Ученые Томского политехнического университета создали несколько решений для бурения и изучения горных пород. В разработках сочетаются новая конструкция буровой установки, электрический разряд, рентгеновская томография и алгоритмы искусственного интеллекта. Задача общая: проходить твердые и неоднородные участки быстрее, снижать нагрузку на оборудование и точнее выбирать режимы работы.
Одна из разработок предназначена для бурения твердых пород при добыче полезных ископаемых, строительстве и прокладке коммуникаций. Другая помогает исследовать керн и строить трехмерные модели пород. Еще один подход рассчитан на оптимизацию бурения нефтяных скважин в неоднородных карбонатных коллекторах.
Ударная установка для твердых участков
6 августа ТАСС сообщил о создании в ТПУ установки, которая должна сделать бурение твердых горных пород эффективнее и сократить затраты на ремонт оборудования. Проблема возникает на участках с включениями пород высокой твердости. По оценке авторов, ударные механизмы обычных буровых установок формируют импульсы нерациональной формы. Они не учитывают свойства разрушаемой породы, из-за чего уменьшается глубина внедрения и повреждается оборудование.
Конструкторы предложили формировать и передавать силовой импульс с учетом волновой теории удара. В конструкции также применили специальное резьбовое соединение бурильных труб. Оно должно эффективнее передавать энергию удара в зону разрушения породы.
«Новая бурильная установка основана на формировании и передаче силового импульса, а также применении специального резьбового соединения бурильных труб, обеспечивающих эффективную передачу энергии удара в зону разрушения горной породы», сообщил доцент отделения общетехнических дисциплин Школы базовой инженерной подготовки ТПУ Евгений Пашков.
Разработчики называют среди преимуществ установки мобильность, энергоэффективность и взрывобезопасность. В приводе механизма нет соударяющихся частей. Это должно увеличить межремонтные периоды. Отсутствие компрессора или маслостанции упрощает перемещение установки.
Исследователи планируют продолжить эксперименты. Следующий этап связан с созданием промышленного образца нового класса породоразрушающих машин.
Электрический разряд разрушает гранит
Еще одну технологию специалисты ТПУ разработали для бурения различных пород. В ней разрушение происходит за счет электрического разряда в горной породе. Разряд формируется на установке и подается на буровой наконечник с двумя электродами.
Между электродами возникает разряд, который становится разрушающим элементом. В качестве жидкости используют трансформаторное масло. Разряд проходит в твердом теле, выделяется энергия генераторов, после чего происходит микровзрыв и разрушение породы. Следующий разряд возможен там, где снова присутствует твердое тело.
Для представителей французской нефтегазодобывающей компании специалисты организовали показательное бурение гранита. За 10 минут бур прошел внутрь прочной породы на 40 сантиметров. Технология заинтересовала гостей как возможный способ снизить затраты на буровые работы.
Разработчики считают, что бур может проходить любую породу и материал, кроме металла. В металлическом теле возникает короткое замыкание, поэтому бурение становится невозможным.
Мезотомограф: вчетверо больше керна за час
Ученые Томского политеха совместно с Томским научно-исследовательским и проектным институтом нефти и газа усовершенствовали мезотомограф. Это рентгеновский прибор для изучения структуры образцов горных пород.
В конструкцию добавили микрофокусную рентгеновскую трубку и новые положения для позиционирования образца. Благодаря этому прибор получает о керне вдвое больше информации. Программное обеспечение также обновили. В него встроили нейросетевые алгоритмы, которые сократили обработку результатов с периода от недели до месяца до минут и часов.
| Показатель | Результат модернизации |
|---|---|
| Производительность мезотомографа | до 4 метров керна в час |
| Сравнение с аналогичными аппаратами | в 4 раза выше |
| Объем получаемой информации об образце | в 2 раза больше |
| Обработка результатов | от недели или месяца до минут и часов |
Аппарат позволяет быстрее проводить детальные исследования пород и создавать их трехмерные модели. На этой основе можно подбирать технологии добычи нефти и газа.
Оптимизация бурения по данным скважин
В ТПУ также представили комплексный подход для неоднородных карбонатных коллекторов. Речь идет о породах, состоящих преимущественно из известняка и доломита. В них, по разным оценкам, сосредоточена значительная доля мировых запасов углеводородов.
Стоимость бурения нередко составляет 30–60% общей стоимости строительства скважин. Скорость проходки определяет продолжительность работ. Даже улучшение этого показателя на 10% может дать заметную экономию, особенно при строительстве морских скважин.
На скорость проходки влияют управляемые параметры. Их действие зависит от литологии, прочности породы, порового давления и напряжения. Связь между показателями нелинейна, поэтому универсальный режим для всех пластов подобрать сложно.
Для разработки подхода ученые собрали и обработали сведения из трех вертикальных нефтяных скважин. В расчет включили параметры бурения, глубину и параметры механической модели грунта. Затем создали несколько независимых систем прогнозирования на основе моделей многослойного перцептрона, случайного леса и долгой краткосрочной памяти.
Модели проверили с помощью анализа объяснимости искусственного интеллекта и анализа частичной зависимости. Вариант с наименьшей ошибкой прогнозирования выбрали для дальнейшей работы и объединили с физически обоснованным алгоритмом многоцелевой эволюционной оптимизации.
Авторы одновременно решали три задачи: увеличить скорость бурения, уменьшить крутящий момент и снизить удельную механическую энергию. В результате получили набор решений с разными компромиссами между скоростью, энергоэффективностью и механической нагрузкой.
Наиболее точной и воспроизводимой оказалась модель долгой краткосрочной памяти. Анализ показал, что доминирующим параметром остается частота вращения. Объединение прогнозной модели с алгоритмом оптимизации помогло определить стратегии бурения с учетом типа пласта и принципов механики горных пород.
Модели успешно проверили на ранее не исследованной скважине. Разработчики считают, что подход отражает фундаментальные взаимосвязи процесса, а не особенности одной конкретной скважины. Для применения на других месторождениях потребуются сведения, охватывающие полный спектр геомеханических и эксплуатационных условий.
Результаты исследования опубликовали в журнале Results in Engineering. Проект поддержал грант Министерства экономического развития РФ.
Что это меняет для разработки оборудования
ТПУ развивает сразу несколько направлений, связанных с буровой техникой. Ударная установка должна повысить эффективность разрушения твердых пород и уменьшить износ привода. Электроразрядный метод предлагает другой принцип воздействия на породу. Мезотомограф ускоряет получение информации о керне, а алгоритмы помогают выбирать режимы бурения по характеристикам пласта.
Какой подход окажется эффективнее на конкретном объекте? Ответ зависит от типа породы, конструкции оборудования, геомеханических условий и доступных измерений. Уже сейчас разработки охватывают полный цикл: от разрушения породы и исследования образца до выбора рабочих параметров скважины.
Частые вопросы
Сколько стоит разработка?
Источники не приводят стоимость создания установок, модернизации мезотомографа или разработки алгоритмов. В них указано, что новый подход потенциально способен сократить затраты на бурение и ремонт оборудования.
Какие сроки?
Сроки разработки в корпусе не указаны. Для электрического метода сообщается результат показательного бурения: за 10 минут бур прошел 40 сантиметров гранита.
Какие документы нужны от меня как от заказчика?
Источники не содержат перечня документов для запуска работ. Для алгоритма оптимизации ученые использовали сведения из трех вертикальных нефтяных скважин, включая параметры бурения, глубину и параметры механической модели грунта.
Можно разработать документ с описанием процесса производства по операциям?
В публикациях описаны принципы работы буровой установки, мезотомографа и алгоритма оптимизации, но не приведены технологические документы с пооперационным описанием производства.
Для каких пород предназначены разработки ТПУ?
Ударная установка рассчитана на участки с твердыми породами, электрический метод испытали на граните, мезотомограф исследует образцы горных пород, а алгоритм оптимизации разработали для неоднородных карбонатных коллекторов, преимущественно известняков и доломитов.
Позиция экспертов Реестр Гарант
Разработки ТПУ показывают, как конструкторские решения и обработка инженерных данных дополняют друг друга в задачах бурения. Установка с силовым импульсом, электрический бур и модернизированный мезотомограф относятся к конкретной технике, а алгоритм оптимизации помогает выбирать режимы работы по характеристикам породы. Для промышленного применения ударной установки ученые планируют создать промышленный образец после дальнейших экспериментов.