Meeresbodenüberwachung tritt in das Zeitalter der Autonomie ein

Von Shaun Dunn13 Mai 2019
AMT-Einsatz während des Ormen-Lange-Projekts in Offshore-Norwegen. (Foto: Sonardyne)
AMT-Einsatz während des Ormen-Lange-Projekts in Offshore-Norwegen. (Foto: Sonardyne)

Die Überwachung der Deformation des Meeresbodens stößt in neue Leistungsbereiche vor, da die Selbstkalibrierung, der autonome Einsatz und die Datenerfassung neue Möglichkeiten für die Verlängerung der Lebensdauer von Ölfeldern eröffnen. Shaun Dunn, Global Business Manager für Exploration und Überwachung von Sonardyne, erklärt.

Während des jüngsten Abschwungs konzentrierten sich die Ölunternehmen zur Aufrechterhaltung der Produktion mehr auf Programme zur Verbesserung der Ölrückgewinnung (IOR) auf bestehenden Feldern als auf die Erkundung neuer Grenzen.

Die proaktive Bewirtschaftung vorhandener Lagerstätten zur Maximierung der Gewinnung ohne die Notwendigkeit größerer Vorabinvestitionen für die Erschließung neuer Felder war und ist ein rentabler Weg, um mehr Produkt aus dem Boden zu holen, weniger Ressourcen zu verbrauchen und die Umweltbelastung zu verringern. Mit der IOR gehen jedoch zusätzliche Risiken einher, darunter die Reaktivierung von Fehlern und andere geografische Gefahren wie Meeresbodenbrüche, Deformationen oder Absinkungen. Meeresbodenbewegungen sind häufig über den Stauseen zu erwarten, da sie entstehen und der Druck sinkt. Einige Zentimeter Bewegung pro Jahr sind typisch. Wenn sich das Druckniveau in einer Produktionszone verringert, verringert sich auch die Fähigkeit des Reservoirgesteins, die Gesteinsschichten abzustützen oder darüber zu überlasten, was zu Deformationsphänomenen des Meeresbodens führt, wie zum Beispiel einer allmählich zunehmenden Senkung der Lagerstätte.

Diese Bewegung kann zwar keine große Gefahr für sich darstellen, denn wenn man weiß, wie viel Bewegung sich dort befindet, in welche Richtung und wie schnell diese Bewegung stattfindet, können die Bediener mehr darüber erfahren, wie ihre Reservoirs funktionieren und wie sie produktiver betrieben werden können.

Durch die Möglichkeit, die Bewegung des Meeresbodens im Laufe der Zeit seitlich und vertikal zu messen, können Geophysiker diese Informationen mit anderen Produktionsdaten verschmelzen, um Flüssigkeitsströmung, Porendruck, Verdichtung auf Reservoir-Niveau usw. abzuleiten, ihre Reservoir-Managementpläne abzustimmen und die Wiederherstellungsraten entsprechend zu verbessern. Während der Bohr- und Produktionstätigkeit kann die Überwachung des Meeresbodens auch dazu beitragen, Geogefahren wie Fehlerreaktivierung und Schlammlawinen vorzubeugen.

Das deutsche Forschungsschiff Sonne und ein unbemanntes Oberflächenschiff Wave Glider (USV) wurden verwendet, um Daten von AMTs zu sammeln. USVs können jetzt auch GPS-Akustikmessungen durchführen. (Foto: Sonardyne)

Was an Land funktioniert, funktioniert nicht an Land
In der Vergangenheit war es jedoch nicht einfach, diese kleinen Bewegungen vor der Küste zu messen. Onshore-, GPS-Positionierungs-, Laserentfernungs- und Satellitenaltimetriesysteme können verwendet werden, um die Positionen und Entfernungen zwischen Objekten an Land auf Zentimeter oder sogar Millimeter genau zu bestimmen. Diese Techniken funktionieren nicht unter Wasser.

Traditionell wurden bathymetrische Sonare zur Messung der Absenkung vor der Küste verwendet, ihre Genauigkeit ist jedoch insbesondere in tiefem Wasser stark eingeschränkt, und die Einsatzlogistik behindert ihre praktische Anwendung zum Erkennen langsamer Absenkungsraten, wo Messungen über lange Zeit erforderlich sind. Tragbare Gravimeter werden auch zum Erfassen von Dichteänderungen verwendet, die beispielsweise durch Wasseraustauschgas verursacht werden. Diese Sensoren müssen jedoch mit einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug (ROV) zwischen permanent installierten Meeresbodenmonumenten bewegt und an jedem Ort wiederholt Schwerkraft- und Druckmessungen durchgeführt werden. Es ist ein langwieriger, personalintensiver, vermögensintensiver und daher kostspieliger Prozess, der normalerweise nur in mehrjährigen Intervallen durchgeführt wird, was den Nutzen der Daten einschränkt.

Im Laufe des letzten Jahrzehnts wurde dank einer Idee, die die Shell-Geophysiker Dr. Paul Hatchell und Dr. Stephen Bourne im Jahr 2006 hatten, eine kostengünstigere Alternative entwickelt. Sie wussten, dass die Verformung des Meeresbodens vertikale und horizontale Verschiebungen verursacht Eine kontinuierlichere Methode zur Überwachung des Absinkens könnte durch vertikale und horizontale Messungen unter Verwendung von langfristig eingesetzten Unterwasserinstrumenten möglich sein. Zu dieser Zeit war kein geeignetes Gerät für langlebige und hochempfindliche Überwachung verfügbar, weshalb sich Shell aufgrund unserer langen Geschichte im Bereich hochpräziser Instrumentendesign an Sonardyne wandte.

Einführung der Überwachung der Deformation des Meeresbodens
In Zusammenarbeit mit Shell haben wir das erste System zur Überwachung der Verformung des Meeresbodens entwickelt, das im Jahr 2007 im Ormen-Lange-Feld von Shell auf dem norwegischen Festlandsockel eingesetzt wurde. Das System maß die horizontalen Abstände zwischen zwei Standorten auf dem Meeresboden unter Verwendung von akustischen Entfernungsmessungen und führte vertikale Tiefenmessungen durch Drucksensor. Diese Techniken sind in der Unterwasservermessung nicht neu. Sonardyne liefert diese Technologien seit mehr als vier Jahrzehnten für die Offshore-Öl- und Gasindustrie. Um ein Deformationsüberwachungssystem für den Meeresboden zu schaffen, waren jedoch eine Reihe von Innovationen erforderlich.

Um die horizontale Verschiebung zu messen, werden Schallwellen als Signale zwischen Paaren unserer autonomen Überwachungstransponder (AMT) übertragen, die um Hunderte von Metern voneinander getrennt sind, und die Hin- und Rücklaufzeit dieser Signale wird bestimmt. Die Wellengeschwindigkeit wird auch lokal und in Echtzeit mit integrierten Schallgeschwindigkeitssensoren gemessen, so dass der Abstand zwischen AMT-Paaren sehr genau überwacht werden kann. Die vertikale Verschiebung wird mit integrierten Drucksensoren gemessen. Durch den Vergleich der Ergebnisse mehrerer AMTs können die Auswirkungen von Änderungen der Gezeiten, der Wassersäulendichte und des Luftdrucks aus den Ergebnissen entfernt werden, wobei nur die relativen Änderungen der Meeresbodentiefe übrig bleiben.

Hört sich einfach an? Es ist nicht. Die Entwicklung dieses Systems wurde intensiv vorangetrieben, um sowohl die Empfindlichkeit als auch die Langlebigkeit zu gewährleisten, die für die erforderlichen Meeresbodentiefen erforderlich sind. Dies beinhaltete Innovationen in den Bereichen akustische Hochleistungssignalisierung, Druckmessung, Elektronik mit geringer Leistung, wasserdichte, drucktolerante und korrosionsbeständige Marinegehäuse, Batterietechnologien und akustische Wandlerdesigns. Wir haben auch eine In-situ-Drucksensorkalibrierung in einem Prozess namens Ambient Zero Ambient (AZA) hinzugefügt, um die inhärente Drift zu beheben, die Drucksensoren erfahren, ohne sie an die Oberfläche abrufen zu müssen.

Diese Systeme haben sich in der Praxis bewährt. Nach ersten Seeversuchen in Ormen Lange führten wir von 2010 bis 2015 einen längerfristigen Einsatz an demselben Standort durch. Während dieses Einsatzes wurden fast 220 AMTs eingesetzt, die eine kontinuierliche Überwachung des Einzugsgebiets über fünfeinhalb Jahre ermöglichen mehr als 600 Millionen Beobachtungen. Versionen des Systems wurden von Betreibern in der britischen Nordsee, im US-amerikanischen Golf von Mexiko und in Offshore-Asien eingesetzt.

Nutzung von Bewegungen in die Meeresautonomie
Wir sind aber nicht stehen geblieben. Mit unbemannten Fahrzeugen konnten wir dieses System noch weiter ausbauen: Wir können die genauen Positionen unserer AMTs mithilfe von GPS-Acoustic-Box-In (GPS-A) lokalisieren und dann eine drahtlose Datenabfrage mit unbemannten Oberflächenbehältern wie Liquid durchführen Wellengleiter der Robotik. Die Verwendung unbemannter Systeme spart Kosten, da sie in der Regel Betriebskosten verursachen, die ein oder zwei Zehnerpotenzen unter den durchschnittlichen bemannten Schiffen liegen.

Das Ergebnis ist, dass wir jetzt über Instrumente verfügen, die vollständig autonom sind. kann auf dem Meeresboden eingesetzt werden und 10 Jahre oder länger ohne direkten Eingriff an Ort und Stelle bleiben; hochpräzise Messungen der horizontalen und vertikalen Bewegung durchführen; Mithilfe der unbemannten drahtlosen Datenerfassungsfunktionen können Informationen routinemäßig an einen Benutzer zurückgemeldet werden, der an seinem Schreibtisch sitzt. Es kann daher für die anspruchsvollsten und sensibelsten Überwachungsprojekte für Siedlungen weltweit verwendet werden.

Von links nach rechts: Eine AMT-Stativrahmenbaugruppe, eine AMT-Variante, die Untersee für die Überwachung der Absenkung im US-Golf von Mexiko installiert hat, und AMTs und ihre Rahmen nach der Wiederherstellung nach mehr als fünfjährigem Einsatz (Bilder: Sonardyne).

Genauigkeit verbessern, Ergebnisse verbessern
Die Arbeit hört nicht auf. Wir sind auch ständig bemüht, die Genauigkeit unserer Überwachungssysteme für die Überwachung von Meeresböden zu verbessern. Durch unsere Arbeit, eine regelmäßige In-Situ-Kalibrierung zu ermöglichen, und ein Forschungsprogramm, um die besten Drucksensoren auszuwählen und vorzugeben und um die Position von Geräten von Oberflächendrohnen zu lokalisieren, konnten wir fast 1 cm / Jahr erreichen Messempfindlichkeit.

Das ist aufregend - es könnte die Überwachung der Meeresbodensiedlung revolutionieren, da es eine völlig neue globale Fähigkeit zur Überwachung von Feldern eröffnet, die sehr langsam absinken, einschließlich Tiefseefeldern wie denen im Vorsalz von Brasilien und im Golf von Mexiko.

Darüber hinaus liefert diese Technologie Daten für die Überwachung der Bewegung von Subduktionszonen und tektonischen Platten, auf die Meeresforscher bisher nicht zugreifen konnten. Bis vor kurzem waren Wissenschaftler fast ausschließlich auf den Einsatz bemannter Forschungsschiffe angewiesen, um Beobachtungen auf See durchzuführen. Dies bedeutete, dass sie nur sporadische und begrenzte Datenerfassungsprojekte hatten, was wiederum bedeutete, dass sie Subduktionszonen nicht zufriedenstellend modellieren konnten. Dies sind Gebiete, in denen eine ozeanische Kruste unter eine dichtere kontinentale Kruste taucht und die Reibungsenergie erzeugt, die typischerweise mit den schädlichsten Erdbeben und Tsunamis der Welt in Verbindung gebracht wird. Jetzt haben sie nicht nur die Möglichkeit, diese Absenkungsdaten zu erfassen, sondern mit der Möglichkeit, GPS-akustische Box-Ins durchzuführen, können wir die absoluten Positionen jedes AMT genau lokalisieren, so dass diese Daten mit Modellen verwendet werden können. Diese Daten waren bisher für Wissenschaftler unerreichbar.

Ermöglichung der Tsunami-und Erdbebenforschung
GEOMAR hat unter anderem das Deformationsüberwachungssystem von Sonardyne an mehreren europäischen und südamerikanischen Standorten eingesetzt, um den Dehnungsaufbau im Zusammenhang mit tektonischen Plattenbewegungen zu messen. Für einen Einsatz entlang der nazca-südamerikanischen tektonischen Platte vor der Küste Chiles interessierte sich GEOMAR besonders für den Aufbau einer horizontalen Belastung, mit der vorausgesagt werden kann, wann große Verschiebungen in der Subduktionszone auftreten können. Dieses System ist einzigartig in seiner Konfiguration mit niederfrequenten akustischen Signalen, die sich über große Entfernungen schnell ausbreiten. Dies ist eine Voraussetzung für eine effektive drahtlose Kommunikation in extremen Tiefen (über 5.000 Meter), in denen einige dieser Instrumente eingesetzt wurden.

Das Scripps Institute of Oceanography, das diese Technologie erstmals 2013-2013 einsetzte, arbeitet mit dem United States Geological Survey (USGS) zusammen, um die Cascadia-Subduktionszone besser zu verstehen, um besser vorhersagen zu können, wann ein Großereignis wahrscheinlicher ist. Es wird das Fetch-Instrument von Sonardyne für die Meeresgrundkomponente der Studie verwendet (funktionell äquivalent zum AMT, jedoch mit einer viel größeren Batterie, die Bereitstellungen von bis zu 10 Jahren ermöglicht).

Die Technologie ist auch die Grundlage einer von der japanischen Regierung finanzierten Zusammenarbeit zwischen der Universität von Kyoto, der Universidad Nacional Autónoma de México und der neuseeländischen GNS Science. "Gefährdungsbeurteilung von großen Erdbeben und Tsunamis an der mexikanischen Pazifikküste zur Katastrophenvorsorge". Weitere bedeutende Programme werden ebenfalls vorgeschlagen.

Präziser, zugänglicher Einblick
Unser System zur Überwachung der Verformung des Meeresbodens gibt Betreibern und Wissenschaftlern ein genaues Detail der Meeresbodenbewegungen, um ihre Ressourcen zu verwalten und zu maximieren und die Plattentektonik von U-Booten weitaus detaillierter zu überwachen als je zuvor, und dies alles zu einem Bruchteil der Kosten früherer Methoden.

Sonardyne AMTs messen die vertikale und horizontale Verschiebung, um jegliche durch den Meeresboden verursachte Verformung zu erkennen. (Bild: Sonardyne)

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