На пике инноваций

Как минимум, два прорывных открытия совершили в этом году российские ученые из Тюмени. Во-первых, они запустили в промышленную эксплуатацию проект "Цифровой керн" - программный продукт, позволяющий проводить исследования цифровой копии керна – образца породы из нефтяной скважины. Во-вторых, разработали уникальную 4D модель трёх газовых пластов Харампурского нефтегазоконденсатного месторождения. Работы высочайшего уровня сложности были проведены на отечественном программном обеспечении. Но обо всем по порядку…

Керн – это образец породы, который извлекают из скважины при бурении. А дальше специалисты рассматривают его буквально по крупинкам - это даёт информацию о геологическом строении недр на глубине, как правило, двух-трех километров. Для геолога керн – ценнейший источник информации.

Но что же такое "цифровой керн"? Это математическая модель реально существующего образца породы, т.е. его цифровой двойник. Создаётся такая модель на основе томографических данных и далее на ней математически моделируются различные физические процессы, например вытеснение нефти водным раствором полимера.

Научный руководитель группы разработчиков, старший эксперт Тюменского нефтяного научного центра (ТННЦ), доктор технических наук Сергей Степанов объясняет, что математическое моделирование процессов в пустотном пространстве керна - это очень сложная работа и она требует значительных вычислительных ресурсов. Так, моделирование вытеснения нефти водой для фрагмента керна - миллиметрового кубика даже с использованием суперкомпьютера может занять несколько дней. Тем не менее, это быстрее, чем физический эксперимент и кроме того на цифровом двойнике в отличие от реального образца керна можно проводить неограниченное колличество вычислительных экспериментов. Это очень важно, особенно, если эксперименты нужны для обоснования наиболее эффективного способа вытеснения нефти.

Можно сказать, что технология цифровых исследований керна позволит более полно изучать горную породу, а значит даёт возможность более точно оценивать запасы нефти и газа и дает возможность для принятия наиболее эффективных решений по их добыче.

Еще одной прорывной разработкой тюменских ученых стала 4D модель газовых пластов Харампурского нефтегазоконденсатного месторождения.

"Один пласт – ультранизкопроницаемый, с наличием естественной трещиноватости, второй – просто низкопроницаемый, находящийся чуть глубже. И самый нижний – это слабо сцементированный пласт с высокой проницаемостью", - рассказывает руководитель проекта, начальник отдела разработки проектов геомеханики ТННЦ Валерий Павлов.

Все разные численные модели ученые смогли поместить в одну модель и, используя корпоративное ПО "РН-СИГМА", сделать расчеты.

Основой геомеханического моделирования служат, в первую очередь, данные геофизических исследований скважин, геологическая и гидродинамическая модели и, самое главное, исследования керна, которые показывают, как будет вести себя массив при различных воздействиях, связанных с добычей углеводородов.

К тому же, 4D моделирование – действенный способ продлить жизнь скважин и увеличить эффективность добычи за счет своевременной корректировки операций.

Одно из самых известных месторождений Западной Сибири – Самотлорское. На профессиональном языке специалисты его называют "зрелым", т.е. практически вся легкодоступная нефть из пластов извлечена. При этом углеводороды там ещё остались, правда, представлены в виде трудноизвлекаемых запасов (ТРИЗ). На "зрелых" месторождениях средняя обводненность скважин составляет более 95%. При подобных значениях перед геологами и разработчиками стоит вопрос – как сократить добычу воды и увеличить добычу нефти?

Решение разработали специалисты ТННЦ и Самотлорнефтегаз. С помощью специального программного обеспечения они подобрали, а затем внедрили специальные осадкообразующие, силикатные и дисперсные составы на эксплуатационных объектах Самотлорского месторождения. Подобранные составы закачиваются в нагнетательные скважины, тем самым блокируя промытые закачкой каналы в пластах. Далее потоки воды разворачиваются в зоны с остаточной нефтью и позволяют вытолкнуть её к добывающим скважинам и, в последствии, извлечь её на поверхность.

"Нам передаются результаты из Центра исследования керна. На их основании мы определяем тип составов, которые мы можем внедрить на различных пластах месторождений. Это позволяет продлить жизнь "зрелым" месторождениям", - рассказывает начальник управления инжиниринга добычи Татьяна Синицына.

Весь спектр работ от подбора технологии до производства расчетов проводится на специальных мощных компьютерах с собственным программным корпоративным обеспечением, благодаря чему на сегодняшний день добыто более 3 миллионов тонн дополнительной добычи нефти.

"Сейчас мы активно тестируем систему управления заводнением, поддержания давления на выработанных месторождениях. Мы написали свое программное обеспечение, подключили его к базам данных и обучаем сформированные алгоритмы. Результаты есть. Мы можем говорить, что на несколько процентов стали лучше управлять базовой добычей", - комментирует генеральный директор ТННЦ Андрей Аржиловский.

В этом году Центр исследования керна при ТННЦ празднует свое пятнадцатилетие. Здесь консолидирован на хранение керн со всей страны – от Волги до Сахалина.

"Так совпало, что буквально на днях мы изучили миллионный образец керна. А это – тоже, своего рода юбилей. В "Роснефти" есть несколько лабораторных центров, но мы – самый большой, самый, наверное, самый наукоемкий", - говорит директор Центра исследований керна Максим Серкин.

Всего в ЦИК собраны и изучены более 175 погонных километров керна.

Кернохранилище похоже на гигантскую библиотеку. На высоких полках как книги разложены коробки с образцами горных пород. Каждая пронумерована, сфотографирована, занесена в базу данных, имеет специальный qr-код. Наиболее впечатляющие и яркие образцы керна выложены на столах. На некоторых образцах можно увидеть отпечатки ракушек и мелких моллюсков. Ничего удивительного - во времена формирования пластов на месте Тюменской области было море.

"Мы, так и называем этот зал - "каменная библиотека", потому что каждая коробка с керном несет в себе очень много информации." - говорит Серкин.

Керн, простой кусок породы, может рассказать о месторождении все. Как же это происходит? Давайте посмотрим…

Первичное описание керна выполняют еще на месторождении, сразу после отбора. Когда же образец попадает в хранилище, его при помощи специального ПО описывают и всю информацию вносят в базу данных, которая заполняется голосовым набором.

Затем керн попадает на томографию. В лаборатории стоит почти такой же томограф, как и в клиниках. Только обследование проходит не человек, а кусок породы. Специалист ЦИК помещает кусок керна в специальную муфту. Результаты отражаются на экране.

"Крупные поры здесь выделяются синим цветом. Видите: вот это плотный участок, а вот этот участок можно назвать – коллектор, из него можно добывать нефть. Так выглядит нефтенасыщенная модель керна".

"В нашем центре постоянно обновляется лабораторная база приборов. Мы являемся драйвером для российских производителей лабораторного оборудования, число которых в настоящее значительно выросло. По нашим техническим заданиям изготавливают современные автоматизированные наукоемкие установки, мы работаем с производителями в Новосибирске, Тюмени, Санкт-Петербурге. Они имеют лицензии на производство, программные продукты по сканированию керна, ПО по обработке результатов", - рассказывает Серкин.

Рассыпающийся, слабо консолидированный керн тоже идет на исследование. Его просвечивают рентгеновскими лучами на специальном дефрактометре "Дрон-8".

Подготовка довольно простая: берется очищенная горная порода, измельчается до состояния муки, помещается в кюветы, и с просвечивается рентгеновским лучом, регистрируя минералогический состав породы. Аппарат – новенький, отечественного производства.

Есть еще один способ узнать, есть ли в керне нефть – Поместить образец породы в ультрафиолетовые лучи. Если углеводороды в породе есть, то она начинает светиться.

"У нефти есть свойство люминисцировать под ультрафиолетовым излучением. Благодаря этому мы даем оперативное заключение о насыщении пласта нефтью и приблизительно о её свойствах", - говорит Максим Серкин.

Но для исследования образцы необходимо очистить от нефти.

"Главные характеристики породы для нефтяников – пористость и проницаемость. А чтобы их определить, нужно породу полностью очистить от нефти и солей", - говорит Максим Серкин.

Помещение, куда мы входим, напоминает средневековую лабораторию алхимика. Колбы, змеевики, реторты. Именно здесь керн очищают от нефти. В колбах лежат образцы керна. Через них беспрерывно пропускается растворитель. Очищение занимает примерно две недели.

"Чистые" образцы попадают на оценку пористости и проницаемости. Керн транспортируется в лабораторию петрофизических и стандартных физических исследований. И там его в специальных лабораторных установках изучают при помощи заполнения инертными газами – азотом, гелием.

Затем очищенные образцы пропитывают водой. А потом – снова нефтью. Зачем это делается?

"Чтобы посчитать запасы месторождения, оценить экономическую целесообразность его разработки, нам нужно понять закономерности распространения нефти и воды в представленной породе. Для этого мы моделируем процесс формирования нефтяных залежей", - говорит эксперт Центра исследования керна Олег Морозюк.

"Создаются те же самые условия, в которых находится этот образец в продуктивном пласте. То есть, та же температура, такое же горное давление. И, соответственно, происходит моделирование процесса замещения воды углеводородами. На каждой стадии мы фиксируем объем вытесненной воды. Соответственно мы понимаем, сколько туда зашло нефти", - говорит Морозюк.

Естественно, весь образец не может заполниться углеводородами. Какая-то часть воды остается. Это называется "остаточная вода". Такой эксперимент длится до полугода.

Оборудование в лаборатории частично российское, частично импортное. Зарубежный капилляриметр требует постоянной настройки и регистрации данных в ручном режиме. Российский аналог лучше – он не требует постоянного контроля, установка выполняет измерения и контролирует режимы автоматически.

Некоторые из образцов исследуют на прочность. Их помещают в Лабораторный измерительный пресс российского производства для исследования деформационных свойств горных пород.

"Создается необходимый обжим, который смоделирует горное давление. Устанавливается температура, аналогичная той, что в скважине. И с помощью пресса идет нагрузка на образец. Мы смотрим на деформации, определяем упругость. Это давление происходит до тех пор, пока мы образец не разрушим. Когда это происходит, мы фиксируем это напряжение", - говорит Морозюк. Полученные параметры необходимы для построения геомеханических моделей месторождений, эти параметры также учитывают при разработке и добыче нефти.

Если образец не подвергся испытанию на прочность, его помещают в еще одну установку (тоже российского производства, созданную здесь же, в Тюмени) и начинают эту нефть из образца выкачивать с помощью воды. Смотрят, как поведет себя образец, и при использовании какого реагента он отдаст больше нефти.

"То, сколько мы добыли к тому, сколько было, дает нам коэффициент вытеснения, который мы переводим в проценты", - говорит Олег Морозюк.

Управляется весь процесс исследований с помощью созданного специалистами ТННЦ ПО - информационной системы "РН-Лаб".

В ТННЦ работает очень много сотрудников с учеными степенями.

"Кандидатов наук у нас 89 человек. Докторов - пять. Мы этим очень гордимся", - говорит Андрей Аржиловский.

Каждый год ТННЦ берет на стажировку двадцать студентов сибирских вузов. Потом с ребятами заключается срочный трудовой договор.

"Студенты начинают работать в коллективах, осваивают все методы, программное обеспечение, воспринимают нашу культуру. И когда заканчивают вуз, мы их принимаем в Программу развития молодых специалистов. Это еще три года, которые насыщены постоянным развитием, драйвом, вниманием со стороны руководства нашей компании. Фактически мы являемся апгрейдером для высшей школы", - рассказывает Аржиловский.