ПРОЕКТ Разработка дистанционной оперативной лазерной технологии измерения концентрации газообразных углеводородов в глубинных слоях воды Проект направлен на разработку и вывод на рынок в составе оборудования принципиально новой технологии для оптического дистанционного измерения концентрации углеводородов в придонных водах морей и океанов. Технология позволит проводить геохимическую разведку запасов углеводородов дистанционно (на глубинах до 1 км и более), оперативно (на ходу судна) и существенно дешевле аналогов. Также технология будет востребована для экологических исследований содержания углеводородов и других газов в морской воде.

ПРОБЛЕМА, КОТОРУЮ РЕШАЕТ ПРОЕКТ Необходимость в измерении следовых концентраций газообразных углеводородов, а также других газов, растворенных в водной среде, существует в приложении к различным задачам, самыми востребованными из которых являются: геохимическая разведка подводных запасов нефти и газа; экологические исследования. При разведке морских запасов нефти и газа геохимические методы исследования выполняют важные функции: рекогносцировки и наметки перспективных районов для последующей проработки более дорогими сейсмическими методами, уточнения результатов исследований, найденных аномалий и потенциальных месторождений, типизации и оценки запасов предположительных месторождений, уточнения местоположения разведочных и добывающих скважин. Высокая стоимость морской и океанической геологоразведки, бурения и обустройства месторождений делает оправданным максимально тщательную проработку предполагаемых участков различными методами разведки перед проведением разведочного бурения. Геохимические исследования на нефть и газ сводятся в основном к определению концентраций ряда углеводородов в осадочных породах морского дна и придонных слоях морской воды. Основную информацию при этом несет в себе концентрация газообразных углеводородов в воде. При этом очевидно, что в силу диффузионно-конвекционных процессов концентрация углеводородов в придонных слоях воды практически полностью отражает их концентрацию в осадочных породах дна. 2

ПРОБЛЕМА, КОТОРУЮ РЕШАЕТ ПРОЕКТ При этом критическими требованиями к технологии со стороны отрасли разведки нефти и газа являются: эффективная глубина метода должна перекрывать горизонт потенциальных глубин добычи; оперативность как измерений так и анализа (желательно проведение измерений в режиме движения судна, и максимально быстрый анализ образцов); простота и дешевизна использования (минимизация необходимого персонала и квалификации). Методы, используемые в данный момент для морских геохимических исследований на нефть и газ либо существенно ограничены по глубине (снифферы), либо требуют остановки судна и ручных операций для механического отбора проб с последующим анализом в лабораторных условиях, либо существенно ограничены по возможностям анализа а значит по спектру детектируемых углеводородов (робототехнические автономные решения и удаленно управляемые аппараты). Также измерение концентрации углеводородов (а также некоторых других газов, например сероводорода, углеводорода) в придонных слоях воды морей и океанов востребовано при проведении актуальных экологических исследований. Например, исследования концентрации метана в глубинных слоях океанов является ключом к пониманию важнейших процессов круговорота метана в природе, играющих важнейшую роль в формировании глобального климата. 3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА РЕШЕНИЯ– КОМБИНАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ 4 Молекулы многих газов комбинационно-активны, т.е. при облучении рассеивают свет с характерным только для данной молекулы уникальным «сдвигом частоты». Излучение рассеивается во всех направлениях. Часть рассеянного излучения в точке наблюдения может быть собрана, отфильтрована по искомым частотам и измерена. Интенсивность будет пропорциональна концентрации искомого вещества. При современных параметрах оптической техники, а именно высокой спектральной селективности, высокой чувствительности (вплоть до единиц фотонов), комбинационная спектроскопия подходит для дистанционного измерения сверхмалых «следовых» концентраций искомых веществ.

РЕШЕНИЕ, КОТОРОЕ ПРЕДЛАГАЕТ ПРОЕКТ 5 Объективной предпосылкой применения разрабатываемого метода к геологоразведке (как и всех существующих методов морской геохимической разведки углеводородов) является следующая взаимосвязь: морская вода недонасыщена газообразными углеводородами (по сравнению с предельной растворимостью при данных термобарических условиях), и в зонах существования петролеумных резервуаров имеет место непрерывный и достаточно мощный подъем флюидов углеводородов из глубинных ловушек через слои осадочных пород или через зоны разломов ко дну, где за счет диффузии и конвекции флюиды выходят в придонные слои морской воды. Следовательно, по повышенной (по сравнению с некой средней фоновой) концентрации газообразных углеводородов в придонных слоях воды можно с достаточной степенью достоверности судить о присутствии рядом запасов нефти и газа. И если каким-то образом «прорисовать» карту концентраций углеводородов в акватории, то по ней можно с высокой степенью достоверности утверждать наличие и оценить объемы залежей углеводородов, а на основании анализа сравнительных концентраций различных углеводородов (от С1 до С4, только они при типовых термобарических условиях находятся в газообразном состоянии) можно сделать вывод о составе и содержании запасов углеводородов. Предлагаемый проект и направлен на разработку лазерного оптического метода дистанционного оперативного измерения концентрации газообразных углеводородов (а также других газов) в глубинах морей и океанов.

РЕШЕНИЕ, КОТОРОЕ ПРЕДЛАГАЕТ ПРОЕКТ 6 Для детектирования присутствия и определения концентрации молекул углеводородов растворенных в воде можно использовать то, что молекулы всех углеводородов комбинационно активны. То есть при прохождении через водную среду зондирующего лазерного излучения, молекулы газообразных углеводородов, растворенные в воде, будут рассеивать часть излучения с характерным только для данных молекул комбинационным сдвигом частоты. Часть данного рассеянного характеристического излучения будет неизбежно испускаться в сторону источника, где может быть собрана, отфильтрована по частоте от шумов и помех и проанализирована для определения концентрации молекул конкретного углеводорода. Исследователями в США уже проведены эксперименты с определением концентрации метана вблизи океанических месторождений углеводородов с использованием комбинационной спектроскопии, однако исключительно контактным способом, т.е. с помощью спускаемого в исследуемую зону рамановского спектрографа. И результат при этом может быть получен только при нахождении прибора непосредственно в точке с аномально повышенной концентрацией метана. Очевидно, что такой способ измерения концентрации метана не может найти применения для разведки месторождений, так как требует значительных затрат времени на обследование одной точки, и несет риск утери дорогостоящего спектрографа. Для реализации же дистанционного метода, требуется разрешение следующей проблемы. Морская вода также комбинационно активна и ее комбинационный спектр накладывается на спектр комбинационного рассеяния метана. Концентрация метана в морской воде достаточно мала, и интенсивность рассеянного излучения от молекул воды в разы превосходит интенсивность рассеянного излучения от молекул метана. Методик комбинационной спектрометрии, которые работали бы в таких условиях, на данный момент не существует. Однако решение данной проблемы возможно, более того, соответствующая технология – «Метод двухволновой частотно-модулируемой резонансной комбинационной спектроскопии для определения следовых концентраций вещества» уже разработана и патентуется авторами.

ИННОВАЦИОННЫЙ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ПРОЕКТА 7 До настоящего времени само явление комбинационного рассеяния света молекулами газов (в частности углеводородов, сероводорода, углекислого газа и других – комбинационно- активных), растворенных в воде, практически не исследовано и потому не используется в изучении природных водных бассейнов, в прикладных задачах с жидкостными объектами. С научной, физической точки зрения такое исследование может добавить к уже существующим новый оптический, бесконтактный, дистанционный метод изучения, измерения газовой компоненты в жидких средах. Примеров актуальных задач и сфер применения такого метода достаточно: это и отравление морской воды сероводородом, это интересный и актуальный вопрос возможного захоронения углекислого газа в освобождаемые пустоты кристаллогидратов вместо извлекаемых углеводородов для сохранения стабильности, это и насыщенность крови кислородом, в т.ч. с возможностью разделения его триплетной и синглетной составляющих.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА 8 Судно Исключаемая ближняя зона Окно приемного телескопа D < 1 м Зонд-источник Молекулы газа – центры рассеяния Зондирующее излучение «Рассеянное» комбинационно- сдвинутое излучение Зона проведения измерений Метод: Дистанционен. Оперативен (работает с обычной скоростью движения исследовательского судна). Подходит для молекул газов, растворенных в воде: газообразных углеводородов С1-С4, H2, CO2, SO2, H2S и т.д. Измерение концентраций в нижнем слое воды на глубинах до 1 км (и это не предел). Автоматическое проведение измерений, отсутствие необходимости в обслуживающем персонале и манипуляциях. Потребляемая мощность: до 2 Квт Вес оборудования: до 100 кг.

КОНКУРИРУЮЩИЕ РЕШЕНИЯ 1 9 Конвенционные методы механического отбора проб донного грунта и воды с интересующих горизонтов глубины Традиционные методы геохимической разведки предполагают взятие проб воды и грунта со дна механическими методами с последующим анализом в лаборатории на берегу либо на борту судна. Минусы: - длительное время до получения результатов анализов (дни); - учитывая что каждый образец должен быть герметичен при доставке на поверхность, а также среднее время получения одного образца, стоимость взятия одного образца, учитывая расходы на аренду судна, достигает 3000 долларов. Снифферы Технология основана на "сниффере" - насосе, который по гибкому погружаемому шлангу закачивает морскую воду с нужных горизонтов глубины на борт судна, где происходит газоанализ методами поглощательной спектроскопии. Применяется уникальная технология поглощательной спектроскопии CRDS, которая однако как и все методы поглощательной спектроскопии является контактной, т.е. требует проведения анализа непосредственно в контакте с объектом исследования. К минусам метода можно отнести: - ограниченный горизонт глубин (типично до 200 м); - вероятность обрыва шлангов сниффера. Роботизированные аппараты и удаленно-управляемые аппараты (ROV) Используются контактные сенсоры углеводородов, монтированные на управляемый удаленно подводный модуль. К минусам можно отнести: - высокую стоимость ROV; - сложность управления ROV оператором; - ограничения на мобильность судна в момент измерения с помощью ROV; - вероятность утери дорогостоящего ROV.

НАУЧНЫЕ ГРУППЫ, ВЕДУЩИЕ БЛИЗКИЕ РАЗРАБОТКИ, И НАШЕ ПРЕИМУЩЕСТВО 10 Исследования в направлении дистанционного оптического детектирования растворенного в воде метана на основе комбинационного рассеяния ведутся в США, Японии, Германии. По перераспределению в последние годы числа публикаций на сланцевый газ отслеживается конъюнктурная переориентировка практических специалистов, что в определенной мере может способствовать нашему проекту. Профильный Институт Loker Hydrocarbon Research Institute, Los Angeles, CA в сотрудничестве с Monterey Bay Aquarium Research Institute, проводили оптические исследования морского дна и отложений с помощью спускаемых световодов. Более подробные спектральные эксперименты по комбинационному рассеянию проводила группа (E.D.Sloan) из Center for Hydrate Research, Golden, CO [«Kinetics of methane hydrate formation» Tech Brief, WellDog Ltd]. Группа японских ученых из Токийского Университета и Института Лазерных Технологий (Institute for Laser Technology, Suita, Japan) ведет исследования в направлении использования ЛИДАРных систем (light detection and ranging) для дистанционного детектирования растворенных в океанских водах газов с целью разведки богатых ресурсами областей океана. На конец 2012 года, данная группа получила результаты по дистанционному детектированию растворенного в воде CO2 и далее видит своей перспективной целью отработку технологии измерения концентрации метана. Однако между измерением таким образом уровня CO2 и аналогичной технологией для метана лежит долгий путь и решение множество задач, так как сигнал КР СО2 расположен гораздо удобнее для исследования и не перекрывается сигналом КР воды, а соответственно может быть измерен практически «в лоб», не прибегая к модификациям традиционных методов КР спектроскопии. Наше потенциальное преимущество заключается в большом опыте разработок мощных лазерных излучателей и высокочувствительных фотоприемных систем. Часть предыдущих наработок и решений возможно использовать в предлагаемом проекте.

ПАРАМЕТРЫ РЫНКА Основные потребители: Сервисные компании нефтяной отрасли, оказывающие услуги по морской геологоразведке. Добавление в инструментарий геологоразведки технологии дистанционного и оперативного измерения концентрации метана в придонных слоях морской воды позволит таким компаниям сформировать пакет экспресс-методов геологоразведки, более быстрых и дешевых, чем сейсмические и предназначенных для рекогносцировки акваторий и наметки перспективных участков для последующей проработке сейсмикой. В такой пакет могут войти: экспресс геохимические исследования с помощью разрабатываемой технологии, электромагнитная разведка и гравиметрия. Также применение метода позволит существенно повысить качество предоставляемых карт акваторий, увеличит достоверность прогнозирования запасов углеводородов и позволит Заказчикам сэкономить на пробном бурении для подтверждения наличия углеводородов в типовых геологических структурах за счет понижения вероятности «сухих скважин». Государственные структуры, заинтересованные в повышении достоверности инвентаризации запасов и улучшении геологической изученности недр и акваторий (Росгеология, Минприроды РФ, US Geological Survey, US Department of Energy); Нефтегазовые компании, заинтересованные в достоверной оценке запасов, уточнении распределения запасов в месторождении, эффективном планировании разработки месторождения (ГАЗПРОМ, РОСНЕФТЬ, BP, Shell, Conoco- Philips, Schlumberger, Statoil); Сервисные компании выполняющие исследования по содержанию и динамике углеводородов, CO2, H2S в водах для экологических целей или фокусирующиеся на поиске утечек углеводородов в районах нефте- и газо-проводов и добывающих платформ. Емкость рынка: Годовой объем мирового рынка геофизических работ и оборудования составляет млрд. долларов США, из них 40% - рынок морских исследований, 10-15% - рынок оборудования, 12% - рынок продажи библиотек данных. Объем рынка с 2010 года растет и имеет тенденцию к дальнейшему росту. 11

ТЕКУЩИЙ СТАТУС ПРОЕКТА В предыдущие годы в инициативном порядке были последовательно изготовлены два экспериментальных стенда для оптических исследований комбинационного рассеяния света молекулами газов, растворенными в воде. Эти стенды обеспечивают исследование рассеяния «вперед», «назад» и многопроходное рассеяние «под 90 градусов», насыщение водной, или любой другой жидкостной среды различными газами, ее поддержание при давлениях до 100 атм и в температурном диапазоне от +25 градусов С до (потенциально) -10 градусов С (реально - до замерзания). На этих стендах были проведены исследования по комбинационному рассеянию лазерного излучения с различными длинами волн как молекулами самой воды, так и молекулами некоторых газов, растворенными в ней. Часть полученных результатов опубликована [например, S.M.Baschenko, L.S.Marchenko. On Raman spectra of water, its structure and dependence on temperature // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics, v.14 (1) pp (2011) ]. Но, кроме чисто академического результата полученная в ходе исследований информация свидетельствует о перспективах, горизонтах применения метода и путях его усовершенствования. В настоящее время прорабатываются конструкция следующего экспериментального стенда (предыдущие исчерпали запас модернизации) и его возможная комплектация: излучатели, фотоприемники, спектральная аппаратура, электроника и т.д. 12

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН 13 В плане технологического развития проекта предстоит поэтапное совершенствование технических решений сначала для создания прототипа, а затем - для уменьшения габаритов оборудования, снижения себестоимости и улучшения эксплуатационных характеристик. Отдельным важным этапом будет автоматизация процесса измерений под управлением специализированного ПО, которое будет управлять интегрированным измерительным комплексом с использованием данных из других бортовых систем, в первую очередь эхолота, GPS. Следующим важным шагом будет создание методики интерпретации результатов исследования концентрации углеводородов в акватории с учетом карт течений и данных других исследований, в первую очередь сейсморазведки. Впоследствии, при нарастании объемов исследований с применением технологии и результирующих массивов данных, будет необходима автоматизация методики с помощью разработки специализированного программного обеспечения. Необходимо отметить, что в отличие от той же сейсморазведки, результаты измерений в разрабатываемой технологии будут гораздо проще и однозначнее в интерпретации, существенно меньше (на порядки) по объему информации.

КОНТАКТЫ 14 Бащенко Андрей Сергеевич, Генеральный Директор Бащенко Сергей Николаевич д. ф.-м. н., Технический Директор Баженов Владимир Юрьевич к.ф.-м.н., Заместитель директора по науке