Одной из важнейших областей, где находят свое применение суперкомпьютеры (или, как их называют по-другому, высокопроизводительные многопроцессорные вычислительные системы), является нефтегазовая отрасль. Она предлагает широкий круг очень сложных задач.
Исторически эти задачи решались весьма приближенными методами, например геометрическими или аналитическими решениями линеаризованных упрощенных уравнений. Это сыграло очень важную роль в сейсморазведке, в геологии, но в последние 10-20 лет, благодаря внедрению многопроцессорной вычислительной техники, появилась возможность решать геологические задачи полностью.
В России этим занимались и занимаются в Сибирском отделении РАН, МФТИ и МГУ. Что касается западных ученых, то здесь следует отметить работы, инициированные крупнейшей в мире нефтесервисной компанией «Шлюмберже», а также пакеты, разработанные канадскими и американскими специалистами для геологической разведки: сейсмической и электроразведки. Эти разработки позволили не только существенно увеличить точность физико-математического моделирования геофизических процессов при решении задач разведки и добычи углеводородов, но и решить те задачи нефтегазовой индустрии, которые ранее не решались, либо решались очень приближенно.
В первую очередь с помощью суперкомпьютеров стало возможным решать задачи механики сплошных сред и моделировать поведение геофизической среды, содержащей углеводороды. Если мы говорим о таких процессах, как геологическая разведка, то это, как правило, прямые и обратные задачи. Так, при решении задач электроразведки мы решаем систему уравнений Максвелла электродинамики сплошных сред. А при акустической сейсморазведке решается динамическая система уравнений механики сплошных сред.
С помощью прямых задач мы исследуем волновые процессы, которые происходят в геологической среде, которая, как правило, гетерогенна и многослойна. Флюид (нефть) часто находится в трещиноватых пластах, то есть в трещинах и между ними. Вычислительная техника позволяет все эти неоднородности описать методами механики и математики. Это довольно сложная задача даже с точки зрения специалиста по моделированию. Это непростая задача и с точки зрения построения системы определяющих уравнений, поскольку в них входят и уравнения теории упругости, и уравнения акустики, учитывающие геофизические особенности среды. Кроме того, приходится решать задачи контактного разрыва из-за большого количества поверхностей разделов сред, что обусловлено многослойностью геосреды и контактами между жидкостью и твердыми телами.
Нефтегазовые резервуары дают отклик в виде сейсмосигнала на поверхности земли (дневной поверхности). Необходимо аккуратно описать прохождение сигнала с дневной поверхности и обратно — математически, механически и численно, затем реализовать расчетную программу. После чего этот отклик и волновые поля необходимо изобразить с помощью программ визуализации.
Тогда вся картина, которая происходит в геологической среде, у нас будет описана.
Второй шаг — это обратные задачи. Их суть состоит в том, чтобы по решениям прямых задач вычислить все характеристики неоднородностей, которые нас интересуют. В случае нефтяного пласта — где он находится, каковы его геометрические размеры, физические характеристики, и, разумеется, нефтяников всегда интересует оценка объемов углеводородов, которые находятся в исследуемых месторождениях.
Все эти важнейшие практические задачи решаются путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных сейсморазведки, т. е. расчетных и экспериментальных сейсмограмм.
Еще одна важная задача — задача фильтрации, то есть движения жидкостей, флюидов в геологических средах и через поры грунтовых сред, которое также описывается уравнениями механики сплошных сред. На практике это, как правило, имеет прямое отношение к эксплуатации буровых установок и скважин, позволяет сделать ее более экономичной.
Очень важными являются задачи нефтегазовой разведки перспективной арктической зоны. Это наши шельфовые зоны, северные моря, а также Северный полюс, за который сейчас идут дипломатические споры между северными государствами. Там тоже возникает целый ряд интереснейших задач как фундаментальных, так и прикладных, инженерных.
Например, в Северном море, где толщина ледяного покрытия составляет примерно два метра, сейсмические возмущения очень сильно мешают сейсморазведке, так как ледяная корка создает дополнительный шум. Как этот шум отделить от полезного сигнала? Это можно сделать, только решив волновую задачу механики сплошных сред, то есть решив 3D-систему дифференциальных уравнений. Ведь здесь мы имеем дело как минимум с тремя сплошными средами: льдом, водой и грунтом, прохождение волн через которые мы должны полностью рассчитывать. Аналогичная ситуация возникает, когда мы проводим сейсморазведку в зоне вечной мерзлоты. Там тоже существует толстая «корка», которая ведёт себя по-другому.
Кроме того, в Арктике возникает еще целый ряд специфических задач. Например, в северных морях плавают большие и малые айсберги, торосы, льдины. Все эти ледовые образования весьма опасны. Они могут сталкиваться с ледостойкими платформами или с судами ледового класса. Кроме того, на эти же самые платформы и суда могут воздействовать штормовые волны. Суперкомпьютеры позволяют предварительно рассчитать вероятность и последствия таких природных катастроф, чтобы минимизировать количество материальных потерь и, возможно, сохранить жизни полярников.
С помощью многопроцессорных вычислительных систем решаются и другие задачи.
Например, прокладка труб по дну моря. Тот же айсберг может «пропахать» дно вблизи берега или на мелководной шельфовой зоне и через грунт воздействовать на эту трубу, как-то ее повредить. Это тоже нужно предвидеть.
Отдельная задача — устранение опасности ледовых образований. Одно из ее решений — это взрыв айсберга. Чтобы осуществить его грамотно и экологично, требуется корректное и точное решение трехмерной динамической задачи о взрыве такой ледяной глыбы, которая находится большей частью под водой. Здесь приходится решать уравнения теории упругости, акустики моря, учитывать детонацию взрывчатого вещества и предсказать те режимы, при которых эта ледяная глыба разрушится на максимально мелкие части, не нанеся ущерба арктической фауне.
Для предсказания опасных столкновений шельфовых сооружений с ледовыми образованиями необходимо решать задачи их миграции, для чего приходится рассчитывать поля скоростей морских течений и воздушных масс. Эти движения списываются уравнениями гидродинамики и газодинамики.
Все эти задачи можно решить с помощью суперкомпьютерных вычислительных систем, современных численных методов математики и механики. Это относительно новое и очень перспективное направление в нефтегазовой индустрии, необходимость развития которого очевидна.
