Simulaciones de métodos geofísicos de exploración hechos en supercomputadoras

Por Génesis Gatica Porcayo

Ciudad de México. 21 de abril de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- La exploración de hidrocarburos bajo el lecho marino implica tres fases de investigación: obtener información, explorar la zona a estudiar y perforar la zona para la extracción del hidrocarburo encontrado.

En este sentido, Octavio Castillo Reyes, estudiante del doctorado en arquitectura de computadores en la Universidad Politécnica de Cataluña, en Barcelona, España, trabaja en un proyecto orientado a la búsqueda de hidrocarburos bajo el subsuelo marino a través de simulaciones de métodos geofísicos de exploración hechos en supercomputadoras.

Dicho trabajo se encuentra en la fase final y se enfoca en la integración de tres conceptos: supercómputo (HPC, por sus siglas en inglés), métodos numéricos y métodos geofísicos de exploración.

A través de esta investigación, el becario del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) puede ayudar a la transición de generar energías limpias, ya que aporta a una búsqueda de hidrocarburos más eficiente y barata y, como consecuencia, los recursos que se emplean actualmente para ello podrían utilizarse en la investigación y desarrollo de energías limpias.

Basado en previsiones científicas, Octavio Castillo explicó en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt la importancia que este trabajo tiene en el futuro de la búsqueda de hidrocarburos.

“La energía sustentable se duplicará en un 50 por ciento en los próximos 25 años, por tal motivo la industria petrolera trabaja en mejorar sus métodos numéricos y de simulación para reducir los costos de exploración. Es aquí donde el supercómputo tiene un papel primordial como una herramienta científica en aplicaciones de ingeniería”.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿A qué te refieres con simulaciones numéricas?

Octavio Castillo Reyes (OCR): El trabajo de investigación que realizamos se centra en la construcción de abstracciones de problemas físicos del mundo real. Es decir, buscamos entender el porqué de nuestro entorno, conocer los efectos de un medicamento sin administrarlo, saber el desempeño energético de un auto, anticipar los efectos del cambio climático o mejorar el proceso de exploración de energías. Por tanto, las simulaciones numéricas no son más que recreaciones de la realidad expresadas en modelos matemáticos.

Dada la complejidad de estas abstracciones es imposible resolverlas con computadoras de casa, su solución requiere la máxima capacidad de cálculo posible, es decir, requiere una arquitectura de supercómputo. Estas plataformas tecnológicas integran miles de procesadores coordinados para trabajar como una sola máquina. Por tanto, las simulaciones numéricas que desarrollamos deben ser capaces de aprovechar el poder de cálculo extraordinario que ofrece el HPC.

AIC: ¿Podrías describir el trabajo paso a paso?

OCR: El primer paso es la definición de un modelo, que en mi caso está aplicado al sector energético. Este modelo es la representación de una campaña de exploración geofísica, que posteriormente expresamos a través de ecuaciones matemáticas y, después de comprobar su validez, pasamos a la fase de programación.

Octavio Castillo Reyes.Una vez que tenemos el código, lo ejecutamos en la supercomputadora, encontramos una solución al problema y analizamos los datos de salida. Es aquí donde validamos nuestras hipótesis, encontramos respuestas, entendemos y, por supuesto, formulamos nuevas preguntas.

En el caso particular de mi investigación, estas simulaciones nos permiten mejorar nuestro conocimiento sobre el subsuelo de la tierra, nos permiten entender un problema para mejorarlo. Se trata de un proceso iterativo en el que cada ejecución, en el mejor de los casos, representa un paso hacia una representación más cercana a la realidad.

AIC: ¿Qué tipo de energías buscas generar a través de estas simulaciones?

OCR: La versión del código que tenemos ahora ha sido probada para prospección petrolera, análisis de fuentes de energía geotérmica y evaluamos algunos casos para inclusión de modelos de mantos acuíferos.

Después de tres años y medio de involucramiento en este proyecto, he logrado reforzar mi visión sobre la importancia del trabajo multidisciplinario en el campo de la ciencia y de la investigación. En mi grupo colaboro con un matemático que me asesora en el desarrollo de los algoritmos, con un físico que me ayuda a evaluar el rango de validez de las ecuaciones. Una vez salvadas estas partes, me dedico a la programación e implementación computacional en la supercomputadora.

AIC: ¿Cómo surgió la idea de enfocarte en este tema?

OCR: Mi formación profesional es en ingeniería en sistemas computacionales y tenía firme inquietud de trabajar e investigar en el campo de la programación paralela y supercómputo, por ello cuando postulé mi solicitud de mi beca al Conacyt tenía el deseo de integrarme a este centro de investigación ya que está en el top diez de los centros de supercómputo en Europa, y desde mi llegada me incorporé a un grupo de investigación conjunta entre el BSC-CNS y Repsol, la empresa petrolera de España.

Es así que me propusieron posibles líneas de investigación y elegí esta porque suponía no solo un enfoque multidisciplinario sino también un reto de investigación y desarrollo tecnológico. En este convergen modelos numéricos novedosos, lenguajes y técnicas de programación de vanguardia y arquitecturas computacionales de frontera.

Cuando logras integrar todo lo anterior, obtienes un producto con un valor añadido extraordinario.

AIC: ¿Qué esperas encontrar en esta última fase?

OCR: Estamos trabajando en la publicación de dos artículos y en la mejora del desempeño del código en arquitecturas de supercómputo.

Al día de hoy hemos ejecutado el código utilizando hasta mil procesadores, pero el objetivo final es utilizar por lo menos ocho mil. Podemos imaginar ocho mil laptops conectadas por una red de alta velocidad, las cuales trabajan colaborativamente en la solución de un problema.

AIC: ¿Cómo ha sido el apoyo de Conacyt para desempeñarte en este trabajo?

OCR: Ha sido fundamental, ya que sin él no hubiese sido posible que yo colaborara en este centro. Gracias a su apoyo me ha sido posible adquirir nuevos conocimientos no solo en la componente profesional sino también en la componente de vida. Por todo ello, estoy muy agradecido.

También debo reconocer el gran apoyo que he recibido del BSC-CNS, mis ideas siempre han tenido eco, mi director y codirector de tesis siempre se han mostrado dispuestos a asesorarme y aclarar mis dudas.

Gracias al Conacyt y al BSC-CNS, hemos participado en aproximadamente diez congresos internacionales (España, Francia, Alemania, Irlanda, República Checa, Grecia, Corea del Sur, Canadá, Estados Unidos, Argentina), tenemos tres artículos publicados, estamos buscando la publicación de otros dos. Esto es un indicador claro de que el trabajo que estamos realizando tiene un interés e impacto en la comunidad científica.

En México, he presentado algunos resultados de mi investigación en la Universidad Veracruzana, en el Instituto Politécnico Nacional, en el Cinvestav y en la Universidad de Guadalajara, donde siempre he recibido comentarios positivos e ideas de posibles mejoras.

AIC: ¿Cómo ha sido el recibimiento de este trabajo en los países donde lo has presentado?

OCR: Ha sido muy bien aceptado, sobre todo porque estamos utilizando un lenguaje de programación que en el mundo científico y en el de la geofísica no se había utilizado antes para resolver este problema. Sin embargo, en el mundo académico es muy socorrido.

Nuestra metodología facilita la solución de un problema geofísico altamente complejo a partir del uso de arquitecturas de supercómputo y de lenguajes de programación de alto nivel, estamos cumpliendo con algunos requisitos que la industria exige pero sin comprometer la flexibilidad y versatilidad de la herramienta computacional.

De esta manera, el código, la matemática o la algoritmia que hemos implementado pueden ser utilizados fácilmente por aquel profesor interesado en el modelo o por algún especialista en modelado geofísico.

AIC: ¿Qué hace falta para lograr tu objetivo planteado y qué buscan en esta última etapa?  

OCR: Lo que necesitamos ahora mismo es conseguir ejecutar el código para la simulación de un modelo realmente grande, es decir, del orden de los ocho mil procesadores.

A través de esta acción se lograría validar nuestro modelo numérico y, por otro lado, validar la eficiencia de nuestro código en una arquitectura de supercómputo con un número de procesadores considerable y con una física compleja que hoy en día no se ha resuelto con este enfoque.

AIC: ¿Qué aplicaciones prácticas enfocadas a la sociedad podrían darse con este logro?

OCR: Somos una sociedad consumidora de recursos y el consumo energético en los próximos 25 años se va a duplicar.

Es cierto que hoy en día tenemos otras alternativas de energía como el agua, sol, la energía del viento, etcétera. Sin embargo, estas energías no son capaces, al día de hoy, de satisfacer la demanda de energía mundial.

Por ejemplo, expertos del sector estiman que la transición de energías fósiles a renovables requerirá por lo menos 20 años. Es por eso que las industrias petroleras, por ejemplo, necesitan ser más eficientes no solo en la fase de prospección sino también en la etapa de explotación.

Análisis de desempeño en arquitecturas de supercómputo.Al hacer más eficiente el proceso de exploración a través de la simulación, se podrían invertir mayores recursos en la investigación y consolidación de proyectos de energías alternas.

Por otro lado, nuestro código puede adaptarse fácilmente a otro tipo de problemas, como el de la búsqueda de yacimientos de agua, la minería y energía geotérmica. Esto gracias a que la matemática y la física que utilizamos tiene un amplio rango de aplicaciones.

AIC: ¿Cuánto tiempo te llevaría terminar esta fase y cuál es el siguiente paso en este proyecto?

OCR: Necesitaría alrededor de ocho meses para ejecutar las simulaciones, analizar los datos y escribir las conclusiones. Después de esta fase, la idea es trabajar en el modelado de otros casos físicos.

Además, estamos trabajando para que la versión del código que estoy desarrollando sea de acceso libre para la comunidad científica, con ello creemos que podemos lograr un mayor acercamiento a un tema específico y que está muy cercano a la industria.

Creo que este trabajo representa una oportunidad única porque la industria es el organismo que te acoge después de la formación profesional, por lo que debería existir un mayor vínculo entre la academia y el sector industrial a través de proyectos de investigación y desarrollo.

La herramienta de simulación que hemos desarrollado, al igual que otras, nos ayudan a formalizar y simplificar la complejidad que observamos en la naturaleza.

Esta simplificación, junto a los avances en supercómputo, nos permite hacer que los fenómenos naturales sean tratables y comprobables, lo cual tiene un impacto transversal.

 

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