تكنولوجيا ما تحت سطح البحر

تشمل تكنولوجيا ما تحت سطح البحر المعدات والعمليات والتطبيقات المغمورة بالكامل في المحيط، لا سيما على مسافة معينة من الشاطئ، أو في أعماق المحيط، أو على قاع البحر. ويُستخدم مصطلح " ما تحت سطح البحر" بشكل متكرر في سياق علم المحيطات ، والهندسة البحرية ، واستكشاف المحيطات ، والمركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد (ROVs) ، والمركبات المستقلة تحت الماء (AUVs)، وكابلات الاتصالات أو الطاقة تحت الماء ، والموائل تحت الماء ، وتعدين المعادن في قاع البحر ، والنفط والغاز ، وطاقة الرياح البحرية .

توجد حقول النفط والغاز تحت العديد من المياه الداخلية والمناطق البحرية حول العالم، وفي صناعة النفط والغاز، يشير مصطلح " تحت سطح البحر" إلى استكشاف وحفر وتطوير حقول النفط والغاز في هذه المواقع تحت الماء. ^{[ 1 ]} ويُشار إلى حقول ومنشآت النفط تحت الماء عمومًا باستخدام بادئة " تحت سطح البحر "، مثل بئر تحت سطح البحر ، وحقل تحت سطح البحر ، ومشروع تحت سطح البحر ، وتطويرات تحت سطح البحر.

عادةً ما تُقسّم مشاريع تطوير حقول النفط تحت سطح البحر إلى فئتين: المياه الضحلة والمياه العميقة ، وذلك للتمييز بين مختلف المرافق والأساليب المطلوبة. يُستخدم مصطلح "المياه الضحلة" أو "الجرف القاري" للإشارة إلى المياه الضحلة جدًا حيث يمكن استخدام مرافق مثبتة في القاع، مثل منصات الحفر ذاتية الرفع والهياكل البحرية الثابتة ، وحيث يكون الغوص التشبعي ممكنًا. أما مصطلح "المياه العميقة " فيُستخدم غالبًا للإشارة إلى المشاريع البحرية الواقعة في أعماق تزيد عن 180 مترًا تقريبًا ، ^{[ 2 ]} حيث تُستخدم سفن الحفر العائمة ومنصات النفط العائمة ، وتُعدّ المركبات تحت الماء التي تُشغّل عن بُعد ضرورية نظرًا لعدم جدوى الغوص المأهول. 

يمكن تتبع عمليات إكمال الآبار تحت سطح البحر إلى عام 1943 مع إكمال بئر بحيرة إيري على عمق 11 مترًا (35 قدمًا) . احتوت البئر على شجرة ضخ أرضية استلزمت تدخل غواصين لتركيبها وصيانتها وتوصيل خطوط التدفق. ^{[ 3 ]} أكملت شركة شل أول بئر تحت سطح البحر في خليج المكسيك عام 1961. ^{[ 4 ]}  

الأنظمة

تتفاوت أنظمة إنتاج النفط تحت سطح البحر في درجة تعقيدها، بدءًا من بئر فرعية واحدة متصلة بخط تدفق إلى منصة ثابتة أو وحدة إنتاج وتخزين وتفريغ عائمة أو منشأة برية، وصولًا إلى عدة آبار على قاعدة أو مجمعة حول مشعب، ثم نقلها إلى منشأة ثابتة أو عائمة، أو مباشرة إلى منشأة برية. ^{[ 5 ]}

يمكن استخدام أنظمة الإنتاج تحت سطح البحر لتطوير المكامن، أو أجزاء منها، والتي تتطلب حفر الآبار من أكثر من موقع. كما أن ظروف المياه العميقة، أو حتى المياه فائقة العمق، قد تفرض بطبيعتها تطوير الحقل باستخدام نظام إنتاج تحت سطح البحر، حيث قد تكون المنشآت السطحية التقليدية، مثل تلك الموجودة على منصات فولاذية، غير مجدية تقنيًا أو غير اقتصادية بسبب عمق المياه. ^{[ 5 ]}

يتطلب تطوير حقول النفط والغاز تحت سطح البحر معدات متخصصة. يجب أن تكون هذه المعدات موثوقة بما يكفي لحماية البيئة وجعل استغلال الهيدروكربونات تحت سطح البحر مجديًا اقتصاديًا. يتطلب نشر هذه المعدات سفنًا متخصصة ومكلفة، مزودة بمعدات غوص للعمل على المعدات الضحلة نسبيًا (أي على عمق لا يتجاوز بضع مئات من الأقدام) ومعدات آلية للعمل على أعماق أكبر. لذا، فإن أي حاجة لإصلاح أو صيانة المعدات المثبتة تحت سطح البحر تكون مكلفة للغاية في العادة. قد يؤدي هذا النوع من النفقات إلى فشل مشروع تطوير الحقول تحت سطح البحر اقتصاديًا.

تُعدّ تقنيات ما تحت سطح البحر في إنتاج النفط والغاز البحري مجالًا تطبيقيًا شديد التخصص، يتطلب مهارات هندسية ومحاكاة دقيقة. تقع معظم حقول النفط الجديدة في المياه العميقة، ويُشار إليها عمومًا باسم أنظمة المياه العميقة. ويفرض تطوير هذه الحقول متطلبات صارمة للتحقق من وظائف الأنظمة المختلفة ومدى توافقها مع المتطلبات والمواصفات الحالية. ويعود ذلك إلى التكاليف الباهظة والوقت الطويل اللازم لتغيير نظام قائم، نظرًا للحاجة إلى سفن متخصصة مزودة بمعدات متطورة. ولا يُوفر اختبار التكامل النظامي (SIT) على نطاق واسع تحققًا كافيًا من أنظمة المياه العميقة، إذ لا يُمكن إجراؤه عمليًا في ظروف مماثلة لتلك التي سيعمل النظام في ظلها لاحقًا. ولذلك، اعتمدت صناعة النفط تقنيات البيانات الحديثة كأداة للاختبار الافتراضي لأنظمة المياه العميقة، مما يُتيح اكتشاف الأعطال المكلفة في مرحلة مبكرة من المشروع. وباستخدام أدوات المحاكاة الحديثة، يُمكن إنشاء نماذج لأنظمة المياه العميقة واستخدامها للتحقق من وظائف النظام وخصائصه الديناميكية، وفقًا لمواصفات المتطلبات المختلفة. يشمل ذلك تطوير نماذج مبتكرة لمحطات وأنظمة عالية التقنية لاستغلال وإنتاج موارد الطاقة بطريقة صديقة للبيئة، بالإضافة إلى تحليل وتقييم السلوك الديناميكي للمكونات والأنظمة المستخدمة في إنتاج وتوزيع النفط والغاز. كما يشمل اختبارًا افتراضيًا فوريًا لأنظمة الإنتاج والحفر تحت سطح البحر، والإمداد فوق سطح البحر، والرصد الزلزالي، ومعدات الإنشاء تحت سطح البحر، ومعدات قياس ومراقبة العمليات تحت سطح البحر.

تستخدم البنية التحتية لنقل الطاقة لطاقة الرياح البحرية مجموعة متنوعة من التقنيات تحت سطح البحر لتركيب وصيانة كابلات نقل الطاقة البحرية وغيرها من معدات الطاقة الكهربائية. ^{[ 6 ]} بالإضافة إلى ذلك، تخضع قواعد الركائز الأحادية لتوربينات الرياح ذات القاع الثابت، وهياكل التثبيت والكابلات لتوربينات الرياح العائمة، لفحوصات دورية باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات البحرية تحت سطح البحر.

أدت التطورات التكنولوجية الحديثة إلى استخدام المركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد (ROVs) لجمع عينات معدنية من مواقع التعدين المحتملة . وباستخدام المثاقب وأدوات القطع الأخرى، تحصل هذه المركبات على عينات لتحليلها بحثًا عن المعادن المطلوبة. وبمجرد تحديد الموقع، يتم إنشاء سفينة أو محطة تعدين لاستخراج المعادن من المنطقة. ^{[ 7 ]}

يُعدّ استخراج المعادن من رواسب الكبريتيد الضخمة في قاع البحر (التي سُمّيت بهذا الاسم نسبةً إلى جزيئات الكبريتيد، وليس حجم الرواسب) صناعةً ناميةً في مجال تعدين المعادن تحت سطح البحر . وقد بدأت شركة نوتيلوس مينيرالز في تأسيس هذه الصناعة الجديدة من خلال التنقيب التجاري، وكانت تخطط في المستقبل لاستخراج النحاس والذهب والفضة والزنك في مشروع سولوارا 1. وكان من المقرر أن يبدأ المشروع عملياته على عمق 1.6 كيلومتر (ميل واحد ) تحت سطح المحيط في بحر بسمارك بالقرب من بابوا غينيا الجديدة . ولو اكتملت عملياته بالكامل، لكان أول مشروع تعدين تجاري في أعماق البحار في العالم . ^{[ 8 ]} وكان من المتوقع أن يبدأ الإنتاج في عام 2017، لكن الشركة أفلست في عام 2019 بعد فشلها في تأمين التمويل اللازم للمشروع. 

المركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد (ROVs) هي معدات آلية تُشغَّل عن بُعد لأداء مهام في قاع البحر. وتتوفر هذه المركبات بمجموعة واسعة من القدرات الوظيفية والتعقيدات، بدءًا من أجهزة الكاميرا البسيطة وصولًا إلى الآلات متعددة الأذرع التي تتطلب عدة مشغلين لتشغيلها أو "توجيهها".

تشمل المعدات الاحترافية الأخرى المستخدمة في تركيب كابلات الاتصالات تحت سطح البحر مركبات مصممة خصيصًا، وصنادل معيارية، ومضخات مياه، بالإضافة إلى معدات دعم الغوص وغيرها من الملحقات اللازمة لإجراء عمليات التركيب بسلاسة في أعماق البحار وبالقرب من الشواطئ والأنهار والبحيرات. يوجد عدد قليل من الشركات المتخصصة في العالم التي تمتلك وتشغل هذه المعدات وتنفذ عملياتها على مستوى العالم بنظام تسليم المفتاح.

تُعدّ تقنيات الطاقة تحت سطح البحر موضوعًا للدراسة باستخدام عدد من الاستراتيجيات التقنية، لم يُسوّق أيٌّ منها تجاريًا بعد ليصبح منتجًا قابلاً للتطبيق أو صناعة طاقة جديدة. تشمل مصادر الطاقة قيد الدراسة إنتاج الطاقة على نطاق واسع من تيارات المحيط، مثل التيارات السريعة الموجودة في المياه بين مضيق فلوريدا ورأس هاتيراس. وتجري أبحاث ومشاريع لتطوير تقنيات استخلاص الطاقة من الفتحات الحرارية المائية لتوفير الطاقة لأجهزة أبحاث المحيطات تحت سطح البحر، وتطوير تقنيات إعادة شحن المركبات ذاتية القيادة، وأنظمة استشعار قاع البحر، وتطبيقات البحث البيئي. وتشمل دراسات أخرى استخلاص الطاقة من اختلافات درجات الحرارة التي تحدث مع اختلاف أعماق المحيط، وخلايا الوقود الميكروبية التي تُنتج الطاقة من الكائنات الحية في رواسب قاع المحيط.

تقتصر الطرق الحالية لتوفير الطاقة للتطبيقات الكهربائية في قيعان البحار البحرية على استخدام البطاريات، أو الطاقة التي يتم توفيرها من المولدات الموجودة على السفن أو المنصات المزودة بمولدات تعمل بالوقود الأحفوري، أو بالنسبة لمتطلبات الطاقة المنخفضة، عوامات حصاد طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو طاقة الأمواج.

يشارك عدد من الجمعيات المهنية والهيئات التجارية في صناعة ما تحت سطح البحر حول العالم. وتشمل هذه المجموعات ما يلي:

• جمعية هندسة ما تحت سطح البحر
• جمعية تكنولوجيا ما تحت الماء
• جوائز مشاريع تحت سطح البحر
• المركز العالمي للغوص تحت الماء
• وادي تحت سطح البحر: أكبر تجمع أعمال لتكنولوجيا تحت سطح البحر.
• جمعية مهندسي البترول
• المعهد الأمريكي للبترول (API)
• الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME)
• الرابطة الوطنية لمهندسي التآكل (NACE)
• الرابطة الدولية لمقاولي الأعمال البحرية (IMCA)

تُشرف الهيئات الحكومية على تطبيق اللوائح في مياهها الإقليمية حول العالم. ومن أمثلة هذه الهيئات: دائرة إدارة المعادن (MMS، الولايات المتحدة الأمريكية)، وهيئة البترول النرويجية (NPD، النرويج)، وهيئة الصحة والسلامة المهنية (HSE، المملكة المتحدة). تتولى دائرة إدارة المعادن إدارة الموارد المعدنية في الولايات المتحدة (وفقًا لقانون اللوائح الفيدرالية (CFR))، وتُشرف على جميع موارد الطاقة المتجددة والمعادن تحت سطح البحر في الولايات المتحدة .

• شجرة عيد الميلاد (بئر نفط)
• قائمة مزارع الرياح البحرية
• الهندسة البحرية
• هندسة المحيطات
• الهندسة الجيوتقنية البحرية
• بئر نفط
• تعويض الرفع السلبي
• خط أنابيب تحت سطح البحر
• نظام الإنتاج تحت سطح البحر
• رأس البئر