Метод Латтис-Больцмана для пористых сред: более 100 млн часов GPU

Почему важны крошечные поры в породе

Когда мы храним энергию под землей, улавливаем диоксид углерода или эксплуатируем топливные элементы, то то, как две разные жидкости проходят сквозь крошечные пространства в породе, может определить успех технологии. Однако наблюдать за движением этих жидкостей в реальных образцах крайне медленно и дорого. В статье представлен огромный открытый набор данных компьютерных моделирований, который делает следующее лучшее: он воспроизводит, как вода и жидкости, подобные нефти, вытесняют друг друга в реалистичных образцах породы, используя более 100 миллионов часов вычислений на графических процессорах. В результате получен общий ресурс, которым может пользоваться любой исследователь для проверки идей о подземных потоках без необходимости в собственном суперкомпьютере.

Изучение движения жидкостей в цифровых породах

Авторы сосредотачиваются на «двухфазном потоке», когда две несмешивающиеся жидкости, например вода и нефть, перемещаются через лабиринт пор в породе. Ключевая величина для инженеров — относительная проницаемость, показывающая, насколько легко каждая фаза движется в присутствии другой. Обычно полные измерения требуют недель кропотливой лабораторной работы для каждого образца и набора условий. Вместо этого команда использовала специализированный пакет моделирования LBPM, чтобы вычислять поток непосредственно на 3D-изображениях реальных пород. Эти цифровые породы получены с помощью рентгеновской микротомографии песчаников и спечённого стекла, фиксируя реалистичные формы и размеры пор вплоть до нескольких микрометров.

Масштабный виртуальный эксперимент

Выполнение реалистичных симуляций на таком детальном уровне по-прежнему очень дорого. Команда задействовала вычислительные системы высокой производительности с тысячами GPU, чтобы просканировать набор условий, непрактичных в лаборатории. Они меняли, насколько поверхность породы предпочитает одну жидкость перед другой (свойства смачивания), и насколько сильно жидкости проталкиваются через поры (описано параметром капиллярного числа). Для четырёх различных пористых материалов провели как «установившиеся», так и «неустановившиеся» протоколы потока, имитирующие стандартные эксперименты по заталкиванию керна, используемые в нефтегазовой отрасли. В сумме получено 50 полных кривых относительной проницаемости и более 25 000 различных конфигураций жидкостей.

Видеть формы, а не только усреднённые значения

Помимо средних скоростей потока, симуляции отслеживают подробные формы и соединения жидкостей во времени — информацию, которую почти невозможно получить в масштабе экспериментов. LBPM разделяет связанные потоки от изолированных капель, иногда называемых ганлиями, и измеряет их объём, площадь поверхности, кривизну, связность, давление и движение. Эти величины записываются на каждом шаге моделирования в простые текстовые таблицы, так что пользователи могут восстановить, как образуются захваченные карманы, отрываются, снова соединяются или медленно опорожняются. Сравнивая разные типы пород и шаблоны смачивания, набор данных показывает, как тонкие изменения в предпочтении поверхности меняют места захвата жидкости и её подвижность, помогая объяснить тенденции, наблюдаемые в лабораторных измерениях.

Уроки о смачивающей породе и захваченной жидкости

Используя набор данных, авторы проверяют, что их симуляции ведут себя разумно, сопоставляя их с известными закономерностями. Например, по мере того как порода становится более «любящей нефть», количество нефти, остающейся после промывки водой, как правило, уменьшается, что согласуется с предыдущими экспериментами. В случаях с доминирующим смачиванием водой и плохо разрешёнными узкими горловинами симуляции показывают раннее распадение ненасмазывающейся фазы и необычно плоские кривые потока, что иллюстрирует, как разрешение изображения может ввести в заблуждение. В других породах с лучше разрешёнными порами смещение кривых потока при изменении смачивания согласуется с ранними лабораторными исследованиями. Оценки связности подтверждают, что при определённых промежуточных условиях обе фазы остаются сильно взаимосвязаны — состояние, связанное со сложными формами интерфейсов и долго живущими захваченными скоплениями.

Общее основание для будущих исследований

Проще говоря, в статье представлен подробный «чертёж» того, как две жидкости могут делить одни и те же крошечные пространства внутри породы при самых разных условиях, всё это закодировано в переиспользуемых данных. Симуляции сверены с современными рентгеновскими экспериментами и организованы так, чтобы другие могли легко вычислять новые суммарные кривые, обучать модели машинного обучения или проверять теории о том, как детали уровня пор складываются в поток на большом масштабе. Для всех, кто работает с подземным хранением углерода, водорода, очисткой грунтовых вод или компонентами топливных элементов, этот открытый набор данных предлагает мощную «краткую дорогу»: вместо того чтобы начинать с нуля, они могут сразу опереться на результаты более чем 100 миллионов часов аккуратно курируемых цифровых экспериментов.

Цитирование: Armstrong, R.T., Tavakkoli, O., Da Wang, Y. et al. Lattice-Boltzmann for Porous Media: 100M⁺ GPU Hours. Sci Data 13, 697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06823-1

Ключевые слова: пористые среды, двухфазный поток, цифровой керн, латтис-больцман, относительная проницаемость