Если скважины не были должным образом закупорены, из них потенциально может произойти утечка нефти и химикатов в близлежащие источники воды или выброс токсичных веществ, таких как бензол и сероводород, в воздух. Они также могут способствовать изменению климата, выделяя парниковый газ метан, который примерно в 28 раз эффективнее углекислого газа удерживает тепло в нашей атмосфере в течение ста лет (с еще более высоким потенциалом глобального потепления в течение более коротких периодов).

Чтобы найти источники и измерить выбросы метана в полевых условиях, исследователи используют современные инструменты, включая беспилотные летательные аппараты, лазерную визуализацию и наборы датчиков. Но прилегающие Соединенные Штаты занимают площадь более 3 миллионов квадратных миль. Чтобы лучше предсказать, где могут находиться недокументированные скважины, исследователи сначала сопоставляют новое со старым: современный искусственный интеллект (ИИ) и исторические топографические карты.

"Хотя искусственный интеллект является современной и быстро развивающейся технологией, он не должен ассоциироваться исключительно с современными источниками данных", - сказал Фабио Чулла, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и ведущий автор тематического исследования по использованию искусственного интеллекта для поиска UOWS, опубликованного сегодня в журнале Environmental Science & Technology. "Искусственный интеллект может улучшить наше понимание прошлого, извлекая информацию из исторических данных в масштабах, которые были недостижимы всего несколько лет назад. Чем больше мы заглядываем в будущее, тем больше вы можете использовать прошлое".

С 2011 года Геологическая служба Соединенных Штатов загрузила 190 000 сканов исторических топографических карт USGS, сделанных в период с 1884 по 2006 год. Важно отметить, что карты снабжены геотегами, что означает, что каждый пиксель соответствует координатам, на которые можно легко ссылаться.

Чулла собрал четырехугольные карты, прямоугольные карты, которые охватывают определенное количество широты и долготы и были нанесены на карту в масштабе, где один дюйм соответствует 2000 футам. В период с 1947 по 1992 год на этих картах также использовались согласованные обозначения нефтяных и газовых скважин: полый черный круг.

"Для человека взглянуть на этот круг и распознать его чрезвычайно легко", - сказал Чиулла. "До недавнего времени это был единственный доступный метод извлечения информации из этих карт, но эта стратегия плохо масштабируется, если мы хотим применить ее к тысячам карт. Вот тут-то и вступает в игру искусственный интеллект".

Чтобы этот подход сработал, исследовательской группе Лаборатории Беркли необходимо было научить искусственный интеллект распознавать правильные символы среди всей прочей визуальной информации. Также необходимо было работать с картами с разным рельефом и цветами, а также с картами в разных условиях (старыми, новыми, окрашенными, нетронутыми).

"Эта проблема эквивалентна поиску иголки в стоге сена, поскольку мы пытаемся найти несколько неизвестных скважин, которые разбросаны среди множества других документально подтвержденных скважин", - сказала Чарулека Варадхараджан, ученый из Лаборатории Беркли и старший автор исследования.

Исследователи использовали цифровой инструмент, чтобы вручную отметить нефтяные скважины почти на 100 картах Калифорнии и создать обучающий набор для искусственного интеллекта. После того, как алгоритм научат находить полые круги и игнорировать ложные срабатывания (такие как тупики или символы с круговыми узорами, такие как цифра 9 или буква "о"), его можно будет применить к любой из карт USGS с теми же символами. А поскольку карты были привязаны к географической привязке, алгоритм мог брать координаты нефтяных скважин, отмеченных на карте, и сравнивать их с координатами задокументированных скважин.

Чтобы обнаружить потенциальную недокументированную заброшенную скважину, команда выбрала обозначения скважин, которые находились более чем в 100 метрах от известной скважины, чтобы учесть потенциальные ошибки в координатах скважины. Они также создали новый инструмент, который позволяет человеку быстро проверять то, что находит алгоритм, дважды проверяя, правильно ли ИИ интерпретирует символы на карте.

Исследователи использовали алгоритм искусственного интеллекта для прочесывания четырех интересующих округов, в которых на ранних этапах была значительная добыча нефти - округов Лос-Анджелес и Керн в Калифорнии, а также округов Осейдж и Оклахома в Оклахоме - и обнаружили 1301 потенциальную незадокументированную заброшенную скважину. На данный момент исследователи проверили 29 из них с помощью спутниковых снимков и еще 15 - с помощью полевых исследований; для подтверждения других потенциальных скважин потребуются дополнительные исследования на местах.

"Используя наш метод, мы были консервативны в отношении того, что будет рассматриваться как потенциальный недокументированный колодец-сирота", - сказал Варадхараджан. "Мы намеренно выбрали больше ложноотрицательных результатов, чем ложноположительных, поскольку хотели быть осторожными с отдельными местоположениями скважин, выявленными с помощью нашего подхода. Мы считаем, что количество потенциальных скважин, которые мы нашли, занижено, и мы могли бы найти больше скважин при более совершенных наших методах".

От карты к полю

Первый этап проверки недокументированной скважины происходит удаленно. Исследователи изучают спутниковые снимки и исторические аэрофотоснимки в поисках таких объектов, как нефтяные вышки и насосные домкраты (или их тени), подъемное оборудование, нефтяные площадки, резервуары для хранения или нарушенный грунт.

Во многих случаях скважины были перекрыты на уровне поверхности или ниже нее, что не оставляло очевидных следов на эталонных изображениях. Вместо этого исследователям необходимо отправиться в поле с оборудованием, чтобы подтвердить, существует ли скважина.

В прогнозируемом местоположении скважины исследователи ищут любые поверхностные структуры скважины. Если таковых нет, они ходят по сетке или спирали с магнитометром, который измеряет магнитные поля. Заглубленные металлические обсадные колонны скважин нарушают магнитное поле, позволяя исследователям проникнуть в скважину. Как только они заканчивают обследование местности, исследователи сохраняют файл магнитометра, записывают, была ли найдена скважина или нет, и - если да - фотографируют участок, записывают GPS-координаты и проверяют наличие утечек метана.

Для скважин, которые они смогли проверить, команда лаборатории Беркли обнаружила, что UOW расположены в среднем в 10 метрах от того места, где предсказывали алгоритм и карта. Они считают, что подход с использованием искусственного интеллекта является первым, который может определить точные местоположения потенциальных UOWS в масштабах округа. А благодаря большому количеству карт, охватывающих Соединенные Штаты, этот метод можно расширить и перенести на другие интересующие регионы.

Работа по картированию и верификации с помощью искусственного интеллекта является частью гораздо более масштабного проекта, направленного на решение проблемы UOWs: Консорциум продвигает технологию оценки потерянных нефтяных и газовых скважин (КАТАЛОГ). Программа возглавляется Лос-Аламосской национальной лабораторией и включает исследовательские группы из Лаборатории Беркли, Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Национальной лаборатории энергетических технологий и Национальной лаборатории Сандии.

Это масштабное сотрудничество для решения столь же масштабной проблемы: по оценкам Межгосударственной комиссии по нефтегазовому соглашению, в 2021 году в Соединенных Штатах насчитывается где-то от 310 000 до 800 000 незадокументированных заброшенных скважин.

Правила бурения и тампонажирования появились в разное время в разных штатах, спустя долгое время после того, как были пробурены первые скважины. В первые годы бурения многие скважины оставались открытыми или заполнялись сомнительными пробками, что делало возможным последующий выход нефти, газа, рассола или химикатов. После выявления скважины можно надлежащим образом "закупорить и ликвидировать", заполнив скважину цементом, не допуская попадания нефти в воду и метана в атмосферу.

Цель КАТАЛОГА - улучшить способы поиска скважин, обнаружения и измерения метана, быстрого обследования скважин на предмет их состояния, объединения информации из разных источников и определения приоритетности скважин для закупорки. Цель состоит в том, чтобы создать инструменты (например, прогнозирование скважин с помощью искусственного интеллекта), которые можно использовать в любой точке Соединенных Штатов и которые достаточно недороги для внедрения.

Территория штата Осейдж, занимающая почти 1,5 миллиона акров, служит одним из испытательных полигонов для технологий и техник CATALOG. Партнеры из Osage Nation предоставляют важную обратную связь, оценивая плюсы и минусы оборудования, используемого в полевых условиях, и точность полученной информации.

"Сотрудничество между Osage Nation и CATALOG было взаимовыгодным и продуктивным", - сказал Крейг Уокер, директор Osage Nation Natural Resources. "Использование искусственного интеллекта и современного оборудования обнаружения заполнило пробелы в данных в записях и привело к обнаружению нескольких недокументированных скважин в этом районе, а также упростило различные процессы в рамках национальной программы Осейдж по поиску бесхозных скважин".

Ученый из Лаборатории Беркли Себастьен Биро, возглавляющий проект КАТАЛОГА в Лаборатории Беркли, возглавляет работу по оценке датчиков и новых методов обнаружения и количественной оценки выбросов метана. Группам, исследующим заброшенные скважины, необходимо быстро оценить, сколько метана утекает, но высокотехнологичные датчики метана стоят дорого.

Команда Биро работает над тем, как можно комбинировать недорогие готовые датчики в качестве альтернативы. Установка включает в себя анемометр для измерения скорости ветра, вентилятор (для быстрого увеличения расхода), газоанализатор, GPS и важнейшие вычисления, которые позволяют пользователю учитывать расстояние до скважины, чтобы приблизительно определить, сколько выходит метана.

"Нам не нужно знать, утекает ли он ровно 2,3 грамма в час", - сказал Биро. "Нам нужно знать, не протекает ли он, протекает ли от 10 до 100 граммов в час или утечка составляет килограммы в час. И мы должны быть в состоянии сделать это за пять минут".

Быстрый способ измерения утечек метана необходим для сортировки вновь обнаруженных источников, а также для усилий по закупорке известных скважин.

"Сейчас существует требование количественно оценивать выбросы до и после закупорки нефтяной и газовой скважины", - сказал Биро. "Как потому, что вы хотите убедиться, что подключение выполнено правильно, так и потому, что вы также хотите количественно оценить влияние самой программы на наши стратегии смягчения последствий изменения климата - особенно в отношении выбросов метана, который может вызвать последствия глобального потепления быстрее, чем углекислый газ".

От поля до неба

Исследователи из CATALOG также изучают способы расширения масштабов обнаружения и проверки недокументированных скважин с помощью беспилотных летательных аппаратов, оснащенных различными датчиками. Предварительно запрограммированные с заданными маршрутами полета, дроны могут полуавтономно обследовать большую площадь, чем исследователи могли бы легко получить на земле.

Группы разрабатывают несколько различных типов датчиков, каждый из которых имеет свои собственные проблемы и преимущества. Чтобы использовать магнитометр с беспилотника, исследователи должны подвесить датчик к 9-футовому кабелю. Если его разместить ближе к беспилотнику, электроника будет мешать улавливанию магнитной сигнатуры из скважины.

Отдельный беспилотник оснащен датчиком метана, который во время полета всасывает воздух и может учитывать концентрацию метана, скорость и направление ветра, чтобы точно определить местоположение скважины. Еще одним методом являются летающие гиперспектральные камеры, которые ищут длины волн (невидимые человеческому глазу), связанные со шлейфами метана. А исследователи из Лаборатории Беркли разрабатывают технологию, установленную на беспилотнике, которая может обнаруживать труднодоступные нефтяные скважины, такие как те, которые построены с деревянными корпусами, или скважины, с которых был снят металл для других целей.

Есть еще другие способы найти ключи к затерянным колодцам. Самолеты с лазерными системами, известными как ЛИДАР, могут получать изображение земли. Тепловизионные камеры могут указывать на скрытые утечки. Участники КАТАЛОГА даже разрабатывают приложение, которое использует магнитометр смартфона для поиска скважин.

"Правильный способ решения этой проблемы - это многоуровневый подход", - сказал Чиулла. "Мы можем наслаивать информацию из всех этих различных источников почти так же, как если бы это был пирог. Я могу внести свой вклад с помощью исторических карт, кто-то другой может выполнить расчеты для исторической добычи нефти, другие приносят изображения, спутниковые данные или данные датчиков. Это прекрасное сочетание старого и нового, и я очарован тем, что карты, которые кажутся такими старомодными и статичными, могут дать нам так много полезной информации при правильном использовании с помощью современных технологий".

Работа CATALOG по созданию инструментов для ограничения выбросов метана и опасностей, связанных с незадокументированными заброшенными скважинами, продолжается.

"Нам, как обществу, действительно нравится энергия", - сказал Биро. "Но нам нужно найти решения, которые ограничат наши выбросы. И работая с местными заинтересованными сторонами, такими как племена коренных американцев, Лесная служба США и Служба национальных парков США, мы видим, что это один из способов оказать влияние ".

Инструмент картографирования с использованием искусственного интеллекта использовал ресурсы, предоставленные Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований Министерства энергетики (NERSC), пользовательским центром Министерства энергетики США.

Эта работа была поддержана в рамках Консорциума Advancing Technology for Assessment of Lost Oil & Gas, финансируемого Министерством энергетики США, Управлением по ископаемой энергетике и управлению выбросами углерода, Управлением по устойчивому использованию ресурсов, Отделом технологий снижения выбросов метана и недокументированной программой "Бесхозные скважины".