In profondità sotto la superficie terrestre, petrolio e acque sotterranee percolano attraverso le fessure nella roccia e altro materiale geologico. Nascosto alla vista, queste risorse critiche rappresentano una sfida significativa per gli scienziati che cercano di valutare lo stato di tali flussi di fluidi a due fasi. Fortunatamente, la combinazione di supercalcolo e tecniche di imaging basate sul sincrotrone consente metodi più accurati per modellare il flusso di fluidi in grandi sistemi sotterranei come i giacimenti di petrolio, lavelli per il sequestro del carbonio, e falde acquifere.

I ricercatori guidati dallo scienziato computazionale James McClure della Virginia Tech hanno utilizzato il supercomputer Titan da 27 petaflop presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) per sviluppare un modello geometrico che richiede solo poche misurazioni chiave per caratterizzare come i fluidi sono disposti all'interno della roccia porosa, che è, loro stato geometrico.

L'OLCF è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE. I risultati della squadra sono stati pubblicati in Fluidi per la revisione fisica nel 2018.

Il nuovo modello geometrico offre ai geologi un modo per prevedere in modo univoco lo stato del fluido e superare un noto difetto associato ai modelli utilizzati da oltre mezzo secolo.

Verso la fine del XX secolo, il matematico tedesco Hermann Minkowski dimostrò che gli oggetti 3D sono associati a quattro misure essenziali:volume, superficie, curvatura media integrale, e caratteristica di Eulero. Però, nei modelli computazionali tradizionali per i flussi sotterranei, la frazione di volume fornisce l'unica misura dello stato fluido e si basa sui dati osservativi raccolti nel tempo per la massima precisione. Sulla base dell'analisi fondamentale di Minkowski, questi modelli tradizionali sono incompleti.

"La matematica nel nostro modello è diversa dal modello tradizionale, ma funziona abbastanza bene, " ha detto McClure. "Il modello geometrico sta caratterizzando la microstruttura del mezzo utilizzando un numero molto limitato di misure".

Per applicare il risultato di Minkowski al complesso, configurazioni fluide multifase trovate nella roccia porosa, Il team di McClure aveva bisogno di generare una grande quantità di dati, e Titan ha fornito l'estrema potenza di calcolo necessaria.

Lavorando con collaboratori internazionali, il team ha selezionato cinque set di dati di microtomografia computerizzata (microCT) raccolti dai sincrotroni a raggi X per rappresentare la struttura microscopica delle rocce reali. I set di dati includevano due arenarie, un pacco di sabbia, una roccia carbonatica, e un sistema poroso sintetico noto come Robuglas. Il team ha incluso anche un pacchetto simulato di sfere.

Dentro ogni roccia, sono state simulate e analizzate migliaia di possibili configurazioni di fluidi, per un totale di oltre 250, 000 configurazioni di fluido. Utilizzando i dati di simulazione, il team è stato in grado di dimostrare che esiste una relazione unica tra le quattro variabili geometriche, aprendo la strada a una nuova generazione di modelli che predicono lo stato fluido dalla teoria piuttosto che basandosi su un insieme storico di dati.

"Le relazioni un tempo ritenute intrinsecamente dipendenti dalla storia possono ora essere riconsiderate sulla base di una rigorosa teoria geometrica, " ha detto McClure.

Il team ha utilizzato il codice open source Lattice Boltzmann for Porous Media (LBPM), sviluppato da McClure e chiamato per il metodo Boltzmann basato sulle statistiche che calcola il flusso del fluido su una gamma di scale più rapidamente rispetto ai calcoli che utilizzano metodi finiti, che sono più precisi su piccola scala. Il codice LBPM, che utilizza le GPU di Titan per velocizzare le simulazioni del flusso di fluidi, viene rilasciato attraverso l'Open Porous Media Initiative, che mantiene codici open source per la comunità di ricerca.

"I metodi Lattice Boltzmann si comportano molto bene sulle GPU, " McClure ha detto. "Nella nostra implementazione, la simulazione viene eseguita sulle GPU mentre i core della CPU analizzano le informazioni o modificano lo stato dei fluidi."

A velocità di elaborazione eccezionali, il team è stato in grado di analizzare lo stato della simulazione circa ogni 1, 000 passi temporali, o a circa ogni minuto di tempo di calcolo.

"Questo ci ha permesso di generare un numero molto elevato di punti dati che possono essere utilizzati per studiare non solo lo stato geometrico ma anche altri aspetti della fisica del flusso mentre avanziamo, " ha detto McClure.

Saranno necessarie simulazioni più grandi per studiare come le diverse proprietà e microstruttura delle rocce reali influenzano il comportamento della relazione geometrica su scale di lunghezza. Sarà necessaria una nuova generazione di supercomputer come l'ultimo sistema dell'OLCF, l'IBM AC922 Summit da 200 petaflop, per collegare la fisica del flusso su scale di lunghezza che vanno da pori nanometrici a millimetri fino a serbatoi che possono estendersi per diversi chilometri.

"Il rilascio del supercomputer Summit consente simulazioni più ampie che spingeranno ulteriormente i confini della nostra comprensione per questi complessi sistemi multiscala, " ha detto McClure.