Применение суперкомпьютерных технологий для долгосрочного моделирования границ залегания вечной мерзлоты на нефтегазовых месторождениях арктики

Article Sidebar

PDF
Опубликован: 28.05.2020
УДК 004.42 004.021 519.688
DOI: https://doi.org/10.26907/1562-5419-2020-23-4-848-865
Выпуск
Том 23 № 4 (2020): Тематический выпуск «Научный сервис в сети Интернет». Часть 2

Main Article Content

Михаил Юрьевич Филимонов
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН
Наталия Анатольевна Ваганова
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН
Елена Николаевна Акимова
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН
Владимир Евгеньевич Мисилов
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН

Аннотация

Рассмотрена модель распространения тепловых полей в многолетнемерзлых породах от различных инженерных объектов, функционирующих в Арктических районах. В предложенную модель включены наиболее существенные технические и климатические параметры, влияющие на формирование тепловых полей в приповерхностном слое грунта. Основной целью исследования является долгосрочное прогнозирование изменения динамики границы залегания вечной мерзлоты при эксплуатации кустовой площадки северного нефтегазового месторождения. Такой прогноз получается при моделировании сложной системы, состоящей из источников тепла (холода) и мерзлого грунта, растепление которого может приводить к потере его несущей способности и возможным техногенным и экологическим авариям. Например, источниками тепла могут выступать добывающие скважины, а источниками холода – сезоннодействующие охлаждающие устройства, которые используются для термостабилизации грунта. Для минимизации воздействия источников тепла на вечную мерзлоту использованы различные варианты теплоизоляции, а для сохранения первоначального температурного режима верхнего слоя грунта – отсыпки, состоящие из песка, бетона, пеноплекса или другого теплоизолирующего материала. Разработанный комплекс программ был использован при проектировании 12 северных нефтегазовых месторождений. Для решения описанной задачи в сложной трехмерной области требуются существенные вычислительные ресурсы. Время расчета одного варианта часто может превышать 10–20 часов машинного времени на суперЭВМ. Для ускорения проведения численных расчетов были использованы многоядерные процессоры. Приведены численные расчеты, которые иллюстрируют возможности разработанного комплекса программ для проведения долгосрочных прогнозов по определению изменения границ распространения зон вечной мерзлоты, а также показывают, что на многоядерных процессорах можно достичь ускорения, близкого к теоретическому.

Article Details

Биографии авторов

Михаил Юрьевич Филимонов

Заведующий кафедрой высокопроизводительных компьютерных технологий Уральского федерального университета, ведущий научный сотрудник Института математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН. Сфера научных интересов – математическое моделирование и информатика.

Наталия Анатольевна Ваганова

Старший научный сотрудник Уральского федерального университета и Института математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН. Сфера научных интересов – информационные технологии и вычислительная математика.

Елена Николаевна Акимова

Профессор кафедры Информационных технологий и систем управления Института радиоэлектроники и информационных технологий – РтФ Уральского федерального университета, ведущий научный сотрудник Института математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН. Сфера научных интересов – численные методы, некорректные задачи, параллельные вычисления.

Владимир Евгеньевич Мисилов

Научный сотрудник Института математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН, доцент Уральского федерального университета. Сфера научных интересов — обратные и некорректные задачи, численные методы, параллельные вычисления.

Библиографические ссылки

Nelson F.E., Anisimov O.A., Shiklomanov N.I. Subsidence risk from thawing permafrost // Nature. 2001. V. 410. P. 889–890.

Nelson F.E., Anisimov O.A., Shiklomanov N.I. Climate Change and Hazard Zonation in the Circum-Arctic Permafrost Regions // Natural Hazards. 2002. V. 26. P. 203–225.

Akimova E.N, Filimonov M.Y., Misilov V.E., Vaganova N.A. Supercomputer modelling of thermal stabilization processes of permafrost soils // 18th Intern. Conf. Geoinformatics: Theoretical and Applied Aspects, Geoinformatics 2019. Kyiv, Ukraine, 13–16 May 2019. P. 15482.

Akimova E. N., Filimonov M.Yu., Misilov V.E., Vaganova N.A. Simulation of thermal processes in permafrost: parallel implementation on multicore CPU // CEUR Workshop Proceedings. 2018. V. 2274. P. 1–9. URL: http://ceur-ws.org/Vol-2274/paper-01.pdf

Vaganova N., Filimonov M. Simulation of freezing and thawing of soil in Arctic regions // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2017. V. 72. P. 012005. doi:10.1088/1755-1315/72/1/012005. URL: http://iopscience.iop.org/article/ 10.1088/1755-1315/72/1/ 012005/pdf

Vaganova N.A., Filimonov M.Yu. Computer simulation of nonstationary thermal fields in design and operation of northern oil and gas fields // AIP Conference Proceedings. 2015. V. 1690. P. 020016. doi: 10.1063/1.4936694

Ваганова Н.А., Филимонов М.Ю. Моделирование эксплуатации инженерных систем в условиях вечной мерзлоты // Вестник НГУ. Сер. Математика, механика, информатика. 2013. Т. 13. № 4. С. 37–42. URL: http://mathnet.ru/links/ c888886340a471d696d18d1435e5eaf2/vngu312.pdf

Filimonov M.Yu., Vaganova N.A. Simulation of Technogenic and Climatic Influences in Permafrost // Lecture Notes in Computer Science. 2015. V. 9045. P. 178–185. doi:10.1007/978-3-319-20239-6_18. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-20239-6_18

Filimonov M., Vaganova N. Short and Long Scale Regimes of Horizontal Flare System Exploitation in Permafrost // CEUR Workshop Proceedings. 2016. V. 1662. P. 253–260. URL: http://ceur-ws.org/Vol-1662/mod3.pdf

Filimonov M.Yu., Vaganova N.A. Simulation of Influence of Special Regimes of Horizontal Flare Systems on Permafrost // Lecture Notes in Computer Science. 2019. V. 11386. P. 233–240. doi:10.1007/978-3-030-11539-5_25

Vaganova N.A., Filimonov M.Yu. Simulation of Cooling Devices and Effect for Thermal Stabilization of Soil in a Cryolithozone with Anthropogenic Impact // Lecture Notes in Computer Science. 2019. V. 11386. P. 580–587. doi:10.1007/978-3-030-11539-5_68

Vaganova N., Filimonov M. Parallel splitting and decomposition method for computations of heat distribution in permafrost // CEUR Workshop Proceedings. 2015. V. 1513. P. 42–49. URL: http://ceur-ws.org/Vol-1513/paper-05.pdf

Берсенев А.Ю., Ваганова Н.А., Васёв П.А., Игумнов А.С., Филимонов М.Ю. Кластерные вычисления как сервис на примере задачи моделирования тепловых полей от скважин на северных нефтегазовых месторождениях // Научный сервис в сети Интернет: многообразие суперкомпьютерных миров: труды Международной суперкомпьютерной конференции (22–27 сентября 2014 г., г. Новороссийск). М.: Изд-во МГУ, 2014. С. 147–151. URL: http://agora.guru.ru/abrau2014/pdf/147.pdf

Ваганова Н.А., Васев П.А., Гусарова В.В., Игумнов С.Т., Филимонов М.Ю. Использование облачных технологий при моделировании эксплуатации северных нефтегазовых месторождений // Труды ИМех УрО РАН «Проблемы механики и материаловедения». Материалы конференции «Актуальные проблемы математики, механики, информатики». Ижевск, 3–5 марта 2014. 2014. Ижевск: ИМ УрО РАН. С. 23–28.

Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономическая схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // ЖВМиМФ. 1965. Т. 5. № 5. С. 816–827.

Filimonov M.Yu., Vaganova N.A. On Boundary Conditions Setting for Numerical Simulation of Thermal Fields Propagation in Permafrost Soils // CEUR-WS Proceedings. 2018. Vol. 2109. P. 115–122. URL: http://ceur-ws.org/Vol-2109/paper-04.pdf

Ваганова Н.А., Филимонов М.Ю. Долгосрочное прогнозирование динамики зон оттаивания многолетнемерзлых пород в устье куста добывающих скважин // XXXI Сибирский теплофизический семинар, посвященный 100-летию академика С.С. Кутателадзе: сб. тр. Всероссийской конференции. Новосибирск: ИТ СО РАН, 2014. С. 42–48.

Башуров Вл.В., Ваганова Н.А., Филимонов М.Ю. Численное моделирование процессов теплообмена в грунте с учетом фильтрации жидкости // Вычислительные технологии. 2011. Т. 16. №. 4. С. 3–18.

Voevodin V.V., Voevodin Vl.V. Parallel computing // St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2002. 608 p.

Rodrigue G. (Ed.) Parallel computations. Vol. 1. Elsevier. 2014.

Akimova E.N., Filimonov M.Yu., Misilov V.E., Vaganova N.A. Simulation of thermal processes in permafrost: parallel implementation on multicore CPU // CEUR Workshop Proceedings. 2018. Vol. 2274. P. 1–9. URL:  http://ceur-ws.org/Vol-2274/paper-01.pdf

Chandra R., Dagum L., Kohr D., Menon R., Maydan D., McDonald J. Parallel programming in OpenMP. Morgan Kaufmann. 2001.

Intel Developer Zone. Intel VTune Amplifier. URL: https://software. intel. com/en-us/intel-vtune-amplifier-xe-support/documentation.



Представляя статьи для публикации в журнале «Электронные библиотеки», авторы автоматически дают согласие предоставить ограниченную лицензию на использование материалов Казанскому (Приволжскому) федеральному университету (КФУ) (разумеется, лишь в том случае, если статья будет принята к публикации). Это означает, что КФУ имеет право опубликовать статью в ближайшем выпуске журнала (на веб-сайте или в печатной форме), а также переиздавать эту статью на архивных компакт-дисках журнала или включить в ту или иную информационную систему или базу данных, производимую КФУ.

Все авторские материалы размещены в журнале «Электронные библиотеки» с ведома авторов. В случае, если у кого-либо из авторов есть возражения против публикации его материалов на данном сайте, материал может быть снят при условии уведомления редакции журнала в письменной форме.

Документы, изданные в журнале «Электронные библиотеки», защищены законодательством об авторских правах, и все авторские права сохраняются за авторами. Авторы самостоятельно следят за соблюдением своих прав на воспроизводство или перевод их работ, опубликованных в журнале. Если материал, опубликованный в журнале «Электронные библиотеки», с разрешения автора переиздается другим издателем или переводится на другой язык, то ссылка на оригинальную публикацию обязательна.

Передавая статьи для опубликования в журнале «Электронные библиотеки», авторы должны принимать в расчет, что публикации в интернете, с одной стороны, предоставляют уникальные возможности доступа к их материалам, но, с другой, являются новой формой обмена информацией в глобальном информационном обществе, где авторы и издатели пока не всегда обеспечены защитой от неправомочного копирования или иного использования материалов, защищенных авторским правом.

При использовании материалов из журнала обязательна ссылка на URL: http://rdl-journal.ru. Любые изменения, дополнения или редактирования авторского текста недопустимы. Копирование отдельных фрагментов статей из журнала разрешается для научных исследований, персонального использования, коммерческого использования до тех пор, пока есть ссылка на оригинальную статью.

Запросы на право переиздания или использования любых материалов, опубликованных в журнале «Электронные библиотеки», следует направлять главному редактору Елизарову А.М. по адресу: amelizarov@gmail.com

Издатели журнала «Электронные библиотеки» не несут ответственности за точки зрения, излагаемые в публикуемых авторских статьях.

Предлагаем авторам статей загрузить с этой страницы, подписать и выслать в адрес издателя журнала по электронной почте скан Авторского договора о передаче неисключительных прав на использование произведения.