На мировом рынке нефти сложилась непростая ситуация. С одной стороны, промышленность решает технологически сложные задачи в работе с трудноизвлекаемыми запасами. С другой — остро стоит вопрос повышения или поддержания добычи на истощающихся месторождениях. В-третьих, компаниям необходимо строить сложные инфраструктурные объекты, иногда в труднодоступных местах.
Такая ситуация заставляет нефтегазовые компании использовать по максимуму свой технологический потенциал в и без того высокотехнологичной отрасли. В секторе идет бурное развитие цифровых технологий, помогающих прогнозировать сложные процессы, оценивать риски, ускорять принятие решений и разрабатывать сценарии добычи, снижая себестоимость работ.
Вообще, нефтегазу сегодня критически важно максимизировать прибыль. Приходится снижать издержки, несмотря на рост стоимости и сложности добычи, в том числе из-за необходимости работы с породами с низкой проницаемостью. Часто для этого необходимо принимать непопулярные решения: урезать расходы¸ нанимать дешевый персонал или оптимизировать «старый». Регулярно такие решения заканчиваются катастрофами.
Можно вспомнить резонансный пример — аварию на буровой платформе компании British Petroleum в Мексиканском заливе, когда в результате ошибки в воду были выброшены сотни тысяч тонн нефти. Был нанесен огромный урон экологии, а о точном экономическом ущербе знает только сама BP, но можно не сомневаться, что он был огромен. Многих катастроф можно было бы избежать, если бы были учтены все правила безопасности, а компании переходили бы на современные технологии, которые позволяют минимизировать влияние на окружающую среду и соответствовать постоянно ужесточающимся экологическим требованиям.
«Миру требуются новые подходы к поиску компромисса между экономическими и экологическими задачами, — говорит директор по трансформационным проектам Dassault Systèmes Дмитрий Козаченко. — Ключевым элементом технологии является моделирование поведения будущего продукта в цифровой среде. Технология цифровых двойников помогает выпустить в кратчайшие сроки востребованный безопасный продукт с расчетным воздействием на экологию. Только благодаря цифровым двойникам можно добиться в следующие десять лет сокращения выбросов CO2 на 7,5 гигатонны».
Нужно понимать: все месторождения в нефтегазовой отрасли используются очень долго — десятилетиями. И стоимость их эксплуатации исчисляется миллиардами долларов. Согласно данным Dassault Systèmes, только 2,5% компаний успешно реализуют весь объем проектов. Есть и другая статистика: 57% проектов терпят неудачи, 26% реализуются в запланированный срок, а 68% всех проектов имеют проблемы, напрямую связанные с ранним началом строительства без должной проработки.
Как получить максимум от керна
Что может сделать добычу более эффективной? В первую очередь, грамотная предварительная проработка стратегии добычи с учетом геологии и залежей пород, которые существуют в нефтеносном районе. А чтобы эту стратегию проработать, необходимо взять керны — столбики горной породы, получаемые в результате дорогостоящего бурения скважины. Затем — провести огромное количество лабораторных исследований, определить, какие именно химические присадки можно использовать, чтобы максимизировать добычу, а какие категорически нельзя.
Один из элементов может повысить нефтеотдачу, а другой, наоборот, запереть нефть, в результате компания будет тратить время и деньги, чтобы заново бурить пласты. Именно по этой причине необходимо проводить испытания как можно более аккуратно и точно, ставить огромное количество экспериментов.
Но физические эксперименты в лаборатории дороги и долги. Они занимают месяцы, а в отдельных случаях — годы. При этом для каждого эксперимента нужен новый образец породы. Помочь решить эту задачу может технология цифровых двойников, виртуализирующая лабораторные исследования. Технология позволяет проводить эксперименты с керном бесконечное количество раз, причем гораздо быстрее, чем в реальности.
Междисциплинарный расчет
Нужно иметь в виду, что пласты земной коры имеют разные свойства и состояние, в них могут встречаться трещины и пустоты. И компания, начиная добычу, должна предвидеть, как поведет себя месторождение, когда начнется закачка раствора для выдавливания углеводородов: не разрушится ли скважина, не вызовет ли добыча сейсмические события, способные повредить инфраструктуру на поверхности.
Цифровые двойники позволяют спрогнозировать, какой конкретно в каждом случае будет нефтеотдача, и оценить методы ее увеличения: например, технологии геомеханических расчетов позволяют смоделировать гидроразрыв пласта — в настоящее время основную технику стимуляции добычи. В виртуальной реальности воссоздаются пластовые условия — нагрузка и температура, при которых конкретный образец находится непосредственно в земле.
Когда керн извлекают на поверхность, эти нагрузка и температура исчезают. И в обычных условиях одна из важных задач лаборатории — нагрузить керн, учесть температурные характеристики, например, влияющие на вязкость углеводородов. 3D-модели керна при помощи специальной технологии придают соответствующие пластовые условия, после чего выполняются расчеты проницаемости среды. Цифровые двойники позволяют выполнить расчеты с такими условиями, создать которые в лаборатории довольно сложно.
Цифровые двойники дают возможность рассматривать все варианты пород, которые встречаются на месторождении. Это позволяет нефтедобывающим компаниям быстро и эффективно прорабатывать различные стратегии добычи нефти, оценивая как вред, наносимый окружающей среде, так и объем добычи и размер прибыли.
Таким образом, период лабораторных испытаний сокращается с нескольких месяцев до трех-шести дней — без потери качества. По сути, компания, изучающая новое месторождение, получает возможность анализировать огромное количество вариантов стратегий добычи и выбрать из них наиболее эффективный для конкретной скважины, а также ускорить начало добычи сырья.
Программное обеспечение ответит за производительность
И в России, и во всем мире есть примеры успешного применения технологии цифровых двойников. Крупные нефтегазовые корпорации поняли ее преимущества. На рынке широко известны технологические решения в сфере разведки и добычи углеводородов (Upstream), которые предлагает Dassault Systèmes.
Программное обеспечение компании помогает повышать управляемость, производительность и контроль на нефтяных месторождениях за счет объединения данных, процессов, функциональности и эффективного управления персоналом и временными затратами. Решения Dassault Systèmes в отрасли применяют компании ExxonMobil, Chevron, British Petroleum, Schlumberger, Halliburton, Baker Hughes — и это лишь краткий список.
В числе наиболее востребованных отраслевых наборов технологий (Industrial Process Experiences, IPE) — IPE Unified Reservoir. Так, Dassault Systèmes предлагает продукт SIMULIA Abaqus Unified FEA (Abaqus) для расчета геомеханики, инструменты для быстрого создания геомеханических 3D-моделей месторождений на базе платформы 3DEXPERIENCE. Известно также решение DigitalROCK — виртуальная лаборатория для оперативного получения фильтрационных характеристик широкого диапазона пород и моделирования различных методов увеличения добычи углеводородов.
В целом исследования в лабораториях длятся месяцами, а исследования некоторых пород — до двух лет! В DigitalROCK пользователь может пройти тот же путь за три-четыре дня без потери качества результатов. Время лабораторных испытаний также сокращается за счет возможности повторного использования полученных сканов образцов и их численных моделей. Все расчеты производятся на высокопроизводительных вычислительных ресурсах.
Подобная скорость и точность результатов позволяют увеличивать количество исследований и создавать основу для реалистичных гидродинамических расчетов месторождения, переходя с уровня исследований керна на уровень месторождения (так называемый upscaling). В активе Dassault Systèmes 25 лет разработки подобных решений.
В компании также полагают, что комбинированное использование технологий приводит к синергетическому эффекту. Например, Abaqus используется для задания пластовых условий и получения физико-механических свойств образцов керна, реализуя микромеханический подход в DigitalROCK. Помимо этого Abaqus позволяет решать широкий спектр стандартных геомеханических задач и реализовывать концепцию 4D-расчетов.
За таким технологическим предложением стоит целая школа: Abaqus разрабатывается уже более сорока лет и применяется при решении геомеханических задач в нефте- и газодобывающей отрасли. Например, первым пользователем Abaqus в области энергетики был ExxonMobil. В нашей стране Abaqus используется компанией «Газпромнефть НТЦ».
Одним из ярких примеров применения технологии цифровых двойников может служить проект Центра компьютерного инжиниринга СПбПУ, выполненный по заказу дочерней компании госкорпорации «Росатом» по разработке цифрового двойника вибросита для системы очистки бурового раствора. Всего за пять месяцев появилась принципиально новая конструкция для буровой установки с улучшенными характеристиками: снижена масса, увеличен коэффициент перегрузки.
«Будущее технологии цифровых двойников заключается в повсеместном применении, которое будет сопровождаться увеличением производительности труда, повышением качества и скорости выхода на внутренний и внешний рынок изделий отечественного производства, формированием технологической самостоятельности государства и, соответственно, увеличением внутреннего валового продукта и импортозамещением», — говорит проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков.
