Следить за вечной мерзлотой: почему необходима современная система геотехнического мониторинга
Мероприятие, организованное при участии компании Газпром нефть, стало площадкой для активной коммуникации между нефтегазовыми компаниями, производственными предприятиями, инженерными и научными организациями, чтобы совместными усилиями определить направления для технологического развития в области строительства инфраструктуры в на многолетнемерзлых грунтах.
Открылась конференция пленарным заседанием, в котором приняли участие начальник департамента по технологическому развитию Газпром нефти А. Огородов, технический директор Газпромнефть-Заполярья В. Столяров, заместитель директора по экспедиционной работе Арктического и антарктического научно-исследовательского института Ю. Угрюмов, и.о. ректора Тюменского индустриального университета Ю. Клочков, главный технолог Норильсктрансгаза Ю. Толкачев, а также исполнительный директор Фундаментстройаркоса Д. Долгих. Они обозначили основную проблематику мероприятия.
После окончания пленарной дискуссии детальное обсуждение конкретных направлений продолжилось на тематических секциях, ключевой из которых стала сессия Геотехнический мониторинг, где состоялся разговор о том, как должен быть устроен мониторинг изменений, происходящих с вечной мерзлотой и какие решения для предиктивной аналитики есть уже сегодня.
(Не)тающая проблема
Около 65% территории Российской Федерации это зона вечной мерзлоты или, как ее еще называют, криолитозона. Мерзлота охватывает большую часть Восточной Сибири, почти всю Якутию, Чукотку и Магаданскую область. Зона локального (островного) распространения многолетнемерзлых грунтов охватывает Полярный Урал, Карелию, Мурманскую область, полуостров Таймыр, часть Западной Сибири, Прибайкалье и Дальний Восток. При этом арктические регионы имеют колоссальное значение для страны там сосредоточены огромные запасы нефти и природного газа, месторождения цветных металлов, золота и алмазов, крупные залежи каменного угля и других полезных ископаемых.Для разработки этих природных ресурсов еще во времена СССР в Арктике была создана мощная инфраструктура, в том числе объекты для добычи, хранения и транспортировки углеводородов, автомобильные и железные дороги, аэродромы, порты, энергетическая инфраструктура и многое другое. Сегодня строительство в этом регионе только набирает обороты, но все эксперты сходятся во мнении, что дальнейшее развитие этих территорий осложнено:
- глобальным потеплением и связанным с ним изменением почв,
- устаревшей нормативной и методической базой в сфере строительства и эксплуатации объектов,
- устаревшими и разрозненными данными об общем состоянии вечной мерзлоты.
Система геомониторинга, которая всем нужна
Почему информация о мерзлоте так важна? Дело в том, что строительство объектов на многолетнемерзлых грунтах задача непростая. В летние месяцы в верхней части такой почвы формируется слой сезонного протаивания, глубина которого зависит от климатических условий и состава почвенного покрова. При локальном распространении мерзлоты к этому добавляется сезонное промерзание талых пород зимой, образуя соседство участков подземных льдов и талых грунтов, с типичными для криолитозоны деструктивными процессами типа бугров пучения, термокарста и так далее. А в последние годы, в связи с глобальным потеплением, несущая способность многолетнемерзлых грунтов постепенно, но неуклонно снижается, что несет потенциальную угрозу зданиям и сооружениям как на стадии строительства, так и в период их эксплуатации.Чтобы избежать проблем в будущем, в 2023 году Правительство РФ одобрило создание системы государственного мониторинга многолетней мерзлоты. Проект, важность которого признают и ученые, и компании, работающие на Крайнем Севере, поможет получить комплексное представление о том, как меняется вечная мерзлота из-за изменений климата, а также понять, какой объем парниковых газов будет выделяться в атмосферу при ее таянии.
Общеизвестно, что многолетнемерзлые грунты занимают до 2/3 территории Российской Федерации, соответственно, процессы, которые там развиваются, оказывают огромное влияние как на условия хозяйства, так и на условия жизни населения нашей страны. В этой связи оценивать тенденции, которые превалируют в состоянии многолетней мерзлоты, составлять прогнозы эволюции важная задача для государства. Создание системы фонового мониторинга крайне актуально в настоящее время, особенно потому, что это связано с изменениями климата.
Фоновый мониторинг это система регулярного наблюдения за состоянием многолетней мерзлоты. Она будет состоять из 140 пунктов мониторинга, которые будут расположены на территории всей криолитозоны. Каждый пункт будет оснащен термометрическими скважинами одинаковой глубины, на которых будут расположены термические датчики. Они будут фиксировать состояние температуры грунтов по всей длине скважины, в каждой скважине будет установлено 32 датчика. Информация со всех пунктов мониторинга а они будут расположены примерно в 10 регионах России будет стекаться в единый центр мониторинга, анализироваться на основе полученных данных будет формироваться прогноз относительно таяния вечной мерзлоты, - рассказал Ю. Угрюмов.
Когда система заработает, ее данные можно и нужно будет использовать как при строительстве новых объектов в арктической зоне, так и при наблюдении за уже существующими постройками. При этом не менее важная задача, которую только предстоит решить синхронизация и унификация данных фонового мониторинга из государственной системы с данными геотехнического мониторинга крупных промышленных компаний с тем, чтобы учитывать общий накопленный опыт по управлению инфраструктурой на вечной мерзлоте.
Предиктивный подход
Растепление многолетнемерзлых грунтов ставит перед нефтегазовыми компаниями, производственные объекты которых находятся на Крайнем Севере, серьезные вызовы. От сохранения нетающих толщ зависит устойчивость грунтов, а малейшие изменения почвенного покрова могут привести к повреждениям сооружений. Поэтому геотехнический мониторинг здесь ведется на постоянной основе. По сути, это непрерывный процесс наблюдения за состоянием грунтов-оснований, фундаментов, скважин, опор газопроводов и так далее. Мониторинг проводится как на стадии строительства, так и в течение всего срока эксплуатации объектов.Кроме того, сегодня качественная система геотехнологического мониторинга это система, во-первых, комплексная, а, во-вторых, автоматизированная. Это обусловлено в первую очередь тем, что данные о состоянии мерзлоты сезонные и изменчивые, а кроме того, их нужно получать с множества объектов на огромной территории.
В частности, серьезный опыт работы на территориях с многолетнемерзлыми грунтами накопила Газпром нефть. В Арктической зоне работают ее дочерние предприятия, в том числе Газпромнефть-Заполярье, сосредоточившее у себя основные компетенции по изучению вечной мерзлоты и ее влияния на работу добывающих предприятий в рамках недавно созданного центра в Тюмени. Практика доказала необходимость разработки наукоемких продуктов, основанных на современных цифровых технологиях. Только такой подход дает компаниям возможность видеть картину целиком.
Мы работаем в условиях арктической автономии и сурового климата. Эти факторы только усиливают наше внимание к вопросам обеспечения надежности инфраструктуры. В работе по реализации программ геотехнического мониторинга многолетнемерзлых грунтов мы применяем передовые цифровые решения. На части объектов ведем наблюдение за двумя циклами: зимой за промерзанием многолетнемерзлых грунтов, в летний период контролируем графики температур. Используем автоматизированные системы, которые либо записывают данные о состоянии мерзлоты, либо сразу передают их онлайн нашим специалистам. Такой комплекс мер обеспечивает возможность, с одной стороны, накопления данных, с другой оперативного реагирования на потенциальные вызовы, пояснила к. г.-м. н., начальник отдела геотехнического мониторинга Мессояханефтегаза А. Курчатова.
По словам начальника департамента по технологическому развитию Газпром нефти А. Огородова, любые технические решения, особенно в сфере строительства объектов в криолитозоне, необходимо адаптировать к сложным инженерно-геологическим условиям еще на этапе проектирования. В связи с чем создание и дальнейшее совершенствование комплексной системы мониторинга это важнейшая задача в периметре компании.
Система геотехнического мониторинга Газпром нефти на сегодняшний день включает в себя:
- спутниковый мониторинг трубопроводов;
- съемку потенциально опасных участков с помощью беспилотников;
- замер температур в мерзлотно-параметрических скважинах.
Данные собирают с каждого объекта, синхронизируют их с информационной системой Газпром нефти, что позволяет получить пространственное представление о характере возможных изменений, состоянии мерзлых пород и выбирать оптимальные решения для строительства и последующей эксплуатации объектов в столь сложных условиях.
Норильский никель, как отметил главный технолог Норильсктрансгаза (дочки Норникеля) Ю. Толкачев, тоже ведет активную работу мониторингу состояния своих объектов с целью оценки влияния процессов таяния вечной мерзлоты в Норильском районе. В компании создан Центр геодинамического мониторинга, в который поступают данные с производственных площадок и административных зданий и ведется разработка долгосрочной стратегии по минимизации рисков, связанных с растеплением многолетнемерзлых грунтов. Кроме того, специалистами центра была разработана региональная карта вечной мерзлоты, а также ведется системный анализ влияния таяния грунтов на основания зданий и сооружений.
При этом методы геотехнологического мониторинга, особенно цифровые, продолжают развиваться, а руководители нефтегазовых компаний присматриваются к отечественным решениям в этой области. Например, интересную программу для автоматизации геотехнического мониторинга на многолетнемерзлых грунтах Frost.ГТМ предложил специалист НТЦ Симмэйкерс И. Дембовский. Программа позволяет создавать цифровые модели зданий и сооружений, а также в автоматическом режиме следит за состоянием грунтов оснований зданий и сооружений, делает геокриологический прогноз состояния грунтов на основании данных мониторинга, а также способна оповещать оператора о негативных трендах при отклонении от допустимых значений.
Подводя некий промежуточный итог, можно сказать, что многие крупные компании ведут активную работу по совершенствованию системы мониторинга вечной мерзлоты, однако стоит отметить, что имеющиеся инструменты и методы пока достаточно разрозненные и не унифицированы, так что предстоит большая работа по согласованию комплексной стратегии оценки и мониторинга многолетнемерзлых грунтов. Важно работать сообща, ведь проблема глобального потепления это глобальная проблема, которую в одиночку не решить. А Арктика была и остается залогом экономического процветания России.