Таяние вечной мерзлоты: риски и решения для нефтегазового сектора

Крупнейшие месторождения нефти и газа в России находятся в северных регионах, зачастую за полярным кругом. Их разработка требует применения специальных технологий и оборудования, ведь не каждая техника сможет бесперебойно работать при -50 °C.

Однако глобальное потепление ставит перед нефтегазовыми компаниями новые вызовы: теперь почва буквально уходит у них из-под ног. Каковы последствия таяния вечной мерзлоты для добычи углеводородов, и какие пути решения этих проблем сегодня существуют?

Земля уходит из-под ног

По оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН, темпы, с которыми на Земле становится жарче, возрастают. Так, средняя температура на планете вырастет на 1,5 °C уже к 2030 году, на 10 лет раньше, чем ожидалось прежде. При этом сильнее всего повышение температуры на планете ощущается на её полюсах и выражается в быстром таянии льдов и  вечной мерзлоты.

Здесь скорость этого процесса в два раза превышает прогнозы. Учёные из США и Канады, входящие в состав межправительственной группы по изменению климата, в своём исследовании от 2020 года отметили, что за  предыдущие 15 лет грунт в Арктике из-за повышения температуры и «оттаивания» почвы просел на несколько десятков сантиметров.

По всей вероятности, эта тенденция не только сохранится, но и усугубится. Так, в 2019 году аналитик агентства Bloomberg Джулиан Ли предрекал, что на полуострове Ямал несущая способность грунта может снизиться на 25–50% к 2025 году.

К похожим выводам пришли специалисты Арктического совета Программы мониторинга и оценки Арктики (АМАР).

По  их данным, несущая способность грунта в российских регионах вечной мерзлоты с 2015 по 2025 годы снизится на 25–50%, а в районе крупнейшего в стране Уренгойского месторождения природного газа — на 50–75%.

Широко распространена точка зрения о том, что глобальное потепление — это прямое следствие хозяйственной деятельности человека. Однако с этим согласны не все учёные. Ведущий научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, канд. геогр. наук Марк Шац считает, что нужно учитывать и мощные естественные факторы.

Климат в истории Земли неоднократно менялся и до появления человека, ледниковые периоды сменялись новыми потеплениями. И, по мнению учёных Института мерзлотоведения, в ближайшие десятилетия не ожидается резких изменений климата, а даже возможно небольшое похолодание.

Удар по инфраструктуре

«Нам сложно делать прогнозы, но то, что растепление мёрзлых грунтов происходит сейчас повсеместно, становится очевидным. От этого страдают как жилые дома, так и промышленные здания, построенные на вечномёрзлых грунтах», — комментирует ситуацию руководитель проектов АО «Нью Граунд» Светлана Рубцова.

Какие именно риски несёт таяние вечной мерзлоты для объектов инфраструктуры? Опоры трубопроводов, ранее надёжно закреплённые в мёрзлом грунте, теперь также подвергаются коррозии и деформируются из-за оседания грунта. Достаточно вспомнить громкий случай с разливом дизельного топлива в Норильске в 2020 году.

Главной причиной катастрофы стало оседание основания резервуара, которое произошло как раз из-за таяния вечной мерзлоты. Всего в этих районах происходит свыше пяти тысяч разливов нефти в год из-за аварий на нефтепроводах, приводит «Коммерсантъ» слова директора Центра экономики окружающей среды и природных ресурсов ВШЭ профессора Георгия Сафонова. Свои риски есть и в обслуживании скважин.

«Особенно уязвимы мёрзлые грунты с повышенным содержанием солей. В таких грунтах по всей глубине мёрзлого слоя наблюдаются линзы различного размера с высокоминерализированной водой, имеющей отрицательную температуру, — криопэги.

Рассол в криопэгах находится в термодинамическом равновесии с окружающим мёрзлым грунтом, и даже небольшое увеличение температуры грунтов, при том, что она остаётся отрицательной, приводит к нарушению равновесия растворлёд и развитию деструктивных геоморфологических процессов.

Особую опасность криопэги представляют для опор и скважин. Локальное протаивание прилегающего к криопэгу грунта вблизи вертикальной стенки даже на большой глубине может привести к распространению рассола вдоль всей конструкции и дальнейшему протаиванию грунта вдоль скважины или опоры», — читаем в статье О. Анисимова и С. Лаврова «Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты: оценка рисков для производственных объектов ТЭК РФ».

Всё это может стать причиной различных техногенных аварий. Нефтегазовые компании уже несут финансовые потери от глобального потепления.

«Проведённые в США исследования показали, что для поддержания нормативной работоспособности существующей на Аляске инфраструктуры в период до 2030 г. потребуется от 3,6 до 6,1 млрд долларов и около 7,6 млрд в период до 2080 г.

Хотя подобные перспективные оценки для России отсутствуют, можно предположить, что с учётом значительно большего числа инфраструктурных объектов в криолитозоне расходы на их поддержание также будут более высокими.

Уже сейчас лишь на обслуживание трубопроводов в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов в России ежегодно расходуется около 55 миллиардов рублей», — писали в своей статье «Геокриологические риски при таянии многолетнемерзлых грунтов» О. А. Анисимов и Д. А. Стрелецкий ещё в 2015 году.

Понятно, что эта сумма заметно увеличилась и продолжает расти. В прошлом году министр природных ресурсов РФ Александр Козлов в своём выступлении на Невском международном экологическом конгрессе заявил, что к 2050 году ущерб от таяния вечной мерзлоты для России составит 5 трлн рублей.

Эти цифры — результат совместного исследования МГУ, РАН и «Гидроспецгеологии». И даже с учётом процесса декарбонизации мировой экономики весомую долю здесь составят расходы на содержание объектов нефтегазовой инфраструктуры. Впрочем, объяснять все разрушения зданий и сооружений в регионах Крайнего Севера одним лишь глобальным потеплением было бы ошибкой, считает Марк Шац.

«Анализ, проведённый органами городского управления с привлечением научных институтов, показал, что проблемы устойчивости инженерных сооружений на территории Якутска связаны, главным образом, с их неудовлетворительным проектированием, строительством и эксплуатацией и лишь в малой степени обусловлены климатическим потеплением.

Множество неклиматических факторов, среди которых можно указать на засоление и минерализацию грунтов из-за утечек сточных вод, отсутствие сети ливневой канализации и особенно обводнение поверхности, сами по себе вызывают деградацию мёрзлых оснований, фундаментов зданий и сооружений, а климатическое потепление лишь усиливает эти процессы», — пишет учёный в своей статье «Современная динамика многолетнемёрзлых пород (основные причины и мониторинг)».

Нефтедобыча в условиях тающей мерзлоты

В любом случае, с устойчивостью грунтов в условиях «тающей мерзлоты» надо что-то делать. Очевидный ответ — сокращать выбросы парниковых газов в атмосферу. Работа в этом направлении, конечно, идёт. Небольшим, но важным шагом вперёд стала конференция по климату в Глазго, где большинство стран подтвердило свои намерения двигаться к углеродной нейтральности.

В их число вошла и Россия. Однако это задачи планетарного масштаба, и ждать эффекта придётся в лучшем случае десятилетиями. Впрочем, существуют локальные и куда более быстродействующие методы.

«В инженерной геокриологии разработаны эффективные методы стабилизации геотехнических объектов при деградации ММП. В первую очередь к ним относятся термосифоны и вентиляционные устройства, позволяющие компенсировать последствия изменения климата и техногенеза.

В то же время необходимо отметить, что использование стабилизирующих технологий весьма дорого, поэтому их повсеместное применение не всегда экономически целесообразно», — пишет Марк Шац.

Кроме этого нужно помнить, что закачивание аммиака для охлаждения несёт за собой высокие экологические риски. К тому же процедуру нужно периодически повторять. Альтернативный вариант  — закрепить фундаменты зданий и опоры имеющихся объектов с помощью струйной цементации грунтов. Этот вариант решает проблему растепления на весь срок службы объекта.

«В условиях многолетнемёрзлых грунтов для формирования грунтоцементного элемента используется комплекс оборудования. Для растепления вертикальной цилиндрической зоны грунта применяется установка подачи пара марки ППУ 1600/100 и буровая установка с комплексом струйной цементации.

Установка подачи пара подаёт его с температурой до  310 °С, под давлением до 10 МПа, с  расходом до 1600 кг/час. Пар подаётся через форсунки основного монитора установки. При этом в грунте формируется вертикальная цилиндрическая зона талого грунта диаметром до 1200 мм, с температурой грунта в диапазоне + 6…+24 °С.

При этом ликвидируются ледовые связи в грунте, а затем в ходе процесса струйной цементации формируется грунтоцементный элемент. Эту технологию мы уже успешно применили на нескольких крупных промышленных объектах», — рассказывает Светлана Рубцова.

Строящиеся объекты находятся в более привилегированном положении, здесь сразу можно предусмотреть технические решения на случай протаивания грунта. Большое значение имеет и выбор участка для строительства.

«При предварительной оценке участков вероятного размещения месторождения, а также площадок и трасс строительства и их баз, необходимо учитывать внешние признаки вероятного развития негативных экзогенных процессов.

В частности, особо следует избегать районов вблизи оврагов, а также территории с явным проявлением пучения, термо- и обычного карста, широкого развития бугристых торфяников и т. д.

Основные объекты и транспортную сеть следует размещать на заведомо устойчивых к техногенным воздействиям участкам: с близкими к поверхности либо выходящими на неё скальными или крупнообломочными породами; относительно ровных, хорошо дренированных, сложенных слабольдистыми грунтами.

Для предотвращения активизации криогенных процессов следует категорически избегать плоских, а особенно пологонаклонных (крутизной более 3°) поверхностей, подстилаемых высокольдистыми грунтами», — пишет в своей статье «Эколого-геокриологическая специфика при недропользовании на Севере Сибири» Марк Шац.

Очевидно, что отрасль испытывает сильную потребность в новых технологиях, которые помогут снизить себестоимость добычи в условиях тающей мерзлоты. Однако разработка новых и внедрение уже существующих подходов к решению проблемы требует солидных вложений.

Теперь, когда из-за санкций судьба инвестиционной составляющей бюджета многих компаний оказалась под вопросом, эта проблема обрела особую актуальность. В то же время нужно понимать, что эти вложения носят стратегический характер, и технологическое отставание в этой отрасли делает туманными перспективы добычи нефти и газа за полярным кругом.

Светлана Рубцова руководитель проектов АО «Нью Граунд»

«Несмотря на то, что таяние вечной мерзлоты распечатывает ранее недосягаемые пласты полезных ископаемых, оно напрямую угрожает большей части уже созданной инфраструктуры нефтегазодобычи в северных районах. Из-за этого могут обрушиться железные дороги, трубопроводы и другие объекты инфраструктуры.

После растепления грунтов породы теряют устойчивость, и  вследствие этого появляются деформации фундаментов несущих конструкций, которые, в свою очередь, приводят к неравномерным осадкам здания в целом. В ходе нашей работы нам приходилось сталкиваться с неравномерным «проседанием» зданий добывающих предприятий в Бодайбо и Удокане».

Текст: Андрей Халбашкеев