Михаил Яковлев: Синхротронное излучение позволит наблюдать микропроцессы в керне в реальном времени

Слушать.

Нижневартовск. С каждым годом поиск и разработка новых месторождений становятся все сложнее: запасы истощаются, геологические условия усложняются, а цена ошибки растет. В этих условиях керн приобретает особую ценность. Что именно рассказывает «каменный архив» о строении залежей? Как цифровые двойники и синхротронные исследования меняют подход к анализу образцов? И почему керн является основным источником повышения достоверности модели месторождения? Об этом Агентство нефтегазовой информации поговорило с заместителем директора Центра рационального недропользования Югры Михаилом Яковлевым.

Михаил Сергеевич, для начала расскажите, почему керн считается одним из самых ценных источников данных при изучении месторождений?

- Керн - это образец горной породы в виде цилиндра, своего рода «каменная летопись» Земли. Он дает прямую, а не косвенную информацию о недрах, и в этом его главная ценность. В отличие от геофизических методов - например, сейсморазведки или геофизических исследований скважин (ГИС), - которые предоставляют косвенные данные, керн остается единственным источником прямой информации о фильтрационно‑емкостных свойствах (ФЕС) пласта: его составе, структуре и насыщении. Эти данные позволят максимально приблизить геологическую модель к свойствам залежи и наиболее точно спроектировать разработку месторождения.

Как формируется коллекция керна в ЦРН Югры? Какие месторождения и геологические периоды она охватывает?

- В нашем центре есть специализированное хранилище образцов горных пород и пластовых флюидов – являющееся крупнейшим в России по объему хранимого керна глубоких скважин. Ежегодно коллекция пополняется новыми образцами. В рамках хранилища мы организовали экспозиционную коллекцию, которая охватывает огромный временной диапазон - от 500 млн лет до современности. Особенность экспозиции в том, что она отражает не какое-то одно месторождение, а региональный геологический разрез Югры с учетом геологической изменчивости разреза как по латерали так и по вертикали.

Создаете ли вы цифровые двойники образцов? Как это помогает в моделировании месторождений?

- Да, создание цифровых двойников керна - одно из ключевых направлений современной геологии, особенно актуальное для объектов с трудноизвлекаемыми запасами. Цифровой двойник - это трехмерная цифровая копия образца породы, созданная, в том числе на основе данных высокоразрешающей рентгеновской томографии. Такой подход дает сразу несколько преимуществ. Во-первых, он сохраняет уникальные образцы: физический керн со временем разрушается, а цифровая копия остается навсегда. Во-вторых, позволяет изучать породу без разрушений - можно «заглянуть» внутрь, не разрушая образец. В-третьих, на цифровой копии можно проводить прямое численное моделирование фильтрации: «прогнать» на симуляционной компьютерной модели флюид через поровое пространство и получить относительные фазовые проницаемости - важнейший параметр для гидродинамических моделей. Это избавляет от дорогостоящих и длительных лабораторных экспериментов.

Как данные по керну интегрируются с другой геофизической и геохимической информацией? По какому принципу строится единая модель месторождения?

- Интеграция данных - ключевой принцип построения единой модели месторождения. Керн здесь выступает как базис свойств среды, к которому привязываются все остальные разномасштабные данные. Процесс начинается с привязки по ГИС интервалов отбора керна - это критически важный этап. Поскольку керн отбирается не по всей скважине, а лишь из проектных интервалов, его сначала точно привязывают к данным геофизических исследований (каротажу), сопоставляя, например, показания гамма-каротажа или кажущегося сопротивления с характеристиками керна отобранного в интервале. Полученных из керна в лабораториях петрофизических данные связываются с данными ГИС. Затем, все данные исследований - керна, ГИС, испытаний скважин, сейсморазведки и геохимии - сводятся в единую цифровую модель. В такой системе все взаимосвязано: скважина - образец – лабораторные исследования – геофизические исследования и результаты их интерпретации. В итоге строится объёмная цифровая геологическая модель, где каждый элемент пространства модели имеет свои свойства, рассчитанные по петрофизическим зависимостям, откалиброванным по керну. Все произведённые действия позволяют перейти к построению гидродинамической модели – основы для разработки месторождения.

Как именно данные по керну используются при построении геологических и гидродинамических моделей месторождений?

- Для построения геологических моделей используются фильтрационно-емкостные свойства (ФЭС) пород коллекторов и покрышек, полученные по результатам исследований керна. Связи керн – ГИС для последующего использования данных ГИС по другим скважинам, в которых керн не отбирался. Для построения гидродинамических моделей исследуется состав и фазовые состояния флюида, содержащегося в керне, влияние капиллярных эффектов на фильтрацию и ряд других узкоспециализированных исследований.

Насколько сильно может измениться модель месторождения после получения новых данных по керну с разведочных скважин? Бывали ли случаи, когда образцы кардинально меняли представление о строении залежи?

- Достаточно часто параметры пород коллекторов берутся из соседних месторождений (принцип аналогий) на основе выявленных ранее зависимостей керн-ГИС.  Это увеличивает геологические риски, поскольку на самом раннем этапе освоения месторождения - построение геологической модели нет фактических данных о ключевые свойства залежей данного месторождения. В дальнейшем, данные полученные на керне нередко становятся главным источником неожиданностей, и геологическая модель может измениться очень сильно. Приведу пример: компания пробурила две разведочные скважины, где не произвела исследование керна. В качестве ключевых характеристик залежи были взяты петрофизические параметры полученные по результатам исследования керна на соседнем месторождении. На основе созданной геологической модели на государственный баланс были поставлены запасы, утвержден проект разработки по которому компания и начала разработку месторождения. В процессе разработки и строительства скважин выяснилось, что фактические петрофизические свойства не соответствуют принятым по соседнему месторождению. В итоге весь план разработки месторождения не приведёт к утвержденному результату. И, к сожалению, таких примеров достаточно. Поэтому геологи всегда относятся к оценкам данных исследований керна с большим сомнением: новый керн с разведочной скважины - это всегда событие, после которого модель фактически пересматривается.

Как керн помогает прогнозировать фильтрационно-емкостные свойства пласта (пористость, проницаемость) и оценивать риски осложнений при разработке?

- Во-первых, керн дает прямые, истинные значения пористости и проницаемости. Во-вторых, анализ позволяет установить граничные значения ФЕС, что критически важно для подсчета эффективных толщин. В-третьих, изучение структуры порового пространства помогает понять, почему порода имеет низкую проницаемость. Что касается оценки рисков осложнений, здесь тоже несколько аспектов. Исследования керна на трехосное сжатие дают оценку упруго-прочностных свойств породы - это нужно, чтобы спрогнозировать риск выноса песка (пескопроявления), оценить устойчивость ствола скважины и параметры ГРП. Если в керне обнаружены набухающие глины, это сигнал к тому, что при бурении и заканчивании нужно использовать специальные буровые растворы. Состав породы и флюидов по керну помогает прогнозировать риски отложений парафинов, асфальтенов или солей в оборудовании. Наконец, исследования керна при смене насыщения позволяют оценить, как изменятся прочностные свойства породы в процессе заводнения.

Какие новые направления исследований керна вы считаете наиболее перспективными? Что может появиться в ближайшие 5-10 лет?

- Одно из самых перспективных направлений – построение цифровых двойников на основе синхротронного излучения, и это главный тренд. Использование синхротронов - источников синхротронного излучения, таких как строящийся в России СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов), - даст на порядки более высокое разрешение. Благодаря этому мы сможем наблюдать микроскопические процессы фильтрации флюидов и реагентов внутри породы в режиме реального времени в пластовых условиях. В ближайшие годы это приведет к созданию цифровых двойников с беспрецедентной детализацией и высокой точностью компьютерного моделирования протекающих внутри пласта процессов. Что, несомненно, явится катализатором массовой разработки и применения третичных методов увеличения нефтедобычи на зрелых и новых месторождениях. Еще одно важное направление – это глубокая автоматизация процессов изучения керна с применением современных методов машинного обучения. Алгоритмы будут активно использоваться для автоматизации анализа изображений керна: выделения зерен, пор, трещин, построения петрофизических зависимостей и создания цифровых двойников на основе и в условиях ограниченности наборов данных.

Копирование и использование фото с разрешения ЦРН Югры