Profondément sous la surface de la Terre, le pétrole et les eaux souterraines s'infiltrent à travers des trous dans la roche et d'autres matériaux géologiques. A l'abri des regards, ces ressources critiques constituent un défi important pour les scientifiques qui cherchent à évaluer l'état de tels écoulements de fluides diphasiques. Heureusement, la combinaison de techniques de calcul intensif et d'imagerie synchrotron permet des méthodes plus précises pour modéliser l'écoulement des fluides dans de grands systèmes souterrains comme les réservoirs de pétrole, puits pour la séquestration du carbone, et les nappes phréatiques.

Des chercheurs dirigés par le scientifique informaticien James McClure de Virginia Tech ont utilisé le supercalculateur Titan de 27 pétaflops de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) pour développer un modèle géométrique qui ne nécessite que quelques mesures clés pour caractériser la façon dont les fluides sont disposés dans la roche poreuse. est, leur état géométrique.

L'OLCF est une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) située au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans Liquides d'examen physique en 2018.

Le nouveau modèle géométrique offre aux géologues un moyen unique de prédire l'état du fluide et de surmonter une lacune bien connue associée aux modèles utilisés depuis plus d'un demi-siècle.

Au tournant du 20e siècle, le mathématicien allemand Hermann Minkowski a démontré que les objets 3-D sont associés à quatre mesures essentielles :le volume, superficie, courbure moyenne intégrale, et caractéristique d'Euler. Cependant, dans les modèles de calcul traditionnels pour l'écoulement souterrain, la fraction volumique fournit la seule mesure de l'état du fluide et repose sur des données d'observation recueillies au fil du temps pour une plus grande précision. Sur la base de l'analyse fondamentale de Minkowski, ces modèles traditionnels sont incomplets.

"Les mathématiques dans notre modèle sont différentes du modèle traditionnel, mais ça marche plutôt bien, " a déclaré McClure. "Le modèle géométrique caractérise la microstructure du milieu à l'aide d'un nombre très limité de mesures."

Pour appliquer le résultat de Minkowski au complexe, configurations fluides multiphasiques trouvées dans la roche poreuse, L'équipe de McClure avait besoin de générer une grande quantité de données, et Titan a fourni la puissance de calcul extrême nécessaire.

Travailler avec des collaborateurs internationaux, l'équipe a sélectionné cinq ensembles de données de tomodensitométrie (microCT) collectés par des synchrotrons à rayons X pour représenter la structure microscopique de roches réelles. Les ensembles de données comprenaient deux grès, un sac de sable, une roche carbonatée, et un système poreux synthétique connu sous le nom de Robuglas. L'équipe a également inclus un pack simulé de sphères.

Dans chaque rocher, des milliers de configurations fluides possibles ont été simulées et analysées, totalisant plus de 250, 000 configurations fluides. En utilisant les données de simulation, l'équipe a pu montrer qu'il existe une relation unique entre les quatre variables géométriques, ouvrant la voie à une nouvelle génération de modèles qui prédisent l'état du fluide à partir de la théorie plutôt qu'en s'appuyant sur un ensemble de données historiques.

"Les relations autrefois considérées comme intrinsèquement dépendantes de l'histoire peuvent maintenant être reconsidérées sur la base d'une théorie géométrique rigoureuse, " a déclaré McClure.

L'équipe a utilisé le code open source Lattice Boltzmann for Porous Media (LBPM), développé par McClure et nommé pour la méthode de Boltzmann basée sur les statistiques qui calcule l'écoulement de fluide à travers une gamme d'échelles plus rapidement que les calculs utilisant des méthodes finies, qui sont les plus précis à petite échelle. Le code LBPM, qui utilise les GPU de Titan pour accélérer les simulations d'écoulement de fluide, est publié dans le cadre de l'Open Porous Media Initiative, qui maintient des codes open source pour la communauté des chercheurs.

"Les méthodes de Lattice Boltzmann fonctionnent très bien sur les GPU, " a déclaré McClure. " Dans notre mise en œuvre, la simulation s'exécute sur les GPU tandis que les cœurs du CPU analysent les informations ou modifient l'état des fluides."

A des vitesses de calcul exceptionnelles, l'équipe a pu analyser l'état de la simulation environ tous les 1, 000 pas de temps, ou à environ chaque minute de temps de calcul.

"Cela nous a permis de générer un très grand nombre de points de données qui peuvent être utilisés pour étudier non seulement l'état géométrique mais aussi d'autres aspects de la physique des écoulements à mesure que nous avançons, " a déclaré McClure.

Des simulations plus importantes seront nécessaires pour étudier comment les diverses propriétés et la microstructure des roches réelles influencent le comportement de la relation géométrique à travers les échelles de longueur. Une nouvelle génération de superordinateurs, comme le dernier système de l'OLCF, l'IBM AC922 Summit de 200 pétaflops, sera nécessaire pour connecter la physique des écoulements à des échelles de longueur allant de pores de taille nanométrique à millimétrique à des réservoirs pouvant s'étendre sur plusieurs kilomètres.

« La sortie du supercalculateur Summit permet des simulations plus importantes qui repousseront davantage les limites de notre compréhension de ces systèmes multi-échelles complexes, " a déclaré McClure.