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…

Обещанное продолжение:
РН-БашНИПИнефть
Компания

Комментарии 39

    +3
    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…

    Я как-то работал в одном занятном месте где сверху все решения принимают деды- местная полу-технократия — полу-ОПГ (организованная преступная группа). А вокруг — мир простых людей, я бы даже сказал — очень простых — насколько явственно там выпирали откровенные конченные придурки (… в стиле последних событий в Норильске).
    Я там занимался много чем, в том числе математическими расчетами…
    И там постянно что-то происходило… — МУЖИКИ!!! СПАСАЙТЕ!!! Вы же — умные!!!
    А через пол-года — год — те же самые грабли… И так — до бесконечности…
      +2
      Вы во многом правы, но за последние 10-15 лет ситуация сильно изменилась в лучшую сторону. А так да в начале 2000-х были комичные истории, когда на наше первое письмо в добывающее общество (ДО) о том, что мы разработали гидродинамический симулятор, пришёл ответ, что у нас в письме ошибка и надо писать не симулятор, а СТИМУЛЯТОР ))
      +1
      Спасибо за статью, познавательно и доступным языком. Хотелось бы, еще и название используемого софта, для анализа и моделирования вы бы казывали в статье. Все таки статья для IT.
        +3
        Виталий, спасибо за отзыв, это только начало :). Конкретный софт не так важен, потому что мы его не используем, а пишем :). Чукча, как говорится, не читатель. А чтобы его написать — надо программистов хоть чуть-чуть научить предметной области и показать, а где вообще в этой области программирование и зачем. Но если очень интересно про конкретный софт — то вся информация тут: https://rn.digital
          +4
          Справедливости ради и полноты картины для, одним рн софтом дело не ограничивается.

          Существует очень широкая (и по моим наблюдениям де-факто самая распространенная) линейка шлюмберже (тут petrel для геологического моделирования, techlog для скважинных дел, eclipse для гидродинамического моделирования, pipesim и olga для моделирования трубопроводов, petromod для бассейнового моделирования и еще куча отдельных программ, с которыми я не сталкивался, плюс их новая модная молодежная «когнитивная платформа» delfi).

          Чуть позади Roxar c RMS (геологическое моделирование), Tempest (гидродинамическое моделирование), Resview (база данных геологической информации, разрабатывается, кстати, в России).

          Еще Paradigm, в программных пакетах которого я до сих пор путаюсь, потому что для обработки и интерпретации сейсмики их там штуки три минимум, все с перекрывающимся функционалом, но в которых активно и достаточно успешно используются машинное обучение, в основном для динамической интерпретации сейсмики (когда цель стоит определить свойства пород в объеме, в частности насыщение флюидом).

          Есть софт от Halliburton, который многие хвалят, но сам я лично не сталкивался. Стоит упомянуть IHS Kingdom, заточенный конкретно под интерпретацию сейсимки. Наверняка что-то забыл, но это тот список, который пришел в голову навскидку.
            0

            Интересно было вспомнить все те фирмы которые работали на севере до прихода роснефтей, лукойлов и газпромов.

              0

              Можно упомянуть также tNavigator от Rock Flow Dynamics.

                0
                Да, точно, незаслуженно забыл про них, хотя сам не пользовался, но слышал много. И еще от наших разработчиков есть от GridPoint Dynamics pro-s, pro-g и pro-rs, уходящий корнями к DVGeo.
          +1
          Я когда то работал в крупной нефтяной компании.
          Бывал в отделе нефтеразведки.

          В основном были Corel Draw, Matcad. Данные в основном в ввиде изображения, как картинка УЗИ. Было много плоттеров, навороченных и дорогих.

          Особой ПО не помню.

          PS. да, в конце они все таки нашли нефть!
            +2
            Если УЗИ было похоже на что-то вот такое:
            image
            то это и есть результат работы ПО для обработки сейсмических данных.
              +1

              Эх, и тут тоже все разломы тщательно замаскированы! Небольшие пички одни под другими на разных слоях — это разломы, и их тут много, это принципиально важная информация. Вот нельзя просто 2D горизонтальными фильтрами все так заглаживать, сколько раз это все обсуждалось и писалось. Выделите вы тут пласт нефтяной — а он в точке бурения окажется разбит разломом и все, скважина сухая, а то и весь пласт. Вот я показывал, как простейшими фильтрами на питоне в среде ParaView можно доказать наличие разломов: https://github.com/mobigroup/gis-snippets/blob/master/ParaView/ProgrammableFilter/vtkStructuredGrid.md
              В ваших данных разломы можно только вручную более-менее распознать, автоматически уже не отстроить...

                0
                да, что то такое, но цветное.
                это было давно, скорее всего обрабатывали вручную.
                +1
                А вот интерпретацию данных и поиск нефти, тогда, видимо, проводили вручную. Сейчас для этого используются суровые пакеты с кучей высокопроизводительного железа.
                  0

                  Кстати, сейчас много открытого софта появляется, в том числе, на питоне. И этот софт отлично работает на персональных компьютерах — с условием, что персоналках работают далеко не с полными наборами данных. Вот было бы интересно показать примеры использования такого не-легаси софта — и, особенно, сравнить с результатами легаси софта. Как вам идея?:)

                    0
                    В прошлом году мы уже провели большое открытое соревнование по автоматической интерпретации сейсмики Rosneft Seismic
                    Challenge
                    так что вы немного опоздали, но в этом году будет еще несколько интересных событий.
                      0

                      Так я про статью спрашиваю, а не про соревнование. По описаниям есть очень интересные вещи из новых открытых. Если у вас будет время и желание — мне кажется, это интересная тема, в то время как закрытый софт интересен только профессионалам. Мы свой софт для геофизики пишем, часть публикуем открыто, а до анализа сторонних разработок редко добираемся.

                +1
                Нельзя просто так взять и добывать нефть: нужно, чтобы с самого начала у вас была какая-то тактика, и вы её придерживались

                Если кто-то думал, что нефть под землёй находится в больших пустотах, резервуарах, в которые достаточно попасть трубой и качать до опустошения, то у меня для вас сюрприз: с пустотами под землёй туго

                перерабатывать во “вкусный” бензин, полезную пластмассу и фонд национального благосостояния.


                Очень приятный слог с кучей «отсылок». :) Читать одно удовольствие. Спасибо! Подписался на блог, надеюсь, что будущие статьи будут такими же позитивными.
                  0
                  Спасибо! Будем стараться, чтобы остальные части получились не хуже.
                  0

                  Про переработку что-то будет? Или только добыча?

                    0
                    Переработка — очень интересная область и мы некоторое время назад начали разрабатывать софт для расчетов многофазных течений в трубопроводах, потенциально должны дойти и до переработки. Но исторически наш институт переработкой не занимается, так что в цикле статей сейчас запланирована только добыча.
                      0

                      Да интересная, особенно с точки зрения Аспен Pims и Dpo. Интересно было про Российские аналоги этого по почитать

                        0
                        в российские аналоги инвестировать некому, соответственно и участь их печальна
                    0
                    В слоях каких геологических периодов находили нефть? Есть ли в России частная нефтедобыча?
                      +3
                      >> Есть ли в России частная нефтедобыча?

                      Периодически бывает. И искренне любимая мной Башнефть некогда была частной компанией, а сейчас «гордо» носит клеймо Роснефти. И «уважаемый люди» ТМ не спасли Антипинский НПЗ от известнейшего технократа. Но условий для развития по настоящему частной нефтедобычи и последующей нефтепереработки нет — есть мега-монополист, достигающий своих KPI за счет поглощения игроков поменьше, напрямую влияющий на законодательную инициативу; есть мега-монополист по логистике Транснефть, альтернативы которому можно сказать, что и нет; есть «налоговый манёвр», сделавший внутренний рынок менее привлекательным для сбыта добытой нефти.

                      PS: статья шикарная, прочитал с удовольствием, спасибо.
                        0
                        В слоях каких геологических периодов находили нефть?

                        Отложения нефтематеринских пород происходят и сейчас, так как это в основном подводные отложения из водорослей, рачков и другой мелкой живности. Другое дело с углем, он образовывался только до появления бактерий и грибов, которые научились перерабатывать лигнин. Сейчас образование угля, видимо, возможно только в болотах и торфяниках, где нет доступа кислорода.
                        +2

                        Увы, с фактической частью тут все перепутано… Есть множество разных типов геологических резервуаров, в том числе, целые подземные моря, океаны и нефтяные бассейны (именно так и называются). Более того, можно качать нефть оттуда, где ее вовсе нет — нефть поступает из глубоких горизонтов. И свойства нефти бывают разные — скажем, в разломе может быть нефть в виде битума, который нельзя извлечь, так что скважина будет сухая, несмотря на. И непосредственно моделирование резервуаров и процесса добычи — это далеко не первая стадия моделирования, поскольку эти самые резервуары еще надо найти :) А еще, нефть пойдет наверх, только если ее что-то подпирает — обычно наличествует газ-нефть-вода (исходя из плотностей, очевидно, кто выше и кто ниже) и пробурить нужно так, чтобы не выпустить создающий давление газ; бывают интересные случаи, когда небольшая нефтяная линза подпирается грунтовыми водами и добыча может идти только сезонно.
                        P.S. Кому интересно, смотрите мои гитхаб репозитории с софтом для геологического моделирования и готовыми моделями: https://github.com/mobigroup/

                          0
                          Есть множество разных типов геологических резервуаров, в том числе, целые подземные моря, океаны и нефтяные бассейны (именно так и называются)

                          Вот это как раз и путает людей, которые, приходя в нефтянку, думают, что под землей есть большие пустые полости заполненные нефтью, а это далеко не так. То что Вы пишете, скорее относится к процессу осадко-накопления.

                          бывают интересные случаи, когда небольшая нефтяная линза подпирается грунтовыми водами и добыча может идти только сезонно

                          Было бы интересно прочитать про это где-то подробнее.
                            0

                            На берегу наземного океана тоже мокрый песок находится, так что очень похоже, на мой взгляд. Чисто технически, песок или трещиноватые породы с заполненными нефтью-газом порами выделяются на плотностных моделях как области низкой плотности — если же мы смотрим градиент плотности (как обычно и делается), то и вовсе без разницы, какие там абсолютные значения плотности. Вот для самого процесса добычи разница в составе пород коллектора огромная, несомненно.


                            Как пример, вот на такую структуру мы недавно наткнулись на территории России:
                            https://www.linkedin.com/posts/activity-6646306255176507392--EKc/
                            https://www.linkedin.com/posts/activity-6646777937121030144-pZDf/
                            Весной были пробурены рабочие скважины, но летом дебит заметно упал, а на следующую весну дебит поднялся, но был ниже, чем в начале. Владелец заволновался и заказал нам независимую экспертизу. Оказалось, вместо нефтяного поля там лишь нефтяная "сосиска", вдобавок, подпираемая лишь сезонными грунтовыми водами — естественно, добываемые запасы на порядки не соответствуют зарегистрированным. Если почитаете комментарии к указанным постам, там люди делятся похожими ситуациями по всему миру.

                          0
                          Спасибо за статью!
                          Наконец то институт создал свой блог, где можно будет обсуждать с коллегами различные интересные вопросы.
                          При определённых способах добычи, часть нефти будет просто оставаться в пласте в таких местах, из которых её уже никак не вытащить.

                          От себя добавлю что такая нефть будет оставаться в пласте при текущем использовании известных технологий разработки, так как ее просто экономически невыгодно оттуда «выкачать». В недалеком будущем встанет вопрос об добыче этих остатков трудноизвлекаемой нефти и использовании новейших технологий придуманных лучшими умами компании.
                            +1
                            а что, больше негде коллегам из института обсуждать вопросы? Petroleumengineers есть как минимум
                              0
                              а что, может вы сами поинтересуетесь на ресурсе Petroleumengineers и спросите там?
                                0
                                так это же не у меня, а у вас желание обсуждать вопросы есть
                            0

                            Спасибо за статью! Как уже здесь писали изложение на высоте, буду с нетерпением ждать продолжения! Автор, а Вы случайно книг не пишите, с удовольствием прочитала бы что-нибудь из вашего ;) А ещё мне стало интересно узнать есть ли в "нефтянки" место для IoT? Если есть, то любопытно почитать о кейсах применения IoT в вашей компании.

                            0
                            Большинство технологических операций на скважине требуют детального плана действий

                            И тем не менее в любой момент может произойти всякое

                            Тенгиз

                            Карачаганак
                              0
                              Т.к. текст предназначен для широкой аудитории, то думаю термин «фильтроваться» было бы лучше заменить на термин «протекает». В данном контексте подразумевается не очистка нефти или воды, а именно протекание.
                              0

                              Очень простой и понятный, ИМХО, текст для объяснения всей цепочки добычи нефти. Как введение — блестяще;)

                                +1
                                А вы молодцы. У вас первая на моей памяти русскоязычная статья про георазведку и добычу углеводородов, в которой нет ни одной аббревиатуры типа ЗБС, ППД, ГТМ, ГРП, ТиКРС, ВНС (и так далее до бесконечности), которые так обожают отечественные нефтяники.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое