Вечная мерзлота как фактор добычи

Эдуард Николайчук
Руководитель центра по обустройству и эксплуатации
месторождений в криолитозоне «Газпромнефть-Заполярья»

Четверть поверхности Земли и свыше 65% площади России – от Кольского полуострова до Дальнего Востока – покрыто многолетнемерзлыми грунтами, которые сохраняют устойчивость только при отрицательной температуре. Строительство и добыча в вечной мерзлоте требуют особых подходов и технологий. Какие методы анализа и прогнозирования криолитовых зон существуют на сегодняшний день, какие решения применяются для работы в вечной мерзлоте и как глобальное потепление климата влияет на ее состояние – рассказал руководитель центра по обустройству и эксплуатации месторождений в криолитозоне «Газпромнефть-­Заполярья» Эдуард Николайчук в интервью журналу «Энергетическая политика».

– В мае «Газпром нефть» сообщила, что планирует создать геоинформационную модель прогнозирования состояния вечной мерзлоты на Ямале. Для чего это нужно нефтяной компании?
– Разработка месторождений в условиях вечной мерзлоты – это настоящий вызов для любой нефтегазовой компании, работающей на Крайнем Севере. «Газпром нефть», например, ставит себе целью стопроцентную надежность инфраструктурных объектов на территориях криолитозоны. Реализация проектов в этих условиях требует комплексного подхода: от проведения качественных инженерных изысканий, проектирования и строительства, до эксплуатации и ликвидации объекта, когда он закончит свой жизненный цикл.
Для нас феномен вечной мерзлоты очень интересный, поскольку за долгое время работы «Газпром нефти» в условиях Севера был накоплен большой опыт, который необходимо систематизировать, проанализировать и передать другим.
Но каждый раз, приступая к работе на новой площадке, мы убеждались, что данные о состоянии грунтов, полученные за счет инженерных изысканий прошлых лет, уже давно изменились как в процессе эксплуатации месторождений, так и под влиянием изменений климата и других природных факторов.
Классические фондовые материалы сами по себе перестали представлять особую ценность, но если их оцифровать, консолидировать в едином центре, провести анализ, верифицировать и постоянно дополнять, то это позволит сформировать базу данных для прогнозирования состояния вечной мерзлоты. Это и подтолкнуло нас на создание цифровой модели.
– В чем суть этой модели и в чем ее принципиальное отличие от других исследований криолитозон?
– Большая часть территорий вечной мерзлоты описана геокриологическими картами первого поколения, созданными еще в 1970‑е гг., а также картой СССР 1991 г. И на сегодняшний день из-за изменчивости мерзлоты они сильно устарели. Эти материалы широко используются для подготовки специалистов-­геокриологов, в образовательных и научных целях, а также проектно-­изыскательскими организациями. При этом карты достаточно большого масштаба 1:1 000 000 и 1:2 500 000, который не позволяет достоверно оценить температуру грунтов в определенной точке. А для нас важно получить более детализированные картографические материалы в масштабе 1:25 000, чтобы оценить температуры на конкретной площадке бурения одного куста площадью условно 300 на 300 метров и спроектировать высоту насыпей, размер, глубину заложения фундамента и так далее.
Современные исследования вечной мерзлоты на корпоративном уровне, как правило, носят точечный характер только в тех местах, где будут непосредственно строиться объекты. Поэтому нашей главной задачей было создание цифровой модели на большой территории, охватывающей как наши месторождения, так и смежные участки других крупных компаний, которые будут готовы участвовать в этом проекте.

– Получается, что вам пришлось заново проводить все исследования, не опираясь на советский опыт?
– В советское время были совершенно другие подходы к получению данных, в том числе по вечной мерзлоте. Например, для измерения температуры грунта в скважину спускали ртутный термометр и через каждый метр проводили измерения. Погрешность и длительность при таких измерениях оставляли желать лучшего. Поэтому к материалам прошлых лет нужно относиться очень аккуратно.
– А что из себя представляют современные способы сбора данных?
– Сейчас технологии ушли далеко вперед. Для контроля температуры мерзлых пород используются целые гирлянды цифровых датчиков с точностью измерений до 0,1 градуса, устанавливаются логгеры, которые позволяют проводить ежечасный и ежесуточный мониторинг, по результатам осенних и весенних замеров готовится отчет об изменениях состояния грунта. Чтобы их установить, бурят инженерно-­геологические скважины для предпроектных изысканий на глубину порядка 15–17 м, а в некоторых случаях – даже глубже. Для периода эксплуатации месторождений обустраиваются термометрические скважины, которые позволяют проводить наблюдения на всем его жизненном цикле.
При этом принципиальным моментом является отслеживание изменений температуры грунтов на нулевых амплитудах, то есть на глубине 10 м и ниже от поверхности. Именно на этой глубине определяется наиболее достоверная температура, не зависящая от сезонных изменений на поверхности.
– Вы говорите о том, что база данных создается от предпроектных изысканий до конца срока реализации проекта, тогда с какого периода вы начали проводить изыскания под создание базы данных и на какой срок будет рассчитана прогнозная модель вечной мерзлоты?
– Наши изыскания достаточно свежие, к примеру, по Ямалу, начиная с 2019 г., при этом для ретроспективного анализа изменений используем данные, полученные от других компаний с 2005 г. В прогнозной модели мы используем период 25–30 лет, в течение которого будет идти разработка и эксплуатация месторождений, дополнительно составили 50‑летний прогноз с учетом возможности продления жизни месторождений. В любом случае, чем больший срок прогноза – тем большей верификации он будет требовать.
Но для нас скорее интересна динамика. Обычно когда проектируются объекты в зоне вечной мерзлоты, специалисты выполняют только единоразовый прогноз, который потом используется в процессе всей эксплуатации месторождения. Мы исходим из того, что прогноз должен постоянно уточняться, дополняться новыми данными и изысканиями, что позволяет учитывать новые тренды.

– Модель прогнозирования и карта вечной мерзлоты будет охватывать только Ямал или будет расширена на другие регионы?
– Сейчас мы обкатываем цифровую базу карты и верифицируем данные на наших территориях и на одном из крупных ямальских месторождений.
Дальше мы планируем масштабировать карту на зону полуострова Ямал, затем – на весь Надым-­Пур-­Тазовский регион. В долгосрочных планах – создание карты Западной и Восточной Сибири, в том числе описание вечной мерзлоты Якутии.

– Но разве для этого не нужна мощная зона покрытия датчиками, всю Восточную Сибирь ведь не разбуришь?
– Это не обязательно должна быть единая карта. Оценка может вестись секторально с возможностью расширения. Главное, чтобы она включала потенциально интересные для будущей разработки участки. И действительно, тут самое важное – это данные: чем больше данных, тем точнее модель. Мы собираемся наполнить ее самой разной информацией, не только данными о температуре грунта, но и, например, сведениями о динамике геокриологических процессов, связанных с появлением бугров пучения, оттаиванием грунтов, оползнями и другими.
Часть информации для восполнения белых пятен можно получать без бурения посредством ландшафтного районирования, типизации разрезов или с помощью аэрофотосъемки, снимков со спутников, позволяющих фиксировать изменения площадей озер или береговых линий. Все это говорит о процессах в недрах. К примеру, если пластовый лед начал таять, то площадь озера рядом с ним увеличится. Анализ таких данных потребует подключения искусственного интеллекта и машинного обучения.
В других регионах, например, в Якутии, было бы интересно дополнительно оснастить систему модулем по оценке рисков пожаров, которые также меняют тепловой баланс. Еще один важный модуль – это модуль подтопления территорий, в том числе застраиваемых и не застраиваемых, который важен для строительства насыпей, мостов, водопропусков и дорог.

– А когда такая комплексная карта Ямала заработает и будет ли она доступна для других компаний?
– Пилотная модель такой карты уже создана, но она будет постоянно дополняться. К 2030 г. мы планируем выйти на достаточно большую площадь. Проект важен не только для нашей компании, он будет полезен для страны в целом. Предполагается, что данные будут доступны для использования в рамках государственной сети фонового мониторинга.
– Получив прогнозные данные модели по изменению температуры грунтов, что можно и нужно делать дальше, какие меры и технологии по соблюдению проектной температуры грунта можно предложить?
– Можно выделить два вида термостабилизации: пассивную и активную. Пассивная термостабилизация – это теплоизоляция ввиду различных материалов на основе пенополиуретана. В качестве активной термостабилизации мы применяем системы естественного охлаждения грунтов – это системы с различным хладагентом, которые работают зимой, но не работают летом. В качестве хладагента мы используем углекислоту или аммиак. По сути, термостабилизатор – это герметичная металлическая труба с хладагентом, один из концов которой находится над поверхностью земли, а второй – погружен в грунт. Такие термостабилизаторы используются практически на всех месторождениях Крайнего Севера. В среднем одна свая – один теплостабилизатор. В мороз, когда температура воздуха ниже температуры грунта, от естественного холода система начинает интенсивно испарять хладагент внутри корпуса термостабилизатора, охлажденный хладагент выше земной поверхности стекает по внутренним стенкам термостабилизатора вглубь земли, нагоняя необходимый холод в мерзлые породы. Такая система позволяет обеспечивать эффективное промораживание грунта на весь период эксплуатации. Мы используем природный холод, создавая и поддерживая отрицательную температуру недр без использования электроэнергии.
Есть решения с проветриванием подполья. Допустим, если мы строим небольшое здание и понимаем, что оно не оказывает теплового воздействия на грунты, то сооружать вокруг него систему термостабилизации возможно и не потребуется. Здесь на помощь приходит естественный холод с ветром. Здание должно быть построено на сваях на высоте не меньше 1–2 м от поверхности земли. Это широко применяется при обустройстве общежитий, цехов и так далее. Проветриваемое подполье позволяет сохранить холод на поверхности земли зимой и предотвратить попадание солнечных лучей летом.

– А какие еще есть технологии, позволяющие избежать нарушения термобаланса?
– Самые простые, но эффективные. Например, высокие песчаные насыпи. К примеру, в зимний период можно работать только на специально созданной насыпи из песка. Высота насыпи тоже рассчитывается при теплотехническом моделировании. Практически на всех наших месторождениях она не меньше 2 м. Насыпь из песка позволяет компенсировать тепловое воздействие на грунты в летний период, в результате летом протаивает только верхний слой.
Иногда в насыпи обустраиваются теплоизоляционные экраны различной толщины, что также эффективно предотвращает оттаивание. Расчистка снега в течение зимнего периода позволяет накопить дополнительный холод в грунтах.
– От чего зависит выбор той или иной технологии?
– От глубины залегания мерзлых пород и сложности разреза. В различных регионах глубина залегания мерзлых пород разная. В Якутии, например, она может достигать 1,5 км, на Ямале – 300–400 м, а в Антарктиде – более 4 км. Большую роль играет температура добываемых флюидов. Так, например, нефть идет с положительной температурой, а газ может добываться и охлажденным до минусовых температур, что будет играть только в плюс, поскольку охлажденный газ будет формировать вокруг себя некий мерзлый ореол.
Если тепловое воздействие скважин на грунт все же происходит, мы обустраиваем специальные защитные термокейсы. Это металлическая обсадная труба, в которой заложен теплоизолятор. Кстати, сейчас мы планируем применять высокоэффективные теплоизоляционные решения для того, чтобы минимизировать тепловое воздействие на грунты. Новые образцы термокейсов уже изготавливаются по нашему патенту. Этот термокейс спускается по скважине еще в период бурения и, по существу, он ограждает мерзлые грунты от скважины.
Если и этого недостаточно, то на устье скважины обустраиваются системы термостабилизации грунтов с хладагентом, про которые я уже говорил. Но есть и экстренные решения, когда необходимо накачать холод с помощью компрессора. С такими случаями мы тоже сталкивались, когда в пределах небольшой застраиваемой площадки у нас температура грунтов не соответствовала проектным условиям. И вот тут мы применяли дополнительные системы охлаждения, подключали холодильные установки, как дома – холодильник, и накачивали холод в грунт. Этот метод работает летом и позволяет примерно за два месяца понизить температуру грунта до проектных значений. Дальше начинают уже работать системы естественного охлаждения.
– А можно ли уже сейчас спрогнозировать, какое влияние оказывает на вечную мерзлоту эксплуатация месторождений и хозяйственная деятельность человека, а какое – глобальные изменения климата? И какое воздействие сильнее?

– При подготовке проекта разработки любого месторождения выполняется теплотехническое моделирование по всем объектам, которые будут в зоне обустройства: от производственных и жилых комплексов до трубопроводов, эстакад и других коммуникаций, в том числе и подземных с теплоизоляцией. Такая тепловая модель создается на весь период эксплуатации месторождений, что позволяет оценить, какое воздействие оказывает добывающее оборудование на мерзлые грунты и какие мероприятия нужно заложить, чтобы его минимизировать.
На эти решения мы можем влиять и можем управлять ими. Мало того, при разработке месторождений это влияние очень локальное. Глобальные изменения климата оказывают воздействие на вечную мерзлоту. Исследовательские данные, накопленные еще с 1970‑х гг., говорят о том, что наблюдается повышение температуры грунтов и происходит это в зонах, где нет застройки. Это значит, что глобальные изменения климата влияют на температуру мерзлых грунтов вне зависимости и вне зоны деятельности человека.
– А как глобальное потепление отражается на прогревании грунта в зоне вечной мерзлоты, особенно с учетом того, что в Арктике температура повышается в два раза быстрее, чем на других территориях?
– Повышение температуры воздуха влияет на температуру грунта, но не так прямолинейно и стремительно. Кроме того, на разной глубине она, соответственно, будет меняться по-разному. В результате на поверхности эти изменения будут достаточно сильными, грунты могут прогреться на 3–5 м, а на глубине 10 м – едва заметны. Большое влияние оказывают сезонные колебания. Если, к примеру, у нас была теплая зима, то в грунтах может не накопиться необходимого запаса холода, со временем могут образовываться талые зоны. Определить такие изменения пока можно только расчетными методами. Современными методами мы уже фиксируем понижение кровли мерзлых грунтов, которая начинается уже не с 2 м, как раньше, а с 3–4 м.
В принципе, динамика климата и всплески теплой погоды сильно влияют на поверхностные почвы. Всплески теплой погоды цикличны, могут повторяться каждые пять лет: то фиксируется аномально теплое лето там, где его не должно быть, то излишне теплая зима, что тоже плохо, поскольку в грунтах не накопится необходимый уровень холода. Однако современные системы мониторинга и прогнозирования позволяют нам вовремя реагировать и закладывать компенсирующие мероприятия, допустим, менять глубину заложения фундамента или усиливать систему термостабилизации.
– Спасибо большое за интервью!