Нефтегазовый суперкомпьютинг и цифровизация - состояние и тренды развития

Автор(ы) публикации
Год публикации
Страницы
62-64
Аннотация

Супервычисления и математическое моделирование. Тезисы XVII Международной конференции. — ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" Саров, 2018.

Статья подготовлена по результатам работ, выполненных в рамках Программы государственных академий наук на 2013 - 2020 годы. Раздел 9 Науки о Земле; направления фундаментальных исследований: 131. Геология месторождений углеводородного сырья, фундаментальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа, научные основы формирования сырьевой базы традиционных и нетрадиционных источников углеводородного сырья и 132 Комплексное освоение и сохранение недр Земли, инновационные процессы разработки месторождений полезных ископаемых и глубокой переработки минерального сырья, в рамках государственного задания по темам Фундаментальный базис инновационных технологий нефтяной и газовой промышленности, № АААА-А16-116031750016-3.

Целью данного доклада является определение значимых нефтегазовых научных проблем, требующих привлечения суперкомпьютеров. Основные задачи: создание прикладного программного обеспечения для управления цифровым двойником нефтегазового месторождения в режиме реального времени, 4D геологического и термогидродинамического моделирования на суперкомпьютерах петафлопcного класса и подготовка высококвалифицированных нефтегазовых специалистов в этой области. Обеспечение ускоренного внедрения цифровых технологий в экономике - одна из важнейших задач и приоритетов развития России, которые определенны Указом Президента РФ от 7 мая 2018 г. № 204 О национальных целях и стратегических задачах Российской Федерации на период до 2024 года. 27 июня состоялось заседание Президиума РАН, на котором с докладом О мерах по развитию суперкомпьютерных цифровых технологий в Российской Федерации выступил академик РАН Четверушкин Б.Н. Он отметил, что Россия отстает от развитых стран в области создания и применения типовых кластерных суперкомпьютеров. Чл.-корр. РАН Кабанихин С.И. доложил, что к 2026 году Новосибирский суперкомпьютерный центр планирует создать суперкомпьютер производительностью 1 EFLOPS. Рейтинг TOP500 за июнь 2018 г. возглавил суперкомпьютер Summit, производительность которого достигает 122,3 петафлопса в секунд на 4,4 тыс. вычислительных серверах. Суперкомпьютеры — это движущая сила цифровой нефтегазовой экономики мира. Цифровые и суперкомпьютерные технологии служат основой глубокой модернизации нефтегазовой отрасли [1]. Сегодня нефтегазовые компании России отстают: у нас нет ни одного нефтегазового суперкомпьютера в мировом топ-500. Нефтегазовые зарубежные компании успешно эксплуатируют суперкомпьютеры с многоядерными процессорами и производительностью вплоть до 18 PTFLOPS. Применение суперкомпьютеров для решения нефтегазовых задач позволяет учитывать сложное геологическое строение нефтегазовых месторождений, многомерную геометрию многофазных потоков флюидов; обеспечивать многовариантность и высокую точность термогидродинамических расчётов показателей разработки. К очевидным сложностям применения традиционных (CPU) и гибридных (CPU+GPU) суперкомпьютеров следует отнести вопросы адаптации и корректности используемых вычислительных алгоритмов и термогидродинамических моделей на архитектуре многоядерных, мультипроцессорных систем. Производительность вычислений достигнутых в национальных суперкомпьютерных проектах становится возможной в частных нефтегазовых компаниях через четыре-пять лет. Самый мощный частный суперкомпьютер Eni HPC4 c 18.6 PTFLOPS и потребляемой мощностью 1,3 МВт (13-е место в рейтинге TOP500, 2018, июнь), принадлежит нефтегазовой компании Eni, Италия. В этом суперкомпьютере используются графические процессоры Nvidia. Задача выбора оптимальной стратегии бурения для 100 000 равновероятных моделей глубоководного месторождения (5,7 миллионов активных ячеек) с имитацией 15 лет производства заняла 15 часов. На втором месте находится частный суперкомпьютер Shaheen II CRAY XC40 c 5.5 PTFLOPS и потребляемой мощностью 2,8 МВт (29-е место в рейтинге TOP500, 2018, июнь). На этом суперкомпьютере было осуществлено моделирование миллионов лет миграции нефти из материнских пород в ловушки за 10 часов с использованием 1 триллиона активных вычислительных клеток. Программа Возрождение старых нефтегазодобывающих регионов России, предложенная академиком Дмитриевским А.Н., вошла в перечень прорывных технологий для своевременного реагирования на мировые технологические вызовы. (Приложение Г к Энергетической стратегии России на период до 2035 г.). Всего в России имеется 59 уникальных месторождений, из них 26 нефтяных и 33 газовых (уникальные месторождения – это месторождения с начальными запасами более 300 млн. тонн нефти или 500 млрд. куб. м газа, в соответствии с приказом № 298 МПР РФ от 1 ноября 2005 г.), в недрах которых остаются еще свыше 70% нефти и 30-35% газа. Возрождение уникальных месторождений нефти и газа возможно на пути цифровой модернизации нефтегазового производства на основе передовых отечественных технологий, в том числе в области суперкомпьютеров, и создании для каждого из месторождений своего цифрового двойника. Для диссипативного сейсмологического мониторинга техногенных процессов разработки и эксплуатации на месторождениях используются фазированные антенные решетки, способных генерировать до нескольких Пб сырых Больших ГеоДанных в сутки, что требует размещения суперкомпьютеров в непосредственной близости к уникальным месторождениям и темпа ввода их в эксплуатацию от 1 до 4 шт/год, в период 2020 – 2028 гг., соответственно. Каждый центр интегрированных операций на уникальном месторождении предлагается оснастить петафлопсной гибридной (CPU+GPU) высокопроизводительной системой к 2022-2024 гг. (средняя удельная стоимость 1млн/1PTFLOPS и удельное энергопотребление 0,1 МВт/1PTFLOPS). Цифровая модернизация нефтегазового производства на базе суперкомпьютерного управления режима реального времени позволит нарастить ежегодную добычу нефти на 25-30 млн. т нефти и 20-25 млрд. м3 газа и окупит затраты на петафлопсные суперкомпьютерные технологии в течение года с момента начала их использования на уникальных месторождениях.

Abstract

The article is prepared based on the results of the work carried out within the framework of the Program of the State Academies of Sciences for 2013-2020. Section 9 "Earth Sciences"; directions of fundamental research: 131. "Geology of hydrocarbon fields, fundamental problems of geology and geochemistry of oil and gas, scientific foundations for the formation of a raw materials base for traditional and non-traditional sources of hydrocarbon raw materials" and 132. "Integrated development and conservation of the Earth's interior, innovative development of mineral fields and deep processing of mineral raw materials ", within the framework of the projects "The Fundamental Basis of Innovative Technologies in the Oil and Gas Industry ", No. AAAA A16-116031750016-3.

The purpose of this report is to identify the significant oil and gas scientific problems that require the involvement of supercomputers. The main tasks: the creation of application software for managing "the digital twin" of the oil and gas field in real time, 4D geological and the thermo-hydrodynamic modeling on the Petascaling supercomputers, and the training of highly skilled oil and gas specialists in this field. Ensuring the accelerated introduction of the digital technologies in the economy is one of the most important tasks and priorities of Russia's development, which are defined by the Presidential Decree No. 204 of May 7, 2018, "On National Purposes and Strategic Objectives of the Russian Federation for the Period to 2024". On June 27, a meeting of the Presidium of the Russian Academy of Sciences was held where Academician of the Russian Academy of Sciences Chetverushkin B.N. made a report on "About measures to develop the supercomputer digital technologies in the Russian Federation". He noted that Russia lags behind the developed countries in the field of creating and applying typical cluster supercomputers. Corresponding member of the Russian Academy of Sciences Kabanikhin S.I. reported that by 2026 the Novosibirsk supercomputer center plans to create a supercomputer with a performance of 1 EFLOPS. TOP500 rating for June 2018 was headed by the Summit supercomputer, whose performance reaches 122.3 PTFLOPS in seconds on 4.4 thousand computing servers. Supercomputers are the driving force of the world's digital oil and gas economy. Digital and supercomputer technologies serve as the basis for deep modernization of the oil and gas industry [1]. Today, Russia's oil and gas companies are lagging behind: we do not have a single oil and gas supercomputer in the world's top 500. Oil and gas overseas companies successfully operate supercomputers with the multi-core processors and the performance up to 18 PTFLOPS. The use of supercomputers to solve oil and gas problems allows us to take into account the complex geological structure of oil and gas fields, the multidimensional geometry of multiphase fluid flows; to provide multi-variation and high accuracy of thermo-hydrodynamic calculations of the development indicators. The obvious difficulties of using traditional (CPU) and hybrid (CPU + GPU) supercomputers include issues of the adaptation and the correctness of the computational algorithms and thermo-hydrodynamic models used on the architecture of the multi-core, multiprocessor systems. The performance of computations achieved in national supercomputer projects becomes possible in the private oil and gas companies in four to five years. The most powerful private supercomputer Eni HPC4 with 18.6 PTFLOPS and a power consumption of 1.3 MW (13th in the TOP500 ranking, 2018, June) belongs to the oil and gas company Eni, Italy. This supercomputer uses Nvidia GPUs. The task of choosing the optimal drilling strategy for 100,000 imitations of a deep-water field (5.7 million active cells) with the simulation of 15 years of oil production took 15 hours. In second place is the private supercomputer Shaheen II CRAY XC40 with 5.5 PTFLOPS and a power consumption of 2.8 MW (29th in the TOP500 ranking, 2018, June). On this supercomputer the simulation an oil migration problem with millions of years of history from the source rocks to the traps in 10 hours using 1 trillion active computational cells. The program "Revival of old oil and gas producing regions of Russia", proposed by academician Dmitrievsky A. N, was included in the list of the breakthrough technologies for timely response to the global technological challenges. (Appendix G to the Energy Strategy of Russia for the period up to 2035). In total, there are 59 unique fields in Russia, 26 of them are oil and 33 gas (unique fields are fields with initial reserves of more than 300 million tons of oil or 500 billion cubic meters. m of gas, according to the order No. 298 of the Ministry of Natural Resources of the Russian Federation of November 1, 2005), in which more than 70% of oil and 30-35% of gas remain. The revival of unique oil and gas fields is possible on the way of digital modernization of oil and gas production on the basis of advanced domestic technologies, including in the field of supercomputers, and the creation of "a digital twin" for each of these fields. For the dissipative seismological monitoring of the technogenic processes of the development and the operation in the fields, phased antenna arrays are used that can generate up to several Peta bytes of "raw" Big Geo Data per day, which requires the placement of supercomputers in close proximity to unique fields and the rate at which they are put into operation from 1 to 4 pcs. / year, in the period 2020 - 2028, respectively. Each center of integrated operations on a unique field is proposed to equip a Petascaling hybrid system by 2022-2024 years (the average unit cost is 1mln / 1PTFLOPS and the specific energy consumption is 0.1 MW / 1PTFLOPS). Digital modernization of the oil and gasproduction on the basis of supercomputer control of the real-time regime will allow increasing annual oil production by 25-30 million tons of oil and 20-25 billioncubic meters of gas and will pay for the costs of Petascaling computing technology within a year from the time of their use at unique fields.

Литература

1.Абукова Л.А., Дмитриевский А.Н., Еремин Н.А. Цифровая модернизация нефтегазового комплекса России // Нефтяное хозяйство. — 2017. — № 10. — С. 54–58.

References

1. AbukovaL. A., Dmitrievsky A. N., Eremin N. A. Digital modernization of the oil and gas complex of Russia // Oil industry. - 2017. - №10. - P. 54-58.