[recovery mode] Нефтянка для инженеров, программистов, математиков и широких масс трудящихся, часть 1
Хочешь знать, как и откуда добывают нефть, и зачем для этого нужны математики, инженеры и программисты? Это первая часть из серии статей, представляющих собой очень быстрое обзорное введение в предметную область для будущих математиков-программистов, которым предстоит решать задачи, связанные с моделированием нефтедобычи и разработкой инженерного ПО в области сопровождения нефтедобычи. Для того, чтобы понять всё, что здесь написано, не требуется каких-то специальных знаний: достаточно только здравого смысла и школьного «арсенала» математики и физики. Зато работа в этой области, в отличие от какого-нибудь документооборота, происходит на стыке математических, естественно-научных и технических дисциплин и полна интересных кросс-дисциплинарных задач.
Введение
Нельзя просто так взять и добывать нефть: нужно, чтобы с самого начала у вас была какая-то тактика, и вы её придерживались, ведь регулирующие организации строго за этим следят. Для любой операции при нефтедобыче необходимо иметь заранее подготовленный план, а для любой мало-мальски сложной инженерной операции необходимо иметь модель, которая заранее предсказывает, какой результат вы получите.
Если кто-то думал, что нефть под землёй находится в больших пустотах, резервуарах, вроде закопанных танкеров класса «Афрамакс», в которые достаточно попасть трубой и качать до опустошения, то у меня для вас сюрприз: с пустотами под землёй туго.
Нефть располагается в пористой горной породе на глубинах от 2-х до 3-х километров. Такую породу проще всего представить в виде губки, хотя на самом деле она похожа на очень сильно спрессованный песок (хорошие, высокопроницаемые породы можно сравнить с обычным красным кирпичом, а низкопроницаемые породы, с которыми мы чаще всего имеем дело в России можно сравнить с плотным бетоном), в котором зёрна могут быть видны невооружённым взглядом, а могут быть видны только под микроскопом. Сама порода чаще всего является осадочной, то есть когда-то она была поверхностью земли, дном реки или океана, и на неё всё осаждалось: где-то оказывались завалы крупного гравия, где-то барханы мелкого песка, а где-то — холмы самых мелких частиц, при слипании образующих глину.
Нефть пропитывает не сами частицы, конечно, а поры между ними. Если из какого-то места начать извлекать нефть, она начнёт притекать со всех сторон, фильтроваться сквозь поры породы. Пробурив скважину, то есть отверстие в земле с закреплёнными от обвала стенками, и добурившись до пропитанной нефтью породы, спустив вниз трубу с насосом, можно начать нефть выкачивать на поверхность и перерабатывать во «вкусный» бензин, полезную пластмассу и фонд национального благосостояния. Казалось бы, в чем тут может быть задача или проблема? А проблем на самом деле масса.
Во-первых, надо знать, где искать. Нефть залегает под землёй, мягко говоря, не везде, и её нужно обнаружить. Геологоразведчики, зная общие принципы образования нефтяных месторождений и геологическую и палеоисторическую историю разных регионов, заранее могут сказать, где вообще есть смысл искать, а где нет. Затем в перспективных регионах проводят сейсморазведку, отправляя в глубь земли акустические волны и ловя их отражение от различных слоёв на большой глубине. Полученная трёхмерная картина (сейсмическая модель) позволяет найти подозрительные области-«ловушки», где теоретически могла бы скапливаться нефть, если бы она там была. Но выяснить, есть ли она там реально, можно только пробурив в такую «ловушку» скважину. Возможно, там будет порода вообще без зёрен и пустот, возможно зёрна и пустоты между ними будут заполнены водой, а возможно — и тогда кое-кто получит премию, — пустоты между зёрнами будут заполнены нефтью и газом. Понятное дело, весь этот процесс поиска уже представляет собой сложную инженерную задачу, требующую использования разработанного математиками и программистами ПО: данные сейсморазведки нужно обрабатывать, трёхмерные сейсмические модели распространения слоёв породы под землёй надо строить, отображать и анализировать.
К слову, в прошлом году проходил один из крупнейших хакатонов «Rosneft Seismic Challenge», где участники анализировали сейсмические данные с использованием методов машинного обучения.
Во-вторых, надо знать, где бурить. Сейсморазведка даёт очень приблизительную картину того, что находится под землёй (разрешающая способность сейсмики ограничена длиной акустических волн и равна 20–60 м.), но по мере бурения разведочных, а затем и добывающих и всех остальных скважин, мы получаем всё больше и больше информации о слоях горных пород, в которых залегает месторождение. Проблема в том, что эта информация очень скудная. Возьмите большую куклу вуду и проткните её в нескольких местах иголками — вы получите информацию о внутренней структуре куклы только в некоторых местах (там, где она проткнута иголками), но ваши знания и предположения о том, из каких материалов обычно куклы вуду делают, позволят вам с определённой степенью уверенности судить о том, как кукла устроена и между иголками. Так же и месторождение «протыкается» скважинами только в некоторых местах (обычно скважины расположены не ближе 500 м. друг от друга, а свойства пласта мы знаем в радиусе 0.5–1 м. от скважины), но знания геологии позволяют делать предположения о том, что с породой происходит между скважинами. Эти предположения с помощью знаний геологов, математических моделей и софта, в котором они реализованы должны превратиться в трёхмерную геологическую модель месторождения и дать предсказания о том, где стоит, а где не стоит бурить следующую скважину. Эти предсказания будут подтверждены или опровергнуты последующим бурением, которое, в свою очередь, даст новую информацию для обновления геологической модели, и так далее.
В-третьих, обнаружив залежь нефти, нужно уметь правильно извлечь «всю» (в реальности с обычных месторождений удаётся извлечь часто не более 30–40% нефти, а для сланцевых месторождений технологическим пределом является 3–7%) обнаруженную нефть. Каждая скважина даёт какой-то объём нефти в сутки (нефтяники называют его дебитом, не путать с «дебетом» у финансистов), и чем больше скважин мы набурим, тем больше и быстрее мы сможем из месторождения выкачивать нефть –, но только до определённого предела. Бурение скважины — это очень дорогостоящая операция, и любой план разбуривания месторождения приведёт к тому, что мы будем одновременно тратить деньги на бурение скважин и получать отдачу от продажи добываемой нефти, и разные планы разработки месторождения будут давать разный итог потраченных и полученных средств, и, что важнее, разный итоговый объём добытой нефти. Да, это может показаться странным, но это только для бутылки кока-колы не важно, с какой скоростью вы из неё пьёте — итоговый объём будет один и тот же. Доля добытой нефти из всего объёма нефти месторождения, коэффициент извлечения нефти (КИН) будет очень разным при разных способах и стратегиях добычи. При определённых способах добычи, часть нефти будет просто оставаться в пласте в таких местах, из которых её уже никак не вытащить. Поэтому в соответствии с заданной целью (быстрее, но меньше — или медленнее, но больше) нужно будет построить оптимальную экономическую модель добычи. Тише едешь — дальше будешь.
В-четвертых, проблема в том, что описанным выше варварским способом добычи нефти, можно добыть только малую часть всей нефти месторождения (получить очень низкий КИН — 3–5%). Нефть под землёй находится под давлением, но как только мы начинаем её оттуда извлекать, давление падает, насосы добывают всё меньше и меньше, и наконец, добыча просто останавливается, потому что нефть перестаёт притекать к месту добычи со всех сторон. Парадоксальная ситуация — нефть ещё есть, но она уже никуда не течёт и добыть её нельзя. Для того чтобы такой неприятной ситуации избежать, бурят другие скважины, нагнетательные, через которые в месторождение нагнетают воду и поддерживают, таким образом, пластовое давление внутри породы. Конечно же, эта вода, вместе с водой, которая в месторождении и так с самого начала присутствовала, начинает фильтроваться через породу вместе с нефтью, и вместе же с нефтью попадать в добывающие скважины, которые вместо «вкусной» чёрной жирной нефти начинают выдавать «на гора» грязную вонючую воду, которая никому не нужна. Я думаю, вы уже догадались, что от того, где бурить такие нагнетательные скважины и когда и с какой скоростью через них закачивать воду, зависит в итоге результат: сколько нефти из месторождения удастся добыть. Поэтому в процессе разработки месторождения строят и поддерживают в актуальном состоянии так называемые гидродинамические модели, которые предсказывают, что, с какой скоростью и куда будет перетекать, фильтроваться, если в заданных местах пробурить добывающие и нагнетательные скважины и включить их в определённом режиме.
В-пятых, мало нефть добыть. Нужно её на поверхности отделить от воды и попутного газа, воду очистить и повторно использовать, газ постараться загнать в газопровод или с пользой утилизировать прямо на месторождении, а саму нефть также очистить и сдать в нефтепровод. Для этого всё это поверхностное обустройство тоже должно быть готово. Нет смысла добывать нефть с большей скоростью, чем её могут прокачать имеющиеся на месторождении трубопроводы — эту нефть будет просто некуда деть (спросите совета у владельцев майских фьючерсов на WTI). Строить трубопроводов больше, чем нужно, чтобы прокачать планируемую к добыче нефть, тоже нерационально, поэтому всё это поверхностное хозяйство нужно тоже оптимальным образом смоделировать, спланировать и построить.
В-шестых, все скважины нужно периодически обслуживать, а это не так просто. Даже чтобы прочистить канализацию в квартире, нужны очень длинные и ловкие руки, а ведь длина канализационных труб в квартире — считанные метры. В случае скважины приходится проводить операции на глубине в два-три километра, и упавшую туда случайно кувалду достать не так-то просто. Большинство технологических операций на скважине требуют детального плана действий. Например, надо заранее знать, как бурить и как обустраивать конкретную скважину. Тот, кто хоть раз в детстве на пляже копал колодцы, понимает, что любая яма в земле имеет свойство затягиваться. Стенки скважины могут обваливаться прямо в процессе бурения и зажимать буровой инструмент, и нужно заранее уметь предсказывать возможные осложнения в процессе бурения. При бурении, как и при проведении любой другой сложной технической операции, всегда есть диагностическое оборудование, которое в реальном времени показывает определённые параметры — например, нагрузку на бурильное долото, или, например, вес поднимаемой трубы, длиной в несколько километров. Для любой такой мало-мальски сложной операции нужно перед её началом в специализированном ПО построить математическую модель будущей операции, чтобы рассчитать, например, а не порвётся ли верхняя часть трубы под собственным весом, когда её нижняя часть начнёт тереться о стенки скважины и застревать на двухкилометровой глубине, и так далее. Конечно, предсказания любых моделей очень сильно зависят от корректности данных, которые в эти модели будут закладываться.
Таким образом, практически весь процесс нефтедобычи требует принятия оптимальных решений, а это возможно только при наличии математических моделей, методов и ПО, в котором всё это реализовано. Безусловно, ПО не может принести никакой пользы и правильно предсказать будущее, если его разрабатывали и использовали люди, не понимающие суть происходящих в реальности процессов или того, как эти процессы моделируются с помощью физических и математических моделей.
Продолжение следует…
