Η εποπτεία του βυθού εισέρχεται στην εποχή της αυτονομίας

AMT ανάπτυξη κατά τη διάρκεια του έργου Ormen Lange, offshore Νορβηγία. (Φωτογραφία: Sonardyne)

Η παρακολούθηση παραμόρφωσης του θαλάσσιου βυθού μετακινείται σε νέα πεδία ικανότητας, καθώς η αυτο-βαθμονόμηση, η αυτόνομη ανάπτυξη και η συλλογή δεδομένων ανοίγουν νέες δυνατότητες για την επέκταση της διάρκειας ζωής των πετρελαϊκών πεδίων. Ο Shaun Dunn, διευθυντής παγκόσμιου επιχειρησιακού λογισμικού της Sonardyne, Exploration & Surveillance, εξηγεί.

Κατά την πρόσφατη κάμψη, ένα από τα μέτρα που έλαβαν οι πετρελαϊκές εταιρείες για τη διατήρηση της παραγωγής ήταν να επικεντρωθούν περισσότερο στα προγράμματα βελτίωσης της πετρελαϊκής ανάκτησης (IOR) σε υπάρχοντα πεδία παρά στην αναζήτηση νέων συνόρων.

Η προληπτική διαχείριση των υφιστάμενων ταμιευτήρων για τη μεγιστοποίηση της ανάκτησης, χωρίς την ανάγκη για σημαντικές επενδύσεις κεφαλαίου εκ των προτέρων, που απαιτεί η ανάπτυξη νέων πεδίων, ήταν και παραμένει ένας κερδοφόρος τρόπος για να βγει περισσότερο προϊόν από το έδαφος, χρησιμοποιώντας λιγότερους πόρους και μειωμένους περιβαλλοντικούς αντίκτυπους. Ωστόσο, με τον IOR υπάρχουν πρόσθετοι κίνδυνοι, όπως επανενεργοποίηση βλαβών και άλλες επικίνδυνες καταστροφές, όπως θραύσεις του θαλάσσιου βυθού, παραμόρφωση ή καθίζηση. Η κίνηση του θαλάσσιου βυθού συχνά αναμένεται πάνω από τις δεξαμενές καθώς παράγονται και μειώνονται τα επίπεδα πίεσης. Πολλά εκατοστά της κίνησης ετησίως είναι αρκετά τυπικά. Καθώς μειώνονται τα επίπεδα πίεσης σε μια ζώνη παραγωγής, το ίδιο ισχύει και για την ικανότητα της δεξαμενής να υποστηρίζει τα στρώματα του βράχου ή να επιβαρύνεται πάνω από αυτό, οδηγώντας σε φαινόμενα παραμόρφωσης της θάλασσας, όπως ένα σταδιακά αυξανόμενο κύπελλο καθίζησης.

Ενώ αυτό το κίνημα δεν μπορεί να προκαλέσει σοβαρό κίνδυνο από μόνο του, γνωρίζοντας πόση κίνηση υπάρχει, σε ποια κατεύθυνση και πόσο γρήγορα συμβαίνει βοηθά τους χειριστές να μάθουν περισσότερα για τον τρόπο λειτουργίας των δεξαμενών τους και, συνεπώς, πώς να τους λειτουργούν πιο παραγωγικά.

Η ικανότητα μέτρησης της θαλάσσιας κυκλοφορίας πλευρικά και κάθετα με το πέρασμα του χρόνου επιτρέπει στους γεωφυσικούς να συγχωνεύουν αυτές τις πληροφορίες με άλλα δεδομένα παραγωγής για να συμπεράνουν τη ροή του ρευστού, την πίεση του πόρου, τη συμπύκνωση της στάθμης των δεξαμενών κλπ. Και στη συνέχεια να συντονίζουν τα σχέδια διαχείρισης δεξαμενών τους και να βελτιώνουν ανάλογα τα ποσοστά ανάκτησης. Κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας γεώτρησης και παραγωγής, η παρακολούθηση της θάλασσας μπορεί επίσης να βοηθήσει στην αποφυγή των επικίνδυνων καταστροφών, όπως η επανενεργοποίηση σφαλμάτων και οι λάσπες.

Το γερμανικό ερευνητικό σκάφος Sonne και το μη επανδρωμένο επιφανειακό σκάφος Wave Glider (USV) χρησιμοποιήθηκαν για τη συλλογή δεδομένων από τα AMT. Οι USV μπορούν πλέον να πραγματοποιούν και μετρήσεις GPS-ακουστικής. (Φωτογραφία: Sonardyne)

Τι λειτουργεί στην ξηρά, δεν λειτουργεί υπεράκτια
Ωστόσο, στο παρελθόν, δεν ήταν εύκολο να μετρηθούν αυτές οι μικρές μετακινήσεις στην ξηρά. Οι χερσαίες μετατοπίσεις, η τοποθέτηση μέσω GPS, τα συστήματα λέιζερ και τα δορυφορικά συστήματα μέτρησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των θέσεων και των αποστάσεων μεταξύ των αντικειμένων που βρίσκονται στην ξηρά, μέσα σε εκατοστά ή και χιλιοστά. Αυτές οι τεχνικές δεν λειτουργούν υποθαλάσσια.

Παραδοσιακά, τα βαθυμετρικά ηχεία έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της υποβάθμισης σε υπεράκτια ύψη, αλλά η ακρίβειά τους είναι πολύ περιορισμένη, ιδιαίτερα σε βαθιά νερά, και η εφοδιαστική της ανάπτυξης δυσχεραίνει την πρακτική εφαρμογή τους για την ανίχνευση αργών ρυθμών καθίζησης, όπου απαιτούνται μετρήσεις μεγάλης διάρκειας. Φορητά βαρυτόμετρα χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση αλλαγών στην πυκνότητα που προκαλούνται από το νερό που αντικαθιστά το αέριο για παράδειγμα. Όμως, αυτοί οι αισθητήρες πρέπει να μετακινούνται μεταξύ μόνιμα αναπτυγμένων θαλασσινών μνημείων χρησιμοποιώντας ένα υποβρύχιο όχημα (ROV) με τηλεχειρισμό και επαναλαμβανόμενες μετρήσεις βαρύτητας και πίεσης που λαμβάνονται σε κάθε θέση. Πρόκειται για μια χρονοβόρα, δαπανηρή και δαπανηρή διαδικασία προσωπικού και δαπανών, η οποία πραγματοποιείται συνήθως σε πολυετή βάση, γεγονός που περιορίζει τη χρησιμότητα των δεδομένων.

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, αναπτύχθηκε μια πιο αποδοτική εναλλακτική λύση, χάρη στην ιδέα των γεωφυσικών ερευνητών της Shell, Dr. Paul Hatchell και του Dr. Stephen Bourne, το 2006. Γνωρίζονταν ότι, επειδή η παραμόρφωση του θαλάσσιου πυθμένα προκαλεί κατακόρυφες και οριζόντιες μετατοπίσεις, πιο συνεχής μέθοδος παρακολούθησης της καθίζησης θα μπορούσε να γίνει με τη λήψη κατακόρυφων και οριζόντιων μετρήσεων χρησιμοποιώντας μακροπρόθεσμα αναπτυγμένα υποβρύχια όργανα. Εκείνη τη στιγμή, δεν ήταν διαθέσιμος κατάλληλος εξοπλισμός παρακολούθησης μεγάλης αντοχής και εξαιρετικά ευαίσθητης παρακολούθησης, οπότε η Shell προσέγγισε τη Sonardyne, λόγω της μακράς ιστορίας μας στον σχεδιασμό οργάνων υψηλής ακριβείας.

Εισαγωγή παρακολούθησης παραμόρφωσης του θαλάσσιου βυθού
Σε συνεργασία με τη Shell αναπτύξαμε το πρώτο σύστημα παρακολούθησης παραμόρφωσης του θαλάσσιου βυθού, το οποίο αναπτύχθηκε στο πεδίο Ormen Lange της Shell στη νορβηγική υφαλοκρηπίδα το 2007. Το σύστημα μέτρησε τις οριζόντιες αποστάσεις μεταξύ δύο θέσεων στο θαλασσινό νερό χρησιμοποιώντας ακουστικές μετρήσεις βάθους αισθητήρες πίεσης. Αυτές οι τεχνικές δεν είναι νέες στην υποβρύχια έρευνα. Πράγματι, η Sonardyne έχει παράσχει αυτές τις τεχνολογίες στην υπεράκτια βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου για περισσότερο από τέσσερις δεκαετίες. Ωστόσο, για να δημιουργηθεί ένα σύστημα παρακολούθησης της παραμόρφωσης του θαλάσσιου βυθού, απαιτήθηκαν ορισμένες καινοτομίες.

Για να μετρήσουμε την οριζόντια μετατόπιση, τα ακουστικά κύματα μεταδίδονται ως σήματα μεταξύ των ζευγών των αυτόματων αναμεταδοτών παρακολούθησης (AMT), τα οποία χωρίζονται από εκατοντάδες μετρητές και προσδιορίζεται ο αμφίδρομος χρόνος κύκλου ταξιδιού αυτών των σημάτων. Η ταχύτητα κύματος μετράται επίσης τοπικά και σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας ενσωματωμένους αισθητήρες ταχύτητας ήχου, έτσι ώστε η απόσταση μεταξύ των ζευγαριών AMT να μπορεί να παρακολουθείται με μεγάλη ακρίβεια. Η κατακόρυφη μετατόπιση μετράται με ενσωματωμένους αισθητήρες πίεσης. Με τη σύγκριση των αποτελεσμάτων από πολλαπλές AMTs, τα αποτελέσματα της παλίρροιας, της πυκνότητας της στήλης ύδατος και των αλλαγών της βαρομετρικής πίεσης μπορούν να απομακρυνθούν από τα αποτελέσματα αφήνοντας μόνο τις σχετικές μεταβολές στο βάθος του θαλάσσιου βυθού που απομένουν.

Ακούγεται απλό; Δεν είναι. Έχει γίνει πολύ σκληρή δουλειά για την ανάπτυξη αυτού του συστήματος, ώστε να μπορεί να παρέχει τόσο την ευαισθησία όσο και την απαιτούμενη μακροχρόνια εξυπηρέτηση, στα απαιτούμενα βάθη των θαλασσών. Αυτό περιλαμβάνει καινοτομίες στην ακουστική σηματοδότηση υψηλής απόδοσης, ανίχνευση πίεσης, ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος, αδιάβροχα ανθεκτικά στην πίεση και ανθεκτικά στη διάβρωση θαλάσσια περιβλήματα, τεχνολογίες μπαταριών και σχέδια ακουστικών μορφοτροπέων. Προσθέσαμε επίσης μια βαθμονόμηση αισθητήρα πίεσης in-situ σε μια διαδικασία γνωστή ως Ambient Zero Ambient (AZA) για την αντιμετώπιση της εγγενής απόκλισης που αντιμετωπίζουν οι αισθητήρες πίεσης χωρίς να χρειάζεται να τις ανακτήσετε στην επιφάνεια.

Αυτά τα συστήματα είναι αποδεδειγμένα σε πεδία. Μετά από τις πρώτες θαλάσσιες δοκιμές στο Ormen Lange, πραγματοποιήσαμε μια πιο μακροπρόθεσμη εγκατάσταση στην ίδια τοποθεσία, από το 2010 έως το 2015. Κατά τη διάρκεια αυτής της ανάπτυξης αναπτύχθηκαν σχεδόν 220 AMTs, επιτρέποντας πέντε και μισό χρόνια συνεχούς παρακολούθησης των καθιζήσεων στο χώρο, περισσότερες από 600 εκατομμύρια παρατηρήσεις εύρους. Οι εκδόσεις του συστήματος έχουν αναπτυχθεί από φορείς εκμετάλλευσης στο Ηνωμένο Βασίλειο της Βόρειας Θάλασσας, τον Κόλπο του Μεξικού των ΗΠΑ και την ανοικτή Ασία.

Η μόχλευση κινείται σε θαλάσσια αυτονομία
Όμως, δεν έχουμε παραμείνει ακίνητοι. Με τη χρήση μη επανδρωμένων οχημάτων, μπορέσαμε να πάρουμε αυτό το σύστημα ακόμη περισσότερο: μπορούμε να εντοπίσουμε τις ακριβείς θέσεις των AMT μας χρησιμοποιώντας GPS-Acoustic box-in (GPS-A) και στη συνέχεια να εκτελέσουμε ασύρματη ανάκτηση δεδομένων χρησιμοποιώντας μη επανδρωμένα σκάφη επιφανείας, όπως Liquid Ρυθμιστές κυμάτων ρομπότ. Η χρήση μη επανδρωμένων συστημάτων εξοικονομεί κόστος, καθώς συνήθως έχουν λειτουργικό κόστος που είναι μία ή δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερο από το μέσο όρο των επανδρωμένων σκαφών.

Το αποτέλεσμα είναι ότι τώρα έχουμε μέσα που είναι πλήρως αυτόνομα. μπορεί να αναπτυχθεί στον θαλάσσιο βυθό, παραμένοντας σε ισχύ για 10 ή περισσότερα χρόνια χωρίς άμεση παρέμβαση · κάνουν ακριβείς μετρήσεις οριζόντιας και κάθετης κίνησης. και, χρησιμοποιώντας απομακρυσμένες δυνατότητες συλλογής ασύρματων δεδομένων, μπορεί να αναφέρει συστηματικά πληροφορίες σε έναν χρήστη που κάθισε στο γραφείο του. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τα έργα παρακολούθησης των πιο προκλητικών και υψηλής ευαισθησίας λύσεων σε παγκόσμιο επίπεδο.

Από αριστερά προς τα δεξιά: Ένα συγκρότημα πλαισίου τρίποδα AMT, μια υποσέλιδα AMT που έχει εγκατασταθεί για παρακολούθηση της καθίζησης στον Κόλπο του Μεξικού των ΗΠΑ και AMTs και τα πλαίσια τους μετά από ανάκαμψη μετά από περισσότερο από πέντε χρόνια ανάπτυξης (Εικόνες: Sonardyne)

Βελτίωση της ακρίβειας, βελτίωση των αποτελεσμάτων
Η δουλειά δεν σταματά. Προσπαθούμε επίσης συνεχώς να βελτιώσουμε την ακρίβεια του εξοπλισμού παρακολούθησης οικισμών του βυθού μας. Μέσω της δουλειάς μας για την τακτική επί τόπου βαθμονόμηση, καθώς και ένα ερευνητικό πρόγραμμα για την επιλογή και τον προ-χαρακτηρισμό των καλύτερων αισθητήρων πίεσης και για τον εντοπισμό των θέσεων του εξοπλισμού από τα αεροσκάφη επιφάνειας, επιτύχαμε σχεδόν 1cm / έτος ευαισθησία μέτρησης.

Αυτό είναι συναρπαστικό - θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην παρακολούθηση του διακανονισμού του βυθού, διότι απελευθερώνει μια εντελώς νέα παγκόσμια ικανότητα παρακολούθησης των πεδίων που υποχωρούν πολύ αργά, συμπεριλαμβανομένων των πεδίων βαθέων υδάτων, όπως αυτά του προ-άλατος της Βραζιλίας και του Κόλπου του Μεξικού.

Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία παρέχει επίσης δεδομένα που οι παλαιοί επιστήμονες των ωκεανών δεν είχαν πρόσβαση, για την παρακολούθηση της ζώνης υποπίεσης και της τεκτονικής πλάκας. Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες σχεδόν αποκλειστικά εξαρτώνται από τη χρήση επανδρωμένων ερευνητικών σκαφών για τη διεξαγωγή παρατηρήσεων στη θάλασσα. Αυτό σήμαινε ότι είχαν μόνο σποραδικά και περιορισμένα προγράμματα απόκτησης δεδομένων, γεγονός που με τη σειρά τους σήμαινε ότι δεν ήταν σε θέση να διαμορφώσουν με ικανοποιητικό τρόπο τις ζώνες υποδιπλασιασμού. Αυτές είναι περιοχές όπου μια ωκεάνια κρούστα βυθίζεται κάτω από μια πυκνότερη ηπειρωτική κρούστα και δημιουργεί την συσσώρευση ενέργειας τριβής που συνδέεται τυπικά με τους πιο καταστροφικούς σεισμούς και τσουνάμι στον κόσμο. Τώρα, δεν έχουν μόνο τη δυνατότητα να αποκτήσουν αυτά τα δεδομένα καθίζησης, αλλά με τη δυνατότητα να εκτελούν ακουστικά κιβώτια GPS, μπορούμε να εντοπίσουμε με ακρίβεια τις απόλυτες θέσεις κάθε AMT, ώστε αυτά τα δεδομένα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μοντέλα. Αυτά τα δεδομένα δεν ήταν προσιτά στο παρελθόν στους επιστήμονες.

Ενεργοποίηση της έρευνας για το τσουνάμι και το σεισμό
Το GEOMAR, μεταξύ άλλων, έχει αναπτύξει το σύστημα παρακολούθησης της παραμόρφωσης του θαλάσσιου πυθμένα της Sonardyne σε διάφορες ευρωπαϊκές και νοτιοαμερικανικές τοποθεσίες για να μετρήσει τη συσσώρευση του στελέχους που σχετίζεται με την κίνηση των τεκτονικών πλακών. Για μία ανάπτυξη κατά μήκος της τεκτονικής πλάκας Nazca-South American από την ακτή της Χιλής, η GEOMAR ενδιαφέρθηκε ειδικά για την ανάπτυξη οριζόντιας καταπόνησης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει πότε θα μπορούσαν να εμφανιστούν μεγάλες μετατοπίσεις στη ζώνη υποδιέγερσης. Το σύστημα αυτό είναι μοναδικό στο να διαμορφώνεται με ακουστικά σήματα χαμηλότερης συχνότητας που διαδίδονται εύκολα σε μεγάλες αποστάσεις, μια ρύθμιση που απαιτείται για την αποτελεσματική ασύρματη επικοινωνία στα ακραία βάθη (πάνω από 5.000 μέτρα) στα οποία έχουν αναπτυχθεί κάποια από αυτά τα όργανα.

Το Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας Scripps, το οποίο χρησιμοποίησε για πρώτη φορά αυτή την τεχνολογία το 2013-14, συνεργάζεται με την Αμερικανική Γεωλογική Έρευνα (USGS) για να κατανοήσει καλύτερα τη Ζώνη Υποκαταγωγής Cascadia προκειμένου να προβλέψει καλύτερα πότε είναι πιθανότερο να συμβεί ένα σημαντικό γεγονός. Χρησιμοποιεί το όργανο λήψης Sonardyne's Fetch (λειτουργικά ισοδύναμο με το AMT, αλλά με πολύ μεγαλύτερη μπαταρία που επιτρέπει αναπτύξεις έως και 10 ετών) για τη συνιστώσα του θαλάσσιου βυθού της μελέτης.

Η τεχνολογία αποτελεί επίσης τη βάση μιας συνεργασίας που χρηματοδοτείται από την ιαπωνική κυβέρνηση μεταξύ του Πανεπιστημίου του Κιότο, του Universidad Nacional Autónoma de México και της GNS Science της Νέας Ζηλανδίας. "Αξιολόγηση κινδύνου μεγάλων σεισμών και τσουνάμι στις Μεξικάνικες ακτές του Ειρηνικού για μετριασμό των καταστροφών". Προτείνονται επίσης και άλλα σημαντικά προγράμματα.

Ακριβής, προσβάσιμη γνώση
Το σύστημα παρακολούθησης παραμόρφωσης του θαλάσσιου βυθού μας δίνει στους χειριστές και τους επιστήμονες μια εκατοστιαία λεπτομέρεια της κίνησης του θαλάσσιου χώρου, βοηθώντας να διαχειριστεί και να μεγιστοποιήσει τους πόρους του και να παρακολουθήσει τις τεκτονικές κινήσεις των υποβρυχίων πλακών με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ό, τι είχαν κάνει ποτέ πριν, προηγούμενων μεθόδων.

Το Sonardyne AMT μετρά την κατακόρυφη και οριζόντια μετατόπιση για την ανίχνευση κάθε παραμόρφωσης που προκαλείται από την παραγωγή του θαλάσσιου βυθού. (Εικόνα: Sonardyne)