Совместное исследование Т8 Сенсор с Национальным исследовательским Томским политехническим университетом

Летом 2024 года Георгий Ашкар, инженер по обработке и анализу данных, и Данила Бенгальский, инженер-исследователь, были в командировке в Хакасии. Сотрудники Т8 Сенсор проводили совместное исследование с Национальным исследовательским Томским политехническим университетом (ТПУ). Была поставлена задача собрать данные и сопоставить их, записанные с помощью средств классической сейсморазведки, и с применением оптоволоконных систем на базе технологии DAS (англ. Distributed Acoustic Sensor, распределенный акустический сенсор) с использованием программно-аппаратного комплекса (ПАК) «Дунай» производства компании «Т8 Сенсор».

— Дело в том, ТПУ имеет уникальные возможности и базу. Центр подготовки и переподготовки специалистов нефтегазового дела — это совместный проект шотландского университета Heriot-Watt и Томского политеха. Я знаю об этом, так как сам оканчивал магистратуру в ТПУ. Мы связались с отделением нефтегазового дела ТПУ, рассказали о проекте Т8 Сектор и передали материалы. Алексей Анатольевич Лукина, руководитель отделения к.г.-м.н., доцент, и Дмитрий Владимирович Коношонкин, старший преподаватель, инженер лаборатории геологии, тематикой заинтересовались. К проекту также подключилась Александра Александровна Волкова, старший преподаватель и эксперт в области сейсморазведки. В результате Томский политех предложил провести совместные испытания. ТПУ предоставил полигон и оборудование классической сейсморазведки, в проекте участвовали университетские специалисты, а также студенты в качестве помощников.

— Надо сказать, что база у Томского политеха организована очень хорошо, поэтому каких-то тягот во время командировки не было, максимум дискомфорта — отсутствие стиральной машины. В вагончиках, где мы жили, были стеклопакеты, отопление, вентиляция. Все было максимально приближено к цивилизации. И связь была, пусть в немного ограниченном формате, и питание на территории полигона было организовано. До места работы предоставлялся транспорт, и собственными силами мы ничего не таскали, в горы с грузом не забирались. Все было прекрасно, была и культурная составляющая. Например, в кинотеатре смотрели фильм «Нефть» режиссера Пола Томаса Андерсона. Эта картина достаточно правдоподобно для художественного кино отображает момент становления нефтедобывающей промышленности.

— Сейсморазведка — один из способов изучения строения недр. Для задач нефтегазодобывающей отрасли речь идет, в первую очередь, о поиске и разведке месторождений нефти и газа, определении различных параметров месторождения. Говоря простым языком, ее очень важно проводить, например, чтобы не промахнуться с выбором места для бурения скважины, так можно попасть в воду или просто в толщу различных пород.

Необходимо также наблюдать за движением флюида (перемещение в земной коре углеводородных и других газов, нефти, воды). К примеру, имеется нефтяное месторождение, которое уже некоторое время разрабатывается. В нем происходят перетоки нефти, воды. И через определенный период мы можем повторно выполнять работы по сейсморазведке, чтобы оценить, куда произошло смещение продукта, чтобы в дальнейшем планировать рабочие мероприятия.

— Классическая сейсморазведка берет начало в 20-30-е годы прошлого века, то есть эта технология уже значительно развита. Отмечу, что классические инструменты сейсморазведки распространены гораздо шире, чем оптоволоконные технологии. Сейчас это основной метод разведки месторождений по всему миру и во всех компаниях. Базовые принципы классической сейсморазведки не меняются, развитие идет в сторону усовершенствования, внедрения последних технологических новшеств. Например, в ходе работ приемники могут устанавливать на беспилотных летательных аппаратах.

Сами датчики своим устройством напоминают морковку, они втыкаются в землю, и при этом соединяются между собой кабелем. Получается такая полноценная «морковка» с хвостиком, которая подключается к кабелю, к так называемой косе, для передачи данных. И все это уже подключается к сейсмостанции. Техническое название этих «морковок» — геофоны — это приемники звуковых волн, распространяющихся в верхних слоях земной коры. Геофон втыкается в землю, у него на конце есть шпилька длиной несколько сантиметров для улучшения контакта со средой. В процессе вибрации датчика возникает разность потенциалов, и можно сказать, что геофон пишет собственные колебания, которые ему передаются от земли.

Самое большое ограничение для этих устройств — так называемые 4D-исследования, системно-разведочные изыскания, когда спустя какое-то время — год, пять, десять лет производятся работы на одном и том же месте. То есть необходимо приехать и все геофоны расставить ровно в тех же местах. Но, как ни крути, а с абсолютной точностью это сделать невозможно. И в этом плане большое преимущество имеет оптоволоконная технология: мы можем закопать кабель в грунт один раз, и с той периодичностью, с которой нам нужно, производить повторные воздействия.

— Стоимость работ с использованием классических сейсмостанций — колоссальная. Если мы говорим про какие-то большие трехмерные сейсморазведочные работы, то они могут стоить и десятки, и сотни миллионов рублей. Все зависит от месторождения, от сложности его строения. Если мы заранее знаем, что месторождение по своему строению достаточно сложное, что оно ветвится или имеет какие-то узкие места, то в связи с этим нужно делать сетку наблюдений более частой, располагать датчики погуще, чтобы получить хорошее пространственное разрешение. Соответственно, такой вариант будет стоить гораздо дороже. Так же сильно влияет место проведения работ. Одно дело, когда они проводятся в районах с мягким климатом, простым рельефом, и совсем другое, когда это отдаленные регионы Крайнего Севера.

И еще, если работы проходят, к примеру, на полях, где идет выпас скота, или на территории населенного пункта, то велик риск кражи или повреждения. Для удобства использования кабели выпускаются ярких цветов, а они могут привлекать внимание и даже эксплуатироваться не по назначению. Были случаи, когда местные жители использовали косы в качестве веревок для сушки белья. Такие действия могут поставить под угрозу выполнение проекта, но в любом случае финансовые потери — значительные.

— Технология DAS (по-русски — ОВРС, оптоволоконный распределенный сенсор) основывается на принципе рэлеевского рассеяния света. При воздействии на кабель (например, на него приходит сейсмическая волна) его механические свойства меняются, и мы регистрируем пропорциональное изменение оптической разности фаз в данной точке пространства. Может использоваться самый обычный кабель, который подключается к нашим домашним роутерам.

Если говорить образно, мы накладываем на месторождение некий трафарет, как разметка тетради в клетку, это и есть наша сетка наблюдений. Размер квадрата может меняться в зависимости от сложности структуры месторождения или решаемых задач, длина стороны может варьироваться от 200 до 500 метров. Здесь используется программно-аппаратное разделение на конкретные точечные датчики, к волокну мы больше ничего не подключаем.

Мы берем данные с оптоволокна с нужным нам шагом по пространству. Как эти данные получают? У нас есть программно-аппаратный комплекс «Дунай», который посылает световой импульс на всю сеть и потом в постоянном режиме получает обратно рассеянный свет.

Если мы представим, что к прибору подключено оптоволокно длиной 10 километров, то данные, которые пришли с пятисот метров, приемник получит раньше, чем данные с расстояния в 10 километров. Это рассчитывается по определенной формуле, и мы понимаем, с какого места пришли данные. Точное расстояние мы определяем по времени задержки сигнала.

Для простоты можно взять случай, когда у нас одна линия наблюдения. Тогда в результате получается двухмерный массив данных. По оси X — пространство, по оси Y — время. Опрос идет в непрерывном режиме. Данные каждого точечного датчика мы записываем по времени. Есть определенное время длительности записи. Мы можем писать и одну секунду, и 20 секунд, и минуту, и целый день. А если у нас сетка, то этих линий просто много.

В мире технологию DAS активно используют для контроля за разработкой месторождений нефти и газа — и мы также ведем исследовательские работы в этом направлении — закладываем в скважины волоконный кабель и проводим мониторинг. Таким образом можно оценить, какова выработка запасов.

При съемке скважинных данных у оптоволоконных технологий есть значительное преимущество. В классическом вертикальном сейсмическом профилировании прибор опускается на одну глубину, производится возбуждение сигнала, например, взрыв, и записываются данные, потом прибор опускают на другую глубину, еще раз производится возбуждение и записываются данные, и так далее, потом проводится сшивка данных. А с нашей технологией возможно один раз заложить кабель по всей длине ствола скважины и производить измерения в любое время. Таким образом можно регистрировать изменения, происходящие вдоль профиля скважин с минимальным количеством операций.

— С помощью DAS можно регистрировать более широкий частотный диапазон. Помимо этого, системы DAS охватывают большое расстояние, причем гораздо большее, чем классические. Мы можем подключить 50-километровый кабель и проводить мониторинг пространства. Можем спроектировать определенную топологию укладки волокна: либо сделать прямую с одним волокном, либо укладывать его змейкой. То есть для покрытия определенной площади не нужно подключать несколько разных волокон и по-разному обрабатывать данные. Главное преимущество — возможность зондировать большие площади с помощью одного оптоволоконного кабеля.

Кроме того, косы, которые применяются в классической сейсморазведке, не укладываются сразу всем ковром. «Морковок» — ограниченное количество, и их время от времени перекладывают. Сделали съемку на одном участке, перенесли, сделали съемку на другом, и так покрывают всю необходимую площадь. Дальше идет сшивка данных. Таким образом мы получаем данные сразу со всего участка, зондированного с помощью волокна.

Еще одно преимущество — пространственное разрешение: точечные датчики в распределенном акустическом сенсоре располагаются чаще, чем в классической сейсморазведке. К примеру, геофоны ставят каждые 20 метров, а в технологии DAS с применением программно-аппаратного комплекса «Дунай» расстояние между точечными датчиками — 1,6 метра. Сейчас у нас в компании ведется разработка нового прибора, которой позволит значительно уменьшить это расстояние, вплоть до одной трети метра. То есть точечные датчики будут располагаться каждые 30 сантиметров.

Когда мы говорим о площадных работах на поверхности, то пространственное разрешение — не такой критичный показатель, но если речь идет о скважинах или каких-то небольших объектах, оно может иметь принципиальное значение. Расстояние в 30 сантиметров — весомое достижение в мировой практике.

Также большой плюс — возможность проведения 4D-работ, когда нужно повторно приезжать на участок, и не один раз. Мы закладываем кабель в грунт, в нем сразу может быть несколько волокон, и при повреждении одного из волокон мы можем подключиться к другому. И даже если произойдет разрыв всего волокна, это тоже не страшно. С помощью оптической сварки мы просто привариваем кусок необходимой длины. Конечно, нет гарантии, что наш кабель не послужит бельевой веревкой, но он значительно дешевле, чем сейсмическая коса, в десятки раз, и потери будут колоссально меньшими.

В сравнении с классической сейсмикой первое развертывание системы будет дольше, потому что коса просто раскидывается по поверхности, с нужным шагом втыкаются «морковки», и все, система установлена. А оптоволоконный кабель обычно укладывается с помощью трактора в траншеи на глубину 50-70 см. Кабель идет не целым 50-километровым куском, к сожалению. В зависимости от производителя отрезки могут быть 2,5 километра, 5 километров, и мы должны сваривать куски кабеля между собой. Все это делает первое развертывание трудозатратным. Но когда мы говорим про повторную разведку, то как такового повторного развертывания вообще нет. Мы просто приезжаем с прибором и источниками сейсмических колебаний (это могут быть, например, 30-40-тонные машины, которые бьют по поверхности). Чем больше повторных выездов в рамках 4D-работ, тем дешевле получаются сами работы, и их себестоимость постоянно снижается.

— Нам необходим источник колебаний. Сама сейсморазведка выполняется одинаково — как с помощью классической сейсмостанции, так и распределенного акустического сенсора. Есть линия приема — либо «морковки», либо оптическое волокно. И есть источник возбуждения сейсмического сигнала. Это может быть не только специальная машина, а, например, взрыв. В неглубокую скважину закладывается заряд, происходит взрыв, идет импульс, волна. И на границах раздела сред происходит частичное отражение сигнала. Волна проникает в глубь Земли, и где-то в недрах есть разделение между породами. К примеру, рыхлые породы сменяются более твердыми, и есть граница раздела этих сред. Или, допустим, порода, вмещающая нефть, и то, что ее окружает. Приведем простой пример: водоем, первая граница раздела сред — это воздух-вода, потом граница воды и дна. Так вот, волна на границах раздела частично идет дальше, а частично отражается.

— Границы раздела находятся на разной глубине: 500 метров, километр, 2 километра. Соответственно, волна доходит до раздела границ, к примеру, на 500 метрах, отражается и приходит на приемник. И мы определяем время прихода отраженной волны, а затем рассчитываем глубину.

— Спектр применения — разнообразен. Контроль состояния трубопроводов, мостов, туннелей — это лишь несколько примеров задач инженерного характера, где мониторинг необходим, но редко реализуется в требуемом качестве. На подобных объектах время от времени используется классический инструментарий, а вот если использовать оптоволокно, то его можно один раз заложить и наблюдать за объектом в режиме реального времени на постоянной основе. Также существует мониторинг состояния зданий, сооружений и других конструкций.

Для решения задач сейсмологии компания Т8 Сенсор в феврале 2023 года принимала участие в так называемом месячнике DAS. Все мировые компании, которые занимаются оптическими технологиями, договорились поставить свои датчики в тех районах, в которых они работают. Надо было запустить приемники на месяц и потом поделиться результатами того, что удалось записать. Мы, в том числе, смогли зарегистрировать землетрясения, которые происходили в Турции в феврале 2023 года. А ведь оптоволоконной кабель у нас находился в Кавказской горной обсерватории ГАИШ МГУ возле Кисловодска. Все крупные землетрясения прошлого года, о которых писали СМИ, нам удалось зафиксировать.

— К недостаткам оптоволоконной технологии, пожалуй, можно отнести то, что решение каждой задачи требует индивидуального подхода, так как варьируется большое количество характеристик: и частота зондирования будет меняться в зависимости от задачи, и тип кабеля, и топология волокна (способ укладки). Разработать одно универсальное решение для всех направлений было бы достаточно проблематично.

Также чувствительность оптоволокна на данном этапе уступает этому параметру у геофонов как по динамическому диапазону, так и по пространственным составляющим зондирования.

В рамках технологии DAS приходится оперировать большим количеством данных. С одной стороны это достоинство, а с другой — недостаток. Из-за того, что «точечные» датчики на волокне располагаются с шагом 1,6 метра, и опрашивающее устройство может обеспечивать высокую частоту (более 20 кГц), наборы данных одного исследования исчисляются десятками и сотнями гигабайт, в то время как классические инструменты выдают объемы в диапазоне от десятков до сотен мегабайт.

— С нашей стороны был один блок ПАК «Дунай» и один километр оптоволоконного кабеля. У сотрудников ТПУ — сейсмостанция. Оптоволоконный камель мы скрутили в кольца с шагом 20 метров за которым следовал прямой ход волокна. Получилась линия наблюдения длиной 250 – 300 метров, углубленная в грунт на 25-30 сантиметров. Обе системы располагались рядом, один к одному. В заранее оговоренных точках мы производили взрывы с помощью гражданской пиротехники, по два взрыва на каждой точке. В итоге мы собрали данные с сейсмостанции, ПАК «Дунай» с прямого хода волокна и с ПАК «Дунай» с «колечек». За неделю работы на полигоне накопили сотни гигов данных.

— Обрабатывать в лучшем случае будем несколько месяцев. Обусловлено это не сложностью, а текущими параллельными задачами, которые нужно решать. О полученных результатах здорово было бы рассказать на профильных конференциях и опубликовать в научных изданиях.

Можно отметить, что распределенный акустический сенсор не идет на замену классической технологии, по крайней мере, на данном этапе. Технология DAS может выступать хорошим помощником для классической сейсморазведки, может ее удешевить. крупномасштабные работы можно делать с помощью оптоволокна, можно выделить зону интереса, и там уже поставить классическую аппаратуру.

В вопросах мониторинга оптоволокно тоже будет хорошим подспорьем. Как минимум из-за того, что мы можем в течение 10, 20 лет наблюдать динамику. 4D сейсморазведочные работы в России производятся на очень малом количестве месторождений из-за своей дороговизны, а ведь они чрезвычайно важны.

Когда площадь месторождения большая, идут перетоки флюида, образуются невыработанные зоны запасов нефти. 4D-работа производится чтобы понять, какие изменения произошли на месторождении за прошедший период времени.

— Конечно же, совершенствование технологии. Мы хотим добиться возможности без потерь зондировать еще бОльшие расстояния оптоволоконного кабеля, получать больше данных, иметь большее пространственное разрешение и разрабатывать новые алгоритмы и методы их обработки и интерпретации.