Какие сегодня существуют новые методы поиска, разведки и добычи полезных ископаемых? Почему они важны? Что такое трещиноватость? Зачем нужно ее прогнозировать? Каким образом искусственный интеллект сегодня участвует в такой работе? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Никита Владиславович Дубиня, ведущий научный сотрудник Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, заместитель заведующего кафедрой прикладной геофизики МФТИ.
Никита Владиславович Дубиня. Источник фото: пресс-служба ИФЗ РАН
Зачем в геофизических исследованиях нужны новые методы?
Ученые и нефтедобытчики столкнулись с проблемой: старые методы уже не работают. Как известно, существует трудноизвлекаемая нефть, всю остальную уже давно извлекли. В стране есть запасы, которые мы еще не нашли, а есть те, которые нашли, но не знаем, как разрабатывать. Чтобы отвечать потребностям непрерывно ухудшающегося состояния топливно-энергетического комплекса, его ресурсной базы, ученым приходится разрабатывать новые методы.
О чем идет речь? Это может быть разработка какого-то принципиально нового оборудования, а в последние годы все ярче проявляется необходимость создавать отечественное оборудование. С другой стороны, нужно развивать методы интерпретации уже существующих данных. Десятилетиями, иногда столетиями наши ученые проводят геофизические наблюдения. Сейчас разрабатываются методы, как интерпретировать эти данные, что с ними делать, чтобы получать новую информацию даже из старых данных.
Трещины в земной коре
Н.В. Дубиня: «Я занимаюсь вопросами естественной трещиноватости. Это разработка методов интерпретации данных различного скважинного оборудования, чтобы мы могли сказать, есть ли у нас на глубине естественные трещины. Они очень важны, потому что в большинстве случаев именно они дают существенные каналы фильтрации для нефти».
Мешают эти трещины добыче нефти или наоборот помогают? По-разному. Исторически очень много случаев, когда трещины мешали. Когда речь идет о строительстве тоннеля, можно оказаться в зоне развитой трещиноватости — и тогда будет большое количество геологических рисков, связанных с тем, что порода может обрушиться, потечет вода.
А с другой стороны, для газовых и нефтяных месторождений трещины обеспечивают естественные каналы фильтрации, когда нефти удобнее течь по трещине. На месторождениях, где трещины есть, ученые должны сказать, где именно эти трещины находятся, сколько их, какие у них свойства, может ли нефть пройти через эти трещины, потому что практика показывает сейчас, что через какие-то она течет, а через какие-то нет.
Предсказать трещину
Как же понять, через какие трещины она пойдет? Тут много факторов. Есть, например, химические, которые определяют, пойдет ли нефть по трещине.
Н.В. Дубиня: «Я занимаюсь механическими факторами — те трещины, которые сейчас находятся в предкритическом состоянии, практически открыты и по таким нефть идет. Наша задача — научиться предсказывать, какие трещины находятся в этом состоянии. До конца мы еще не научились, но есть очень хорошие успехи. Сейчас мы на том этапе, когда, изучив геофизические данные о месторождении, мы способны сделать вывод, в каких зонах месторождения есть трещины и как они пространственно ориентированы. Мы можем примерно предсказать, какого они размера и какие у них геометрические свойства, по каким из них пойдет нефть».
Чем эти методы принципиально отличаются от тех, что применяли раньше? Из нового — разделение трещин на те, которые проводят нефть, и те, которые ее не проводят. И второе — вероятностные оценки, когда мы можем говорить, что есть не просто трещины с теми или иными параметрами, а, скорее всего, у них определенный разброс параметров.
Еще один важный момент — разномасштабный эффект. Ученые научились предсказывать, есть ли на месторождении микро- или макротрещины, мезотрещины (трещины среднего масштаба), разделять их и учитывать это при планировании разработки месторождения.
Установка для исследования фильтрационных свойств коллекторов в термобарических условиях пласта СКИФ-ФСК-2. Источник: пресс-служба ИФЗ РАН
Почему это важно?
Геофизические данные разномасштабны по своей природе. Есть сейсморазведка, которая может говорить о том, что происходит при характерных объемах десятков метров. Существуют геофизические исследования скважин, где мы можем говорить об объемах десятков метров; есть исследования, где мы можем говорить о первых десятках сантиметров. Проводятся, наконец, эксперименты на образцах горных пород, когда мы сообщаем о первых десятках миллиметров. И на каждом из этих масштабов мы видим свои трещины.
Н.В. Дубиня: «В нашем институте мы разрабатываем подходы к тому, как строить модель, которая будет учитывать все эти три масштаба. А как это учитывать при разработке? Начиная с того, как мы выбираем, куда бурить, как должна быть направлена наша скважина, сколько должно быть скважин; будут ли проблемы при бурении скважины рядом с разломами. Мы планируем геолого-технические мероприятия, направленные на интенсификацию добычи, например гидроразрыв пласта, а также где проводить этот разрыв. Прогнозируем, будут ли какие-то нежелательные эффекты, например просадки земной поверхности на месторождении. Это все необходимо учитывать при планировании разработки».
Экологические риски
Недоучет естественных трещин может привести к нежелательным последствиям, например созданию связей с вышележащими пластами. Этот вопрос особенно актуален при работе с месторождениями на шельфе, которыми наши ученые также активно занимаются в последние годы.
Как минимизировать экологические риски? Очень важно не допускать того, чтобы было сообщение между рассматриваемым пластом и морской водой. Если такая связь существует, например через те же трещины в отдельных пластах, и не учитывается при планировании разработки шельфового месторождения, есть риск загрязнения акватории с катастрофическими последствиями для экосистемы.
Есть и другие факторы риска: зоны аномально высокого давления, концентрации газа, способные привести к авариям с серьезными экологическими последствиями. Наличие этих факторов и их особенности, которые нужно иметь в виду при планировании разработки месторождений, могут быть спрогнозированы только с использованием самых современных геофизических методов.
Вообще освоение и разработка месторождений нефти и газа всегда сопряжены с экологическими рисками: возможны выход газа на поверхность, проседание земной поверхности, увеличение интенсивности техногенной сейсмичности и пр. Естественно, такие процессы приводят к изменениям экосистемы, часто необратимым. Поэтому так важен научный прогноз.
Экосистеме трудно с человеком
Более того, хотя такие процессы иногда происходят из-за естественных причин, именно к техногенным, вызванным человеческой деятельностью, экосистема оказывается минимально готова и адаптация происходит наиболее тяжело.
Здесь перед геофизиками ставится сразу несколько задач. В первую очередь возникает проблема прогноза рисков: какова вероятность того, что разработка месторождения по тому или иному сценарию приведет к нежелательным последствиям? Далее возникает проблема моделирования, физического или теоретического, развития перечисленных процессов при разработке.
Для того чтобы результаты таких геофизических изысканий были достоверными, нужны точность и надежность исходных данных, обеспечить которые можно только развивая все эти методы.
Н.В. Дубиня: «Зоны развитой трещиноватости как раз часто связаны с областями повышенных экологических рисков. Насколько сильно повышены риски — это важный вопрос, в основном и определяющий высокие требования к геофизическим данным, актуальность развития приборной базы, методов анализа и интерпретации».
Новое оборудование: какое оно?
В Институте физики Земли РАН активно ведутся работы по проектированию нового геофизического оборудования, способного решать актуальные задачи разработки месторождений нефти и газа.
Речь идет о сложных месторождениях, с которыми ученым все чаще приходится работать. Это месторождения Арктической зоны России, шельфовые месторождения. Опыта работы с такими объектами сравнительно немного, поэтому регулярно возникают новые вызовы, на которые приходится отвечать.
Здесь помогает сотрудничество с компаниями реального сектора экономики. Когда исследование ведется совместно с исследовательскими центрами крупных компаний нефтегазового сектора, становится понятно, какие требования предъявляются к оборудованию, в каком направлении действительно стоит развиваться, а какие исследования могут остаться невостребованными, даже если выполнены на высоком уровне.
Практический результат
Н.В. Дубиня: «Наши разработки уже используются при нефтедобыче. Есть несколько месторождений в России и за рубежом, где наши подходы были использованы для оптимизации разработки месторождений нефти и газа. Это не новые месторождения. Это оптимизация разработки. Довольно сложно сказать об эффекте, но результаты как минимум соответствуют ожиданиям. Результат позитивный. Для разных месторождений по-разному, но в среднем стали добывать на 5% больше. Это довольно много, и этот процент может расти с совершенствованием наших методов. Мы все надеемся на это».
В новых разработках активно применяется искусственный интеллект в очень большом диапазоне задач. Например, это обработка данных геофизических исследований скважин, когда есть сырые данные, требующие детальной обработки, при этом данных становится все больше, а количество специалистов пропорционально не растет. Они тратят очень много времени, чтобы работать с типовыми задачами, которые можно автоматизировать.
Установка для капилярной пропитки керна ПИК-КПК. Источник: пресс-служба ИФЗ РАН
Что может и чего не может ИИ?
Системы ИИ позволяют учесть опыт специалистов и перенести его на простые случаи, чтобы снизить количество ординарной работы. Это нужно для того, чтобы люди могли заняться сложными задачами, требующими человеческого вмешательства. Не замена специалистов, чего все боятся, а именно высвобождение времени высококлассных специалистов.
Есть примеры, когда методы ИИ использовали, чтобы интерпретировать данные скважинных исследований по выделению тех самых трещин, проводили работы по прогнозированию рисков при бурении, когда методы ИИ позволяли говорить, где бурить опасно, а где нет.
Н.В. Дубиня: «Прямо сейчас я решаю задачу использования методов ИИ, чтобы говорить о состоянии месторождения на основе информации о трещинах. При этом ИИ не по зубам все, что выходит за грань ”нормального”. Например, нам нужно пробурить скважину на месторождении, на котором уже пробурена тысяча скважин. Специалист по бурению точно знает, что ему надо бурить в этой области с таким-то буровым раствором, в этой — с таким. Но уточнять плотность бурового раствора — это рутинная операция, когда он загружает массив данных, смотрит на него, вставляет в программу, ждет некоторое время и получает результат. Это задача для ИИ. С другой стороны, если он пытается пробурить на соседнем месторождении или в сложной зоне этого месторождения рядом с разломом, то там ему уже необходимо самому просмотреть все данные и учесть имеющийся опыт. Сейчас, я думаю, эта задача будет не для ИИ».
Настанет ли время, когда и эта задача окажется посильной для ИИ? По мнению Н.В. Дубини, всегда найдутся более сложные задачи, где без человека не обойтись. Искусственному интеллекту для обучения необходим накопленный опыт, и к задачам, для которых этого опыта много, он применим. Там, где имеющегося опыта мало, ничего не получится. Там, где требуется применение специальных методов интерпретации геофизических данных, он уже не справится, потому что не на чем учиться. Поэтому какими бы «умными» ни становились новые технологии, люди в науке будут нужны всегда.
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник фото: пресс-служба ИФЗ РАН
Автор фото на слайде: Арег Гукасян