Нефтяной Microsoft

Большинство нефтяных компаний используют компьютерное моделирование месторождений нефти и газа как при поиске и разработке новых, так и при эксплуатации существующих месторождений.

Нефть и природный газ являются важнейшими источниками энергии и сырьем для химической промышленности. Энергию и материалы, производимые из нефти и газа, ежедневно используют миллиарды людей по всему миру. Ежедневно по всему земному шару добывается более 80 миллионов баррелей нефти в сутки. Россия среди стран производителей этого углеводородного сырья занимает одно из первых мест. После сильного спада добычи в 1990-е годы, связанного с экономическим кризисом в РФ и низкими ценами на нефть, которые в отдельные годы не превышали 15 долларов США за баррель, наступил период резкого подъема мировых цен на нефть. В связи с этим Россия в последние годы наращивает уровень добычи нефти год от года. За 2005 год было добыто 469,6 миллиона тонн нефти, а за 2006 год - 480 миллиона тонн нефти.

Россия располагает одними из богатейших запасов нефти в мире и в дальнейшем собирается продолжать наращивание ее добычи. Однако извлекать нефть из большинства месторождений становится все сложнее. В процессе добычи нефти в пласт необходимо закачивать воду и специальные составы для вытеснения углеводородного сырья. С увеличением срока службы месторождения воды и реагентов закачивается все больше. Уже в 1990 году обводненность продукции нефтяных месторождений в среднем по стране достигла 76%, а на некоторых превысила 90%. В последние полтора десятилетия ситуация не улучшилась, так как вложения в разведку новых месторождений были незначительными, и в настоящее время компании продолжают эксплуатировать истощенные залежи, обнаруженные еще в Советском Союзе.

Тем не менее, продолжающийся рост спроса на нефть и высокие цены на нее заставляют добывающие компании активнее искать и вводить в строй новые месторождения. Все чаще к работе привлекаются компании, осуществляющие сервисное обслуживание старых и только вводимых в эксплуатацию скважин. Растут в последние годы и объемы разведочного и эксплуатационного бурения. Все больше внимания уделяется освоению месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти и газа. В современных условиях эти работы невозможно эффективно проводить без привлечения вычислительной техники. Для обнаружения территорий, на которых целесообразно производить разведочные работы требуются сложные геофизические расчеты. Без гидродинамического моделирования месторождения крайне трудно рационально расположить на местности нагнетательные и добывающие скважины. Моделирование также необходимо и при разработке мер по увеличению продуктивности существующих скважин, так как непродуманные действия могут принести больше вреда, чем пользы. Для успешного и экономически оправданного освоения трудноизвлекаемых запасов не обойтись без предварительного анализа сценариев разработки месторождения на основе компьютерных моделей.

Использование компьютеров для геофизических расчетов и моделирования месторождений нефти и газа началось в 1960-70-е гг. с появлением серийных вычислительных машин. Однако из-за высокой стоимости оборудования и относительно невысокой производительности использовать модели могли только крупнейшие компании при реализации наиболее важных проектов. Стремительное развитие вычислительной техники сделало моделирование месторождений все более распространенным. Сейчас большинство нефтяных компаний, начиная с транснациональных корпораций и заканчивая небольшими независимыми фирмами, используют моделирование как при поиске и разработке новых, так и при эксплуатации существующих месторождений. В зависимости от сложности задачи для моделирования могут использоваться как суперкомпьютеры в вычислительных центрах компаний, так и персональные рабочие станции. Все большее распространение получают вычислительные кластеры на основе большого числа недорогих однотипных серверов, работающих в параллельном режиме, распределяя расчеты между собой.

Созданием программного обеспечения для моделирования нефтяных и газовых месторождений занимаются многие фирмы. Одни из самых мощных пакетов разрабатывают крупнейшие энергетические сервисные компании Schlumberger (пакеты GeoFrame, Eclipse и другие) и Halliburton (продукты марки Landmark). Среди поставщиков ПО также можно отметить активно работающую в России компанию Roxar (пакеты IRAP RMS, TEMPEST и др.) и фирму CMG (продукты IMEX, STARS и др.). Многие крупные нефтяные компании используют пакеты собственной разработки.

Процесс моделирования достаточно сложен. Например, при создании модели нефтяного месторождения на начальном этапе на основе геологических данных составляется трехмерная сетка, описывающая характеристики и взаимное положение коллекторов и непроницаемых пород, распределение флюидов (нефти, газа и воды) в коллекторах и др. Непосредственный расчет производится, например, на базе уравнений модели нелетучей нефти (black oil model) и, в зависимости от мощности компьютера и структуры сетки, может занимать от нескольких часов до недель. Полученные результаты сверяются с реальными характеристиками месторождения. Если предсказания модели с практикой не согласуются, в нее вносятся поправки и процесс повторяется снова.

Требования к вычислительной мощности при работе с моделями весьма высоки. В описанном выше примере одним из лимитирующих факторов является число элементов в трехмерной сетке, описывающей структуру месторождения. Мощность используемых компьютеров и сроки реализации проектов накладывают весьма строгие ограничения на дискретность сетки. Решается эта проблема двумя способами: оптимизацией геометрии сетки (однородные участки месторождения можно описать меньшим числом элементов, тогда как наличие дефектов требует большего числа ячеек) и увеличением вычислительной мощности, например, за счет использования кластерных систем.

До последнего времени для создания кластеров использовались преимущественно решения на основе Unix-подобных ОС (Linux, AIX и т.д.) и разработанных для них пакетов для кластерных вычислений. Данные решения поддерживаются разработчиками ПО для нефтегазовой отрасли и неплохо себя зарекомендовали. Однако в некоторых случаях пользователи сталкиваются со сложностью конфигурирования и администрирования, а компании - с необходимостью в большом числе ИТ-специалистов, обслуживающих систему.

Согласно недавнему опросу, проведенному Microsoft совместно с Gulf Research, 96% использующих высокопроизводительные вычислительные системы специалистов нефтяных компаний в повседневной практике работают с продуктами Windows. Linux, Unix и другие системы постоянно используют чуть больше трети опрошенных, а около 60% применяют эти системы время от времени параллельно с Windows. Как правило, Unix и Linux применяются в кластерных системах, а Windows - на рабочих станциях пользователей. По мнению ряда специалистов, данная ситуация имеет исторические корни и постепенно будет меняться. В кластерах и рабочих станциях все чаще используются однотипные процессоры Intel и AMD, в связи с чем, логичным выглядит переход на единую программную платформу. Учитывая, что большинство конечных пользователей предпочитают работать с Windows, именно эта система выглядит как подходящая единая платформа. Однако до последнего времени Windows мешало отсутствие оптимизированной для кластеров версии.

Ситуация несколько изменилась с появлением пакета Windows Compute Cluster Server, объединяющего в себе специальную версию операционной системы Windows Server 2003 и набор инструментов для создания и эксплуатации кластеров. Данный пакет появился на рынке относительно недавно - в августе 2006 года, однако достаточно быстро набирает популярность, в том числе и в нефтегазовой отрасли. При создании Windows Compute Cluster Server и в продвижении продукта Microsoft активно сотрудничает с производителями специализированного ПО. Например, в числе главных партнеров Microsoft в области ПО высокопроизводительных систем присутствуют уже упоминавшиеся компании Schlumberger и Halliburton (в лице своего подразделения Landmark).

Пионером в использовании Windows Compute Cluster Server в нефтегазовой отрасли стала бразильская компания Petroleo Brasileiro S.A. (Petrobras). Моделирование месторождений, геофизические расчеты и другие требовательные к вычислительной мощности задачи компания решает в собственном исследовательском центре CENPES. При этом используются как программы сторонних поставщиков, так и собственные разработки. Два принадлежащих фирме кластера HP в ноябре 2006 года входили в список 500 мощнейших суперкомпьютеров мира.

В 2005 году в CENPES была начата реализация пилотного проекта по использованию кластера на базе решений Microsoft. На тот момент в вычислительном центре CENPES имелось более 500 серверов, работающих в параллельных системах для решения различных задач. При этом под каждый проект кластеры переконфигурировались заново. Данный процесс, как правило, занимал не менее нескольких дней и часто приводил к задержкам в работе над проектами.

После оценки ситуации и имеющихся на рынке предложений в CENPES заинтересовались Windows Compute Cluster Server, на тот момент доступного в виде предварительной версии. В Microsoft также заинтересовались ситуацией CENPES. В ноябре 2005 года начались работы по созданию экспериментального кластера из 180 серверов, а уже в июле 2006 года после тщательного тестирования кластер был сдан в эксплуатацию.

Проект был положительно оценен Petrobras, так как позволил повысит эффективность работы как групп исследователей, так и CENPES в целом. Решения Microsoft позволили значительно сократить время на конфигурацию и администрирование вычислительных систем за счет централизации и автоматизации многих процедур и сократить время простоя компьютеров. В перспективе Petrobras планирует расширить сферу применения продуктов Microsoft и адаптировать для новой платформы собственные разработки. Например, планируется использовать интерфейс Microsoft Message Passing для оптимизации под параллельные системы написанных в CENPES программ на "Фортране".

Таким образом, использование Windows Compute Cluster Server в нефтегазовой промышленности позволяет более эффективно использовать вычислительные ресурсы, ускорить реализацию проектов, оптимизировать работу исследовательских подразделений, снизив временные и финансовые издержки, связанные с администрированием и эксплуатацией высокопроизводительных вычислительных кластеров. В конечном итоге, повышение эффективности использования вычислительной техники позволит повысить качество и оперативность геолого-разведочных работ, будет способствовать ускорению вводу в строй новых месторождений и оптимизации эксплуатации уже существующих, в том числе с трудноизвлекаемыми запасами.