Научный сотрудник НОЦ «Газпромнефть-НГУ» Михаил Фокин провел серию экспериментов на Курчатовском источнике синхротронного излучения и протестировал алгоритмы обработки данных фазово-контрастной томографии. Результаты экспериментов показали перспективность данного направления и потенциал синхротронного излучения для исследования цифрового керна в нефтегазовой области. Данная работа проводится в рамках стратегического проекта НГУ «Научный инжиниринг» программы «Приоритет 2030».
Цифровой керн — это трехмерная цифровая копия образца горной породы, программный продукт, позволяющий проводить исследования свойств керна методами математического моделирования. Основными этапами подхода являются получение цифровой копии образцов методами неразрушающего сканирования, упорядоченное хранение и дальнейшая компьютерная обработка цифровых образов кернов и флюидов. Накопленная информация об образцах может быть использована для проведения цифровых экспериментов и последующего анализа, в том числе методами машинного обучения. Результаты цифрового анализа керна используются для решения широкого перечня прикладных задач как в геологии, так и при разработке месторождений углеводородов.
В настоящее время нефтегазовые компании занимаются разведкой и добычей трудноизвлекаемых запасов углеводородов. Лабораторное изучение образцов, взятых из низкопроницаемых коллекторов, является сложной задачей, занимает длительное время и требует немалых финансовых затрат от нефтегазовых компаний. Цифровой керн является точной копией внутренней структуры горной породы, созданной при помощи метода рентгеновской томографии. Проводить аналогичные лабораторным экспериментам на цифровой копии можно при помощи математического моделирования, что выходит значительно быстрее и менее финансово затратно. При этом появляется возможность контроля параметров эксперимента, что позволяет проводить специализированные вычисления и повысить информативность исследований.
Цифровой керн уже нашел применение в нефтегазовой отрасли. Основным инструментом здесь является метод рентгеновской томографии. Рентгеновским излучением со всех сторон просвечивают образец керна и таким образом создают его точную трехмерную копию. Но у этого метода есть определенные ограничения. Для таких экспериментов используются обычные лабораторные промышленные томографы, которые пришли в отрасль из медицины и материаловедения. Источники рентгена в них довольно слабые по интенсивности, что не позволяет просвечивать крупные репрезентативные образцы при необходимом разрешении для цифрового керна. Также возникают сложности со сканированием керна в ячейках, а также в разделении на изображениях близких по плотности материалов. В частности, нефть и вода, в рентгеновском излучении имеют слабый контраст и слабо различимы друг от друга.
В большинстве случаев, когда требуется провести рентгеновский мониторинг вытеснения нефти водой в керне и определить при этом свойства горной породы, в одну из жидкостей, — чаще всего в воду, — добавляют большое количество контрастного вещества, но это изменяет ее физические свойства, и данная система уже не является приближенной к реальным условиям.
— Мы предлагаем использовать в качестве источника рентгеновского излучения для получения цифрового анализа керна синхротронное излучение. Оно обладает высокой интенсивностью, что позволяет просвечивать крупные образцы. Появляется возможность отследить процессы в динамике. Кроме того, синхротронное излучение обладает широким энергетическим спектром, достаточным для просвечивания тяжелых материалов, и позволяет проводить исследования в модельные пластовые условия, для воссоздания которых образцы требуется помещать в специальные металлические ячейки. На обычных рентгеновских установках это весьма затруднительно из-за слабого источника рентгена. Кроме того, синхротронное излучение обладает таким уникальным свойством, как когерентность, что позволяет увеличивать контраст тех материалов, которые при в обычном рентгене неразличимы. Изучение данных свойств синхротронного излучения и стало целью моей работы на Курчатовском источнике, которая состояла из серии экспериментов, направленных на дифференциацию воды и нефти при сканировании образцов синхротронным излучением, — объяснил Михаил Фокин.
Исследователь подчеркивает, что проведенная им серия экспериментов представляет собой начало исследований, которые будут продолжены в следующем году. Их цель — отличить воду от нефти внутри горной породы (керна) без добавления контраста. Однако на первом этапе ученые решали более простую задачу — при синхротронном излучении фиксировали отличия капли нефти от капли воды, помещенных в одну пробирку, и сравнивали полученные визуализированные данные с изображениями тех же объектов, полученными при воздействии обычного рентгеновского излучения. Результаты исследования показали, что в синхротронном излучении контраст между водой и нефтью выше, чем при рентгеновском. Также на Курчатовском источнике синхротронного излучения были протестированы реализованные учеными НГУ алгоритмы восстановления фазы. Их применили для обработки полученных данных. В дальнейшем планируется их использование в ЦКП «СКИФ».
— Полученные нами результаты говорят в пользу нашей гипотезы о преимуществах синхротронного излучения для цифрового анализа керна. Мы пришли к выводу, что данное направление исследований перспективно и требует дальнейшего развития. Полноценная реализация методик будет возможна после пуска ЦКП «СКИФ», потому что ныне существующие источники синхротронного излучения в России относятся к первому или второму поколению установок и уникальным свойством когерентности обладают лишь частично. Но даже при этом неполном эффекте результаты отчетливо заметны. На следующем этапе исследования нам предстоит понаблюдать, как данный эффект проявит себя при распознавании воды и нефти в песке. Соответствующие эксперименты мы планируем провести в следующем году», —сказал Михаил Фокин.
