ellibsЭлектронные библиотекиRussian Digital Libraries Journal1562-5419Казанский (Приволжский) федеральный университет10.26907/1562-5419-2020-23-4-848-865ellibs-232Research ArticleСтатьиПрименение суперкомпьютерных технологий для долгосрочного моделирования границ залегания вечной мерзлоты на нефтегазовых месторождениях арктикиApplication of Supercomputer Technologies for Long-Term Modeling of Permafrost Boundaries in the Oil and Gas Fields of the ArcticФилимоновМ. Ю.FilimonovM. Y.fmy@imm.uran.ruВагановаН. А.VaganovaN. A.vna@imm.uran.ruАкимоваЕ. Н.AkimovaE. N.aen15@yandex.ruМисиловВ. Е.MisilovV. E.v.e.misilov@urfu.ruУральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАНUral Federal University; N.N. Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics of UrB RAS202028082020234848865Copyright © Филимонов М.Ю., Ваганова Н.А., Акимова Е.Н., Мисилов В.Е., 20202020Филимонов М.Ю., Ваганова Н.А., Акимова Е.Н., Мисилов В.Е.Filimonov M.Y., Vaganova N.A., Akimova E.N., Misilov V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ellibs.elpub.ru/jour/article/view/232

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.

A model of propagation of thermal fields in permafrost from various engineering objects operating in Arctic regions is considered. The proposed model includes the most significant technical and climatic parameters affecting the formation of thermal fields in the surface layer of the soil. The main objective of the study is a long-term forecasting of changes in the dynamics of permafrost boundaries during operation of cluster sites of northern oil and gas fields. Such a forecast is obtained by simulation of complex system consisting of heat or cold sources and frozen soil, thawing of which can lead to the loss of the bearing capacity and possible technogenic and environmental accidents. For example, the sources of heat can be production wells, and the sources of cold can be seasonal cooling devices that are used to stabilize the soil. To minimize the impact of heat sources on permafrost, various options for thermal insulation are used, and to preserve the original temperature regime of the top layer of soil, riprap materials consisting of sand, concrete, foam concrete, or other heat insulating material are used. The developed set of programs was used in the design of 12 northern oil and gas fields. To solve the described problem in a complex three-dimensional area, substantial computational resources are required. The computing time of one variant can often exceed 10–20 hours of machine time on a supercomputer. To speed up the numerical calculations, multi-core processors are used. Numerical calculations illustrate the possibility of a developed set of programs for making long-term forecasts for determining changes in the boundaries of the permafrost zones, and show that on multi-core processors it is possible to achieve acceleration close to the theoretical one.

компьютерные программытепломассопереноскриолитозонамоделированиезадача Стефанапараллельные вычисленияOpenMPReferencesNelson 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. 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.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.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.pdfAkimova 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.pdfVaganova 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/pdfVaganova 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/pdfVaganova 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: 10.1063/1.4936694Vaganova 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: 10.1063/1.4936694Ваганова 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.pdfВаганова 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.pdfFilimonov 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_18Filimonov 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_18Filimonov 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.pdfFilimonov 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.pdfFilimonov 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_25Filimonov 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_25Vaganova 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_68Vaganova 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_68Vaganova 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.pdfVaganova 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.pdfБерсенев 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.pdfБерсенев 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.pdfВаганова 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.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., 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.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.pdfFilimonov 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.pdfВаганова 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.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.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.Voevodin V.V., Voevodin Vl.V. Parallel computing // St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2002. 608 p.Rodrigue G. (Ed.) Parallel computations. Vol. 1. Elsevier. 2014.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.pdfAkimova 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.pdfChandra R., Dagum L., Kohr D., Menon R., Maydan D., McDonald J. Parallel programming in OpenMP. Morgan Kaufmann. 2001.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.Intel Developer Zone. Intel VTune Amplifier. URL: https://software. intel. com/en-us/intel-vtune-amplifier-xe-support/documentation.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.