Цифровые двойники керна и роботы на службе у ученых: итоги года работы "Геосферы" в Тюмени

Зачем нефтегазовой отрасли новые технологии добычи?

Главная причина — трудноизвлекаемые запасы (ТРИЗ). Это углеводороды, залегающие в породах с крайне низкой проницаемостью: извлечь их старыми методами либо невозможно, либо нерентабельно.

Сегодня месторождение с запасом извлекаемой нефти 15–20 миллионов тонн считается крупным. У прошлых поколений нефтяников России показатель "богатства" сильно отличался — речь шла об объемах около миллиарда тонн. По итогам 2024 года в "Газпром нефти" сделали вывод: более 60% нефти было добыто компанией из трудноизвлекаемых запасов. По прогнозам Министерства энергетики, объем таких запасов в России достигнет 80% к 2030 году.

"Основная задача — это увеличение нефтеотдачи пластов. На текущий момент мы можем добыть не все — в зависимости от породы цифра варьируется от 15 до 30%. Наша задача сейчас — повысить этот коэффициент извлечения за счет методов увеличения нефтеотдачи. Они могут быть газовыми и химическими", — объясняет директор исследовательского центра "Геосфера" Ленар Шакирзянов.

"Геосфера" появилась как раз для повышения эффективности технологий добычи — это стратегическая цель не только нефтедобывающей компании, но и всей отрасли. Сегодня "Газпром нефть" осваивает Восточную Сибирь, новые месторождения стали для ученых вызовом: нужно протестировать гипотезы в лабораторных условиях и определить наиболее эффективные технологии добычи.

Стоит выбрать газовый или химический метод? Какой именно газ нужен? Какое ПАВ (поверхностно-активное вещество — прим. ТАСС) применить? Ответить на эти вопросы геологам, физикам, инженерам, химикам и другим специалистам центра помогают наука и инновационное оборудование.

Что такое керн и зачем он нужен нефтяникам?

Керн — это образец горной породы, извлекаемый из скважины при бурении. Он является важнейшим источником информации о недрах. С помощью керна ученые исследуют строение пласта, анализируют его пористость, проницаемость, трещиноватость, прочность и другие параметры, влияющие на движение нефти, газа и пластовой воды в недрах.

Керн© Пресс-служба "Газпром нефти"

В коридорах исследовательского центра нанесена "дорожная" разметка — "выделенка" для роботов-доставщиков керна. У цифровых сотрудников важная роль — они отвечают за логистику образцов горных пород из кернохранилища в лаборатории.

Кернохранилище "Геосферы" — это огромное помещение с сотнями стеллажей, между которыми не может (и не должен) пройти человек. Процесс полностью автоматизирован. Вместимость — до 200 тысяч погонных метров керна. За год ученые центра изучают около 2,5 тысяч метров материала.

От стеллажа до конкретной лаборатории заранее заказанный ученым керн доставляет робот, которому не нужно придерживать дверь или вызывать лифт.

"Такого кернохранилища нет нигде в мире. Во всех компаниях России и мира между стеллажами кернохранилища ездит водитель на погрузчике и еще много сотрудников обслуживают кернохранилище. Эта система уникальная, она исключает человеческий фактор, все прописано в программе", — объясняет начальник управления фильтрационных и специальных исследований керна Николай Барковский.

Автоматизировали в ИЦ и рутинный процесс учета керна — присвоение номеров. Раньше каждый образец подписывали вручную, сначала гусиным пером, затем специальной кистью и тушью "Гамма", сегодня надпись и куар-код наносит робот. На протяжении года ученые работали над рецептурой краски — она должна выдерживать агрессивные условия и не изменять фильтрационно-емкостные характеристики керна.

С чего начинается изучение керна: литология и первичная обработка

Когда свежий керн поступает в исследовательский центр с месторождения, на некоторых образцах можно невооруженным глазом увидеть нефтенасыщенные пятна — хороший признак. Более детальную картину позволяет получить ультрафиолет. В лаборатории первичного изучения керна образцы загружают в специальную установку для фотографирования и делают снимок.

Видеокомментарий начальника управления фильтрационных и специальных исследований керна Николая Барковского © Мария Карагезова / ТАСС

В каждой лаборатории ИЦ керн изучают с разных сторон. Начальник отдела литологии и минералогии Оксана Сухова рассказывает о горных породах как об искусстве. В ее работе неприметные образцы превращаются в абстрактные картины — это изображение керна, увеличенное в 4 тысячи раз с помощью электронного микроскопа.

Метод позволяет ученым увидеть огромную разницу между, казалось бы, одинаковыми "серыми камнями". Отличия заключаются в структуре пустот керна — именно они на снимке с микроскопа позволяют определить содержание в горной породе флюида: нефти, газа или их смеси.

Задача — воссоздать реальные условия месторождения

В исследовательский центр поступают запросы с месторождений — необходимо подобрать технологию добычи или оперативно найти решение внезапно возникшей проблемы.

Чтобы понять, что происходит под землей в ходе добычи, специалисты воссоздают текущие условия реального объекта — в специальной установке формируют пласт горной породы и погружают в него нефть.

Например, на месторождении планируют применить газовый метод увеличения нефтеотдачи. Чтобы определить, какой именно газ выбрать в конкретном случае, создают модель пласта.

Видеокомментарий начальника отдела специальных исследований Станислава Калинина © Мария Карагезова / ТАСС

В исследовательском центре около 200 единиц инновационного оборудования. Но в отдельных случаях новая задача требует смекалки — прямо в лаборатории ученые и инженеры собирают нестандартные установки.

Например, требуется подобрать пропант для холодных пластов (пропант от англ. propping agent — "расклинивающий агент". Это сверхпрочные гранулы, обычно керамические или кварцевые, которые закачивают в скважины для закрепления трещин при добыче методом гидроразрыва пласта — прим. ТАСС).

После получения такого запроса с месторождения сотрудники лаборатории геомеханических исследований самостоятельно спроектировали и собрали специальную установку, имитирующую условия добычи методом ГРП, провели тесты и подобрали пропант для залежей с низкими температурами на Чонской группе месторождений в Якутии.

Гидроразрыв пласта (ГРП) — один из наиболее эффективных методов добычи нефти при работе с трудноизвлекаемыми запасами. В лаборатории воспроизводят пластовую температуру, давление и другие геолого-физические параметры реальных месторождений, где применяется ГРП.

"Наша задача — определить, насколько пропант эффективно удерживает стенки, не схлопнутся ли они, не сломается ли пропант и насколько эффективно он пропускает через себя флюид. Нужно тестировать, подобрать подходящий: по составу, покрытию, типу и т. д.", — пояснил начальник отдела геомеханических исследований Александр Шубин.

Все это — работа в "физическом мире", одном из двух существующих в исследовательском центре.

Что такое цифровой двойник керна и как он помогает добывать нефть?

"Мы проводим исследования в двух мирах: физическом — на настоящем керне, и цифровом. Цифровой мир начинается с томографа. Мы сканируем весь керн и в процессе работы донасыщаем модель данными — по фильтрационным характеристикам, по прочностным и т. д. Так сегодня в компании мы начинаем получать исходные характеристики для разработки месторождения в так называемом цифровом керне", — рассказал Николай Барковский.

Увидеть содержание и расположение нефти в породе в трехмерном формате позволяет томография. На российском оборудовании томского производства специалисты создают цифровые двойники керна.

Цифровой керн — это трехмерная компьютерная модель образца горной породы, воссозданная по данным компьютерной томографии и микроскопии.

Цифровые технологии ускоряют процессы — ученые отсеивают низкоэффективные технологии, а лучшие решения тестируют уже на физическом керне по методикам, соответствующим ГОСТам.

Например, при работе с чипами ученые могут оперативно и в одинаковых условиях протестировать 10 разных методик, не затрачивая литры нефти, которые требуются при работе с настоящим керном. С чипами работают в лаборатории микрофлюидики — там создают двухмерные модели керна. Метод разработали совместно с компанией-резидентом "Сколково".

"Это физическая модель керна, модель пустотного пространства. Состоит чип из двух частей: монокристаллического кремния и стекла. Это кремниевая пластинка, накрытая стеклом. С помощью технологии, которую применяют при производстве микропроцессоров, на чип наносится отпечаток разреза реального керна. И далее на чипе мы воссоздаем разработку месторождения", — объясняет начальник отдела специальных исследований центра Станислав Калинин.

Хроматография и геохимия. Зачем изучают флюиды?

Для создания цифровых моделей и выбора технологий увеличения нефтеотдачи одного изучения керна недостаточно. Ученые также анализируют свойства флюидов — нефти, газа, газоконденсата и пластовой воды.

В лабораторию исследований пластовых флюидов с месторождений доставляют глубинные пробы — источник информации о том, какой флюид и при каком давлении находится в пласте. Работая с такой пробой, ученые определяют, как нефть или газ расширяются или сжимаются при изменении давления и температуры. Полученные данные необходимы для подсчета запасов, оценки коэффициента извлечения и проектирования добычи.

За год в "Геосфере" изучают около 160 глубинных проб нефти и газоконденсата. Их состав определяют в отделе хроматографических и геохимических исследований.

Видеокомментарий начальника отдела хроматографических и геохимических исследований Натальи Смирновой© Мария Карагезова / ТАСС

Современное оборудование и методы геохимии позволяют ученым определять даже очень низкое содержание нефти в пласте и изучать нефтематеринские породы, чтобы определять перспективные участки для проведения геологоразведки.

"В наших лабораториях примерно от 80 до 90% оборудования российского производства. Это компании из Новосибирска, Московской области, Москвы, Санкт-Петербурга, Томска, есть и местное — тюменское. Но самое интересное — кадры. Ученые также со всей страны — из Краснодара, Татарстана, Перми, Омска, Республики Коми и т. д. У нас работают и специалисты из инновационного центра „Сколково“", — поделился Николай Барковский.

Понравилось? Ещё материалы