Из недр — в виртуальное будущее: как и для чего ученые исследуют образцы горных пород

Разговорить камень, добыть нефть из горной породы плотнее бетона и заглянуть в геологическое прошлое Земли — такая магия творится в исследовательском центре «Геосфера» в Тюмени. Здесь изучают керн — образцы горных пород, поднятых из разведочных скважин на нефтегазовых месторождениях. Сегодня это единственный источник наглядных данных о том, что происходит в недрах на глубине многих километров. «Энергия+» узнала, какую дорогу проходит керн в «Геосфере» и о чем он рассказывает ученым на каждом этапе своего путешествия.

С месторождения керн едет «первым классом» — на машинах с усиленными рессорами, чтобы не было тряски, и в контейнере, который заполнен упругой пеной или оснащен специальными вставками, гасящими вибрацию. Самые хрупкие образцы — многолетнемерзлых пород — предварительно замораживают жидким азотом.

По прибытии в «Геосферу» керн очищают от остатков бурового раствора. Это делается вручную мягкими тряпочками, чтобы не повредить структуру образца.

Человека встречают по одежке, а керн — по профилю. Его определяют в лаборатории первичных исследований. Здесь специалисты осматривают образец, проверяют его на установках и выясняют основные параметры: нефтенасыщенность, проницаемость, твердость. Исследования помогают составить досье — понять, что за порода в керне и как с ней работать на месторождении.

Тут же керну проводят компьютерную томографию. «Пациента» просвечивают рентгеновскими лучами, как в медицине, только загружают его в томограф не горизонтально, а вертикально. Полученную информацию оцифровывают и выводят на компьютер — так у керна появляется виртуальная модель. По мере путешествия образца из лаборатории в лабораторию ее будут пополнять новыми данными, и в конце концов она превратится в цифровой двойник — виртуальную обновляемую копию керна, с помощью которой можно будет моделировать процессы в породе.

После первичных исследований из «путешественника» выпиливают лабораторные образцы — маленькие цилиндрики или кубики. Каждый маркируют, причем с помощью единственной в мире установки для автоматической маркировки. Она использует машинное зрение и специальные чернила, на разработку которых ушел целый год: они не блекнут и не стираются во время экспериментов и не забивают поры, пронизывающие образцы.

Затем керн оказывается на развилке. Его могут отправить в хранилище — огромный склад, где помещается 200 погонных километров образцов. Там поддерживают такие температуру и влажность, чтобы образцы не деформировались и не разрушались. Вместо людей в хранилище работают роботы: автоматизированные шаттлы сами распределяют контейнеры по ячейкам и при необходимости выдают их ученым для исследований.

Вторая дорога ведет керн в другие лаборатории. Чтобы определить его дополнительные свойства и понять, добывающие скважины какой конструкции строить, керн отправляют в лабораторию геомеханики. Здесь породу испытывают на сжатие, разрыв, устойчивость к высоким температурам. Гордость лаборатории — установка, способная смоделировать керну «домашние» условия, как если бы он все еще находился под землей.

Раньше нефть добывали только фонтанным способом: она била из скважины из-за высокого давления в недрах. Сейчас углеводороды «выдавливают» по капле из пор горных пород при помощи воды и химических веществ. Их подбирают в отдельной лаборатории. Здесь образцы керна насыщают флюидом и помещают в аппараты, имитирующие вытеснение нефти. Эксперимент может длиться от нескольких недель до полугода — его продолжительность зависит от множества факторов.

Для пропитки образца нефть, которую добыли вместе с керном, не годится — при подъеме из скважины у нее сильно меняются свойства. Поэтому в «Геосфере» создали лабораторию, где эту нефть раскладывают на составляющие и затем «собирают» заново — с теми характеристиками, которыми она обладает на многокилометровой глубине. Работа сродни алхимии: одна только пластовая вода, входящая в состав нефти, включает свыше 30 компонентов!

Чтобы ускорить эксперименты и при этом не истратить на них весь керн, в «Геосфере» используют передовую технологию микрофлюидики. 3D-модель образца разворачивают в плоскость — получается 2D-структура, которую печатают на микрочипе. Дальше все как на классических аппаратах: чип заполняют флюидом, который вытесняют водой или реагентами. Только их нужно по паре миллилитров, а эксперимент занимает не недели или месяцы, а дни или часы. Специалисты «Геосферы» говорят, что скоро составы для вытеснения нефти будут подбирать в основном по этой технологии, а на настоящем образце станут проверять лишь самые эффективные из химических реагентов.

В будущем, по словам ученых «Геосферы», основным инструментом для исследований будет цифровой керн. Так наш «путешественник» станет почти вечным: его можно будет исследовать бесконечно, проводя сотни тысяч виртуальных экспериментов. Тем временем физический керн будет отдыхать в хранилище, словно одна из книг уникальной библиотеки о Земле.