Углеводородная математика
Танкер «Михаил Ульянов» прибыл на «Приразломную» для загрузки нефти с платформы.
Фото: www.gazprom.ru
«…Прочь сомнения, что - есть месторождения, что - больше “более” у нас и меньше “менее”…» - воспевал в 1970-х тюменскую нефть Владимир Высоцкий. И сегодня из-за обилия полезных ископаемых Россию иные соседи готовы сравнить с бензоколонкой, хотя, если обратиться к цифрам, то РФ находится лишь во второй пятёрке «нефтяных» стран по объёму запасов. Зато на первом - по природному газу. Подходит ли к концу эпоха «чёрного золота» и прочих углеводородов, вопрос открытый: статистические данные говорят о том, что доказанных мировых запасов углеводородов при нынешних объёмах добычи и расхода всему человечеству хватит лет на 50. Поэтому развитые страны пытаются постепенно переориентироваться на возобновляемую энергетику, совершенствуют ядерную и работают над созданием синтетических полезных ископаемых - в том числе и Россия. Однако новые месторождения и новые способы добычи могут продлить углеводородную эру в энергетике на неопределённое количество лет.
Дело остаётся за геологической разведкой, и под прицелом - Арктика, как один из самых малоизученных и потенциально богатых углеводородами регионов. Поэтому отечественные научные коллективы разрабатывают и рационализируют методы разведки углеводородов в тяжёлых северных условиях - для добычи на суше и на ледяном шельфе. Один из таких - молодёжный коллектив МФТИ под руководством профессоров Александра Жданова и Игоря Петрова - с сентября нынешнего года занимается «разработкой высокоточных вычислительных методов и комплексной программно-алгоритмической системы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых сейсмическими и электромагнитными методами в шельфовой зоне Арктики» - по проекту, поддержанному ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 - 2020 годы».
Как известно, огромная часть Арктики принадлежит России; уже сегодня известно около десятка крупных нефтяных и газовых месторождений, многие из которых федерального значения: в Баренцевом, Карском, Печорском морях (в том числе действующая нефтедобывающая платформа «Приразломная»).
Платформа "Приразломная".
Пока единственный в России проект по освоению углеводородных ресурсов шельфа Арктики.
Фото: www.gazprom.ru
«На арктическом шельфе страны сейчас привлекательны восемь газовых месторождений, которые открыты с 1983 по 1992 год - всего за девять лет»,
- рассказывает Игорь Петров, заведующий кафедрой информатики МФТИ и официальный руководитель работ по проекту. По его словам, запасы газа в Арктике пока оцениваются в около 3 триллионов кубометров: «Этого хватит нашим потомкам - лишь бы у нас хватило сил и финансов добыть их».
Однако Арктика, как углеводородная территория, серьёзно отличается от Поволжского, Каспийского региона и даже от Западной Сибири тяжелейшими природными условиями. Любые работы в Арктике сопряжены с большими проблемами, а если речь идёт о шельфовой добыче, то в первую очередь - со льдинообразованием. Большие и малые льдины, айсберги и торосы являются серьёзным препятствием для судов, хотя многие моря Северного Ледовитого океана круглый год судоходные.
Льды способны навредить бетонным вышкам, транспортным системам и даже газо- и нефтенесущим трубам, расположенным по дну северных морей. Большая часть Печорского и Карского морей покрыта дрейфующими льдами, скорость их движения может достигать более полуметра в секунду, а в штормовое время и значительно выше. На суше в Арктике ситуация легче, но из-за вечной мерзлоты условия для работы также экстремальны. Поэтому задачи исследований в Арктике так или иначе связаны с её спецификой. И разведка - не исключение.
«Первая задача - это геологическая разведка: сейсмическая и электроразведка углеводородов, - поясняет Петров. - Сейчас обычно проводится либо та, либо другая, но в нашем проекте мы хотим их объединить. Кроме того, сегодня оба вида разведки, в основном, проводятся только экспериментальными методами, с помощью сейсмических и электрических датчиков - однако без математического моделирования акустических и электромагнитных полей коры Земли, без моделирования того, что может происходить в ней при сейсмических и электромагнитных воздействиях с учётом гравитационного и магнитного полей. Возможности таких экспериментальных исследований очень ограниченные, в то время как во всех современных мировых компаниях вроде Schlumberger, ExxonMobil, ВР, разведка проводится с полным численным моделированием».
В проекте, поддержанном в рамках ФЦП «Исследования и разработки 2014-2020», команда Физтеха (в основном, аспиранты, молодые кандидаты наук и студенты старше 4-го курса) создаёт механико-математические модели среды, которые основываются на уравнениях механики сплошной среды Лагранжа и Эйлера.
Для электромагнитной разведки коллектив занимается разработкой и адаптацией моделей электромагнитных сред в коре Земли на основании уравнения Максвелла.
«Это очень сложная система дифференциальных уравнений в частных производных, - говорит Петров. - Также мы решаем 3D-задачи - пространственные задачи, которые требуют адекватных численных методов решения». Когда все эти алгоритмы и численные методы будут отработаны, учёные должны будут произвести расчёты на многопроцессорных компьютерах - суперЭВМ. Расчёты могут оказаться многочасовыми и даже многосуточными - в зависимости от конкретного месторождения. А сопоставление сейсмического и электрозондирования коры Земли позволит учёным ускорить получение результата и сделать его более точным.
Коллектив кафедры информатики МФТИ, который занимается нефтегазовыми проблемами исторически, сотрудничает в своём проекте и с геологами, «продвинутыми» в области физики и математики, и с авторитетными компаниями и научными организациями - Роснефть, Лукойл, Федеральный ядерный центр... В области механико-математического численного моделирования российская школа по-прежнему остаётся на «гребне мировой волны», полагает учёный: «Эта школа сохранилась в перестроечные времена, видимо, потому, что требовала только ручки, карандаша и компьютера». Кроме Физтеха, в эту «школу», по его мнению, входят и специалисты Российской академии наук, Новосибирского государственного университета, Московского государственного университета, Дальневосточного федерального университета.
«Порой слышишь очень дилетантские фразы, что Россия - страна-бензоколонка, газоколонка,
- сетует Петров. - Это полное невежество: нефтегазовый комплекс - это чрезвычайно наукоёмкое производство, сравнимое с космической или авиационной отраслью. Разведка, быть может, самый наукоёмкий компонент, но и дальнейшая добыча, эксплуатация и транспортировка полезных ископаемых осуществляются через решение массы научных задач. Возьмите для примера хотя бы трубопровод, который должен выдерживать и трещины, и удары, и землетрясения, и террористические акты».
Расчёты, которые обслуживают нефтегазовый комплекс, сами газовики и нефтяники называют сервисными работами, отмечает учёный. Все они, как правило, прежде были отданы западным компаниям, но постепенно, и в связи с кризисом тоже, эти компании, такие как ExxonMobil, к примеру, покидают российский рынок, и на смену им придёт отечественный сервис.
Разработка, которую осуществляют на кафедре информатики и в лаборатории вычислительной геофизики Физтеха, пойдёт, вероятно, в сейсмо- и электроразведку нефтегазовых месторождений не только в Арктике, но и в Восточной и Западной Сибири.
«Девять месторождений в Арктике, включая “Приразломную”, - это далеко не всё, а имеющиеся месторождения тоже нужно переоценивать с точки зрения объёмов, - считает Петров. - Есть и очень сложные месторождения в Западной Сибири: чего стоит одна Баженовская Свита с её большими богатствами нефти, но трудно добываемыми и трудно разведываемыми. Мы занимаемся проблемами этого месторождения, молодые кандидаты наук под моим руководством рассчитывает её структуру. Так что это тоже огромное поле деятельности».
Ясиновская Елизавета
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=92485#.VJXxk8AWnw