Scienty

В России в последние годы наблюдается бурный рост цифрового анализа керна, предполагающего создание 3D-изучение моделей образцов пород позволяет глубже понять процессы, протекающие в недрах, и разработать рекомендации по эксплуатации месторождений для нефтегазовой отрасли.

В интервью с Валерием Владимировичем Химулей обсуждаются преимущества цифрового анализа пород по сравнению с традиционными лабораторными методами, а также исследования, направленные на освоение глубоких месторождений с низкопроницаемыми породами, и создание цифровой библиотеки пород.

― С какого времени цифровые технологии стали использоваться для изучения пород и какие сведения можно получить с их помощью?

― Небольшая группа специалистов, занимающихся цифровым анализом керна, работает в лаборатории геомеханики Института механики РАН. Это направление, сформировавшееся в 2021 году, активно развивается благодаря усилиям молодых ученых института.

Изучение керна с помощью микроисследований, таких как томография и микроскопия, стало проводиться еще в конце XX века. Однако цифровые технологии получили широкое распространение в основном в начале 2000-х годов, когда цифровые возможности стали более доступными: компьютеры с достаточными вычислительными ресурсами и объемом памяти позволили работать с большими трехмерными цифровыми моделями. Это ознаменовало начало масштабных исследований в области цифрового анализа материалов, технология которого не ограничивается горными породами и керном, но позволяет изучать металлы, полимеры, композитные материалы и контролировать сборку микросхем.

Специализированное изучение цифрового керна начало формироваться, вероятно, в США на рубеже XX и XXI веков, ориентируясь на потребности нефтегазового сектора. Это были начальные попытки перевода томографических изображений в 3D-моделирование с последующим математическим анализом и численным моделированием. В настоящее время этот подход известен как создание цифровых двойников и используется во всех сферах науки, промышленности и экономики, включая нефтегазовую отрасль. Наличие современных вычислительных ресурсов позволяет создавать на основе компьютерной томографии высокоточные виртуальные модели для изучения фильтрационных, механических и деформационных процессов. Такие результаты моделирования все больше соответствуют данным лабораторных испытаний, что открывает новые возможности для прогнозирования свойств материалов.

― Эти характеристики изучались и ранее, до повсеместного распространения цифровых технологий. Какие улучшения это принесло?

― Традиционно свойства горных пород оценивались посредством механических и гидродинамических тестов. Для проведения всестороннего анализа пород месторождения, определения их точных характеристик и разработки рекомендаций по эксплуатации коллектора требовались как минимум несколько месяцев, большая команда специалистов и значительное количество оборудования. Такие исследования были весьма затратными.

Благодаря развитию цифровых технологий, доступ к информации о различных материалах стал значительно проще, что привело к уменьшению затрат на лабораторные исследования и сокращению времени их проведения. Также, создание цифровых двойников пород позволяет экономить ценный керн – материал, добываемый из скважин в ограниченном количестве, поскольку традиционные методы исследования приводят к его разрушению или необратимым изменениям. Проведение неразрушающих исследований дает возможность сформировать библиотеку цифровых двойников, и, анализируя их, получать данные, аналогичные тем, что получаются в ходе физических экспериментов, механических и гидродинамических испытаний. Данная технология в настоящее время активно развивается.

Цифровые технологии не могут полностью заменить традиционные методы, поскольку компьютерный анализ нередко приводит к неоднозначным результатам, требующим проверки. В связи с этим, цифровые направления развития всегда используются в сочетании с классическими исследованиями.

― Какова интенсивность формирования цифровых библиотек материалов и какой объем информации они содержат в настоящее время?

― Библиотека формируется на основе данных, получаемых в ходе исследований при сканировании газовых, нефтяных и смешанных месторождений, различных материалов, изделий и горных пород в интересующих нас районах. Она непрерывно расширяется, и при необходимости мы можем вернуться к уже изученным материалам, даже если физический образец больше не доступен. Например, в рамках прикладных исследований мы анализируем образец, определяем его механические, фильтрационные и емкостные характеристики, а также разрабатываем заключение и рекомендации. В процессе экспериментов материал подвергается разрушению. Однако месторождение продолжает функционировать, и со временем на нем могут возникнуть новые сложности. Вместо повторного поиска керна, который может быть утрачен, мы получаем доступ к его цифровой копии и проводим моделирование новых процессов.

Для хранения такой библиотеки требуется значительный объем компьютерной памяти. Отдельное изображение может занимать свыше 30 Гбайт, а если учитывать промежуточные данные цифрового анализа и результаты обработки, то для одного образца может потребоваться несколько терабайт дискового пространства. В связи с этим, необходимо обеспечить наличие мощных серверных ресурсов.

Многие группы специалистов в России и за рубежом ведут подобную деятельность, и при наличии желания возможно сотрудничать, обмениваясь цифровыми двойниками. Это упрощает процесс.

― Не могли бы вы привести пример практической реализации исследований?

― Да, недавно мы опубликовали статью в Журнал по механике горных пород и геотехнической инженерии , в этом докладе представлены результаты прикладных исследований, проведенных для одного из месторождений на арктическом шельфе. Речь идет о газовом месторождении, характеризующемся слабым коллектором и высокой подверженностью пескопроявлению, что создает риск потери устойчивости стенок скважин. Для оценки поведения пород на глубине было проведено комплексное исследование, включавшее цифровое моделирование и лабораторные испытания. В частности, с использованием испытательной системы трехосного независимого нагружения (ИСТНН) воссоздавались напряженные условия, возникающие на стенках скважин. До и после проведения испытаний выполнялся цифровой анализ, позволяющий зафиксировать процесс разрушения породы, выявить причины деформации и оценить изменения ее структурных свойств на различных масштабах. Этот подход можно сравнить с фотографированием: при увеличении детализации теряется общая картина, однако позволяет рассмотреть конкретные точки. В некоторых случаях необходимо детально изучить структуру породы, в том числе оценить состояние пустот на микроуровне. В других – наблюдать за разрушениями и трещинами на макроуровне. Таким образом, объединяя данные, полученные в разных масштабах, удается получить исчерпывающую информацию о механизмах разрушения и деформации горных пород.

В рамках исследования проводились испытания по пескопроявлению, включавшие изучение условий его возникновения в данных породах и поиск методов его предотвращения. С использованием цифровых методов анализировалось разрушение породы, отделение песка от коллекторской матрицы на уровне зерен, а также сам песок. Определение количества вынесенного из породы песка, анализ его геометрических характеристик позволяют делать выводы о характере разрушения в коллекторе.

В итоге были предоставлены четкие рекомендации по поддержанию необходимого давления на скважине для предотвращения потери ее устойчивости, созданию условий, исключающих активное пескопроявление, и выбору фильтров для установки в скважине.

― В настоящее время значительный интерес вызывают разработки труднодоступных и глубоко залегающих месторождений, таких как Баженовская свита. Способны ли цифровые методы анализа горных пород оказаться полезными в этом процессе?

― В нашей лаборатории на микромасштабе мы преимущественно работаем с обычными коллекторами. Из-за ограниченных возможностей оборудования исследования разрушения низкопроницаемых пород мы проводим только на макроуровне. Мы изучаем трещины, которые возникают в этих породах после геомеханического моделирования, и предлагаем способы повышения эффективности добычи скважин.

Цифровые методы анализа широко используются при изучении низкопроницаемых пород, включая породы Баженовской свиты. Однако требуются исследования, проводимые в существенно большем масштабе: для традиционных коллекторов масштаб съемки может составлять несколько микрометров, что позволяет детально рассмотреть зерна и поры и выполнить точное моделирование. При изучении коллекторов в низкопроницаемых породах необходимо переходить к наномасштабу, однако не все томографы обеспечивают такую съемку, преимущественно – самые дорогие и крупные аппараты. В России их количество ограничено.

Для проведения детального анализа используют и другие методы, такие как растровая электронная микроскопия, и часто эти методы комбинируют. Сначала с помощью томографии создается крупномасштабная модель с недостаточной детализацией, после чего на электронном микроскопе выполняют съемку на наноуровне. В некоторых случаях также используют неразрушающие сканирования с добавлением контрастных газов или жидкостей, чтобы улучшить визуализацию пор и пустот, которые могут быть трудноразличимы. Объединение этих методик позволяет получить цифровые модели, различающиеся по масштабу, которые впоследствии объединяются в одну сложную модель; в настоящее время это единственный способ исследования низкопроницаемых коллекторов.

― Значит, первоочередной задачей в сфере цифрового анализа пород является создание инновационных технологий для их исследования на наноуровне?

― Для решения задач подобной сложности требуются квалифицированные специалисты и специализированное программное обеспечение, обеспечивающее возможность комбинирования моделей различных масштабов и проведения численного моделирования различной степени детализации. В России это направление получает активное развитие в ряде научных групп и в лабораториях, созданных при нефтегазовых компаниях. В целом, среди компаний, занимающихся добычей ресурсов, наблюдается тенденция к цифровизации: все стремятся внедрять новые методы анализа и интегрировать их с существующими. Особенно ценными являются цифровые исследования, такие как томография и микроскопия, поскольку они позволяют глубже понять принципы разработки коллекторов с трудноизвлекаемыми запасами. Традиционные подходы не всегда способны предоставить убедительные результаты. Изучение наномасштабов позволяет понять структуру коллекторов и разработать экономически эффективные способы их эксплуатации.

― Если традиционные методы не позволяют получить надежные результаты при работе с низкопроницаемыми породами, то каким образом подтверждается достоверность данных, полученных посредством цифрового анализа?

― Подтвердить результаты исследований на наноуровне – задача нетривиальная. Для этого требуется команда специалистов, располагающая необходимым оборудованием, например, для проведения точных фильтрационных или специальных испытаний под давлением. Такие возможности доступны не всем, поскольку они связаны со значительными затратами. В России мощные исследовательские центры функционируют, в частности, при МФТИ, Сколтехе, а также в компаниях «Газпромнефть» и «Роснефть». Кроме того, существует немало серьезных научных коллективов, объединяющих как академические институты, так и высшие учебные заведения.

― Какие навыки и знания требуются специалистам в вашей сфере деятельности? Получали ли вы дополнительную квалификацию?

― Как и многие мои коллеги из нашей лаборатории, я окончил физический факультет МГУ, отделение геофизики. В период моего обучения в России никто не преподавал основы цифрового анализа керна. Вероятно, и в настоящее время существует немного учебных заведений, где предлагают подобные направления. Это достаточно специфичная область – специалистов в России и во всем мире не так много.

Для углубления знаний требовались дополнительные усилия, однако база, заложенная физфаком, позволила оперативно разобраться как в геомеханике, с которой мы начали, так и в задачах численного моделирования. Работа в этой сфере предполагает непрерывное совершенствование: необходимо изучать современные научные публикации, анализировать зарубежный и отечественный опыт, искать специализированную литературу. В ходе исследований мы регулярно сталкиваемся с новыми вызовами, что стимулирует постоянное расширение знаний.

― Будут ли востребованы в будущем специализированные образовательные программы?

― Для организации серийного производства необходимо развитие и расширение самой технологии на территории страны. В настоящее время группы специалистов, занимающихся цифровым анализом, представлены неравномерно: их число нельзя назвать незначительным, однако они отсутствуют в ряде регионов и в основном связаны с предприятиями нефтегазового сектора.

По мнению некоторых экспертов, сейчас преждевременно готовить большое количество узкопрофильных специалистов, поскольку рабочих мест для них недостаточно. Однако, те, кто проявляет интерес к этой сфере, могут достаточно быстро освоить необходимые технологии непосредственно на рабочем месте, особенно при работе в команде с опытными профессионалами. Тем не менее, потребность в специалистах в области томографии и цифрового анализа в России сохраняется.

Интервью было осуществлено при содействии Министерства науки и высшего образования РФ