Muy por debajo de la superficie de la Tierra, el petróleo y el agua subterránea se filtran a través de huecos en las rocas y otros materiales geológicos. Oculto a la vista Estos recursos críticos plantean un desafío importante para los científicos que buscan evaluar el estado de tales flujos de fluidos de dos fases. Afortunadamente, La combinación de técnicas de imágenes basadas en supercomputación y sincrotrón permite métodos más precisos para modelar el flujo de fluidos en grandes sistemas subterráneos como depósitos de petróleo. sumideros para el secuestro de carbono, y acuíferos subterráneos.

Los investigadores dirigidos por el científico computacional James McClure de Virginia Tech utilizaron la supercomputadora Titan de 27 petaflop en el Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para desarrollar un modelo geométrico que requiere solo unas pocas medidas clave para caracterizar cómo se organizan los fluidos dentro de la roca porosa, que es, su estado geométrico.

La OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de ciencias científicas del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE. Los resultados del equipo se publicaron en Fluidos de revisión física en 2018.

El nuevo modelo geométrico ofrece a los geólogos una forma de predecir de forma única el estado del fluido y superar una deficiencia conocida asociada con los modelos que se han utilizado durante más de medio siglo.

Alrededor de principios del siglo XX, el matemático alemán Hermann Minkowski demostró que los objetos tridimensionales están asociados con cuatro medidas esenciales:volumen, área de superficie, curvatura media integral, y característica de Euler. Sin embargo, en los modelos computacionales tradicionales para el flujo subterráneo, la fracción de volumen proporciona la única medida del estado del fluido y se basa en datos de observación recopilados a lo largo del tiempo para lograr la mayor precisión. Basado en el análisis fundamental de Minkowski, estos modelos tradicionales están incompletos.

"Las matemáticas de nuestro modelo son diferentes del modelo tradicional, pero funciona bastante bien McClure dijo:"El modelo geométrico está caracterizando la microestructura del medio utilizando un número muy limitado de medidas".

Para aplicar el resultado de Minkowski al complejo, configuraciones de fluidos multifásicos que se encuentran en rocas porosas, El equipo de McClure necesitaba generar una gran cantidad de datos, y Titán proporcionó la potencia computacional extrema necesaria.

Trabajando con colaboradores internacionales, El equipo seleccionó cinco conjuntos de datos de micro tomografía computarizada (microCT) recopilados por sincrotrones de rayos X para representar la estructura microscópica de rocas reales. Los conjuntos de datos incluyeron dos areniscas, un paquete de arena, una roca carbonatada, y un sistema poroso sintético conocido como Robuglas. El equipo también incluyó un paquete de esferas simulado.

Dentro de cada roca Se simularon y analizaron miles de posibles configuraciones de fluidos, totalizando más de 250, 000 configuraciones de fluidos. Usando los datos de la simulación, el equipo pudo demostrar que existe una relación única entre las cuatro variables geométricas, allanando el camino para una nueva generación de modelos que predicen el estado del fluido a partir de la teoría en lugar de basarse en un conjunto histórico de datos.

"Las relaciones que antes se pensaba que eran inherentemente dependientes de la historia ahora pueden reconsiderarse basándose en una rigurosa teoría geométrica, "Dijo McClure.

El equipo utilizó el código Lattice Boltzmann for Porous Media (LBPM) de código abierto, desarrollado por McClure y llamado así por el método de Boltzmann de celosía basado en estadísticas que calcula el flujo de fluido en una gama de escalas más rápidamente que los cálculos que utilizan métodos finitos, que son más precisos a escalas pequeñas. El código LBPM, que utiliza las GPU de Titan para acelerar las simulaciones de flujo de fluidos, se lanza a través de Open Porous Media Initiative, que mantiene códigos de fuente abierta para la comunidad de investigación.

"Los métodos Lattice Boltzmann funcionan muy bien en GPU, ", Dijo McClure." En nuestra implementación, la simulación se ejecuta en las GPU mientras que los núcleos de la CPU analizan información o modifican el estado de los fluidos ".

A velocidades informáticas excepcionales, el equipo pudo analizar el estado de la simulación aproximadamente cada 1, 000 pasos de tiempo, o aproximadamente cada minuto de tiempo de computación.

"Esto nos permitió generar una gran cantidad de puntos de datos que pueden usarse para estudiar no solo el estado geométrico, sino también otros aspectos de la física de flujo a medida que avanzamos, "Dijo McClure.

Se necesitarán simulaciones más grandes para estudiar cómo las diversas propiedades y microestructura de las rocas reales influyen en el comportamiento de la relación geométrica a través de escalas de longitud. Se necesitará una nueva generación de supercomputadoras como el último sistema de OLCF, el IBM AC922 Summit de 200 petaflop, para conectar la física de flujo en escalas de longitud que van desde poros de nanómetros a milímetros hasta depósitos que pueden abarcar varios kilómetros.

"El lanzamiento de la supercomputadora Summit permite simulaciones más grandes que ampliarán aún más los límites de nuestra comprensión de estos complejos sistemas multiescala, "Dijo McClure.