Климатические изменения, происходящие на планете, так или иначе отражаются на состоянии вечной мерзлоты. И чтобы темпы освоения Арктики, где расположены крупнейшие в стране месторождения газа и нефти, нарастали, а инфраструктура никогда не подводила, нужны точные прогнозы.

С 2023 года в России ведется работа по созданию государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты — уникальный проект, не имеющий аналогов в мире. В систему войдут 140 пунктов наблюдения, расположенные на гигантской площади — от Арктики до Тувы и Алтая. Первые двадцать пунктов были созданы в 2023 году, а завершиться этот процесс должен в 2026 году. В каждой точке наблюдения есть 25-метровая скважина. В ней на разных горизонтах установлены 32 датчика (расстояние между ними варьируется — от 10 сантиметров до нескольких метров). Они фиксируют температуру и отправляют данные в режиме онлайн в Центр мониторинга мерзлоты, созданный на базе Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ). Благодаря этой системе можно не только следить за состоянием многолетнемерзлых пород, но и готовить карты, которые позволяют отследить динамику изменений и составлять прогноз последствий данного процесса.

Как заметил заместитель директора Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) Юрий УГРЮМОВ, успешный опыт совместных проектов по мониторингу состояния мерзлоты есть как с добывающими компаниями, так и с регионами.

Думать о перспективах

Как может измениться вечная мерзлота в будущем — или в связи с естественноисторическим ходом развития природы, или в связи со строительством и хозяйственным освоением территории? Поисками ответа на этот вопрос специалисты Московского государственного университета (МГУ) имени М. В. Ломоносова занимаются с 1970-х годов.

По словам заведующего кафедрой геокриологии МГУ Анатолия БРУШКОВА, точные геокриологические прогнозы при современной недостаточно полной изученности состояния вечной мерзлоты возможны исключительно на основе сочетания надежного климатического прогноза и профессионального мерзлотного прогнозирования, включающего не только расчетные методы, но и мониторинговое сопровождение.

«Важным параметром климатического прогноза является температура воздуха, а дополнительными параметрами — количество осадков в теплый и зимний периоды. Для геокриологического прогноза важна температура горных пород, влажность слоя сезонного протаивания (СТС) и его глубина, высота и плотность (теплофизические свойства) снежного и растительного покрова. Изменение теплофизических характеристик напочвенных покровов и грунтов СТС имеет ключевое значение для расчета температурного режима, поэтому наблюдение за этими параметрами и их прогноз необходим для прогноза состояния вечной мерзлоты», — считает он.

Современные решения

Для правильной оценки климатических процессов, происходящих в Арктике, вне всяких сомнений требуется научно обоснованный подход. Именно такая концепция должна быть опорной базой для всех проектов и инфраструктурных решений в зоне вечной мерзлоты.

Геотехнический мониторинг (ГТМ) температуры многолетнемерзлых грунтов обязателен в первую очередь для надежного строительства и эксплуатации различных инженерных объектов в криолитозоне. Опираясь на его данные, можно прогнозировать изменения условий, выявлять нарушения состояния объектов, предотвращать деформации. К первостепенным методам геотехнического мониторинга относятся термометрия в скважинах, мониторинг теплового режима на разных глубинах, автоматизированные системы сбора данных с передачей измеренных значений.

Солидный опыт, накопленный ООО «Геолинк Ньютек», позволил компании сформировать собственное решение по автоматизированному многоточечному температурному мониторингу. Главный принцип работы системы мониторинга заключается в регистрации данных измерений температуры с заданной частотой и последующем сохранении в энергонезависимой памяти с возможностью передачи онлайн для обработки и принятия решений.

---

Из-под криолитозоны сегодня добывается до 90% производимого в РФ газа.

Дальнейшие перспективы наращивания добычи напрямую связаны с освоением месторождений, расположенных в зоне многолетнемерзлых грунтов.

---

«Система включает в себя датчики температуры, контроллер для сбора, хранения и передачи измеренных значений, считыватель для ручного переноса данных на ПК и специализированного стороннего ПО для управления, визуализации и анализа измеренных данных. Система мониторинга контроля температуры в скважинах позволяет отслеживать мгновенные изменения мерзлых грунтов и в реальном времени сигнализировать при превышении допустимой нормы», — подчеркнул представитель компании Дмитрий ГОСУДАРЕВ, добавив, что такой подход обеспечивает работоспособность и безопасность функционирования различных инженерных объектов и сооружений в условиях вечной мерзлоты.

Автоматизировать рутинные задачи

Выполнение рутинных задач по сбору, хранению и обработке данных логично доверить автоматике — для решения этой задачи НТЦ «Симмэйкерс» разработал программы Frost.ГТМ и Frost 3D. С помощью первой можно аккумулировать и автоматически обрабатывать результаты геотехнического мониторинга и, таким образом, упрощать и ускорять выполнение задач для специалистов ГТМ, минимизируя влияние человеческого фактора. При этом пользователю доступен широкий спектр возможностей для визуализации данных. Важной особенностью системы остается возможность оценки вероятности наступления аварийного состояния сооружения.

Вторая программа предназначена для численного моделирования температурного режима грунтов, расчета осадки при оттаивании и расчета несущей способности свай. Frost 3D позволяет создавать трехмерную модель основания сооружения и получить прогнозируемое поле температур в этой части.

Совместное использование Frost 3D и Frost.ГТМ в процессе геотехнического мониторинга представляет собой уникальный сервис — цифровой инженерно-геокриологический двойник. С его помощью можно вести расчет несущей способности свай в режиме реального времени и давать прогноз их состояния на несколько лет вперед, контролировать уровень грунтовых вод и определять их влияние на температурный режим и деформации грунтов оснований, делать ретроспективный анализ с целью адаптации модели.

Инновационные методы

Многие крупные компании из числа тех, кто ведет свою деятельность в криолитозоне, активно работают над совершенствованием системы мониторинга вечной мерзлоты, используя свои технологии. ООО «Газпром ВНИИГАЗ» предложил новый принцип и разработал методику комплексирования данных спутникового и наземного контроля, что определяет инновационность разработки.

«Опытный образец системы автоматизированного дистанционного геотехнического мониторинга, состоящий из разных блоков контроля, испытан в условиях эксплуатации на Крайнем Севере. Комплексирование методов привело к сокращению на 70% классических ручных измерений. Также появилась возможность выбирать оптимальную периодичность выполнения сканирования объектов, оптимизировать пункты параметрического контроля с дорогостоящим оборудованием, корректировать сеть наблюдений в целом. Применение спутниковой радиолокационной интерферометрии позволяет выполнять дистанционную оценку площадных вертикальных перемещений, а параметрический блок — непрерывный контроль в точках наибольших напряжений/перемещений. Наземное лазерное сканирование обеспечивает создание полных карт и 3D-моделей деформаций с заданной периодичностью, зависящей от наличия деформаций объектов. Точность измерений соответствует регламентируемой нормативными требованиями, а получаемые данные значительно превышают текущие объемы», — пояснили представители компании.

Такой способ создает условия для получения данных высокого качества, выполнения комплексного анализа, создания цифровых моделей объектов, совершенствования геотехнического прогноза.

Смена статуса

Сегодня геотехнический мониторинг постепенно меняет свой статус. Он становится не только обязательным комплексом режимных наблюдений согласно требованиям государственных нормативных документов, но и необходимым инструментом планирования и управления состоянием объектов нефтегазовой инфраструктуры на основе применения численных методов прогноза, цифровых двойников, дистанционных технологий.