Petrobras: Computação de Alto Desempenho para otimizar e reduzir custos das simulações de reservatórios

Com mais de 300 poços a serem explorados em suas vastas reservas em águas profundas ao longo de um plano quinquenal — cada um custando de US$ 70 milhões a US$ 100 milhões — a Petrobras realiza centenas de simulações de reservatórios complexos diariamente usando computadores de alto desempenho para reduzir incertezas e tomar melhores decisões.

Se você pesquisar uma lista dos 500 melhores computadores de alta per (HPC) do mundo — aqueles que são mais verdes (consomem menos energia) e mais poderosos — verá que institutos acadêmicos e as maiores empresas de energia, como a Petrobras, estão entre os usuários mais intensos.

A simulação de reservatórios é um dos cálculos mais importantes que uma empresa de petróleo e gás pode fazer, segundo Rob Farber, pioneiro em IA/HPC e líder global em tecnologia. A indústria de energia tem realizado simulações de “dimensões massivas”, exigindo que os principais players da indústria avancem para simulações mais rápidas e eficientes.

A exploração e produção de petróleo e gás é o negócio principal da Petrobras, a maior empresa pública da América Latina com uma capitalização de mercado de quase US$ 109 bilhões. A corporação energética multinacional é uma referência global em exploração em águas ultra-profundas, e cada poço em águas profundas custa tipicamente entre US$ 70 milhões e US$ 100 milhões para explorar e desenvolver.

A Petrobras planeja perfurar mais de 300 poços de petróleo e gás offshore nos próximos cinco anos — a maioria localizada bem abaixo da superfície do oceano, entre 2.100 metros e 7.000 metros ou mais. Eles estão frequentemente situados dentro de uma topologia complexa abaixo do leito marinho em reservas pós-sal e pré-sal. Explorar esses reservatórios para tomar as melhores decisões requer a simulação de modelos computacionais 3D complexos usando enormes infraestruturas de HPC.

Para entender e estrategizar as abordagens mais eficientes e lucrativas para a produção, a Petrobras conta com sua equipe de engenharia de reservatórios, distribuída pelo Brasil, que geralmente realiza centenas de simulações de HPC por dia, para prever melhor como os suprimentos de petróleo e gás profundamente abaixo do mar serão explorados. Esses engenheiros precisam encontrar quais locais podem ser os melhores para perfurar através da rocha, que tipo de estratégia de extração deve ser empregada, quais controles operacionais devem ser usados para maximizar as operações e prever os volumes de recuperação e fluxo de caixa, entre outros desafios.

O primeiro ano do Projeto Blue Sky

Em abril de 2023, a Petrobras se associou a uma equipe de engenharia de HPC do CESAR para o projeto de PD&I denominado “céu azul” — usando uma abordagem criativa que vai além do pensamento convencional — para explorar como novas plataformas de superchips aceleradores poderiam ajudar a acelerar simulações de reservatórios para otimizar o precioso tempo de seus engenheiros e usar muito menos energia para reduzir sua pegada de carbono.

Com os recentes avanços nos processadores ARM CPU, incluindo o recém-lançado NVIDIA Grace CPU, o CESAR e a Petrobras iniciaram a primeira fase do projeto de PD&I para atualizar o código do kernel computacionalmente mais caro da simulação de reservatórios para rodar em núcleos de alto desempenho e eficientes em energia dos CPUs ARM. O kernel numérico mencionado é o solucionador linear, que é implementado pelo SolverBR e leva cerca de 50 a 60 porcento do tempo no processo de uma simulação de reservatório.

“É um enorme desafio fazer uma conversão de uma arquitetura para outra. Muitos códigos ao longo dos anos foram extremamente ajustados para funcionar em arquiteturas completas, e remover ou reverter o código de software é complexo e consome muito tempo”, disse Felipe Portella, IT Advisor at Petrobras e  líder técnico do projeto. “Escolhemos o CESAR para ser nosso parceiro porque já tivemos grande sucesso trabalhando com eles em outros projetos de PD&I de UX e IA generativa. 

Os meses de trabalho para pesquisar, projetar, re-codificar e testar as novas arquiteturas de chips ARM versus x86 tradicionais renderam acelerações significativas para produzir as simulações complexas usadas pelos engenheiros de reservatórios da Petrobras em uma cadência diária. A colaboração de PD&I reduziu dramaticamente a quantidade de tempo de processamento, enquanto economizava energia graças a uma nova geração líder de mercado de chips que permite até 2X o desempenho dos principais servidores atuais no mercado.

Um aumento na preocupação social sobre o impacto da computação de alto desempenho no ambiente, aumentos correspondentes na demanda por energia e uma tendência para reduzir as emissões de carbono levaram a um movimento industrial para inovar novas formas de executar simulações complexas de HPC que exigem grandes cargas de trabalho de forma mais eficiente, em escala, enquanto reduz o consumo de energia.

O desafio à frente: converter o simulador completo para HPC de próxima geração

“Agora que temos um conceito comprovado e resultados muito sólidos que provam que vale a pena transportar o código para o resto do simulador HPC. Já conquistamos a parte mais intensiva em tempo desta jornada através do SolverBR”, disse Portella. “Nos próximos meses, trabalharemos em estreita colaboração com o CESAR e a NVIDIA para redesenhar e implantar um novo código para o simulador completo.”

Outro tipo de simulador foca em questões geomecânicas de reservatórios existentes para diagnosticar ou prevenir problemas, como pressão excessiva que pode causar risco de vazamento de petróleo no oceano.

“Um dos nossos processos intensivos de engenharia de HPC é ajustar essas simulações de reservatório aos dados históricos para que possamos prever melhor o futuro”, disse Portella. “Temos até uma instalação de visualização 3D que permite que nossos engenheiros usem óculos de realidade virtual e entrem nessas representações virtuais de reservatórios, analisando e explorando diferentes dados.”

Esse tipo de PD&I de tecnologia avançada para cargas de trabalho mais rápidas e eficientes em energia para criar simulações de HPC a partir de grandes quantidades de dados é necessário em outros setores da indústria, incluindo finanças, energia elétrica, design de medicamentos, pesquisa espacial, planejamento urbano e previsão do tempo.

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