
«Геосфера»: изучаем керн по-новому
Изучение керна ― неотъемлемый этап при освоении любой нефтяной залежи. За многие годы здесь сложились свои методики, которые успели стать классическими. Однако прогресс не стоит на месте. И вот в «Газпром нефти» собираются внедрить принципиально иной подход в деле изучения керна. «Технологии будущего» мы смогли увидеть своими глазами в ходе экскурсии по исследовательскому центру «Геосфера».
В «Газпром нефти» поставили амбициозную задачу: построить исследовательский центр будущего. И дело здесь не только в современном и высокотехнологичном оборудовании (хотя оно тоже на месте), а в новом подходе к изучению образцов породы.
«Единственный способ „пощупать”, что находится под землёй, — это изучать образцы керна. Все остальные методы исследования косвенные. Проблема в том, что прогнать „химию” через керн можно только один раз. А стоит он дорого: чтобы получить 50 метров, надо бурить скважину, которая будет стоить условно миллионы рублей. Какой выход из этой ситуации? Мы решили перевести керн в цифровое пространство, создать его виртуальную копию.
И уже с ней мы можем делать бесконечное количество экспериментов. Поэтому мы исходили из парадигмы, что есть физическая среда — сам исследовательский центр — и цифровая, которую не видно, но она не менее значима (и не менее затратна). И в долгосрочной перспективе цифровая лаборатория будет всё больше и больше доминировать над физической», — объясняет заместитель начальника департамента по технологическому развитию, разведке и добыче «Газпром нефти» Алексей Вашкевич.
Робот-шаттл: доставим любой груз в срок
Подтверждение технологичности исследовательского центра мы увидели с первых шагов. Как пояснил начальник управления по фильтрационным и специальным исследованиям научного подразделения «Газпром нефти» Николай Барковский, жёлтые полосы на полу в коридорах нарисованы не просто так — это маршруты для роботов-шаттлов. Они являются частью общей системы автоматизированного склада – проекта, разработанного большой командой экспертов, с привлечением компетенций «Газпромнефть-Снабжения».
«Сотрудник через информационную систему заказывает образец керна или нужную деталь, оборудование. После этого на складе формируется заказ, и робот всё доставляет в нужную лабораторию», — объясняет Барковский.
Шаттлы полностью автономные, посылая специальные сигналы, они могут сами открывать двери и даже вызывать лифт на нужный этаж. Всё это придаёт происходящему в центре футуристичности. Но, конечно, главная цель автоматизации — отнюдь не красивая картинка.
«Эксперименты в нашем центре могут длиться по 9 месяцев, круглые сутки без перерыва. И какая-то запчасть может понадобиться в любой момент, в том числе и ночью. А робот как раз работает в режиме 24 на 7», — отмечает Николай Барковский.
В пользу инноваций говорят и экономические доводы. Благодаря организации роботизированного склада, удалось сократить площади хранения в несколько раз, добавляет руководитель проекта по складской логистике «Газпромнефть-Снабжения» Владимир Петров.
Нам не нужен релаксометр из Оксфорда
В специальном хранилище керн может сохранять свои свойства сотни лет. Какие-то образцы, действительно, ждёт такая судьба — их консервируют для будущих поколений. Но всё же в первую очередь керн — это ценный материал для экспериментов. И начинаются они в лаборатории профильных исследований.
«Первым делом мы фотографируем весь керн в белом и ультрафиолетовом свете. В ультрафиолете мы видим в каких породах есть нефть и степень насыщенности. В зависимости от цвета мы можем сказать, какая она: тяжёлая, стандартной вязкости, лёгкая или уже на границе с конденсатом», — рассказывает Николай Барковский.
Также в лаборатории проводятся экспресс-анализы всего керна. Получают первые данные о пористости и проницаемости, профиле прочности породы (прочная, рыхлая, хрупкая). Уже на этом этапе можно сообщить заказчику, какой это коллектор: стандартный или ТРИЗ. И выдать первые рекомендации по разработке месторождения — например, какой флот ГРП лучше завозить на данный объект из каких интервалов провести пробную добычу нефти.
Здесь же находится макротомограф, изготовленный по заказу «Газпром нефти» в Томском политехническом университете. На приборе керн сканируют, после чего он начинает жить в двух измерениях: физическом и цифровом.
От чернил из сажи до QR-кода
Систему робомаркировки образцов керна разработала отечественная компания.
«Раньше использовались чернила на основе сажи, и наносили их пером вручную. Но человеческий фактор никто не отменял. Там, где большое количество цифр, всегда возможны ошибки. Мы решили маркировать образцы автоматически», — рассказывает Владимир Петров.
Специальный QR-код наносит робот. Место, где лучше всего оставить запись, он определяет с помощью машинного зрения. Однако за видимой простотой решения кроются месяцы кропотливого труда.
«Только тушь мы подбирали около года. На керн влияют высокие температура и давление, кислоты, спиртобензол, толуол. А нам надо, чтобы эта надпись осталась навсегда и при этом не испортила фильтрационные характеристики керна», — объясняет Николай Барковский.
А ведь надо было ещё решить, как лучше наносить чернила на образец. Многие компании отказывались сразу после того, как видели техническое задание. Другие выходили из проекта после первой неудачи. В результате проблему смогла решить новосибирская компания «Геологика».
Впрочем, все эти усилия окупаются. После того как образец получает индивидуальный номер (или, как в «Геосфере», QR-код), в любой момент можно отследить, где он находится: на каком исследовании, в какой лаборатории.
«30 лет назад я работал на глубокой скважине (5400 метров) на Ямале и отбирал керн. И вот когда попал в этот проект, то нашёл тот самый образец», — делится воспоминаниями Владимир Петров.
Определяем нефть по запаху
Впрочем, и в мире высоких технологий исследователи керна в каких-то случаях продолжают полагаться на органы чувств. Один из таких примеров можно найти в лаборатории литологии и минералогии, где занимаются детальным послойным описанием образцов.
Как рассказывает начальник отдела литологии и минералогии Оксана Сухова, чтобы понять, содержит ли керн углеводороды, его достаточно понюхать. Наличие нефти выдаёт характерный запах, похожий на аромат керосина или бензина.
Впрочем, и в этой лаборатории внедряют технологии искусственного интеллекта. Так, с помощью машинного зрения по имеющимся стандартам можно определить насыщенность, текстуру, сегментирование керна. Впрочем, пока «цифру» используют лишь для экспресс-описаний, а сложные задачи по-прежнему решают люди.
«Материализуем» цифровой керн: зачем это нужно?
Далее керн попадает в лабораторию фильтрационных и специальных исследований. Здесь представлено российское оборудование. С его помощью определяют коэффициенты вытеснения нефти, которые затем закладываются в геолого-гидродинамическую модель пласта и учитываются при разработке месторождения. Здесь же исследуются и подбираются новые технологии увеличения нефтеотдачи, буровые растворы и жидкости глушения.
Впрочем, как отмечают сами сотрудники «Газпром нефти», самое интересное находится в соседней небольшой комнате – лаборатории микрофлюидных исследований. Фильтрационные исследования самые продолжительные по времени: на один эксперимент может уйти несколько месяцев. Но сейчас российские учёные нашли способ значительно ускорить этот процесс. Для этого керн снова возвращается из виртуального в материальный мир, но уже в миниатюре.
«Мы взяли трёхмерную цифровую модель керна, которую получили с помощью томографии, микроскопии и других методов, и перевели её в двумерную структуру. Получился микрофлюидный чип, который в точности соответствует той структуре пор, которая характерна для исследуемого керна. Это уже не виртуальная копия, а физический объект.
На нём можем непосредственно наблюдать, как происходит процесс фильтрации, причём контролировать несколько фаз. Таких чипов можно изготовить тысячи, и все они будут одинаковыми. То есть мы сможем сравнивать результаты разных экспериментов», — рассказывает генеральный директор компании-разработчика технологии микрофлюидных исследований Алексей Черемисин.
Но, пожалуй, главное преимущество нового подхода — это то, что эксперимент теперь занимает уже не несколько месяцев, а от нескольких часов до недели. Конечно, это даёт и серьёзное сокращение затрат, и экономию ценных образцов керна.
Сейчас микрофлюидные чипы используют для экспресс-тестов. Из множества вариантов определяют 3-4 лучшие технологии, которые потом проверяются на классических фильтрационных установках. Но уже скоро в отрасли грядёт настоящая революция, считают в «Газпром нефти».
«Я вижу, что в скором времени мы будем подбирать технологии и подтверждать на микрочипах. Сейчас проходят месяцы, прежде чем мы получим результат. С новыми технологиями результаты исследований мы будем выдавать в 10 раз быстрее», — считает Николай Барковский.
О том, что этот небольшой стартап, скорее всего, изменит целую отрасль в исследованиях керна, говорит и Алексей Вашкевич. Впрочем, пока новой технологии ещё предстоит доказать свою эффективность, а сделать это непросто.
«Мы готовы отказаться от дорогостоящих лабораторий, когда достигнем сходимости результатов в 99,9%. Но перевести керн в цифровое пространство очень тяжело. Например, как он поведет себя, если его начать сжимать? То есть нам нужна не только статика, но и динамика. Скоро в Новосибирске запустят кольцевой источник фотонов. На этом синхротроне мы будем просвечивать керн, чтобы получать данные в динамике», — добавляет Алексей Вашкевич.
Зачем сжимают керн?
Действительно, керн, извлечённый на поверхность, ведёт себя по-другому, чем порода, залегающая на глубине нескольких километров, где на неё воздействуют высокие давления и температуры. Впрочем, текущий уровень технологий позволяет во многом воссоздать эти условия. Этими и другими задачами занимаются в лаборатории геомеханики. Полученные здесь данные помогают правильно подобрать буровой инструмент, спрогнозировать траекторию трещины при гидроразрыве пласта.
«Большинство установок по исследованию геомеханических свойств породы могут обеспечить лишь равномерное горизонтальное напряжение на образец. Наши установки позволяют проводить исследования на кубических образцах с созданием двух разных горизонтальных напряжений во взаимоперпендикулярных плоскостях.
Сжимая и деформируя керн, мы можем определить не только его прочность и упругие свойства, но и изучить, как меняется проницаемость и ряд других свойств. Возможности оборудования позволяют создавать давления до 210 МПа и температуру до 200 ℃» — объясняет начальник отдела геомеханических исследований научного подразделения «Газпром нефти» Александр Шубин.
Есть в лаборатории и установка, которая позволяет проводить гидроразрыв на образцах керна. «На образец устанавливаем много акустических датчиков, и по различным сигналам мы можем фиксировать развитие этой трещины, направление и форму. В результате мы получаем 3D-модель. Также для изучения геомеханических свойств используют установки для испытаний при одноосном сжатии и растяжении образцов.
«Образец помещают между двумя пластинами и нагружают вдоль его оси, как правило, до его разрушения. Установка оснащена специальными датчиками и системой видеофиксации деформаций. На образец наносим специальный наноспрей и после этого можем фиксировать перемещения маленьких частичек.
Тем самым мы можем определить, какая часть образца деформируется и как происходит разрушение. Эта информация о механических свойствах горной породы добавляется к общему цифровому двойнику. И дальше на этой модели можем отрабатывать различные технологии без разрушения керна», — рассказывает Александр Шубин.
«Не из любого интервала керна можно изготовить образцы, есть те, которые буквально разваливаются на части. При этом информация с этих участков — наиболее ценная для буровиков. Именно там чаще всего возникают осложнения. Здесь же мы можем взять кусок керна произвольной формы и изучить базовые механические свойства этой породы.
Для этих целей в лаборатории находится установка, которая позволяет определять, насколько порода может сопротивляться сдвиговым нагрузкам. Обычно результаты с данной установки используют при проектировании зданий и других сооружений. Но в «Геосфере» для неё тоже нашли применение», — говорит Александр Шубин.
Резюмируем: увиденное в «Геосфере», конечно, впечатляет. Новому исследовательскому центру в Тюмени выдали карт-бланш на тестирование новых технологий, которые безусловно будут востребованы.
Результаты научно-исследовательских проектов в тюменском центре помогут как в решении прикладных задач нефтяников, так и в поиске ключей для добычи ТРИЗ и преодолении других глобальных вызовов перед российским ТЭК.
Текст: Андрей Халбашкеев
Фото предоставлены пресс-службой «Газпром нефти»