Исследование вариаций геомагнитного поля в интересах хозяйственного развития Арктической зоны Российской Федерации

170318 f01
Стационарная буровая установка для работы в арктических условиях

Начиная с 2014 года Геофизический центр Российской академии наук (ГЦ РАН) принимает участие в приоритетной программе фундаментальных исследований президиума РАН "Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации".

Программа была сформирована на конкурсной основе в 2014 году в целях обеспечения комплексного и системного решения наиболее важных научных проблем дальнейшего развития Арктической зоны РФ (АЗРФ), освоения приарктических территорий, а также надежного функционирования систем жизнеобеспечения и производственной деятельности в природно-климатических условиях Арктики. Объём финансирования на исследования по Программе в 2014 году составлял 300 млн. руб. Впоследствии Программа была продлена на 2015 и 2016 гг.

Научно-организационное руководство Программой возложено на члена Президиума Российской академии наук академика А.И. Ханчука и Научный совет Программы, в состав которого вошли ведущие российские учёные, специализирующиеся на различной тематике.

В основе Программы лежит идея объединения усилий научных институтов академического профиля для решения актуальных задач развития АЗРФ путём использования современных междисциплинарных достижений естественных наук. Программа нацелена на изучение окружающей среды и рациональное природопользование, а также создание теоретических и экспериментальных основ новых методов и технологий изучения и освоения Арктики.

В конкурсе, объявленном в рамках Программы 2014 году, ГЦ РАН выступил с предложением по реализации проекта "Исследование геомагнитного поля и разработка методов фильтрации его естественных вариаций в целях повышения точности наклонного бурения глубоких скважин в Арктическом регионе". Руководителем проекта является академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор ГЦ РАН А. Д. Гвишиани, а ответственным исполнителем — главный научный сотрудник ГЦ РАН, доктор физико-математических наук Р. Ю. Лукьянова. Тематика работы входит в одно из основных направлений деятельности ГЦ РАН, связанных с изучением магнитного поля Земли, организацией наблюдений и разработкой методов анализа данных измерений.

170318 f02
Ствол наклонно-направленной скважины, буровой инструмент и измерительные приборы для контроля заданного направления по магнитному склонению и азимуту

Современные технологии позволяют бурить скважины, которые практически горизонтально входят в нефтеносный слой и могут достигать резервуаров, расположенных за несколько километров от исходной точки бурения, в том числе под морским дном на большом удалении от берега. Наклонно направленное бурение требует четкого контроля ориентации буровой колонны под землей. Для измерения зенитного угла и географического азимута применяют телеметрические измерительные системы, основанные на магнитометрической технологии.

Однако при геомагнитном сопровождении наклонно направленного бурения скважин в Арктическом регионе возникают проблемы, обусловленные строением магнитного поля Земли. В высоких широтах Земли часто возникают мощные спорадические возмущения геомагнитного поля, связанные с магнитными бурями, во время которых в ионосфере развиваются струйные электрические токи большой мощности. Магнитное поле, создаваемое этими токами, вызывает отклонения магнитных элементов от спокойного уровня, что вносит большую дополнительную погрешность в определение магнитных координат.

Целью проводимых в ГЦ РАН исследований является разработка научных основ для создания технологического задела в области геомагнитного сопровождения наклонно-направленного и горизонтального бурения скважин в АЗРФ. Основной задачей исследования является развитие системы геомагнитных наблюдений, оценка спорадических возмущений при магнитных бурях и суббурях в высоких широтах, исследование влияния этих возмущений на точность подземной навигации с помощью скважинной телеметрии в условиях российской Арктики, и отработка методики фильтрации геомагнитных помех.

Минимизация ошибки при подземной навигации по геомагнитному полю достигается путем применения современных моделей главного магнитного поля, моделей локальных магнитных аномалий и аэромагнитной съемки. В Арктике должны также проводиться измерения вариаций геомагнитного поля на поверхности Земли непосредственно в районе проведения работ и фильтрация спорадических возмущений во время магнитных бурь. Важную роль при этом играют обсерватории высшего международного стандарта качества ИНТЕРМАГНЕТ.

170318 f03
Магнитные обсерватории в Арктическом регионе

По итогам трехлетних исследований в рамках проекта "Исследование геомагнитного поля и разработка методов фильтрации его естественных вариаций в целях повышения точности наклонного бурения скважин в Арктическом регионе" в ГЦ РАН был получен ряд важных научных результатов. Так, была осуществлена разработка методики устранения помех и коррекции показаний подземной магнитометрической аппаратуры, применяемой при подземной ориентации буровой колонны, с помощью мониторинга геомагнитного поля и фильтрации спорадических флуктуаций, обусловленных магнитными бурями и особенностями структуры геомагнитного поля в высоких широтах. Были исследованы характеристики экстремальных геомагнитных бурь.

170318 f04
Блок-схема автоматизированной системы расчета квазиокончательных данных стандарта ИНТЕРМАГНЕТ

Была разработана научная и методическая база для развития системы мониторинга геомагнитного поля в АЗРФ с помощью стационарных обсерваторий высшего международного стандарта качества ИНТЕРМАГНЕТ, созданы новые автоматизированные методы оперативной обработки и анализа геомагнитных данных, региональные индикаторы геомагнитных возмущений для оперативного контроля геомагнитной обстановки в АЗРФ в заданных локациях проведения буровых работ, удовлетворяющих требованиям хозяйствующих субъектов. Проведены модельные расчеты с целью оценки влияния геомагнитных возмущений на траекторию наклонно-направленного бурения глубоких скважин в Арктическом регионе.

По результатам работы по проекту было опубликовано несколько статей (см. список публикаций в конце статьи).

В заключение отметим, что развитие прикладных исследований, связанных с изучением геомагнитного поля для повышения точности наклонно-направленного бурения скважин в Арктической зоне, является актуальной задачей взаимодействия науки и промышленности. В настоящее время в РФ такое сотрудничество находится в стадии становления. По мере расширения работ на арктическом шельфе система геомагнитного сопровождения будет развиваться как в плане строительства и оснащения новых обсерваторий для мониторинга геомагнитного поля, так и в плане разработки научных методов оперативного анализа спорадических геомагнитных флуктуаций, интерполяционных алгоритмов и методик контроля подземного позиционирования.

Публикации:

1) Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю. Геомагнитное сопровождение наклонно-направленного бурения скважин в Арктическом регионе // Арктические ведомости. 2014. С. 10-19.

2) Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю. Геоинформатика и наблюдения магнитного поля Земли: российский сегмент // Физика Земли. № 2. 2015. С. 1–18.

3) Гвишиани А.Д., Лукьянова Р. Ю. Исследование геомагнитного поля и проблемы точности бурения наклонно направленных скважин в Арктическом регионе // Горный журнал. № 10 (2219). 2015. С. 94‒99.

4) Lukianova R. Unusual geomagnetic response to the solar wind dynamic pressure pulse during storm-time. Russian Journal of Earth Science (doi:10.2205/2016ES000583).

5) Подготовлена к публикации статья в журнале Физика Земли: Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю. "Оценка влияния геомагнитных возмущений на траекторию наклонно-направленного бурения глубоких скважин в Арктическом регионе".


Р. Лукьянова, А. Павленко

Метки: ГЦ РАН, арктика

Печать