Что такое цифровые двойники, чем они отличаются от виртуальных 3D-моделей и как используются в энергетике
Представьте шумную улицу в центре мегаполиса: вокруг теснятся небоскребы, пестрят вывесками магазины и кафе, из приоткрытого люка идет пар, толпы людей спускаются в метро. Как спланировать в этом районе строительство новых зданий и подземных коммуникаций? Плоская карта мало поможет, а вот в цифровую 3D-модель города можно «воткнуть» новый дом, парк, автодорогу, коммуникации, и рассмотреть это все со всех сторон. Такие модели построены для Сингапура и Шанхая. Если дополнить подобную трехмерную многослойную карту данными об идущих в городе процессах и интерфейсом для управления — получится цифровой двойник.
Цифровые двойники — это виртуальные копии реальных объектов с возможностью моделировать идущие в них процессы и даже управлять ими в реальности. Двойники создают для самолетов, судов, ядерных реакторов, турбин электростанций, оборудования предприятий. Цифровые модели со встроенными алгоритмами и интерфейсом подсказывают оптимальные режимы эксплуатации, позволяют экономить энергию и планировать ремонт и обновление систем, проводить эксперименты в цифровом пространстве.
По данным Национальной технологической инициативы, к 2024 году использовать цифровые двойники будут 250 российских предприятий. Для Новочеркасского электровозостроительного завода созданы цифровые двойники пяти цехов: модели позволяют рассчитать, какие ресурсы нужны каждому цеху и в какие сроки. В «Росатоме» разработали двойники установок для испытаний ускорителей типа Большого адронного коллайдера: такие симуляции отнимают на порядок меньше времени и ресурсов, чем физические эксперименты.
Цифровые двойники нефтяных месторождений позволяют планировать разработку нефтегазоносных пластов и строительство инфраструктуры на новых месторождениях, а также увеличивать добычу на разрабатываемых.
Рождение цифрового двойника
Создание цифрового двойника нефтяного месторождения начинается со сбора данных. На территории, где предположительно есть запасы нефти и газа, проводится сейсморазведка. Ее результаты передаются геологам, которые создают по ним цифровую трехмерную карту горных пород и нефтеносного пласта. Данные уточняют, когда бурят разведочные скважины и проводят исследования, определяя толщину пласта и его насыщенность нефтью. Так создается виртуальный каркас будущего двойника — геологическая цифровая модель, отражающая расположение горных пород, содержащих нефть, газ и воду.
На основе геологической создается гидродинамическая модель, в которой будут заложены данные о жидкостях и их движении в пласте. Одна из важнейших характеристик нефтяного пласта, которую необходимо учитывать в модели, — давление в породах. От него зависит, сколько продукта будут давать скважины и удастся ли вообще извлечь из месторождения нефть. Давление в породе замеряют на разных скважинах, а движение нефти в тонких капиллярах между частичками породы оценивают с помощью лабораторных исследований. В лаборатории определяют свойства жидкостей — плотность, вязкость, сжимаемость — и проницаемость породы для нефти, газа и воды.
Когда цифровой двойник создан, им можно управлять дистанционно — это делают в центрах управления добычей (ЦУД). Центр может располагаться в нескольких тысячах километрах от месторождения: ЦУД на Восточно-Мессояхском месторождении находится в Тюмени в 1500 километров.
Илья Ходаков
специалист по геологическому моделированию
Часть данных поступает в центры управления добычей автоматически, с измерительных датчиков, часть получают люди — операторы.
«От скорости обновления данных зависит, как быстро можно обнаружить участки, требующие внимания, например зоны, где резко снизилось пластовое давление или увеличилось давление жидкости, газа, — поясняет Илья. — Скорость изменения давления в пласте зависит от темпов разработки и объема запасов месторождения. Чтобы сохранять пластовое давление на постоянном уровне или хотя бы снизить темпы падения, применяются вторичные методы разработки — закачка воды в пласт».
Готовая гидродинамическая модель может объединяться с моделями скважин, поверхностных систем сбора и транспортировки нефти, а также моделями переработки. На этом этапе двойника можно протестировать: рассчитать с его помощью значения параметров скважин, например давления, суточной добычи, содержания воды, газа, — и сравнить с реальным. Если параметры совпадают, цифровой аналог отражает реальное состояние скважины и его можно использовать для прогнозирования добычи.
Точный прогноз на годы вперед
Цифровой двойник месторождения — это не одна, а много разных моделей. Главные отражают физические процессы: движение нефти, воды и газа в пласте; вспомогательные — работу оборудования на поверхности. Двойник «знает» историю месторождения и может делать прогнозы: когда давление упадет настолько, что нефть перестанет поступать из скважины или содержание воды в добываемой жидкости достигнет отметки, при которой добыча экономически неэффективна.
Первопроходцы нефтедобывающей отрасли разрабатывали месторождения, где нефть била фонтаном и насосы были не нужны. Но в XXI веке мы имеем дело с месторождениями, запасы которых называют трудноизвлекаемыми. Нефть не фонтанирует, ее выкачивают насосами. Добычу увеличивают, например, проводя гидроразрыв пласта или обработку соляной кислотой. Но важно следить, чтобы добыча росла не на одной скважине, а на всем месторождении: в планировании этого помогают цифровые двойники.
Раньше способы для увеличения добычи рассчитывали аналитически. Сейчас это можно делать с помощью цифровых двойников. В них заложены те же самые формулы, но учитывается гораздо больше факторов, чем при аналитическом расчете. Прогнозы получаются более надежными и долговременными: без цифровой модели можно было составить план добычи на неделю или месяц, с ней — на годы и даже десятилетия.
Результаты расчетов, выполненных с помощью цифровых двойников месторождений, передаются в центры управления добычей. Данные можно визуализировать, использовать по-отдельности, объединять — и на их основе планировать все аспекты работы: от ремонта оборудования до увеличения или уменьшения добычи.
Цифровые двойники месторождения не делают месторождения безлюдными. Человек по-прежнему управляет бурением скважин, следит за их работой, устанавливает и обслуживает оборудование. Вместе с цифровыми двойниками планировать эти процессы стало проще, а еще добавились новые рабочие места в отрасли. Для создания моделей нужны знания физиков, инженеров, математиков, геологов-модельеров — специалистов по моделированию двойников и IT-специалистов. В результате добыча становится более эффективной, безопасной и рентабельной: благодаря грамотному планированию добывать даже трудную нефть с цифровыми двойниками стало экономически выгоднее.
