Библиотека Земли: как устроено одно из самых современных хранилищ горных пород

«Аккуратнее, смотрите под ноги и старайтесь не наступать на разметку на полу — она для роботов», — такими словами журналистов встречал Николай Барковский, представитель нового исследовательского центра «Геосфера» в Тюмени. В дни проведения форума TNF-2024 он принял первых посетителей, и корреспондент «Энергии+» оказался в их числе.

Вещи возят роботы — счастлив человек!

Современные ученые способны «разговорить» даже камень: выяснить о нем все — от состава до насыщенности углеводородами. Изучая строение недр земли, то есть горные породы, им проводят томографию, создают их кремниевых близнецов и цифровые двойники. «Геосфера» — это первый в России роботизированный исследовательский центр по изучению флюидов и керна, где подбирают технологии для разработки новых залежей и увеличения добычи нефти на действующих месторождениях. На 12 тысячах квадратных метрах комплекса размещены 16 лабораторий, одно из крупнейших в отрасли кернохранилищ и современный образовательный кластер.

Роботы в «Геосфере» занимаются всеми рутинными процедурами, чтобы ученые могли сосредоточиться на исследованиях. Если кому-то понадобился лабораторный образец, деталь или расходник — да хоть новые колбы для опытов, он не идет на склад, а оставляет заявку в компьютерной системе.

Автономный робот-лаборант, похожий на плоскую металлическую черепашку, забирает требуемый заказ со склада и, двигаясь по разметке, привозит его заказчику — на любой этаж и в любую лабораторию. Я бы от такого помощника не отказался — и в работе, и особенно в быту!

Компьютерная томография и полимерные чернила

Сначала керны поступают в лабораторию первичных исследований — сюда они прибывают прямо с месторождений. Здесь проводят экспресс-оценку насыщенности углеводородами, минерального состава, пористости и проницаемости породы, скребут ее металлическим «ноготком» на специальном устройстве — скретчере, чтобы понять, насколько она плотная и прочная. Требуется всего пара дней, чтобы выяснить, есть ли нефть на исследуемом участке, какая она, где и в каких именно породах содержится. Это позволяет в кратчайшие сроки принять решение по дальнейшим работам и испытаниям на месторождении и определить, какие технологии добычи исследовать в лаборатории.

Здесь же, в лаборатории, керны сканируют на рентгеновском компьютерном томографе. Работает он так же, как и обычный медицинский аппарат для человека, разве что размер меньше, мощность больше, а в качестве «пациентов» выступают керны. В результате специалисты получают 3D-модели образцов горных пород.

После лаборатории первичных исследований керны отправляются в распиловочную, а оттуда в виде образцов различной формы — на маркировку. Николай Барковский рассказывает, что раньше образцы вручную маркировали сотрудницы геологических лабораторий с самым красивым почерком — тушью и пером. В «Геосфере» этим занимается специальный робот: при помощи машинного зрения он ищет подходящий участок на образце, наносит на него уникальный QR-код и номер.

Разработка чернил для робомаркировки заняла целый год. В их состав включили полимеры: благодаря этому надпись не стирается и не тускнеет даже при контакте с агрессивными средами во время экспериментов.

Цифровое бессмертие

После маркировки пути образцов расходятся. Одни попадают в футуристический склад, где хранятся при температуре от 15–22 градусов и влажности не более 80%. При необходимости самодвижущиеся шаттлы забирают их оттуда и доставляют в лаборатории.

Другие образцы отправляются на углубленные исследования — например, в отдел литологии и минералогии. Прежде чем приступить к детальному изучению образцов керна, специалисты проводят полное литологическое описание всей колонки кернового материала. Особое внимание уделяют цвету породы, структуре и текстуре, составу основных слагающих компонентов и минеральных включений. Хороший литолог способен по малейшему изменению оттенка определить, есть ли в породе углеводороды, насколько их много и насколько сложно их будет извлекать.

— Кроме визуального осмотра можно определить насыщенность породы углеводородами еще и по запаху, — рассказывает руководитель отдела Оксана Сухова. — У нефтенасыщенных характерный запах — почти как у бензина или керосина.

В лаборатории геомеханики образцы керна испытывают на сжатие и разрыв, устойчивость к высоким температуре и давлению. Подземные условия моделируют на специальной установке.

Полученными данными обогащают 3D-модель: обрастая все новыми деталями, она становится цифровым двойником керна.

— Сначала мы проводим эксперименты на цифровом двойнике, — поясняет Николай Барковский. — Это позволяет сохранить керны для более сложных испытаний, которые нельзя провести виртуально. Плюс это намного быстрее и проще. Некоторые эксперименты с настоящим образцом могут занимать недели и месяцы, а с цифровым двойником мы справляемся за несколько дней.

Настольная микролаборатория

Заглянем в лабораторию микрофлюидики. Ее название соответствует размерам: это помещение меньше школьного класса. Однако первое впечатление обманчиво: по словам Николая Барковского, лет через пять микрофлюидные технологии могут так масштабироваться, что заменят остальные методики исследования горных пород.

— Здесь мы на компьютерном томографе сканируем керны в высоком разрешении и воссоздаем рисунок их пор на кремниевых чипах размером 1х2 сантиметра, — объясняет руководитель компании-разработчика технологии микрофлюидики Алексей Черемисин. — Далее чипы устанавливают в лабораторный комплекс — вот он, на столе умещается, — заполняют нефтью или смесью нефти и газа при заданных давлении и температуре. Затем мы с ними экспериментируем: пробуем разные жидкости и составы, чтобы понять, как добывать нефть быстрее и эффективнее.

Издалека настольный комплекс напоминает раскрытый чемодан, а вблизи — миниатюрную насосную станцию с трубопроводиками толщиной с проволоку. Рабочие объемы нефти и нефтевытесняющих жидкостей измеряются микролитрами — это в тысячи раз меньше, чем объем наперстка. Миниатюризация еще сильнее ускоряет и удешевляет процесс исследований.

Микрочипов, идентичных образцу горной породы, можно изготовить сколько угодно. С их помощью уточняют данные, полученные в экспериментах с цифровыми двойниками. Отсеяв десятки и сотни вариаций, специалисты выбирают лучшие технологии и составы — и только их проверяют на реальных образцах керна.

Микрофлюидика — будущее исследований керна. Микрочипы отражают основные свойства горных пород, на них быстро и с минимальными затратами можно проводить сотни экспериментов, чтобы найти ключи к нужным недрам. При этом керны в ходе исследований разрушаются или меняют свои свойства, а микрочипы — нет.

В «Геосфере» может храниться 200 погонных километров керна. Сейчас центр работает в опытно-промышленном режиме: специалисты проверяют оборудование и заполняют кернохранилище. В полную силу «Геосфера» заработает к концу 2024 года.