Ученые и студенты Новосибирского университета разрабатывают платформу геофизического мониторинга разработки месторождений и контроля состояния зданий на многолетнемерзлых грунтах с использованием технологии искусственного интеллекта при анализе получаемых данных. Впрочем, по мнению разработчиков, она сможет решать более широкий круг задач, включая отслеживание землетрясений и контроль за состоянием карбоновых полигонов и хранилищ. Подробности – в репортаже «Континента Сибирь».
В последние годы бурное развитие получил так называемый «интернет вещей», в рамках которого окружающие нас устройства получают доступ в сеть и возможность самостоятельно собирать и обрабатывать данные с помощью различных датчиков. Эта технология уже стала привычной частью окружающего нас мира: кондиционер предупреждает вас, если дома слишком холодно, а дверь закроет себя сама, если вы вдруг забыли.
Но системы мониторинга на основе дешевых датчиков, способных передавать данные, могут намного больше, чем управлять устройствами «умного дома». Сотрудники Передовой инженерной школы Новосибирского государственного университета (ПИШ НГУ) занимают разработкой интеллектуальной программной платформы, которая будет решать ряд важных задач для нефтегазодобывающей отрасли страны.
Выбор именно этой отрасли в качестве целевой был не случаен. «С одной стороны, НГУ в партнерстве с Институтом нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН достаточно давно работают в области геологии и геофизики, в университете создан специальный научно-образовательный центр по этой тематике, в результате — есть хороший багаж прежних наработок, который мы активно используем. А с другой стороны, в ходе этих исследований налажены контакты с компаниями, что облегчило поиск индустриальных партнеров для этого проекта», — рассказал «Континенту Сибирь» старший научный сотрудник ПИШ НГУ, к.ф.-м.н. Антон Дучков.

Платформа будет представлять собой центр компетенций, основными элементами которого являются собственно датчики, системы сбора и передачи данных мониторинга, а также пользовательские приложения, которое позволяют использовать результаты мониторинга на своем компьютере, телефоне или другом гаджете.
Основным направлением работы платформы сейчас является мониторинг состояния объектов нефтегазовой инфраструктуры. Как известно, большинство разрабатываемых сейчас месторождений находится в районах вечной мерзлоты и все чаще возникает проблема нарушения состояния зданий и сооружений в связи с оттаиванием многолетнемерзлых грунтов и глобальным потеплением. Планируется работа совершенствованию технологии мониторинга — построению сети датчиков с облачным сервисом для хранения данных и сервис уведомлений о состоянии объектов и поддержке принятия решений.
Вместе с тем, идет работа по второму направлению – мониторинг состояния самих месторождений. Ранее мы рассказывали о том, как студент ПИШ НГУ выиграл грант в 500 тысяч рублей на разработку программного обеспечения для сейсмического мониторинга изменений, которые происходят в геологической среде по мере разработки месторождений. Аналогичной суммой был поддержан другой студенческий проект – создание программного комплекса для мониторинга технического состояния нефтегазодобывающих скважин с помощью термометрии.
Обе разработки также являются частью проекта по созданию мониторинговой платформы. Впрочем, этим возможные задачи для неё не исчерпываются. «Добыча нефти и газа – это не только один из крупнейших мировых рынков, это очень большой хозяйственный комплекс, где есть масса направлений – геологоразведка, собственно добыча, капитальное строительство, логистика, материаловедение и многое другое. Соответственно, круг задач для мониторинга очень широк, а мы как раз стремимся к тому, чтобы наша платформа была универсальной и могла решать самые разные задачи. И в этом плане нефтегазовая отрасль – очень удобный полигон», — подчеркнул Антон Дучков.
К примеру, комплекс сейсмического мониторинга состояния скважин, способный отслеживать микросейсмические события, возникающие, к примеру, в ходе гидроразрыва в скважинах, после определенной модификации может выполнять роль системы раннего предупреждения колебаний земной коры в районах угледобычи и других сейсмоопасных регионах.
Как нейросети улучшают медицинскую диагностику, и какова в этом роль новосибирских ученых?
Еще одно перспективное направление связано с захоронением СО2 на тех объектах, откуда ранее добывали нефть и газ. Благодаря наличию готовой инфраструктуры, они являются удобными кандидатами для таких «карбоновых хранилищ». Очень важной их частью становится мониторинговая платформа, которая позволит контролировать их состояние, предотвращая риски утечек. Здесь у ПИШ НГУ тоже есть промышленный партнер, уже разработана программа мониторинга месторождений СО2, которая в настоящее время проходит согласования для утверждения в качестве государственного стандарта.
Найдется работа для платформы и на столь популярных в последнее время карбоновых полигонах. Как известно, они создаются для изучения карбонового цикла и оценки эффективности того или иного способа переработки СО2. И здесь тоже не обойтись без систем сбора данных и климатического мониторинга. «Наши студенты делали проекты дешевых датчиков, которые проще тиражировать и использовать при создании плотных сетей мониторинга на таких полигонах сейчас», — отметил Антон Дучков.
Помимо универсальности, важной характеристикой платформы является ее способность решать довольно сложные задачи, в отличие от скажем систем контроля температуры в зданиях (которая также построена на основе датчиков, объединенных в сеть «интернета вещей»). Особенно ярко это проявляется в задачах мониторинга состояния месторождений.
Платформе необходимо в режиме реального времени обработать большие объемы различных типов данных, поступающих с датчиков, проанализировать полученную информацию и на ее основе сделать вывод о происходящих процессах. Добиться этого можно только с использованием систем искусственного интеллекта, которые активно используют ее разработчики. Например, при анализе микросейсмичности нейронные сети позволяют автоматически выделать сейсмические события, проводить обработку и показывать место активизации среды. Это особенно важно при обосновании надежности хранилища СО2. Также при сейсмическом мониторинге многолетнемерзлых грунтов нейронные сети используются для того, чтобы при поступлении на вход сейсмограммы сразу строить модель геологической среды и определять признаки растепления по изменениям скоростей прохождения сейсмических волн. Для успешного обучения нейронных сетей проводится как большой объем математического моделирования, так и полевые эксперименты. Во всех работах активно участвуют студенты, которые разрабатывают датчики, используют методы машинного обучения и выезжают в экспедиции.
Конечно, любые важные решения в управлении скважиной все равно останутся за человеком, но принимать их он будет, в том числе, на основе модели ситуации и прогнозов ее изменения, предоставленных нейросетью. Это позволит оптимизировать добычу на месторождении и снизит вероятность возникновения аварийных ситуаций.
Новосибирские разработчики получат миллион рублей на разработку «софта» для добывающей отрасли
Одновременно с разработкой программного обеспечения, сотрудники ПИШ НГУ в сотрудничестве с индустриальными партнерами немало времени уделяют совершенствованию самих датчиков. Один из примеров – интеграция датчиков и сенсоров в оптоволоконные системы, которыми с недавних пор стали оборудовать скважины месторождений. В отличие от классических методов, когда они крепились к зонду, периодически погружаемому на нужную глубину, это позволит получать измерения постоянно. Первые шаги в этом направлении делались в рамках программы «Приоритет-2030», теперь полученные результаты развивают в ПИШ НГУ. «В области геологии и геофизики «Приоритет-2030» часто выступает на начальной стадии проработки идеи, получения знаний, и если на этом этапе проявляется инженерная перспектива, то работа переходит в ПИШ. Потому что инженерная школа нацелена на создание продукта, имеющего перспективы коммерциализации. Это разные уровни работы, но они плотно связаны друг с другом», — пояснил Антон Дучков.
Другая задача в области модернизации датчиков – повышение их чувствительности, чтобы отечественная продукция по этому показателю сравнялась с лучшими зарубежными аналогами.
Как отмечают в ПИШ, по мере развития технологий, число задач для совершенствования и импортозамещения аппаратной части платформы будет только расти. И в этом плане они рассчитывают, что существенно расширить приборостроительное направление удастся за счет нового университетского кампуса, возводимого в рамках нацпроекта «Наука и университеты».
На сегодня все основные элементы платформы (аппаратная часть, программное обеспечение и приложение для ПК и гаджетов) находятся в высокой степени готовности. Сейчас ученые переходят к этапу испытания прототипа платформы на полигонах своих индустриальных партнеров в зоне вечной мерзлоты. «Есть надежда, что уже через несколько лет наш продукт начнет внедряться и на реальных инфраструктурных объектах, сначала – для мониторинга состояния поверхностных сооружений, но по мере работы задачи для платформы, как я говорил, будут расширяться», — подытожил Антон Дучков.