Арктика: технологические вызовы.

Опыт Shell на Аляске позволяет оценить главные факторы, влияющие на ведение нефтегазовых работ в арктических условиях. На всём протяжении истории человечества технологии позволяли находить решение ранее остававшихся неразрешимыми задач. Благодаря инновационным технологиям разведка и добыча нефти и газа в морских условиях продвинулась от использования стационарной платформы в Мексиканском заливе на глубине моря 14 м (1948 г.) до разработки углеводородов посредством заякоренных платформ на глубине 2,5 км в настоящее время.

Препятствия преодолимы

Современные морские добывающие платформы успешно выдерживают землетрясения, волны 30-метровой высоты, ветры ураганной силы. В настоящее время нефтегазовой промышленностью осваивается новый технологический рубеж – работа на шельфе в арктических условиях. На Аляске, после открытия нефти и газа в Заливе Кука в шестидесятые годы двадцатого века, инновации стали ключевым фактором, позволившим начать проектирование первых морских платформ, предназначенных для работы в покрытых льдом водах. В 1987 г. в районе острова Эндикот началась морская добыча нефти в зоне припайного льда на трёхметровой глубине. Технология развивается: в настоящее время начинается разведывательное бурение на месторождениях в зоне подвижного пакового льда.

Технологические достижения жизненно необходимы для обеспечения безопасной эксплуатации и проектирования объектов. Кроме того, они являются залогом снижения риска проводимых в арктическом регионе работ для людей и окружающей среды. Технологии применяются для расширения наших знаний о морских млекопитающих, а также для поиска новых решений, позволяющих значительно сократить воздействие работ по геологоразведочному бурению и добыче углеводородов на их популяции. Так, например, концерном Shell проводятся исследования по снижению шума, который может неблагоприятно воздействовать на морских млекопитающих. Кроме того, специалисты компании разрабатывают технологии, способные уменьшить риск для человеческой жизни за счёт замены пилотируемых разведывательных воздушных судов беспилотными воздушными судами для мониторинга льдов и изучения поведения морских млекопитающих.

Условия ведения разведки и добычи углеводородного сырья в арктических условиях определяются целым рядом факторов:

– чётко различимые летний и зимний сезоны;
– чрезвычайно холодная зима с долгой полярной ночью;
– вечная мерзлота;
– наличие морского льда;
– ограниченная видимость вследствие тумана и метели;
– удалённость от экспортной инфраструктуры;
– а также ограниченный доступ к инфраструктуре снабжения и поддержки.

Кроме того, важными факторами являются наличие в регионе популяций морских млекопитающих и перелётных птиц, а также уникальной природной среды тундры и тайги. По всем вышеуказанным причинам технологические исследования и разработки являются главной особенностью освоения Арктики, направленной на дальнейшую безопасную и ответственную разработку энергетических ресурсов при одновременном снижении воздействия на окружающую среду.

Ледовые условия

Морской лёд представляет собой главную проблему для любой деятельности, осуществляемой на шельфе Аляски в Чукотском море и в море Бофорта. Он оказывает влияние на все работы, производимые на поверхности моря. Наличие морского льда может принудить к изменениям графика или даже к полному прекращению выполняемых работ. Нефтегазовая деятельность в зимний период требует досконального знания о прочности, подвижности, а также общей морфологии льда. В число характерных особенностей входят: сезонное развитие; состав – однолетний или переживший летнее таяние, многолетний лед; концентрация этих различных типов; типы ледяных образований (ледяные поля, торосы, наслоенный лёд); скорость их движения; свойства, связанные с механической прочностью.

Сбор данных по этим позициям осуществляется учёными с начала семидесятых годов, при этом визуальные наблюдения льда с воздуха велись ещё в пятидесятые годы двадцатого столетия. С начала двадцать первого века задокументированы увеличение продолжительности сезона открытой воды, поздний ледостав и раннее вскрытие ледяного покрова. Летом 2007 г. наблюдался рекордный минимум распространения арктического морского льда. Кроме того, с тех пор как отрасль приступила к мониторингу морской среды на Аляске, изменилось соотношение однолетнего и многолетнего льда. Объёмы многолетнего льда никогда не отличались постоянством, но после 90-х годов прошлого столетия они весьма значительно уменьшились. Проблема для нефтегазовой промышленности в регионе заключается в том, чтобы учесть все эти тенденции в конструкции эксплуатационного объекта, срок службы которого составляет не менее 40 лет.

Технология является важнейшим фактором, определяющим сбор ледовых данных. Один из методов получения данных о скорости и направлении дрейфа льдов заключается в установке на ледяных полях буев, отслеживаемых затем со спутников. Международная программа арктических буев (IABP) располагает обширной сетью буев, мониторинг которой осуществляется ежемесячно, таким образом отслеживается дрейф арктических льдов. Shell занимается установкой буев у побережья Аляски с 2007 г. по настоящее время. Если в процессе дрейфа буй выходит в северную часть Чукотского моря, данные передаются по сети IABP.

Другой метод получения информации о дрейфе льдов заключается в использовании гидролокатора верхнего обзора (ГВО) совместно с акустическим измерителем течений, принцип работы которого основан на эффекте Допплера (АИТЭД). ГВО, установленный на дне моря (при сравнительно небольшой глубине моря) или в толще воды (при значительных глубинах), измеряет время, необходимое для возврата сигнала, отражённого от нижней стороны льда, с целью определения глубины киля судна. АИТЭД использует аналогичную технологию для определения скорости течения воды на горизонтальных уровнях, исходя из времени, выделенного сигнала для возвращения. Сопоставляя информацию о глубине киля, полученную посредством ГВО, со сведениями о скорости течения воды непосредственно под килем, добытые посредством АИТЭД, исследователи получают данные о скорости дрейфа льдов. Если применение буёв обеспечивает поступление региональных данных для целей планирования нефтегазовой деятельности, то информация, получаемая с помощью ГВО и АИТЭД, помогает выбрать будущую рабочую площадку, что необходимо уже на этапе проектирования платформы.

Данные стереоскопической аэрофотосъёмки (по существу, набор фотографий, снятых с воздуха, с перекрытием не менее 60%) также используются исследователями для решения целого ряда задач. Так, просмотр полученных фотографий, осуществляемый на стереоскопических устройствах, позволяет оценить высоту, ширину, объём и, таким образом определить тип льда, размеры ледяного поля, размеры тороса, а также объём и размеры ледяного острова или айсберга.

Важным параметром является толщина льда. Для определения этого параметра исследователям приходится бурить во льду скважины. Это, как правило, трудоёмкий и длительный процесс. Технологические достижения в области измерения толщины льда методом электромагнитной индукции позволяют учёным надеяться на ускорение сбора и получение более обширных массивов данных в дальнейшем. Специальные системы, установленные на вертолётах, способны быстро предоставлять сведения по целым ледяным полям. Исследователи говорят, что эти системы возможно потребуется дополнительно усовершенствовать для измерения толщины многослойного льда свыше пяти метров.

Механические свойства ледяного поля, такие как прочность на сжатие и изгиб, также являются важными параметрами, определение которых осуществляется посредством измерений на месте: сбора ледяных кернов и блоков для последующих лабораторных испытаний, а также измерений посредством устройств, оснащённых контрольно-измерительными приборами. По мере развития отраслевых знаний данный процесс прошёл путь от мелкомасштабного испытания небольших фрагментов льда (размером 10-30 см) до крупномасштабного испытания значительной части или даже всей толщины ледяного пласта. Эти исследования являются дорогостоящими, поскольку требуют наличия на рабочей площадке значительных объёмов контрольно-измерительного оборудования и многочисленного персонала для их проведения. Для снижения этих расходов необходимо дальнейшее развитие технологий. Например, методы испытания толщи льда на различных её участках для получения вертикальных профилей прочности посредством скважинного домкрата позволяют учёным надеяться, что проблема будет скоро решена.

Другие методы получения крупномасштабных данных о прочности льда ориентируются на показатели прочности на сдвиг консолидированных и неконсолидированных слоёв однолетних торосов. Для получения данных в отношении площадей измерений менее одного квадратного метра на рабочей площадке используются гидравлические домкраты средней мощности, что позволяет добыть сведения относительно вертикальной прочности обоих слоёв. Исследователями также прорабатываются методы определения горизонтальной прочности на сдвиг.

Для получения данных относительно профиля и толщины киля тороса гидролокатор кругового обзора опускают в скважину, пробуренную во льду. Эта технология позволяет получать двух- и трёхмерные данные, однако их точность пока вызывает у исследователей сомнения. Новая многообещающая технология предусматривает использование многолучевого гидролокатора верхнего обзора, установленного на автономный подводный аппарат. Этот подход позволяет значительно повысить точность данных, поскольку обеспечивает получение полных трёхмерных измерений в отношении киля, однако объёмы этих данных могут оказаться чрезмерными. Для быстрого получения и обработки информации необходимы соответствующие методы анализа. Одна из главных проблем, с которой столкнулись нефтяники в море Бофорта, являются ледяные острова, представляющие собой крупные, обособленные, плоские ледяные образования. Как правило, эти ледяные острова откалываются от шельфовых ледников на северо-западе острова Элсмир. Учёные зафиксировали, что однажды в результате такого откалывания возник ледяной остров площадью 60 км2. Дрейф этого ледяного острова отслеживался посредством спутниковых буев.

В пределах арктической зоны Аляски наличие айсбергов не является серьёзной проблемой. Тем не менее, в другом арктическом регионе Баренцева моря айсберги представляют серьёзную угрозу для ведения нефтегазовой деятельности. Дрейф и скорость их перемещения – два важных параметра, которые необходимо учитывать для планирования геологоразведочных работ, а также для проектирования эксплуатационных объектов в российских арктических регионах. Для получения данных о дрейфе айсбергов используют последовательно выполненные спутниковые фотографии, с помощью которых осуществляется отслеживание крупных айсбергов. Данные относительно перемещения льда добывают посредством буёв, установленных на айсбергах и отслеживаемых с помощью спутников.

Учёные утверждают, что для получения данных о размерах айсбергов и ледяных островов можно использовать также стереоскопические аэрофотоснимки. Сведения о подводных профилях можно получить посредством вертикального спуска гидролокатора кругового обзора. Полные трёхмерные данные о подводных размерах айсберга – посредством горизонтального сканирования секторов, сопряжённых друг с другом на одной и той же глубине. Объединение результатов сканирования на всех глубинах позволит получить трёхмерное изображение. Однако установка гидролокатора на подводный аппарат для получения этих данных обсуждалась, но до сих пор не опробована.

Гидрометеорологические условия

Гидрометеорологические данные, совмещающие в себе метеорологические и океанографические сведения, также необходимы для планирования работ и освоения месторождений в Арктике. Данные относительно высоты волн, скорости ветра, океанических течений, температуры играют важную роль при выборе методов перемещения судов и персонала с платформы на берег, выборе типов оборудования, необходимого для проведения запланированных работ, выборе конструкции эксплуатационных платформ, а также объектов инфраструктуры, способной выдержать установленный срок службы, и выборе стратегий ликвидации чрезвычайных ситуаций. Современные технологии, применяемые для сбора гидрометеорологических данных, включают в себя комплексные программы измерений на месте, а также программы дистанционной съёмки, цифровое моделирование и статистические методы; совместные исследования и обмен данными с партнёрами, конкурентами, научными, учебными и правительственными организациями; консультации с известными экспертами.

В последние годы специалисты концерна Shell установили в море Бофорта, а также в Чукотском море буи для определения метеорологических условий и температуры моря, контрольно-измерительные приборы для определения параметров волн и течений, метеорологические станции. Эти приборы передают данные в реальном времени, могут оставаться на своём месте в зимний период, а также способны накапливать собранные данные в течение всего сезона открытой воды. Полученные таким образом сведения используются для улучшения имеющейся информации и проверки моделей для прогнозирования погоды. Специалисты в области гидрометеорологии и ледовой обстановки отвечают за оценку океанографических и погодных условий, сведения о которых в дальнейшем используются производственным персоналом при повседневной работе на объекте. Кроме того, они определяют предельные параметры в отношении ветра, волн, течений, льда, используемые инженерами-проектировщиками при производстве проектно-конструкторских работ.

Геотехнические условия

Исследования инженерно-геологических характеристик морского дна, включающие в себя испытания на месте, отбор геотехнических проб и последующие испытания в лабораторных условиях, позволяют получить информацию для оценки геотехнических рисков. Так, например, в набор таких рисков для арктической платформы с гравитационным основанием входят: наличие подводной вечной мерзлоты, подводных гидратов, заполненных русел, ледовых борозд на грунте, глинистая структура грунта, анизотропная прочность на сдвиг. Первый этап проведения геотехнического исследования заключается в картировании топографии морского дна и самых тонких придонных слоёв посредством сбора с морского судна данных многолучевой батиметрии, а также данных профиломера твёрдого дна. Как свидетельствует опыт Shell, исследования дна моря Бофорта и Чукотского моря посредством традиционных технологий могут иногда затрудняться короткими сезонами открытой воды, суровыми погодными условиями, а также неблагоприятными перемещениями льда.

Использование новейших технологий может способствовать разрешению некоторых из этих проблем. Например, применение автономных подводных аппаратов (АПА) может исключить или уменьшить влияние ледовой обстановки и погодных условий, обеспечив, таким образом, более надёжный и гибкий график исследований морского дна при сокращении физического присутствия и воздействия на окружающую среду. Такие аппараты уже успешно применяются в регионах с умеренным климатом, где с их помощью были выполнены безопасные исследования на протяжении тысяч километров.

Едва ли существует необходимость в возврате в Арктике к традиционным методам, предполагающим использование надводных судов, поскольку АПА могут обеспечить аналогичные, если не лучшие результаты. Так, для получения необходимых данных при проведении традиционного обследования надводное судно должно пройти непосредственно над целью. Для этого должны одновременно сложиться благоприятные погодные и морские условия, а также отсутствовать помехи, препятствующие созданию прямых и параллельных линий приёма. В Арктике три вышеуказанных фактора могут совпасть только на короткий промежуток времени в течение летнего сезона. Тогда как автономные подводные аппараты можно спустить на воду на расстоянии многих километров от цели исследований. Кроме того, АПА не нуждается в поддержке с надводного судна. После погружения в воду такой аппарат не зависит от неблагоприятных погодных условий или волн. Сложная система управления и датчики, установленные в его корпусе, позволяют АПА перемещаться на значительные расстояния. Кроме того, этот аппарат оснащён контрольно-измерительными приборами, такими как гидролокатор бокового обзора, система широкополосной многолучевой батиметрической съёмки, профиломер твёрдого дна, которые осуществляют сбор данных. Все эти приборы способны создать цифровую карту морского дна с высоким разрешением, а также приповерхностный профиль структуры, расположенной ниже морского дна.

В настоящее время использование АПА в период открытой воды ограничивается следующими факторами: погодные условия, наличие бригады поддержки, экологические условия. Эти проблемы можно было бы устранить за счёт использования подобных аппаратов в зимний период при наличии морского льда. Тем не менее, управлению АПА через лёд и подо льдом мешают существенные эксплуатационные проблемы. Также в ледовых условиях существует риск утраты аппарата.

Два основных технологических недостатка связаны с надёжностью систем спуска и подъёма (ССП), а также систем предотвращения столкновений. Ведутся работы над созданием устойчивой, надёжной, воспроизводимой, автоматизированной системы спуска и подъёма, способной работать с АПА через полынью в морском льду. Идеальная ССП, предназначенная для коммерческих изыскательских работ, должна быть легко перевозимой, занимать мало места. В процессе эксплуатации она не должна нуждаться в большом количестве обслуживающего персонала и должна оставаться надёжной в самом широком диапазоне рабочих условий.

Во избежание столкновений АПА с крупными морскими млекопитающими, глубокими ледяными килями судов, а также мелководными участками необходимы системы их предотвращения с расширенными возможностями. Недавние испытания гидролокаторов переднего обзора (ГПО) позволяют исследователям надеяться на успешное решение и этой проблемы. Новая система создаёт вертикальный акустический пучок, способный обнаруживать объекты внутри дуги, которая простирается на 60° выше, 60° ниже по направлению движения. Таким образом, обеспечивается зондирование трассы впереди аппарата, а также возможность оповещения навигационной системы о потенциальных помехах. В настоящее время осуществляется оценка эффективности систем предотвращения столкновений, оснащённых такой системой.