Основные направления создания экологически безопасных технологий в нефтегазовой отрасли

В настоящее время стандартные технологии, применяемые в нефтегазовой отрасли, не могут обеспечить эффективного решения экологических задач. Ниже рассмотрены технологии, которые могут обеспечивать высокую производительность при решении этих задач. Преимущество прорывных технологий состоит в том, что они могут обеспечивать высокую производительность при решении экологических задач.

Технологии искусственного интеллекта (ИИ) и условия цифровой трансформации при решении экологических задач

Основными векторами развития в этом направлении являются:

• создание современных интерактивных сред для обеспечения сбора, систематизации и анализа всей оперативной информации в режиме реального времени и обеспечение на этой основе охраны окружающей среды при управлении процессом строительства скважин (месторождений) и разведки и добычи УВ;
• использование технологий экологически чистых производств, автоматизация на основе внедрения систем искусственного интеллекта;
• создание и внедрение новых ИИ-инструментов для дистанционного зоологического мониторинга.

Основными цифровыми технологиями в настоящее время являются: Big Data, или «большие данные»; нейротехнологии и искусственный интеллект, системы распределенного реестра, квантовые технологии, новые производственные технологии, промышленный интернет, компоненты робототехники и сенсорика, технологии беспроводной связи, технологии виртуальной и дополненной реальности [1].

Цифровая модернизация производства — это процесс преобразования нефтегазового дела путем интеллектуализации производства, что приводит к массовой и масштабной смене моделей нефтегазового бизнеса и производства, наилучшие из которых переносятся на всю нефтегазовую экосистему.

Все более широкое внедрение методов искусственного интеллекта для обеспечения экологической безопасности приводит к растущему количеству и большей специализации моделей искусственных нейронных сетей, настроенных на решение различных целевых задач [3].

Внедрение экологически чистых производств и информационных технологий в разработку и эксплуатацию месторождений нефти и газа требует решения большого комплекса задач. Следует особо отметить фундаментальную роль направления «Big Data» и внедрения «smart-технологии».

Новые технологии призваны повысить эффективность за счет повышения качества использования существующего энергопотенциала и быстрого реагирования на малейшие изменения окружающей среды. Это применение в развитии нефтегазовой промышленности стран, входящих, в Каспийский регион, нанотехнологий (нанофотоника, наноматериалы, оптические наноматериалы, наносистемная техника, нанооборудование).

Важной задачей является внедрение технологий «Умного месторождения» (Smart Field (SF)) и «Умной скважины», позволяющих повышать энергоэффективность оборудования и технологических процессов и обеспечивать экологическую безопасность. «Умное месторождение» — это комплекс программных и технических средств, который позволяет управлять добычей углеводородов (рис. 1).

Количество умных скважин первого поколения в мире составляет более 900, из них 40 — в России. Умные скважины второго поколения позволят проводить мониторинг и контроль за выработкой запасов на протяжении всего жизненного цикла месторождения нефти и газа [4].

Интеграция датчиков, дронов и искусственного интеллекта может предоставить операторам трубопроводов данные в реальном времени [39]. Инновации в технологии умной очистки, в которой используются встроенные инструменты контроля с усовершенствованными датчиками, способствуют упреждающему выявлению коррозии, трещин или структурных недостатков.

Ведущие энергетические корпорации нефтегазового сектора (Лукойл Saudi Aramco, British Petroleum, Total, Shell и другие) взяли на себя значительные обязательства по достижению нулевых выбросов. Эти обязательства включают в себя постановку амбициозных целей по сокращению или компенсации выбросов углекислого газа, что в конечном счете будет способствовать достижению глобальных климатических целей. Например, компания ExxonMobil объявила о своем обязательстве «Net Zero к 2050 году», изложив комплексный план по сокращению выбросов в ходе своей деятельности и инвестированию в устойчивые методы работы [5].

В соответствии с утвержденной Политикой ПАО «ЛУКОЙЛ» в части экологии используются следующие принципы:

• принцип нулевого сброса — все производственные отходы собираются и отправляются на берег для дальнейших обезвреживания и утилизации. В соответствии с утвержденной политикой ПАО «ЛУКОЙЛ» в части экологии используется система обращения с отходами по принципу нулевого сброса. Обработке (нейтрализации) отходов подлежат буровые шламы; буровые сточные воды; отработанные буровые растворы; нефтесодержащие воды; хозбытовые сточные воды;
• предупреждение и ликвидация аварийных разливов;
• экологический мониторинг и сохранение биоразнообразия — спутниковый мониторинг водных объектов, состояния недр, загрязнения окружающей среды и объектов животного мира.

В мировую практику широко внедряются инновации и технологии, предназначенные для повышения экологической устойчивости наземных нефтепроводов. Прежде всего это инновации в технологиях ликвидации разливов и их локализации. Существуют системы раннего обнаружения разливов нефти, механизмы быстрого реагирования и передовые стратегии сдерживания, призванные минимизировать экологическое воздействие разливов нефти. Активно развивающиеся компьютерные технологии, и академическое знание формирует хорошую базу для устранения экологических проблем [6—8].

Применение в нефте- и газотранспортировке информационно-технических технологий позволило достичь высокого уровня безопасности. Это стало возможным благодаря проведению комплексного, полностью автоматизированного расчета циклической и статической прочности, вибропрочности и сейсмостойкости на ПК. Внедрение IT в нефте- и газотранспортировку позволяет провести точное и оперативное моделирование трубопровода и разработать мероприятия, направленные на оптимизацию работы всей трубопроводной системы с учетом полученных при анализе на ПК данных, включающих все основные критерии [9—12].

В мире уже существует ряд успешных проектов, включая использование сжиженного природного газа (СПГ) как экологически чистого топлива для промышленного автотранспорта.

Еще одной важной инновацией в процессе добычи нефти является технология бинарных смесей. Это жидкие растворы химических реагентов, которые вводятся последовательно, при помощи инертной жидкости, и реагируют в зоне продуктивного пласта под пакером, выделяя газ и тепло, которые проникают в пласт под давлением [13].

Аэрокосмические методы и технологии

Космическая информация применяется во многих областях прежде всего для предупреждения и ликвидации последствий природных катастроф и техногенных аварий, исследования и рационального использования природных ресурсов, охраны окружающей среды, энергетики, градостроительства, транспортного комплекса, метеорологии и климатологии, лесного и сельского хозяйства, картографии, создания геоинформационных систем и др. [14—18].

Эта информация должна широко использоваться и в интересах нефтегазовой отрасли. Основные мировые тенденции развития космических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) связаны с увеличением числа спутников высокого и сверхвысокого разрешения (меньше 0,4—1 м), в том числе всепогодных радиолокационных космических аппаратов, увеличением качества малых спутников, все более широким использованием кластеров однотипных спутников (например, 6 оптических спутников RapidEye, 4 радиолокационных спутника Cosmo-SkyMed с разрешением 1 м и др.), созданием комплексных многоспутниковых систем космического мониторинга (например, международная система ГСНЗ (Глобальная система наблюдения Земли), Европейская система GMES, проект международной системы MAKCM и др.).

В связи с этим эффективность использования космических методов и технологий в различных направлениях деятельности, в том числе и в интересах нефтегазовой отрасли, будет непрерывно повышаться [19—23]. Важнейшими преимуществами космических методов и систем мониторинга являются: большая обзорность; возможность работы в любых труднодоступных районах и получения информации практически в любом масштабе, с различным пространственным и временным разрешением; широкий спектр регистрируемых параметров; высокая достоверность и оперативность получения данных; возможность многократно наблюдать исследуемые районы и работать при частичном или полном отсутствии топографической основы; относительная дешевизна информации (особенно при работе на больших площадях). Эти особенности делают космические методы, технологии и системы мониторинга чрезвычайно перспективными для решения задач нефтегазового комплекса России. Аэрометоды мониторинга занимают свою нишу при решении задач мониторинга объектов нефтегазовой отрасли, связанную с получением более детальной информации и в более локальном масштабе. Эффективность их применения существенно повышается в случае комплексирования с космическими средствами [24—30].

Аэрокосмический мониторинг нефтегазоносных территорий и объектов нефтегазового комплекса

Актуальность и необходимость применения аэрокосмических методов и технологий в нефтегазовой отрасли России обусловлена следующими обстоятельствами: большой протяженностью трубопроводных сетей, труднодоступностью большей части регионов страны, где производится добыча и транспортировка углеводородов в прибрежных акваториях, суровыми погодными условиями в этих регионах страны; широкими и непрерывно увеличивающимися возможностями для решения большого числа разнородных задач, стоящих перед нефтегазовым комплексом, и др. [31—34]. Для аэрокосмического мониторинга объектов нефтегазового комплекса уже в настоящее время используются различные методы дистанционного зондирования, в том числе: методы, основанные на регистрации характеристик электромагнитного поля (прежде всего многоспектральные сканерные оптико-электронные и гиперспектральные методы, тепловизионные методы, методы ИК- и СВЧ-радиометрии, активные лидарные и радиолокационные методы и др.); магнитометрические методы; гравиметрические методы; пассивная гамма-спектрометрия.

Перспективы повышения эффективности аэрокосмического мониторинга объектов нефтегазового комплекса связаны с широким использованием новых методов дистанционного зондирования, таких, например, как: дистанционная пространственно-частотная спектрометрия, многочастотные радиотомография и СВЧ-радиометрия, многочастотная радиоволнография, радиоинтерферометрия, бистатическая радиолокация, Фурье-спектрометрия, лазерное флуоровидение, методы спутниковой навигации, спутниковая альтиметрия, активные методы, основанные на регистрации потоков элементарных частиц и др., а также с комплексным использованием разнородной аэрокосмической и подспутниковой (в том числе геофизической) информации. Эти перспективы в значительной мере связаны также с развитием методов и технологий обработки и хранения разнородной аэрокосмической информации, получаемой в процессе мониторинга нефтегазоносных территорий и объектов нефтегазового комплекса, а также с применением современного геоинформационного обеспечения [36—38].

Для мониторинга окружающей среды, в том числе загрязнения воздуха и выбросов в атмосферу парниковых газов, целесообразно внедрение трехуровневой системы мониторинга, диагноза и прогноза, включающей: космический мониторинг, мониторинг с использованием беспилотных летательных аппаратов, мониторинг подземной геологической среды на базе геофизической обсерватории в реальном масштабе времени, мониторинг концентрации газов с помощью лазерной абсорбционной спектроскопии и технологии распределенных сенсорных сетей.

Совместное функционирование трех уровней мониторинга дает достоверное и наиболее полное представление о состоянии окружающей среды на морских объектах и в прилегающей акватории. На рисунке 2 представлена Информационная система экологического мониторинга, применяемая ПАО «Лукойл».

Важнейшей задачей дистанционного зондирования при экологическом мониторинге является исследование льдов и айсбергов в Арктике (рис. 3).

Моделирование экологических систем и процессов

В настоящее время компьютерные технологии применяются во всех областях и сферах научных интересов. Привлечение компьютеров существенно раздвинуло границы моделирования экологических процессов. Моделирование — это один из важнейших методов научного познания, с помощью которого создается модель объекта исследования. Сущность его заключается в том, что взаимосвязь исследуемых явлений и факторов передается в форме конкретных математических уравнений. В частности, актуально применение моделирования экологических систем, при анализе состояния окружающей среды, оценке степени антропогенного загрязнения воздушного бассейна крупных городов и промышленных центров, поскольку задачи охраны окружающей среды требуют широкого применения математических методов и приемов вычислений, оперируют результатами обработки широкого спектра данных, требуют автоматизированного подхода для дальнейшего использования. Для изучения процессов, происходящих в экологических системах, используется моделирование, связанное с состоянием окружающей среды, в свою очередь, оно распадается на ряд направлений:

• моделирование загрязнения атмосферы и поверхности земли промышленными выбросами (перенос загрязняющих веществ, ущерб, наносимый здоровью населения, сельскохозяйственным угодьям, лесным массивам, почве, затраты на восстановление окружающей среды и т.д.);
• моделирование водных экосистем (трансформации компонентов экосистемы, образования и превращения веществ, потребления, роста и гибели организмов);
• моделирование продукционного процесса растений (для выбора оптимальной стратегии проведения сельскохозяйственных мероприятий: орошения, полива, внесения удобрений, выбора сроков посева или посадки растений с целью получения максимального урожая);
• моделирование лесных сообществ (используются как для описания лесных массивов на больших пространственных и временных масштабах, так и для моделирования популяций, в которых основным объектом является отдельное дерево);
• глобальные модели, в которых Земля рассматривается как единая экосистема. Наиболее известные модели такого рода — «ядерная зима» (катастрофические последствия ядерной войны), глобальное потепление (парниковый эффект вследствие промышленной деятельности человечества) и т.д.

Для познания экологической ситуации целесообразно решение экологических задач методом моделирования. Изучая экологию, необходимо спрогнозировать изменения, которые могут происходить в окружающей среде вследствие воздействия каких-нибудь факторов. При этом модель позволяет подробно изучить проблему и найти оптимальный способ ее решения. В области экологического исследования конкретных природных объектов метод построения моделей популяций и сообществ, а также целых экосистем является мощным средством обобщения и проверки обычно разрозненной и громоздкой информации, полученной в результате наблюдений и экспериментов. Задачи прогнозирования и оптимального управления экосистемами не могут быть успешно решены без создания математических моделей этих объектов.

Важнейшую роль в исследованиях играет создание математической модели, описывающей динамические процессы, которые протекают в биосфере.

Во многих случаях при решении задач моделирования развития ситуаций, происходящих в окружающей среде, предпочтение отдается применению численных методов, в частности, при поисках различного рода интегральных характеристик, которые являются основой состояния окружающей среды. Внимание ученых многих стран в настоящее время сконцентрировано на проблеме оценки степени антропогенного загрязнения воздушного бассейна крупных регионов, городов и промышленных центров. В связи с массированным загрязнением атмосферы вопросы ее охраны из внутригосударственных масштабов в Каспийском регионе выросли до международной проблемы.

Развитие методов прогнозирования загрязнения воздуха основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей от источников. Это изучение ведется по двум направлениям: первое — это разработка теории атмосферной диффузии на основе математического описания распространения примесей с помощью уравнения турбулентной диффузии. Второе связано с эмпирико-статистическим анализом распространения загрязняющих веществ в атмосфере с использованием для этой цели интерполяционных моделей гауссовского типа [2].

При математическом моделировании процессов переноса и распространения загрязняющих веществ в воздушном бассейне города обязательно нужно учесть параметры среды: градиенты температуры (вертикальный и горизонтальный), направление и скорость ветра, облачность, температурную стратификацию атмосферы, значения фоновых концентраций примесей в воздухе. Необходимо отметить, что ветер является очень значимым параметром, поскольку его скорость отражает не только механизм переноса примесей, но и характеризует атмосферную диффузию [35]. Ветровой режим является основополагающим параметром, поскольку определяет направление и перенос вредных примесей от источников загрязнения. Основная трудность при учете указанной климатической характеристики состоит в том, что использование эмпирических законов распределения за многолетний месяц (сезон) ведет к большому объему вводимой информации. Несомненно, современные математические пакеты позволяют детально обработать такие массивы данных, но в основном на предмет получения статистических оценок.

Переход к низкоуглеродной энергетике, использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Одним из направлений обеспечения охраны окружающей среды является переход к низкоуглеродной энергетике. Мировая экономика в настоящее время взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Характерной тенденцией развития мировой экономики будет систематическое снижение доли органического топлива и компенсирующий рост доли возобновляемых энергетических ресурсов.

К нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы и др. Низкоуглеродные альтернативы, такие как ветер и солнечная энергия, достигли ценовых уровней, при которых они экономически конкурентоспособны на рынке. Потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мире огромны. Одной из главных задач является переход к новой энергетической парадигме, основанной на технологиях, которые не способствуют изменению климата. Как важнейший вариант решения предлагается «энергоэкологическая революция». Необходимо активно сокращать выбросы от унаследованных активов, которые, вероятно, будут продолжать играть значительную роль в мировом энергетическом балансе в краткосрочной и среднесрочной перспективе.

Использование «зеленой» энергетики для эксплуатации трубопроводов электропередачи приобретает важное значение. Интеграция источников солнечной и ветровой энергии с наземными нефтепроводами становится устойчивым подходом. Эти решения в области возобновляемых источников энергии снижают зависимость от традиционных источников энергии, смягчая воздействие потребления энергии на окружающую среду.

Крупнейшие нефтегазовые компании мира на протяжении последних десятилетий активно диверсифицируют деятельность за счет включения в проектный портфель проектов по производству альтернативной энергии как для собственных нужд, так и для продажи. Увеличение объемов добычи, транспортировки, переработки нефти и газа, ухудшение геолого-технологических условий их освоения и снижение качественных характеристик углеводородов, вызванное увеличением доли трудноизвлекаемых запасов, приводит к росту потребления энергии нефтегазовыми компаниями и делает необходимым решение вопросов энергосбережения, повышения энергоэффективности и экологичности производства. Указанные обстоятельства, а также существенный потенциал АИЭ делают необходимым более активное их использование нефтегазовыми компаниями Каспийского региона. АИЭ в данном случае являются конкурентоспособными по следующим параметрам: отсутствие при эксплуатации выбросов вредных веществ в окружающую среду, минимизация эксплуатационных затрат, высокий уровень автономности.

Направления возможного использования АИЭ сгруппированы по основным секторам технологической цепочки нефтегазового бизнеса — upstream (вверх), mildstream, downstream) (табл.).

Проведенные исследования показывают, что Каспийский регион располагает значительным потенциалом для развития альтернативной энергетики. Так, суммарная ветряная энергия Каспийского моря, которая теоретически может быть использована на территории Азербайджанской Республики, оценивается в 157 ГВт, из которых до 35 ГВт находятся на мелководье (и, следовательно, не требуют серьезных финансовых затрат для использования) и 122 ГВт — в районе глубокой воды.

Технический потенциал солнечной энергетики, по данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), может достигать 23 ГВт — этому способствует большое количество солнечных часов в году (2400—3200) и показатели солнечной активности (1500—2000 кВт-ч/кв. м). Оптимальные зоны сосредоточены в долинах центральных рек, а также на севере и северо-западе страны.

При этом по итогам 2021 г. мощность ветроэнергетики Азербайджана составила 67 МВт, хотя общая генерация альтернативных источников достигла 1316 МВт, что обеспечило только 5,7% всей выработанной электроэнергии в стране. Между тем, по некоторым данным, общий потенциал альтернативной энергетики (от 7 ГВт) в республике сопоставим с суммарной установленной мощностью всех электростанций страны (8 ГВт в 2017 г.).

Согласно соглашению о стратегическом партнерстве в области развития и передачи зеленой энергии между правительствами Азербайджана, Грузии, Румынии и Венгрии будут проведены работы над прокладкой кабеля для «зеленого» электроснабжения по дну Черного моря, что внесет ценный вклад в укрепление энергетической безопасности Европы. На втором этапе рассматривается передача 3—4 ГВт зеленой энергии по этому маршруту, который, по словам министра, претендует на звание коридора «зеленой» энергии XXI в.

Помимо очевидных преимуществ осуществления проектов в сфере ветроэнергетики на побережье Каспийского моря, большим потенциалом обладает солнечная генерация. Безусловно, строительство новых «зеленых» электростанций станет мощным импульсом для территориального развития, но при этом имеются и определенные сложности в контексте армяно-азербайджанских отношений.

Важнейшим направлением является переход к водородной энергетике. Ключевым моментом осуществления «водородной экономики / водородной цивилизации» будет наличие «дешевых», экологически приемлемых и целесообразных методов его получения.

Наиболее логично было бы для получения такого экологически чистого энергоносителя, как водород, использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Наряду с совершенствованием промышленных способов получения водорода перспективы связаны с поиском и добычей скоплений природного водорода, непрерывно генерируемого из недр Земли. Для мониторинга водородной дегазации Земли на территории суши и морских акваторий, а также при геолого-разведочных работах на водород рекомендуется внедрение трехуровневой системы мониторинга, диагноза и прогноза, включающей космический, с беспилотных аппаратов и подземной геологической среды на базе геофизической обсерватории в реальном масштабе времени.

Заключение

Использование инновационных технологий в нефтегазовой промышленности приносит не только экологические, но и экономические выгоды. Снижение выбросов и оптимизация производства уменьшают расходы и риски устранения загрязняющих природу утечек.

В целом с появлением новых материалов, более точных мониторинговых систем и смешанных энергетических решений индустрия готовится к углублению в экологическую безопасность, что не только снизит негативное влияние нефтегазовой добычи на окружающую среду, но и способствует усовершенствованию процессов и технологий.

Современные технологии добычи приближают индустрию к пониманию выгоды и с точки зрения экологии. Для решения проблем в соответствии с постоянно возрастающими требованиями общества к экологической безопасности и эффективности производств требуется коренная реконструкция нефтегазодобывающей отрасли, внедрение «прорывных» технологий.

Одной из главных задач современности является переход к новой энергетической парадигме, основанной на технологиях, которые не способствуют изменению климата. Как важнейший вариант решения предлагается «энергоэкологическая революция».

Для мониторинга окружающей среды, в том числе загрязнения воздуха и выбросов в атмосферу парниковых газов целесообразно внедрение трехуровневой системы мониторинга, диагноза и прогноза, включающей космический мониторинг, мониторинг с использованием беспилотных летательных аппаратов, мониторинг подземной геологической среды на базе геофизической обсерватории в реальном масштабе времени, мониторинг концентрации газов с помощью лазерной абсорбционной спектроскопии и технологии распределенных сенсорных сетей.

ВКЛАД АВТОРОВ / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Серикова У.С. — внесла вклад в разработку концепции статьи, подготовила текст статьи, окончательно утвердила публикуемую версию статьи и согласна принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Алиев Э.М. — участвовал в подготовке текста статьи, оформил и выполнил перевод статьи на английский язык и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Гурянов С.А. — участвовал в подготовке текста статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Uliana S. Serikova — made the main contribution to the development of the concept of the article, prepared the text of the article, finally approved the published version of the article and agreed to take responsibility for all aspects of the work.

Emil M. Aliyev — participated in the preparation of the text of the article, designed and translated the article into English and agrees to accept responsibility for all aspects of the work.

Sanan A. Guryanov — participated in the preparation of the text of the article and agrees to take responsibility for all aspects of the work.