Буквально сразу с порога исследовательского центра «Геосфера» научных журналистов встречает робот-помощник. «У нас ученые ничего сами не передвигают ― они занимаются наукой», ― заботливо замечает Николай Барковский, начальник управления фильтрационных и специальных исследований керна ИЦ «Геосфера». Спустя пару мгновений мы оказываемся в уникальном месте не только для России, но и всего мира ― месте, где керн из горной породы превращается в цифровой. Как? Давайте разбираться.
Что такое керн
Заглянуть на несколько километров под землю невозможно. Но узнать, что происходит там, на глубине, все же можно. Например, если достать из горной породы образец цилиндрической формы ― керн.
Он, подобно губке, пронизан множеством микроскопических пор и трещин. Помимо воды, в пустотах находится нефть или газ. Пока горная порода остается глубоко под землей, увидеть, как жидкость распределяется внутри и каким способом ее лучше извлечь, невозможно. Поэтому образцы керна поднимают на поверхность и уже в лаборатории воспроизводят процессы, которые происходят в пласте.
На протяжении десятилетий именно так и изучали месторождения. Через керн прокачивали воду, газ и различные химические соединения, чтобы проверить, какой из способов лучше вытесняет нефть. Но была одна проблема: во время таких опытов ценные образцы изменялись или вовсе разрушались. Исследования трудноизвлекаемых запасов могли занимать месяцы.
К тому же сегодня нефтяным компаниям приходится исследовать все более сложные низкопроницаемые породы, например, ачимовские и баженовские отложения. В них одни участки породы легко пропускают жидкость, а другие почти непроницаемы. Чтобы добыть нефть, ученые применяют различные технологии. Например, добавляют полимер ― и изменяют вязкость нефти, или используют гидроразрыв пласта, когда в породу закачивают жидкость, создают трещины, которые затем наполняют шариками (пропантом).
Словом, ученые извлекают образцы и смотрят, как технология работает в определенной породе и какую лучше применить, какой состав использовать, чтобы вытеснить нефть на поверхность.
Именно поэтому ценность керна только растет. В исследовательском центре «Геосфера» накоплено 100 километров керна, при том, что доминанта здания ― кернохранилище ― может вместить порядка 200 километров. И каждый образец хранит ценную геологическую информацию. Но расходовать ценный материал ученые не спешат ― каждый объект уникален, поэтому все чаще исследования месторождения начинаются с цифровой копии.
Коллекцию собирали 15 лет. Здесь, в кернохранилище, поддерживается определенная влажность, температура, потому что керн нельзя хранить в неподходящих условиях. Если сухо, то керн растрескается, а если влажно ― вспухнет глина в составе керна. Керн хранится симметрично, в пластиковых контейнерах, которые мы разработали под себя. То есть это разработка «Газпром нефти», таких контейнеров нигде нет.
Как и где рождается цифровой керн
Работа начинается со сканирования образца. Это делают с помощью рентгеновского томографа, принцип работы которого похож на медицинский томограф. Прибор просвечивает керн, а специальное ПО обрабатывает данные и создает модель порового пространства. Эта модель помогает ученым понять, как движется нефть, вода и газ через пласт и какие технологии лучше использовать на конкретном месторождении.
Томограф, созданный по заказу в Томском политехническом университете, просвечивает керн и в автоматизированном режиме измеряет такие характеристики, как пористость и проницаемость и др. Прибор заметно ускорил работу исследователей: если раньше за час удалось просканировать около метра керна, то теперь ― до четырех. Не обошлось и без ИИ: обычно обработка томографических снимков и подготовка цифровой модели занимала от недели до месяца, то сейчас большая часть работ выполняется автоматически.
При создании центра по исследованию керна, мы сразу понимали, что он не будет стандартным, как 30-40 лет назад. Мы готовили центр для будущего: нашей целью был переход в «цифру». Сегодня в нашей лаборатории уже ведутся исследования в двух мирах: это физический мир, когда мы проводим исследования на керне, и цифровой мир. Цифровой мир начинается с компьютерной томографии, когда весь керн сканируется и после насыщается экспериментальными данными. Уже сегодня мы начинаем получать исходные данные для прогнозирования разработки месторождений на цифровом керне.
Чтобы получить максимально точную картину, керн исследует сразу в нескольких масштабах ― весь образец целиком или размером в доли микрон. Для этого используют томографы, электронную микроскопию, минеральное картирование и данные о составе и свойствах нефти, газа и пластовой воды.
Полученные от всех лабораторий изображения очищают от шумов и совмещают ― получается «раскрашенная» цифровая модель, где представлена структура порового пространства, участки минералов и флюидов. Так и появляется 3D-модель керна ― цифрового двойника, который повторяет внутреннее строение настоящего образца.
«Геосфера» ― это часть большого Научно-технического центра «Газпром нефти» (НТЦ). Одна из его задач ― это создание, наполнение цифровых двойников месторождения. Если говорить про цифровой керн ― это часть, один из элементов цифровых двойников. У нас есть цифровой двойник пласта, цифровой двойник скважины и цифровой двойник керна.
Цифровая копия керна в виде чипа
Еще одно направление проекта ― создание прозрачного микрочипа размером 1х2 сантиметра на основе трехмерной модели реальной породы. Его каналы воспроизводят характерные размеры и геометрию пор коллектора.
С первого взгляда установка напоминает небольшой чемодан с десятками тонких трубок. Через чип при установленных температуре и давлении прокачивают нефть, газ или химические реагенты.
Эксперимент уникальный, так как в реальном времени можно наблюдать перемещение жидкостей, образование эмульсий, блокировку отдельных каналов и остаточную нефть.
Важно подчеркнуть: микрофлюидика не заменяет исследования на реальном керне. Она используется как промежуточный этап, который помогает отобрать наиболее перспективные составы и сценарии для последующего подтверждения.
На микрочипах мы можем быстро посмотреть показатели: будут работать технологии или нет, какое давление закачки, не превышено ли оно, не порвем ли мы пласт, сможем ли закачать в необходимом объеме. Также мы смотрим, какая подвижность реагентов в поровой структуре. Сейчас мы переходим на комбинированный подход к исследованиям: ранжируем технологии по их эффективности, и на микрофлюидике, и на цифровом керне, а самые эффективные ― на реальном образце керна.
Заглянуть внутрь породы еще глубже помогут новые научные установки. В скором времени будет запущен Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ), на базе которого «Газпром нефть» совместно с коллегами из ЦКП «СКИФ», НГУ, ТПУ, КФУ и институтов Сибирского отделения РАН создала консорциум «Синхротронное излучение для нефтегазовых технологий». В сотрудничестве ученые работают над первым российским рентгенопрозрачным кернодержателем для экспериментов в условиях, приближенных к пластовым.
Ранее Наука Mail публиковала интервью с главным инженером Кольской ВЭС о том, как устроена современная ветроэнергетика.
Материал подготовлен проектом Наука Mail ООО «Газпромнефть Научно-Технический Центр».