Арктика: впереди нефтегазовых компаний должна идти наука

Фото: Денис Кожевников / ТАСС

Самый напрашивающийся вопрос в связи с аварией в Норильске с разливом 20 тыс. тонн дизеля 29 мая — каким чудом подобные катастрофы не случались раньше? Ответ: возможно, мы о них просто не знаем. 

Проседание фундамента под емкостью с дизелем (если именно оно привело к аварии, а не банальная коррозия некачественных сварных швов) могло происходить в двух вариантах: а) медленное оседание основания из-за таяния мерзлотного грунта; б) мгновенный провал вследствие взрывного разрушения линзы из газогидратов. В первом случае предаварийное состояние резервуара можно было диагностировать путем установки на опоры стандартных датчиков напряжений, подобные устанавливают на опорах всех ответственных конструкций. Датчики позволили бы увидеть увеличение напряжения в опорах и предпринять необходимые меры — как минимум, слить из резервуара топливо. Требования к установке таких датчиков должно были быть прописаны в технических условиях на конструкцию. Если таких требований и датчиков не было, вина в аварии целиком на совести Ростехнадзора. Устанавливать датчики и анализировать их показания — не в компетенции арестованного начальника котлотурбинного цеха ТЭЦ-3.

Во втором случае обвинять в аварии надо Миннауки за отсутствие научных методов и рекомендаций по отслеживанию состояния мерзлотных грунтов.

Проблема устойчивости конструкций на мерзлотных грунтах, особенно на шельфе, — одна из основных для освоения нефтегазовых месторождений в арктической зоне.

Кратеры на шельфе

Поле гигантских кратеров (а), образовавшихся на месте взорвавшихся куполо-газогидратных пинго (б) в Западно-Баренцевоморской нефтегазовой провинции (по материалам Норвежского центра исследования арктических газогидратов).
Рисунки взяты из работы «Инновационные факторы в освоении арктического шельфа и проблемы импортозамещения» Института экономических проблем им. Г. П. Лузина. 

В современную эпоху, пишут ученые, зоны стабильности газогидратов метана (ЗСГ) выведены из режимов термодинамической устойчивости за счет глобального потепления. Однако при медленном и плавном режиме растепления и уменьшения статической нагрузки по мере таяния ледникового покрова газогидратные блоки над верхней кромкой ЗСГ могут оставаться неразрушенными, пребывая  в метастабильном состоянии в течение тысячи лет. Но в приповерхностном слое вечной мерзлоты под «активным горизонтом» сезонного протаивания повсеместно распространены линзы грунтов с газогидратами (ГСГГ), которые с позиций инженерно-строительной практики следовало бы относить к столь же опасным видам грунтов, как плывуны или зыбучие пески, говорится в работе мурманских ученых. 

Вкрапления в мерзлотные грунты линз с газогидрами у поверхности земли

Схема геологической позиции зоны стабильности газогидратов (косая и вертикальная штриховки) и линз мерзлых грунтов типа ГСГГ, насыщенных метастабильными газогидратами метана, в многолетнемерзлом осадочном покрове Арктики.

Такая линза вполне могла взрывным образом потерять стабильность под опорой емкости с дизелем в Норильске. Предотвратить аварию помог бы только мониторинг состояния грунта на глубинах хотя бы до полукилометра. Существуют методы сканирования грунтов, которые могли бы обнаружить подобные линзы, но сканирование грунтов не входит в регламент обслуживания арктических установок — явная недоработка Ростехнадзора. 

Выход газов из грунта в Арктике, на суше и на шельфе, — хорошо известное и распространенное явление. 

Гигантская воронка на Ямале

Гигантская Ямальская воронка в слое вечной мерзлоты (а), обнаруженная в 2013 г. в пределах Бованенковской газоносной структуры. Диаметр 60 м, глубина 40 м, окружена валом глыб ледогрунта, выброшенного взрывом на расстояние 70–120 м от края (фото члена-корреспондента РАН В. И. Богоявленского в период вертолетного облета площади в июне 2013 г.). Реконструкция жизненного цикла Ямальской воронки по космоснимкам высокого разрешения (б): слева —  растущий булгуннях (2011 г.); справа — округлое озеро на месте взорвавшегося булгунняха (2018 г.); юная фаза взрывного кратера (через год после образования) показана на рисунке а.

Одна из основных гипотез аварии нефтяной платформы Deepwater Horizon в Мексиканском заливе в 2010 году — взрыв газогидратов. Согласно теоретическим расчетам, говорится в исследовании ученых из института Г.П. Лузина, в заполненных газом наноячейках при вибрации может происходить самопроизвольный разогрев газов до сверхвысоких температур. Из этого следует, что при проходке скважин в толще ГСГГ возможно мгновенное разрушение ледового каркаса клатратных агломератов с импрегнацией разогретого газа во вмещающую породную матрицу, что может спровоцировать локальное проявление участков аномально высокого пластового давления в импактной зоне, механическое повреждение ствола и бурового оборудования, пожар в скважине.  

Выходы гигантских объемов газа с морского дна — самая правдоподобная гипотеза исчезновения судов и самолетов в Бермудском треугольнике. Вырвавший из глубины газ мгновенно снижает плотность воды под судном, и оно буквально проваливается в воду так быстро, что команда не успевает подать сигнал бедствия. Аналогично с самолетами — резкое снижение плотности воздуха приводит к падению. 

В России с 2013 года функционирует только одна многоцелевая ледовая стационарная платформа «Приразломная», расположенная в Печорском море в 55 км к северу от поселка Варандей в Ненецком АО. При проведении инженерно-технических изысканий в месте установки платформы грунты, насыщенные газогидратами, выявлены не были. Однако, после постановки сверхтяжелой гравитационной платформы на сложенное субаквальной мерзлотой дно на глубине моря 17 м с отрицательной температурой придонного слоя воды, следовало бы, по мнению мурманских ученых, ожидать относительно быстрое формирование линзы насыщенных газогидратами грунтов в области дополнительной пригрузки под фундаментом на глубинных уровнях разреза до 200–400 м. Разрастание этой линзы в объеме может привести к смене «нормального» режима проседания, типичного для добычных промыслов с высоким дебитом, на режим вздымания с угрозой одномоментного обрушения вследствие деструкции газогидратов.

Условия формирования метастабильной линзы газогидратных грунтов

Концептуальная схема формирования взрывоопасной линзы насыщенных газогидратами грунтов под основанием сверхтяжелых гравитационных платформ, устанавливаемых на мелководных участках арктического шельфа в пределах зоны стабильности газогидратов в субаквальной вечной мерзлоте.

Еще один механизм разрушения газогидратных зон — мощные электромагнитные бури, характерные для аврорального пояса Арктики. Экспериментально установлено, утверждается в исследовании, что потоки электромагнитного излучения с мегагерцовой частотой способны разрушать газогидратные кластеры. В период мощных «штормов» в приполярном секторе ионосферы генерируются энергопотоки мощностью до 1,4 ГВт, и земную поверхность достигает излучение с частотным диапазоном 1–6 МГц. Влияние этих токов на линейные структуры техносферы (линии электропередач, трубопроводы и т. п.) давно изучается и контролируется во всех приарктических странах, тогда как публикаций по оценке масштабов деструкции газогидратов вследствие вариаций электромагнитного поля практически нет. 

Относительно безаварийная добыча углеводородов в Арктической зоне Норвегии, Канады и США объясняется высокими требования к безопасности работ и превалировании экологических требований над экономическими резонами. Канада еще в 2012 г. предложила в обязательном порядке оценивать масштабы распространения газогидратных блоков при оценке рисков освоения нефтегазовых полей на арктических территориях. В США в процессе разведки нефтеносных полей Аляски в начале 2000-х гг. было выполнено районирование территории по распространенности газогидратных залежей, рассматриваемых не в качестве дополнительного источника углеводородов, а как фактор, осложняющий организацию добычи нефти. В 2017 г., после появления информации о возможностях взрывной дегазации недр при разрушении залежей газогидратов под воздействием техногенного стресса, экологические требования к промышленной безопасности продуктивных природно-технических комплексов в США были ужесточены настолько, что большинство операторов арктических проектов предпочло приостановить разведку и обустройство промыслов на неопределенный срок — до развития технологий, гарантирующих надежный контроль и управление рисками. 

Наиболее полноценные базы данных и знаний об особенностях арктической зоны сформировала Норвегия, первая среди приарктических государств, создавшая в 2013 году специализированный Центр изучения арктических газовых гидратов, природной среды и климата при Арктическом университете в Тромсе. Норвегия инвестировала огромные средства в создание высокочувствительных донных систем сейсмоакустического мониторинга флюидодинамики недр. Разрешающая способность применяемых в России методик на порядок ниже, чем у разработанных еще в 2008 г. норвежских программно-аппаратных комплексов сейсморазведки на основе волоконно-оптических измерительных средств.

На сегодня степень изученности российского сегмента арктического шельфа в десять раз ниже изученности американской части Чукотского моря и в двадцать раз ниже степени изученности шельфа Норвегии.

Перспективы Северного морского пути (СМП) упираются в отсутствие систем связи и слежения за судами. Информация о местоположении морских судов, передаваемая в режиме реального времени, обрывается примерно в районе Баренцева моря. Имеются лишь локальные «пятна» информации в Белом море за счет ведомственных источников, например, системы освещения обстановки ВМФ. На СМП по причине отсутствия источников бесперебойного питания и устойчивой связи (сотовой или космической) не сформирована система автоматической идентификации судов, а эффективность применения традиционных радиолокационных систем для контроля судоходства и выявления опасных природных явлений сильно понижена вследствие специфической геофизической среды и климатических условий Арктики. 

Нет ни российских, ни международных систем по предоставлению информации об айсберговой опасности на трассах СМП и «открытого моря» в баренцевоморской части Арктического транспортного коридора. До начала «большого скачка» в объемах грузоперевозок по глубоководным арктическим маршрутам, проходящим через пролив между покрытыми ледниками архипелагами Земля Франца-Иосифа и Новая Земля и огибающим Северную Землю и Новосибирские острова, риск столкновения судов с айсбергами оценивался на уровне 1–2%, однако после выхода в условиях аномального растепления Арктики на высокоширотные трассы супертанкеров риск аварийных столкновений многократно возрос. 

Распределение айсбергов на морских коммуникациях Баренцева  моря, связывающих северную трассу СМП с портами Западной Европы (синяя линия) и Мурманском (красная линия).

Угрозу судам в акватории Баренцова моря до сих пор представляет айсберговый сток Гренландии. Передвигающиеся с севера на юг айсберги могут подхватываться теплыми водами Гольфстрима и приплывать в акваторию Баренцева моря. Площади ледовых куполов и айсберговый сток на архипелагах Западной Арктики (Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Новая Земля, Северная Земля) значительно уступают Гренландии. 

Ориентировочно численность Карско-Баренцевоморской группы айсбергов можно оценить в 90 тыс. штук, при этом часть из них потенциально опасна для судов и инженерно-технических сооружений на шельфе. Однако в настоящее время не создано специальных служб, которые следили бы за состоянием ледовых покровов на арктических архипелагах и контролировали бы калвинг (айсбергообразование) на кромках выводных ледников.

Хозяйствующие субъекты, ведущие деятельность в Арктике, не заинтересованы в отвлечении средств на научные исследования, тем более непосредственно не затрагивающие их деятельность. Нормативные акты практически не возлагают на них ответственность за разрушение экологии вне зон деятельности, а часто и в них. Например, не существует технологий борьбы с разливами нефти подо льдом.

При освоении Арктики впереди нефтегазовых компаний должна идти наука, денег на которую у государства регулярно не хватает. Например, на архипелаге Шпицберген под эгидой Норвегии с 2018 г. осуществляется интернациональный проект “Svalbard Integrated Arctic Earth Observing System” (SIOS), существенно улучшающий детальность освещения гидрометеорологической и экологической обстановки в Западной Арктике. На подготовительной стадии в 2010–2014 гг. в обосновании проекта принимали участие российские научные учреждения (Кольский научный центр, Геофизическая служба РАН и ААНИИ Росгидромета), однако ухудшение геополитической ситуации и финансового положения российского научного центра на архипелаге Шпицберген лишили Россию возможности продолжить участие в Консорциуме SIOS, объединяющим двадцать пять научных центров из десяти европейских стран. 

Арктика будет осваиваться, но при нынешних тенденциях научную и технологическую основу продвижения в арктическую зону составят, похоже, зарубежные научные центры и фирмы.

Материал подготовлен
Институтом развития технологий ТЭК (ИРТТЭК)