Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Параллельное кластерное моделирование методом Монте-Карло в среде MCNP5 для решения прямых и обратных задач ядерных методом ГИС

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Тепляков, Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. Краткий исторический обзор и современное состояние методов Монте-Карло, модельных исследований и параллельных вычислений

1. Краткий исторический обзор развития методов Монте-Карло в геофизике

2. Геофизическая метрология и ее компьютерная эволюция

2.1 Модельный полигон Schlumberger ( Sugar Land, Houston)

2.2 Модельный полигон Baker Atlas

2.3 Модельный полигон Halliburton Energy Services

2.4 ComputerLog (Preccision Drilling)

3. История развития суперкомпьютеров и современное состояние

4. Краткая теория и термины параллельных вычислений

5. Вычислительный кластер TWINS 4 для решения задач методом Монте-Карло

Выводы к главе

Глава 2. Компьютерное моделирование задач, связанных с модернизацией прибора СГДТ-ЗМ и создание системы интерпретации скважинных измерений

1. Элементы теории. Уравнение переноса для гамма-квантов

2. Развитие методов вычислений гамма-гамма полей в скважинах и их реализация в MCNP

2.1 Математические модели для гамма-гамма цементомера

СГДТ-ЗМ

2.1.1 Краткое описание системы 10 статистических тестов, применяемых в MCNP

2.2 Теоретические основы метрологии СГДТ-ЗМ

2.3 Согласование расчетов с экспериментальными данными

2.4 Построение синтетических разрезов на основе математического моделирования.

2.5 Палетки для определения плотности цемента и эксцентриситета

2.6 Описание автоматической системы интерпретации показаний прибора СГДТ-ЗМ

2.7. Пример применения программы SGDTWizard при интерпретации измерений, проведенных на одной из скважин Когалымского района

Выводы к главе

Глава 3. Создание семейства компьютерных моделей для описания задач СО каротажа

1. Краткая история и современное состояние исследований по СО-каротажу

2. Краткие сведения по СО-генератору «Марка»

3. Элементы теории. Уравнение переноса нейтронов

4. Новые методические возможности прибора «Марка» 73 4.1 Определение коэффициента пористости 73 4.2. Определение эффективного атомного номера

5. Исследования в области теоретико-экспериментальной метрологии двухзондового СО-генератора

5.1. Задача распознавания образов

5.1.1. Дискриминантная поверхность

5.1.2. Центроидное расстояние

5.1.3. Принцип «дальнего соседа»

5.1.4. Максиминое расстояние

5.1.5. Хаусдорфово расстояние

5.2. Математические модели для решения различных аппаратурных задач

5.2.1. Функции отклика сцинтилляционных детекторов Nal, BGO, GSO

5.2.2. Сравнение расчетов детектора Nal с ранее опубликованными данными

5.2.3. Оптимизация защиты детектора

5.2.4. Математические модели прибора «Марка»

5.2.5. Декомпозиция задачи и свертка потока со спектральной функцией детектора

5.2.6. Применение теории возмущений

Выводы к главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Параллельное кластерное моделирование методом Монте-Карло в среде MCNP5 для решения прямых и обратных задач ядерных методом ГИС"

Впервые методы Монте-Карло (в дальнейшем МК) в ядерной геофизике были применены в России Денисиком С. А., Резвановым Р.А., Дядькиным И: Г., Лухминским Б.Е. в 1961-62 гг. В дальнейшем методы МК оказались настолько эффективным средством решения задач теории и практики радиоактивного каротажа, что практически вся проектируемая отечественная аппаратура радиоактивного каротажа (РГП, СГП, СРК, РКП и; т.д.) создавалась с помощью методов математического моделирования (Хаматдинов Р.Т., Еникеева Ф.Х., Журавлев Б.К., Велижанин В.А., Стариков В.Н., Хисамутдинов А.И. и др.). Для этой цели было написано несколько пакетов программ, которые пользовались широкой популярностью (МОНК, МОК, НГМ77, ГТК и т.д.). Созданные расчетным путем палетки, например для прибора СРК, оптимизировались для быстрой выборки и практического применения в интерпретации (Еникеева Ф. X., Журавлев Б.К.). Следует заметить, что до этого существовали разрозненные палетки и поправки к ним, измеренные на. различных моделях разными авторами. Сведение в единую систему многомерных зависимостей для ННК обеспечило быстрый успех расчетных методов.

За рубежом в 80-х годах также разрабатывались, пакеты специализированных МК программ для решения аналогичных задач. Один из наиболее мощных пакетов был создан Робином Гарднером (Университет Северной Каролины). Множество результатов, полученных с помощью этих пакетов, были опубликованы в международном журнале Nuclear Geophysics, который выходил 1986-1994 годы и, к сожалению, прекратил существование. Предполагались исследования по сопоставительному анализу качества работы различных программ на; системе тестовых примеров. В связи с закрытием журнала, эта работа не была завершена. Предпринимались также попытки сопоставительного анализа геофизических программ с отечественными программами, используемыми для решения задач ядерной физики, например PRIZMA (Челябинск-70).

Так же в 80-90-е годы существенно изменилось представление о метрологии ГИС. Если раньше модельные измерения ограничивались набором нескольких моделей различной пористости, то позднее ведущие геофизические компании? стали развивать идеологию модельных полигонов, где представлены; все основные литотипы коллекторов нефти и газа (песчаник, известняк, доломит), основные типы насыщения (пресная и соленая вода, нефть), основные типы обсадки. Кроме того, ведущие компании: стали сооружать, многоэтажные модели, сложенные тонким переслаиванием пород различного типа для моделирования переходных кривых на границах пластов и правильного усреднения тонкослоистых разрезов. В настоящее время общее число физических моделей (модельных точек) у ведущих компаний превышает 50-100 единиц.

К сожалению, отечественный модельный парк (Раменское, Когалым, Мегион, Октябрьский, Уфа) расширился за это время незначительно, что обозначило отставание отечественной геофизики. Одновременно с этим было осознано, что практически невозможно построить физические модели для всех литотипов пород и для всех геологических ситуаций; встречающихся в практике ГИС. Это послужило основой для развития компьютерной метрологии. В частности, при создании метрологии для СО каротажа (компания Schlumberger упоминала о существовании базы данных превышающей 2000 эталонных спектров для основных геологических объектов, компании Halliburton и Baker Atlas упоминали о метрологических базах данных несколько меньших размеров).

Поскольку физических моделей для проверки палеток в России было минимальное количество, была создана идеология теоретико-экспериментальных палеток (Поляченко A. JI.), позволяющая объединить результаты расчетов с минимальным набором модельных экспериментов в оптимальную конфигурацию. Несколько позже эта же идеология была воспринята и за рубежом. В течение последних 20-30 лет практически вся аппаратура радиоактивного каротажа, создаваемая за рубежом (Schlumberger, Halliburton, Baker Atlas, ComputerLog и др.), также оптимизируется расчетным путем с использованием метода МК. Для моделирования зарубежные компании некоторое время назад использовали суперкомпьютеры и, по нашим данным, заказывали JIoc-Аламосской лаборатории модернизацию известной МК программы MCNP для лучшего описания каротажных задач. В этот момент наметилось отставание отечественных исследований в этой области, поскольку в России суперкомпьютеры были недоступны. Последующее развитие вычислительной техники привело к появлению кластеров персональных компьютеров. Они обладали производительностью, сравнимой с производительностью суперкомпьютеров, но стоили на два порядка дешевле. Это обстоятельство привело к очередной революции в компьютерном моделировании. Все ведущие зарубежные, геофизические фирмы обзавелись соответствующими кластерами, на которых проводят огромные объемы расчетов методом МК. Следует заметить, что JIoc-Аламосская; лаборатория, которая сопровождает программу MCNP, выпустила новую версию программы MCNP5, достаточно удобную для, организации кластерных вычислений. Существуют так же и другие программы, пригодные для моделирования аппаратуры РК (например английская McBend), но они по разным причинам менее распространены.

В 90-е годы существенно изменились требования к расчетным методам МК. Одновременно с переходом от авторских МК программ к общепринятой системе моделирования MCNP появилась потребность в создании прецизионных расчетных моделей, адекватных по суммарной погрешности требованиям эксперимента (1-2%), вместо принятой ранее расчетной погрешности 3-7%. Одновременно с этим модернизация ядерной аппаратуры потребовала создания больших массивов палеток (от

300 до 5000 расчетных точек). Это предъявляет совершенно особые требования к оптимизации программы MCNP на отдельном компьютере и на компьютерном кластере. Потребность в такой оптимизации иллюстрируется таким фактом: формальная: запись входного файла для задачи ИНК приводит к тому, что расчет выполняется сутки; а оптимизированный файл с использованием арсенала ускорений* MCNP' дает ту же точность за три; часа. Такой разброс в производительностях типичен' для всех универсальных программ. Из сказанного следует актуальность оптимизации MCNP на компьютерном кластере применительно к разным классам задач РК (ГТК, ННК, ИНК, СО).

Цели работы и решаемые задачи:.

1. Создать вычислительный кластер под управлением ОС LINUX и оптимизировать его для достижения максимального быстродействия: Установить и настроить систему MCNP5. Обеспечить возможность, непрерывного конвейерного счета с ведением подробной статистики. Осуществлять взаимодействие с командой разработчиков в Лос-Аламосе (США) для своевременного обновления программы и реализации дополнительных возможностей;

21 Создать семейство (иерархию) компьютерных моделей МК для программы MCNP5, позволяющих решить основные прямые и; обратные задачи для гамма-цементомера СГДТ-ЗМ:

• Выполнить детальный физический анализ взаимодействия? мягкого гамма излучения и электронов с веществом с: целью исключить физические процессы, не влияющие на* результат, но сильно увеличивающие время расчета (тормозное излучение, ионизационные потери энергии электронов в породе);

• Построить 6-параметрическое компьютерное семейство палеток, опирающееся; на минимальный; набор модельных измерений-(прямая задача);

• С использованием приемов1 регуляризации построить систему интерпретации для скважинных измерений СГДТ-ЗМ (путем решения обратной задачи), реализовать ее в виде программного продукта и передать ее для производственного применения;

3; Создать семейство математических моделей для решения различных: прямых и обратных задач, связанных с новым двухзондовым СО-генератором «Марка»:

• предложить оптимальную гетерогенную защиту детекторов;

• выполнить сопоставительный расчетный анализ различных сцинтилляторов (BGO, GSO, Nal, LSO);

• исследовать метрологические характеристики прибора (зависимость от пористости и плотности пород, определение

СИГМА (макросечение захвата в условных единицах си=10"3 1/см" породы, определения СО-отношения на двух зондах и т.д.);

• исследовать возможности 3D интерпретации, выполнить» поиск формальных алгоритмов определения нефтенасыщенности

Научная новизна:

Создан LINUX-кластер персональных компьютеров в рамках систем распараллеливания MPI (Message Passing Interface) и PVM (Parallel Virtual Machine) для решения ядерно-радиометрических задач. Впервые в России на этом кластере реализованы в производственном режиме расчеты геофизических задач методом Монте-Карло с помощью программы MCNP5;

1. Впервые получено! полное 6-параметрическое семейство решений прямой; задачи для гамма-гамма цементомера СГДТ-ЗМ, опирающееся на минимальный набор физических моделей, что позволило построить систему количественной интерпретации для данного прибора' на расчетной основе;

2. Совместными расчетно-экспериментальными средствами выявлены; новые, перспективные приемы количественной интерпретации, измерений с двухзондовым; СО-генератором «Марка» (оценка пористости, плотности^ ^фф (эффективного атомного номера), СИГМА пласта, 3D - интерпретация С/О отношения на двух зондах).

Защищаются следующие научные результаты:

1. С помощью программы MCNP на созданном автором вычислительном LINUX-кластере получено полное 6-параметрическое решение прямой задачи (параметрами являются: диаметр скважины, диаметр обсадной колонны, толщина обсадной колонны, плотность цемента, эксцентриситет обсадной колонны, плотность породы). Это позволило путем решения обратной задачи построить систему количественной интерпретации показаний прибора СГДТ-ЗМ. Система оформлена в виде программного продукта, успешно решающего задачи практической интерпретации в подразделениях ПетроАльянса; 2: Решение широкого спектра практически важных задач интерпретации данных ГИС с двухзондовым генератором нейтронов для СО каротажа, сравнительный анализ сцинтилляционных детекторов применительно к данной задаче, многокритериальная оптимизация защиты детектора обеспечили возможность одновременного определения СО - отношения и пористости пласта.

Апробация.

Основные положения диссертации докладывались на V и VI Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» (2001, 2003 годы), на Молодежной секции научно-практической конференции «ПЮМОДЕЛЬ-2002» (2002 год) и на Научно-практической конференции «Ядерная геофизика - 2004» (2004 год, Санкт-Петербург). По теме диссертации опубликовано ! 1 статей.

Практическая реализация и внедрение результатов работы

Написанная автором программа SGDTWizard передана в Когалымское подразделение ПетроАльянса, где она в течение полугода используется в производственном режиме для интерпретации каротажа, проведенного модернизированным прибором СГДТ-ЗМ.

В процессе производственной работы в программу был внесен ряд изменений и уточнений, направленных на быструю выдачу заключений (в течение суток).

Результаты работы, относящиеся к задаче СО каротажа, используются для пробной интерпретации результатов каротажных измерений в Когалымском филиале ПетроАльянса.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Тепляков, Андрей Владимирович

Выводы к главе 3

Создано семейство математических моделей прибора «Марка», ^ решающее следующие задачи: оптимизация защиты детектора, получение характеристик различных сцинтилляционных детекторов (Nal, BGO, GSO).

Предложена и опробована 3D визуализация и интерпретация измерений с СО генератором «Марка».

Показано, что прибором «Марка» можно измерять пористость коллектора с погрешностью, которая не уступает суммарной погрешности стандартных приборов в обсаженной скважине. Показано, что определение плотности и эффективного атомного номера коллектора сопровождается большими погрешностями и поэтому не перспективно.

Предложенное семейство математических моделей предполагается использовать при модернизации СО генератора «Марка», а так же для создания семейства палеточных зависимостей для различных вариантов количественной интерпретации. Указанные задачи потребуют существенного увеличения мощности существующего вычислительного кластера.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Тепляков, Андрей Владимирович, Москва

1. Дениеик C.A., Лухмииекий Б.Е., Резванов Р.А., Метод статистических испытаний в приложении к расчету распределения нейтронов в задачах нейтронного каротажа, Сб. Портативные генераторы нейтронов в ядерной геофизике, Атомиздат, 1962

2. Дениеик С.А., Дядькин И.Г., Кантор С.А., Кожевников Д.А., Лухминский Б.Е., Поляченко А.Л., Резванов Р.А., Рудык Б.М., К теории нейтронного каротажа

3. Тепляков А.Н., Коллективный разум, CHIP, №12, 2003

4. Крюков В.А., Разработка параллельных программ для вычислительных кластеров и сетей, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

5. Лейпунский О.И., Новожилов Б.В., Сахаров В.Н., Распространение гамма-квантов в веществе, Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1960

6. Гулин Ю.А., Понятов Г.И., Математическое моделирование гамма-гамма-каротажа нефтяных скважин, В кн. Ядерная геофизика, М., «Недра», 1969

7. Варварин Г.Б., Филиппов Е.М., Плотностной гамма-гамма метод в геофизике, Новосибирск, Наука, 1972

8. Галимбеков Д.К., Лухминский Б.Е., Расчет параметров зондового устройства для селективного гамма-гамма каротажа, Атомная энергия, т. 39, вып. 5, 1975

9. Уткин В.И., Селективный гамма-гамма каротаж на угольных месторождениях, Наука, М., 1975

10. Система интерпретации ГИНТЕЛ, фирменное описание. 2002г11 .Теория нейтронных методов, Недра, 1985г

11. Резванов Р.А., Радиоактивные и другие неэлектрические методы исследования скважин, 1982г.

12. Хаматдинов Р.Ф., Определение плотности и литологии горных пород в разрезах скважин гамма-гамма методом, Докторская диссертация, Калинин, 1988

13. Лухминский Б.Е., Вычислительный эксперимент Монте-Карло для решения задач ядерно-геофизического каротажа рудных скважин, Докторская диссертация, Москва, 1986

14. Лухминский! Б.Е., Тепляков А.В., Применение методов Теории Возмущений при решении сложных задач методом Монте-Карло, КАРОТАЖНИК №107, 2003

15. Лухминский Б.Е., Тепляков А.В., Рогов А.Д., Современный этап компьютерного моделирования Монте-Карло для модернизации < ядерно-геофизических технологий исследования скважин с использованием системы MCNP, КАРОТАЖНИК №93, 2002

16. Лухминский Б.Е., Генераторы нейтронов (аналитический библиографический обзор 90-95гг).

17. Нефтяное обозрение, Schlumberger, осень 1996г.

18. Айвазян С.А, Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная Статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. Москва, Финансовая статистика, 1983.

19. Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике, Труды 4-го совещания, Новосибирск, 1974

20. Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике, Труды 5-го совещания, Новосибирск, 1976

21. Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике, Труды 6-го совещания, Новосибирск, 1979

22. Соболь И.М;, Численные методы Монте-Карло, Москва, «Наука», 1973

23. Марчук Г.И., Методы вычислительной математики, Москва, «Наука», 1977

24. Арцыбашев В.А., Ядерно-геофизическая разведка, «Атомиздат», 1972

25. Бекурц К., Вирц К., Нейтронная физика, «Атомиздат», 1968

26. Гулин Ю.А., Гамма-гамма метод исследования нефтяных скважин, «Недра», 1975

27. Конференция «Ядерная геофизика 2004», Санкт-Петербург, июнь 2004

28. Badruzzaman, Nuclear Logging Technology Present And Future-An Operating Company Perspective, SPWLA 45th, Noordwijk, the |Netherland, June 2004

29. Pulsed Neutron Density Measurements: Modelling The Depth Of Investigation And Cased-Hole Wellbore Uncertainties, Richard C. Odom, Shawn M. Bailey, Robert D. Wilson, Michael P. Archer, SPWLA 40, 1999

30. PVM: Parallel Virtual Machine, A1 Geist, Adam Beguelin, Jack Dongarra, Weicheng Jiang, Robert Manchek, Vaidy Sunderam, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 1994

31. Field Experience with a New Carbon/Oxygen Logging System in Complex Wellbore and Formation Conditions, Gary A. Simpson, Jerome A. Truax, Gary A. Younse, SPE 71718, September 2001

32. Experiments on Closely Spaced Detector Candidates for Carbon/Oxygen Logging, Richard C. Odom, Don E. Tiller, Robert D. Wilson, Computalog, SPWLA-45, June, 2004

33. М.А. Arnautova, Ya. Z. Kandiev, B.E. Lukhminsky, G.N. Malishkin, Monte Carlo Simulation in Nuclear Geophysics/ Intercomparison of the PRIZMA Monte Carlo Program and Benchmark Experiments, Nucl. Geoph, vol;7, No 3, pp 407-418, 1993

34. John S. Hendricks, A Monte Carlo Code for Particle Transport An Algorithm for All Seasons, Los Alamos Science, #22, 1994

35. Morris M, Hemingway J. Continuous Oil, Gas and Water Holdup Using Pulsed-Neutron Spectroscopy Techniques, SPWLA-40, N1-N13

36. Hemingway J., Plasek R., Grau J., Gupta Т., Morris F. Inrtoduction of Enhanced Carbon-Oxygen Logging for Multi-well Reservoir Evaluation, SPWLA-40, 01-014

37. С. D. Zerby, "A Monte Carlo Calculation of the Response of Gamma-Ray Scintillation Counters", Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee

38. D.E. Peplow, R.P. Gardner, K. Verghese, "Sodium Iodide Detector Response Functions Using Simplified Monte Carlo Simulations and Principal Components", Nuclear Geophysics, vol.8, no.3,1994

39. Geist A., Beguelin A., Dongarra J., Jiang W., Manchek R., Sunderam V., PVM: Parallel Virtual Machine. A Users' Guide and Tutorial for Networked Parallel Computing, The MIT Press, Cambridge , Massachusetts, London, England

40. Fischer M., Simon J., Embedding SCI into PVM, Paderborn Center for Parallel Computing

41. Chan A., Gropp W., Lusk E., User's Guide for MPE: Extensions for MPI Programs, Argonne National Laboratory, University of Chicago

42. M.W.Mickael, W.A.Gilchrist, Jr, R.J.Mirzwinski, G.N.Salaita, R.T. Rajasingam., Interpretation of the response of a new through-tubing carbon\oxygen instrument using numerical modeling techniques, SPWLA-38, Jl-Jl 1,1997.

43. SPWLA-45, The Netherlands, June 2004