Цифровая нефть: что происходит в первом роботизированном центре исследования недр

Если пойти за роботом, можно попасть в единственное в России автоматизированное кернохранилище. Керн — цилиндрический образец горной породы, который извлекают из скважины при бурении. Он главный источник прямых данных о недрах: по нему судят о том, есть ли в пласте нефть, насколько ее можно добыть и как лучше вести разработку. Это самый достоверный источник разведданных о недрах. И охраняют керн соответственно — вынести из центра даже маленький кусочек вам не дадут. Да и не могут — весь керн по закону принадлежит государству.

Перед входом в кернохранилище робота-транспортера встречает его коллега-манипулятор, который перекладывает керн в герметичные синие пластиковые контейнеры, и уже потом следующие роботы отправляют их в соответствующую ячейку в хранилище.

Хранилище завораживает! Это гигантский ангар с уходящими на высоту многоэтажного дома стелажами. Для людей оно не предназначено, развернуться тут могут только роботы. Зато такая укладка позволяет разместить на одной и той же площади в три раза больше керна. Кстати, всего кернохранилище может вместить около 200 км керна, но сейчас оно заполнено примерно наполовину.

Из хранилища каменный материал роботы могут доставлять в лабораторию первичной обработки керна. Там проводят экспресс-оценку насыщенности углеводородами, минерального состава, пористости и проницаемости породы, распиливают, маркируют, готовят к дальнейшим исследованиям.

Наиболее эффектная часть лаборатории — шкаф с ультрафиолетом. Под его воздействием нефть в керне начинает светится красивым голубым цветом, как джинсы в моем детстве. После этого шкафа начинаешь немного ориентироваться в образцах — богатый нефтью напоминает известняк, на который пролили немного отработанного машинное масло. Опытные сотрудники могут многое сказать по внешнему виду образцов, и даже по запаху — нефтенасыщеный керна слегка пахнет бензином. Но визуальный осмотр — только первое из десятков испытаний, который проходят образцы в «Геосфере».

Рядом со шкафом с ультрафиолетом специальный томограф для керна, разработанный в Томске. Размер поменьше медицинского (да и керн поменьше человека), а мощность побольше. Здесь получают 3D-модели образцов горных пород, первый этап получения цифрового двойника керна, настоящей революции в области геологоразведки. Каждая следующая лаборатория добавляет новую информацию, делая цифровой двойник все больше похожим на оригинал.

После первичной обработки керн отправляется в распиловочную, где его нарезают для разных исследований. Здесь нас ожидает следующий этап шоу — маркировка образцов. Раньше их надписывали тушью сотрудницы с самым красивым почерком. Сегодня робот при помощи машинного зрения ищет подходящий участок на образце, наносит на него уникальный QR-код и номер. Вручную QR-код не нанесешь. И печатает робот не тушью — над разработкой состава полимерных чернил колдовали целый год.

Из лаборатории первичной обработки образцы расходятся по другим лабораториям, как пациенты по кабинетам в многопрофильной клинике, или отправляются в кернохранилище, где как в летаргическом сне могут десятилетиями ждать своих исследователей. За одним из образцов мы и отправляемся в лабораторию литологии.

Если представить, что керн — это книга, которую написала сама Земля, то литологи, специалисты по осадочным породам, — самые внимательные ее читатели. Их работа — первая и критически важная ступень в понимании того, есть ли в найденной породе нефть, сколько ее и как сложно будет ее добыть. Они изучают каменный материал под микроскопом, чтобы определить его минеральный состав, структуру, текстуру и другие видимые признаки.

Если сравнивать «Геосферу» с поликлиникой, то литологи напоминают терапевтов — их диагноз является основой для всех последующих, более сложных исследований. Они помогают, например, выбрать участки породы для анализа в лабораториях фильтрации, геомеханики или микротомографии. Хотя есть ассоциации и с патологоанатомами — вся лаборатория заставлена металлическими столами, на которых плотными рядами лежат столбики керна.

Не знаю, как вы, а я до посещения «Геосферы» нефтедобычу представлял примерно так — где-то под поверхностью земли есть полость, наполненная нефтью, которую находят геологи. Скважину бурят прямо в эту полость и оттуда бьет нефть фонтаном, успевай только цистерны подставлять.

На самом деле нефть прячется в коллекторах — пористых горных породах. Бывают коллекторы хорошие, как губка, а бывают сложные, как гранит, который сам по себе непроницаем и может накапливать нефть только в системах трещин. Раньше работали только с хорошими коллекторами, и в этом случае действительно можно было пробурить скважину, и давление породы само выдавливало нефть наверх. И сегодня еще можно найти такие места, но если действовать по старинке, коэффициент извлечения нефти будет порядка 10%, крайне низкий показатель по современным меркам.

Самый распространенный способ повысить этот показатель ― вытеснение водой. У нас шикарный спикер по этой теме — начальник отдела геомеханических исследований Александр Шубин. Он так интересно и увлеченно рассказывает про нефтедобычу, что в какой-то момент начинаешь сожалеть, что пошел учиться не Институт нефти и газа имени Губкина.

Так вот, бурят две скважины, в нагнетательную закачивают воду, которая, как поршнем, выдавливает нефть из нефтеносного пласта к добывающей скважине. А если порода плохо проницаемая, в пласт воду закачивают уже под большим давлением, чтобы создать сеть трещин в породе и тем улучшить приток нефти к скважине — производят так называемый гидроразрыв пласта. Но и это еще не все. Вместе с жидкостью в трещину закачивают расклинивающий агент-пропант, чаще всего песок или керамические гранулы, которые не дают трещине сомкнуться после снижения давления.

«Наша задача, например, проверить, насколько эффективно пропанты держит стенки и пропускают нефть, — говорит Александр. — Берутся две пластинки породы, между ними насыпаем пропанты, сжимаем и начинаем прокачивать через них нефть. Так мы можем подобрать под каждое месторождение лучший пропант».

Собственно, геомеханика и занимается вопросами поведения горной породы при изменении нагрузок. Александр показывает установку, которая испытывают образцы на гидроразрыв. В нее устанавливают образец керна, через который закачивается жидкость под таким давлением, что порода просто разрывается. «Установка сознает 400 тонн нагрузки, — говорит Шубин. — Для сравнения, 200 тонн — это масса локомотива. И мы умеем не просто разрывать пласты, а можем управлять трещинами, запуская их под разными углами».

Однако можно не только делать породу более проницаемой, но и саму нефть более подвижной. Этим занимаются в лаборатория фильтрационных исследований. Сейчас там заняты вытеснением нефти газом. Закачиваемый газ растворяется в нефти, делает ее менее вязкой. При этом она поступает к добывающей скважине в большем объеме. К тому же эта технология решает и другие проблемы — утилизацию попутного газа (который обычно сжигают в гигантских факелах) и захоронения парниковых газов. Второе, впрочем, пока из области фантастики — захоронить эти газы, конечно, можно, но для этого его еще нужно и доставить к скважине.

В той же лаборатории стоит установка, которая воссоздает условия разработки реальных месторождений. Она заправляется реальной нефтью, в нее загружают керн реальной породы и получают реальные данные. Все это замечательно, но дорого и, самое главное, медленно — традиционные методы изучения могут занимать до 1,5 лет. Поэтому цель «Геосферы» — перенести большую часть работ в цифровой мир. Начало этой работы мы видели в роботизированном хранилище керна. Сканирование керна в томографе и донасыщение его данными в других лабораториях тоже работает на цифровую революцию.

Лаборатория микрофлюидных исследований — еще один шаг в этом направлении. Тут проводят исследования на чипах, которые состоят из пластинки монокристаллического кремния, накрытой стеклом. На кремний с помощью технологии, которая используется для производства микросхем, наносится отпечаток разреза реального керна. Так получается физическая двухмерная модель пустотного пространства в горной породе. С одной стороны чипа моделируется нагнетающая, с другой — добывающая скважина, ускоряя эксперименты в десятки раз.

Однако цифровые инструменты никогда не заменят натурные эксперименты, они используются для первичного ранжирования. В идеале до тестирования на реальном керне должны доходить 2-3 лучшие технологии добычи. И «Геосфера» рекомендует на объект только одну, причем со всеми нюансами: какая должна быть скорость закачки, какие пропанты и поверхностно-активные вещества применять, и как долго будет сохраняться эффект на скважине. Ведь, в итоге, нам же нужна реальная нефть, а не цифровая.