Intelligent monitoring of drilling operations in sensitive environments (INDORSE)

Kontrollerte utslipp av borekaks og slam til havet er en nødvendig ulempe ved boring etter petroleum til havs. Det er viktig å minimere risikoen for skade på sensitive arter, eksempelvis kaldtvannskoraller og svamp, som kan bli eksponert for materialet som slippes ut. Overvåking av hvordan materialet transporteres i vannkolonnen og sedimenterer på havbunnen, er nødvendig for fortløpende å vurdere miljøkonsekvensene av denne typen operasjoner. Strømvarsler og matematiske transportmodeller spiller en viktig rolle i miljøovervåking, og sanntidsmålinger er nødvendig for å korrigere for avvik i modellene. Faste sensorinstallasjoner er kostbare å plassere ut og vedlikeholde, og gir bare målinger på faste punkt eller profiler for variabler som vannstrøm, partikkeltetthet og størrelsesfordeling. I de senere årene har autonome undervannsfarkoster (AUVer) blitt et godt alternativ, blant annet ved at de gir mulighet for adaptive målinger, hvor enhetene kontinuerlig beveger seg mot stedene hvor de viktigste målepunktene finnes. INDORSE-prosjektet har hatt som ambisjon å utvikle kunnskapen vi har om bruk av AUVer for intelligent måling av partikkelfordelinger i vannet. Hovedmålsettingen for prosjektet var å utvikle kunnskap og teknologi for nær sanntids og kostnadseffektiv overvåkning av partikkelspredning under boreoperasjoner. Delmålene har vært å analysere romlig og tidsmessig dynamikk i partikkelspredning, å finne en god balanse mellom autonomi og kommunikasjon under AUV-operasjoner, å demonstrere viktige deler av systemet i felt, og å utdanne en PhD samt publisere forskningsresultater i internasjonale tidsskrift. Vi har etablert systemer for å holde havmodellen SINMOD og partikkeltransportmodellen DREAM kjørende operasjonelt. Det innebærer at det gjøres daglige modellkjøringer som benytter de mest oppdaterte dataene tilgjengelig fra for eksempel Meteorologisk Institutt. Modellene ble satt opp til å gi en varsling ca 48 timer frem i tid, og dette systemet ble kjørt i forkant av, og under, to feltarbeider i 2018 og 2020. Feltarbeidene ble utført i Frænfjorden, der det finnes et aktivt deponi for mineralpartiler. Frænfjorden ble valgt på grunn av skjermede forhold, nærhet til Trondheim, og fordi området og deponiet er kjent for oss fra tidligere prosjekter. Prosjektet har også bidratt til å finansiere arbeid på assimilering av måledata inn i SINMOD, og videreutvikling av partikkeltransport-algoritmer. Modellresultater fra SINMOD og DREAM ble videre brukt til å etablere og trene en gaussisk modell for romlig oppløst partikkelkonsentrasjon i Frænfjorden. Denne modellen ble så brukt som en del av styringsalgoritmen på en AUV under feltarbeidene. Det ble også gjort målinger av signalstyrke ved akustisk kommunikasjon mellom AUV og modem, og disse dataene ble brukt til videreutvikling av en modell for å predikere signalstyrke ut fra hydrografi (temperatur- og salinitetsprofiler, som påvirker hvordan de akustiske signalene brer seg i vannet). Vi har demonstrert at det er mulig å sette opp et koblet modellsystem av havmodell og partikkeltransportmodell, som kan kjøre operasjonelt. Når denne modellkjeden fores med inngangsdata fra værvarslingen kan systemet brukes til å gi en varsling av partikkelkonsentrasjoner 1-2 dager frem i tid. Videre har vi demonstrert bruk av modelldata fra havmodell og partikkeltransportmodell til å trene en gaussisk modell, som igjen har vært brukt til autonom planlegging av rute og måleserier ombord på en AUV. Prosjektet har så langt helt eller delvis finansiert tre tidsskkriftartikler, ett bokkapittel og en konferanseartikkel. Ytterligere 3-4 artikler er under arbeid, og forventes innsendt i 2021 eller tidlig 2022. PhD-kandidaten startet i august 2017, og gjennomfører en 4-årig PhD med 25% undervisning, der det ekstra året er finansiert av NTNU. Disputas er planlagt i første halvdel av 2022. AUVer utgjør et verktøy for marin overvåkning som er i ferd med å bli billigere og mer tilgjengelig. Prosjektet har vært med å utvikle kunnskap om autonom ruteplanlegging og måling av partikkel konsentrasjoner med AUV. Dette har anvendelser for overvåkning av mineralpartikkelkonsentrasjoner, for eksempel i forbindelse med petroleumsboring eller gruveaktivitet, men også innen f.eks. marinbiologi. Det er ved NTNU nå flere grupper som jobber med autonom ruteplanlegging for AUVer, med ulike formål. Modellutvikling for partikkeltransport, samt måledata fra de to feltarbeidene er med på å forbedre SINTEF Oceans modell DREAM, som brukes aktivt av petroleumsindustrien for modellering av partikkelspredning fra boreoperasjoner. Resultater fra dette prosjektet vil også bli brukt i eventuelle fremtidige prosjekter som ser på miljøeffekter av mineralutvinning (både landbasert utvinning med deponi i havet, og utvinning på dypt vann).

Arbeidet på ruteplanlegging er en viktig del av å gjøre AUVer til et anvendelig verktøy for miljøovervåkning. På sikt kan dette bli en standard prosedyre som kan stilles som krav i utslippstillatelser, for eksempel i mineralindustrien. Fordelen med en AUV er at den kan måle kontinuerlig (den må naturligvis lade batteriene, men f.eks. daglige måleserier er mulig), og den kan måle over større områder, og selv avgjøre hvor målingene bør tas for å redusere usikkerheten mest mulig. Slik sett er AUVen potensielt overlegen både manuelle kartlegginger, som typisk vil gjøres sjelden, og fastmonterte bøyer, som kun måler i et punkt eller en profil. Prosjektet har også bidratt til modellutvikling, samt gjort målinger i felt som vil bidra til fremtidig utvikling, innen modellering av spredning av mineralpartikler i havet. Dette gjør oss i stand til å gi mer realistiske prediksjoner av miljøeffektene av f.eks. petroleumsboring eller deponi av gruveavgang.

Petroleum well drilling activity on the Norwegian continental shelf is expected to remain high in the coming years, but there are concerns regarding the environmental impact of the discharge of drill cuttings and mud on sensitive species like cold-water coral reefs and sponges. For sensitive areas, the Norwegian Environment Agency recommends both dispersion modelling in the planning phase, and monitoring of sedimentation, turbidity and other variables in the execution phase. Effective monitoring will allow adjustments to be made during operations when required in order to reduce the risk of harm to the environment. The INDORSE project focuses on the spatial and temporal dynamics of particle dispersal from oil drilling, and methods and technology for observing the system. To adequately sample the local environment, this project calls for a swarm of autonomous mobile measurement platforms (AUVs) equipped with sensors measuring current, hydrography and suspended particle content utilizing adaptive sampling strategies. The interaction between the AUVs and the decision support system requires acoustic communication. INDORSE aims to achieve its objectives through 1) analysing the dynamics of the dispersal of drill cuttings and how to observe it, 2) utilizing state-of-the-art mathematical models of the process, 3) analysing the feasibility and quality of acoustic communication between AUVs and installations, and 4) developing, testing and demonstrating key elements of the monitoring system. The project will employ a PhD student who will make important contributions advancing our knowledge of the system dynamics, and establishing the requirements for the observation system. The impact of the project will be important steps towards high precision monitoring and forecasting of environmental risk of maritime operations in sensitive environments. This will lead to reduced environmental impact of offshore operations.