Vocea întregului sector de
upstream din România

Fracturarea hidraulică 2.0: Roci digitale, inteligență artificială, big data și soft computing

O serie de revoluții tehnologice au trecut prin două faze de dezvoltare.

Automobilul a progresat de la faza 1.0 în 1914 (prima producție de masă, Ford Model T) la faza 2.0 de la începutul anilor 1950, o dată cu predominanța costurilor scăzute de producție și a infrastructurii asociate (rețelele naționale de autostrăzi, în timpul administrației Eisenhower din SUA).

Industria computerelor a avansat de la faza 1.0 în 1955, anul lansării comerciale a primelor calculatoare industriale (IBM), la faza 2.0 în 1984, când s-a început producția de masă a computerelor personale (Apple Macintosh).

Telefonul celular a avansat de la faza 1.0 în 1973 (Motorola) la faza 2.0 în 2007, o dată cu introducerea telefoanelor inteligente (Apple iPhone) și a infrastructurii asociate de mare viteză.

În mod similar, o altă revoluție tehnologică – fracturarea hidraulică a rezervoarelor neconvenționale (argile gazeifere și petrolifere) a trecut prin faza 1.0 și se pregătește de intrarea în faza 2.0.

Fracturarea hidraulică 1.0: 1998 – 2014

Consider că tot ce am scris și publicat anul trecut poate descrie faza 1.0 a fracturării hidraulice a argilelor gazeifere și petrolifere.

Debutul acestei faze a avut loc în 1998 în zona Dallas-Fort Worth, Texas. Inginerul petrolist George Mitchell, proprietarul companiei Mitchell Energy, a avut atunci o idee genială: a combinat o hartă seismică de adâncime a argilei Barnett cu forajul orizontal și fracturarea hidraulică pentru a stimula un rezervor neconvențional și a produce gaz natural. Astfel, o nouă pagină a istoriei energiei a început în Texas, tot acolo unde, în 1901, erupția sondei Lucas-1, a marcat nașterea industriei moderne a petrolului și apariția unei noi superputeri pe mapamond.

În cei peste 15 ani care au trecut de la acest debut istoric, fracturarea hidraulică a rezervoarelor neconvenționale s-a dovedit a fi o idee al cărei timp venit, cu consecințe numeroase, complexe și spectaculoase. Practic, fracturarea hidraulică 1.0 s-a dovedit a fi o inovație disruptivă, capabilă să producă o revoluție tehnologică și, pe un plan superior, o schimbare de paradigmă.

Conform datelor publicate de EIA[1], producția de gaze naturale ale SUA în 2014 a crescut cu 6%, ajungând la 728.252 milioane metri cubi, un nivel record pentru această țară. În același an, importurile nete de gaz ale Statelor Unite au totalizat 33.159 milioane metri cubi, reprezentând o scădere cu 9% față de anul 2013 și, totodată, cel mai scăzut nivel al importurilor începând din 1987.

Înainte de 2009, cele mai multe importuri nete în zona de nord-est a SUA au avut loc de-a lungul graniței New York/Canada. După 2009, creșterea producției de gaz natural în Pennsylvania, datorită exploatării argilei Marcellus, a dus la scăderea importurilor nete către New York, iar anul trecut New York-ul a devenit un exportator net de gaz natural către Canada.

Exporturile de gaz către Mexic prin gazoductele care traversează granița internațională în Texas, California și Arizona au crescut în 2014 la o valoare record de circa 20.000 milioane metri cubi pentru a satisface cererea crescândă a termocentralelor pe gaz din Mexic.

În 2014, producția de petrol american a crescut cu 1,2 milioane barili pe zi (MMpd) – cea mai mare creștere anuală înregistrată vreodată în ultimii 100 de ani[2]. Dacă luăm în considerare ultimii 6-7 ani, această producție a atins creșteri total de 4 MMpd, depășind Arabia Saudită și Rusia și schimbând astfel peisajul petrolier mondial. Conform datelor EIA, cea mai mare parte a creșterii a avut loc în ultimii 3 ani.

Dacă industria americană de gaze și petrol de șist ar fi astăzi o țară, ea ar fi al cincilea mare producător de hidrocarburi din lume.

În comparație cu 1986 – ultima oară când piețele mondiale au fost inundate cu petrol (din Arabia Saudită), în 2013 populația lumii era mai mare cu 2 miliarde, economia lumii a crescut cu 30.000 miliarde USD, iar consumul zilnic de petrol a sporit cu peste 30 milioane barili.[3] Considerând că fluctuațiile ofertei cu 1-2 MMpd pot afecta prețurile globale ale petrolului, o infuzie de 4 MMpd din argilele petrolifere americane a produs ceea am numit, la începutul acestui an, o deflație generată de petrol, urmată și de o nouă matematică a petrolului.

Consecințele, multiple și de mare importanță economică, politică, financiară, strategică, socială etc., pot fi recitite în articolele menționate, ca și în altele, pe care le-am publicat anul acesta pe Contributors.ro.

Deși industria americană a hidrocarburilor neconvenționale este nouă, scara la care s-a dezvoltat până în prezent a transformat-o într-un pilon principal al bazei tehnico-industriale a Statelor Unite. Ecosistemul american al gazelor și petrolului de șist a explodat –de la fiind practic inexistent cu 15 ani în urmă – la o componentă de 300 miliarde USD a PIB-ului și mii de companii. Acest ecosistem este, în același timp, diferit de „vărul” său – hidrocarburile convenționale – ca structură, operații și tehnici folosite.

O dată cu scăderea prețului petrolului, în ultimele șase luni, tonul mass-mediilor care prezintă industria hidrocarburilor neconvenționale din SUA s-a schimbat, de la extaz la alarmă și pesimism. Câteva exemple recente includ „Scăderea prețului petrolului forțează Dakota de Nord să considere austeritatea” (New York Times), „Scăderea prețului petrolului lovește în cheltuielile pentru investițiile de afaceri” (Wall Street Journal), „Boom-ul petrolului american nu va dura mult timp la $65/baril” (Bloomberg Business), „Revoluția argilelor petrolifere este în pericol” (Fortune) sau „Statele Unite nu vor deveni ‘Noua Arabie Saudită’ a energiei globale” (Telegraph).

Alte mass-media raportează scăderea numărului de instalații de foraj ca semn al declinului industriei hidrocarburilor neconvenționale, ceea ce este un indicator irelevant. Datorită avansurilor tehnologice, companiile produc astăzi mai mult țiței cu două instalații decît cu trei instalații doar cu puțin timp în urmă, uneori chiar cu cheltuieli per total mai puține[4].

Parafrazând o butadă celebră, aș spune că „zvonurile despre moartea fracturării hidraulice sunt binișor exagerate”.

Industria gazelor și petrolului de șist este diferită de predecesoarea sa, cea a hidrocarburilor convenționale. Dar, în final, ca oricare altă tehnologie, fracturarea hidraulică a argilelor este utilă și viabilă numai dacă reușește să ofere produsele cerute de piață la prețuri tot mai scăzute. Și aici apar întrebările fundamentale ale analiștilor și investitorilor în legătură cu viitorul industriei hidrocarburilor neconvenționale: Încotro se îndreaptă fracturarea hidraulică? Se poate extrage mai mult petrol și gaze cu cheltuieli scăzute și cu mai puține instalații de foraj/extracție?

Posibile răspunsuri sunt oferite, după părerea mea, de noua fază spre care se îndreaptă tehnologia și pe care o numesc

Fracturarea hidraulică 2.0: 2015 – ?

Există trei variabile interconectate care controlează prețul și disponibilitatea petrolului și gazelor: politica, banii și tehnologia. Guvernele, cu excepția celui american, dețin drepturile minerale și astfel contr0lează accesul la terenurile cu hidrocarburi în subsol. În plus, guvernele pot controla libertățile afacerilor (prin permise, taxe, redevențe, amenzi etc.). Accesul la capital și natura politicii fiscale dintr-o țară sunt de asemenea elemente critice ale dezvoltării unei industrii care folosește intensiv sume mari de bani. Dar ultima variabilă, tehnologia, este cea mai importantă. Să ne gândim doar la faptul că petrolul și gazul stau de milioane de ani în pământ, în cantități uriașe și pe întreaga planetă. Însă fără tehnologia adecvată pentru găsirea și aducerea lor la suprafață, nici un guvern și nicio o bancă din lume nu ar putea face nimic. Pe scurt, dacă tehnologie nu e, nimic nu e…

Fracturarea hidraulică 2.0 va marca un nou triumf tehnologic, augmentându-l și depășindu-l pe cel din faza 1.0. Aspectele tehnologice pe care le prevăd ca fiind componente ale noii faze îmbrățișează varii componente ale fracturării hidraulice, unele funcționând deja. Îmbunătățiri incrementale, dar și dramatice, vor apărea în echipamentul de foraj/extracție („platforme umblătoare” – walking rigs, forarea pe bandă rulantă – drilling/oil factory[5]), în strategiile de selecție a locațiilor– high-grading, logistică, planificare, prospecțiunea seismică, chimia aditivilor de fracturare, dispunerea forajelor în perimetrul de exploatare, manipularea nisipului și fluidelor de fracturare, viteza de foraj, eficiența pompelor, instrumentație, senzori, lasere de mare putere etc.[6] Anticipez, de asemenea, că exploatarea viitoare a argilelor gazeifere și petrolifere va beneficia substanțial de pe urma introducerii unor automatizări avansate de tip foraj complet automat, cu sisteme de control al presiunii (care vor elimina accidente de tip erupții), cu computere mobile, roboți sau drone industriale.

Mă voi limita însă doar la descrierea acelor aspecte de care sunt mai legat prin propria experiență și cercetările efectuate de grupul meu de la Brooklyn College.

Rocile digitale sunt un concept care se desparte dramatic de vechea imagine a geologului cu busola și ciocanul în mâini, cu harta pe genunchi, cu rucsacul plin de probe pentru laborator, petrecând săptămâni și luni pe teren pentru a smulge subsolului secrete bine ascunse și greu de descifrat. Paradigma cheie a rocilor digitale este „imagine computerizată”: spațiul poros și matricea minerală a rocilor sunt „fotografiate” și apoi digitalizate. După care, petrofizicienii sunt capabili, utilizând metode extrem de sofisticate, să obțină un grup impresionant de parametri geometrici, de curgere, electrici și mecanici ai rocii analizate: porozitate, distribuția mărimii porilor, permeabilități absolute și relative, curve de presiune capilară, factorul de formație, exponenții de cimentare și saturație cu diverse fluide, modulii elastici etc., etc.

La începutul lunii mai am avut șansa de a participa la și a face o prezentare în cadrul unui simpozion organizat de Society of Petrophysicists and Well Log Analysts. Manifestarea, intitulată Topical Conference on Pore-Scale Imaging and Digital Rocks: Expanding the Petrophysical Toolkit, a strâns 60 de experți de pe patru continente care au demonstrat că noua fază a fracturării hidraulice a argilelor se va desfășura predominat la scara nano- și subnano-porilor. Adică acele spații, umplute cu apă, petrol și gaz, cu dimensiuni mai mici decât a milioana parte dintr-un milimetru!

Pentru a putea realiza astfel de incursiuni în inima materiei, pentru a-i afla și descifra secretele, tehnologia vizuală, capabilă să producă roci digitale, trebuie să ofere instrumentele performante de observare, scanare, eliminare a zgomotului electronic, filtrare, segmentare etc. Participanților la simpozionul amintit li s-a oferit posibilitatea de a vizita compania FEI din Hillsboro, Oregon (același oraș unde se găsește și celebra companie Intel). Am putut astfel să văd pentru prima oară structura rocilor și fluidele conținute în porii lor la rezoluții care atingeau 0,05 nanometri (5 x 10-11 m), adică foarte aproape de vizualizarea atomilor și moleculelor individuale de hidrocarburi. Concluzia acelei vizite a fost că rezervoarele neconvenționale dețin un potențial productiv impresionant, pe care tehnologia rocilor digitale îl va fructifica în perioada imediat următoare.

Inteligența artificială grupează acele sisteme computaționale capabile să execute sarcini, care în mod normal necesită inteligență umană sau manifestări biologice specifice. De exemplu, rețelele neuronale artificiale (Artificial Neural Networks- ANN) sunt o familie de modele de învățare statistică inspirate de rețelele neuronale biologice (sistemul nervos central al mamiferelor, în particular creierul). În cazul studiat de mine, am folosit ANN ca instrument de explorare și dezvoltare, care permite o transformare rapidă și ușoară a unor date existente în altele non-existente, dar de o valoare foarte mare pentru rezervoarele neconvenționale.

Într-un alt studiu, am folosit algoritmii genetici – o transformare matematică a teoriei darwiniene a selecției naturale și a luptei pentru supraviețuire (survival of the fittest), folosind tehnici inspirate de evoluția organismelor, precum moștenire, mutații, selecție, încrucișare, cromozomi, alele. Scopul major al folosirii acestei metode de inteligență artificială a fost generarea de soluții pentru optimizarea unor probleme care apar atunci când cantitatea de date este imensă (big data), cu nivele de incertitudine variabile și cu o varietate tipologică pe care trebuie să o păstrăm.

Importanța deosebită a utilizării metodelor de inteligență artificială în varii domenii ale explorării și exploatării hidrocarburilor a fost motivul pentru care celebra editură Springer mi-a solicitat să alcătuiesc o selecție a celor mai interesante și valoroase contribuții actuale în domeniu. Astfel am publicat Artificial Intelligent Approaches in Petroleum Geosciences, o colecție provocatoare și incitantă de exemplificări ale folosirii inteligenței artificiale în rezolvarea unor probleme complexe cu care se confruntă fracturarea hidraulică în noua sa fază: analiza incertitudinilor, estimarea riscurilor, extragerea datelor utile (data mining), tehnici de învățare a mașinilor, analiza și interpretarea datelor, fuziunea unor informații diverse, provenind din petrofizică, seismică 3-D, carotaj geofizic, date de producție ș.a.

Soft computing reprezintă un set de tehnici computaționale menite să găsească soluții la probleme pentru care nu există nici o modalitate de a le rezolva analitic, sau probleme care ar putea fi rezolvate, teoretic, dar practic este imposibil, din cauza necesității de resurse uriașe și/sau de timp enorm necesare pentru calcul. În cazul acestor probleme, metodele folosind inteligență artificială sunt, de cele mai multe ori, eficiente și efective. Deși soluțiile obținute prin aceste metode nu sunt întotdeauna identice cu soluțiile analitice, o soluție aproape optimă este uneori suficientă în practică. Scopul principal al tehnicilor de soft computing este de a sprijini sistemele nevoite să se confrunte cu imensitatea, complexitatea și incertitudinile datelor stocate. Obținerea de rezultate într-un anumit timp timp este un alt aspect care necesită instrumente de soft computing pentru a îmbunătăți performanța lor oriunde timpul este un factor important.

Spre deosebire de sistemele computaționale convenționale (hard), soft computing-ul este tolerant în ceea ce privește imprecizia, incertitudinea sau adevărurile parțiale. Misiunea lui este transformarea datelor în informație și a informației în cunoaștere. Și de aici rezultă importanța unui ultim aspect al fracturării hidraulice 2.0.

Bazele de date uriașe (Big data). O dată cu introducerea fracturării hidraulice 1.0, numărul de foraje orizontale a explodat, ajungând la sute de mii numai în Statele Unite, iar lungimea lor totală însumează peste 600.000 km, suficientă să înconjoare Pământul de 15 ori! Cantitatea de date generate în prezent de un singur foraj fracturat hidraulic variază între 1 și 15 TB (terabyte). Dacă considerăm existența a circa 300.000 de foraje săpate până acum și o medie de 2 TB per foraj, rezultă o cifră amețitoare pentru cantitatea de date existente (big data): 600 PB (petabytes)!! Pentru comparație, întreg sistemul digital global de sănătate însumează doar 500 PB[7].

Datele acumulate de industrie provin din explorarea, fracturarea, extragerea și deplasarea hidrocarburilor neconvenționale. Întrebarea este: Ce se poate face cu o asemenea cantitate uriașă de date, care, precis, va crește în viitor? Răspunsul scurt este: Analizați-le!

Analiza bazelor de date cuprinde trei categorii primare[8]:

  1. Analiza descriptivă, care ne spune ce s-a întâmplat deja;
  2. Analiza predictivă, care ne spune ce se va întâmpla;
  3. Analiza prescriptivă, care ne spune ce se va întâmpla, când, de ce și cum să îmbunătățim viitorul prezis


Folosind imensul rezervor de date disponibil, analiza prescriptivă poate să descopere perspective cheie, să prevadă probleme și oportunități și să prescrie cea mai bună direcție de acțiune. De exemplu, operatorii industriali care explorează și exploatează rezervoarele neconvenționale au posibilitatea de alege cu mai mult succes locul de forare, porțiunile de fracturarea, modul de exploatare a forajelor. Procedând în acest mod, crește producția, scad costurile și se evită consecințe ecologice adverse.

La baza analizei Big data se află software-ul. Bill Gates a prezis încă din 2011: „Singurul lucru diferit astăzi în energie este software-ul, care schimbă jocul”[9]. Cu alte cuvinte, potențialul productiv al bazelor de date necesită aportul unor noi abordări, precum inteligența artificială, pentru realizarea sa deplină. Big data înseamnă mai mult petrol și gaze!

Fracturarea hidraulică 2.0 este pregătită să preia ștafeta de la faza precedentă. Cred că are toate șansele de a efectua o cursă câștigătoare, la capătul căreia ideea al cărei timp a venit va fi, încă o dată, victorioasă.

BIBLIOGRAFIE

Mark P. Mills, 2015, „Shale 2.0 Technology and the Coming Big-Data Revolution in America’s Shale Oil Fields”, Center for Energy Policy and the Environment at the Manhattan Institute, 18 p.

Articol publicat pe CONTRIBUTORS si republicat cu permisiunea autorului.

Constantin Crânganu este profesor de geofizică și geologia petrolului la Graduate Center și Brooklyn College, The City University of New York. Între 1980 și 1993 a fost asistent și lector la Universitatea „Al. I. Cuza” din Iași, Facultatea de geografie-geologie. În 1993 a fost declarat câștigătorul primului concurs național din România post-comunistă pentru prestigioasa bursă Fulbright oferită de Congresul SUA. În calitate de Fulbright Visiting Scientist la University of Oklahoma el a efectuat cercetări fundamentale și aplicative despre zăcămintele de petrol și gaze, suprapresiunile din bazinele sedimentare, fluxul termic și căldura radioactivă din crusta terestră, identificarea stratelor cu conținut de gaze în gaura de sondă, exploatarea printr-o metodă personală a zăcămintelor neconvenționale de hidrați gazoși etc. După mutarea în 2001 la City University of New York, profesorul Crânganu a început o nouă direcție de cercetare: implementarea metodelor de inteligență artificială în studiile de petrol și gaze. Pentru activitatea sa în acest domeniu de pionierat a fost nominalizat la ENI Awards 2012 și a primit o ofertă din partea editurii Springer de a publica o carte reprezentativa pentru acest domeniu cutting-edge.

Cartea, intitulata „Artificial Intelligent Approaches in Petroleum Geosciences”, a aparut în 2015.

 

STIRI INTERNATIONALE

Norway: Equinor...

The Norwegian Petroleum Directorate has granted Equinor a drilling permit for well 36/1-3 in production licence PL 885. The well will be drilled...

Angola: Eni announces...

Eni has started production from the Vandumbu field in Block 15/06 through the West Hub N’Goma FPSO. First oil from the Vandumbu field was achieved...

Canada-Nova Scotia...

The Canada-Nova Scotia Offshore Petroleum Board (CNSOPB) has issued Call for Bids NS18-3, which includes two industry-nominated parcels. The Call...
STIRI LOCALE

ANRE: Profit de 10%...

Companiile care dețin și operează depozite de înmagazinare a gazelor naturale în România vor fi...

Până pe 28 ian,...

Realizarea conductei de transport gaze naturale dintre Onești-Gherăești-Lețcani a fost scoasă la...

România a înregistrat...

Produsul Intern Brut a crescut cu 0,2% în zona euro şi cu 0,3% în Uniunea Europeană în...
COTATII OIL & GAS