Цифровой керн: стандарты, оборудование и перспективы для нефтегаза
Разработка нового месторождения связана с большими капитальными затратами. Чтобы минимизировать риски, проводят предварительные исследования. Так, большое количество ценной информации можно получить при изучении керна. Однако добыть такой образец непросто, отсюда растущая стоимость работ и ряд других ограничений. Снять их призваны новые технологии, в первую очередь речь идёт о цифровом керне. Какие преимущества открывает этот подход и стоит ли ожидать, что виртуальная реальность заменит лабораторные исследования?
Преимущества цифровых экспериментов перед традиционными лабораторными тестами
Хорошо известно, что такое керн. Это проба вещества, представляющая собой цилиндрический столбик, извлекаемый в результате бурения с целью последующего исследования. Что же меняет добавление слова «цифровой»?
Генеральный директор ФБУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых» Игорь Шпуров в своём выступлении на Промышленно-энергетическом форуме «ТНФ» сравнил этот термин с искусственным интеллектом: «Когда все об этом говорят, но никто до конца не понимает, что это такое». Сам глава ГКЗ видит в нём цифровое хранилище результатов лабораторных исследований и трёхмерных образцов керна, моделирования фильтрационных процессов и совокупности данных о структуре горной породы.
В то же время это комплекс экспериментальных и ручных средств исследования пород коллекторов для определения физико-химических и химических характеристик на поровом уровне, добавил г-н Шпуров.
«По большому счёту, технология цифрового керна позволяет воспроизводить лабораторные фильтрационные испытания путём проведения вычислительных экспериментов, в основе которых лежат специальные компьютерные программы», ― отметил заведующий кафедрой математических методов в геологии ИГиНГТ КФУ Тимур Закиров.
Какие же преимущества даёт перенос процессов в виртуальное пространство? По словам старшего научного сотрудника НИЛ «Внутрипластовое горение» Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ Раиля Кадырова, речь идёт о скорости и масштабе исследований.
«Там, где раньше можно было провести ограниченное число экспериментов, цифровые модели позволяют быстро проверить сотни сценариев. Кроме того, появляется возможность изучать процессы на уровне отдельных пор, что крайне сложно сделать классическими методами. Это особенно важно для сложных коллекторов, где свойства сильно зависят от микроструктуры», ― пояснил г-н Кадыров.
То, что цифровой керн меняет сам подход к проведению исследований, отметил ещё один спикер TNF, директор исследовательского центра «Геосфера» Ленар Шакирзянов.
«В лаборатории для каждого набора условий требуется отдельный эксперимент, часто образцы не могут быть использованы повторно. Это существенно ограничивает возможность проверки большого числа сценариев. Например, мы хотим протестировать 100 полимерных составов, при традиционном подходе это практически невозможно. Цифровые технологии позволяют в программе определить оптимальные полимерные составы и уже их проверить на физическом керне. Это снижает количество физических экспериментов и позволяет подобрать наиболее оптимальное решение.
Ещё одна интересная область применения ― это работа с масштабом для учёта неоднородности коллектора. На цифровой модели путём фиксирования снимков томографии различного разрешения можно масштабировать свойства с небольшого образца 8 мм до колонки керна 30 мм.
Подведём итог: главное преимущество ― это сокращение сроков исследования с месяцев до недели, возможность бесконечного моделирования разных сценариев, ускорение планирования
и, что самое важное, это решение тех задач, которые невозможно было реализовать на керне в лаборатории», ― сообщил г-н Шакирзянов.
Оптимистично оценивает перспективы цифрового керна и генеральный директор ООО «СМА» Владимир Шкловер. По его словам, благодаря внедрению новых технологий информативность вырастет даже не в разы, а на порядки, так как исследователи смогут перейти от отдельных количественных параметров, таких как пористость или проницаемость, к пониманию того, что происходит внутри породы.
Проблема верификации данных и необходимость отраслевых нормативов
Итак, мы выяснили, какие преимущества открывает использование цифрового керна. В то же время говорить, что новые технологии получили повсеместное распространение, явно преждевременно. Научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносова Дмитрий Корост, выступая на форуме в Тюмени, отметил «крайне низкий уровень применения цифровых методов в текущем графике работ с керном».
Притом, что контроль качества образцов и их сканирование на буровой уже стали обыденностью за рубежом. Одной из причин сложившейся ситуации он называет то, что разработчики отрезаны от возможности опытной эксплуатации. Решить эту проблему можно через создание полигонов.
Ещё один барьер ― это верификация и валидация полученных данных. Пока здесь остаются «белые пятна».
«Допустим, цифровой анализ керна даёт одни значения, а лаборатория — другие. Непонятно, кто ошибся. Считается, что лаборатория — самый точный инструмент, и долгое время он был единственным. При этом единой практики применения и понимания, что такое хорошая технология цифрового керна, а что не очень, зачем она нужна и как подсчитать эффективность, нет. Также нет общего подхода у компаний и государственных регуляторов. Единая система координат — это важно», ― подчеркнул в своём выступлении на форуме «ТНФ» руководитель направления НИОКР ФОНД «НИР» Евгений Муратов.
В свою очередь, Дмитрий Корост отметил, что нехватка стандартов, правил и разъяснений приводит к тому, что оборудование покупается хаотично.
«Требования к валидации остаются несформулированными из-за отсутствия нормативной законодательной базы. Здесь уже пора начинать что-то делать. Технология вызрела, данные начинают накапливаться. Самое плохое, что сейчас происходит, ― это несохранение цифровых данных.
Они удаляются через какое-то время, потому что „тянут карман”, и пользователи просто не могут себе позволить их хранить. Срочно, возможно, в связке с государством, организация репозиториев, куда эти данные сдавать, собирать. Чтобы не терять то, что уже накоплено», ― подчеркнул учёный.
О важности унификации говорил и Владимир Шкловер.
«Нам надо принять, что конечным потребителем является не только лаборатория исследования керна, данные необходимы и петрофизикам, и литологам, и геологам в самом широком смысле. И коль мы говорим, что переходим на цифровые, инновационные, высокотехнологичные методы, то нам необходимо всем вместе научиться ставить соответствующие сложные задачи для них. А это возможно только в том случае, если всё научное сообщество будет работать над единым подходом, выработкой стандартов таких исследований», ― констатировал генеральный директор «СМА».
Пока технология развивается «снизу» в виде инициативы со стороны бизнеса. Однако у такого подхода есть свои ограничения.
«Компании уже проводят исследования на цифровом керне, например, для подбора ГТМ (геолого-технических мероприятий) и МУН, построения собственных геологических моделей. Но всё это внутренняя кухня. В то же время у госорганов есть требования к образцам: процесс выноса, отношение к конкретной залежи или разрезу, площадь. И ни одного слова про цифровой керн там нет. При этом технологию можно использовать не только для научных, но и для практических задач, например для обоснования ТРИЗ, подготовки проектных документов и т. д.
Пока этого нет. То есть на данный момент есть интерес к цифровому керну со стороны компаний, но для шага вперёд нужно объединение усилий государства, бизнеса и академического сообщества, чтобы договориться об общих для всех правилах», ― резюмировал эксперт Российского газового общества (РГО) Антон Соколов.
То, что сегодня технология цифрового керна не является необходимым пунктом испытаний при разработке месторождений и при подготовке отчётности для Государственной комиссии по запасам, отметил и Тимур Закиров. Пока речь идёт о проведении НИОКР для конкретных нужд заказчика. И включение в список обязательных процедур стало бы серьёзным импульсом к развитию, заключил учёный.
Состояние и импортозамещение приборной базы и программного обеспечения
Помимо организационных сложностей, нельзя забывать, что внедрение новых технологий потребует закупки дорогостоящего оборудования.
«В первую очередь это рентгеновский томограф, позволяющий оцифровывать пористые среды. Принцип его работы такой же, как и медицинского аппарата, однако он обладает существенно большей мощностью и куда более высоким разрешением (уровень сотен нанометров!). На сегодняшний день в России существует достаточно большое количество томографов: в Сколтехе, НТЦ „Газпром нефти”, ведущих вузах России. Например, в Казанском федеральном университете он появился в 2012 году», ― отметил Тимур Закиров.
«У российских компаний есть и оборудование, и технологии. И важно, что речь идёт преимущественно об отечественных разработках. То есть мы в состоянии обеспечивать себя всем необходимым», ― добавил Антон Соколов.
В то же время нельзя говорить, что проблем совсем нет. Дело в том, что значительная часть высокотехнологичных систем, приобретённых до 2022 года, ― зарубежного производства. Впрочем, по словам Раиля Кадырова, здесь наметились позитивные подвижки: в последние годы появились отечественные разработки, включая томографы и элементы лабораторной инфраструктуры.
«По программному обеспечению ситуация более гибкая: используются открытые решения, коммерческие продукты, среди которых всё активнее появляются российские разработки. Наиболее важные задачи сейчас связаны не столько с отдельными приборами, сколько с системой в целом. Нужно обеспечить сопоставимость результатов между лабораториями, развивать собственное ПО и формировать большие базы цифровых данных», ― добавил г-н Кадыров.
И всё же есть направления, по которым российским исследователям предстоит догонять зарубежных коллег. Тимур Закиров в качестве примера называет дорогостоящие приборы с опцией быстрой синхротронной томографии, позволяющие экспериментально в режиме реального времени наблюдать за течением флюидов в поровых каналах.
«Если говорить о количестве и качестве публикаций, отечественным учёным тоже есть куда стремиться. Однако нужно отметить, что данное направление получает грантовую поддержку. Так, в КФУ в настоящий момент работают над двумя проектами :РНФ (№ 25-71- 10031) и Фонда науки и технологий Республики Татарстан», ― рассказал г-н Закиров.
Кроме этого, эксперты подчёркивают, что, помимо оборудования, нужны специалисты, которые не только понимают геологию и физику процессов, но и владеют современными методами анализа данных. При этом, по словам Дмитрия Короста, на сегодня в России нет профильных учебных программ.
Цифровой и физический керн: новая парадигма совместных исследований
Важно понимать, что развитие цифровых технологий не означает, что традиционные лабораторные исследования уйдут в прошлое.
«По нашему мнению, проведение таких виртуальных экспериментов на данный момент невозможно без калибровки на физических лабораторных экспериментах. Фундаментальная проблема ― ремасштабирование результатов. Инструменты обладают различной разрешающей способностью. Без традиционных лабораторных методов настройка цифровой модели невозможна. Даже для хорошего образца микротомография не видит всю пористость», ― рассказал участникам форума в Тюмени начальник управления научно-технического развития ООО «Сахалинская Энергия» Алексей Хабаров.
О том, что цифровые методы не заменяют, а дополняют традиционные исследования, говорил и Раиль Кадыров.
«Лабораторные измерения остаются основой, потому что именно они дают прямые физические данные. Они нужны для проверки цифровых моделей, сравнения с накопленными историческими данными и снижения неопределённости. Кроме того, часть процессов, например химические взаимодействия или сложные многофазные эффекты, пока надёжнее изучать экспериментально.
И важно понимать, что нефтегазовая отрасль традиционно достаточно осторожно внедряет новые технологии, поэтому цифровые методы чаще сначала применяются там, где классические подходы дают слабый результат», ― рассказал старший научный сотрудник КФУ.
Поддержал коллегу и Тимур Закиров. По его словам, данный метод выступает в роли помощника физических испытаний и особенно актуален в условиях ограниченного количества керна.
«Также цифровые технологии позволяют исследовать те величины и механизмы, которые трудоёмко измерить в физическом эксперименте. Например, поверхности контактов между жидкостями и твёрдыми частицами, распределение жидкостей в образце и др. Данные показатели имеют большое значение в вопросах нефтедобычи и оптимизации заводнения пласта», ― резюмировал г-н Закиров.
Ключевая роль цифрового керна в освоении трудноизвлекаемых запасов (ТРИЗ)
Важно, что «цифровым керном» всерьёз заинтересовались не только в научных учреждениях, но и добывающих компаниях.
«Есть два типа инноваций: эволюционные и революционные. Цифровой керн — это как раз революционный шаг. В бизнесе все понимают его важность, но всё равно встречаем определённое сопротивление системы: привыкли работать в устоявшемся формате, есть сложившиеся правила. Чтобы всё поменять, нужны большие усилия, которые должны чем-то стимулироваться. Как правильно оценить эффект для отрасли, это очень важный вопрос. Нам внутри очень сложно его посчитать.
Но в „Энергостратегии к 2050 году” [указано, что, ― прим. ред.] 33% будет добываться из ТРИЗ, то, что с проницаемостью меньше 0,2 миллидарси. Там без цифрового керна работать не сможем, вот цифры, на которые стоит делать упор», ― подчеркнул в своём выступлении на форуме в Тюмени заместитель начальника департамента по технологическому развитию разведки и добычи ПАО «Газпром нефть» Алексей Вашкевич.
В роли драйверов развития выступают малые инновационные предприятия при университетах, которые потом поглощаются крупными игроками на мировом рынке.
Важное направление, где может быть востребована технология, ― это освоение ТРИЗ. Именно для поиска новых подходов в работе с трудноизвлекаемыми запасами «Газпром нефть» открыла в Тюмени исследовательский центр «Геосфера».
«Для традиционных коллекторов с проницаемостью более 10 миллидарси эксперименты на керне быстрые, недорогие и понятные. Когда мы переходим к низкопроницаемым, таким как ачимовка, бажен, то ситуация меняется кардинально. Они становятся долгими, дорогими и малоинформативными», ― объяснил важность внедрения новых технологий Ленар Шакирзянов.
По словам Антона Соколова, при работе с ТРИЗ использование новых технологий ― это зачастую единственный способ проведения исследований.
«Когда мы говорим про тот же палеозой, это большие глубины отбора. Поэтому зачастую поднимаем на поверхность образцы в состоянии, уже непригодном для исследования. То же самое на бажене: керн может просто разорвать при подъёме. А цифровой керн ― это отличный инструмент, с помощью которого можно, например, моделировать проведение гидроразрыва пласта или различные типы смешивающегося и несмешивающегося вытеснения», ― рассказал эксперт РГО.
Искусственный интеллект и квантовые вычисления как следующий этап эволюции
Итак, какие перспективы у технологии в России? Несмотря на все сложности, большинство экспертов настроено оптимистично.
«По нашему опыту, с каждым годом популярность данного направления в РФ растёт, интерес со стороны заказчиков, в первую очередь нефтедобывающих компаний, тоже. Так что мы рассчитываем, что в вопросе применения на практике и внедрения цифрового керна мы будем идти в ногу со временем и не отставать от мировых лидеров», ― отметил Тимур Закиров.
«Во многих крупных нефтегазовых компаниях сформированы команды, которые занимаются цифровым керном, и число таких проектов постепенно увеличивается. Развиваются и сами технологии: активнее используется машинное обучение для прогнозирования свойств пород, развивается 4D-микротомография, позволяющая экспериментально наблюдать процессы внутри породы во времени, растёт интерес к синхротронным исследованиям.
В ближайшие годы можно ожидать не резкой замены лабораторных методов, а расширения области применения цифровых технологий ― прежде всего там, где они позволяют быстрее получать результат и лучше понимать сложные процессы», ― добавил Раиль Кадыров.
Важно, что уже сейчас новые подходы в изучении керна дают конкретный экономический результат: повышение нефтедобычи, снижение рисков и операционных затрат, отметил Владимир Шкловер.
«В целом направление помогает развивать отрасль. И, несмотря на те большие инвестиции, которые предполагает развитие такой лабораторной базы, я думаю, отдача будет велика», ― констатировал генеральный директор ООО «СМА».
Стоит отметить, что инвестиции в цифровые исследования керна ― не только российский, но и общемировой тренд. По словам Владимира Шкловера, мировой рынок цифрового анализа керна в 2023 году составил почти $150 млн. Для сравнения в 2022 году было $90 млн.
«Таким образом, мы видим, что это динамически развивающийся тренд на мировом нефтесервисном, нефтегазовом рынке. Это связано в первую очередь с усложнением производственных процессов, направленных на максимизацию добычи. Речь идёт об анализе
в микро- и наномасштабе, хотя говорим о пластах протяжённостью в сотни и тысячи километров», ― отметил г-н Шкловер.
Более сдержан в оценках Антон Соколов.
«Какого-то взрывного роста в ближайшие годы я бы не ожидал. Надо понимать, что бизнес занимается не наукой в чистом виде, а прикладными исследованиями. Соответственно,
в центре внимания окажутся те породы, интервалы, которые представляют интерес с точки зрения перспектив добычи. То есть потенциал есть, но он будет сконцентрирован вокруг ТРИЗ, причём довольно узкой группы.
Например, я не думаю, что цифровой керн будут использовать на тюменской свите, потому что там достаточно традиционного материала для исследования. Интерес к бажену немного поугас, потому что „ключи” к нему подбираются тяжело. Большой добычи там не ведётся. Самые перспективные направления ― палеозой, ачимовка, доманик», ― озвучил мнение эксперт РГО.
Наконец, последний вопрос. В каком направлении будет развиваться технология в ближайшие годы? Эксперты сходятся во мнении, что ключевой фактор здесь ― более тесная интеграция
с искусственным интеллектом.
«Уже сейчас существуют нейросетевые модели, позволяющие предсказать нефтедобычу. Нужно лишь загрузить цифровую модель керна, параметры разработки, и ИИ выдаст какой-то результат. Следующим этапом, который привнесет большой прорыв, будет разработка квантовых компьютеров и алгоритмов. На сегодняшний день, „узким” местом является скорость численных расчётов, поскольку мы имеем дело с сетками более одного миллиона узлов, что очень много.
Вычисления порой могут занимать несколько суток. Насколько нам известно, для квантового компьютера одни сутки эквивалентны нескольким минутам. Так что мы с нетерпением ждём. Ещё одним этапом развития может считаться закупка приборов с опцией быстрой синхротронной томографии. Их стоимость очень высока, более 100 млн рублей, так что вопрос рентабельности остаётся открытым», ― рассказал Тимур Закиров.
«Применительно к изучению керна использование искусственного интеллекта означает автоматическую обработку изображений, ускоренный анализ данных и новые методы прогнозирования свойств пород. Также активно развиваются методы, которые позволяют увеличивать исследуемый размер цифровых моделей, сохраняя детали структуры порового пространства.
Это важно для перехода от моделей на уровне пор к образцам лабораторных масштабов. В целом многие из этих технологий уже находятся на стадии разработки и внедрения. Скорее всего, в ближайшие годы они станут обычным рабочим инструментом, а не редкой научной задачей», ― заключил Раиль Кадыров.
Резюмируем: цифровой керн ― это не очередной проект «вечного двигателя», а вполне рабочий инструмент, который уже подтвердил свою эффективность. В России его развитие во многом сдерживает отсутствие нормативной базы. Устранение этого барьера может привести к взрывному росту технологии. Ну и очень важно, что крупные компании уже понимают потенциал цифрового керна и готовы вкладывать деньги в его развитие.
Мировой рынок цифрового анализа керна увеличивается очень быстрыми темпами. Если в 2022 году его объём (имеются в виду услуги) составлял $90 млн, то в 2023 году ― уже почти $150 млн. Прогноз годового прироста также изменился: с 3 до 8–10%. Такие цифры привёл в своём выступлении на Промышленно-энергетическом форуме ТНФ генеральный директор ООО «СМА» Владимир Шкловер.
Текст: Андрей Халбашкеев
