Bem abaixo da superfície da Terra, o óleo e a água subterrânea se infiltram através de lacunas nas rochas e em outros materiais geológicos. Escondido da vista, esses recursos críticos representam um desafio significativo para os cientistas que buscam avaliar o estado de tais fluxos de fluido de duas fases. Felizmente, a combinação de supercomputação e técnicas de imagem baseadas em síncrotron permite métodos mais precisos para modelar o fluxo de fluido em grandes sistemas de subsuperfície, como reservatórios de petróleo, sumidouros para sequestro de carbono, e aquíferos subterrâneos.

Os pesquisadores liderados pelo cientista computacional James McClure, da Virginia Tech, usaram o supercomputador Titan de 27 petaflop no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para desenvolver um modelo geométrico que requer apenas algumas medições importantes para caracterizar como os fluidos são organizados dentro da rocha porosa - que é, seu estado geométrico.

O OLCF é uma facilidade do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge do DOE. Os resultados da equipe foram publicados em Fluidos de revisão física em 2018.

O novo modelo geométrico oferece aos geólogos uma maneira única de prever o estado do fluido e superar uma deficiência conhecida associada a modelos que têm sido usados ​​por mais de meio século.

Por volta da virada do século 20, o matemático alemão Hermann Minkowski demonstrou que objetos 3-D estão associados a quatro medidas essenciais:volume, área de superfície, curvatura média integral, e característica de Euler. Contudo, nos modelos computacionais tradicionais para fluxo de subsuperfície, a fração de volume fornece a única medida do estado do fluido e depende de dados observacionais coletados ao longo do tempo para maior precisão. Com base na análise fundamental de Minkowski, esses modelos tradicionais estão incompletos.

"A matemática em nosso modelo é diferente do modelo tradicional, mas funciona muito bem, "McClure disse." O modelo geométrico está caracterizando a microestrutura do meio usando um número muito limitado de medidas. "

Para aplicar o resultado de Minkowski ao complexo, configurações de fluido multifásico encontradas em rocha porosa, A equipe de McClure precisava gerar uma grande quantidade de dados, e Titan forneceu o poder computacional extremo necessário.

Trabalhando com colaboradores internacionais, a equipe selecionou cinco conjuntos de dados de micro tomografia computadorizada (microCT) coletados por síncrotrons de raios-X para representar a estrutura microscópica de rochas reais. Os conjuntos de dados incluíram dois arenitos, um pacote de areia, uma rocha carbonática, e um sistema poroso sintético conhecido como Robuglas. A equipe também incluiu um pacote simulado de esferas.

Dentro de cada pedra, milhares de configurações de fluidos possíveis foram simuladas e analisadas, totalizando mais de 250, 000 configurações de fluido. Usando os dados de simulação, a equipe conseguiu mostrar que existe uma relação única entre as quatro variáveis ​​geométricas, pavimentando o caminho para uma nova geração de modelos que prevêem o estado de fluido a partir da teoria, em vez de depender de um conjunto histórico de dados.

"Relacionamentos antes considerados como inerentemente dependentes da história podem agora ser reconsiderados com base na teoria geométrica rigorosa, "Disse McClure.

A equipe usou o código aberto Lattice Boltzmann for Porous Media (LBPM), desenvolvido por McClure e nomeado para o método de rede Boltzmann dirigido por estatísticas que calcula o fluxo de fluido em uma gama de escalas mais rapidamente do que cálculos usando métodos finitos, que são mais precisos em escalas pequenas. O código LBPM, que usa as GPUs do Titan para acelerar as simulações de fluxo de fluido, é lançado através da Open Porous Media Initiative, que mantém códigos de fonte aberta para a comunidade de pesquisa.

"Os métodos Lattice Boltzmann funcionam muito bem em GPUs, "Disse McClure." Em nossa implementação, a simulação é executada nas GPUs enquanto os núcleos da CPU analisam as informações ou modificam o estado dos fluidos. "

Em velocidades de computação excepcionais, a equipe foi capaz de analisar o estado da simulação a cada 1, 000 passos de tempo, ou a cada minuto do tempo de computação.

"Isso nos permitiu gerar um grande número de pontos de dados que podem ser usados ​​para estudar não apenas o estado geométrico, mas também outros aspectos da física do fluxo à medida que avançamos, "Disse McClure.

Simulações maiores serão necessárias para estudar como as diversas propriedades e microestruturas de rochas reais influenciam o comportamento da relação geométrica em escalas de comprimento. Uma nova geração de supercomputadores como o sistema mais recente do OLCF - o IBM AC922 Summit de 200 petaflop - será necessária para conectar a física do fluxo em escalas de comprimento que variam de poros nanométricos a milimétricos e reservatórios que podem abranger vários quilômetros.

"O lançamento do supercomputador Summit permite simulações maiores que irão expandir ainda mais os limites de nossa compreensão para esses sistemas multiescala complexos, "Disse McClure.