Федеральное агентство по образованию  РФ

   _______________ 

   РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ____________________ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА__________________ 

   Кафедра Разработки и эксплуатации нефтяных месторождений 
 
 

   РЕФЕРАТ

на тему: «Суперкомпьютеры в 3D моделировании разработки нефтяных и газовых месторождений режима реального времени» 
 
 
 

 Выполнила: магистрантка гр. НГМ-10-1

                                                                Сыпченко С.И.

           Проверил:               к.т.н. Еремин Н.А.               
 
 
 
 
 

МОСКВА - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 5

НЕОБХОДИМОСТЬ СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ 7

ЭФФЕКТИВНОСТЬ, УСКОРЕНИЕ, МАСШТАБИРУЕМОСТЬ 10

ОБЗОР ВЫЧИСТЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 13

ОСОБЕННОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОДЗЕМНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ 15

   Неравномерность загрузки 15

   Решение систем линейных уравнений 17

   Оптимальное разбиение 18

   Другие методы ускорения 20

ВОПРОСЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ 22

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26 

   ВВЕДЕНИЕ

   Перед нефтяными компаниями при разработке нефтегазовых месторождений стоит  задача эффективной добычи сырья. 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.

   Нефть и природный газ являются важнейшими источниками энергии и сырьем для химической промышленности. Энергию  и материалы, производимые из нефти  и газа, ежедневно используют миллиарды  людей по всему миру. Ежедневно  по всему земному шару добывается более 80 миллионов баррелей нефти  в сутки. Россия среди стран производителей этого углеводородного сырья  занимает одно из первых мест. После  сильного спада добычи в 1990-е годы, связанного с экономическим кризисом в РФ и низкими ценами на нефть, которые в отдельные годы не превышали 15 долларов США за баррель, наступил период резкого подъема мировых  цен на нефть. В связи с этим Россия в последние годы наращивает уровень добычи нефти год от года. За 2005 год было добыто 469,6 миллиона тонн нефти, а за 2006 год - 480 миллиона тонн нефти.

   Россия  располагает одними из богатейших запасов  нефти в мире и в дальнейшем собирается продолжать наращивание  ее добычи. Однако извлекать нефть  из большинства месторождений становится все сложнее. В процессе добычи нефти  в пласт необходимо закачивать воду и специальные составы для  вытеснения углеводородного сырья. С увеличением срока службы месторождения  воды и реагентов закачивается все  больше. Уже в 1990 году обводненность  продукции нефтяных месторождений  в среднем по стране достигла 76%, а на некоторых превысила 90%. В  последние полтора десятилетия  ситуация не улучшилась, так как  вложения в разведку новых месторождений  были незначительными, и в настоящее  время компании продолжают эксплуатировать  истощенные залежи, обнаруженные еще  в Советском Союзе.

   Тем не менее, продолжающийся рост спроса на нефть и высокие цены на нее  заставляют добывающие компании активнее искать и вводить в строй новые  месторождения. Все чаще к работе привлекаются компании, осуществляющие сервисное обслуживание старых и  только вводимых в эксплуатацию скважин. Растут в последние годы и объемы разведочного и эксплуатационного бурения. Все больше внимания уделяется освоению месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти и газа. В современных условиях эти работы невозможно эффективно проводить без привлечения вычислительной техники. Для обнаружения территорий, на которых целесообразно производить разведочные работы требуются сложные геофизические расчеты. Без гидродинамического моделирования месторождения крайне трудно рационально расположить на местности нагнетательные и добывающие скважины. Моделирование также необходимо и при разработке мер по увеличению продуктивности существующих скважин, так как непродуманные действия могут принести больше вреда, чем пользы. Для успешного и экономически оправданного освоения трудноизвлекаемых запасов не обойтись без предварительного анализа сценариев разработки месторождения на основе компьютерных моделей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   КОМПЬЮТЕРНОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ

   Использование компьютеров для геофизических  расчетов и моделирования месторождений  нефти и газа началось в 1960-70-е  гг. с появлением серийных вычислительных машин. Однако из-за высокой стоимости  оборудования и относительно невысокой  производительности использовать модели могли только крупнейшие компании при  реализации наиболее важных проектов. Стремительное развитие вычислительной техники сделало моделирование  месторождений все более распространенным. Сейчас большинство нефтяных компаний, начиная с транснациональных  корпораций и заканчивая небольшими независимыми фирмами, используют моделирование  как при поиске и разработке новых, так и при эксплуатации существующих месторождений. В зависимости от сложности задачи для моделирования  могут использоваться как суперкомпьютеры  в вычислительных центрах компаний, так и персональные рабочие станции. Все большее распространение  получают вычислительные кластеры на основе большого числа недорогих  однотипных серверов, работающих в  параллельном режиме, распределяя расчеты  между собой.

   Созданием программного обеспечения для моделирования  нефтяных и газовых месторождений  занимаются многие фирмы. Одни из самых  мощных пакетов разрабатывают крупнейшие энергетические сервисные компании Schlumberger (пакеты GeoFrame, Eclipse и другие) и Halliburton (продукты марки Landmark). Среди поставщиков ПО также можно отметить активно работающую в России компанию Roxar (пакеты IRAP RMS, TEMPEST и др.) и фирму CMG (продукты IMEX, STARS и др.). Многие крупные нефтяные компании используют пакеты собственной разработки.

   Процесс моделирования достаточно сложен. Например, при создании модели нефтяного месторождения  на начальном этапе на основе геологических  данных составляется трехмерная сетка, описывающая характеристики и взаимное положение коллекторов и непроницаемых  пород, распределение флюидов (нефти, газа и воды) в коллекторах и  др. Непосредственный расчет производится, например, на базе уравнений модели нелетучей нефти (black oil model) и, в зависимости  от мощности компьютера и структуры  сетки, может занимать от нескольких часов до недель. Полученные результаты сверяются с реальными характеристиками месторождения. Если предсказания модели с практикой не согласуются, в  нее вносятся поправки и процесс  повторяется снова.

   Требования  к вычислительной мощности при работе с моделями весьма высоки. В описанном  выше примере одним из лимитирующих факторов является число элементов  в трехмерной сетке, описывающей  структуру месторождения. Мощность используемых компьютеров и сроки  реализации проектов накладывают весьма строгие ограничения на дискретность сетки. Решается эта проблема двумя  способами: оптимизацией геометрии  сетки (однородные участки месторождения  можно описать меньшим числом элементов, тогда как наличие  дефектов требует большего числа  ячеек) и увеличением вычислительной мощности, например, за счет использования  кластерных систем.

   До  последнего времени для создания кластеров использовались преимущественно  решения на основе Unix-подобных ОС (Linux, AIX и т.д.) и разработанных для  них пакетов для кластерных вычислений. Данные решения поддерживаются разработчиками ПО для нефтегазовой отрасли и  неплохо себя зарекомендовали. Однако в некоторых случаях пользователи сталкиваются со сложностью конфигурирования и администрирования, а компании - с необходимостью в большом числе  ИТ-специалистов, обслуживающих систему. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   НЕОБХОДИМОСТЬ СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В  НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

   Исторический  опыт человечества, начиная с египетских пирамид, свидетельствует о том, что за счет параллельно выполняемых действий можно достигнуть существенного выигрыша в производительности. Наиболее ярко это отразилось в современной вычислительной технике, где параллельные вычисления стали доминирующей парадигмой.

   Уровень развития вычислительной техники сегодня  во многом определяет темпы технического прогресса и успехи в решении  фундаментальных научных задач, среди которых общепризнанным является класс проблем Grand challenges: это фундаментальные  научные или инженерные задачи с широкой областью применения, эффективное решение которых возможно только с использованием мощных (суперкомпьютерных) вычислительных ресурсов, с производительностью сотен Gflops (~10¹² операций в секунду) и выше. Одна из таких задач —  моделирование  оптимальной стратегии разработки  месторождений  нефти и газа, создание и использование постоянно действующих геолого-технологических моделей для управления разработкой  месторождений  нефти и газа, требующих обработки огромных массивов информации.

   Все мировые  нефтегазовые  компании в той или иной мере уже используют численное  моделирование  при разработке новых  месторождений  и определении оптимального метода извлечения ресурсов.  Нефтегазовая  отрасль сейчас становится одним из лидеров по потреблению высокопроизводительных ресурсов — рост вычислительных мощностей в этом сегменте составляет до 100% в год. В общей сложности 10%  суперкомпьютеров  из мирового рейтинга ТОП 500 используются для задач геофизики. Роль высокопроизводительных вычислений в  нефтегазовом  секторе растет с каждым годом, ведь средние показатели выработки  месторождений  снижаются, а требования к эффективности их использования становятся все более жесткими из-за вовлечения в разработку всё более трудноизвлекаемых запасов.

   Успех поисково-разведочных работ повышается за счет высокопроизводительной обработки  и интерпретации сейсмических данных, а эффективность недропользования увеличивается за счет высокоточного  гидродинамического  моделирования. В частности, на старых, истощенных месторождениях эти методы позволяют существенно повысить коэффициент нефтеизвлечения. По данным энергетического консалтингового агентства CERA (США), в ближайшие 3–5 лет использование суперкомпьютерных расчетов обеспечит:

• рост количества добываемой из месторождения нефти на 2–7%;
• сокращение расходов на нефтедобычу на 10–25%;
• повышение нормы выработки на 2–4%.

   В связи с этим доступ к суперкомпьютерным  мощностям и эффективные математические методы являются залогом конкурентного  преимущества компании-разработчика, и может стать ключом к лидерству на рынке.

   Геологические модели месторождений, получаемые на основе каротажных исследований, из сейсмических данных, путём геостатистического  моделирования, на 1–2 порядка детальнее, чем осреднённые гидродинамические модели, на которых проводится расчёт. К примеру, типичные геологические модели имеют размер до десяти миллионов ячеек, тогда как размер стандартной гидродинамической модели составляет порядка нескольких сотен тысяч ячеек. Осреднение моделей, также называемое ремасштабированием, нельзя проводить в сколь угодно больших масштабах: на определённом этапе укрупнения картина течения перестаёт отражать реальную ситуацию и полностью искажается.

   В последнее время начали создаваться  гигантские гидродинамические модели, размеры которых выходят далеко за рамки возможностей обычных персональных компьютеров. Модель, описывающая месторождения  со сложным геологическим строением, разломами, трещиноватостью, может  быть задана на сложной нестыкованной  сетке и содержать несколько  тысяч скважин. История разработки месторождения может насчитывать 20, 50 лет и более. В качестве примера можно назвать модель Талинской площади Красноленинского месторождения, проведение качественного построения которой на обычном компьютере за приемлемое время не представляется возможным.

   Немаловажным  моментом также является необходимость  расчёта усложнённых моделей, в  которых требуется учесть ряд  специфических физических эффектов:

• это моделирование газоконденсатных месторождений;
• композиционное моделирование со многими компонентами;
• моделирование разработки высоковязких нефтей термальными методами;
• моделирование режимов течения в скважинах и трубопроводах и др.