O serie de revolutii tehnologice au trecut prin douã faze de dezvoltare.

Automobilul a progresat de la faza 1.0 în 1914 (prima productie de masã, Ford Model T) la faza 2.0 de la începutul anilor 1950, o datã cu predominanta costurilor scãzute de productie si a infrastructurii asociate (retelele nationale de autostrãzi, în timpul administratiei Eisenhower din SUA).

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

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

În mod similar, o altã revolutie tehnologicã – fracturarea hidraulicã a rezervoarelor neconventionale (argile gazeifere si petrolifere) a trecut prin faza 1.0 si se pregãteste de intrarea în faza 2.0.

 

Fracturarea hidraulicã 1.0: 1998 – 2014

Consider cã tot ce am scris si publicat anul trecut poate descrie faza 1.0 a fracturãrii hidraulice a argilelor gazeifere si 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 genialã: a combinat o hartã seismicã de adâncime a argilei Barnett cu forajul orizontal si fracturarea hidraulicã pentru a stimula un rezervor neconventional si a produce gaz natural. Astfel, o nouã paginã a istoriei energiei a început în Texas, tot acolo unde, în 1901,eruptia sondei Lucas-1, a marcat nasterea industriei moderne a petrolului si aparitia unei noi superputeri pe mapamond.

În cei peste 15 ani care au trecut de la acest debut istoric, fracturarea hidraulicã a rezervoarelor neconventionale s-a dovedit a fi o idee al cãrei timp venit, cu consecinte numeroase, complexe si spectaculoase. Practic, fracturarea hidraulicã 1.0 s-a dovedit a fi o inovatie disruptivã, capabilã sã producã o revolutie tehnologicã si, pe un plan superior, o schimbare de paradigmã.

Conform datelor publicate de EIA[1], productia de gaze naturale ale SUA în 2014 a crescut cu 6%, ajungând la 728.252 milioane metri cubi, un nivel record pentru aceastã tarã. În acelasi an, importurile nete de gaz ale Statelor Unite au totalizat 33.159 milioane metri cubi, reprezentând o scãdere cu 9% fatã de anul 2013 si, totodatã, cel mai scãzut 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 granitei New York/Canada. Dupã 2009, cresterea productiei de gaz natural în Pennsylvania, datoritã exploatãrii argilei Marcellus, a dus la scãderea importurilor nete cãtre New York, iar anul trecut New York-ul a devenit un exportator net de gaz natural cãtre Canada.

Exporturile de gaz cãtre Mexic prin gazoductele care traverseazã granita internationalã în Texas, California si Arizona au crescut în 2014 la o valoare record de circa 20.000 milioane metri cubi pentru a satisface cererea crescândã a termocentralelor pe gaz din Mexic.

În 2014, productia de petrol american a crescut cu 1,2 milioane barili pe zi (MMpd) – cea mai mare crestere anualã înregistratã vreodatã în ultimii 100 de ani[2]. Dacã luãm în considerare ultimii 6-7 ani, aceastã productie a atins cresteri total de 4 MMpd, depãsind Arabia Sauditã si Rusia si schimbând astfel peisajul petrolier mondial. Conform datelor EIA, cea mai mare parte a cresterii a avut loc în ultimii 3 ani.

Dacã industria americanã de gaze si petrol de sist ar fi astãzi o tarã, ea ar fi al cincilea mare producãtor de hidrocarburi din lume.

În comparatie cu 1986 – ultima oarã când pietele mondiale au fost inundate cu petrol (din Arabia Sauditã), în 2013 populatia lumii era mai mare cu 2 miliarde, economia lumii a crescut cu 30.ooo miliarde USD, iar consumul zilnic de petrol a sporit cu peste 30 milioane barili.[3] Considerând cã fluctuatiile ofertei cu 1-2 MMpd pot afecta preturile globale ale petrolului, o infuzie de 4 MMpd din argilele petrolifere americane a produs ceea am numit, la începutul acestui an, o deflatie generatã de petrol, urmatã si de o nouã matematicã a petrolului.

Consecintele, multiple si de mare importantã economicã, politicã, financiarã, strategicã, socialã etc., pot fi recitite în articolele mentionate, ca si în altele, pe care le-am publicat anul acesta pe Contributors.ro.

Desi industria americanã a hidrocarburilor neconventionale este nouã, scara la care s-a dezvoltat pânã în prezent a transformat-o într-un pilon principal al bazei tehnicoindustriale a Statelor Unite. Ecosistemul american al gazelor si petrolului de sist a explodat -de la fiind practic inexistent cu 15 ani în urmã – la o componentã de 300 miliarde USD a PIB-ului si mii de companii. Acest ecosistem este, în acelasi timp, diferit de “vãrul” sãu – hidrocarburile conventionale – ca structurã, operatii si tehnici folosite.

O datã cu scãderea pretului petrolului, în ultimele sase luni, tonul mass-mediilor care prezintã industria hidrocarburilor neconventionale din SUA s-a schimbat, de la extaz la alarmã si pesimism. Câteva exemple recente includ “Scãderea pretului petrolului forteazã Dakota de Nord sã considere austeritatea” (New York Times), “ScÄfderea pre`E>ului petrolului loveste în cheltuielile pentru investitiile de afaceri” (Wall Street Journal), “Boom-ul petrolului american nu va dura mult timp la $65/baril” (Bloomberg Business), “Revolutia argilelor petrolifere este în pericol” (Fortune) sau “Statele Unite nu vor deveni `Noua Arabie Sauditã´ a energiei globale” (Telegraph).

Alte mass-media raporteazã scãderea numãrului de instalatii de foraj ca semn al declinului industriei hidrocarburilor neconventionale, ceea ce este un indicator irelevant. Datoritã avansurilor tehnologice, companiile produc astãzi mai mult titei cu douã instalatii decît cu trei instalatii doar cu putin timp în urmã, uneori chiar cu cheltuieli per total mai putine[4].

Parafrazând o butadã celebrã, as spune cã “zvonurile despre moartea fracturãrii hidraulice sunt binisor exagerate”.

Industria gazelor si petrolului de sist este diferitã de predecesoarea sa, cea a hidrocarburilor conventionale. Dar, în final, ca oricare altã tehnologie, fracturarea hidraulicã a argilelor este utilã si viabilã numai dacã reuseste sã ofere produsele cerute de piatã la preturi tot mai scãzute. Si aici apar întrebãrile fundamentale ale analistilor si investitorilor în legãturã cu viitorul industriei hidrocarburilor neconventionale: Încotro se îndreaptã fracturarea hidraulicã? Se poate extrage mai mult petrol si gaze cu cheltuieli scãzute si cu mai putine instalatii de foraj/extractie?

Posibile rãspunsuri sunt oferite, dupã pãrerea mea, de noua fazã spre care se îndreaptã tehnologia si pe care o numesc


Fracturarea hidraulicã 2.0: 2015 – ?

Existã trei variabile interconectate care controleazã pretul si disponibilitatea petrolului si gazelor: politica, banii si tehnologia. Guvernele, cu exceptia celui american, detin 4 drepturile minerale si astfel contr0leazã accesul la terenurile cu hidrocarburi în subsol. În plus, guvernele pot controla libertãtile afacerilor (prin permise, taxe, redevente, amenzi etc.). Accesul la capital si natura politicii fiscale dintr-o tarã sunt de asemenea elemente critice ale dezvoltãrii unei industrii care foloseste intensiv sume mari de bani. Dar ultima variabilã, tehnologia, este cea mai importantã. Sã ne gândim doar la faptul cã petrolul si gazul stau de milioane de ani în pãmânt, în cantitãti uriase si pe întreaga planetã. Însã fãrã tehnologia adecvatã pentru gãsirea si aducerea lor la suprafatã, nici un guvern si nicio o bancã din lume nu ar putea face nimic. Pe scurt, dacã tehnologie nu e, nimic nu e…

Fracturarea hidraulicã 2.0 va marca un nou triumf tehnologic, augmentându-l si depãsindu-l pe cel din faza 1.0. Aspectele tehnologice pe care le prevãd ca fiind componente ale noii faze îmbrãtiseazã varii componente ale fracturãrii hidraulice, unele functionând deja. Îmbunãtãtiri incrementale, dar si dramatice, vor apãrea în echipamentul de foraj/extractie (“platforme umblãtoare” – walking rigs, forarea pe bandã rulantã – drilling/oil factory[5]), în strategiile de selectie a locatiilor- highgrading, logisticã, planificare, prospectiunea seismicã, chimia aditivilor de fracturare, dispunerea forajelor în perimetrul de exploatare, manipularea nisipului si fluidelor de fracturare, viteza de foraj, eficienta pompelor, instrumentatie, senzori, lasere de mare putere etc.[6] Anticipez, de asemenea, cã exploatarea viitoare a argilelor gazeifere si petrolifere va beneficia substantial de pe urma introducerii unor automatizãri avansate de tip foraj complet automat, cu sisteme de control al presiunii (care vor elimina accidente de tip eruptii), cu computere mobile, roboti sau drone industriale.

Mã voi limita însã doar la descrierea acelor aspecte de care sunt mai legat prin propria experientã si cercetãrile efectuate de grupul meu de la Brooklyn College.


Rocile digitale 
sunt un concept care se desparte dramatic de vechea imagine a geologului cu busola si ciocanul în mâini, cu harta pe genunchi, cu rucsacul plin de probe pentru laborator, petrecând sãptãmâni si luni pe teren pentru a smulge subsolului secrete bine ascunse si greu de descifrat. Paradigma cheie a rocilor digitale este “imagine computerizatã”: spatiul poros si matricea mineralã a rocilor sunt “fotografiate” si apoi digitalizate. Dupã care, petrofizicienii sunt capabili, utilizând metode extrem de sofisticate, sã obtinã un grup impresionant de parametri geometrici, de curgere, electrici si mecanici ai rocii analizate: porozitate, distributia mãrimii porilor, permeabilitãti absolute si relative, curve de presiune capilarã, factorul de formatie, exponentii de cimentare si saturatie cu diverse fluide, modulii elastici etc., etc.

La începutul lunii mai am avut sansa de a participa la si a face o prezentare în cadrul unui simpozion organizat de Society of Petrophysicists and Well Log Analysts. Manifestarea, intitulatã Topical Conference on Pore-Scale Imaging and Digital Rocks: Expanding the Petrophysical Toolkit, a strâns 60 de experti de pe patru continente care 5 au demonstrat cã noua fazã a fracturãrii hidraulice a argilelor se va desfãsura predominat la scara nano- sisubnano-porilor. Adicã acele spatii, umplute cu apã, petrol si 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 si descifra secretele, tehnologia vizualã, capabilã sã producã roci digitale, trebuie sã ofere instrumentele performante de observare, scanare, eliminare a zgomotului electronic, filtrare, segmentare etc. Participantilor la simpozionul amintit li s-a oferit posibilitatea de a vizita compania FEI din Hillsboro, Oregon (acelasi oras unde se gãseste si celebra companie Intel). Am putut astfel sã vãd pentru prima oarã structura rocilor si fluidele continute în porii lor la rezolutii care atingeau 0,05 nanometri (5 x 10-11 m), adicã foarte aproape de vizualizarea atomilor si moleculelor individuale de hidrocarburi. Concluzia acelei vizite a fost cã rezervoarele neconventionale detin un potential productiv impresionant, pe care tehnologia rocilor digitale îl va fructifica în perioada imediat urmãtoare.

Inteligenta artificialã grupeazã acele sisteme computationale capabile sã execute sarcini, care în mod normal necesitã inteligentã umanã sau manifestãri biologice specifice. De exemplu, retelele neuronale artificiale (Artificial Neural Networks- ANN) sunt o familie de modele de învãtare statisticã inspirate de retelele neuronale biologice (sistemul nervos central al mamiferelor, în particular creierul). În cazul studiat de mine, am folosit ANN ca instrument de explorare si dezvoltare, care permite o transformare rapidã si usoarã a unor date existente în altele non-existente, dar de o valoare foarte mare pentru rezervoarele neconventionale.

Într-un alt studiu, am folosit algoritmii genetici – o transformare matematicã a teoriei darwiniene a selectiei naturale si a luptei pentru supravietuire (survival of the fittest), folosind tehnici inspirate de evolutia organismelor, precum mostenire, mutatii, selectie, încrucisare, cromozomi, alele. Scopul major al folosirii acestei metode de inteligentã artificialã a fost generarea de solutii pentru optimizarea unor probleme care apar atunci când cantitatea de date este imensã (big data), cu nivele de incertitudine variabile si cu o varietate tipologicã pe care trebuie sã o pãstrãm.

Importanta deosebitã a utilizãrii metodelor de inteligentã artificialã în varii domenii ale explorãrii si exploatãrii hidrocarburilor a fost motivul pentru care celebra editurã Springer mi-a solicitat sã alcãtuiesc o selectie a celor mai interesante si valoroase contributii actuale în domeniu. Astfel am publicat Artificial Intelligent Approaches in Petroleum Geosciences, o colectie provocatoare si incitantã de exemplificãri ale folosirii inteligentei artificiale în rezolvarea unor probleme complexe cu care se confruntã fracturarea hidraulicã în noua sa fazã: analiza incertitudinilor, estimarea riscurilor, extragerea datelor utile (data mining), tehnici de învãtare a masinilor, analiza si interpretarea datelor, fuziunea unor informatii diverse, provenind din petrofizicã, seismicã 3-D, carotaj geofizic, date de productie s.a.

Soft computing reprezintã un set de tehnici computationale menite sã gãseascã solutii la probleme pentru care nu existã nici o modalitate de a le rezolva analitic, sau probleme care ar putea fi rezolvate, teoretic, dar practic este imposibil, din cauza necesitãtii de resurse uriase si/sau de timp enorm necesare pentru calcul. În cazul acestor probleme, metodele folosind inteligentã artificialã sunt, de cele mai multe ori, eficiente si efective. Desi solutiile obtinute prin aceste metode nu sunt întotdeauna identice cu solutiile analitice, o solutieaproape optimã este uneori suficientã în practicã. Scopul principal al tehnicilor de soft computing este de a sprijini sistemele nevoite sã se confrunte cu imensitatea, complexitatea si incertitudinile datelor stocate. Obtinerea de rezultate întrun anumit timp timp este un alt aspect care necesitã instrumente de soft computing pentru a îmbunãtãti performanta lor oriunde timpul este un factor important. Spre deosebire de sistemele computationale conventionale (hard), soft computing-ul este tolerant în ceea ce priveste imprecizia, incertitudinea sau adevãrurile partiale. Misiunea lui este transformarea datelor în informatie si a informatiei în cunoastere. Si de aici rezultã importanta unui ultim aspect al fracturãrii hidraulice 2.0.

Bazele de data uriase (Big data). O datã cu introducerea fracturãrii hidraulice 1.0, numãrul de foraje orizontale a explodat, ajungând la sute de mii numai în Statele Unite, iar lungimea lor totalã însumeazã peste 600.000 km, suficientã sã înconjoare Pãmântul de 15 ori! Cantitatea de date generate în prezent de un singur foraj fracturat hidraulic variazã între 1 si 15 TB (terabyte). Dacã considerãm existenta a circa 300.000 de foraje sãpate pânã acum si o medie de 2 TB per foraj, rezultã o cifrã ametitoare pentru cantitatea de date existente (big data): 600 PB (petabytes)!! Pentru comparatie, întreg sistemul digital global de sãnãtate însumeazã doar 500 PB[7].

Datele acumulate de industrie provin din explorarea, fracturarea, extragerea si deplasarea hidrocarburilor neconventionale. Întrebarea este: Ce se poate face cu o asemenea cantitate uriasã de date, care, precis, va creste în viitor? Rãspunsul scurt este:

Analizati-le! Analiza bazelor de date cuprinde trei categorii primare[8]:

1. Analiza descriptivã, care ne spune ce s-a întâmplat deja;

2. Analiza predictivã, care ne spune ce se va întâmpla;

3. Analiza prescriptivã, care ne spune ce se va întâmpla, când, de ce si cum sã îmbunãtãtim viitorul prezis

Folosind imensul rezervor de date disponibil, analiza prescriptivã poate sã descopere perspective cheie, sã prevadã probleme si oportunitãti si sã prescrie cea mai bunã directie de actiune. De exemplu, operatorii industriali care exploreazã si exploateazã rezervoarele neconventionale au posibilitatea de alege cu mai mult succes locul de forare, portiunile de fracturarea, modul de exploatare a forajelor. Procedând în acest mod, creste productia, scad costurile si se evitã consecinte ecologice adverse.

La baza analizei Big data se aflã software-ul. Bill Gates a prezis încã din 2011: “Singurul lucru diferit astãzi în energie este software-ul, care schimbã jocul”[9]. Cu alte cuvinte, potentialul productiv al bazelor de date necesitã aportul unor noi abordãri, precum inteligenta artificialã, pentru realizarea sa deplinã. Big data înseamnã mai mult petrol si gaze!

Fracturarea hidraulicã 2.0 este pregãtitã sã preia stafeta de la faza precedentã. Cred cã are toate sansele de a efectua o cursã câstigãtoare, la capãtul cãreia ideea al cãrei timp a venit va fi, încã o datã, victorioasã.

 

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.

[1]EIA, “U.S. Natural Gas Imports & Exports 2014”, http://www.eia.gov/naturalgas/importsexports/annual/

[2] EIA, “US oil production growth in 2014 was largest in more than 100 years”, 30 martie 2015, http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm?id=20572

[3]EIA International Energy Statistics, http://www.eia.gov/cfapps/ipdbproject/iedindex3.cfm?tid=5&pid=5&aid=2&cid=ww,&syid=1986&eyid=2013&unit=TBPD

[4] Michael Fitzsimmons, “Statoil: U.S. Shale Overview and Company Update,” Seeking Alpha, 22 decembrie 2014, http://seekingalpha.com/article/2771615-statoil-u-s-shale-overview-and-company-update

[5]Michael McDonald, “This Innovation Will Help U.S. Companies Win The Oil Price War”, 19 mai 2015,  http://oilprice.com/Energy/Oil-Prices/This-Innovation-Will-Help-U.S.-Companies-Win-The-Oil-Price-War.html

[6] Vezi exemple ale companiei Foro Energy, http://www.foroenergy.com

[7] 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.

[8] Atanu Basu, “What the Frack: U.S. Energy Prowess With Shale, Big Data Analytics”, http://www.wired.com/2014/01/big-data-analytics-can-deliver-u-s-energy-independence/

[9] Bill Gates on Energy Innovation, 28 noiembrie 2011, http://www.valuewalk.com/2011/11/bill-gates-energy-innovation/

 


[*] Acest articol a fost publicat pe Contributors.ro la 28 mai 2015, http://www.contributors.ro/economie/fracturarea-hidraulica-2-0-roci-digitale-inteligen%C8%9Ba-artificiala-big-data-%C8%99i-soft-computing/

 

Tags: , , , , , , , , , ,