Федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение
Высшего
профессионального образования
«Уфимский
государственный нефтяной технический
университет»
Кафедра
Вычислительная техника и инженерная
кибернетика
РЕФЕРАТ
на
тему:
«Перспективы
и возможные сферы применения суперкомпьютеров
в нефтегазовой отрасли»
по
дисциплине
«Компьютерные
технологии в науке и производстве»
Выполнил:
ст. гр. МТП-12-01
В.А. Манушков
Принял:
доцент каф. ВТИК
М. Н. Каданцев
Уфа
2012
Содержание
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………...3
- Сферы
применения суперкомпьютеров …………………..……………....4
- Применение суперкомпьютеров
в нефтедобывающей отрасли….…5
- Необходимость
использования суперкомпьютерных технологий
отечественными нефтегазовыми
предприятиями ……………...………...9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
……………………….……15
ВВЕДЕНИЕ
В
последние годы зарубежные государственные
и негосударственные организации
уделяют много внимания развитию
высокопроизводительных вычислительных
технологий в интересах решения
актуальных задач нефтегазового
сервиса.
Суперкомпьютер
– это вычислительная машина, значительно
превосходящая по своим техническим
параметрам большинство существующих
компьютеров.
Применение
суперкомпьютеров позволяет использовать
высокоэффективные алгоритмы обработки
сейсмических данных и построения глубинных
сейсмических изображений. Насколько
актуальна данная тематика, показывает
тот факт, что начиная с 2007 года
в Rice University (Хьюстон, США) дважды в год
проводится семинар по высокопроизводительным
вычислениям в нефтяной и газовой отрасли.
Кроме того, в последние годы в рамках
ведущих международных геофизических
конференций SEG и EAGE организуются секции
или семинары, посвященные высокопроизводительным
вычислениям. Наиболее амбициозные задачи
ставятся и решаются в рамках консорциумов,
объединяющих усилия ведущих специалистов
в области геофизических методов исследований
и вычислений. Финансируют такие проекты
как правительственные организации, так
и нефтяные и компьютерные корпорации.
- Сферы
применения суперкомпьютеров
Традиционной сферой применения
суперкомпьютеров всегда были научные
исследования: физика плазмы и статистическая
механика, физика конденсированных сред,
молекулярная и атомная физика, теория
элементарных частиц, газовая динамика
и теория турбулентности, астрофизика.
В химии - различные области вычислительной
химии: квантовая химия (включая расчеты
электронной структуры для целей конструирования
новых материалов, например, катализаторов
и сверхпроводников), молекулярная динамика,
химическая кинетика, теория поверхностных
явлений и химия твердого тела, конструирование
лекарств. Естественно, что ряд областей
применения находится на стыках соответствующих
наук, например, химии и биологии, и перекрывается
с техническими приложениями. Так, задачи
метеорологии, изучение атмосферных явлений
и, в первую очередь, задача долгосрочного
прогноза погоды, для решения которой
постоянно не хватает мощностей современных
суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда
перечисленных выше проблем физики. Среди
технических проблем, для решения которых
используются суперкомпьютеры, укажем
на задачи аэрокосмической и автомобильной
промышленности, ядерной энергетики, предсказания
и разработки месторождений полезных
ископаемых, нефтедобывающей и газовой
промышленности (в том числе проблемы
эффективной эксплуатации месторождений,
особенно трехмерные задачи их исследования),
и, наконец, конструирование новых микропроцессоров
и компьютеров, в первую очередь самих
суперЭВМ. На рисунке 1 приведены задачи,
решаемые при помощи суперкомпьютеров.
Рисунок
1. Задачи, решаемые суперкомпьютерами
- Применение суперкомпьютеров
в нефтедобывающей отрасли
По
данным на сегодняшний день, из числа
500 самых мощных суперкомпьютеров мира
третье место по использованию занимает
их применение в геофизике компаниями
нефтегазового сервиса при поиске,
разведке и разработке месторождений[3].
Рассмотрим,
в частности, как используются суперкомпьютеры
при разведке нефтегазовых месторождений.
Задачу
поиска и разведки нефтегазовых месторождений
решают геолого-геофизические сервисные
компании, услугами которых пользуются
предприятия нефтяной и газовой
промышленности. Разведка нефтегазовых
месторождений - трудоемкий процесс, связанный
с обработкой гигантских объемов
информации. Именно поэтому геофизика
является одной из приоритетных областей
применения суперкомпьютерных систем.
Геофизики выполняют заказы нефтегазовых
компаний на проведение разведки, доразведки
или разработки месторождения и выдают
рекомендации по проведению бурения в
определенном месте. Для нефтегазовых
компаний точность таких рекомендаций
крайне важна, так как затраты на проведение
геологической разведки очень высоки,
но быстро окупаются во время бурения.
Как показывает практика, на каждый рубль,
вложенный в разведку месторождения по
трехмерной технологии, нефтегазовая
компания получает 5-7 руб. экономии во
время бурения. Понятно, какие потери понесут
нефтегазовые компании, если получат от
геологов погрешности в прогнозе. С другой
стороны, предъявляются жесткие требования
к срокам выработки таких рекомендаций
на определенной территории, поскольку
существует сильная конкуренция между
сервисными геофизическими компаниями.
Необходимость обработки огромных объемов
информации, высокие требования к точности
и скорости выработки прогноза - все это
определяет необходимость применения
для данных задач вычислительных средств
максимальной мощности и предельной надежности.
Повышение эффективности проведения комплекса
поисково-разведочных работ в нефтегазовой
отрасли связано с разработкой и применением
перспективных высокопроизводительных
программно-аппаратных средств и информационных
технологий и включает следующие основные
составляющие:
- обработка и интерпретация
сейсморазведочных данных 2D- и ЗD-съемок,
в том числе по районам со сложными сейсмогеологическими
условиями;
- региональная и локальная оценка
перспектив нефтегазоносности осадочного
чехла и кристаллического фундамента,
включая численный прогноз промышленной
нефтегазоносное локальных поисковых
объектов с использованием оригинальной
методики;
- трехмерное геологическое
моделирование месторождений нефти и
газа;
- формирование баз геолого-геофизических
и промысловых данных.
Задачи
сейсморазведки делятся на два основных
класса: двумерная (2D) и трехмерная (3D)
разведка. В первом случае датчики
располагаются по отдельным линиям
- разрезам и исследования проводятся
в глубину и вдоль разреза.
Трехмерная разведка предполагает распределение
датчиков по поверхности исследуемой
площади и позволяет получить
трехмерную модель расположения ископаемых
внутри земли. Этот вариант обеспечивает
получение более точной и полной информации
о месторождении, но требует гигантских
вычислительных ресурсов для обработки
данных. До недавнего времени эта задача
была просто не решаема в полном объеме,
и только появление суперкомпьютеров
позволило проводить подобные исследования
с высоким уровнем точности в приемлемые
сроки, что обеспечивает компаниям, применяющим
суперкомпьютерные технологии, значительное
преимущество перед своими конкурентами.
Суперкомпьютерные ресурсы также весьма
востребованы и на стадии разработки нефтегазовых
месторождений. Детальное геолого-гидродинамическое
моделирование позволяет оперативно управлять
текущими запасами, группируя их на ранних
стадиях разработки в соответствии с оптимальными
для их извлечения технологиями, осуществлять
оперативное, экономически обоснованное
управление разработкой, проектировать
оптимальные с точки зрения прибыльности
и снижения затрат на добычу нефти системы
разработки. Область применения результатов
геолого-гидродинамического моделирования
обширна и разнообразна. На основе моделирования
при разведке и разработке месторождений
решаются следующие задачи:
- прогноз распространения коллектора,
оптимизация заложения разведочных и
эксплуатационных скважин, минимизация
риска бурения пустых скважин;
- дифференцированный подсчет
запасов по типам коллекторов;
- уточнение параметров пластов
и флюидов и положения литологических
и тектонических экранов;
- проектирование систем разработки.
Возможность многовариантных расчетов,
определение и визуальное представление
остаточных запасов на конец периода разработки
позволяют обосновать оптимальный вариант
добычи и обеспечить полноту выработки
трудноизвлекаемых запасов;
- выбор оптимального варианта,
что обеспечивает высокую экономическую
эффективность разработки объектов;
- возможность оценки эффективности
работы каждой скважины в течение всего
периода эксплуатации, регулирование
на этой основе выработки запасов и снижение
обводненности, выбор оптимальной стратегии
доразработки на поздних стадиях;
- оценка трудноизвлекаемых
запасов и выбор соответствующей технологии
их добычи;
- управление добывающим предприятием,
стратегия развития на перспективу.
Практика
создания и использования геолого-гидродинамических
моделей для проектирования и
мониторинга разработки нефтяных и
газовых месторождений стремительно развивается,
особенно в последнее десятилетие. Активное
использование моделей приводит к быстрому
увеличению их количества, появляется
возможность выбора, что, в свою очередь,
требует более строгой оценки геолого-гидродинамического
моделирования, систематизации и учета
моделей, проведения их экспертизы. Все
это обусловливает существенное увеличение
вычислительных ресурсов. Одновременно
темпы развития информационных технологий
требуют постоянной координации усилий
и обеспечения преемственности научных
и производственных программ [8].
Решение
задач моделирования нефтегазового
месторождения, создание новых производственных
технологий добычи нефти и газа,
технологий рационального природо-
и недропользования предъявляют самые
высокие требования к научной стороне
разработок. По сути, в мировом нефтегазовом
секторе давно создан и активно развивается
высокотехнологичный информационно-технологический
блок, базирующийся на самых последних
достижениях фундаментальной и прикладной
науки. Решение такого комплекса задач
на современном уровне использования
информационно-вычислительных технологий
позволит значительной части промышленности,
и прежде всего отечественному специальному
приборостроению и машиностроению, перейти
на обслуживание потребностей нефтегазового
сектора на принципиально новом качественном
уровне. В основе этого перехода должны
быть не просто меры государственной поддержки
предприятий для расширения производства
или укрепления их финансового положения.
Государственная поддержка должна быть
направлена на обеспечение качественного
продвижения и применения эффективных
наукоемких информационно-вычислительных
технологий, которые позволят значительно
снизить издержки в поиске, разведке и
разработке углеводородного сырья, создать
устойчивый мультипликативный эффект
высокотехнологичного развития в смежных
отраслях, продуктивно решать задачи энергоэффективности
и ресурсосбережения в Союзном государстве
[9].
2. Необходимость
использования суперкомпьютерных технологий
отечественными нефтегазовыми предприятиями
Реально
в настоящее время в нефтегазовом
секторе России реализуется сценарий,
который больше соответствует английской
модели развития нефтегазового сектора:
-
«национальные ресурсы + иностранный
капитал + иностранные технологии»;
-
«национальные ресурсы + национальный
капитал + иностранные технологии».
Так,
например, в Государственном производственном
объединении «Белоруснефть» для обеспечения
эффективного комплексирования традиционных
методов и подходов в поисках, разведке
и разработке нефтяных месторождений
в основной блок прикладного программного
обеспечения вычислительного комплекса
входят разработки компаний «Schlumberger»,
«Paradigm Geophysical». Проектирование сейсморазведочных
работ 2D, 3D ведется на современных аппаратных
комплексах импортного производства с
использованием последних версий программного
обеспечения Mesa, полевые сейсморазведочные
работы 2D, 3D проводятся с использованием
телеметрических комплексов SN388, 408UL и
428XL. Аналогичная картина характерна и
для группы «ЛУКОЙЛ», где в качестве программного
обеспечения используются продукты Landmark,
Paradigm, Roxar, Schlumberger, а в качестве аппаратной
платформы - серверы для поддержки мультипроцессорных
приложений SUN, SGI. Эти примеры очень красочно
характеризуют модель использования технологий
иностранного производства и ее зависимость
от производителей этих технологий. Сегодня
на нашем рынке присутствуют и реально
конкурируют такие мощные компании, как
«Haliburton-Landmark», «Roxar», «Schlumberger», «CGG, ESRI»,
«Fugro Jason» и др [1].
При
таком сценарии деятельность организаций
этого сектора экономики сводится
к «продвижению» иностранных
коммерческих перспективных разработок
в научно-техническую сферу. Развивается
незначительный по объему реализации
комплекс информационных, правовых, организационных
услуг. При этом происходит незначительное
увеличение объема заказов предприятиям
смежных отраслей промышленности Союзного
государства, прежде всего машиностроения
и информатизации. Совершенно очевидно,
что такой вариант развития в
целом не может способствовать формированию
сильной инновационной экономики,
поскольку, по существу, не оказывает
должного мультипликативного влияния
на смежные отрасли экономики. Для
Союзного государства крайне актуальным
является переход к иной модели развития,
сходной с «норвежской», в основе
которой лежит формула
«национальные
ресурсы, технологии, оборудование, сервис
и специалисты + иностранный капитал».
Этот
переход может произойти только
в результате активного государственного
вмешательства, при условии проведения
разумной и эффективной государственной
научно-технической политики. Государство
может и должно играть значимую роль в
обеспечении глобальной энергетической
безопасности, опираясь не только на ресурсную
составляющую, но и на свой высокий интеллектуально-технологический
потенциал, воплощенный в сервисе и нефтегазовом
оборудовании.
С
полноценным развитием сервиса
связаны также вопросы перевода
экономики на высокие технологии,
обеспечивающие решение задач энерго-эффективности,
ресурсосбережения, энергетической безопасности
и, в конечном итоге, реализацию внешнеполитических
и экономических целей государства. Поэтому
крайне важно создать условия для ускоренного
развития высокотехнологичной отрасли
нефтегазового сервиса на базе применения
наилучших отечественных разработок в
области информационных технологий и
высокопроизводительных аппаратных решений,
создания новых научных коллективов и
научно-производственных кооперационных
связей, развития достигнутых позиций
в части суперкомпьютерных технологий.
Любое иное развитие событий приведет
к прямым финансовым потерям, к неэффективному
использованию существующих, по состоянию
на сегодняшний день, ресурсов (научного
потенциала, отлаженных кооперационных
связей) и созданных научно-технических
заделов. При площадных сейсморазведочных
работах, особенно на акваториях, объем
полученных данных может достигать 1 Терабайта
на каждые 200 кв. км (современные широко-азимутальные
наблюдения с длиной записи до 16 с и шагом
дискретизации 1 мс). Площадь наблюдений
может составлять до 4000 кв. км. Таким образом,
общий объем данных может превышать 20
Терабайт. Применение для таких данных
высокоэффективных алгоритмов обработки
и построения глубинных изображений на
современных зарубежных вычислительных
системах требует нескольких месяцев
непрерывной работы. В качестве примера
можно привести следующие цифры: применение
одной из геофизических компаний процедуры
подавления кратных волн по методу 3D SRME
к данным на площади 200 кв. км потребовало
два месяца расчетов на суперкомпьютере
с 1000 процессорных ядер. Основной объем
вычислений со столь большими объемами
данных приходится на этап обработки.
Однако задачи сейсмической инверсии
и сейсмического моделирования, часто
относимые на этап интерпретации, также
могут использовать сравнимые объемы
данных. Гидродинамическое моделирование,
применяемое в процессе разработки месторождения,
требует недель и месяцев расчетов. Применение
суперкомпьютеров масштаба СКИФ позволяет
использовать такие алгоритмы, применение
которых на обычных компьютерах лишено
всякого практического смысла ввиду очень
большого объема вычислений. В качестве
примеров можно привести процедуру подавления
многократных отражений методом 3D SRME или
процедуру глубинной миграции до суммирования
в обратном времени. Развитие технологий
для поиска, разведки и разработки месторождений
нефти и газа сопровождается «информационным
взрывом»: количество данных, описывающих
строение недр, растет экспоненциально.
От двухмерных представлений нефтегазовых
объектов в виде карт и разрезов осуществлен
переход к трехмерным математическим
компьютерным моделям, а изучение процессов
фильтрации в пластах добавило четвертое
измерение - время. Огромное количество
информации, хранящейся в нефтегазодобывающих
организациях, научно-исследовательских
институтах, помимо плюсов имеет и серьезный
недостаток: чем больше данных, тем сложнее
их увязать и проанализировать, особенно
в условиях жесткой конкуренции. Поэтому
одной из важнейших задач является разработка
информационных технологий создания многоуровневой
системы хранения и комплексного анализа
геолого-геофизических данных на базе
адаптации и специализации технологий
и программно-аппаратных средств суперкомпьютеров
семейства «СКИФ» [7].