Добыча в Арктике. Технологии для обеспечения безопасности и бесперебойности промысловых операций.

В данной публикации даётся краткое описание мероприятий и технологий, используемых в процессе разведки и разработки морских месторождений в море Бофорта и Чукотском море на шельфе американского штата Аляска. Некоторые из этих технологий уже доведены до стадии промышленного внедрения и будут включены в проекты в области разведки и разработки нефтегазовых месторождений в Арктике; другие – в настоящее время проходят апробацию и найдут своё применение лишь в случае, если будет доказана успешность их использования.

Прогнозирование погоды и ледовой обстановки

Целью любой технологии является повышение эффективности и безопасности операций при минимизации последствий для окружающей среды. Концерн Shell и другие компании нефтегазодобывающей индустрии имеют более чем 50-летний опыт работ в области разведки и разработки месторождений в ледовых условиях. Начало было положено выполнением геологоразведки в 60-е годы двадцатого века в заливе Кука на шельфе Аляски, затем нефтегазовая активность распространилась и на зону айсбергов к востоку от Канады, а затем вышла в район Норвежского моря и продвинулась на север от побережья Норвегии, на дальневосточный шельф России. Таким образом, совершенствование новых арктических технологий происходило на протяжении многих лет. Полученный в одном регионе опыт последовательно применялся в других районах, то же самое планируется сделать и в ходе предстоящей реализации новых нефтегазовых проектов.

Любая деятельность в Арктике, включая проведение сейсмики, разведочного бурения и строительных работ, требует точных и надёжных прогнозов погоды и ледовой обстановки. Поэтому, начиная с 2007 г., концерн Shell организовал в Анкоридже, штат Аляска, службу подготовки комплексного прогноза погоды для поддержки ведения сейсморазведочных работ в летний период. В Центре метеопрогнозов применяются самые современные технологии получения изображений с помощью искусственных спутников земли, математические модели для метеорологических вычислений и программное обеспечение для вывода данных на графопостроитель. С момента основания центра концерн Shell предоставляет результаты его деятельности в распоряжение окружной поисково-спасательной службы округа Норт Слоуп, тем самым помогая ей получать самую точную информацию и эффективно проводить спасательные операции.

В метеоцентр поступают данные из целого ряда источников, при этом наиболее перспективные с технологической точки зрения сведения получают со спутников, оборудованных датчиками РСА (радиолокатор с синтезированной апертурой), а также с применением технологии активных и пассивных микроволновых приборов. Снимки спутника РАДАРСАТ 2 РСА делаются несколько раз в неделю. Интерпретация кромки льда и ледового образования осуществляется опытными специалистами с использованием картографического программного обеспечения для составления подробных карт льдов, гораздо более подробных, чем те, которые предоставляют национальные центры ледового прогнозирования. Затем эти карты направляются техническому персоналу и менеджерам, отвечающим за планирование работ.

Для составления прогноза о том, как может измениться со временем ледовая обстановка, важно знать расположение и состав льдов в самом начале подготовки прогноза. Результаты прогнозирования, полученные с помощью моделирования погодных условий, применяются для составления карт льдов с использованием картографического программного обеспечения, позволяющего аналитикам оценить передвижение ледовых полей в будущем.

В Арктике погодные условия могут кардинально измениться за очень короткое время. Национальные метеорологические службы в настоящее время не предоставляют краткосрочные прогнозы с адекватным анализом условий для небольших районов. Поэтому специально созданная в Shell группа метеорологов с опытом составления прогнозов погоды в Арктике делает на постоянной основе точные «моментальные снимки» текущих метеорологических условий и составляет надёжные метеопрогнозы на будущее.

Контроль ледовой обстановки

Усовершенствованные технологии контроля ледовой обстановки также повышают безопасность бурения и увеличивают продолжительность сезона буровых работ. Строятся новые суда, в конструкции которых учтены уроки прошлого и применены самые современные технологии. Новая форма корпуса морского судна, позволяющая двигаться в тяжёлых льдах с той же скоростью при меньшей мощности двигателей, значительно расширяет возможности контроля над ледовой обстановкой. Другие технологии, также нацеленные на повышение эффективности такого мониторинга, включают в себя:

– совершенные средства связи, позволяющие передавать прогнозы, содержащие значительные объёмы данных;
– бортовые системы формирования и обработки изображений, позволяющие осуществлять визуализацию ледовых масс в условиях плохой видимости;
– а также технологии выработки электроэнергии и манёвренные качества морских судов, которые позволяют снизить энергопотребление.

Беспилотные летательные аппараты

В настоящее время пилотируемые летательные аппараты применяются при выполнении широкого круга работ, например, для мониторинга морских млекопитающих, ледовой обстановки и осмотра трубопровода. С целью обеспечения безопасности такие полёты обычно ограничены пятидесятимильной береговой зоной. Пилотирование лётчиком летательного аппарата в Арктике вдали от берега является опасным предприятием из-за невозможности быстро организовать в подобных условиях поисково-спасательные операции. Поэтому самой перспективной технологией следующего поколения является использование беспилотных летательных аппаратов (БЛА), бортовое радиоэлектронное оборудование которых управляется дистанционно лицензированными пилотами из наземных центров управления полётами. Эта технология была разработана в военных целях для слежения и разведки, и быстро нашла своё применение в гражданском секторе. Беспилотники бывают различных размеров и модификаций: от взлетающих как «с ладони», так и начинающих своё движение со взлётно-посадочных полос.

Беспилотный авиационный комплекс состоит из летательного аппарата с дистанционным управлением, укомплектованного специальными сенсорными системами, наземной станцией, средствами обеспечения пуска и возврата. Использование такого комплекса создаёт многочисленные преимущества, в том числе и за счёт увеличения дальности полётов от береговой линии, позволяя безопасно отслеживать полёт, не подвергая опасности людей. Кроме того, БЛА могут летать ниже обычных летательных аппаратов, в более сложных погодных условиях, и потребляют гораздо меньше горючего. Они могут дольше оставаться в воздухе (более 24 часов) по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами, продолжительность беспосадочного полёта которых составляет от шести до восьми часов. Данные дистанционных приборов наблюдения либо сохраняются в бортовой памяти, либо передаются обратно на стартовую площадку. Разведывательно-сигнальные датчики позволяют с помощью электрооптики делать снимки и производить видеозапись одновременно в различных областях видимой части спектра, а также в инфракрасном диапазоне. В некоторых случаях могут применяться одновременно несколько датчиков. Персонал по-прежнему используется для визуальных наблюдений, но теперь рабочие места пилотов находятся не в воздухе, а на станциях наземного базирования, где люди не подвергаются опасности.

Небольшие БЛА уже активно используются для исследований Арктики благодаря их способности осуществлять взлёт и посадку с поверхности моря. Эти летательные аппараты могут нести полезный груз весом до пяти фунтов, включая видео и фотокамеры, а также датчики инфракрасного излучения. Национальное управление США по исследованию океанов и атмосферы (NOAA) и Национальная лаборатория США по изучению морских млекопитающих провели ряд исследований по применению беспилотных летательных аппаратов. Весной 2009 г. NOAA осуществила запуск небольшого БЛА, оборудованного фотокамерой высокого разрешения, для фотосъёмки котиков в Беринговом море с высоты 300 м над уровнем моря.

Технологии эксплуатационного бурения

Одним из способов уменьшения количества буровых врезов является бурение с большим отходом забоя от вертикали (БОВ). Это даёт возможность проводить разработку морских месторождений с берега и минимизировать количество платформ, необходимых для реализации оффшорных проектов, что особенно актуально в условиях Арктики. В настоящее время максимальная величина отхода забоя скважины БОВ от вертикали, в зависимости от типа разбуриваемых пород и траектории скважины в продуктивном пласте, составляет около 11 км по горизонтали.

Традиционные технологии не позволяют осваивать поисковые объекты, расположенные за пределами этого рубежа. Для постепенного увеличения отхода скважины от вертикали изучаются возможности применения следующих технологий:

– бурение с управлением давлением, при котором на устье скважины используется активное управление давлением потока бурового раствора, восходящего по затрубному пространству между бурильной колонной и стенками скважин;
– применение для обсаживания ствола скважины расширяемых обсадных колонн, когда после обсаживания интервала в скважине стальные обсадные трубы расширяются, позволяя обсаживать следующий интервал буровой скважины обсадными трубами того же самого или немного меньшего диаметра;
– использование нового бурильного инструмента, называемого роторной системой направленного бурения, которая позволяет вращать бурильную колонну при изменении направления траектории скважины.

Кроме того, исследователи работают над увеличением скорости проходки бурением. Более быстрая проходка скважин означает, что в процессе строительства скважин будет расходоваться меньше ресурсов (главным образом в виде сэкономленного дизельного топлива). Разработано новое оборудование, в том числе долота усовершенствованной конструкции, позволяющие бурить породу с более высокой скоростью.

Были созданы и освоены методы одновременного выполнения нескольких видов работ, что включает в себя применение приборов для замера забойных параметров в процессе бурения и каротажа в процессе бурения (вместо инструментов, спускаемых в скважину на канате). К тому же более быстрая проходка достигается за счёт выемки меньшего количества породы благодаря уменьшению диаметра ствола скважины. Повышение эффективности бурения требует соответствующего уровня геолого-технологического контроля, чтобы обеспечить безопасность работ и снизить риск потери управления скважиной. Кроме того, как и в случае любой другой деятельности, в результате постоянного повторения операций скорость их выполнения увеличивается, поскольку персонал обучается работать более эффективно.

Технология ограничения акустического воздействия

В арктических и других холодных морях обитают популяции морских млекопитающих, и некоторые из них, например охотско-корейская популяция серых и гренландских китов, находятся под угрозой исчезновения. Кроме того, гренландские киты являются важным традиционным источником пищи коренных жителей Аляски. Эти млекопитающие в различной степени используют акустические звуковые волны в водной среде для навигации, поиска корма и для связи друг с другом. Поскольку нефтегазовая активность перемещается в эти воды, то производимый деятельностью человека шум может оказывать воздействие на поведение этих животных, зависящее от расположения, расстояния и интенсивности источника.

Решение проблемы достигается двойным способом. С одной стороны, проводится интенсивный мониторинг акустических звуковых волн в водной среде для понимания особенностей поведения морских млекопитающих, обитающих в полярных водах. С другой, проводится разработка и реализация планов контроля шумового загрязнения для минимизации возможного отрицательного воздействия техногенного шума на популяции морских млекопитающих.

Создание планов контроля акустического воздействия позволяет эффективно проводить поисково-разведочные работы и добычу нефти и газа, полностью устраняя или сводя к минимуму влияние шума на охотничьи угодья и поведение морских млекопитающих. Большое количество естественных источников шумов моря (например, волны, дождь, песни китов, креветки, издающие характерные щёлкающие звуки, и другие) создают определённый уровень звукового фона или звуковое окружение. Промышленность добавляет к этому фоновому уровню шум гребных винтов, вибрацию машин и шумы, издаваемые производственным оборудованием на судах, буровыми установками и пневматическими источниками сейсмических сигналов. В то время как уровень фонового шума является в какой-то степени однородным и рассредоточенным по большой площади, промышленный шум большей частью локализован. Целью планов контроля акустического воздействия является недопущение повышения его уровня, при котором он оказывает существенное воздействие на поведение морских млекопитающих. Планы должны учитывать чувствительность различных видов животных к разным звуковым частотам в то или иное время года при проведении различных видов работ. Они также должны принимать во внимание звуковые частоты и уровень шума, производимого оборудованием и судами, используемыми для выполнения морских работ.

Прекрасным примером является план контроля акустического воздействия, реализованный компанией Sakhalin Energy Investment Company Ltd. (в которой доля Shell составляет 27,5%, ОАО «Газпром» – 50% плюс одна акция, Mitsui – 12,5% и Mitsubishi – 10%) совместно с российскими органами охраны окружающей среды, и направленный на защиту находящейся под угрозой исчезновения охотско-корейской популяции серых китов. Пастбища этих китов расположены у острова Сахалин между берегом и буровыми морскими платформами в Охотском море.

Во время монтажа платформ специалистами производилось измерение уровня шума на границах пастбищ, чтобы не допустить его выхода за рамки установленных ограничений. Были согласованы правила внесения изменений или полного прекращения операций в случае выхода уровня шума за эти пределы. При планировании прокладки трубопровода от платформы до берега для выбора маршрута трубопровода были использованы модели волнового поля акустических волн. С помощью моделирования было установлено, на каком расстоянии от китовых пастбищ должно находиться трубоукладочное оборудование, чтобы не допустить превышения уровня акустического воздействия в районах китовых пастбищ.

В качестве входных данных для моделирования источников шума были использованы значения уровня шума, измеренные при выполнении работ судами аналогичного класса. Базовые технологии мониторинга шума не являются инновационными. Тем не менее, последние достижения исследований в области электроники и аккумуляторных батарей позволили создать группы гидрофонов, устанавливаемые на дне и записывающие огромные массивы данных в течение продолжительных периодов времени. Компьютеры с помощью сложнейших алгоритмов анализируют собранные данные, выделяя из них представляющие интерес звуки (например, песни китов).

Аналогичным образом достижения компьютерных технологий сделали реальностью комплексное моделирование волнового поля акустических волн. Соответствующая оценка судов и других сооружений может производиться на стадии их проектирования для прогнозирования уровня и частотного диапазона акустического воздействия на морскую среду. Моделирование звукового сигнала с учётом влияния батиметрии, донных отложений и физических свойств воды позволяет прогнозировать ослабление звука при прохождении через морскую толщу. Эти модели могут быть использованы при планировании работ на морских месторождениях для минимизации акустического воздействия, как это имело место в рамках Сахалинского проекта.

Военно-морской флот всего мира, также как и многие научно-исследовательские организации, при постройке своих судов уже давно применяют на практике концепцию так называемого «бесшумного оборудования». Что подразумевает использование низкокавитационных гребных винтов, звукопоглощающих материалов, виброизоляцию двигателей и другого оборудования. Некоторые из этих технологий по-прежнему засекречены военными, но, тем не менее, большая их часть уже может применяться для изготовления нового оборудования. Поскольку нефтегазовая промышленность приступает к активному освоению Арктики, требования к бесшумности работы оборудования включаются в технические характеристики новых морских судов, буровых установок и платформ.

Для снижения шума, исходящего от уже построенных морских судов и буровых установок, которые были спроектированы без учёта требований по минимизации шума, могут быть использованы наружные звукопоглощающие экраны. Концерном Shell уже испытаны экраны из воздушных пузырьков с целью смягчения последствий акустического воздействия в результате проведения сваезабивных работ и операций по освобождению прихваченных в скважине труб с применением взрывчатых веществ под водой. Тем не менее, применение наружных звукопоглощающих экранов не получило широкого распространения в нефтегазодобывающей промышленности и параметры, необходимые для проектирования эффективного, но, тем не менее, практичного барьера, не являются общеизвестными.

Совсем недавно начались исследования, ставящие своей целью выведение технологии звукопоглощающих экранов на уровень практической реализации. При создании таких конструкций для изменения акустического сопротивления используется воздух. При этом он может находиться в виде свободно всплывающих пузырьков или может быть заключён в некую оболочку. Действие механизма блокирования акустической волны состоит в отражении звуковых волн и их дифракции в результате разницы в акустическом сопротивлении.

Для поглощения определённых акустических частот может также применяться явление резонанса внутри пузырьков воздуха. Характер резонанса зависит от размера пузырьков воздуха, так как пузырьки меньшего размера резонируют при более высоких частотах. Практическое применение явления резонанса может быть ограничено демпфированием более высоких частот, потому что более крупные пузырьки, необходимые для получения резонанса при более низких частотах, обычно являются нестабильными. Для расчёта конструкции таких экранов проводятся компьютерное моделирование и испытания на опытных образцах. Большая часть энергосодержания промышленных источников звука приходится на более низкие частоты, ниже 1000 Гц.

Помимо эффективного снижения шума эти экраны должны быть простыми в обращении, быстро ставиться и сниматься, и, самое главное, обеспечивать безопасность в арктических условиях. Поскольку в конструкции экранов применяется воздух, они обладают повышенной плавучестью и требуют значительного анкерования или балластировки. Они должны выдерживать воздействие ветра, волн и льда, и при этом не мешать выполнению работ. Примером такого звукопоглощающего экрана является система поглощения звука Gunderboom Sound Attenuation System®, разработанная для демпфирования импульсного шума при проведении сваезабивных работ. В конструкции этого экрана в качестве отражающей/поглощающей среды используются пустые, заполненные воздухом сферы. Ведутся исследования по применению этой технологии для ослабления низкочастотных непрерывных шумов от пришвартованных морских судов.

Другим примером недавнего исследования, профинансированного BOEMRE, является разработка средств для демпфирования нежелательного бокового распространения шума, исходящего от пневматических источников сейсмических сигналов. При проведении сейсморазведочных работ шум создаётся специально для визуализации слоёв породы под морским дном. Распространение шума в боковых направлениях является нежелательным и никак не способствует визуализации нижележащих пород. Исследователи рекомендуют для ограничения шума в боковом направлении создавать экраны из движущихся воздушных пузырьков. Простые модели волнового поля акустических волн показывают, что этот метод может быть эффективным. Другие работы, посвящённые изучению распространения и подавления акустических звуковых волн в водной среде, проводятся правительственными организациями, университетами, частным сектором и даже консорциумами (в качестве примера можно привести общеотраслевой проект «Влияние шума на морскую флору и фауну»).

***

Все работы на шельфе Аляски будут проводиться с использованием самых эффективных и соответствующих современным требованиям технологий. При выполнении любых действий главными приоритетами являются безопасность людей и охрана окружающей среды, поэтому применение новых технологий будет осуществляться с учётом всех этих требований. Задачи обеспечения надёжности планируется решать с помощью апробированных практик при неуклонном следовании принципу ответственного подхода к выполнению работ. Помимо использования технических достижений, важным фактором безопасного освоения ресурсов Арктики является сотрудничество между нефтегазовыми компаниями, правительственными организациями, местным населением и всеми заинтересованными сторонами.