Фото: https://vkvideo.ru/video-210951176_456245035
В ТАСС (Новосибирск) прошла пресс-конференция о разработках импортозамещающих технологий Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН (ИНГГ СО РАН) для нефтяной отрасли. О внедрении в РФ отечественных импортозамещающих локальных геомагнитных моделей для нефтегазовых месторождений, которые позволят обеспечить высокую точность бурения нефтяных скважин, рассказали заведующий лабораторией естественных геофизических полей ИНГГ СО РАН Петр Дядьков и инженер лаборатории аспирант Егор Коняев.
– Представляем разработку Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, созданную в лаборатории естественных геофизических полей, – отечественную геомагнитную модель высокого разрешения DIF-1, — рассказал Пётр Дядьков. — Она предназначена для точного позиционирования скважин на нефтегазовых месторождениях в процессе бурения. Современное бурение – сложный технологический процесс. Сегодня скважины всё чаще проходят не вертикально, а по почти горизонтальной траектории – вдоль продуктивных пластов, содержащих нефть или газ. Такое горизонтальное проводка требует исключительной точности планирования и позиционирования. Скважина не должна пересекаться с другими, особенно на месторождениях с плотной сеткой, где велика вероятность столкновений и аварий. Последствия ошибок крайне дороги. Перебуривание скважины обходится в один-два миллиона рублей в благоприятных условиях, а нередко и дороже. Кроме того, скважина должна строго следовать в пределах продуктивного пласта, мощность которого иногда составляет всего первые метры. Выход за его пределы ведёт к значительным экономическим потерям. Именно для решения этих задач необходима точная геомагнитная модель месторождения. Ориентация скважин осуществляется с помощью трёхкомпонентного магнитометра, размещённого в специальной секции буровой колонны на расстоянии 10–20 метров за долотом. Однако для корректной интерпретации его показаний необходимо знать точное значение естественного магнитного поля в каждой точке траектории бурения. Именно определение этого поля – во всех точках месторождения, на всех глубинах – и является задачей наших моделей.
Актуальность разработки таких моделей резко возросла с введением западных санкций. В 2022–2023 годах прекратились поставки западных аналогов, таких как модель компании British Geological Survey. К нам обратились инженеры сервисных компаний, мы оценили свои возможности и приступили к созданию отечественного решения. Цель нашей работы – предсказать естественное геомагнитное поле вдоль всей подземной траектории каждой скважины. В результате было создано программное обеспечение, объединяющее цифровую геомагнитную модель месторождения и управляющую программу. Нефтяники задают координаты (X, Y, Z) и дату, а программа возвращает три компонента магнитного поля для этой точки и времени. Это позволяет выполнять плановую и точную привязку к проектной траектории. Что необходимо учесть при построении такой модели?
Во-первых, главное магнитное поле Земли, генерируемое в её жидком внешнем ядре. На его долю приходится не менее 95% измеряемого поля. Однако это поле непостоянно: оно медленно изменяется во времени – так называемые вековые вариации. Их учёт обязателен. Например, в Иркутске за последние 100 лет магнитное склонение изменилось примерно на 5°, в то время как наша модель требует точности 0,1–1°. С этим же связан дрейф магнитных полюсов: Северный магнитный полюс, ранее находившийся в канадском архипелаге, теперь смещается в сторону российского сектора Арктики со скоростью около 50 км/год.
Во-вторых, необходимо учитывать локальные и региональные магнитные аномалии, обусловленные намагниченностью пород земной коры (до глубин 25–30 км, где проходит граница Кюри). Без их детального учёта ошибки в определении склонения могут достигать 1–2°, что недопустимо. Для построения точных карт требуются детальные аэромагнитные или морские съёмки, сегодня часто выполняемые с помощью БПЛА, как это делалось, например, на Ямале.
В-третьих, существуют быстрые изменения поля, вызванные внешними источниками: процессами в магнитосфере и ионосфере. Наиболее сильные из них – магнитные бури, связанные с солнечной активностью. В средних широтах эти вариации значительны, а в северных регионах, где сосредоточены основные месторождения России, их амплитуда возрастает в разы. Учёт таких возмущений в реальном времени – задача для моделей следующего поколения (IFR-2, планируемая DIF-2), поскольку существующие магнитные обсерватории в этих районах отсутствуют. Например, во время недавней мощной магнитной бури индекс возмущённости достигал семи при максимальном значении девять. Основные этапы разработки модели DIF-1 таковы:
Сбор и анализ всех доступных геолого-геофизических данных по месторождению: геологических материалов, данных о тепловом потоке, карт аномального магнитного поля с их последующей оцифровкой. При недостатке данных проводится дополнительная магнитная съёмка, как правило, с БПЛА.
Моделирование – построение трёхмерной геомагнитной модели земной коры района месторождения на основе решения обратных задач магниторазведки. Это сложная математическая работа, использующая набор алгоритмов и привлечение дополнительных данных для достижения максимально точного и единственного решения.
Далее осуществляется построение обобщённой модели, объединяющей как магнитотеллурическую модель земной коры, созданную на первом этапе, так и модель главного магнитного поля планеты вместе с вековой вариацией. Следующим шагом становится разработка специализированного программного обеспечения, позволяющего с высокой точностью вычислять все три компонента магнитного поля для заданных дат в произвольной точке месторождения.
За этим следует этап оценки качества построенной модели и уточнения её параметров. Это происходит на основе высокоточных абсолютных измерений трёх компонент поля в сети опорных пунктов на территории месторождения – работа, требующая полноценных экспедиционных выездов нашей команды специалистов. В последующие годы осуществляется сопровождение модели: на тех же пунктах повторяются измерения, что позволяет уточнить параметры вековой вариации, о которой шла речь.
Таковы ключевые этапы работы. Будучи аналогом IFR-1, но обладая возможностью проведения прямых экспедиционных измерений на месторождении, наша модель DIF-1 потенциально может превзойти по точности даже модель IFR-1. Что же касается iFR-2 – модели, учитывающей еще больше вариаций, – то это уровень, к которому мы стремимся в дальнейшем.
– Планируете ли вы продолжать эту работу, чтобы достигнуть тех результатов, которые показывает Айфар-2?
– Пётр Дядьков: Мы запланировали эти работы, и они уже начались – первоначально в области развития аппаратуры для данного направления. Здесь необходимы те магнитовариационные станции, которые позволяют непрерывно регистрировать три компоненты поля. Также будут разработаны специальные блоки для передачи данных через Интернет или по выделенным каналам связи непосредственно для управления процессом бурения. То есть модель, которую мы создали – DIF-1, – будет учитывать в реальном времени все происходящие вариации магнитного поля.
– Сколько времени могут занять лабораторные работы? Как скоро вы можете с этой моделью выйти в скважину?
– Пётр Дядьков: Мы ожидаем, что примерно в течение года – возможно, даже раньше – сможем предложить готовый вариант модели. Инженер нашей лаборатории Сергей Коняев, аспирант Новосибирского государственного университета, подробнее расскажет о той научной и технической основе, которая позволила нам решать задачи по созданию этой модели. Для её разработки необходимо было интегрировать множество разнородных источников и организовать геомагнитные наблюдения исключительной, высочайшей точности.
– Егор Коняев: Прежде всего, хотелось бы отметить многолетний опыт высокоточных прецизионных наблюдений, накопленный на Байкальском и Алтайском геодинамических полигонах. На протяжении нескольких десятилетий здесь на сети пунктов выполняются измерения как модуля вектора магнитного поля, так и абсолютные наблюдения всех трёх его компонентов. После специальной обработки эти данные позволяют выявлять корреляции и устанавливать связи с геодинамическими процессами в регионах. Параллельно имеется значительный опыт работ на археологических памятниках. В качестве примера можно привести исследования на объектах в Новосибирской области. На слайде демонстрируются карты аномального магнитного поля, чётко выявляющие скрытые особенности строения курганов и городищ – те детали, которые визуально при осмотре местности совершенно незаметны. Для получения подобных результатов необходимо проведение высокоточной магнитной съёмки.
Речь идёт о точности на уровне возможностей самих приборов, поскольку фиксировать приходится малоамплитудные аномалии. Подобные съёмки, включая аэромагнитную разведку с применением самолётных беспилотных летательных аппаратов, также производятся при разработке геомагнитных моделей для месторождений. Это касается и задач по определению вековых вариаций геомагнитного поля. Так, на Алтайском полигоне уже около двух десятилетий ведутся высокоточный учёт этих вариаций и поиск их связей с геодинамическими процессами. Основа наших наблюдений – это не только модульные магнитометры, но и более редкое оборудование. В нашем распоряжении находятся трёхкомпонентные магнитовариационные станции, фиксирующие не только силу поля, но и направление вектора магнитной индукции. А также уникальные приборы – немагнитные теодолиты, позволяющие с точностью до угловых секунд определять склонение и наклонение магнитного поля. Именно эти инструменты являются основными при полевых работах, построении геомагнитных моделей для месторождений и последующем мониторинге вековых вариаций для уточнения этих моделей. Станции, подобные изображённой на левом рисунке, в перспективе должны быть использованы для реализации моделей уровня IFR-2. Обеспечение передачи вариаций в реальном времени и их оперативный учёт позволят поднять уровень модели до IFR-2 за счёт учёта суточных вариаций. В настоящее время уже ведутся работы по созданию автономных магнитовариационных станций для решения именно этих задач.
Кроме того, в нашем институте действует магнитная обсерватория «Новосибирск», входящая в международную сеть INTERMAGNET. Это одна из немногих российских обсерваторий (всего их около десяти), соответствующих жёстким мировым стандартам сети, которые требуют высочайшей точности измерений и квалификации персонала. На территории обсерватории расположены специальные немагнитные павильоны для проверки и тестирования аппаратуры, датчиков и магнитовариационных станций, а также оборудование для определения магнитных свойств горных пород. Отдельное направление – возрождение сети пунктов векового хода геомагнитного поля, заложенной в 2024-2025 годах. Подобная масштабная сеть существовала в советское время по всей стране, и ежегодные измерения на её пунктах позволяли отслеживать вековую вариацию. В настоящее время для Западной Сибири нам уже удалось реализовать часть этой сети, что позволит с большей точностью учитывать вековые изменения для месторождений региона. Что касается результатов, то наша модель DIF-1 по точности минимум в полтора раза превосходит международную модель IFR-1. Эти первые обнадёживающие результаты получены для месторождения, где наша модель успешно работает уже более трёх лет.
– Правильно ли я понимаю, что модель работает на месторождении в Ямало-Ненецком автономном округе? А есть ли какие-то планы по другим месторождениям?
– Пётр Дядьков: Да, на одном из месторождений нефтесервисная компания «Технологии ОФС» уже три с половиной года успешно применяет нашу модель. На сегодняшний день разработаны ещё три новые модели. Первая из них охватывает месторождение на самом севере полуострова Ямал. Две другие модели посвящены крупнейшим газовым месторождениям «Газпрома» – Ямбургскому и Заполярному. В настоящее время разработка этих моделей фактически завершена, и уже в этом году начнётся их внедрение в эксплуатацию. Таким образом, открываются значительные перспективы. Они связаны, в частности, с созданием модели IFR-2, которая будет учитывать и более тонкие вариации … Кроме того, мы планируем продолжить сотрудничество с действующими партнёрами по контрактам, а также рассмотреть новые заявки от других компаний на То, что мы делаем с «Технологиями ОФС» – нефтяное месторождение. Остальные – газоконденсатные на севере Ямала. Заполярная, и Ямбургское – одни из крупнейших газовых месторождений мира, Ямбурское занимает третье место по запасам газа. Отзывы положительные, мы сопровождаем эту модель, проводим ежегодные дополнительные работы, выезжаем в экспедицию на месторождение, уточняем модель, вводим поправки об изменяющихся вековых вариациях.
– Учитываются ли в IFR-2 изменения в магнитном поле Земли, которые происходят из-за вспышек на Солнце?
– Пётр Дядьков: Наиболее интенсивные изменения геомагнитного поля наблюдаются во время магнитных бурь. Данное явление имеет непосредственную связь с активностью Солнца, в частности, с солнечными вспышками. В результате этих вспышек возникает усиленный солнечный ветер, который деформирует конфигурацию магнитосферы Земли, вызывая её сжатие с дневной, солнечной стороны. Таким образом, основные и наиболее мощные вариации магнитного поля порождаются именно бурями. Однако существуют и иные типы магнитных вариаций, более спокойные, такие как солнечно-суточные колебания. Их природа связана с нагревом ионосферы и магнитосферы излучением Солнца в течение дня, что приводит к формированию планетарных токовых систем. В ночные часы, когда воздействие солнечного излучения ослабевает, эти процессы затихают. Помимо этого, существует множество возмущений с меньшей амплитудой и более коротким периодом, чем у магнитных бурь, – например, пульсации. Их также необходимо учитывать при анализе. Совокупный учёт всех этих факторов – от глобальных бурь до кратковременных пульсаций – и позволяет реализовать разрабатываемую нами модель Dif-2.
– Когда планируется завершить создание сети, которая нужна, чтобы заработала модель-аналог IFR-2 . ?
– Егор Коняев: Прежде всего, необходимо пояснить, о какой сети идёт речь. Речь идёт не о сети магнитных станций или обсерваторий, а о Сети пунктов векового хода. Её ключевое предназначение – выполнение ежегодных трёхкомпонентных измерений магнитного поля Земли для изучения его вековых, а не суточных, вариаций. Эти медленные, но устойчивые изменения особенно значительны в северных регионах, где могут достигать 0.1–0.2 градуса в год. Существующие глобальные модели магнитного поля зачастую не могут адекватно учесть такие локальные аномалии, поскольку сеть магнитных обсерваторий, в особенности на севере России, развита недостаточно плотно. Что касается аппаратной части, для реализации данной задачи уже ведётся разработка приборов нового поколения, включая систему IFR-2. Первые полевые испытания запланированы на летний период. В дальнейшем оборудование будет поставляться по контрактам и устанавливаться непосредственно на месторождениях. Каждое месторождение получит собственную магнитно-вариационную станцию (МВС), которая будет вести непрерывный мониторинг вариаций в реальном времени, адаптированный под специфику конкретной территории. Принципиально важно следующее отличие: предлагаемое решение – это не классическая магнитная обсерватория, требующая постоянного присутствия квалифицированного персонала. Мы создаём полностью автономную магнитно-вариационную станцию. Она рассчитана на длительную работу без технического обслуживания, за исключением периодической замены элементов питания. Таким образом, система обеспечивает высокоточный учёт магнитных вариаций при минимальных эксплуатационных затратах.
– Пётр Дядьков: Хотел бы добавить сведения, касающиеся сети магнитных обсерваторий, или станций непрерывных магнитовариационных наблюдений. Проблема их отсутствия стоит остро. Крупнейшие месторождения страны расположены в арктической зоне, на севере, где сеть таких обсерваторий практически отсутствует – функционируют лишь две или три станции. Эта проблема признана на государственном уровн. Под эгидой Минэнерго состоялось совещание по данному вопросу. В настоящее время определены меры на перспективу, и речь идет о строительстве нескольких новых магнитных обсерваторий. В частности, для северных широт рекомендуется построить порядка пяти таких объектов, преимущественно вблизи основных скоплений газовых и нефтяных месторождений. Реализация этих планов позволит существенно улучшить ситуацию и обеспечить необходимый уровень мониторинга.
– Эти обсерватории в Арктической зоне планируется делать вблизи месторождений?
– Дядьков: Безусловно, первостепенная задача, особенно в текущих условиях, – это организация наблюдений в указанном регионе. Данная необходимость напрямую связана с тем, что амплитуды магнитных вариаций в высоких широтах на порядок превышают значения, характерные для средних широт, таких как Москва или Новосибирск. Эти интенсивные возмущения способны существенно искажать данные, что вносит критические погрешности в разрабатываемые нами прогностические модели. Следовательно, корректный учёт данных вариаций является абсолютным приоритетом для обеспечения достоверности научных результатов.
– Вы участвуете в экспедициях с Новосибирскими археологами, какие объекты планируется изучать в ближайший полевой сезон?
– Пётр Дядьков: В этом году археологи вновь вспомнили о нас, а ведь наше сотрудничество длится уже более двадцати лет. Недавно звонила Наталья Полосьмак, член-корреспондент РАН, и пригласила присоединиться к весенним работам. Их экспедиция в Катанской долине Горного Алтая исследовала один курган – раскопки дали весьма любопытные результаты. Теперь же для полной уверенности, что вокруг нет других скрытых объектов, им требуется высокоточная магнитная съёмка. Это позволит археологам с чистой совестью сказать: «Памятник изучен полностью». Если же приборы что-то обнаружат – будут заложены новые раскопы.
– Есть ли планы по увеличению полигонов и количества станций на Алтае и Байкале?
– Пётр Дядьков: – Ежегодно мы продолжаем исследования на Байкальском геодинамическом полигоне – нашей главной экспериментальной площадке. Здесь действует обширная сеть пунктов ежегодных наблюдений, превышающая сто точек. Кроме того, функционируют три пункта непрерывного мониторинга, где установлены станции, которые впоследствии будут использованы для разработки модели DIF-2. Эти наблюдения также помогают нам совершенствовать и апробировать оборудование. В ближайшее время станции планируется оснастить модулями передачи данных, что значительно расширит их возможности. Все эти работы имеют высокую научную ценность; они направлены, среди других задач, на изучение процессов подготовки землетрясений. Проблема прогноза сейсмических событий остается одной из самых сложных и пока не решена в мировой практике. Однако исследование процессов подготовки землетрясений – фундаментальная и крайне важная задача, которая в конечном итоге, пусть не сразу и не быстро, позволит приблизиться к созданию работающей системы прогноза. Таким образом, мы продолжаем запланированные работы: в июне этого года состоится очередной ежегодный выезд на полигон. На территории стационара в Инхалуке, где расположен тектономагнитный комплекс, проводятся непрерывные наблюдения. На срок более месяца мы размещаемся в двух имеющихся зданиях, чтобы вести этот уникальный магнитный мониторинг. Мониторинг отличается исключительной продолжительностью – это необходимо для изучения геодинамических процессов, развивающихся в медленных, протяженных временных масштабах. Непрерывные наблюдения здесь ведутся с 1984 года, уже более четырех десятилетий, что создает бесценную многолетнюю базу данных.