Никита Шапошников: «Для интенсивного развития технологий для шельфа нужна консолидация всех представителей отрасли и государства»
НГВ: Какие конкретно работы ведутся по теме освоения шельфа с целью добычи нефти и газа? Какие компании сегодня ведут и планируют разработку шельфа, в каких зонах и какие технологические потребности нужно закрыть?
Н. Шапошников: Самые первые геофизические исследования морских месторождений в России начались еще в СССР в 50-60-х годах в Каспийском море. Пиковым периодом проведения геолого-разведочных работ на российском шельфе можно считать 80-е годы, когда были открыты десятки новых месторождений с колоссальными запасами в результате обширной государственной программы, реализованной Миннефтегазпромом СССР. По известным причинам, в начале 90-х годов интенсивность освоения шельфа была существенно снижена, однако в конце 90-х годов все-таки удалось запустить флагманские шельфовые проекты на Сахалине, но в партнерстве с западными компаниями и преимущественно с использованием их технологий.
В целом на текущий момент в России большое количество шельфовых месторождений с колоссальными доказанными запасами, которые в своей основе сосредоточены в Арктике, на Дальнем Востоке, Каспийском, Азовском, Черном и Балтийском морях. В свою очередь, по данным «Роснедра», главной проблемой освоения шельфа в России является отсутствие отечественных технологий. Из-за этого многие месторождения остаются просто ресурсной базой.
В целом если обратиться к находящимся в публичном доступе программам инновационного развития основных компаний, имеющих лицензии на разработку морских месторождений, можно сделать вывод, что у каждой компании работы, направленные на создание технологий для шельфа, находятся в высоком приоритете. Если говорить о том, какие именно задачи сейчас наиболее актуальны для развития шельфовых объектов, то их можно классифицировать на 2 категории: первая – каким образом организовать эксплуатацию конкретного месторождения, учитывая логистику, удаленность потребителей, способы бурения, добычи, подготовки скважинной продукции и т.д. Вторая, в зависимости от решений, выработанных на предыдущем этапе – какие материалы, технологии и оборудование использовать и как обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию.
В первой части фактически требуется разработка концептуального проекта. Он должен позволить понимать на самых ранних этапах влияние выбора различных решений на экономику проекта. Использовать подводные добычные комплексы или платформы, использовать трубопроводный транспорт или судовой. Зачастую, для ответов на эти вопросы необходимо реально рассчитать и смоделировать каждый сценарий, чтобы была возможность сделать качественный выбор. Поскольку каждое месторождение уникально по совокупности климатических, геологических, физических и экономических особенностей, то увязка их в единую модель, логику для формирования концепта решения является наукоемкой задачей. К примеру, сейчас для некоторых заказчиков мы разрабатываем полноценные цифровые модели объектов и процессов для шельфовых месторождений, которые отображают и гидрогазодинамику многофазных потоков, и работу технологического оборудования, и оценивают эффективность и затраты каждого процесса в цепочке и всей цепочки в целом. Используя эти модели и результаты расчетов, компания делает осознанный выбор, каким способом и где лучше осуществлять подготовку нефти до товарной – на платформе или на берегу, как ее лучше транспортировать конечным потребителям и из каких материалов целесообразнее построить основную инфраструктуру. В разработке таких моделей принимают участие математики, материаловеды, конструкторы, программисты и т.д., с большим опытом исследований и разработок. Эти инструменты становятся применимыми уже реальными инженерами и проектировщиками.
Во второй части, после того как выбраны основные технические решения, необходимо на более глубоком уровне вести разработку и адаптацию их к условиям шельфа. Первый, наиболее острый вопрос – это разработка и выбор материалов различного назначения, фактически работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Шельфовые месторождения, особенно в Арктической зоне, характеризуются экстремальным климатом – пониженные климатические условия, высокая интенсивность движения льдов, значительные температурные перепады. В тоже время материалы работающие в скважине – с одной стороны, эксплуатируются при высоких давлениях, температурах, в многофазных средах, а с другой стороны, – в условиях морской акватории со свойственной ей соленостью, минерализацией, наличием микроорганизмов.
Основным технологическим барьером интенсивного развития шельфовых технологий является то, что запрос на материалы и оборудование для шельфа – довольно небольшой, в сравнении с традиционными месторождениями на суше, а требования к качеству и надежности этих решений – кратно выше
В рамках нашей работы, мы работаем с шельфовыми объектами довольно давно. К примеру, осуществляем научно-техническое сопровождение бурения с точки зрения надежности материалов и оборудования. Оно заключается в комплексном тестировании различных элементов бурильной колонны на мультифизических стендовых комплексах в условиях максимально приближенных к эксплуатационным. Это дает понимание, как работает материал и оборудование в целом применительно к различным воздействиям со стороны конкретного месторождения. А также разбираем различные инциденты и аварии, чтобы определить причины разрушения и выработать комплекс мер, для недопущения повторной аварии в будущем.
Основным технологическим барьером интенсивного развития шельфовых технологий является то, что запрос на материалы и оборудование для шельфа – довольно небольшой в сравнении с традиционными месторождениями на суше, а требования к качеству и надежности этих решений – кратно выше. В свободных рыночных условиях компаниям-производителям не очевидно, зачем им инвестировать в разработку новых технологий, если рынок для них довольно узкий.
Решением для интенсивного развития технологий для шельфа была бы консолидация усилий всех представителей отрасли и государства. В унисон должны работать и добывающие компании, формируя общее ключевое целеполагание и формирующие консолидированный отраслевой запрос. В продолжение научные и инженерные организации, исходя из этого целеполагания, должны развивать исследования и разработки, создавая эти самые решения совместно с производителями до высоких уровней готовности технологий.
Международный опыт свидетельствует: чтобы заработал такой механизм, необходим единый независимый авторитетный интегратор. К примеру, Норвегия стала мировым лидером в шельфовой нефтедобыче после того, как государство и все отраслевые компании создали на базе университета NTNU (Норвежский университет науки и технологий) консорциум из добывающих, сервисных и производственных компаний.
В нашей стране сегодня Дальневосточный федеральный университет как раз включил в стратегию своего развития роль научного и технологического интегратора по развитию шельфовых технологий, и уже много добывающих на шельфе компаний всерьез заинтересовались этой площадкой.
Так или иначе тематика российского шельфа вынужденно будет развиваться, это следует и из энергетической стратегии, и из стратегии научно-технологического развития России, исходя из программ инновационного развития ключевых высокотехнологичных промышленных корпораций.
НГВ: Какие инновационные решения внедряются для развития инфраструктуры Арктики? Есть ли трудности с внедрением и масштабированием? Какова стоимость отечественных технологий по сравнению с импортными аналогами? С каким оборудованием предпочитают работать отечественные компании-недропользователи, внедряют ли они отечественные разработки на своих площадках?
Н.Ш.: Двадцать процентов осложнений при строительстве и эксплуатации объектов на территории многолетнемерзлых грунтов связаны с деформацией, вызванной растеплением. Эксперты отрасли часто работают с устранением последствий, а необходим цифровой интеллектуальный мониторинг, сбор данных, на которых можно построить реальную предективную аналитику.
Допущенная ошибка на этапе проектирования инфраструктуры может стоить 1 рубль, на этапе строительства – 100 тыс. рублей, на этапе эксплуатации – 100 млн рублей. Соответственно, целесообразно все риски и неопределенность относить на этап проектирования. Именно в решении этой задачи помогают современные цифровые инструменты и это описано в методологии цифровых двойников объектов и процессов в промышленности, реализующейся в Передовой инженерной школе «Цифровой инжиниринг» СПбПУ под руководством А.И. Боровкова.
Командой Научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» Передовой Инженерной Школы СПбПУ разрабатываются решения по применению полимерных композиционных материалов при обустройстве месторождений, осуществляется подготовка высококвалифицированных специалистов по решению инженерных задач на вечной мерзлоте. Ключевым фокусом является разработка сложных мультифизических математических моделей объектов и процессов в нефтегазе, которые уже используются целым рядом лидеров энергетической отрасли.
В настоящий момент на основе результатов работы происходит развитие нормативно-технологической документации, в соответствии с приоритетами, определенными Министерством строительства и жилищнокоммунального хозяйства Российской Федерации.
Тюменский индустриальный университет сфокусирован на инжиниринг на многолетнемерзлых грунтах (ММГ). Уникальность этого университета в том, что ключевые филиалы как раз расположены в непосредственной близости к месторождениям на ММГ, а научная и производственная инфраструктура вуза позволяет разрабатывать, производить решения и проводить их испытания как на стендах, так и на полигонах университета.
Двадцать процентов осложнений при строительстве и эксплуатации объектов на территории многолетнемерзлых грунтов связаны с деформацией, вызванной растеплением
У многих добывающих компаний преобладает ресурсная база именно в этой зоне, так что необходимо создать экосистему из производственных, проектных, инженерных и научных команд.
НГВ: Какие композитные материалы разработаны для строительства в условиях экстремального климата? Где внедряются? Какие результаты?
Н.Ш.: В целом развитие нефтегазовых месторождений как в Арктической зоне, так и на шельфовых объектах невозможно без новых специализированных материалов, и композиты здесь являются одним из основных решений. Главная уникальность композиционных материалов в том, что фактически это проектируемые материалы с заданным комплексом свойств под конкретные условия эксплуатации. По сути, сам материал уже является конструкцией, состоящей из нескольких различных материалов.
Норвегия стала мировым лидером в шельфовой нефтедобыче после того, как государство и все отраслевые компании создали на базе университета NTNU (Норвежский университет науки и технологий) консорциум из добывающих, сервисных и производственных компаний
Если говорить о конкретных решениях, то большой потенциал скрывается в модификации поверхности свайных труб из стеклопластика на эпоксидной основе для Арктической зоны. Варьирование параметров технологии намотки позволяет изменить шероховатость. Более высокие значения шероховатости повышают прочность сцепления сваи с мерзлым грунтом, что, в свою очередь, позволяет обосновать сокращение длины свайных оснований. Эти и другие решения уже проходят опытно-промышленные испытания на полигонах, расположенных в вечномерзлых грунтах.
Высокий потенциал применения кроется в создании препрегов (полуфабрикатов) из углеволокна и суперконструкционных термопластичных материалов (на основе полиэфиэфиркетон, полиэфиркетонкетон). Данный материал идет на создание запасных частей для нефтегазового оборудования, усиления кабелей электроцентробежных насосов (повышает ресурс, сокращает количество спуско-подъемных операций). Так же из углеволокна создается подогреваемые конструкции, наибольший потенциал имеется в изготовлении трубопроводов, лотков водоотведения.
Отдельный большой блок материалов, актуальных для экстремальных условий, в частности для Арктики, – это создание новых теплоизоляционных систем. Недостатки существующих решений – большая толщина внешней теплоизоляции (>100 мм), высокое водопоглощение, дополнительные затраты на подготовку сооружений к диагностическим работам, тяжесть демонтажа, снижение работоспособности за время эксплуатации. В качестве новых решений можно назвать новые теплоизоляционные материалы, разработка которых происходит в настоящий момент. Это аэрогели, фенопласты, жидкие теплоизоляционные материалы, в том числе с антикоррозионными свойствами.
Разработка новых материалов ориентирована как на самостоятельное применение, так и на комбинацию с уже существующими теплоизоляционными материалами. В данный момент отсутствуют единые методики проектирования теплоизоляции, нет жесткой нормативно-технической документации, но потенциал новых материалов и их комбинированного использования с существующей теплоизоляцией проверен в лабораторных условиях. Главная задача, которую необходимо решить – это поиск оптимального баланса между эффективностью теплоизоляции, стоимостью, долговечностью и удобством применения.
Одним из основных трендов является 3D-печать полимерных композитов, когда прямо на месторождении мы можем изготовить необходимые изделия для инфраструктуры.
Также одним из основных трендов является 3Dпечать полимерных композитов, когда прямо на месторождении мы можем изготовить необходимые изделия для инфраструктуры. В настоящий момент происходит разработка и таких решений.
НГВ: Слышала, что вы ведете работы по теме водорода. Это интересно, так как у государства скептическое отношение к направлению. Что именно разрабатываете? Какие задачи ставят перед наукой? Какие результаты достигнуты? Дошли ли какие-то разработки до внедрения и в каких проектах?
Н.Ш.: Совместно с промышленными партнерами в НТК «Новые технологии и материалы» Передовой инженерной школы СПбПУ была создана первая в стране лаборатория по материалам для водородной энергетики. Это задача именно университета, поскольку для ее решения необходимо было погрузиться в область физики металлов для описания кинетики наводораживания и определения диффузии водорода в различные сплавы.
В качестве одного из важных вызовов последних лет можно отметить необходимость оценки материалов существующей газотранспортной системы для транспортировки и хранения газообразного водорода и метановодородных газовых смесей под давлением. Уникальные физико-химические свойства водорода и его отрицательное воздействие на материалы осложняют эту задачу. Стойкость материалов водородной инфраструктуры напрямую влияет на технологию транспортировки, ограничивая либо рабочее давление, либо концентрацию водорода в метановодородной смеси.
При контакте газообразного водорода с материалом стального трубопровода возможно возникновение так называемого водородного охрупчивания, заключающегося в снижении пластических свойств металлов. Исследования испытательной лаборатории научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» в этом направлении позволили не только разработать методики исследований и испытательное оборудование, но и оценить стойкость трубных сталей для эксплуатации в водородсодержащих средах. Полученные результаты помогают ускорить процесс перехода к водородной энергетике.
Также, были сформированы дорожные карты со всеми металлургическими производителями по оценке работоспособности сталей в водородных средах.
НГВ: Как сегодня инвестируются научные разработки? Достаточно ли финансирования? Насколько эффективно взаимодействие науки с индустрией?
Н.Ш.: Основными источниками финансирования научных центров и лабораторий в первую очередь должны быть коммерческие контракты с промышленными компаниями. В то же время государство сейчас уделяет особое внимание развитию инженерных компетенций в вузах, соответственно реализуется большое количество программ поддержки, что помогает промышленности оптимизировать затраты на исследования. Например, такие федеральные программы как «Приоритет-2030», «Научный центр мирового уровня» и «Передовая инженерная школа» способствуют развитию научных лабораторий до уровня, при котором промышленность может полноценно использовать их для реализации своих ключевых задач.
За годы работы мы сформировали уникальную для университетского сообщества команду из более чем 100 научных инженеров, которая в год реализует порядка 150-170 комплексных технологических проектов для более чем 50 заказчиков из нефтегазовой, металлургической и машиностроительной отраслей. Совокупный рост нашей команды составляет порядка 30-50% в год – и по людям, и по количеству выполняемых работ.
Самым главным критерием является обеспечение синхронизации научной команды и бизнеса промышленной компании – это может быть посредством создания долгосрочных дорожных карт, совместных лабораторий и научных центров (в нашем случае взаимодействие с ключевыми партнерами происходит через создание совместных научных центров НОЦ «Северсталь-Политех», НИОЦ «Везерфорд-Политехник», а также через долгосрочные дорожные карты и др.). Именно этот фактор гарантирует нахождение ученых в максимальном контексте всех событий, происходящих в отрасли.