Наблюдение за морским дном вступает в эпоху автономии

Развертывание AMT во время проекта Ormen Lange, на шельфе Норвегии. (Фото: Сонардайн)

Мониторинг деформации морского дна выходит на новые возможности, поскольку самокалибровка, автономное развертывание и сбор данных открывают новые возможности для продления срока службы нефтяных месторождений. Объясняет Шон Данн, глобальный бизнес-менеджер Sonardyne по разведке и наблюдению.

В ходе недавнего спада одной из мер, предпринятых нефтяными компаниями для поддержания добычи, было уделение большего внимания программам улучшения нефтеотдачи (IOR) на существующих месторождениях, а не освоению новых рубежей.

Упреждающее управление существующими резервуарами для максимизации извлечения без необходимости крупных предварительных капиталовложений, которые требуются при разработке новых месторождений, было и остается прибыльным способом получить больше продукции из-под земли, используя меньше ресурсов и уменьшая воздействие на окружающую среду. Тем не менее, IOR сопровождается дополнительными рисками, включая повторную активацию разлома и другие опасные геологические явления, такие как трещины морского дна, деформация или оседание. Движение морского дна часто следует ожидать над водохранилищами по мере их добычи и падения уровня давления. Несколько сантиметров движения в год довольно типично. По мере снижения уровня давления в эксплуатационной зоне снижается способность пластовой породы удерживать слои породы или вскрышные породы над ней, что приводит к явлениям деформации морского дна, таким как постепенно увеличивающаяся чаша опускания.

Хотя это движение может не вызывать серьезную опасность само по себе, знание того, сколько оно существует, в каком направлении и как быстро оно происходит, помогает операторам больше узнать о том, как работают их резервуары, и, следовательно, как работать с ними более продуктивно.

Возможность измерять движение морского дна в поперечном и вертикальном направлении с течением времени позволяет геофизикам объединять эту информацию с другими данными о добыче для определения потока жидкости, порового давления, уплотнения уровня пласта и т. Д., А затем настраивать свои планы управления пластом и соответствующим образом повышать коэффициенты извлечения. Во время бурения и добычи, мониторинг морского дна также может помочь избежать таких опасных геологических явлений, как повторная активация разломов и проскальзывание бурового раствора.

Немецкое исследовательское судно Sonne и беспилотный надводный корабль Wave Glider (USV) использовались для сбора данных из АМТ. USV теперь также могут выполнять GPS-акустические измерения. (Фото: Сонардайн)

Что работает на берегу, не работает на море
Однако в прошлом было нелегко измерить эти небольшие перемещения в море. На суше системы GPS-позиционирования, лазерного позиционирования и спутниковой альтиметрии могут использоваться для определения положения и расстояний между объектами на суше с точностью до сантиметров или даже миллиметров. Эти методы не работают под водой.

Традиционно батиметрические гидролокаторы использовались для измерения оседания в море, но их точность строго ограничена, особенно в глубоководных районах, и используемая логика развертывания препятствует их практическому применению для обнаружения медленных скоростей оседания, где требуются измерения длительной продолжительности. Портативные гравиметры также используются для обнаружения изменений плотности, вызванных, например, водой, замещающей газ. Но эти датчики необходимо перемещать между постоянно установленными памятниками морского дна с использованием подводного транспортного средства с дистанционным управлением (ROV) и повторных измерений силы тяжести и давления, проводимых в каждом месте. Это длительный, кадровый, ресурсоемкий и, следовательно, дорогостоящий процесс, который обычно выполняется с многолетними интервалами, что ограничивает полезность данных.

За последнее десятилетие была разработана более экономически эффективная альтернатива, благодаря идее исследовательских геофизиков Shell доктора Пола Хэтчелла и доктора Стивена Борна, имевшей место в 2006 году. Они знали, что, поскольку деформация морского дна вызывает вертикальные и горизонтальные смещения, Более непрерывный метод мониторинга оседания может быть возможен путем проведения вертикальных и горизонтальных измерений с использованием долгосрочных развернутых подводных приборов. В то время подходящее долговечное и высокочувствительное контрольное оборудование отсутствовало, поэтому Shell обратилась к Sonardyne из-за нашей долгой истории в разработке высокоточных измерительных приборов.

Введение мониторинга деформации морского дна
Работая с Shell, мы разработали первую систему мониторинга деформации морского дна, которая была развернута на месторождении Shell Ormen Lange на норвежском континентальном шельфе в 2007 году. Система измеряла горизонтальные расстояния между двумя точками на морском дне с помощью акустического измерения и проводила вертикальные измерения глубины с помощью датчики давления. Эти методы не новы в подводной съемке. Действительно, Sonardyne поставляла эти технологии для морской нефтегазовой промышленности на протяжении более четырех десятилетий. Однако для создания системы мониторинга деформации морского дна потребовался ряд нововведений.

Для измерения горизонтального смещения акустические волны передаются в виде сигналов между парами наших автономных контрольных транспондеров (АМТ), которые разделены сотнями метров, и определяется двустороннее время прохождения этих сигналов в обоих направлениях. Скорость волны также измеряется локально и в режиме реального времени с использованием встроенных датчиков скорости звука, так что расстояние между парами AMT можно очень точно контролировать. Вертикальное смещение измеряется с помощью встроенных датчиков давления. Сравнивая результаты нескольких AMT, эффекты приливов, плотности столба воды и изменений атмосферного давления могут быть удалены из результатов, оставляя только относительные изменения глубины морского дна.

Звучит просто? Это не. Большая работа была проделана для разработки этой системы, чтобы она могла обеспечить как чувствительность, так и длительное обслуживание, необходимое на требуемой глубине морского дна. Это включает в себя инновации в области высокоэффективной акустической сигнализации, измерения давления, маломощной электроники, водонепроницаемых корпусов, устойчивых к давлению и коррозии, аккумуляторных технологий и конструкций акустических преобразователей. Мы также добавили калибровку датчика давления на месте в процессе, известном как Ambient Zero Ambient (AZA), чтобы устранить врожденный дрейф, который испытывают датчики давления без необходимости извлекать их на поверхность.

Эти системы проверены в полевых условиях. После первых морских испытаний в Ормен-Ланге мы провели долгосрочное развертывание на том же месте, с 2010 по 2015 год. Во время этого развертывания было развернуто около 220 AMT, что позволило проводить непрерывный мониторинг оседания на площадке в течение пяти с половиной лет, собирая более 600 миллионов наблюдений. Версии системы были развернуты операторами в Северном море Великобритании, Мексиканском заливе США и в оффшорной Азии.

Использование движется в морскую автономию
Но мы не стояли на месте. Используя беспилотные транспортные средства, мы смогли продвинуть эту систему еще дальше: мы можем локализовать точные позиции наших AMT, используя GPS-Acoustic box-in (GPS-A), а затем выполнить беспроводной поиск данных с использованием беспилотных надводных судов, таких как Liquid Робототехника "Волновые планеры". Использование беспилотных систем экономит затраты, так как они, как правило, имеют эксплуатационные расходы, которые на один или два порядка ниже, чем средние пилотируемые суда.

В результате у нас теперь есть инструменты, которые полностью автономны; может быть развернут на морском дне, оставаясь на месте в течение 10 или более лет без какого-либо прямого вмешательства; производить высокоточные измерения горизонтального и вертикального движения; и, используя возможности удаленного беспилотного беспроводного сбора данных, может регулярно сообщать информацию обратно пользователю, сидевшему за его столом. Поэтому его можно использовать для самых сложных и высокочувствительных проектов мониторинга поселений во всем мире.

Слева направо: сборка рамы штатива AMT, вариант AMT, установленный под водой для мониторинга оседания в Мексиканском заливе США, а также AMT и их рамы после восстановления после более чем пятилетнего развертывания (Изображения: Sonardyne)

Повышение точности, улучшение результатов
Работа не останавливается. Мы также постоянно стремимся улучшить точность нашего оборудования для мониторинга поселений на морском дне. Благодаря нашей работе по обеспечению регулярной калибровки на месте, а также исследовательской программе по отбору и предварительной характеристике лучших датчиков давления, а также по локализации расположения оборудования на поверхности беспилотных летательных аппаратов нам удалось достичь почти 1 см / год. чувствительность измерения.

Это захватывающе - он может революционизировать мониторинг поселений на морском дне, поскольку он открывает совершенно новый глобальный потенциал для мониторинга очень медленно спадающих месторождений, в том числе глубоководных, таких как бразильский подсол и Мексиканский залив.

Более того, эта технология также предоставляет данные, которые ранее ученые-океаны не могли получить, для мониторинга зоны субдукции и движения тектонических плит. До недавнего времени ученые почти исключительно зависели от использования пилотируемых исследовательских судов для проведения наблюдений в море. Это означало, что у них были только отдельные и ограниченные проекты сбора данных, что, в свою очередь, означало, что они не могли удовлетворительно моделировать зоны субдукции. Это области, где океаническая кора погружается под более плотную континентальную кору и создает накопление энергии трения, которое обычно связано с наиболее разрушительными землетрясениями и цунами в мире. Теперь они не только имеют возможность получать эти данные проседания, но, благодаря возможности выполнять GPS-акустические вставки, мы можем точно определять абсолютные позиции каждого AMT, чтобы эти данные можно было использовать с моделями. Эти данные ранее были недоступны для ученых.

Включение исследований цунами и землетрясений
GEOMAR, в частности, развернул систему мониторинга деформации морского дна Sonardyne в ряде европейских и южноамериканских мест для измерения накопления деформации, связанной с движением тектонических плит. Для одного развертывания вдоль тектонической плиты Наска-Южная Америка у побережья Чили GEOMAR были особенно заинтересованы в наращивании горизонтальной деформации, которая может использоваться для прогнозирования, когда в зоне субдукции могут произойти большие перемещения. Эта система уникальна тем, что она сконфигурирована с низкочастотными акустическими сигналами, которые легко распространяются на значительные расстояния, что необходимо для эффективной беспроводной связи на предельных глубинах (более 5000 метров), на которых были развернуты некоторые из этих приборов.

Институт океанографии Скриппса, который впервые использовал эту технологию в 2013-14 гг., Работает с Геологической службой США (USGS), чтобы лучше понять зону субдукции Каскадия, чтобы лучше предсказать, когда вероятнее всего произойдет крупное событие. Он использует инструмент Fetch от Sonardyne (функционально эквивалентный AMT, но с гораздо большей батареей, позволяющей развертывать до 10 лет) для компонента морского дна исследования.

Эта технология также является основой финансируемого правительством Японии сотрудничества между Университетом Киото, Национальным автономным университетом Мексики и Новой Зеландией GNS Science; «Оценка опасности крупных землетрясений и цунами в мексиканском тихоокеанском побережье для смягчения последствий стихийных бедствий». Другие важные программы также предлагаются.

Точное, доступное понимание
Наша система мониторинга деформации морского дна предоставляет операторам и ученым сантиметровые детали движения морского дна, чтобы помочь в управлении и максимизации их ресурсов, а также отслеживать тектонические движения подводных плит гораздо более детально, чем когда-либо прежде, и все это за небольшую часть стоимости. предыдущих методов.

Sonardyne AMT измеряют вертикальное и горизонтальное смещение, чтобы обнаружить любую вызванную добычей деформацию морского дна. (Изображение: Sonardyne)