Через санкции к сланцам. Программисты МФТИ занялись импортозамещением.

— В современной геомеханике до сих пор полностью не сформулирована целостная теория, описывающая процессы разрушения материалов, поэтому рассчитать, как поведет себя порода при гидроразрыве, крайне затруднительно, — вводит в курс дела Иван Николаевич. — Не просчитанное распространение трещин и, как следствие, непредсказуемое разрушение пласта при гидроразрыве может привести, например, к обводнению скважин или затрагиванию газового слоя, в результате чего затраты на разработку значительно перекрывают доход. Основной инструмент, позволяющий предсказать поведение разрывов пласта, заранее предотвратив возможные риски, — компьютерное моделирование процесса.

На основе математических вычислений наш комплекс программ позволяет с высокой точностью спрогнозировать взаимное влияние трещин друг на друга, проектируя траекторию их распространения и определяя новые физические свойства, приобретаемые породой. А на основе данных, получаемых на программном симуляторе МФТИ, инженеры нефтяных компаний смогут моделировать дизайн множественного гидроразрыва пласта на любом месторождении. Такая технология позволит российскому нефтяному бизнесу обеспечить максимальную рентабельность разработки трудноизвлекаемых запасов, минимизировать экологические риски и, возможно, выйти в лидеры по добыче сланцевой нефти.

— Проект выполняли физики, математики и программисты лаборатории моделирования механических систем и процессов кафедры прикладной механики — всего около 15 человек, — вступает в разговор Наталья Завьялова. — Современные задачи научного моделирования механических процессов в большинстве случаев настолько сложны, что для их решения одного человека мало, нужен целый коллектив, где бы каждый занимал свое место.

— До сих пор проработкой в основном на фундаментальном, теоретическом уровне в России занимались отдельные специалисты и небольшие группы. Наше участие в работе и создание собственной команды началось весной 2015 года. Толчок проекту дал промышленный запрос — нефтяники начали осваивать технологию многостадийного гидроразрыва для добычи сланцевых углеводородов, а это породило потребность в моделировании. Руководство МФТИ также определило научное направление по разработке трудноизвлекаемых запасов полезных ископаемых как одно из приоритетных. 

— Главная задача, которую решает новое ПО, — это расчет множественного и многостадийного гидроразрыва пласта с учетом одновременного роста сразу нескольких трещин при их взаимном влиянии. Современные симуляторы, не только российские, но и зарубежные, не могут провести такой расчет. Наш — может. В этом и заключается новизна пакета. 

Изначально нашей основной задачей стало полноценное моделирование трехмерных трещин. Было известно, что пласт, который мы моделируем, очень неоднороден, и стандартные симуляторы для него не годились. Так как предполагалось проведение многостадийного гидроразрыва, нужно было просчитывать, как трещины повлияют друг на друга. Эти геомеханические задачи и явились принципиально новыми. 

Мы также выполнили расчеты реконструкции полей напряжений в пласте по начальным данным, для создания расчетной области, для моделирования течения жидкости ГРП с пропантом в скважине и в растущих трещинах. Далее были произведены расчеты влияния трещин ГРП на окружающую среду, оценки стимулированного объема в разрабатываемом бассейне, построение области для расчета фильтрации и определение притока нефти к скважине. 

— В 1950-е осуществлялись лишь попытки разработки сланцевой нефти, и тогда от таких проектов отказались, — говорит Наталья Завьялова. — Сам по себе пласт баженовской свиты занимает пространство от Казахстана до шельфа Северного Ледовитого океана. Потенциально пригодные для разработки месторождения могут располагаться на всей этой территории. Известно, что за последние 40 лет (а первый нефтяной фонтан был получен из “бажена” в 1969 году) в ней открыто 92 месторождения легкой нефти, которая является наиболее ценным углеводородным сырьем. При таких несметных ресурсах нефти добыча из баженовской свиты чуть превышает 5 миллионов тонн, это — меньше 1 процента текущей ежегодной добычи по России.

— Пропант — это твердые частицы, которые закачиваются вместе с жидкостью ГРП, чтобы образовавшаяся трещина не закрывалась обратно, — поясняет Иван Завьялов. — Часто в качестве пропанта используют крупнозернистый песок. Искусственный пропант — это прочные керамические шарики определенного размера. Вреда от него нет вообще никакого. Угрозу для природы может представлять жидкость ГРП, хотя в качестве нее часто используют обычную воду. Но главная опасность — это неправильно организованное производство: если выливать нефть и буровой раствор себе под ноги и бурить скважины сотнями, то экологии будет нанесен ущерб независимо от применяемых технологий. 

— Исследования и работы по созданию отечественного симулятора ГРП ведутся и финансируются не только МФТИ и компанией “Газпромнефть”. У Физтеха есть соглашения о сотрудничестве и с другими компаниями, да и собственные средства также вкладываются в разработку. Один из существенных источников — средства, выделяемые институту по ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы”. 

— Подтверждение первенства, вернее, важности и приоритетности нашей разработки еще надо доказать на практике, внедрить в технологический процесс дизайна разработок месторождений, — замечает Наталья Александровна. — Преимущество нашей разработки — в возможности рассчитывать трехмерные трещины и процесс множественного гидроразрыва пласта. В инженерных симуляторах, которые сейчас вынуждены использовать российские нефтяники, применяются по сути одномерные модели. Они очень простые. Фиксируется форма трещины, и дальше она просто увеличивается в соответствии с ростом одного параметра. Более продвинутые — двухмерные и псевдотрехмерные — нашему рынку сейчас практически недоступны.

Сложно сказать, как долго мы останемся на первых позициях. Чтобы не упустить лидерства, нужно постоянно развиваться. А нам есть куда расти: остаются еще нерешенные задачи, касающиеся пересечения трещин, расчета лага (области внутри трещины, куда еще не дотекла жидкость), ветвления трещин. Их нужно будет в ближайшие год-два решить и интегрировать в симулятор.

— Сланцевую нефть начали разрабатывать относительно недавно, так как себестоимость добычи нефти из сланцев выше, нежели обычным способом, и сам процесс требует вовлечения наукоемких технологий. Поэтому раньше такой добычей не интересовались.

— Наталья сформировала рабочую команду, руководила проектом и в качестве одного из исполнителей занималась математической частью “гидродинамических” задач, — говорит И.Завьялов. — Я отвечал за физические постановки задач и помогал в руководстве.

— Мне интересно математическое моделирование в принципе, — отвечает Наталья Александровна. — Когда физики записали основные уравнения и завершили свою работу, к делу приступают математики. Последним неважно, как были получены эти уравнения, а важны лишь их свойства. Таким образом, математика находит очень широкий круг применения для решения практически важных задач.

— Лично я занимался научными задачами более чем в десяти научных направлениях с разной степенью погружения, но все они связаны с механикой жидкости газа и плазмы, — говорит Иван Николаевич.

— Было, и немало, — смеются супруги-коллеги. — Они и до сих пор встречаются. Атмосфера в лаборатории располагает. Мы ко всему относимся с юмором! Работа ученых сама по себе весьма забавна.

“Сланцевые” технологии добычи вызывают огромные протесты экологов по всему миру, и эти претензии отнюдь не безо­сновательны. Многие жители в окрестностях американских промыслов жалуются на микроземлетрясения, которые они ощущают во время гидроразрыва. Ученые-сейсмологи установили связь между добычей сланцевой нефти и усилением в этих регионах подземных толчков: с 2008 года сейсмическая активность в центральной части США растет пропорционально уровню добычи сланцевого газа и нефти. Есть надежда, что разработка специалистов МФТИ поможет в будущем избежать подобных проблем.