Многолетняя мерзлота: изучение, контроль, решения

Фото: пресс-служба "Газпромнефть-Заполярья"

В Санкт-Петербурге 20-21 ноября 2024 года прошла вторая отраслевая конференция "Нефтегазовая инфраструктура на многолетнемерзлых грунтах". Организаторами мероприятия выступили "Газпром нефть" и Санкт-Петербургский политехнический университет имени Петра Великого, что подчёркивает статус конференции как площадки для диалога между промышленностью и наукой. Сейчас они совместными усилиями решают вопросы, связанные с производственной деятельностью нефтегазовых компаний, строительством и проживанием в условиях регионов с многолетнемёрзлыми грунтами (ММГ).

На иной планете

Многолетнемёрзлые породы покрывают порядка двух третей территории России. Не стоит воспринимать эти слова так, будто эта территория представляет собой непрерывную вечную мерзлоту. В каких-то регионах наблюдаются лишь отдельные участки ММГ толщиной от 10 до 25 м, где-то мерзлота представлена локально, но её глубина достигает 100 м. А где-то (преимущественно в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке России) ММГ распространены повсеместно, а их глубина – от 100 м до более чем 1000 м.

За более чем столетнюю историю промышленной разработки в настолько сложных регионах российские специалисты выработали необходимые подходы и решения для того, чтобы строить на вечной мерзлоте инженерные сооружения, создавать предприятия и возводить целые города. Наши соотечественники живут и работают в "космически" непростых условиях, где строительство автомобильных и железных дорог – это своего рода подвиг, здания приходится ставить на сваях и заботиться о том, чтобы не растеплить грунт.

Здесь приходится сталкиваться с нехарактерными для прочих регионов геокриологическими процессами – пучением и осадкой грунта, термокарстом и термоэрозией. Жить и работать в условиях ММГ сродни переселению на другую планету – пусть и похожую на Землю, но заметно от неё отличающуюся. Это лишний раз иллюстрирует и многообразие природно-климатических условий, которые освоены людьми, и особенности российской нефтегазовой промышленности.

Ей приходится больше, чем коллегам в других странах мира, учитывать необходимость подержания грунтов в мёрзлом состоянии. Это влечёт за собой дополнительные затраты на устройство систем термостабилизации и проведение мероприятий, которые сохраняют вечную мерзлоту. При строительстве надо учесть низкую несущую способность грунтов основания. Значит, нужны не просто сваи, которые активно применяются по всей стране, к примеру, в дачном строительстве. Устройство свайных фундаментов в условиях ММГ куда более требовательное, а отсюда возникают дополнительные затраты на геотехнический мониторинг.

Строительные материалы тоже в условиях "планеты ММГ" подвергаются дополнительным нагрузкам – сезонное изменение температур в 100 градусов Цельсия и до полусотни переходов через "ноль" в течение года. Малейшая трещина накопит воду во время потепления, а после замерзания та увеличится в объёме, что сделает трещину ещё больше. И такая процедура будет повторяться при каждом переходе через нулевую отметку. В таких условиях здание или дорожное покрытие разрушится менее чем за год без должного внимания.

И наибольшее внимание вопросу ММГ сегодня уделяет нефтегазовая отрасль.

Изменчивая мерзлота

Почти три четверти перспективных месторождений на территории нашей страны находятся в экстремальных зонах с мерзлотой. При разработке углеводородных богатств российского востока и севера, где распространены ММГ, нефтегазовым компаниям приходится сталкиваться с отсутствием развитой транспортной инфраструктуры. Стоимость поставки материалов и оборудования высокая, необходимо преодолевать большое количество водных переходов и т.д. А сроки эксплуатации зимников в условиях роста среднегодовых температур могут сокращаться, если не предпринимать необходимых шагов для решения этого вопроса, что приведёт к дополнительному росту затрат и увеличению сроков реализации проектов.

И в качестве финального штриха заметим, что, по данным Министерства природных ресурсов и экологии РФ, 23% отказов технических систем и 29% потерь добычи углеводородов происходят из-за деградации мерзлоты. Иными словами, в регионах, где нефтяники традиционно ведут активную деятельность, растут среднегодовые температуры, а в целом отрасль идёт во всё более сложные регионы, где в большей степени распространены ММГ.

Российский нефтегаз занял в этих условиях проактивную позицию – он хочет не только пользоваться наработанными к настоящему моменту технологиями, наблюдая за изменениями, он хочет знать, как будут меняться районы с вечной мерзлотой, хочет создать систему мониторинга, заранее разработать все необходимые технологии и обеспечить ими также "гражданский" сектор.

В рамках этих проактивных действий "Газпром нефть" открыла в 2024 году Центр экспертизы по проектам в криолитозоне (базой стало предприятие "Газпромнефть-Заполярье"), а также – она проводит отраслевую конференцию "Нефтегазовая инфраструктура на многолетнемерзлых грунтах" совместно с Политехом. Такие мероприятия обеспечивают необходимый диалог между нефтегазовыми предприятиями, производителями оборудования, поставщиками услуг и научными организациями.

Вертикаль диалога

Всего отраслевую конференция "Нефтегазовая инфраструктура на многолетнемерзлых грунтах" посетили более 200 человек, представляющих свыше ста организаций. В ходе мероприятия было сделано порядка 80 докладов. Около 50 человек слушали их в режиме онлайн.

Программа конференции строилась, исходя из стоящих перед нефтегазовой отраслью при работе в условиях ММГ задач. Основные вызовы были отмечены в ходе пленарной сессии. Затем участники распределились по тематическим секциям.
Первой стоит выделить секцию "Геотехнический мониторинг объектов нефтегазовой инфраструктуры". Пожалуй, именно она вызвала наибольшее внимание собравшихся. Это не отменяет достоинств других секций: "Проектирование и строительство дорог на ММГ" и "Строительство скважин на ММГ", "Фундаменты на ММГ и технологии термостабилизации", "Инженерные изыскания на ММГ", "Надежность трубопроводов на ММГ".

Доклады охватывали широчайший набор тем: от фундаментальных вопросов вроде проблемы организации мониторинга вечной мерзлоты до разбора конкретных сложностей в области строительства и эксплуатации сооружений в условиях ММГ. По итогам ряда докладов тут же заключались предварительные договорённости между участниками конференции о проведении исследований в пользу промышленных заказчиков. Слово "эффективный" заметно обесценилось и затёрлось от постоянного использования по любому поводу, но в данном случае использовать его будет более чем уместно – организаторам мероприятия удалось выстроить эффективную вертикаль диалога.

В рамках конференции генеральный директор "Газпромнефть-Заполярья" Владимир Крупеников отметил: "Реализация масштабных проектов на Крайнем Севере – один из главных векторов развития нефтегазовой отрасли. Непременным условием эффективной работы в этом регионе является сохранение его уникальной экосистемы. Наша конференция призвана не просто обобщить лучший отраслевой опыт, но и придать импульс разработке и внедрению передовых технологий для термостабилизации грунтов, повышения надежности фундаментов и конструкций. "Газпромнефть-Заполярье" ведет обустройство месторождений в Западной и Восточной Сибири, где толщина мерзлого грунта достигает полутора тысяч метров. Мы готовы делиться своими подходами и изучать отраслевые решения. Убежден, что такая совместная работа, в том числе на площадке конференции, способствует достижению стратегических целей отрасли".

Изучение мерзлоты, адаптация и разработка технологий для работы в ММГ – это важнейшие вопросы для российских нефтегазовых компаний. А помочь найти ответы может наука. Как отметил в ходе конференции руководитель центра по обустройству и эксплуатации объектов в криолитозоне "Газпромнефть-Заполярья" Эдуард Николайчук: "Для добывающих компаний обеспечение устойчивости скважин на многолетнемерзлых грунтах является актуальной задачей, которая остается важной сейчас и в будущем. Это связано со сложными геологическими условиями и изменением климата, которое может повлиять на состояние грунтов. Поэтому необходимо заранее прорабатывать меры тепловой защиты для таких скважин. На конференции были представлены интересные доклады, некоторые из них имели инновационный характер и касались применения новых высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Эти решения помогут надежно закрепить скважины в мерзлых грунтах, предотвратив их деформацию при оттаивании".

На примере "Газпромнефть-Заполярья" становится очевидно, почему нельзя постоянно пользоваться одними и теми же подходами, выработанными и неизменными универсальными решениями. Предприятие работает в разных регионах страны на наиболее сложных и технически требовательных проектах, и решения для разработки скважин зависят от геологических условий. Приходится придерживаться "вариативного подхода", учитывать сложность конкретной местности. То есть необходим контакт с наукой и разработчиками технологий.

Предсказать мерзлоту

Участники конференции сошлись во мнении, что нефтегазовой отрасли и в целом стране необходима универсальная, централизованная система геотехнического мониторинга многолетнемёрзлых грунтов. Сегодня мониторинг проводится в некоторых городах и посёлках. Притом осуществляют его предприятия различных ведомств. Необходим обмен данными, выработка единого подхода, тогда можно будет не только получать максимально достоверную информацию, в которой нуждается вся производственная деятельность в условиях ММГ, но и автоматизировать её сбор, а также перейти к прогнозированию. Возможно, для этих целей необходимо создать центр федерального уровня.

Сегодня это представляется более чем возможным – существующая обширная база данных и внедрение современных решений, как отмечалось на конференции, позволяют обеспечивать надежное функционирование геотехнических систем, снабжать недропользователей актуальной информацией на всех стадиях жизненного цикла инфраструктуры на ММГ.

Начальник отдела геотехнического мониторинга "Мессояханефтегаза", кандидат геолого-минералогических наук Анна Курчатова отметила: "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".

Безусловно, строительство объектов нефтегазовой инфраструктуры в условиях многолетнемёрзлых грунтов является вызовом для промышленности и для науки. "Ученые и инженеры в настоящий момент разрабатывают уникальные технологии, материалы, способы проектирования и конструирования для надежной и безопасной работы в зонах распространения ММГ. Именно поэтому университет и стал площадкой конференции, объединившей профессиональное научное и инженерное сообщество", – подчеркнул исполнительный директор НТК "Новые технологии и материалы" СПбПУ Никита Шапошников.

Но не только нефтегазовая отрасль заинтересована в развитии системы мониторинга ММГ, разработки новых материалов, создании передовых технологий, которые учитывают и текущие проблемы работы на вечной мерзлоте, и возможные сложности, связанные с ростом среднегодовых температур. Есть ещё одна сторона, заинтересованная в диалоге, выстроенном на такого рода конференциях. Государство.

"Общеизвестно, что многолетнемерзлые грунты занимают до 2/3 территории Российской Федерации, – отметил в ходе конференции заместитель директора по экспедиционной работе Арктического и антарктического научно-исследовательского института Юрий Угрюмов, – 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 — крайне 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 десяти регионах России — будет стекаться в единый центр мониторинга, анализироваться — на основе полученных данных будет формироваться прогноз относительно таяния вечной мерзлоты".

Фактически нефтегазовая отрасль решает триединую задачу государственного уровня: предсказать, обуздать, сохранить мерзлоту.

Кадровый вопрос

Кадры, как известно, решают всё. Поэтому кроме производственных и научных секций была проведена и образовательная – "Новые подходы в сфере образования и подготовки кадрового резерва". Сегодня нужны и люди, которые создадут новую технологию, и люди, которые смогут эффективно использовать её на производстве. В соответствии с этим строится и взаимодействие производства с вузами и вузов с производством.

Как отметил руководитель центра по обустройству и эксплуатации объектов в криолитозоне "Газпромнефть-Заполярья" Эдуард Николайчук по вопросу о взаимодействии с высшими учебными заведениями: "Мы сотрудничаем с двумя вузами – Тюменским государственным университетом и Тюменским индустриальным университетом. Взаимодействие с каждым из них выстроено индивидуально".

С Тюменским госуниверситетом "Газпромнефть-Заполярье" разработало совместную учебную программу для магистрантов по курсу "Геотехника в криолитозоне". Предприятие поддерживает этот курс, участвуя в кейс-чемпионатах, учебных программах и различных отчетных мероприятиях.

А в сотрудничестве с Тюменским индустриальным университетом реализуется проект Honors Track. Как пояснил Эдуард Николайчук, его цель – решение реальных практических задач. Предприятие формулирует задания для студентов, они работают над ними в группах, готовят отчеты и защищают свои проекты.

"Темы заданий разнообразны, – отметил Эдуард Николайчук, – от строительства резервуаров на вечной мерзлоте до прокладки трубопроводов и обеспечения устойчивости скважин. Также студенты разрабатывают решения для снижения накопления снега на промышленных объектах. Хотя мы не всегда можем внедрить идеи студентов сразу, но среди их работ встречаются интересные подходы, которые могут стать основой для будущих проектов. Кроме того, через такие проекты мы оцениваем потенциал молодых специалистов и отмечаем тех, кто может присоединиться к нашей компании после окончания учёбы".

И.о. ректора Тюменского индустриального университета Юрий Клочков подчеркнул, что "запрос от компаний очень большой, поэтому проблем с трудоустройством у студентов нет". Также он отметил желание компаний видеть выпускника с широким набором компетенций: "Например, геолог со знаниями информационных технологий. Нужна комплексная подготовка, и это очень сильно влияет на задачи в образовании. На сегодняшний день мы должны выпускать специалиста, который обладает не только несколькими инженерными компетенциями из разных сфер, но и навыками рабочего. Это связано с тем, что во многих крупных компаниях, таких как "Газпром нефть", сотрудник должен пройти рабочие позиции, прежде чем занять должность инженера".

Очевидно, что нефтегазовые компании – очень привлекательные работодатели. Но на текущий год у них имеется острый дефицит кадров по направлению ММГ. В этой связи конференция "Нефтегазовая инфраструктура на многолетнемерзлых грунтах" стала площадкой диалога ещё и в сфере образования. Только всестороннее сотрудничество нефтегазовых компаний, ВУЗов и СУЗов, как отметили участники конференции, поможет минимизировать нехватку специалистов в будущем, а это позволит ещё эффективнее разрабатывать месторождения, бережно сохраняя природу "планеты ММГ".