عمليات المساحة البحرية الداعمة لصناعة استخراج البترول من قاع البحر

[Mohamed Hashem]

العمليات المساحية البحرية
الداعمة لصناعة استخراج البترول من قاع البحر
Handbook for OFFSHORE SURVEYING

======================
بسم الله الرحمن الرحيم
وَلَقَدْ كَرَّمْنَا بَنِي آدَمَ وَحَمَلْنَاهُمْ فِي البَرِّ وَالْبَحْرِ وَرَزَقْنَاهُم مِّنَ الطَّيِّبَاتِ وَفَضَّلْنَاهُمْ عَلَى كَثِيرٍ مِّمَّنْ خَلَقْنَا تَفْضِيلاً (70) سورة الإسراء
=======================
الفهرس

مقدمة

الفصل الأول: صناعة استخراج البترول من البحر Offshore Oil & Gas Industry


الفصل الثاني: أجهزة المساحة البحرية Instrumentation


الفصل الثالث: العمليات البحرية لصناعة إنتاج البترول من البحر Offshore Operations

=======================
مقدمة

هناك عدد ضخم من المراجع والمقالات والأوراق البحثية المتخصصة فى مجال المساحة البحرية فضلا عن العديد من المواصفات القياسية و الأكواد لهذه الصناعة وكلها موجهة للمهندسين المتخصصين والجيولوجيين ، بينما يكاد ينعدم وجود الكتب الموجهة لغير المتخصصين ممن لهم علاقة وثيقة بمجال استخراج البترول من قاع البحر ...
إن الهدف من هذا البحث هو رسم ملامح دور المساح البحري داخل تلك الصناعة المتطورة والتى نجد أنفسنا – خريجو شعبة المساحة و الخرائط – مقحمين فى تفاصيلها الكثيرة المعقدة.. لقد حاولنا - قدر المستطاع - سرد القصة الكاملة بصورة عامة مبسطة مع اختزال الكثير من التفاصيل ومراعاة عرضها بالشكل الذى يتفق وتسلسل العمليات البحرية
نأمل من الله عز وجل أن نكون قد وفقنا فى ذلك ولكنه يبقى فى النهاية عمل بشر يحتمل النقصان والخلل.. والله من وراء القصد

محمد هاشم


السعودية


مايو 2009

الفصل الأول
صناعة استخراج البترول من البحر
Offshore Oil & Gas Industry

تمهيد

عرف الإنسان البترول منذ حوالي 5000 سنة حين ظهر على سطح الأرض في بعض مناطق الشرق الأوسط على شكل رشح خلال طبقات الصخور المسامية فاستخدمه في الإضاءة والعزل وبعض الاستخدامات العلاجية الأولية

والبترول مصدر غير متجدد للطاقة تكون منذ ملايين السنين تحت سطح الأرض و قيعان البحار والمحيطات وهو يوجد في طبقات الصخور الرسوبية المسامية التي تكونت في بيئة بحرية أو قريبة من البحار والتى يتراوح عمرها التكوينى بين حقبة الحياة العتيقة Paleozoic و الحياة الحديثة Cenozoic وذلك على هيئة حبيبات دقيقة داخل تلك الصخور الرسوبية وتحرك خلال الطبقات الأرضية وتجمع في تراكيب جيولوجية خاصة احتوته وحدت من ترحاله وتسمى مصائد البترول

إلا أن استخراج البترول من على اليابسة بأسلوب صناعي منظم لم يبدأ إلا عام 1901 بعد بناء أول برج حفر نظامي في ولاية تكساس جنوب الولايات المتحدة الأمريكية ومنذ هذا التاريخ استمر إنتاج البترول من على اليابسة يتزايد..

وقد أدى التنوع العظيم في المنتجات البترولية والاستخدام الواسع لها في شتى مجالات الإنتاج الزراعي والصناعي والخدمات إلى زيادة الطلب عليه حيث يمثل البترول والغاز حاليًا نحو ٦٠ % من موارد الطاقة في العالم (سترتفع هذه النسبة إلى ٦٥ % بنهاية عام ٢٠١٠) مما أدى إلى اتجاه العالم إلى البحث عن البترول في البحر ولكن في حدود المناطق الضحلة نسبيا حتى عمق حوالي 100 متر فقط

ومع الزيادة المطردة في استهلاك الوقود أبان وبعد الحرب العالمية الثانية حدث ارتفاع ضخم في استهلاك البترول لتوفير الطاقة المطلوبة الأمر الذى انعكس على تطور تقنيات المسح الجيوفيزيائي وتكنولوجيا الحفر والإنتاج للحقول البحرية فامتدت أعمال استكشاف وإنتاج البترول من البحر حتى وصلت حاليا إلى أعماق كبيرة تتعدى ألفى متر ، لقد بدأ الاستكشاف والإنتاج من المناطق الضحلة قرب الشواطئ أولاً فقد كان البترول يستخرج من قاع البحر بالردم من البر إلى داخل المياه للوصول إلى الطبقات الحاملة للزيت
ومع تطور تكنولوجيا الحفر تم ابتكار الحفر الأفقى أو الموجه الذى يمكننا من تجاوز العديد من العقبات الطبيعية للوصول إلى مكامن البترول وتم استخدام ذلك للوصول إلى البترول الموجود فى قيعان البحار بإقامة الآبار على الأرض قرب الساحل مع امتداد الحفر إلى التراكيب الجيولوجية تحت سطح مياه تلك البحار

إلا أن هناك حدوداً لتطبيق تلك التقنية فإذا كان التكوين الصخري المطلوب الوصول إليه بعيدا عن أقرب شاطئ ولم يكن عميقا بالدرجة الملائمة وجب إقامة برج الحفر فوق الماء والتى تسمى الرصيف البحرى أو المنصة Platform ومن هنا تجرأ الإنسان وقام ببناء منصة في البحر لاستكشاف البترول في المنطقة المستهدفة ، وتم بناء أول منصة لاستكشاف واستخراج البترول في خليج المكسيك في عمق لا يتجاوز خمسة أمتار فقط وعلى مسافة ميل واحد من الساحل وكانت مصنوعة من الخشب إلا أن هذه المنصة دمرت بالكامل بفعل إعصار سنة 1938 فاتجه التفكير إلى استخدام الصلب في التصميم وتم بناء أول منصة معدنية في البحر لاستكشاف البترول ثم استخراجه سنة 1946 بخليج المكسيك

ولما كانت هذه الأنشطة تتم في البحر فقد اضطر الرواد فى هذه الصناعة إلى الاستعانة بدعم بحري لتنفيذ أنشطتهم لنقل الأفراد والوقود والمياه ومعدات الحفر والإنتاج إلى مواقع العمل ، وفي البداية استخدموا قوارب الصيد كما استعانوا بالسفن الحربية التى خرجت من الخدمة إلا أن إمكانياتها لم يجعلها تتواكب مع متطلبات الصناعة فبدأ المجتهدون في تصميم وبناء وحدات بحرية متخصصة لهذه الصناعة إلى أن وصلنا لتصميمات غاية فى التعقيد ولاسيما بالنسبة للحفر فى المياه العميقة حيث يتطلب الاعتماد على منصات عائمة semi-submersible أو من خلال سفن حفر مزودة بأجهزة المحافظة على الموقع ذاتيا Dynamic position (سيأتي شرح ذلك لاحقا)

كلمة أخيرة..

آفاق صناعة إنتاج البترول من البحر فى مصر والعالم العربي

وإذا نظرنا إلى إنتاج مصر من البترول فسنجد أن معظمه يأتي من حقول بحرية بدأت فى خليج السويس فى الخمسينيات وامتدت للبحر الأبيض فى الستينيات من القرن الماضي وكانت كلها بلا استثناء فى أعماق لا تتجاوز الخمسين متراً

وجدير بالذكر أن الاقتصاديات العربية تعتمد على البترول والغاز إلى حد كبير
ويملك العرب ٦٣ %من احتياطيات العالم المؤكدة من البترول، وإن كانوا لا ينتجون حاليًا سوى نحو ٣٨ % من الإنتاج العالمي ، ولا يزال حوض الترسيب العربي الكبير غنيا بمكامن بترولية لم تكتشف بعد حيث يزداد ترجيح وجود مكامن كبرى في المياه العميقة في البحر المتوسط والخليج العربي

[Mohamed Hashem]

الفصل الثانى
أجهزة المساحة البحرية
Instrumentation

تمهيد
الصوت أو Acoustic energy من أكثر التقنيات المستخدمة فى تحديد الموقع والقياس والاستشعار تحت الماء ، ولعل ذلك راجع إلى ملائمتها للعمل تحت الماء فموجات الصوت تنتشر بسهولة خلال مياه البحار وترحل لمسافات طويلة بدون فقد يذكر فى طاقتها لتصل إلى القاع السحيق بل وتستطيع أيضا أن تنفذ داخل طبقات رواسب القاع ، وهى تتميز - كأي موجات أخرى – بخصائص الانعكاس والانكسار إذا ما مرت بين وسطين مختلفين فى الخصائص الفيزيائية ويستفاد من ذلك كثيرا فى تطبيقات قياس الأعماق كما يستفاد من قياس فرق الطور بين الموجه المرسلة والموجه المرتدة فى معرفة نوعية طبقات القاع كما سيتضح لنا فيما بعد ، وفيما يلي عرض سريع لأجهزة وتقنيات المساحة البحرية:

أولا - تحديد الموقع Positioning

منظومة الملاحة العالمية GPS

يتطلب العمل فى البحر أجهزة تحديد للموقع تتميز بإمكانيات كبيرة فى دقة وسرعة تحديد الموقع بصفة مستمرة وتحت جميع الظروف الجوية وفى الحقيقة أصبح يعتمد على أجهزة DGPS بشكل شبه كامل فى هذه الأيام ولا سيما فى المناطق البعيدة عن الساحل offshore بينما مازال استخدام أجهزة أخرى مثل Total Station فى المناطق القريبة من الساحل near shore
ونظام تحديد الموقع بالأقمار الصناعية هو أحد منظومات الملاحة العالمية التى انفردت الولايات المتحدة بإنشائه والتى بدأت فيه فى الثمانينيات من القرن الماضي واكتملت منظومته عام 1996 ويتكون النظام GPS من ثلاثة أقسام رئيسية: الأول هو مجموعة الأقمار الصناعية التى تدور حول الأرض وعددها عادة 24 قمر موزعة على ستة مدارات شبه كروية ويبلغ ارتفاع المدار حوالي 20200 كم عن سطح الأرض والقسم الثاني هو محطات التحكم والمتابعة الأرضية أما القسم الثالث فهو عبارة عن أجهزة الاستقبال Receivers المختلفة الخاصة بالمستخدمين users
وتعتمد فكرة النظام على قياسات آنية لأشباه المسافات Pseudo ranges بين المستخدم وبين أربعة أقمار حيث يمكن تعيين إحداثيات الراصد انطلاقا من إحداثيات القمر الصناعي المعروفة ومن وجهة نظر هندسية بحتة يكفى 3 أقمار فقط لقياس المسافة ولكن يبقى الرابع ضروريا لأن نظام GPS يستخدم طريقة one-way ranging techniqueأي قياس المسافة باتجاه واحد وحيث أن أجهزة تحديد الزمن فى المستقبلات غير متزامنة مع ساعات القمر فإن خطأ تزامن تلك الساعتين هو سبب تسميته بأشباه المسافات
و قد أعلن منذ البداية أن المستخدمين المدنيين للنظام سوف يتمتعون بدقة محدودة للنظام بوجود خطأ متعمد Selective Availability ، ولهذا تم ابتكار نظام التصحيح التفاضلي differential correction الذى يمكننا من التغلب على تأثيرات S/A وحذف معظم الأخطاء المؤثرة على دقة القياس وتعتمد فكرة النظام التفاضلي على إنشاء محطة إسناد بدقة عالية جدا وفقا للأساس الجيوديسي الذى يعمل عليه نظام الأقمار الصناعية وهو WGS 84 ، وقد أمكن الوصول بتلك الطريقة إلى دقة تصل إلى 1 – 3 أمتار ويمكن رفعها إلى أقل من 0.1 متر باستخدام نظم التصحيح المتقدمة

تحديد الاتجاهات Heading Sensors

ويستخدم لذلك البوصلات الجيروسكوبية Gyroscopic compass التى تستطيع تحديد اتجاه الشمال الحقيقى (الجغرافي) true north بدقة عالية تصل إلى 0.1 درجة

الجيوديسي Geodesy

من أهم العلوم المرتبطة بهذا المجال علوم المساحة الجيودسية وإسقاط الخرائط
التى تبحث فى شكل الأرض الحقيقى وأبعاده مع تمثيله على الخرائط المساحية والمجال لا يتسع هنا حتى لذكر نبذه عن هذه العلوم فضلا عن أن تلك العلوم من المواد الأساسية التى تدرس للمتخصصين ولكننا سنكتفي ببيان المسقط المستخدم فى الخرائط المساحية البحرية

Universal Transverse Mercator Projection (UTM)

ُاعتمٍدَ هذا النوع من الإسقاط عالميا فى رسم الخرائط البحرية سواء لأغراض الملاحة أو المساحة ويقوم على أساس تقسيم العالم إلى نطاقات Zone كل 6 درجات طولية على أن يبدأ النطاق الأول Zone 1 عند خط طول 180 ويمتد من الاستواء وحتى دائرة عرض 80 درجة شمالا وجنوبا ، وتكون معاملات Parameters المسقط كالآتي:

Central Meridian: the longitude for the center of a particular zone
Latitude of Origin: the equator, 0 degree north / south
Scale Factor on the center meridian: 0.9996
False Easting (of the center meridian): 500000 mE
False Northing (of the origin):0 mN for the northern hemisphere and 10000000 m N for the southern hemisphere.

الارتفاعات Heights

الارتفاعات والأعماق من أهم المفاهيم المرتبطة بتمثيل ظواهر الأرض أو الأعماق على الخرائط المساحية و فيما يلي مخطط يلخص كل مفاهيم الارتفاعات وعلاقاتها بمستوى إسناد الخريطة Chart Datum و الذى يمكن تعريفه بأنه المستوى الأفقي الذى تنسب له الأعماق على الخرائط البحرية

تحديد الموقع تحت الماء Hydroacoustic Positioning Reference

تتم معظم العمليات المساحية بإنزال مجسات Sensors وأجهزة الكشف تحت سطح الماء مما يستلزم معرفة مكانها باستمرار أثناء المسح ويستخدم لذلك أجهزة تحديد الموقع تحت الماء وتقوم فكره الجهاز على تثبيت مصدر صوتي يسمى Beacon على الهدف المراد معرفة موقعه ، ويقوم البيكون بإطلاق النبضات الصوتية بشكل مستمر بينما يثبت فى قاع السفينة أو الحفار هيدروفون الذى يقوم بالتقاط تلك الموجات وبقياس فرق الزمن وفرق الطور يمكن حساب المسافة والاتجاه من البيكون إلى الهيدروفون وبالتالى حساب موقع الهدف

وهنا نرى مخطط لسفينة تستعمل تلك المنظومة لتحديد موقع ROV (يمين) ووحدة التحكم والإظهار (يسار)

ثانيا – المساحة الباثيمترية Bathymetry Survey

ويقصد بها جس الأعماق مع بيان طبيعة نوع القاع (صخرى/رملى/طينى) والظواهر الموجودة عليه كأنابيب البترول والكابلات البحرية

Single Beam Echo Sounders

تستخدم أجهزة الإيكوسوندر الموجات الصوتية فى قياس العمق بقياس فرق الزمن بين وقت إطلاق نبضة صوتية acoustic plus من مذبذب Transducer فى الماء (مثبت فى سفينة المسح) وبين زمن استقبال صداها Echoو بمعلومية سرعة انتشار الصوت فى الماء يمكن حساب العمق وتسمى تلك الطريقةSounding

Multi Channel Echosounder

تستخدم أجهزة الحزم المتعددة فى قياس الأعماق فى الحالات التى يراد فيها إجراء أعمال مسح واسعة النطاق ولتخفيض عدد خطوط المسح وفى هذه الأجهزة يتم تركيب عدة مذبذبات فى شكل مروحي بحيث يغطى مساحة على كلا جانبي سفينة المسح

المسح الجانبي للأعماق Scanning Sonar

يوفر التركيب الفريد لهذا الجهاز لنا صورة "صوتية" لقاع البحر أو بمعنى أدق مورفولوجية القاع ومظاهره وهو يتركب من زوج من المبذبذبات المثبتة على جسم طوربيدى الشكل ويطلق عليها مجازا السمكة tow-fish كما بالشكل التالي

وطول تلك السمكة فى العادة متر ونصف تقريبا وقد تصل إلى أربع أمتار فى الأجهزة التى تستخدم فى المياه العميقة ويتم إنزال تلك السمكة فى الماء وقطرها وراء سفينة المسح وذلك بسرعة لا تتجاوز 4 عقدة حيث تنطلق النبضات الصوتية من كلا المذبذبين يمينا ويسارا لتغطي منطقة يصل عرضها إلى 200 متر

و أي ظواهر لقاع البحر كحطام السفن الغارقة وأنابيب البترول والكابلات البحرية والصخور الكبيرة و خلافه تظهر على شاشة الإظهار بالسطح وفى الصورة التالية حطام سفينة غارقة كما يبدو على شاشة الجهاز

ثالثا - Sub-bottom Profiler

يقصد بهذا المصطلح التقنيات المستخدمة فى الكشف عن نوع وسمك طبقات قاع البحر حتى 500 متر مستخدمه نفس تقنيات النبضات الصوتية الموضحة فى تمهيد هذا الفصل

Pingers

يستخدم ذلك الجهاز ترددات عالية تتراوح بين 3.5 – 7 KHz تستطيع تلك النبضات النفاذ داخل قاع البحر حتى 50 مترا ويستطيع الكشف عن رواسب يصل سمك طبقاتها إلى 30 سنتيمترا فقط

Boomers

يستخدم ذلك الجهاز ترددات متوسطة تتراوح بين 500 Hz – 5 KHz تستطيع تلك النبضات النفاذ داخل قاع البحر حتى 100 مترا ويستطيع الكشف عن رواسب يصل سمك طبقاتها إلى متر واحد فقط

Sparkers

تمتاز هذه الأجهزة بقدرتها على توليد موجات تستطيع اختراق قاع البحر حتى ألف متر ولكن هناك قيود كثيرة على استخدامها حاليا نظراً لما تسببه من أضرار بليغة للثدييات البحرية

رابعا- مركبات التحكم عن بعد Remotely Operated Vehicles

اصطلح على تسمية تلك المركبات اختصارا ROV وهى مركبات تدار آليا عن بعد حيث يكون قائدها Pilot موجود على سطح السفينة بينما يتم إنزال المركبة إلى الماء ولأعماق كبيرة تصل إلى 4000 متر ويكون التحكم فيها بواسطة كابل طويل Umbilical يصل بينها وبين وحدة التحكم على السطح ، ومن خلال هذا الكابل يتم تزويد محركاتها - التى تشبه رفاصات السفن - بالطاقة الكهربية التى تتيح لها حرية الحركة الكاملة تحت الماء وبالطبع تزود بكاميرات ومصابيح تعمل تحت الماء وأيضا أنظمة السونار التى تساعدها على تخطى العوائق حتى يتسنى لقائدها التحكم بها ، كما أنه يمكن تزويدها بالعديد من مجسات ومعدات المساحة مثلside scan sonar/multi beam echo sounder وغيرها

والحقيقة فإن تصميم هذه الآلات شديد التعقيد حيث استوحى المصممون الأوائل تلك الفكرة من مركبات الفضاء ذاتية الحركة robots التى ابتكرتها وكالة أبحاث الفضاء الأمريكية ناسا وإن كانت فكرة إنزال معدات بحرية ذاتية الحركة للأعماق السحيقة كان حلما رواد الكثيرين ممن يعملون فى علوم البحار والمحيطات والتعدين البحرى وذلك لسبر أغوار البحار أملا فى استخراج المزيد من المعادن من المياه العميقة

وقد ظهرت أول النظم من تلك المركبات تجاريا عام 1970 ومنذ الثمانينيات بدأت تشارك تلك المركبات فى عمليات المساحة البحرية والحفر و إنزال الخطوط والكابلات البحرية وغيرها من أنشطة صناعة إنتاج البترول من البحر
وقد أدى نفاذ معظم الحقول البترولية البحرية فى المياه الضحلة فى أجزاء كثيرة من العالم إلى تزايد الطلب على هذه الأجهزة للعمل فى أعماق كبيرة لا يستطيع الجسم البشرى تحملها (من المعروف أن أقصى عمق يتحمله الجسم البشرى لا يزيد عن 150 مترا)
وفى الصورة التالية شكل يوضح ROV أثناء عملية مسح لخط بترول بحرى فيما يسمى As-Built Survey

خامسا – الحاسبات الآلية ومعالجة البيانات Processing

لا يخفى على أحد الدور الكبير الذى تلعبه الحواسيب فى حياتنا اليوم .. هذا الدور يظهر جليا فى المساحة البحرية حيث الحاجة لجمع وتسجيل كميات هائلة من المعلومات آنيا للعديد من الأجهزة والمجسات Sensors التى تبث بياناتها فى نفس الوقت والتى تصل أحيانا فى بعض العمليات إلى أكثر من 12 جهاز ، وبالطبع يستحيل عمليا معالجة هذا الكم الهائل من المعلومات فى وقت يتناسب مع الهدف من المشروع ولتقليل تكلفته وهو الهدف الأعظم الذى تحرص عليه أي مؤسسة .. لذا ظهرت العديد من البرامج المساحية المتطورة التجارية التى تخدم هذا الغرض

[الورده البيضاء]

تسلم ايدك يابشمهندس انا لية الشرف انى ابقى اول رد عالموضوع
جزاك الله كل خير وبار ك الله فيك يارب

[Mohamed Hashem]

تسلمى يا ايمى وربنا يخليكى دايما مشجعانى
الموضوع فعلا لسه عامله النهارده
يارب تكونى استفدتى منه ... هل واضح الشرح ؟ ولا الاختصار شديد ؟
وهل قرأتى الفصل الأول ؟ ضرورى لفهم سياق الموضوع
عموما دا ان شاء الله اللى حادخل بيه مسابقة أبدع وربنا يسهل
غدا ان شاء الله اضع الفصل الثالث والأخير
شكرا مرة تانية سعيد جدا بمرورك دايما مشرفانى

[الورده البيضاء]

الشرح واضح جدا يابشمهندس وانشاء الله جائزة اولى لحضرتك
واوعد حضرتك انى اقرا الفصل الاول ومنتظرة الفصل الثالث بكرة باذن الله
وجزاك الله كل خير وتوكل على الله وانشاء الله ربنا معاك فى المسابقة وحضرتك تستاهل كل خير

[Mohamed Hashem]

ربنا يكرمك يارب
دايما رافعة معنوياتى
وشكرا جدا لتمنياتك الرقيقة

[AYMAN GAMAL]

شكرا جزيلا ليك يا بشمهندس

الجزء التاني رائع جدا و عجبتني فكرة المسح المروحي بتوفر الوقت و الجهد و التكلفة اكيد

جزاك الله كل خير و بشكرك على عنصر الترتيب و التنظيم الرائع لتبسيط الشرح

[Mohamed Hashem]

والله انت كلك ذوق
شكرا يا جميل
مرورك شرفنى ودايما بيسعدنى

[محمد الفرارجي]

طب واحد سؤاليشن دا بعد اذنك
مفيش الملف ده بي دي اف؟
خصوصا انه علمي وعملي في نفس الوقت

والله بادخل مواضيعك وانا مغمض
ممتاااااااااااااااااااز
وجزاك الله كل خير

[Mohamed Hashem]

طب واحد سؤاليشن دا بعد اذنك
مفيش الملف ده بي دي اف؟
خصوصا انه علمي وعملي في نفس الوقت

والله بادخل مواضيعك وانا مغمض
ممتاااااااااااااااااااز
وجزاك الله كل خير

سؤال واحد بس .. قول 100 سؤال
روح يا سيدى على قسم مسابقة أبدع حتلاقينى مشترك بنفس الموضوع هناك وحاطط
الثلاث فصول فى ملف واحد بى دى اف و طبعا التنسيق افضل وزياده عليه كمان photo gallery
اى خدمه يا سيدى بس انت خش وتأمر تطاع
مرورك اسعدنى وكلماتك مشجعة