PNIPU

Сланцевый газ – это природный газ, который находится не в свободных подземных пустотах, как в обычных месторождениях, а глубоко внутри особо плотных горных пород – сланцев. Его трудно добывать без специальных технологий. Чтобы его извлечь, в пласте искусственно создают дополнительные трещины, используя технологию гидроразрыва. Однако сланцевые породы отличаются сложной и непредсказуемой структурой, сильной слоистостью и хрупкостью. Поэтому важно заранее изучить, как материал поведет себя во время такой операции, и в каких именно зонах ее проведение будет наиболее эффективно. Ученые Пермского Политеха и Китайского университета нефти и газа предложили новый метод, позволяющий виртуально исследовать сланец на компьютере без дорогих лабораторных испытаний. Способ позволяет на микроуровне изучить структуру минерала и с точностью до 90% предсказать, какие места лучше всего подходят для создания трещин. Это повысит успешность технологии гидроразрыва, минимизирует риски обрушений, снизит затраты и увеличит уровень добычи газа.

Статья с результатами опубликована в журнале «Society of Petroleum Engineers», 2025. Исследование выполнено при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (№ 52374027) и Правительства Пермского края (№ СЭД-26-08-08-32).

Сланцевый газ состоит преимущественно из метана и используется как альтернатива традиционному газу: в качестве химического сырья для производства пластмассы, удобрений, смол и других продуктов, для отопления домов и как топливо в автомобилях и электроэнергетике. Его запасы в мире велики и во многих отраслях промышленности он способен заменить уголь, тем самым снизив выбросы углекислого газа в атмосферу.

Однако из-за тектонических особенностей породы, плотности и разнородного минерального состава добывать газ из сланцевых пород сложнее, чем из песчаников, карбонатных или угольных пластов. Особенно с больших глубин (более 3,5 километров). Поэтому, чтобы повысить эффективность гидроразрыва в таких условиях, важно заранее определить, в каких зонах выгоднее создавать дополнительные трещины. Без точного прогноза легко ошибиться с выбором места, что может вызвать обрушение пласта, утечку газа в атмосферу и пустую трату многомиллионных вложений на выполнение операции.

Обычно для этого проводят лабораторные испытания керна – образцов, извлеченных из скважин. Они помогают изучить механические свойства породы и понять, как она может деформироваться при гидроразрыве пласта. Однако для экспериментов требуется большое количество подобных образцов, а их добыча в глубокозалегающих пластах – это трудоемкий и дорогостоящий процесс. Также лабораторный анализ не учитывает неоднородность сланцев – их слоистость, пористую структуру и сложный минеральный состав, что может неправильно сказаться на результатах анализа.

Современные технические возможности позволяют с высокой точностью быстро и дешево воспроизводить горные породы с различными характеристиками в цифровом виде. А также многократно проводить виртуальные эксперименты и моделировать их деформацию в различных условиях.

Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Китая разработали метод, который на основе детализированных трехмерных цифровых моделей керна позволяет спрогнозировать успешность гидроразрыва пласта в глубоких слоях сланцевых месторождений.

– Путем сканирования горной породы компьютерной томографией и обработки снимков электронной микроскопией мы создали настоящий трехмерный цифровой двойник керна, с помощью которого узнали точную структурную информацию о породе – пористость, микротрещины и минеральный состав сланца, включающий глину, кварц, полевой шпат и пирит. Сравнение с реальными образцами доказало правильность созданного 3D-образца. Погрешность составила всего 3-9%, – рассказывает Владимир Поплыгин, директор Когалымского филиала ПНИПУ, кандидат технических наук.

Далее эксперты смоделировали проведение гидроразрыва и рассчитали, как именно трехмерная модель керна деформируется под нагрузкой и какие параметры на это влияют. Результаты показали, что чувствительность сланцевой породы к повышению трещиноватости зависит от угла падения трещины и пласта, их плотности, твердости, длины, хрупкости минералов в составе, а также возникающих напряжений в процессе.

На основе полученных данных ученые разработали комплексную модель для оценки проницаемости глубоких сланцевых резервуаров, которая учитывает все эти факторы и позволяет предсказать зоны, где проведение гидроразрыва пройдет наиболее эффективно.

– Правильность прогнозирования модели мы оценили на практике в условиях сланцевого газового месторождения в Китае. На основе результатов модели был разработан подходящий сценарий операции и проведен гидроразрыв на двух участках разной глубины (3580-3640 и 3660-3730 метров). В первой зоне начальная добыча газа оказалась высокая, но коэффициент извлечения низкий. Напротив, для второй зоны характерны высокая начальная добыча и высокий коэффициент извлечения. Наша разработка достаточно точно предсказала эти различия, что подтверждает достоверность моделирования трещиноватости с помощью цифровой технологии, – поделился Владимир Поплыгин.

По словам исследователей в России такая разработка может быть полезна при добыче углеводородов из Баженовской Доманиковой свит на Урале и в Западной Сибири – комплексы нефтематеринских пород, которые характеризуются низкой проницаемостью пластов.

Методика ученых Пермского Политеха и Китайского университета позволяет повысить уровень добычи газа на основе реальных данных без дорогостоящих лабораторных исследований. Модель, предсказывающая успешность гидроразрыва пласта, повысит его эффективность, а также сократит время и затраты на подготовку и проведение операции.

Согласно данным статистики антивируса Dr.Web, в 2024 году общее число обнаруженных угроз увеличилось на 26,20%, а число уникальных угроз (с использованием конкретного вирусного ПО) – на 51,22%. Одним из самых распространенных последствий кибератак стала утечка конфиденциальной информации и данных пользователей: 72% таких случаев затронули частных лиц, а 54% — организации. Часто при этом злоумышленники используют стилеры – один из классов вредоносного программного обеспечения, которые используются для несанкционированного доступа к паролям, банковским данным и другой личной информации. Ученые Пермского Политеха разработали и протестировали код для обнаружения этих угроз. Он показал эффективность в 93% случаев.

Статья опубликована в сборнике материалов конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», том 2, 2024. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Стилер (от английского stealer – похититель) — это тип вредоносного ПО, разработанный специально для кражи данных с зараженного компьютера. Они направлены на сбор логинов, паролей, кредитных карт, файлов браузеров, истории просмотров и другой информации о системе. Эти программы часто используются в цепочке сложных атак, где начальный этап — сбор информации, а следующий — использование полученных данных для более серьезных проникновений, например, в корпоративные системы или облачные хранилища. Распространяются стилеры через мошеннические письма, поддельные сайты, спам-рекламу и даже имитацию пиратского программного обеспечения (читы для игр). Они представляют угрозу не только для частных пользователей, но и для компаний, а украденные данные могут использоваться для целевых атак или мошенничества.

Одним из наиболее опасных представителей этого класса стал Lumma Stealer — вирус, который активно используется киберпреступниками. Он маскируется под файлы с двойным расширением (по типу pdf.exe), чтобы обмануть пользователей. Распространяется он через поддельные сайты по переводу файлов из одного формата в другой: из документа Microsoft Word в PDF, из видео в аудио и так далее. Происходит это так: человек загружает на сайт документ формата, например, docx, конвертирует, а в результате скачивает файл вида document.pdf.exe, где и находится вирус. После запуска такого файла (а, на самом деле, программы) Lumma начинает свою работу: внедряется в систему, скрывает следы своего присутствия и собирает личные данные.

Методы многих современных антивирусов не всегда хорошо работают против конкретных стилеров, поскольку не отличаются гибкостью. Lumma использует продвинутую технику под названием Hollowing Injection: она позволяет ему маскироваться под легитимные процессы Windows. Это делает вирус особенно трудным для обнаружения традиционными средствами защиты.

Для борьбы с такими угрозами все чаще используется открытый инструмент YARA — это не конкретная программа, а система правил (кодов), которые предназначены для обнаружения вредоносного ПО. Это скорее напоминает язык программирования. Правила работают на основе уникальных шаблонов, которые каждый специалист может разработать индивидуально под конкретные задачи.

Ученые Пермского Политеха разработали уникальный набор правил YARA для обнаружения вирусов класса Lumma Stealer. Для этого они провели детальный анализ поведения вредоносного ПО и сформулировали уникальные строки и условия, по которым система будет определять наличие заражения в файлах.

– Наш способ анализирует поведение вируса: какие процессы он запускает, с какими файлами взаимодействует, пытается ли использовать какие-то техники для скрытия своей работы и так далее. Такой подход позволяет понять характерное поведение стилера, даже если его код был изменен или замаскирован. Также метод ученых обращает внимание на сигнатуры – это своего рода «отпечаток пальца» вредоносной программы, то есть уникальная последовательность байтов или строк, – рассказывает Дарья Тарутина, магистрант кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.

Сочетание этих двух методов дает высокую точность обнаружения и возможность быстро реагировать на угрозы. Кроме того, эти условия можно легко адаптировать под другие семейства стилеров.

– Разработанные нами правила YARA ищут специфические строки, характерные для Lumma, внутри исполняемых файлов. Работа метода была протестирована в изолированной среде на Windows 10. Сканирование проводилось для 192 файлов, из них 94 вредоносных. Результаты показали высокую эффективность: обнаружено 93% зараженных элементов, – комментирует Андрей Кокоулин, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Благодаря простоте и гибкости этот инструмент может быть легко интегрирован в системы мониторинга, антивирусные решения и платформы обнаружения угроз. Кроме того, разработка собственных правил позволяет организациям реагировать на новые угрозы оперативно, не дожидаясь обновлений от антивирусов. Это особенно важно в условиях роста числа новых вредоносных программ, которые могут быстро изменять свои характеристики и обходить стандартные методы обнаружения.

Оптическое волокно способно воспринимать звуки и вибрации различной частоты. Благодаря этому на его основе создаются распределенные акустические датчики – DAS-системы. Это делает их полезным инструментом в разведке, транспортировке и переработке нефти и газа, а также в отслеживании состояния конструкций и охране периметров. Последние исследования открывают новые перспективы этой технологии в области сельского хозяйства и биологии для мониторинга растений и локализации вредителей. Так, науке уже известна способность DAS-систем находить признаки заражения деревьев личинками насекомых на ранних стадиях развития. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН впервые успешно записали акустические сигналы и определили местонахождение одного отдельного насекомого – мадагаскарского шипящего таракана. Исследование открывает потенциал оптоволоконной технологии для раннего обнаружения вредителей в сельском хозяйстве по их акустическим следам и для отслеживания изменений в экосистеме.

Статья с результатами опубликована в журнале «Sensors», 2025. Исследование выполнено в рамках государственных заданий (№ 122031100058-3, № 124020600009-2) и при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-79-30017).

Воздействие звука или вибрации на оптическое волокно вызывает изменения в световом сигнале, распространяющемся по нему. Эти изменения регистрируются и преобразуются в данные о местоположении и характере события. Получая информацию об этом, специалист может выявить утечку нефти, движение техники или начало разрушения здания.

Однако в области сельского хозяйства такая технология еще не получила широкого распространения, но имеет большой потенциал в вопросах раннего обнаружения вредителей на крупных плантациях, отслеживания миграции животных и насекомых и выявления изменений в окружающей среде.

Научное сообщество уже получило положительный опыт в определении заражения деревьев личинками пальмового долгоносика (вредителя, уничтожающего пальмы). Оптоволоконные датчики позволили записать звуки жизнедеятельности большой колонии насекомых внутри древесины. Однако потенциал системы для обнаружения малого количества вредителей и не в звукопроводящих средах пока не исследовался.

Ученые ПФИЦ УрО РАН и Пермского Политеха впервые изучили возможность регистрации акустического сигнала отдельного насекомого с помощью DAS вне древесной среды. В качестве объекта использовали мадагаскарского шипящего таракана, который удобен в научных экспериментах благодаря своему крупному размеру и отсутствию крыльев. В результате технология позволила не только записать издаваемый звук лишь одного насекомого, но и определить его местоположение в пространстве.

Мадагаскарские тараканы – это крупные (до 10 сантиметров) тропические насекомые, которые живут на деревьях и кустарниках. Они известны своей способностью издавать громкие шипящие звуки для защиты и коммуникации. Акустическая сигнатура шипения таракана охватывает широкий частотный диапазон (0,8–4,6 килогерц).

Для проведения эксперимента ученые ПНИПУ и ПФИЦ УрО РАН собрали специальную экспериментальную установку. Она включает распределенный акустический датчик, принцип действия которого основан на регистрации возмущений, вызванных внешними воздействиями по всей длине волокна.

– В качестве сенсорной платформы выступила виниловая пластинка. Мы нанесли на нее 200 метров оптоволокна по спирали и закрыли края бортиками. Это позволило создать компактный и эффективный чувствительный элемент, фиксирующий звуки и движение таракана по всей поверхности. Для записи сигнала использовали аналого-цифровой преобразователь, а для его обработки (определения местоположения, амплитуды и частоты акустического воздействия) – персональный компьютер со специально созданным программным обеспечением, – объясняет Артем Туров, ассистент кафедры общей физики ПНИПУ, младший научный сотрудник лаборатории агробиофотоники НИИСХ ПФИЦ УрО РАН.

Ученые помещали насекомое на чувствительный элемент и записывали все производимые звуки – шипение и передвижение по волокну. Ученые отмечают, что медленные движения (примерно до 1 см/с) были едва различимы без дополнительной обработки, а траектория движения таракана в основном концентрировалась возле внешнего края пластины. При этом система успешно фиксировала не только акустические колебания в воздухе от шипения, но и физический контакт ног с волокном от быстрого движения насекомого. Записанные при помощи оптоволоконного датчика данные хорошо согласуются с данными от «классического» микрофона и с данными из научных статей прошлых лет.

– Оптоволоконный датчик в нашем исследовании не только записывает звуковые волны, испускаемые тараканом, но и локализует их на плоскости. Эта работа открывает путь к распределенному мониторингу мест обитания насекомых, созданных человеком. Помимо сельскохозяйственных плантаций, уязвимых для вредителей, потенциальное применение включает в себя также мониторинг акустической картины ульев. Глобальное сокращение популяции пчел становится все более актуальной проблемой, и перспективно изучение их поведения с помощью акустического анализа. Подход, продемонстрированный нами, может значительно повысить эффективность таких исследований, внося вклад в более широкую область биоакустики и экологического мониторинга, – рассказывает Юрий Константинов, заведующий лабораторией фотоники ИМСС ПФИЦ УрО РАН.

Во время экспериментов ни один таракан не пострадал. После исследования его вернули в оптимальные условия.

Таким образом, ученые ПФИЦ УрО РАН и Пермского Политеха успешно записали акустический сигнал от одного насекомого, что является важным шагом в разработке новых областей применения оптоволоконных акустических датчиков. Чтобы применить этот метод к еще более мелким организмам, чем мадагаскарский шипящий таракан, эксперты предлагают повысить чувствительность системы и внедрить искусственный интеллект для более качественного и автоматического распознавания звуков в присутствии различных фоновых шумов.

Более 65% нефтедобывающих скважин эксплуатируются штанговыми насосными установками. Однако в условиях роста обводнения породы и истощения месторождений они затрачивают большое количество электроэнергии для эффективной выкачки ресурсов. Поэтому сейчас остро стоит вопрос оптимизации работы установок, чтобы снизить энергопотребление при прежнем уровне добычи нефти. Ученые Пермского Политеха разработали инновационный способ балансировки станка-качалки – ключевого элемента нефтяного насоса. Методика позволит на 7% снизить энергопотребление и на 10% – нагрузку на двигатель, что значительно сократит эксплуатационные затраты и продлит срок службы оборудования.

Статья опубликована в журнале «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», 2025. Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ (проект № FSNM-2023-0005).

Станок-качалка – это механизм, который под действием работы электродвигателя выполняет возвратно-поступательные движения и обеспечивает перекачку нефти штанговым насосом. Для обеспечения равномерности загрузки электродвигателя в процессе качания в станке-качалке применяют роторный противовес, который создает дополнительный момент в процессе подъема колонны штанг, тем самым снижая нагрузку на двигатель.

Однако в условиях сложной разработки месторождений, например, при добыче трудноизвлекаемых запасов нефти, потребление электроэнергии может быть значительно увеличено. Снизить его возможно за счет оптимизации работы и изменения алгоритмов управления электроприводом станка-качалки. Также дополнительное снижение потребления энергии может быть получено за счет оптимальной балансировки роторного противовеса, которой в промышленной практике не уделяют должного внимания.

Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм оптимального уравновешивания станка-качалки. При помощи цифровой модели и технологических переменных установки он рассчитывает оптимальный вес противовеса, установка которого позволит снизить удельное энергопотребление.

Алгоритм разработчиков не нуждается в дополнительной модернизации конструкции, он работает на основе уже доступных параметров работы насоса – углового положения механизмов и электромагнитного момента привода.

– Мы предлагаем алгоритм, который оценивает нагрузку на электродвигатель и угловые координаты станка качалки по цифровой модели, что позволяет рассчитать сбалансированность работы установки в реальном времени, а также выработать рекомендации по изменению веса роторного противовеса, для снижения энергопотребления установки, – рассказывает Савелий Сальников, инженер кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ.

Для проверки эффективности метода ученые создали испытательный стенд, который имитирует работу реального скважинного насоса. Он включает в себя двигатели, частотные преобразователи и главный контроллер, проводящий расчет оптимального уравновешивания максимального момента противовеса. Так, в ходе эксперимента разработчики получили информацию о необходимом снижении максимального момента противовеса с 36 до 32,6 килоньютон-метра (единица измерения момента силы). После установки нужного значения ученые повторно замеряли потребление энергии при тех же скоростях качания и нагрузке.

– В результате замеров мы выяснили, что наш алгоритм на 7,15% снижает потребление электроэнергии, а также на 10,32% снижает среднеквадратичную нагрузку на двигатель за цикл качания, что позволяет сохранить его ресурс. При неизменном режиме эксплуатации скважины энергозатраты можно уменьшить более чем на 10%, – поделился Савелий Сальников.

Практическое применение методики ученых Пермского Политеха значительно снизит потребляемую электроэнергию станком-качалкой в условиях добычи трудноизвлекаемых ресурсов, что позволит сократить затраты на эксплуатацию нефтяного оборудования.