Цифровой керн. Как исследуют породу и зачем нужны 4D-модели?

Керн — образец породы цилиндрической формы, полученный из скважины при бурении. Он может многое рассказать, если к нему применить различные методы лабораторных исследований и если создать цифровую копию. Как исследуют горную породу в Центре исследования керна Тюменского нефтяного научного центра компании «Роснефть»?

«Колонка» длиной 170 км

Сначала о «коллекции» керна, собранной в крупнейшей нефтяной компании России. Она хранится в Центре исследования керна (ЦИК) Тюменского нефтяного научного центра (ТННЦ) «Роснефти». Здесь собраны горные породы в виде цилиндрических проб, что достали геологи из скважин всей России. Если сложить их все друг за другом, получится «колонка» длиной свыше 170 км.

Но это теоретически. А практически керн, привезенный сюда со всех концов страны, разложен по коробкам, на которых указаны регион, месторождение и даже фамилии тех, кто его добыл. Коробки хранятся в кернохранилище. И само нахождение там, среди стеллажей, уходящих метров на 10 вверх, до самого потолка этого огромного помещения, впечатляет. Ежегодно здесь исследуют больше 60 тыс. образцов. За время своей 15-летней работы ЦИК изучил более 1 млн образцов керна.

ЦИК сегодня — это один из самых высокотехнологичных научных центров в мире. Он сопровождает работу 35 нефтегазодобывающих предприятий — на основании результатов его исследований принимаются решения о том, какую технологию разработки выбрать для месторождения с учетом всех его особенностей.

«Проводится несколько этапов исследований. Сначала при геологической разведке делается первичная оценка наличия углеводородов, потом дается обстоятельная оценка запасов, а в дальнейшем определяется подход к разработке этого месторождения — выбирается такой, чтобы и эффективность была высокой, и к недрам отнестись бережно», — рассказывает директор ЦИК Максим Серкин.

Рентген, томограф и другие установки

Посещение лабораторий, в которых ведутся исследования, — это некий захватывающий дух квест. Каждое исследование для стороннего человека восхитительно. И своей технологичностью, и тем, что для каждой породы создают «родные» для нее условия.

«Если на глубине высокая температура, то образец в установке нагреваем до 100 °С и выше, если он прибыл из районов, где глубоко проникает вечная мерзлота, то, наоборот, исследования проводятся при низкой температуре, — объясняет эксперт центра Олег Морозюк. — Это необходимо, потому что нефть при разных температурах будет двигаться по-разному».

Литолог (ученый, исследующий осадочные горные породы) берет керн в руки и «слушает» его посредством компьютера. В этом и других исследованиях ученым помогает высокотехнологичное оборудование. Рентген-установка, томограф — такой же, как и в медучреждениях, только человека сюда поместить нельзя: облучение гораздо сильнее. В лабораторных условиях даже имитируют нефтедобычу: работая с керновыми моделями, «ставят» добывающую и нагнетательную скважины и затем в томографе наблюдают, как идут процессы заводнения месторождения и добычи нефти. А кроме того, в центре используют микротомограф, но об этом позже.

Для исследования капиллярных характеристик породы керн очищают и помещают еще в одну в установку, геомеханические характеристики определяют в другой, газом проверяют пористость и проницаемость породы — в третьей...

Такие установки, конечно, массово не выпускают. Поэтому они уникальны. При открытии центра многие были импортными. Теперь появились отечественные, которые выше классом, более наукоемкие, что видно даже на глаз, а также, как говорят сотрудники, гораздо удобнее. В них уже есть электронные системы, управляющие процессами исследований автоматически. В развитии исследовательского оборудования ТННЦ стал драйвером для российского производителя, и на подобном оборудовании теперь работают лабораторные центры российских ВИНК и российских научных институтов.

Сейчас, по словам генерального директора Андрея Аржиловского, ТННЦ более чем на половину укомплектован российским оборудованием. Базовые стандартные технологии исследования керна уже давно проводятся на отечественных лабораторных установках.

«В тех же технологиях, которые являются штучными, хайтеком, где конкурируем с мировыми лидерами, мы вынуждены применять иностранное оборудование. Но сразу ставим задачу отечественным производителям, чтобы аналогичное оборудование появилось и у нас. Ведь отечественное оборудование — это база для того, чтобы мы лучше понимали процессы, а также создание научно-технологического потенциала в родной стране, — рассказывает он. — Легко, конечно, купить импортную установку и обучить человека на ней работать. Но что это даст нам всем? А когда наш сотрудник ездит на завод, работает в команде конструкторов, которые разрабатывают ее, — это совсем другое дело. У нас, кстати, два десятка сотрудников участвовали в патентах на разработку оборудования».

Ключ к трудноизвлекаемым запасам

Альтернативное лабораторным, т. е. физическим исследованиям керна — математическое моделирование с использованием цифровых двойников керна. Правда, для создания цифрового двойника породы исследования все же нужны — в упомянутом уже микротомографе. Туда помещают очень маленькие образцы — сантиметровые или даже миллиметровые. Такие образцы позволяют «разглядеть» поры и зерна породы, размеры которых составляют микроны и доли микрона.

Данные, полученные на микротомографе дают возможность реконструировать внутреннее строение горной породы, т. е. создать ее цифровую модель. Такой цифровой двойник используется в программном комплексе «РН-Цифровой керн» для определения самых разнообразных свойств горной породы. Программный комплекс разрабатывается ТННЦ совместно с компанией «Иннопрактика» в рамках инновационного проекта при участии МГУ и ряда институтов РАН. Со слов научного руководителя проекта, старшего эксперта ТННЦ, доктора технических наук Сергея Степанова, часть модулей этого программного комплекса не имеет аналогов в мире.

В отличие от лабораторных исследований в «цифре» изучать один и тот же образец можно многократно, изменяя условия. И это только одна из причин, почему в стратегии «Роснефть-2030» цифровизация названа одним из ключевых элементов.

Однако вопрос выбора (лаборатория или «цифра») не стоит. «РН-Цифровой керн» не отменяет лабораторных исследований — он используется как дополнительный инструмент и сейчас позволяет работать с традиционными высокопроницаемыми горными породами. В дальнейшем предусмотрено расширить его функциональность для работы с трудноизвлекаемыми запасами.

«Цифровой керн — это мировой тренд. Мы видели, что делают за границей, что делают в России. И, безусловно, акселератором этого проекта стало то, что у нас появились ученые, сотрудники, которые мысль стали превращать в программные решения, — говорит гендиректор Тюменского нефтяного научного центра. — Совместно с "Иннопрактикой” (это наш основной партнер) мы разработали важные элементы ПО».

Еще один цифровой инструмент, созданный российскими нефтяниками, — Информационная система «РН-Лаб». Его программные модули содержат полную информацию обо всех процессах изучения керна и пластовых флюидов. Обработка выполняется в едином информационном пространстве, аналитические алгоритмы используют нейросеть и искусственный интеллект. И это тоже абсолютно российский продукт, не зависящий от импортного софта, базой данных которого управляет ПО с открытым кодом. Им пользуются уже не только в Тюмени, но и в других лабораторных центрах «Роснефти» — в Томске, Нижневартовске, Ижевске, Краснодаре, Самаре.

Андрей Аржиловский считает «Цифровой керн» ключом к некоторым видам трудноизвлекаемых запасов. «С ними тяжело и кропотливо работать, получение информации о них очень дорого нам обходится. "Цифровой керн”, моделирование на уровне микропространства (порового пространства) позволит сократить количество физических экспериментов и, самое главное — ускорить исследования. Это дает нам возможность без физического эксперимента апробировать варианты вытеснения нефти из пласта разными реагентами — водой, газом, оксидом углерода и др.», — поясняет он.

Благодаря собственным цифровым инструментам в «Роснефти» уже реальность 4D-моделирование. Для непосвященных объясняем: в 4-мерном пространстве, помимо длины, ширины и высоты, используется еще одна характеристика — время. Так вот, в Тюменском нефтяном научном центре разработали геомеханическую 4D-модель трех газовых пластов Харампурского нефтегазоконденсатного месторождения, учитывающую реакцию и изменения характеристик горных пород на процессы добычи. Работа такого масштаба в нашей стране проведена впервые.