High performance computing for hydrothermal systems or geothermal reservoirs using MULTI-GPU technology: Application to the Lusi geyser systems in Java, Indonesia

Les systèmes hydrothermaux et les réservoirs géothermaux sont d’un intérêt majeur pour les sciences naturelles et les sciences de l’ingénierie. Leur fascinante complexité intéresse de plus en plus les recherches multidisciplinaires en relation avec la société actuelle pour la demande d’approvisionnement de chaleur et d’électricité. Leur application nécessite la simulation exacte des processus liés à la dynamique des fluides et de la thermodynamique du sous-sol, ceux-ci pouvant être relativement complexes. Le but de ce travail est de comprendre le transfert de chaleur et la dynamique des fluides contrôlant le fonctionnement d’un geyser nommé Lusi. Ce système prit forme, en 2006, sur l’Est de l’île de Java en Indonésie. <br>
Les geysers sont répandus à travers le monde et engendre des processus physiques multiples et difficiles à comprendre. Le développement de modèles pour les étudier est très complexe. Mon but ici, est de créer des modèles conceptuels et numériques en 3D, à grande échelle, capables de simuler la dynamique des fluides et la thermodynamique de ces systèmes en tenant compte de l’évolution de la porosité et la perméabilité de la roche du milieu. Ces modèles peuvent aussi être mis en pratique pour des applications renouvelables tel que les systèmes géothermaux stimulés (EGS) et la séquestration du CO₂ (CCS).<br>
C’est pourquoi, j’ai développé un nouvel algorithme pour la création de meshs hexahedraux qui transfère l’information structural de modèle géologique dans un grid numérique, en utilisant une méthode de « Binary Space Partitioning » (BSP) et d’« octree refinement ». L’algorithme fournit une nouvelle méthode pour la création de meshs hexahedraux pour tous types de simulations numérique en 3D quantifiant les processus physiques Thermique-Hydraulique-Mécanique-Chimique (THMC).<br>
Par la suite, je présente un nouvel outil 3D de « High Performance Computing» (HPC) se basant sur la technologie des « Graphic Processing Units » (GPU). Les processus physiques implémentés dans le code sont associés aux systèmes hydrogéologiques profonds et complexes où les fluides sous-pressions génèrent une réaction de déshydratation de la roche suffisante pour induire de l’hydro-fracturation. Ces processus influencent fortement les structures de la porosité et de la perméabilité au sein même des formations géologiques.<br>
Au final, pour comprendre Lusi, il me faut faire appel aux modèles numériques développés, tout en tenant compte du contexte géologique et de sa complexité. De ce fait, j’utilise des techniques informatiques de « High Performance Computing (HPC)» pour procéder aux calculs des processus multiphysiques. Dans ce travail, je vous présente le premier modèle numérique en 3D du geyser Lusi utilisant la technologie de GPU multiples en parallèles.<br>
<b>Abstract</b>
Hydrothermal systems and geothermal reservoirs are of major interest for natural and engineering sciences. Their fascinating complexity spurs multidisciplinary efforts for supplying society with heat and electricity production. Their applications require the correct simulation of fluid dynamics and thermodynamics processes in fractured media, and many of these media host a certain degree of complexity. This thesis aims to understand the heat transfer and fluid dynamics within a newborn geyser system, named Lusi, which began erupting in 2006 in East Java, Indonesia.<br>
Geyser systems are ubiquitous, with a wide-range of processes, making the development of a general model difficult. My goal is to establish 3D conceptual and numerical models capable of simulating fluid dynamics and thermodynamics within large-scale geyser reservoirs such as the Lusi region, considering porosity and permeability evolution through time. These models can also address a number of other renewable applications, including Enhanced Geothermal Systems (EGS) and CO2 sequestration (Carbon Capture and Storage CCS). <br>
I developed a new mesh algorithm to create hexahedral octree meshes to transfer the structural geological information using binary space partitioning (BSP) of the input geometry and octree refinement on the grid. The algorithm provides a new method for hexahedral mesh generation for any 3D numerical simulations to quantify Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical (THMC) physical processes. <br>
Further, I present a new high performance 3D tool using Graphics Processing Unit (GPU) workstations or cluster technology. The physical processes implemented into the code are those associated with deep hydrogeological complexes where high fluid pressures generated by dehydration reactions can be sufficient to induce hydro-fractures that significantly influence porosity and permeability structures within geological formation.<br>
Finally, I use the developed numerical models to investigate Lusi using 3D geological context and complexity with multiphysics processes considering High Performance Computing (HPC) on parallel computing. I present the first 3D numerical model of the Lusi geyser system using multi-GPU technology.

, Doctorat, Université de Neuchâtel, Centre d'hydrogéologie et de géothermie