них будет эффект (гидроразрыв пласта, обработка призабойной зоны скважины и др.)?

Для этих сложных вычислений необходимо программное обеспечение, гарантирующее высокую скорость расчета, что позволяет быстро оценивать результаты, вносить изменения и анализировать различные варианты разработки месторождения. Наивысшую производительность можно получить, только распараллеливая между ядрами весь процесс решения для гидродинамических моделей: вычисления физических свойств, заполнение и решение системы линейных уравнений, решение уравнений по скважинам. Также необходимо переписывать программное обеспечение для эффективного использования всех возможностей техники: hyper-threading (технология оптимизации конвейерной загрузки) и NUMA (технология неоднородного доступа к памяти).

Рис. 1. Модель реального нефтегазового месторождения

В России есть компании, разрабатывающие такое программное обеспечение. Рассмотрим, например, параллельный гидродинамический симулятор tNavigator российской фирмы ООО «РФ Динамикс», разработанный специально для многоядерных расчетов.
Пример достигнутого tNavigator ускорения на реальной трехфазной модели месторождения: 39 скважин, 853 перфорации (отверстия в стволе скважины, через которые в скважину попадает нефть). Модель имеет 10 лет истории разработки (соответственно, имеются реальные исторические данные по работе всех скважин за 10 лет). Для расчета исходное месторождение разбивается сеткой на небольшие блоки заданных размеров, общее число активных блоков – 2418989 штук. Размер процесса в памяти – 5851.828 Мб.

-----------------------------

Интерпретация данных – расчет характеристик среды по косвенным геофизическим параметрам. Определяются типы пород, их толщины, свойства, места разломов.
Интерполяция. Замеры параметров по геофизическим исследованиям скважин или керну дают «точечные данные», то есть только для небольшой области месторождения, где они были проведены. Необходима интерполяция – расчет по имеющимся точечным данным значений параметров во всем объеме месторождения

----------------------------------

Расчет проводился на следующих процессорах: Xeon 5580 (Nehalem) 3.2GHz, 4 ядра, 2 процессора; Xeon 7560 (Nehalem EX) 2.27GHz, 8 ядер, 4 процессора. На 32-ядерной настольной системе достигнуто ускорение в 21 раз! (см. таблицу).
Появляющееся новое компьютерное «железо» обладает возможностями, удовлетворяющими растущие потребности гидродинамического моделирования, но это не происходит автоматически,  как бывало ранее. Для нового «железа» нужно переписывать программное обеспечение. Только в этом случае возможности техники будут эффективно использованы.
Достигнутое на 32-ядерной системе ускорение в 21 раз для гидродинамической задачи не может быть достигнуто на кластере. Но тем не менее кластеры используются нефтяными компаниями при моделировании для многовариантных расчетов. Наиболее ярким примером многовариантных расчетов является адаптация модели – достижение максимального совпадения рассчитанных данных с реальными историческими данными по добыче нефти и газа за счет изменения некоторых входных параметров гидродинамической модели месторождения. Адаптация на кластере осуществляется следующим образом:

Число потоков

Nehalem

Nehalem EX

1

26.01.09

26.47.32

2

15.01.35

15.12.14

4

07.56.41

08.22.13

8

04.56.29

04.22.47

16

04.28.18

02.22.36

32

 

01.31.14

64

 

01.15.48

    Создаются различные варианты гидродинамической модели, отличающиеся только значениями каких-либо параметров (в качестве параметров могут быть выбраны проницаемости среды по различным направлениям, зависимости относительной проницаемости нефти и воды от насыщенности пласта водой). Набор таких вариантов модели может быть сгенерирован автоматически с помощью специальных модулей создания экспериментов, встроенных в гидродинамический симулятор.
    Созданные варианты загружаются на кластер, имеющий систему очередей. Система очередей кластера должна обеспечивать работу с большим количеством заданий, находящихся в очереди (порядка нескольких тысяч) и обеспечивать одновременное выполнение заданий по числу узлов кластера. Специальные настройки на вычислительных узлах: минимизация фоновых процессов, кэширование как чтения, так и записи на разделяемый NFS-диск.
    Выгрузка результатов расчета с кластера, сравнение и выявление лучших  вариантов гидродинамической модели, где при заданном наборе параметров достигнуто максимальное совпадение данных расчета и исторической добычи нефти и газа.

Рис. 2. График достигнутого ускорения при расчете на Nehalem и Nehalem EXРассмотрим пример затрат машинного времени на многовариантные расчеты месторождения с миллионом активных блоков, 5 скважинами, 414 перфорациями (отверстия в стволе скважины, через которые в нее попадает нефть). 
Имеются 85 независимых параметров, значения которых изменяют при адаптации моделей. Желательное число экспериментов на каждый параметр – от 20 до 100, что дает от 1700 до 8500 различных вариантов гидродинамической модели. На кластере из 42 вычислительных узлов с процессорами Intel Xeon 5140 гидродинамическая модель с указанными выше характеристиками требует  1.7 Гб оперативной памяти и считается 45 минут. Соответственно, каждый из узлов кластера может выполнить расчет 32 вариантов в сутки, а кластер из 42 узлов может выполнить расчет 1344 вариантов в сутки и 9408 вариантов в неделю.

Таким образом, многообразие техники, которая может быть использована нефтяными компаниями, обусловлено разнообразием вычислительных задач, возникающих при работе с нефтегазовым месторождением, и их спецификой. Обычно приобретаемая вычислительная техника является универсальной и позволяет решать все задачи, стоящие перед компанией, с учетом специфики каждой из них.

 

с удовольствием соберу

с удовольствием соберу компьютерный кластер для организации. Опыт работы с мощными ПК есть, с гео программами не работал никогда.

Сергей (не проверено)
Также имеется следующий софт

Также имеется следующий софт для обработки:
radexpro обработка сейсмических данных

sedim не паралелится