Нефтегазовая инфраструктура на многолетне-мёрзлых грунтах: риски и решения

Глобальное потепление на нашей планете «набирает обороты». По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, с 2014 по 2023 год средняя температура на Земле выросла на 1,19 °C. Это уже привело к тому, что мерзлота в северных регионах России перестаёт быть «вечной». Растепление многолетне-­мёрзлых грунтов (ММГ) представляет серьёзный вызов для инфраструктуры в криолитозоне. В зоне риска оказались и нефтегазовые компании. Какие же технологии и оборудование существуют для работы в районах «тающей мерзлоты»?

Чем грозит растепление ММГ?

Почему же таяние вечной мерзлоты представляет такую опасность для инфраструктуры в районах Крайнего Севера?

«Растепление многолетне-­мёрзлых грунтов приводит к деформации и оседанию грунта, что вызывает риск неравномерной осадки фундаментов капитальных объектов нефтегазовой инфраструктуры. Это может стать причиной повреждения фундамента и, как следствие, нарушить работу оборудования», — объяснила исполнительный директор ООО «Технопар» Мария Фёдорова.

Генеральный директор ООО «Тюменский завод мобильных зданий «ТОИР» Пётр Федотов, в свою очередь, выделяет следующие риски таяния вечной мерзлоты:

• деформации и разрушения зданий и сооружений, вызванные изменением несущей способности грунта;
• утечки нефти и газа из-за нарушения герметичности трубопроводов;
• загрязнение окружающей среды вследствие разливов нефти и нефтепродуктов;
• нарушение электроснабжения и связи из-за повреждения линий электропередач и телекоммуникационных кабелей;
• аварии на транспорте, связанные с разрушением дорог и мостов.

«К просадкам мёрзлых пород приводит не только температура воздуха, но и снегозаносы — чем больше снега, тем меньше промерзаний. Часто влияют и техногенные явления: что‑то вышло из строя, произошла утечка — всё это также приводит к изменению состояния мерзлого грунта», — добавил главный инженер ООО НПО «Фундаментстройаркос» Сергей Окунев.

В изменении климата можно найти и плюсы для нефтегазовой отрасли — Арктический регион становится более доступным, считает старший управляющий партнёр ООО «Эрга Нова» (консалтинговая группа «Erga Nova») Дмитрий Сулима. Однако и здесь есть свои подводные камни.

«Добывать становится дешевле, появляется всё большая экономическая целесообразность заходить в те месторождения, которые ещё 10 лет назад просто не рассматривались. В результате получаем рукотворный экологический пожар. Кратно дешевле эту ситуацию предотвратить, чем потом расхлёбывать её последствия», — отметил эксперт в своём выступлении на Промышленно-­энергетическом форуме TNF.

Ещё один спикер мероприятия в Тюмени, директор ООО «КЭПТ Верификация» (консалтинговая компания Kept) Владимир Лукин видит в глобальном изменении больше минусов. Например, увеличение навигации по Северному морскому пути, казалось бы, — однозначно позитивный момент. Но не стоит забывать о существенном увеличении воздействия волн на прибрежную зону, которое тоже приводит к разрушению инфраструктуры.

«По оценкам Росимущества, к 2050 году ущерб социально-­бытовой инфраструктуры РФ от деградации мерзлоты прогнозируется порядка 5 трлн руб­лей. Понятно, что для производственной инфраструктуры эти значения тоже очень велики. Мы все понимаем: работа на ММГ становится ключевым трендом в обустройстве месторождений», — подчеркнул доцент Передовой инженерной школы СПбПУ Петра Великого Никита Шапошников.

Итак, вердикт однозначен — таяние вечной мерзлоты не несёт ничего хорошего нефтегазовым компаниям. Для успешного развития Арктики нужны самые современные технологии.

«Речь идёт именно об опережающем развитии. Если в остальных регионах РФ к чему‑то только присматриваются, то в Арктике инновационные разработки — единственный способ что‑то сделать. Например, мини-­АЭС или космические цифровые инструменты для прогнозирования толщин льда при навигации.

Росcийская Федерация до 2022 года полагалась преимущественно на коллаборацию транснациональных корпораций. Так, самые продвинутые технологии добычи у Норвегии. Сейчас нужно пересмотреть стратегию освоения региона», — считает эксперт в сырьевой промышленности ООО «Яков и Партнёры» Олег Назаров.

Какие технологии ждут нефтегазовые компании?

В то же время добыча углеводородов в России смещается всё дальше на Север. Запасы на разведанных ещё в советские годы месторождениях-­гигантах постепенно подходят к концу. В этих условиях освоение Арктики становится одним из приоритетов для нефтегазовых компаний.

Как отметил в своём выступлении на конференции «Нефтегазовая инфраструктура на многолетнемёрзлых грунтах» начальник департамента по технологическому развитию ПАО «Газпром нефть» Алексей Огородов, для компании при работе в зоне ММГ ключевыми является:

• обеспечение рентабельной добычи;
• реализация крупных проектов со стабильными параметрами эксплуатации;
• недопущение экологических рисков.
  

При этом г-н Огородов подчеркнул, что «Газпром нефть» в текущих макроэкономических условиях будет делать ставку на применение отечественных разработок. В числе наиболее перспективных направлений он выделил высокоэффективную теплоизоляцию, новые технологии в обустройстве фундаментов и прокладке трубопроводов.

«При обустройстве промышленных объектов в Арктической зоне ключевые аспекты, на которые обращаем внимание, — это конструкции, фундамент, трубопровод, скважины, термостабилизация и дороги. Обеспечение надёжности добывающих скважин — наиболее сложный вопрос для нас. Они могут оказывать тепловое воздействие на грунт, что повышает риск потери устойчивости крепи скважин, а также деформации фонтанной арматуры и трубопроводной обвязки.

При проектировании и эксплуатации объектов необходимо учитывать различия инженерно-­геокриологических условий, требующих применения нетиповых технических решений. Например, в Западной Сибири на полуострове Ямал распространены пластовые льды большой мощности. Породы имеют высокую льдистость и засоленность.

Выявлены участки развития мерзлотно-­геологических процессов: термокарста, термоэрозии и подобных вещей», — добавил технический директор ООО «Газпромнефть-­Заполярье» Вадим Столяров.

Ставка на мобильные решения

Какие же инструменты предлагают российские компании для работы в условиях криолитозоны? Учитывая, что главное уязвимое место — это фундаменты и опоры, напрашивается вариант с использованием мобильных или блочно-­модульных зданий.

«Такие решения помогают сократить пятно застройки на мерзлоте и обеспечивают безопасность и эффективность эксплуатации инфраструктуры в сложных климатических условиях», — объяснил Пётр Федотов.

Неудивительно, что они уже нашли самое широкое применение на нефтегазовых месторождениях. В качестве примера можно привести мобильные паровые котельные.

«Обязательными элементами технологических схем обычной котельной являются топливопроводы, паровые магистрали. Неравномерная просадка грунта может вызвать аварию: выброс горячего пара под высоким давлением, утечку топлива.

Вырастет риск пожаров и взрывов. Аварийная остановка котельной приведёт к остановке работы всего нефтегазового объекта, включая добычу, транспортировку и переработку углеводородов.

Выходом из сложившейся ситуации может стать использование мобильных паровых котельных без капитального фундамента. Компактные размеры и небольшой вес такого оборудования не создадут дополнительной нагрузки на растеплённый грунт. Мобильные парогенераторы не требуют строительства сложной системы трубопроводов: пар теперь доступен в любой точке объекта, где в нём возникает потребность.

Важно, что для транспортировки оборудования по объекту не нужна тяжёлая техника, достаточно будет кузова „газели”. А это, в свою очередь, снижает нагрузку на нестабильное дорожное полотно», — рассказала Мария Фёдорова.

Ещё один интересный кейс — модульные компрессорные станции.

«Не секрет, что в работе нефтегазовых компаний широко используют „сжатый воздух”. В разработке воздушные компрессоры применяют в бурении, испытании скважин как на суше, так и на шельфе, для транспортировки газа и поддержания давления в трубопроводах.

В сегменте переработки воздушные компрессоры задействуют в удалении и переработке серы, процессе нагрева, регенерации катализатора, а также при извлечении и очистке водорода», — перечислил возможности таких станций руководитель ООО «Триал-­Сервис» (DECOMP) Дмитрий Шульга.

Модульные компрессорные станции стали оптимальным решением для производств, работающих в трудных полевых условиях или там, где есть необходимость перемещения инфраструктуры. Внутри смонтировано всё необходимое оборудование для выработки и подачи сжатого воздуха: компрессоры, ресиверы, фильтры и др.

Кроме этого, установлены системы пожаротушения, освещения, отопления, вентиляции и кондиционирования, а также автоматическая система контроля за режимом и текущими параметрами оборудования, добавил г-н Шульга.

Сохраняем температуру грунта

Впрочем, говорить о том, что мобильные решения сделают капитальное строительство ненужным, нельзя, убеждён Сергей Окунев. По его словам, по-прежнему есть области, где использовать временные сооружения неэффективно. Например, если в здании проводят промышленные работы.

«Плитный пол может начать проседать, потому что оттаивание происходит неравномерно. И если по нему проедет погрузчик с тяжёлой техникой, то он может просто опрокинуться вместе с грузом. И такие случаи были. Поэтому использование мобильных решений — не совсем подходящий вариант для зданий с технологическим оборудованием на месторождениях», — отметил главный инженер «Фундаментстройаркос».

Итак, без капитального строительства в криолитозоне не обойтись. Как же обеспечить в таких условиях устойчивость фундамента? Проверенным решением здесь является температурная стабилизация грунтов.

«Принцип действия устройств температурной стабилизации заключается в переносе естественного холода к основанию фундамента, благодаря чему в вечной мерзлоте поддерживается неизменная отрицательная температура. В качестве хладагента используются аммиак или углекислота. Они‑то и переносят по системам тепло от грунта к надземным конденсаторным блокам.

Существуют различные виды сезонно действующих охлаждающих устройств (СОУ). В нашей компании представлены горизонтальные и вертикальные естественно действующие трубчатые системы (ГЕТ и ВЕТ), индивидуальные СОУ-термостабилизаторы и глубинные СОУ», — рассказал Сергей Окунев.

Трубопроводы в криолитозоне: как не допустить протечек?

Особняком в перечне нефтегазовой инфраструктуры стоят трубопроводы. Растепление ММГ также представляет для них серьёзные риски.

«Таяние вечной мерзлоты в районах Крайнего Севера приводит к неравномерному оседанию грунтов. Результатами этого процесса являются деформация и нарушение целостности трубопроводной системы и, как следствие, утечки нефти или газа. Эти аварийные ситуации приводят к загрязнению окружающей среды, экономическим потерям при транспортировке углеводородов и требуют немедленного устранения», — отметила Мария Фёдорова.

Как не допустить подобного развития событий? По словам Петра Федотова, для предотвращения ущерба применяются следующие меры:

• ограничение площади строительства и использование специальной техники для минимизации нарушения грунта;
• использование усиленной теплоизоляции для труб с увеличенным слоем утеплителя;
• применение дополнительного подогрева труб с помощью нагревательных кабелей для компенсации теплопотерь в холодное время года;
• прокладка трубопровода над землёй на специальных опорах или укладка непосредственно на грунт с применением земляной подушки.

Перспективным направлением здесь является использование новых материалов.

«Решением может стать применение трубопроводов из ГПАТ (гибких полимерных армированных труб) с тепловой ППУ-изоляцией. За счёт способа укладки они не боятся изменения рельефа. А теплоизоляция предотвращает воздействие горячего перекачиваемого флюида на грунт. Естественно, для применения ГПАТ, как и для стальных трубопроводов, необходимо проведение проектных расчётов конструкционной прочности и сценарное моделирование условий эксплуатации», — рассказал генеральный директор ООО «Мимир инжиниринг» Никита Бабенко.

Если ЧП всё же произошло, то существуют технологии для экстренного устранения его последствий.

«Аварийные бригады при ликвидации подобных происшествий постоянно сталкиваются с необходимостью разморозки задвижек и вентилей, пропаривания и дегазации повреждённых участков трубопроводов. С этими задачами хорошо справляются автономные мобильные парогенераторы. Российские производители выпускают в числе прочего сверхкомпактные модели, которые работают от пропанового баллона и не требуют подключения к электропитанию», — сказала Мария Фёдорова.

Эффективность мер под вопросом

Итак, для работы в зоне «тающей» мерзлоты уже существуют отечественные технологии. Однако это не повод расслабляться: по мере роста средней температуры на Земле масштаб проблемы будет только увеличиваться. Значит, пора задуматься о разработке новых технологий и стратегии освоения районов Крайнего Севера.

Участники круглого стола «Тающая Арктика: как учитывать климатические изменения в отраслевых проектах?» на форуме TNF выделили здесь сразу несколько проблем.

«При ущербе в сотни миллионов долларов финансирование мер по адаптации составляет не более 10% от необходимой суммы. И обычно это реакция на что‑то, а не попытки устранить причины. Это связано с тем, что отсутствуют чёткие критерии того, что мы называем адаптационными мероприятиями. Значит, мы не можем превентивно оценить эффективность этих проектов.

Поэтому финансирование носит характер либо грантов, либо займов без привязки к конкретной результативности. Неопределённость связана и с недостатком информации об опыте компаний, которые используют адаптационные практики. В значительной степени они не раскрываются. Нужен системный подход на основе чёткого анализа рисков, связанных с изменением климата. Тогда станет возможно использовать рыночные механизмы, например сертификаты по аналогии с рынком углеродных единиц», — считает Владимир Лукин.

Что предложит наука?

Начальник отдела многолетне-­мёрзлых грунтов ООО «НОВАТЭК НТЦ» Сергей Примаков, рассуждая о финансировании научных разработок в этой области, видит сложности не только в объёмах, но и в несовершенных механизмах распределения денег.

«У наших вузов нет и никогда не было научно-­производственной базы. Негде изготовить прототип. Если идти к производителям, то по Арктике их не так много. И это коммерческие предприятия, то есть здесь нужен заказ от 1000 штук, чтобы было логично переделывать производственную линию. Что касается государственного финансирования, то оно работает в пассивном режиме. Если придут изобретатели, дадим денег, если нет, значит, технологический прорыв отменяется.

И к этим „Кулибиным” предъявляют требования по экономической целесообразности, сроку окупаемости, анализу рынка, логистике. Если найдутся ребята, которые пройдут через всю эту бюрократию, то им дадут на „создание высокотехнологичного производства” миллион руб­лей. Нет коммерческих организаций, которые занимались бы внедрением, государственные деньги тратятся в режиме посевного финансирования.

Нам нужно создать научно-­исследовательский институт, который будет заниматься разработкой новых технологий для Арктики. Компетенции для этого найти несложно, университеты готовят кадры. Финансировать его может только государство, ни одна частная структура делать этого не будет. А деньги брать из налогов на предприятия, для которых новые разработанные технологии станут средством производства для извлечения прибыли», — предложил г-н Примаков.

Впрочем, подобный пессимизм разделяют не все. Большие надежды возлагаются на научно-­технологический комплекс «Новые технологии и материалы». В его рамках планируют вести работу по следующим направлениям:

• цифровые инструменты по предиктивной аналитике, способные прогнозировать кинетику растепления;
• применение полимерных композиционных материалов при обустройстве месторождений;
• создание сложных мультфизических математических моделей объектов и процессов в нефтегазовой отрасли.

Также отметим подписание соглашения о сотрудничестве между Санкт-­Петербургским политехническим университетом Петра Великого (СПбПУ) и Тюменским индустриальным университетом (ТИУ).

«Специалисты СПбПУ осуществляют испытания различных материалов инфраструктуры и разработку математических моделей объектов и процессов в криолитозоне, а сотрудники ТИУ, располагая одной из наиболее крупных и современных лабораторий по грунтам на ММГ, определяют влияние различных факторов на кинетику растепления и строят соответствующие модели.

Всё это происходит в тесном контакте с производителями материалов и оборудования, проектировщиками, строителями и эксплуатирующими компаниями, что позволит создать надёжные инженерные инструменты, которыми будут пользоваться различные представители отрасли», — рассказал в интервью порталу nprom.online Никита Шапошников.

Ещё одним подтверждением тому, что государство уделяет внимание проблемам освоения Арктики, стали изменения в правилах проектирования основания фундаментов зданий и сооружений, в том числе подземных, возводимых на территории распространения многолетнемёрзлых грунтов, которые утвердило Министерство строительства и жилищно-­коммунального хозяйства РФ в начале 2025 года.

В новой редакции документа уточняются положения, связанные с проектированием свайных фундаментов, а также вносится ряд изменений для учёта механических свой­ств грунта после промерзания и дальнейшего оттаивания, читаем на nprom.online.

За какими технологиями будущее?

И всё же в каком направлении пойдёт технологический прогресс? Мария Фёдорова выделила здесь следующие тренды.

• Мобильность и автономность оборудования и сооружений позволяет гибко подстраиваться под существующие вызовы для нефтегазовой отрасли, особенно в экстремальных условиях Крайнего Севера.
  
• Автоматизация и цифровизация. Широкое внедрение автоматизированных систем управления, сбора и анализа данных для более эффективного контроля как за динамическим состоянием промышленной инфраструктуры, так и её влиянием на окружающую среду и вечную мерзлоту.
  
• Новые материалы. Будущие технологии добычи газа и нефти должны быть основаны на внедрении новейших материалов. Их особенности — это сверхлёгкость, сверхпрочность, устойчивость к экстремальным погодным условиям, долговечность.
  
• Экологичность стала важным направлением развития технического прогресса в нефтегазовой отрасли, особенно в условиях вечной мерзлоты и Крайнего Севера. Этот приоритет связан с необходимостью уменьшения воздействий на хрупкие экосистемы региона. Забота о сохранении природы Русского Севера — это не просто локальная задача, а глобальная ответственность перед всем миром, которая требует комплексного подхода и сотрудничества.

Пётр Федотов полагает, что прогресс будет развиваться в сторону разработки более эффективных и компактных устройств для термостабилизации, а также внедрения комбинированных систем с тепловыми насосами для обеспечения непрерывного режима работы. Уже сейчас активно используются методы термостабилизации грунтов с помощью парожидкостных термосифонов и горизонтальных систем, отметил глава «ТЗМЗ «ТОИР».

Сергей Окунев подчеркнул важность комплексного подхода к строительству.

«Нужно принципиально менять подход к обустройству городов и промышленных объектов в сторону возведения укрупнённых зданий и сооружений. Чтобы, когда человек приезжал на вахту, у него всё находилось в едином жилом комплексе: общежитие, магазины, столовая, спортзал, медпункт, объекты соцкультбыта», — считает главный инженер «Фундаментстройаркос».

Конечно, всё это потребует больших денежных вложений. Однако это не повод экономить на системах термостабилизации грунта, напротив, они могут помочь снизить затраты на строительство.

«Не надо думать, что системы охлаждения грунта дорогие — они составляют всего лишь 1–2 % от стоимости всего сооружения. Это не такие большие деньги за надёжность и хорошие проекты обустройства. Системы термостабилизации грунта позволяют сэкономить на сваях, ростверках, конструкции здания и сократить площадь застройки, реализовать архитектурные идеи. И сооружение прослужит весь срок эксплуатации, а не 10–15 лет», — отметил Сергей Окунев.

Если говорить о конкретных технологиях, то представитель «Фундаментстройаркос» выделил использование холодильных машин для восстановления мёрзлого состояния грунта на объекте с ведущимся строительством.

«Это совершено новое направление, которое начали активно использовать в районах Крайнего Севера. Тот случай, когда работа уже идёт полным ходом и выясняется, что грунт не обеспечивает несущую способность фундамента. И таких примеров в нашей практике уже более десяти. Когда компании обращаются за помощью, мы предлагаем как раз использование холодильных машин. Думаю, это направление будет еще развиваться», — заключил Сергей Окунев.

Резюмируем: уже сейчас в России есть технологии, которые позволяют минимизировать последствия растепления ММГ для нефтегазовых компаний. Однако почивать на лаврах рано: температура на планете всё ещё повышается, а значит, деградация вечной мерзлоты продолжится.

Становится всё более очевидным, что без инвестиций в новые технологии для работы в криолитозоне говорить о высокорентабельной добыче в РФ в ближайшие годы будет затруднительно. Нефтегазовые компании, производители оборудования, научные учреждения многое делают сейчас в этом направлении. Какова будет отдача от этих усилий, покажет время.

Российская Федерация за всю свою историю года вложила в развитие Арктики $190 млрд. На втором месте располагаются Швеция и Норвегия — по $100 млрд. Далее идут США ($70 млрд) и Канада ($30 млрд). Такие цифры привёл на Промышленно-­энергетическом форуме TNF эксперт в сырьевой промышленности агентства «Яков и Партнёры» Олег Назаров.

Порядка 20% осложнений при строительстве и эксплуатации различных объектов в зоне ММГ происходят в связи с деформацией, которая возникает из-за растепления. Такие цифры привёл в интервью порталу nprom.online доцент Передовой инженерной школы СПбПУ Петра Великого Никита Шапошников.

Слово экспертам

Мария Федорова, исполнительный директор ООО «ТЕХНОПАР»

«Климатологи уверены, что обширные территории Русской Арктики с вечной мерзлотой влияют на климат всего мира. Современный российский промышленник — это не только высококлассный специалист, но и ответственный гражданин, осознающий важность своей роли в защите арктической экосистемы. Его приверженность принципам устойчивого развития и заботы о природе важна на планетарном уровне и напрямую влияет на такие процессы, как глобальное потепление. Во многом от нас с вами зависит, когда растают все льды в Арктике».

Пётр Федотов, генеральный директор ООО «Тюменский завод мобильных зданий «ТОИР»

«Модульные здания — это хорошая альтернатива капитальным сооружениям в условиях криолитозоны для сохранения многолетне-­мёрзлых грунтов и предотвращения их растепления. Это особенно актуально при комплексном освоении территории, строительстве портов, терминалов и производственных объектов».

Сергей Окунев, главный инженер ООО НПО «Фундаментстройаркос»

«На наш взгляд, сегодня к решению вопросов строительства на вечной мерзлоте необходимо подходить комплексно. Системы охлаждения должны отвечать главному требованию — надёжности, а само основание, на котором возводится сооружение, должно содержать не только охлаждающие элементы, но и систему резервирования и регулирования».

Дмитрий Шульга, руководитель ООО «Триал-Сервис» (DECOMP)

«С нашей точки зрения, оптимальным решением для снабжения сжатым воздухом производств, работающих в трудных полевых условиях, или при необходимости перемещения инфраструктуры, являются модульные компрессорные станции. Они представляют собой полностью готовые к использованию системы подачи сжатого воздуха или газа. Такие станции поставляются уже в полной комплектации и в соответствии с техническими требованиями заказчика».

Никита Бабенко, генеральный директор ООО «Мимир инжиниринг»

«Если говорить о рисках, которые несёт растепление ММГ, то это ущерб окружающей среде от повреждений трубопроводов, нарушение требований промышленной безопасности и норм охраны труда. Под угрозой оказываются все объекты промышленного и бытового назначения, а также находящиеся в них сотрудники».

Текст: Андрей Халбашкеев