автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Гидротехнические сооружения для освоения нефтегазовых ресурсов мелководного шельфа замерзающих морей

РГБ ОД

2 2 МАЙ

На правах рукописи

МИРЗОЕВ Дилижан Аллахверди оглы

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ РЕСУРСОВ МЕЛКОВОДНОГО ШЕЛЬФА ЗАМЕРЗАЮЩИХ МОРЕЙ

Специальность 05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам освоения ресурсов нефти и газа континентального шельфа (ВНИПИморнефтегаз).

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Захаров Е. В., доктор технических наук, профессор Лаппо Д. Д., доктор технических наук, профессор Смирнов Г. Н.

Ведущее предприятие — Акционерное общество «Россин-' екая компания по освоению шельфа» (А/О «Росшельф»).

Защита состоится « 20 » июня 1995 г. в 15 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.053.11.04 при Московском государственном строительном университете (МГСУ) по адресу: Москва, Спартаковская ул., д. 2, ауд. № 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по автореферату по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ученый совет МГСУ.

Автореферат разослан « » . 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Аршеневский Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последние 20-30 лет суммарная доля нефти и газа в мировом балансе потребления энергоносителей составляет более 70%. Из-за высоких экологических требований общественности, предъявляемых к строительству и эксплуатации атомных, тепловых и гидро- электростанций, эта доля в будущем должна еще больше возрасти. Для удовлетворения растущих потребностей необходимо наращивание объемов добычи нефти и газа, однако уже в настоящее время нефтегазовая промышленность мира сталкивается с определенными трудностями: истощением запасов, открытием новых месторождений во все более труднодоступных регионах, необходимостью применения вторичных и третичных методов добычи и др. Поэтому мировая нефтяная и газовая промышленность встала перед неизбежностью поиска, разведки, обустройства и эксплуатации месторождений континентального шельфа. В настоящее время доля морской нефти, добываемой 45 странами, в мировом объеме добычи уже превысила 28% и в перспективе, примерно к 2000 и 2020 гг., должна возрасти до 45-50%.

В общей площади континентального шельфа Мирового Океана площадь шельфа Российской Федерации составляет почти 22%, 70% которой являются перспективными.'-на нефть и газ. Основная часть российского шельфа приходится на замерзающие моря с тяжелым ледовым режимом и слабо развитой береговой инфраструктурой (арктические и дальневосточные). Геологические данные о нефтегазоносности показывает, что около 40% начальных суммарных ресурсов углеводородов шельфа России сосредоточены в его мелководных зонах. ..-'■'

На мелководных акваториях замерзающих морей для бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин используются преимущественно ледостойкие платформы, платформы кессонного типа и грунтовые острова, а для бурения поисково-разведочных скважин - ледяные острова. Сроки строительства сооружений для бурения и эксплуатации нефтегазовых скважин могут достигать 5 лет, а капитальные затраты на их строительство - несколько миллиардов (в ценах 01.01.94 г.) рублей на одно сооружение. Это эбуславливает повышенные требования к надежности, выполнение которых зудет зависеть в существенной мере от степени изученности ледового режима I физико-механических свойств морского льда и достоверности методов щенки величины ледовых нагрузок, а в отношении ледяных островов еще и от иличия апробированных технологий намораживания искусственного льда и ювых технических решений по конструкциям ледяных островных сооружений.

Кроме того, отсутствует научно-обоснованная концепция развития работ по ' освоению углеводородных ресуросов шельфа, vio затрудняет возможность определения приоритетных направлений научных исследований, позволяющих создать нормативную базу для проектирования нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений, которые обеспечат техническую доступность перспективных углеводородных участков мелководного шельфа.

Целью диссертационной работы является:

- совершенствование методов расчета ледовых нагрузок на морские ледосгойхие пиротехнические сооружения н их конструктивных решений; •: • •

- разработка технологии намораживания ледяных островных сооружений для разведочного бурения на мелководных акваториях аркппеааа морей;

' создание методических основ разработки концепции освоения ресурсов нефти и газа континентального шельфа.

Результаты диссертационной работы позволяют создать нормативную базу проектирования морских нефтегазопромысловых ледостойких гидротехнических сооружений доя освоения углеводородных ресурсов мелководной часта арктического шельфа.

Поставленная цель достигается путем анализа известных результатов исследований и решением следующего рада задач:

1. Проведение натурных исследований гидрометеорологического режима и разработка методов ведения буровых и эксплуатационных работ d условиях морей с умеренным ледовым режимом (Азовское море).

2. Обобщение известных теоретических решений и натурные экспериментальные исследования коэффициента местного смятия (К) ври соотношениях ширины опор (Ъ) к толщине льда (h) меньше единицы, т.е. при b/h < 1. '

3. Разработка метода расчета нагрузок на ледостойкие сооружения кессонного типа гр:» боздейстсни ледовых нагромождений.

4. Разработка технологий намораживания ледяных островов путем проведения натурных экспериментов по их строительству в условиях Карского моря. .

5. Разработка методов расчета высоты подъема и временя падения капель на поверхность намораживания ледовых островов путем проведения натурных экспериментов по их сгромюпслву в условиях Карского моря.

б. Создание методических основ разработки концепции освоения ресурсов нефти и газа шельфа, позволяющей определить приоритетные направления развития морских кефтегазопромысловых гидротехнических сооружений с учетом природных условий нефтегазоносных участков шельфа.

Перечисленные задачи являются элементами создаваемой нормативной базы, позволяющей проектировать ледостойкие гидротехнические сооружения для освоения мелководной части замерзающих морей.

Методика исследования включает:

- изучение отечественного и зарубежного патентного фонда и специальной литературы по вопросам проектирования и эксплуатации гседостойких сооружений в условиях мелководного шельфа Арктики;

- проведение специальных натурных экспериментальных исследований ледового режима, физико-механических свойств льда и ледовых нагрузок, а гакже обобщение результатов и сравнение их с ранее известными теоретическими и экспериментальными данными;

-разработку Теоретических моделей, характеризующих воздействие тедовьос нагромождений на ледостойкие сооружения кессонного типа;

- теоретическое и натурное экспериментальное исследование технологии юмораживания ледяных островов в условиях Карского моря.

Научная иог.-.пид полученных результатов заключается в следующем:

- впервые в отечественной практике разработана и апробирована в гатурных экспериментах, выполненных при строительстве экспериментального ¡ооружения в условиях: Карского: моря, • технология • намораживания ледяных эстровов в зависимости от температурного режима окружающей среды и •.оленостя воды.подучена анатггическая зависимость определения высоты юдьема И времени, падения капель на поверхность намораживания с' учетом деханики распространения струи и водно-ледяного облака в потоке воздуха, газволягощая . выбрать . оптимальный режим набрызга. Разработаны ехнические . и технологические решения, защищенные авторскими ¡видетельствами, обеспечивающие прочность и устойчивость ледяных островов, а также эффективные способы их строительства;

- впервые выполнены комплексные натурные исследования иДрометеорологического режим- и физико-мехаиичееких свойств морского ьда, а также взаимодействия ледяных полей с опорами морских [ефтегазопромьссловых ледостойких гидротсхннчесюгх сооружений в течение сего зимнего сезона в районах газовых месторождений Бейсугского лимана

. Азовского моря. Результаты исследований позволили сформулировать рекомендации и начать проектирование ледостойких сооружений для освоения этих месторождений;

- разработана математическая модель взаимодействия ледяных нагромождений и ледостойких сооружений кессонного типа, получены зависимости по расчету возникающих при этом ледовых нагрузок;

-на основании теоретических и крупномасштабных натурных экспериментальных исследований получена зависимость по определению коэффициента местного смятия льда при Ь/Ь < 1 и установлены связи между ледово-гидрометеорологическим режимом и способами проведения буровых и эксплуатационных работ;

- созданы методические основы разработки концепции освоения углеводородных ресурсов шельфа, позволяющие определить приоритетные направления развития морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений с учетом природно-климатических условий предполагаемых к освоению нефтегазоносных зон шельфа Российской Федерации. Установлены рациональные границы применений островных сооружений в мелководных зонах замерзающих морей;

- на основании обобщения исследований с учетом ранее известных решений впервые сформулированы отдельные Положения СНиПов и ведомственных нормативных документов по проектированию морских нефгсгазопромысловых ледостойких гидротехнических сооружений.

На зашнту выносятся;

- результаты натурных экспериментальных исследований ледово-гидрометеорологического режима Азовского моря, позволившие разработать конструкции ледостойких платформ и выбрать метод проведения буровых и эксплуатационных работ в условиях мелководного шельфа;

- эмпирические расчетные зависимости для определения коэффициента местного смятия в области Ь/Ь < 1;

- результаты натурных экспериментальных исследований физико-механических свойств льда и взаимодействия опор ледостойких сооружгчий с ледяными покровами в условиях Бейсугского лимана Азовского моря;

- методика определения величин нагрузок на опоры большого диаметра и острова, возникающих при воздействии ледяных нагромождений;

- конструкции ледяных островных сооружений и способы, ускоряющие процесс строительства, обеспечивающие прочность и устойчивость ;

- расчетные зависимости по определению высоты поъема и времени падения водяных капель на поверхность намораживания ледяных островов с учетом механики распространения струи и водно-ледяного облака в потоке воздуха, позволяющие выбрать оптимальный режим набрызга;

- технология намораживания ледяных островных сооружений для освоения замерзающего мелководного шельфа;

- результаты натурных экспериментальных исследований физико-механических свойств искусственно намороженных и естественных припайных льдов, выполненных в условиях морской части Харасавэйского газового месторождения Карского моря;

- методические основы разработки концепции освоения ресурсов нефти и газа, позволяющие определить приоритетные направления развития морских кефтегазопромысловых гидротехнических сооружений с учетом геолого-природных условий нефтегазоносных зон континентального шельфа;

- классификационные характеристики МНГС, их конструктивные решения и особенности эксплуатации.

Практическая ченность работы.

В результате натурных экспериментальных исследований впервые сформулированы рекомендации по выбору исходных гидрометеорологических характеристик и физико-механических свойств льда для проектирования ледостойких сооружений. Получена зависимость для определения коэффициента местного смятия, использованная при проектировании сооружений для условий Бейсугского лимана.

Разработанна технология- намораживания ледяных островов, позволяющая создать ледяные сооружения для проведений поисково-разведочных работ в мелководных условиях арктических морей.

Созданы методические основы разработки концепции освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа, с помощью которых возможно разрабатывать долгосрочные программы проведения поисково-разведочных и эксплуатационных работ в условиях Российского шельфа.

Основные положения диссертационной работы использованы при разработке СНиПов и ведомственных нормативных документов, регламентирующих проектирование ледостойких сооружений континентального шельфа.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов диссертационной работы базируется на:

- исследовании физико-механических свойств льда и широком комплексе работ по физическому моделированию взаимодействия опор

ледостойких сооружений и ледяных полей в натурных условиях Азовского и Карского морей;

- опробовании предложенной технологии намораживания ледяных островов при строительстве экспериментального сооружения на морской части Харасавэйского газового месторождения Карского моря;

-результатах натурных экспериментов, проводимых во время намораживания ледяного острова в условиях Карского моря, совпадающих с данными исследований в условиях моря Бофорта. ¡Реализация рзЕотм.

Реализация результатов диссертационной работы осуществлена в ввде расчетных, конструктивных, технологических . и классификационных рекомендаций во Всесоюзные и ведомственные строительные нормы:

-Строительные нормы и правила. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования (СНиП 2.06.01-86);

- Ведомственные строительные нормы. Проектирование ледостойких стационарных платформ (ВСН 51-88);

- Пособие по проектированию ледостойких стационарных платформ (к ВСН 41.88) Часть 1. М. - 1990;

- Ведомственный руководящий документ "Указания по проектированию искусственных островных сооружений" (РД 39-ИОС91). М. -1991;

- Временные рекомендации по выбору предела прочности ледовых нагрузок на опоры морских гидропромысловых сооружений в БеЙсугском лимане. Приняты в банк данных Росгидромета и опубликованы в официальном справочнике "Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР (Черное и Азовское моря)", (Гвдрометеоиздат, Л., 1987 г.).

Методика разработки концепции освоения ресурсов нефти и газа континентального шельфа использована институтами ВНИИГаз и ВНИПИморнефтетаз при составлении концепции с учетом потенциальных научно-производственных возможностей Российской Федерации.

Фактическая экономическая эффективность внедрения результатов работы в условиях Стрелкового газового месторождения составила 1 млн.рублей (в ценах 1981 г.) от строительства одной платформы, а в условиях Бейсугского лимана до 2 млн.рублей. Кроме того, проведенные исследования обеспечили безопасную эксплуатацию ледостойких сооружений, что может выразиться в экономии средств более чем в 1 млрд.руб. (в ценах 1992 т.).

Апробаиия работы. Основные положения работы были доложены к одобрены:

- на VII Международной конференции РОАС-83 (Г.Хельсинки); на Международных конференциях Полартек-86 (г.Хельсинки) и Полартек-90 (г.Копенгаген);' на Международном симпозиуме по проблемам освоения нефтяных и газовых ресурсов шельфа северных морей (г.Москва, 1984 г.); на I Международном Советско-Американском семинаре по механике льда (г.Москва, 1991 г.); на I Международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" (г.Санкт-Петербург, 1993 г.);

- на XI Всесоюзном научно-техническом совещании по вопросам "Ледотермические проблемы в северном гидротехническом строительстве и продление навигации "Лед-87" (г.Архангельск, 1987 г.); на I и II Всесоюзных конференциях "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа" (г.Москва, 1986 г., 1988 г.); на I и II Всесоюзных конференциях по механике и физике льда (г.Москва, 1981 г., 1983 г.);

- на III Республиканской конференции по прикладной гидромеханике (г.Киев, 1984 г.); на Областной научно-тактической конференции "Проблемы освоения арктических морей" (г.Мурманск, 1984 г.).

Результаты отдельных задач диссертационной работы докладывались на ряде заседаний секции "Техники и технологии разработки нефтегазовых месторождений шельфа" НТС Мингазпрома СССР в период с 1978-1987 гг.

Конструкция ледостойкой платформы и способ строительства платформы для разведочного бурения в мелководных условиях Бейсугского лимана демонстрировалось на ВДНХ СССР и отмечена золотой и серебряной медалями ВДНХ.

Публикации работы. Содержание работы отражено в 78 научных работах, в том числе в 1 монографии, 7 брошюрах, 50 статьях и 20 авторских свидетельствах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 349 страницах и содержит 257 страниц машинописного текста, 84 рисунка на 73 страницах, 21 таблицы, список использованных источников из 219 наименований.

Рассматриваемая диссертация выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам освоения ресурсов нефти и газа континентального шельфа

(ВНИПИморнефтегаз). Экспериментальная часть работы выполнена при участии сотрудников лаборатории, руководимой автором: ЕАДорогобужев, Л.В.Комаров, В.И.Макеенко, А.А.Серебрякова и др.

Работы по проблеме осуществляются с 1975 г. по отраслевым программам Мингазпрома и Миннефтепрома СССР, с 1981 г. по комплексной целевой программе (КЦП) ОЦ.007 "Создание и внедрение технологических процессов и технических средств для посика, разведки и промышленного освоения нефтяных и газовых месторождений континентального шельфа СССР" и с 1986 г. по КЦП 0.04.03 "Разработать и внедрить прогрессивные технологии и технические средства добычи нефти и газа на континентальном шельфе с различными природао-хлиматическими условиями" ГКНТ СССР, а также с 1980 по 1987 гг. по Международным советско-финским программам научно-технического сотрудничества ГКНТ СССР в области освоения нефтяных и газовых месторождений северных морей, а с 1994 г. по Межотраслевой программе Минтопэнерго РФ по проблемам освоения шельфа.

- п -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится обзор работ по нормативным основам проектирования морских нефтегазопромысловых ледостойких гидротехнических сооружений для освоения ресурсов нефти и газа мелководного шельфа. По результатам анализа классификационных подходов в области гидротехнического строительства предложена новая классификация морских нефтегазопромысловых инженерных сооружений, основанная на их технологическом назначении (поисково-разведочные, эксплуатационные и др.). На основании анализа и обобщения опыта проектирования, строительства и эксплуатации МЯГС в нашей стране и за рубежом впервые определены приоритетность падромстеоролоппеских, инженерно-геологических, геолого-технолошчесюк II промышленно-производственных факторов, влияющих на выбор типа МНГС и способа проведения буровых и эксплуатационных работ. Установлено для каких природных условий района строительства (месторождений) каждый из этих факторов является приоритетным. Результаты анализа классификационных характеристик МНГС и приоритетности факторов позволили автору сформулировать основные положения проектирования морских не^ггегазопромысловых пшротехшгческих сооружений (СНнП 2.06.01-86, раздел 16 и соответствующие к нему приложения).

Создание МНГС зависит от наличия соответствующих нормативных документов по их проектированию л строительству , а надежность, в свою очередь, требует достоверные ¡[сходные данные по гидрометеорологическим режимам акватории строительства. Существующие нормативные документы относятся в основном к проектированию речных и морских гидротехнических сооружений. К началу исследования отсутствовали нормативные документы, обеспечивающие в полном объеме проектирование и строительство морских нефтегазопромысловых пиротехнических сооружений любого типа (платформы, острова, эстакады, дамбы и др.). Смеете с тем экологические последствия катастрофы МНГС, могут оказаться значительно тяжелее, чем любого другого типа речных и морских гидротехнических сооружений. Поэтому к проблеме создания нормативной базы проектирования МНГС должно быть уделено особое внимание. Для обеспечения безопасной эксплуатации МНГС необходимая нормативная база должна сопровождаться надежными природно-климатическими' исходными данными, характеризующими, в основном, гидрометеорологические условия намечаемой к освоению акватории.

Анализ имеющихся опубликованных данных показывает, что существующая гидрометеорологическая информация не может полностью удовлетворить конструкторов и проектировщиков при создании МНГС, так . как она носит, в основном, отрывочный характер. Экстрополяция имеющихся данных и отдельных положений строительных и других нормативных документов при проектировании сооружений не можст обеспечить принятия правильных технических решений.

Для удобства анализа состояния изученности исследуемых проблем мелководные зоны шельфа по степени суровости ледовых условий условно разделены на две группы. В первую группу входят акватории с умеренными ледовыми условиями (Азовское море, северная часть Каспийского моря), а во вторую группу - акватории с тяжелыми ледовыми условиями (арктические моря).

В связи с тем, что первые объекты освоения газовых месторождений находилась в условиях Азовского моря его - гидрометеорологическая информация подвергалась анализу в первую очередь. Оказалось, что ледовый режим Азовского моря изучался гвдрометслужбой, в основном, для навигационных целей. При этом прочностные характеристики льда, являющиеся основными при определешш ледовых нагрузок, вообще не изучались, а на акватории Бсйсугского лимана, где имеется одноименное газовое месторождение, шкакнх гидрометеорологических наблюдений не проводилось. Отмечено, что многие вопросы, необходимые как при выборе методов освоения нефтяных и газовых месторождений, так и при проектировании сооружений для обустройства, отсутствуют в программах исследований щцрометслужбы даже в настоящее время.

При проекгировашш МНГС и выборе методов. освоешхя нефтяных и газовых месторождений мелководного шельфа замерзающих морей протрамма исследования ледово-пщрометеоролоптеского режима должна охватывать: длнамиху ледяного покрова; продолжитсльность ледового периода; смерзания льда с опорами н обледенение их надводной части; температурные расширения; колебания уровня воды в зимний период; определение размеров движущихся ледяных полей и траекторий их движения.

Величина ледовых нагрузок в значительной мере зависит от прочготи характеристик морского льда, а последние, в свою очередь, зависят от температуры лада, скорости разрушения, размеров образца, структуры, солености, ориентировки давления относительно оси кристаллизации. Исследованием данного вопроса занимались многие ученые (В.В.Богородсхий,

Т.Буткавкч, И П.Бутягин, САВершинин, В.П.Вейнберг, К.Ф.Войтковский, Л;Гояд, Б.Д.Карташкин, КН.Коржавин, • В.В Лавров, Х.Пейтон, И.СПесчанский, И;Г.Петров, БАФедоров, Н.В.Черепанов и др.), установившие рад основных параметров оптимальной технологии экспериментов с образцами морского льда и требований к экспериментальным установкам. Однако для проектирования конкретных ледостойких нефтегазопромысловых сооружений необходимо проводить специальные нэтурные исследования ''физико-механических свойств льда в течение всего зимнего сезона параллельно с исследованием ледово-гидрометеорологического режима акватории строительства. Поэтому для исследования физико-механических свойств льда Азовского моря было обосновано проведение натурных экспериментальных исследований. Поскольку подвижки ледяного покрова в Бсйсугском лимане могут быть не только в весенний период, но и в зимнее время, механические свойства его должны изучаться в течение всего ледостава. V ;

Следующей задачей создания нормативной базы проектирования МНГС для освоения ресурсов нефти н газа мелководного шельфа с умеренным ледовым режимом- является исследование воздействия льда на опоры МНГС, учитывая, что размеры ¡и поперечного сечения могут быть меньше толщины льда. Для такого случая в существующих нормативных документах отсутствуют какие-либо рекомендации по нескольким причинам: во-первых, в настоящее время полностью отсутствуют натурные экспериментальные данные по исслсдоваьчло коэффициента местного смятия (Кем) при Ь/Ь < 1; во-вторых, в ■условиях-северных и восточных морей России и в реках, имеющих ледяной покров, значения Кем при зтцх значениях! Ь/Ь возможно не будут необходимыми при разработке конструкций гидротехнически сооружений для этих районов. При этом все натурные н лабораторные экспериментальные исследования относились к зоне Ь/Ъ > I. Поэтому для условий Азовского г горя необходимо было провести исследование данного вопроса, являющегося сдерживающем фактором проектирования гидротехнических сооружений для освоения Бейсутского газового месторождения.

Для мелководных частей морей с тяжелыми ледовыми условиями характерны наличия-торосистых образований. В существующих рекомендациях эти ледовые нагромождения характеризуются сцеплением С и углом внутреннего трения ср, которые определяются испытанием образцов ледовых нагромождений на сдвиг. Существующие расчетные модели ледяных

нагромождений, использующие статикой сплошной, сыпуче-связанной ср'-ды, имеет целый ряд условных параметров, как С и <р, определеШ1С которых на больших ледяных нагромождениях с учетом несопоставимости результатов опытов чрезвычайно сложно. В то же время размеры ледяных плит (ледяные обломки) - элементы сыпучей среды - нельзя считать малыми, они могут достигать 5-6 толщин льда. Поэтому можно рассматривать ледяные нагромождения как плоскую стержневую систему, образующую некоторую решетчатую конструкцию.

Освоение нефтяных и газовых месторождений прибрежной части мелководного шельфа России с тяжелыми ледовыми условиями становится невозможным с отсутствием экономо-экологачески выгодного типа нефтетазопромыслового сооружена. Отсутствие соопгЕетствующих техшгагских средств для проведения поисково-разведочного бурения сдерживает открыл» новых месторождений и последующего их обустройства. За рубежом для этак целей используются, в основном, ледяные острова, т.к. ©ни яплжотся экономически значительно выгодными но сравнению с другими типами как гидротехнических, так и судостроительных сооружений. В этой области за рубежом выполнен достаточный объем исследований и построены бояее 20 ледяных сооружений (платформ и островов). Первая нефтяная разведочная мшажинэ со льда была пробурена весной 1973 г. в море Бофорта фирмой "Феико" (США), являющаяся пионером в реализации данной проблемы. В дальнейшем она была передана в ведение военного ведомства и поэтому открытые публикации о деятельности фирмы по проблемам стротельства ледяных островов практически прекратилась.

В связи с тем, что в условиях предельного мелководья имеются достаточные углеводородные запасы, создание ледяных островных сооружений становится одним ю актуальный направлений в облает» морского нефгегазопромыслового гидротехнического строительства. Для успешного использования ледяных сооружений необходимы разработки методов расчета и совершенствование* конструкций, отработка технологии намораживания искусственного ледяного массива заранее заданными физико-механическими свойствами из морской воды, проведение комплексных исследований свойств намороженного льда и их изменения в период экеппуатащш ледяных островов. Таким образом в данном случае лсд должен исследоваться не как фактор, воздействующий на сооружения, а как конструкционный материал ледяных платформ и острове», способный определенный период времени выдержать воздействие всей совокупности ^«кгоров окружающей среды, в том числе и

ледовые нагрузки, а также нагрузки от бурового оборудования, энергетического и жилого комплексов и материалов для бурения. Строительство таких . сооружений требует также создания комплекса технологических систем и оборудования, позволяющих соблюдать определенный режим намораживания, и получить искусственный лед с нужными физико-механическими характеристиками.

, Птопая глава посвящена задачам натурных исследований гидрометеорологического режима и связанными с ними исходными ледово-гидрометеорологическими данными для выбора методов проведения буровых и эксплуатационных работ, а также проектирования ледостойких сооружений для освоения газовых месторождений в условиях мелководного шельфа Азовского моря.

Учитывая что, во-первых, гидротехнические ледостойкие нефтегазопромысловые сооружения являются капиталоемкими, во-вторых, их аварии могут привести к большому количеству человеческих жертв и экологической катастрофе, была разработана специальная методика исследопания всех гидрометеорологических элементов и созданы специальные экспериментальные установки и инструменты (с использованном стандартных гндрометприборов). Дли исследования смерзания конструкции опор ледостойких сооружений с ледяным покровом, наличия, подвижки ледяного гп.тл и ее направлгния, а также подвижки за счет температурного расширения Сипи построены полномасштабные элементы конструкции ледостойких платформ, состоящих из шсстаколонных пространственных опорных блоков и одиночных колонн. ■ •

О результате обработки н анализа выполненных натурных исследований гидрометеорологического режима Бейсугскогс лимана Азовского моря получены следующие данные, которые легли и оснсзу при проектировании сооружений для освоения одноименного газового месторождения:

- ледовый режим лимана не постоянен, изменчивость погодных условий нарушает нормальное развитие ледяного покрова. Он может несколько раз за сезон менять состояние, превращаясь из припайного в дрейфующий;

- несмотря на : кажущийся на первый взгляд озерный режим, Бейсугскому лиману свойственны все основные признаки морской акватории: значительная амплитуда колебания уровня поды, подвижка лада, торошение и дрейф ледяных полей;

-Í6- ... ■■ .

- явление отрыва основной массы ледяного покрова лимана от примерзающего к донному грунту берегового припая под действием нагонных повышений уровня воды и начинающиеся при этом значительные подвижки йьда можно считать характерным для ледового режима Бейсугского лимана и экспериментальным расчетным случаем при проектировании ледостойких сооружений; . .

- наблюдение за построенным! в лимане экспериментальными конструкциями опор ледостойких платформ показало, что постоянное смерзание льда с опорами не имело места. Следовательно, при проектировании ледостойких сооружений и определении ледовых нагрузок случаи смерзания можно не учитывать;

- наличие горизонтальных и наклонных связей опорных блоков платформ на уровне спокойного горизонта воды, даже при отсутствии смерзания, может привести к появлению значительных выдерпшающих усилий фундаментной части сооружений;

для обеспечения работ по проектировали» лгдостойхих гидротехнических нефтепромыслошх сооружений необходимо провести натурные пздромстеорологическис наблюдения согласно дашзой методике организации исследования.

Для определения ледовых нагрузок, возникающих при Езаимодейстшш ледяных полей и опор ледостойких гидротехнических coopужекий необходжю зиать, физико-механичеосие свойства морского льда, изучением которых занимались такие известные отечественные и зарубежные исследователи, как В,П.Афанасьез, В.В.Богородский, И.П.Бу1япш, С-А-Берпяшин, К.Ф.Войтковский, В.Т1.Таврто, - C.HJCaii, К.ШОзрашш, В.ВЛавроз, ЮЛ.Назинцсв, В.В.Панов, И.Г.Петров, Ф.И.Шушл, БАСаззсльсв, В.Н.Смирнов, А.Н.Толстов, А-В.Упоров, Н.Г.Храпатый, В.Г.Цупркк, ВЛ.Цуриков, А.Ассур, Ф.Р.Буткович, Д.Ф.Кокс, К.Ф.Кроздал, 1СХиролма, Р.В.Крей, Д.М.Мастерсон, В.Мншел, Д.Е.Невел, Д.Швара « др. В специальной литературе собран богатый материал. Однако практическое использование его крайне затруднено вследствие весьма значительных расхождений количественных значений прочностных свойств морского льда, изменяющихся в пределах от 0.1 до 1.00 МПа и более. Это может быть объяснено тем, что предел прочности льда забисит как от многих природных факторов (температура воздуха и лада, стр-уктура и сояешеиь лгда и Др.), так и от методики проведения исследований. В процессе исследования основное внимание уделялось изучению пределов прочности льда па сжатие и изгиб, что

■■' 'if-

обусловлено тем,-что при расчете ледовых нагрузок учитываются в основном эти виды деформаций.

Для исключения масштабного эффекта созданные экспериментальные установки позволял« испытывать кубдасовые образцы в виде куба с размерам!!, равными полной толшгне ледяного покрова.

Испытания на изшб проводились на плаву с помощью специальных погрузочных приспособлений по двум схемам: . как двухопорная балка, загруженная сосредоточенным усилием в середине пролета и как консольная балка, загруженная сосредоточенным усилием на свободном конце. Размеры испьггываешк образцов на изгиб принимались таким образом, что отношение ■длины балки к высоте колеблется от б до>8.

Испытания образцов льда, как на сжатие, так и на изгиб проводились непосредственно. иа льду, что исключало вероятность влияния изменения температурного режима на прочностные характеристики образцов в случае транспортировки н хранения. Это дало возможность проиллюстрировать зависимость прочности льда от температуры воздуха и образца при этих видах деформации.

В процессе проведения (экспериментов тектература воздуха менялась в пределах от -9°С до +8°С, а температура льда - от -б°С до -КС. Изменение температуры в таких пределах приводит к изменению пределов прочности льда на сжатие почти вдвое, а на изгиб около трех раз.

На основании анализа ■ результатов экспериментальных исследований физико-мехашгаесик свойств льда и сопоставления характера их изменения в зависимости температуры воздуха и льда с данными, полученными другими авторами,.рекомендовано принять расчетные значения предела прочности льда для условий Азовского моря при сжатшг равной 1.1 МПа, а при изгибе -0.5 МПа. Результаты натурных экспериментальных исследований позполилн предложить -способы проведения буровых ' я эксплуатационных работ о условиях Азовского моря н тегскологии* строительства стационарных платформ дай, проведения поисково-разведочных работ в мелководных условиях Вейсугского лимана. На основания выполненных наблюдений рассчитана автономность ледостойких платформ не'менее трех месяцев, в течение которых связь между платформой и береговой инфраструктурой только авиационный (вертолетный) транспорт. .

По результатам исследований оформлены "Временные рекомендации по выбору предела прочности ледяного покрова при определении ледовых нагрузок на опоры морских газопромысловых сооружений", утвержденные

- {в-

Мингазпромом СССР н внедренные проектными институтами при обустройстве Бейсугского и Стрелкового газовых месторождений Азовского моря.

Результаты исследований гидромеорологического режима Азовского моря включены в банк данных Госкомгндромета и опубликованы в справочнике "Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР (Черное и Азовское моря)" (Гадромстеоиздат, Л., 1987 г.), являющиеся фондовым материалом Госкомгндромета для разработки концепций, ТЭР, ТЭС, ТЭО и др. по освоению углеводородных ресурсов отдельных регионов или месторождений на шельфе РФ.

Эти исследования должны значительно опережать начало разработки технико-экономических обоснований и проектных работ.

В третьей улавд излагаются результаты исследований воздействия льда на морские нефтегазопромыслоиые сооружения в мелководных условиях замерзающих морей. ■■■ ■. .■ ---V.-''. .- V

Согласно СНиП 2.06.04-82 нагрузки от льда на гидротехнические сооружения должны определяться 1 »■ основании исходных данной по сопротивлению льда сжатию (11с), изгибу (Ни) и смятию (Кем), полученным в результате экспериментальных данных. В проектной практике Кем определяют по известному Лс, зависящего от соотношений Ь/Ь. В существующих нормативных документах имеются рекомендации по учету Кем только при Ь/Ь > 1. Однако в условиях морей с умеренным ледовым режимом (Азовское море, Северный Каспий й др.) в конструкциях сооружений имеются элементы, испытывающие ледовые нагрузки- в зоне Ь/Ь < 1. Поэтому натурные исследования по изучению Не и Ра! для условий Азовского моря проводились параллельно с исследованием Кем при Ь/Ь <1.

Для проведения натурного полномасштабного экспериментального исследования Кем, нами была разработана и изготовлена специальная установка, оснащенная система центровки-ли крепления, а также гидравлической загрузочной системой. Данная установка позволяла проводить исследование прорезания льда элементами опор с различными размерами и с различной скоростью прорезания.

При проведении экспериментов на одноосное сжатие по прорезаншо льда элементами опор, вырезанные из майны массы льда, разрезались на кубиковые образцы, размеры которых лимитировались толщиной ледяного покрова. Имея для каждого опыта значения расчетной нагрузки, толщины льда, ширины и конфигурации испытуемого кубикового образца, определяли

' -19-

предел прочности льда на разрушение с учетом местного смятия и значение предела кубиковой прочности при одноосном сжатии. Это позволило получить одновременно значения кубиковых прочностей льда на одноосное сжатие и раздробления с учетом местного смятия. Для удобства использования полученных нами экспериментальных данных с помощью метода наименьших квадратов получена эмпирическая зависимость Кем при Ь/Ь < 1:

Кем а 5 - 2.54 Ь/Ь.

Результаты экспериментальных данных были сопоставлены с данными зарубежных и отечественных ученых и показали, что данные полученные Копайгородским, Вершининым и Носковым, Саэки, Одзаки, Шварца и Ву значительно выше, а совпадают с данными Мишеля, Тоусаикга. Предлагаемая зависимостг. была использована при проектировании ледостойких гидротехнических сооружений для освоения газовых месторождений Азовского меря, а в настоящее время принята для включения в новой редакции СНиП по расчету ледовых нагрузок.

Характерной особенностью взаимодействия ледяных полей с широкими опорами сооружений и острова в суровых ледовых условиях арктического Шельфа япляется развитие процесса ледовых нагромождений по фронту взаимодействия льда и сооружегпм. Сами ледовые нагромождения опираясь на дно или подводную берму кессона могут создавать своеобразный ледовый барьер, через который осуществляется передача внешней нагрузки от ледяного поля на стенки сооружения или откосы острова. Большинство из применяемых расчетных моделей ледяных нагромождений (Крей, Еранти, Аллан, Вершинин и др.) основаны на использовании статики сплошной, сыпуче-связанной среды, имеющийся ряд условных параметров, таких как сцепление и коэффициент трения обломков как малых элементов сыпучей среды, определение которых на больших ледяных массивах-нагромождениях чрезвычайно сложно. В то же время размеры обломков (ледяные плиты) -элементы сыпучей среды - нельзя считать малыми, они могут достигать 5-6 толщин льда.

Прочность ледовых нагромождений как конструкции, сложенной из ледяных плит, определяется плотностью упаковки плит, размерами стыков контактируюгщи зон между шпггами, и силами смерзания обломков (плит) межпу собой. Таким образом, ледовые нагромождения можно рассматривать как дискретную сыпуче-связанную среду. Модель такой среды можно

приближенно рассматривать как плоскую сгсргагейуй' систему, образующую некоторую решетчатую конструкцию. При этом пределгшые возможны« нагрузки от дейстыш ледяного поля на ледовое нагромождение - Р"1 н со стороны нагромозщекий т лейки кессона - ?2 по величинам могу! быть различны. Величина Р^ - ото сила разрушения обломков со стороны ледяного поля или самого ледяного поля за счет дробления, изгиба тет потери устойчивости ледшюго ноля, так плиты в зависимости с? се теепцлнхл и условий к01ггакга с ледшашн обломками. Если Р1 < Р2, про;гсхо£?;'Г процесс роста ледяных нагроможзеннй, сся;г Р2 > ?1 происходит разрушогак с&тогжог по контакту с опорой.

Для численного определения величин этих нагрузок предлагается расчетная модель, самих ледяных нагромождений, позюхензщая одешггъ предельное н&прдхешю-дефоршгруемое состояние нагромождения, как конструкция* кз' ледяпхх спсржисй, методами _ сгдстслыш'Л мехазшт Расчетная модель представляется и виде треугольной регулярной решетчатой системы. Размеры ячейки решетки определяются пористостью ледяного кагромозшяшя \ (обычи» £ к 0.4) и толщиной обломков "¡1" (обычно Ь «■» 0134-1.0 м). Размер ячейки V щмийшастся из условий:

где $а - клощздх/ wiyrpetoiero треугаишиа.-/исШзг,'-'т.в. пиощадь иусго'г ячейкщ ■ ■ . . .

&АВС " пяощедь. ст&щартпой ячейки.

Прочность ячейки ABC определяется размером зоны- контакта обломков Oq и сияем» смерзания их между собой в пределах этойзоны, ••

Параметр сеть некоюрал усредненная условная велпщша,

обеспечивающая знЬшалентность прочностных свойств идеализированной решетчатой системы фактической конструкции, случайным образом сложенных облоккоз в натуршях условиях. Наиболее достоверное значение 0о может быть определено экспериментальным путем; Кройе того, значения а0 может быть оценено численным» методами* с кекслоэовоннем теории предельного равновесия.

-3t-

Предподожим, что обломки в процессе нагромождения прижимаются с силой Р к кромке другого обломка под действием равномерно распределенной нагрузки q и образуют в предельном состоянии площадку смяли шириной £10. Величшт q соответствует предельному значению прочности обломка на изгиб при действзш поперечной нагрузки q:

P = q2¿

где: Rh - прочность льда иа изгиб в МПа.

По теерш! предельного равиовешгя клина при заданном значензп! Р размер площадки й<, может быть определен из условий:

Л = Jk_f(1 + Sin(p).£^v_1 + Sin |

где: ф - угол внутреннего трешгя льда.

В работе приведены результаты численного расчету нагромождения с помощью данной завиышостн. Получены граф}пеские зависимости Р = /(О,), которые показывают, что разрушение модели обломков близко по характеру поведения под глгрузкой модели вдеалыю-упруго-пластическото тела.

Анализ натурных данных показал, что плотность распределеинл пористости близка к нормальному закону, но обладает ассиметрисЯ относительно матемпипеского олащанля.

С помощью призматической модели распределения пустот внутри нагромождения, получены: '

Ма<| s 0.3t

где М и D соответственно мап:;,гат1гческее ожидание и дисперсия.

При этом считается, что ¿детерминированная г: сличила.

Если / случайная величина с некоррелированной пористостью, то :

Ма

Иа. - Щ(1 - )2 + О'М? +

Поскольку усилия пропорциональны линейным размерам, то статистические характеристики усилий (среднее и дисперсия) будут определяться теми же соотношениями с точностью до постоянного множителя.

Четвертая глава посвящена исследованию конструктивной особенности и технологии намораживания ледяных островов, а также режима дождевания при их строительстве.

Известно, Что лед в качестве строительного материала используется народами Севера с древних времен. В настоящее время строятся ледяные инженерные сооружения для проведения поисково-разведочного бурения нефтегазовых скважин и погрузочно-разгрузочных операций.

Для выбора технологического нежима в работе проанализированы особенности гидрометеорологического режима арктических морей и определены оптимальные (благоприятные) месяцы для строительства ледяных островов, а также приведен обзор опыта строительства и эксплуатации ледяных платформ и островов в арктических условиях США и Канады.

Анализ зарубежного опыта показывает, что в арктических условиях запраты на освоение и разведку - в 5-10, строительство - в 10-50 п эксплуатацию - в 10-20 раз выше, чем в условиях Мексиканского залива. Поэтому для проведения поисково-разведочных работ & мелководных условиях арктических морей более оптимальным. типом МНГС становятся ледяные островные сооружения.

С целью определения основных задач создания ледяных сооружений автором предлагается новая классификация, основанная на их эксплуатационном состоянии (плавучем или стационарном). Подклассы определены исходя из методов получения строительного материала (льда), т.е. искусственный, или естественный лед. Таким образом, ледовые нефгегазопромысловые гидротехнические сооружения подразделены на два класса: плавающие ледяные платформы и опирающиеся на дно ледяные острова. На следующем уровне платформы и острова разделяются по видам используемого ледяного материала, а также по методам возведения ледяных сооружений, т.е. послойное, объемное или комбинированное намораживание.

Анализ типов ледяных гидротехнических сооружений, приведенных на классификационной схеме, позволил сформулировать преимущества и недостатки ледяных сооружений, основные проблемы, сдерживающие использование их при проведении поисково-разведочных работ в условиях арктичесйа морей. Строительство ледяных дорог, причалов к взлетно-посадочных полос производятся теми же методами, что и ледяных платформ и островов. Поэтому результаты исследования, выполненные в данной работе, могут быть использованы также и при создании указанных элементов инфраструктуры.

Технико-экономические исследования показателей ледяных платформ и островов позволили определить, что их использование при проведении разведочного бурения в условиях арктических морей сокращает затраты на бурение одной скважины до 25% по сравнению с применением других типов плавучих буровых установок. При этом величина горизонтальной подвижки ледяной платформы не должна превышать 5°6 глубины моря в точке бурения. Такие сооружения рекомендуются использовать при бурении относительно неглубоких скважин (800-2200 *|) с тем, чтобы масса бурового оборудования, запасов и других материалов не превысила несущий способности ледяной платформы. Автором разработаны более двух десятков технических решений, защищенных авторскими свидетельствами, направленных на повышение несущей способности и скорости возведения ледяных платформ.

В связи с тем, что в диссертационной работе рассматриваются ледостойкие гидротехнические сооружения для освоения ресурсов нефти и газа в условиях мелководного шельфа, ледяные острова являются основными * объектами исследования. Они опираются на дно и работают как гравитационная стационарная платформа. В отличие от ледяных платформ, причалов, переправ и взлетно-посадочных площадок, ледяные острова воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки при взаимодействии с грунтовым основанием (дно моря). В работе детальному анализу подвержены проблемы, связанные с конструкцией, технологией намораживания (строительство), мероприятиями теплозащиты и обеспечения смерзания ледяного острова с дном моря, а также с удалением рассола о процессе намораживания.

Разработаны более 15 рекомендаций по конструкциям, обеспечению смерзания с дном, технологии намораживания и удалению рассола при строительстве ледяных островов. Все рекомендации защищены авторскими свидетельствами

-ZA- . . .

По результатам анализа и обобщения известных расчетных зависимостей приводятся рекомендации по определению предварительных характеристик ледяных островов, обеспечивающих устойчивость на сдвиг по плоскости контакта с дном и на всплытие. Даются также расчетные зависимости по прочности острова на срез по горизонтальной плоскости на уровне воздействия ледовых нагрузок и оценке возможности появления трещин в ледяном массиве.

Основные исходные данные, характеризующие прочность и устойчивость ледяных островов, зависят от наличия соответствующих технологий намораживания. Из всех известных методов можно выделить два метода намораживания ледяных островов: намораживания путем свободного или ограниченного наводнения; намораживания путем набрызга (дождевания) морской воды. В связи с тем, что в течение одного зимнего сезона требуются как строительство ледяного острова, так и бурение одной разведочной скважины выполнение этих работ методом свободного налива становится проблематичным.

По зарубежным данным при идеальных благоприятных условиях с помощью свободного налива можно получить а день только 8 см слоя искусственного льда. Если требуется остров высотой 7-8 метров, необходимо около трех месяцев. Поэтому в качестве основного метода намораживания нами принят способ дождевания (набрызга) и определены основные технологические вопросы, имеющие место при строительстве ледяных островов. Вместе с ним. получаемый этим методом лед обладает меньшей прочностью и плотностью, то предъявляет особые требования к технологическому режиму дождевания и создаваемому экспериментальному оборудованию для производства дождевания. Выбирая определенный режим набрызга и соответствующего для его выполнения оборудование, можно изменять размеры капель и время их полета в воздухе н тем самым получать различный эффект намораживания морского ладо. Решение этой проблемы опиралось на построение теоретической модели полета струи.и капли с изучением потери устойчивости, а также на экспериментальное исследование процесса дождевания. Одним ю основных вопросов псслсдоттся является определение диаметра капли и времени наложаения ее в воздухе, т.е. если определить максимальную высоту подъема колли, то можно определил, как время подъема, так и время падения капли на поверхность намораживания.

Анализ натурных экспериментальных исследований и теоретических разработок позволяют выделить три зоны распространения струи в потоке воздуха: зона устойчивого распространения струи, зона распада струи, зона

-zs-

движения водно-ледяного облака. Характеристики (физико-геометрические) струи в этих зонах зависят от начального напора и диаметра струи, се угла наклона к горизонту, температуры воздуха, скорости и направления движения воздушного потока относительно струи. Распад струи воды в воздушном потоке и процесс дробления капель довольно подробно рассматривались Бухманом C.B., Витманом Л.А., Лышепским А.С., Волынским М.Р. и др., в том числе применительно к задаче обледенения морских объектов Пановым В.В. Величина нераспавшегося участка водной струи определяется по формуле, приведенной в работе Бухмана C.B. Результаты экспериментальных исследований автора показывают, что зона распада струи в 1.5-2.0 раза больше зоны устойчивого распространения струн. В зоне распада струи, и происходит распад струи на капли, их дробление и формирование водного облака. Максимальный размер капли определяется по формуле, прсдложенной Лышевским А. С. Экспериментальные исследоь^ния Панова В.В. показывают, что брызговое облако, в основном, составляют капли с размерами менее 5-6 мм, которые в процессе полета превращаются в водно-ледяное облако. Для интенсивности намерзания капель, помимо их геометрических параметров, необходимо определить время их полета в воздухе.

Капля отделяется от водной струн под действием веса Fg, сил инерции

Fj и сил сопротивления (аэродинамических) F0 воздушного потока и будет двигаться как некоторая материальная точка массой m с начальными

■ -V

координатами (Хо, О, Zo) и начальной скоростью Ve - скоростью движения струи в момент отрыва капли v

Для . определения высоты подъема капли можно записать уравнения движения капли в воздушном потоке принимая следующие начальные условия:

- скорость ветра постоянна по направлению и лежит в плоскости XOY;

- сила сопротивления пропорциональна квадрату абсолютной скорости капли V (V, - V,n,;Vy - V,nr,V,), где п„пг, о - соответствующие косинусы и являются константами. Следовательно, уравнения движения капли имеет следующий вцд:

в ~ Venx)2CxFsmg(Vx - Van„);

ut

"<Vy " Vany)2cxFsin8(Vy ~ Vany);

лЧ2

т ^ « -У?С.,Ряп 8<У,) - те;

Л- диаметр капли;

Ра ' плотность воздуха

Для решения уравнения движения капли переходим к безразмерным координатам, принимая следующие замены переменных: х «<?.У я Л/.ггдг

Здесь / - произвольный линейный размер, г0 - произвольно выбранное характерное время. Безразмерные скорости воздушного потока определяем в ввде:.

/

Исходя из 1раничных условий V} * 0. Следовательно, уравнения движения примут вид:

. 1<±М-у,)*V,);

Г йг Г 4т ®г

¿У

Т'1?

•-Фт^-Уа^-СхРЛц^-Уа); ■ г йг • »т

Наконец, введем безразмерные параметры ои^

ш '

Учитывая начальные условия и интегрируя получаем:

■■■::■■■■■■• СГ

¿Г

+ 1

П* V2r+

¡¿1 С2

+ 1

rói

cos(C3afi- afir)

со$(Сз api Переходя к размерным координатам

A(V0 eos й-V.n, >1^-1

К. .,•■■■•■• ■

к2

X» V,n.l+—Л g

К2

Y- V.nyt+~A 8

2 » ^-|cos4» + ^Mncr'SÍn£t! 8 I К_ К , К i

Здесь К- 17Щ Для скоростей получим:

■ Vany +

^-(V.cosT-V.nJt + l Vsny

V.sinycosf^-Ksinf^

V Щ

1 8 ccf^sínr-sinl

Используя условия У^одо) ■ 0, получим:

V, йпу • соя^Ь-- Кап ^ - 0;

• . К.- > . 'IV : .

Окончательно максимальная высота подъема капли будет равна:

8

(п

V,+

v»

• • sin* у

К1

. К . v.sinr

а время подъема t„ * —arctg , ■ ,

■ ' ■ g К1

Время падения капли с высоты Z0 + Z^ будет определено путем d2Z

решения уравнения ш —в V, -,СХ • F -mg dr ■

I

При учете, что в верхней точке t»0, тогда Z = Н--s-<hch(Kgt)

К 8

При учете, что в верхней точке 1=0, тогда 2. = Н - -4г--Ас11(К#). .-■■■.-

■■■■ 'К-'е ■■■,■■.■■■.-.

Скорость падения будет стремиться к своему предельному -значению Упр, ассимтотически.приоо.

При

Да

= 0

V - Ж.

"р" \СХР

п ^ I .1+КУ

Время падения и скорость связаны соотношением; ф = ———

.■■■■■ 2 Кв I -КУ ■

Полное время падения будет равно:

Общее время пребывания капли в воздухе будет равно:

„ ... у Н-Д-ЛсЬ^^^Ж)

I = — агс18Ушу + 2,65 • ^ +-Ш_:__

в К В . 0,99Упр

На основании полученных зависимостей можно отметить, что предельная скорость капли возрастает с увеличением диаметра капли, и более мелкие капли быстрее достигают установившегося режима падения и имеют большее время • полета при падении на поверхность острова. Оптимальный режим дождевания, исходя из условиянаибольшего времени пребывания капель в полете, состоит в обеспечении их минимального размера и максимального подъема вверх. Это может быть достигнуто созданием высоконапорной струи, направленной против воздушного потока под углом, близким к вертикали. Такой напор; воды и диаметр струи, а ее скорость относительно скорости ветра создает в этом случае дробление капель на мелкие, имеющие более дальнюю траекторию и большее время полета в воздухе. Другой способ эффективного дождевания - это создание в верхней части -струй тонких струй путем Использования нескольких насадок или форсунок.

Полученные расчетные зависимости позволили выбрать эффективный режим дождевания и создать для этого специальное оборудование и экспериментальный комплекс, испытанный в условиях морской части Харасавэйского газового месторождения Карского моря.

В пятой глапе приводятся результаты натурных экспериментальных исследований технологии строительства ледовых островов, выполненных в мелководных условиях Карского моря.

Чтобы ледовые острова были способны выполнять свои производственные функции, они должны состоять из прочного монолитного льда, по своим физико-механическим свойствам близкими к естественному, а порой и превосходить его качественно. Создание в больших объемах такого льда из морской воды соленостью 34-35%о является сложной проблемой для решения которой требуется разработка специальной технологии наморажиЕатм, позволяющей в процессе намораживания ледяного монолита го морской воды необходимо предварительно удалить большую часть незамерзающего рассола

Следующая проблема связана с обеспечением необходимой скорости намораживания лада и с требуемыми физико-мехамгческими свойствами, обеспечивающими требуемую прочность острова в целом на период проведения разведочного бурения.

С целью исследования практической возможности намораживания ледяных островов ш морской воды, проверки теоретических разработок и отработки различной технологии строительства нами была разработана комплексная программа по лров едешво полномасштабных натурных экспериментов в районе Хзрясавзйското газового месторождения Карского моря и были создана специальное оборудование и установки для строительства ледяных островов При разработке программы и методики исследования было учтено участиетаких спедиатоированных институтов и экспедиций, как ПНИЙС, НИЙОСП им.Н.М.Герсеваиова,' СО НИИОСП, ААНИИ, Игарская научно-исследовательская мерзлотная станция института мерзлотоведения (ИНИМС) Сибирского отделения АН СССР и др.

При проведении экспериментальных работ принимали участие специалисты, руководимые В.В.Богородским (ААНИИ), Р.М.Каменским (ИНИМС), БАСавеловым (ПНИИС) и Л.Н.Хрусталевым (СО НИИОСП).

В связи с многообразием исследуемых задач эксперименты проводились на трех этапах: в 1980 г. ледяной массив намораживался методом свободного налива, а на втором (1981) и третьем (1983) этапах методом дождевания.

До начала эксперимента выполнялось изучение климатических условий, рельеф местности и инжеяерно-геологичесхих условий района проведения экспериментальных исследований. Первый эксперимент проводился согласно программе исследования, составленной совместно ИНИМС СО АН СССР.

Площадка для эксперимента находилась в створе гндротермической стационарной экспедиции, примерно в 300 м от уреза воды, при глубине воды 2.5-2.75 м. Проектные размеры опытного ледяного острова были приняла следующие: диаметр 50 м, полная высота с учетом толщины естественного ледяного покрова - 5.0 м. Площадка для эксперимента была выбрана вне зоны торосов, была размешена от снега н отсыпана по периметру будущего ледяного острова. Устанавливалась насосная сшшня, устройство освещения, помещение для работников и наблюдательного пункта.

Программой экспериментальных, работ предусматривалось производить намораживание льда слоями толщиной по 50 мм с подачей морской воды по трубопроводам и двум пожарным рукавам .для простого налнва с помощью скважинного насоса. В связи с отсутствием электроэнергии с необходимыми параметрами пришлось отказаться от скважиниого насоса и подачу воды осуществить мотопомпой ЛСП-800Б, Поэтому интенсивность намораживания оказалась значительно ниже и не превышала 10-12 мм/сут. Значительная скорость намораживания достигалась в первые сутки, т.к. основание первых слоев искусственного льда имело температуру, которая находилась в пределах •24 + 30°С, близкую к температуре воавуха, чего, естественно, невозможно достигнуть в последующем, при относительно непродолжительном перерыве ведения работ. При достижении общей толщины ледяного острова 3.1 м, работа по намораживанию .была приостановлена и произведена посадка модели острова на дно моря. Одновременно были пробурены и оборудованы термометрические скважины. Процесс намораживания продолжался с 15 февраля по II апреля. К этому сроку общая толщина острова равнялась 3.5 м, из них 2.3 м приходилось на долю искусственна намороженного льда. Таким образом, не была достигнута проектная толщина ледяного острова.

Как отмечено выше, ледяной остров был оснащен тремя термометрическими скважинами и реперными рейками, с помощью которых производились наблюдения за температурным режимом и скоростью таяния модели острова. Одновременно проводились наблюдения за интенсивностью таяния естественного ледяного покрова.

По результатам данных по намораживанию были построены графические зависимости интенсивности намораживания от изменения температуры воздуха/Ежедневно проводилось наблюдение за термоэрозией как искусственного, так »и естественного льдов. Средняя скорость таяния искусственного льда около 5.0 см/сут„ а естественного - 2 см/сут. 4 июля появились забереги вокруг острова н с этого момента наблюдение проводилось

7 -31- .

с берега инструментально, а с 10 икмй наблюдения были прекращены. В течение весенне-летнего периода были сняты температуры льда по толщине в точках термометрических скважин. Результаты измерения температуры показали, что она на поверхностном слое острова с 5 апреля по 5 мая изменялась более двух раз, а с 5 мая и по 5 июня более трех раз. Интенсивность изменения температуры в нижних слоях острова незначительна, свидетельствует о том, что при наличии мероприятий по теплозащите поверхности ледяного острова можно продлить его срок службы успешно проводить разведочное бурение. Были проведены исследования физико-механических свойств искусственно намороженного льда, результаты которых показали высокую концентрацию рассола. Это связано с тем, что иелользованнаятехиолотия намораживания непоззоляла удалить рассол в процессе эксперимента.

Для защиты ледяных островов от горизонтальных усилий от движущихся ледяных полей и вертикальных усилий при изменении уровня воды необходимо посадить их на дно и Сделать кольцевой прорез вокруг острова, чтобы он не смерзался с охружаюпрш ледяным полем. Данное явление имело место При проведении вышеприведенного эксперимента, которое привело к горизонтальному сдвигу острова с проектного положения. Сдвиг острова также был связан с его малой толщиной, т.к. данная технология не позволила достичь проектной отметки высоты острота.

Анализ результатов первых серий экспериментов показал, что данная технология намораживания ледяных массивов может быть использована при создании ледяных дорог, посадочних площадок, причалов и других объектов, где не требуется значительная толщина намораживания льда. Для создания ледяных островов целесообразно отрабатывать технологии намораживают методом дождевания, что требовало создания новых систем набрызга и разработки специальных режимов дождевания.

Комплекс экспериментальных установок включал в себя дождевальную установку, водовод, насосную станцию, кондуктора и опору водовода. В связи с отсутствием топового оборудования для создания ледяного острова методом набрмзга была создана . специально для натурного эксперимента водсрзслыляющая установка на базе дальнеструйного дождевателя навесного марки ДЦН-70, который используется для орошения полей. Регулирование дальности и высоты подъема струи и характера разбрызгивания производилось с помощью запроектированных и изготовленных на Опытном заводе ВНИИггиа сменных насадок с диаметрами выходного сопла 1$, 20, 25 и 40 мм.

Вращенне насадок производилось с помощью электромотора мощностью 2.5 кВт с редуктором.

Насадки, редуктор и электромотор были смонтированы в закрытом блочно-модульном узле. Водораспыляющая установка' была оснащена электрическими нагревательными панелями и нагревательной гибкой лентой ЭНГЛ-180. Насосная станция состояла из центробежного насоса, редуктора и дизеля Д-108 с номинальной мощностью 103 л.с. и номинальными оборотами - 1070 об/мин. Комплекс экспериментальной установки имел следующие характеристики: расход воды - 60 л/сек; напор - 55 М.в-ст.; потребляемая мощность - 54 кВт.

Для монтировашш дождевальной установки на ледяном острове был запроектирован и изготовлен ' кондуктор подвышечного блока, который представлял собой пространственную конструкцию спаренную из труб. Размеры кондуктора (20x10x12) м, общий вес - 60.0 т. Водораспнляющая установка была смонтирована на средней стойке кондуктора.

Для подачи вода к распыляющей устанешке был изготовлен водород из труб диаметром 275 мм, длиной 150 м. По водоводу также были проложены гибкая нагревательная лента и кабели включения электродвигателя и обогрева водораспыляющей установки. Использовались и другие теплоизоляционные материалы (шлаковаты с рубероидным покрытием и др.) для защиты водовода от замерзатш. Кроме тог.о,^водовод бьш смонтирован с обратным уклоном, чтобы во время остановок насосной станции вода не оставалась в трубопроводе. Так как параллельно с посадкой острова на дно часть водовода, расположенная на острове, должна опускаться для предотвращения излома или разрыва водовода, над прорезью устанавливался резинотканевый рукав с упрочняющей металлической спиралью.

Точка строительства экспериментального ледяного острова была определена геологической службой производственного объединения "Арктикморнефтегазразведка* в морской части купола Харасавзйской газоносной структуры и располагалась првдерно в 2.5 км к западу от мыса Бурунный. Средня» глубина в указанной точке составила 3.0 м. Разбивка на поверхности припайного льда была осуществлена по береговым триангуляционным знакам. Центр сооружения был закреплен на берегу двумя пересекающимся створами высокой чувствительности, которые достаточно отчетливо просматривались в бинокль или через окуляр теодолита. Место строительства диаметром 200 м было очищено от снега и мелких торосов с помощью бульдозеров. Кондуктор подвышечного блока к центру очищенной

-зз-

площадки был доставлен на специальных полозьях, я зтггм концы опорных колони кондуктора были погружены в лед ш 0.8 к до опирания на поверхность льда горизонтальных трубных стаже". Толщина ледяного покрова к этет.гу ггерподу равнялась 1.2 м, Нагрузка па лед от кондуктора была ■ рзспртдетеяз'ira участке площадью 200 м2. По окружности от центра радиусом 75 г.! -произвели-окогпуривмше площадки с установкой деревянных вешек на расстояния fí sí одат от другой. Они служили для постоянного контроля за татташШ ■ ¡тж^^ периодических " нивелировок поверхности

jrsKj'CCTseKïHJToледяного монолита с целью анализа его осадки под действием угелпчшатоЕтепсй шссы острова и наблюдегоШ за его деформациями, л € цетвго сохранетш целостности ледяной' платформы и равномерной ее осадит при наморажгашяш искусственного льда предусматривалась сплошная сбреззса ледяной пйасппш по периметру я постоянное поддержагае получившейся сквозной прорез». Прорези одноврзмешо служит для стозсз выделенного щ тела острова в процессе ПаадороживаШя рассола. Дли стока рассола, кроме дрорези ira самой ледяной шхастиис, в местах его скопления ручным ледорубом гфвбургтгшгез отверепш.

"Д.. До вреш . экей^жкига- 'по-У тсяшгаесиш причинам поддерживать постоятшухо' ккясруго- проргз5- да- периметру острова- ite удалось. Ш-за дазкой тсмлсратурьг ледяного1 ггакрсЕа мокрая прорезь быстро смерзалось, восстащзягаш' ; целостность припайного ледяного покрова. Поэтому в процессе яахгораяпгпашнг с увелпчешюм нагрузки на лед, его равномерного погружегаст ж протаходтвгоу а-лншв увеличивалась чаша прогиба. Кроме того, при первых ж? циклах кабрызга вследстшз интенсивного обледенения кондуктора, обЩет его тка и намороженного льда достигала более 200 т, в результат®' чего'произошел резкий изгиб льда и кондуктор опуспшся на дно. Таким образом в' центре острова возгопс рассолышй "мешок", который в поеледстшш- бил1 засыпан песком и продолжен процесс намораживания путем доисдевшпш'. ГГосдае завершения строительства проводились набл}одения за состоянием экспериментального ледяного острова.

Наблюдение за процессом таяния ледяного острова качалось с 14.05.81 г., когда завсршмось строительство. В начальном этапе остров имел очертания, близкие к прав1шьному усеченному конусу высотой 5 м. На заключительной стадии сущестсовазпш, форма острова напоминала эллипс, вытянутый в широтном направлении, с продольными и поперечными размерами, соответствешю равиыми 53 и 31 м. При этом поверхность острова с восточной стороны была представлена четырьмя холмами с отметками

вершин 3 и 2 м над уровнем моря, а в западной части - родным плато высотой 1.5 м. Таким образом, за рассматриваемый период наиболее интенсивное таяние происходило на юго-западном склоне, где его размер в плане уменьшился на 56 м. Несколько медленнее оно происходило на южном и северном склонах, уменьшение размеров которых составило в среднем до 25 м, и, наконец, минимальное таяние наблюдалось на восточном склоке - 13.5 м. Такой характер таяния ледяного острова объясняется совместным воздействием солнечной радиации и морских волн в данный период года. Были построены графики по различным догам натурных наблюдений, характеризующие интенсивность таяния ледяного острова по его поперечным профилям центральной оси. Результаты наблюдений показали, что высотные отметки поверхности ледяного острова за 41 сутки понизились на 1м И; соответственно, сократились горизонтальные размеры профиля. В конце июля интенсивность таяния еще более возросла и за 14 суток (с 25 июля по 8 августа) высотные отметки понизились на 1.5 м и 8 августа остров прекратил существование. Результаты наблюдений показывают, что поисково-разведочные буровые работы должны бьггь завершены до начала интенсивного таяния ледяного острова, т.е. до июня включительно, либо должны бьггь предусмотрены боковые и поверхностные теплозащитные устройства ледяного острова, продляющие сроки их эксплуатации.

Параллельно с наблюдением за теплоэрозионной устойчивостью ледяного острова проводилось исследование физико-механических свойств искусственного и естественного льдов. При этом физико-механические свойства естественного льда исследовались как находящегося под ледяным островом, так и за его пределами.

В связи с тем, что намораживание происходило в течении длительного времени, условия замерзания менялись и формировалась слоистая ледяная толща, состоящая из слоев льда различной плотности. Более плотные слои льда образуются из капель воды не отвердевших полностью от удара с подстилающей поверхностью. Пористость лада п таких прослойках может составлять 5-7%, я в условиях полного отвердевания капель в воздухе происходит образование рыхлых прослоек с пористостью до 25%.

Прочностные свойства искусственного vi естественного льдов исследовались как ультразвуковым, так и механическим (с помощью гидравлического пресса) методами. Исследования проводились путем испытания кубических образцов, которые нагружались параллельно и

перпендикулярно поверхности замерзания. Результаты испытаний показатели изменение прочности на сжатие искусственного льда в пределах 0.7+1.4 МПа.

Исследование прочности на изгиб проводилось на полевой машине ПН М-100. Результаты испытаний образцов. пыл показали, что прочность искусственного льда на изгиб в диапазоне его температуры от -5.4 до -13.4°С составляет 0.18+1.58 МПа. Измерения солености искусственного льда показали, что средняя соленость находилась в пределах (7+10)%о. Соленость верхних слоев вследствие дренажа рассола невелика и составляет (0.5+2)%о, а нижние горизо!ггы значительно засолены и доходят до (40+б0)%о, а в рассольном "мешке" до (120+140)%о.

Определение плотности искусственного льда показало, что значения плотности лежат п пределах от 0.62 до 0.87 т/м3, а средневзвешенное значение Плотности составляет 0.83 т/м3.

Для сравнения физико-механических свойств льдов под слоем намороженного льда и за пределами ледяного острова были выбраны два контрольных пункта: на ледяном острове и на ледяном покрове за пределами острова. Исследование показало, что наибольшее различие проявляется в значениях температуры льда и характере ее распределение по толще припайного льда. Температура в толще припайного льда под ледяным островом была в пределах от -2 до -б°С за время от 12 до 18.04.81 г., а за пределами острова она изменялась от -2 до -10°С. Такое обстоятельство ухазывает на то, что образовавшийся слой набрызгового льда, с одной стороны, в достаточной степени препятствует быстрому выхолаживанию припайного льда от воздействия-низких температур воздуха (промежуток времени, когда намораживание не производилось) с другой стороны, во время цикла намораживания отбирает "холод" от подстилающего припайного лада, повышая его температуру. Температура в теле ледяного монолита замерялась в апреле, в процессе намораживания, и в-шоке в период, когда началось интенсивной таяиие. Наблюдение показало, что температура поверхностного слоя льда близка к температуре окружающего воздуха, а ниже она в теле моношгга постепенно повышается и с глубины 2.5+3 м остается постоянно на уровне -2°С. В летнее время температура верхнего слоя повышается до 0°С, а нижшсс слоев на уровне - 2°С. Эта температура в толще ледяного массива стабилизируется и .остается постоянной в течение всего периода существования ледяного острова: Это свидетельствует о том, что образовавшийся слой набрызгового льда в достаточной мере препятствует быстрому выхолаживанию Припайного льда. Вместе с тем в данном эксперименте смерзание подошвы

ледяного острова с дном мор» не произошла Причиной этого является то, что во время намораживания эффективного удаления -рассола из тела острова осуществить не удалось, и-это затрудняло процесс смерзания ледяного острова с дном моря. ' ■ ■ ,

Завершающие серии экспериментов были проведены в 1983 году на припайном льду Карского моря в 250 м от берега. Эго дало возможность обеспечить эксперимент элеетрознергией. Место ледового полигона было выбрано с учетом предыдущих опытов. Глубина вода! на точке строительства составила около I м. После очищения площадки с диаметром около 50 м в центре была установлена вышка высотой 5 м с дождевальной установкой. Вокруг вышки была создана искусственная масса из битого льда и снега, уплотненная с помощью бульдозера.'

В целом общая схема расположения экспериментального комплекса соответствовала схеме 1981 года. В отличие от предыдущих серий трубопроводы были уложены в двух линиях; основная и резервная. В пяти точках полигона были установлены температурные датчики, с помощью которых регестрировались температурный режим острова как в процессе намораживания, так и при его эксплуатации; Кроме того механизм дождевашш был значительно модернизирован, механизм вращешш был оборудован электроприводом через понижающий редуктор. Модернизация позволила также обеспечить автономную работу агрегата с подачей воды от любой водонасосной станции, подходящей по параметрам и расположенной на удалении от дождевалки.

Созданный экспериментальный комплекс имел следующий: режим дождевания: перемещение насадок круговое или возвратно-поступательное в пределах заданного сектора; тшпульсное: угол перемещения за сдай импульс 3°; время импульса полива 2.5 сек.; площадь полива за импульс около 18 м2; доза воды в импульсе около 35 л; слой поданной воды около 2 юл; время полного кругового оборота насадок - 5 мин. Вращающийся хобот дождевального агрегата был оборудован тремя выходными петрубкики, направленными под углами 32е, 60" и 85° к горизонту. Конструкция патрубки и насадок позволяла изменить направление полета струн относительно горизонта, а также изменять диаметр насадки 1» зависимости от ветровых условий. Таким образом, путем варьирования углами наклона насадок к горизонту, их количеством и диаметрами выходных отверстий удавалось

достигнуть сравнительно равномерного полива по всей намораживающей площади.

Интенсивность нарастатш искусственного льда в зоне намораживания контролировались периодическими высотными съемками площади ледяного острова с привязкой к постоянному условному реперу. Съемки производились через каждые два - три полива. На основании периодических высотных съемок составлялись профили по радиальным направлениям от центра острова, на которых также указывались уклоны поверхности в градусах. По пониженным участкам рельефа ледяного острова рассольные потоки сливались в специально пробуренные по краям ледяного острова пепгощаюпше скважины.

Процесс иаморзжтштя острова продлился с 16.04. по 30.04.83 г. и было выполнено 10 циклов доддевапия морской поды, в основном, в вечернее н ночное врегш один раз в сутки. Продолжительность одного никла набрызга колебалась от 2 до 5 часов. Работа по дождеванию проводзтась при гаетерзт/ре воздуха - 13°С+-21°С п скоростях хгтрз от полного птиш до б м/с.

В общей сложности, эксперимент дождевзгам осуществляется в течение ' 28.5 часов. За ото время па поверхность ледяного острова было подано около 1-125 м3 морской воды сояеносшо 33-34°/оо, рзяшляпюй до капельного состояния* Объем полученного искусственного льда составил около 1190 м3 при средней плотности 0.71 г/см3.

Проводилось нсследоБ31тз'фнзнко-мехзлзтаяап своГгста искусственно намороженного льда по мето-аже, нспользозашюй в предыдуцртх серпях экспериментов. ООрагди льда исгптподнгь по разлцгпаш налравшгшш приложешш усилий, т.е. как пзрпллельпо, так п лерпггозгсуяярко к плоскости замерзания. Образцы льда были испытаны на апюоеное <жтпи и срез. При этом сущестигнной ззпеотрошш льда по этим папряшивгам не наблюдалось, что говорит о статистиЧгскоГг едаародпост льда, образуемого способом доздевания^ Эти гиподн позволяют показагь правомерность основных положений математической обобщипгой прочностной модели ледяного острова с помощью стандартных пепхткяптй образцов на одноосное сжатее, растяжениз и срез.

В результата анализа и обобщения результатов, натурзшх исследований было установлено:

- технолепи намерхкигазшл лздянш естровсз способом свободного яаяшп гкезюгдгсйгзз! леюстссгга, т.к. о яялетз» сфда» скороса наморгюязашй нкр:з, удзясши рзссолз да ^елз ледптгаго острова

загтруднительно, что приводит к снижению его устойчивости и термоустойчивости в процессе эксплуатации;

- технология намораживания ледяных островов способом дождевания является наиболее перспективной для регионов морей с суровыми климатическими условиями. Высокая эффективность применения технологии дождевания достигается за счет автоматизации и механизации практически всех технологических процессов и небольшого числа требуемых операций, использования холодного воздуха и замерзания воды в капельном режиме при оптимальных термодинамических условиях, а также за счет большого объема холодного воздуха, участвующего в теплообмене с водно-ледяным облаком,

- предложенный дождевальный комплекс создает водно-ледяное облако, при котором 50% воды переходит в ледяной компонент при температуре воздуха - 20°С, остальная вода замерзает на поверхности острова, испаряется и частично стекает вместе с рассолом с поверхности острова;

- предварительно созданная искусственная конусная поверхность с уклоном 5-10° от центра острова создает условия для естественного стока незамерзающего рассола. Такое решение может более эффективно работать при усовершенствовании дождевальной установки, снабженной специальными форсунками для создания необходимого капельного режима;

- прочность искусственного льда на одноосное сжатие за счет повышенного содержания пор и рассола в 1.7-2.0 раза ниже по сравнению с прочностью естественного льда;

- для предохранения поверхности ледяного острова от теплового воздействия необходимо в проекте предусмотреть теплозащитный слой не менее 1 м песка, а для боковых поверхностей можно предусматривать защитное ледовое кольцо шириной '40-60 м путем увеличения диаметра ледового острова. Возможны и другие способы защиты боковых поверхностей с помощью хладостойких полимерных материалов - пенопластов, пенополиуретанов, полиэтиленовых пленок;

- наиболее благоприятными арктическими акваториями для строительства ледяных острезов являются мелководные акватории восточнее Харасавэйского газоконден сатного месторождения Карского моря, где достаточна продолжительность периода низких температур, достаточных для намораживания ледяных островов;

- ледяные островные сооружения по сравнению с другими морскими нефтегазопромысловыми сооружениями являются самыми экономически выгодными для проведения поисково-разведочного бурения в условиях мелководного шельфа арктических морей; .

- ледяные островные сооружения являются безальтернативными в части экологической безопасности шельфа при их строительстве и эксплуатации.

Шестая глппп посвяшена создашпо методических основ разработки концепции разведки, обустройства и эксплуатации морских нефтегазовых месторождений с учетом их технической доступности даст попсково-разведочных работ, обустройства и

эксплуатации. '

Основные этапы методики разработки концепции освоения шельфа следующие:

1. Анализируется нефтегозоносность акваторий шельфа и определяется их перспективность по уровню прогнозных запасов.

2. Создается банк данных по пщрометеоролопгческим и. инженерно-геологическим условиям рассматриваемых акваторий.

3. По характеристикам, отмеченным в п.2, составляются карты районирования. На них наносятся также нефтегазоносные участки, структуры и иеобустроенные месторождешиг.

4. В зависимости от пигрометеорологичесгаи и инженерно-геологических условий, а также степени разведатгостн (изучешюсги) нефтегазоносных участков определяются альтернативные'. гшЫ конструкций МНГС, способшю обеспечить техшгческую доступность участков на любой стадии их освоетю.

5. Изучаются состояние разработанности конструкций необходимых МНГС и определяются их стоимост и требуемые сроки создания.

6. В заключении в зависимости от темпов прироста запасов и объемов добыт нефти в газа, необходимых для развития народного хозяйства, определяется очередность освоения акваторий шельфа и приоритетные направления развития техничесотх средств и шдрспгсхтиесюк сооружений, обеспечивающих техническую доступность на всех стадиях освоешм шельфа.

В диссертащш данная методика сопровождается конкретными примерами, относящимися к акваториям Баренцева, Карского и Охотского морей. Выполнен анализ состоятм технических средств и сооружений для проведения поисково-разведочных и эксплуатационных работ,- Определена концепция технической доступности нефтегазоносных зон шельфа отмеченных морей как по части проведения поисково-разведочного, так и эксплуатационного бурении, заключающаяся в следующем:

- ПРР в условиях предельного мелководья (0-5м) Карского моря целесообразно проводить с помощью ледяных островов, а при глубинах (10-15м) - грунтовых островов, В интервале глубин свыше 15 м, где межледовый период не позволяет проводить ПРР, необходимо создать специальные мобильные ледостойкие буровые установки (стационарные, , погружные «ли полупогружные). В условиях постоянного дрейфа льдов в глубоководной части арктических и дальневосточных морей для проведения ПРР необходимо создать технические средства в подводном исполнении;

- обустройство и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений на шельфе арктических морей в зоне припайного льда при глубинах воды 0-15 м можно проводить с помощью грунтовых островных сооружений различной конструкции, а в интервале глубин 10-60 м - с помощыо ледостойюое стационарных платформ. В зоне постоянного дрейфа ледяных полей в условиях глубокой воды с коротким межледовым периодом обустройство и эксплуатация месторождений возможны с помощыо подводных промыслов.

По картам районирования перспективными для проведения ПРР являются мелководные зоны арктических морей при глубине моря до 20-30 м. Следовательно, приоритетными типами МНГС являются ледяные ц грунтовые острова, а также мобильные стационарные гравитационные платформы. Для обустройства и эксплуатации нефтегазовых месторождений этих зон арктического шельфа приоритетны те же сооружения за исключением ледяных островов. Научные проблемы, имеющие место при создании приведенных типов сооружений являются приоритетны}.!)! в области морского нефтегазопромыелового гидротехнического строительства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основании анализа и обобщения опыта проектирования и строщельства МНГС в нашей стране и за рубежом впервые определена приоритетность факторов (гидрометеорологических, ншкенерно-геологическнх, геолого-технологических и промьшхленно-производственных), влияющих на выбор типа-МНГС й способа проведения буровых и эксплуатационных работ.

2. Впервые на Азовском море было проведено натурное комплексное исследование ледового режима, физихо-мехзгапеских характеристик льда, выявлен мехатюм и характер ладовых воздействий на сооружения, что позволило разработать:

- "Рекомендации по физико-механическим свойствам морского льда и выбору предела прочности ледяного покрова при определении ледовых нагрузок на опоры МНГС в Бейсугском лимане";

' ... -объекты обустройства Бейсугского и Стрелкового газовых месторождений, спроектированные и построешше на оснопашги полученных цанных;

- предложения по проведешпо буровых и эксплуатациошшх работ при освоении Стрелкового газового месторождения Азовского моря с помощью комбинированных конструкщгй МНГС;

- способ строительства стационарных платформ, который был внедрен три строительстве платформы для бурения разведочной скважины №15 в Зесугском лимане;

- предложения по ледово-пщромстеоролоппеским режимам Азовского лоря, включенные в баше данных Госкомгидромэта и опубликованных в >фицшотыюм справочнике "Гидрометеорологические условия шельфовой зоны юрей СССР (Черное н Азовское моря)": необходимых для разработки юнцепций, ТЭР, ТЭС, ТЭО и др. по освоешпо углеводородных ресурсов иельфа России.

3. На основании натурных экспериментальных и обобщения публикованных теоретических исследований получена эмпирическая ависимостъ по определению коэффициента местного смятия (Ксм) в области /к<1, позволившая определить ледовые нагрузки на опоры ледостойких 4НГС в условиях морей с умеренным ледовым режимом.

4. Разработана расчетная модель ледяных нагроможяешгй, позволяющая ценить предельное напряженно-деформируемое состояние ледяного агромождения как конструкции из отдельных стрежней.

5. Обоснован выбор способа намораживания с учетом гидрометеорологических условий мелководных частей арктических морей, разработаны конструктивные решения и способы, ускоряющие процесс строительства, а также обеспечивающие прочность и устойчивость ледяных островных сооружений.

6. С целью ускорения процесса намораживания и сокращешш срока строительства ледяного острова, а также выбора оптимального режима дождевания получены аналитические зависимости для определения высоты подъема и времени пребывания водяных капель в воздухе во время дождевашш (набрызга) с учетом механизма распространения струи и: водно-ледяного облака в потоке воздуха.

7. Впервые в отечественной практике в 1980, 1981 и 1983 годах выполнены натурные эксперименты по исследованию тсхнолопш строительства ледяных островов в мелководной части Карского моря, которые позволили установить, что;

- при строительстве ледяных островов эффективным методом ишораживанш является метод дождевания, эффективность которого достигается за счет более полного использования природных условий -холодного воздуха и замерзания воды в капельном режиме при оптимальных термодинамических условиях, а также большого объема холодного воздуха, участвующего в теплообмене с водно-ледяньш облаком;

- при образовании водно-ледяного облака (за счет потери устойчивости струи в потоке воздуха) 50% воды переходит в ледяной композит при температуре воздуха -20°С, остальная вода частично испаряется и стекает вместе с тем рассолом с поверхности острова;

- при намораживании ледяного острова из морской воды соленостью более 15%о необходимо разработать специальную тсхнояоппо по удалению рассола из ледяного массива и создать: новую конструкцию дождевальных установок, снабженных оригинальными форсунками;- .

- прочностные характеристики льда, ¡образованного методом дождевания, в существенной мерс зависят от технологии проведения набрызга размера падающих капель, частоты набрызга, интенсивности намерзания уплотнения массива образовавшегося льда и фильтрации рассола во времени, г также от температуры воздуха;

- искусственные Яедяные острова, не обеспеченные специальным! теплоизоляционными мероприятиями могут быть использованы дго проведения поисково-разведочного бурения в течение только одного сезона 1 мелководных условиях арктических морей; '

- лед, образованный способом дождевания можно считать статически однородным, т.к. анизотропия его слабо выражена. Эти результаты позволяют обосновать возможность применения математически обобщенной прочностной модели ледяного острова и для ее построения достаточно трех стандартных испытаний: на одноосное сжатие, растяжение и срез;

- ледяные островные сооружения безальтернативны в части экологической безопасности шельфа при их строительстве и эксплуатации.

8. Ледяные острова из всех типов нефтегазопромысловых пиротехнических сооружений при освоении шельфа являются наиболее экологически чистыми.

9. Созданы научно-технические основы разработки концепции освоения ресурсов нефти и газа континентального шельфа, позволившие:

- определить приоритетные направления развития МНГС с учетом перспектив развили поиска, разведки, обустройства и эксплуатации углеводородных месторождений шельфа;

- разработать концепцию определения зон технической доступности нефтегазоносных участков шельфа России.

10. Результаты экспериментальных, теоретических исследований и проектно-конструкторских разработок, полученные в данной работе, а также обобщение и анализ опьтга строительства и эксплуатации морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений позволили:

- сформулировать основные положения проектирования морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений (СНиП 2.06.01-86., раздел 16);

- создать базу первых в России ведомственных нормативных документов ВСН 41.88, реализуемых в деятельности ведущих отечественных организаций и зарубежных фирм, проектирующих МНГС для шельфа России;

- разработать "Пособие по проектированию ледостойких стационарных платформ", часть 1, 1990 г.;

-разработать РД "Указания по проектированию искусственных островных сооружений", РД 39-ИОС-91, Миннефтегазпром СССР.

11. Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил:

- в условиях Стрелкового газового месторождения более 1 млн.руб. в ценах на 1981 г.;

- при бурении разведочной скважины №15 в Бейсугском лимане 980 тыс.руб. в ценах на 1977 г.

По теме диссертации автором опубликовано 78 работ.

Основные результаты, изложенные в диссертации, отражены в следующих публикациях. -

1. Мирзоев Д.А. Временные рекомендации по выбору предела прочности ледяного покрова при определении ледовых нагрузок на опоры морских газопромысловых сооружений в Бейсугском лимане. Мингаэпром СССР, ВНИИГАЗ, М., 1976 г., (10 стр.).

2. Агапчев М.И., Саттаров Ч.Г., Мирзоев Д.А. Опыт проведения буровых работ на морских нефтегазовых месторождениях Аляски и арктических районов Канады. //Сер. "Разработка газовых газоконяенсатных месторождений" - М.: НТО ВНИИЭГазпром - 1977. - Вып. 17. (84 стр.).

3. Мирзоев Д.А., Макеенко В.И., Дудик Э.Ф. Экспериментальное исследование физико-механических харак-теристик льда Азовского моря в натурных условиях РНТС ВНИИОЭНГ. //Сер. Нефтегазопромысловое строительство. - 1977. - Ní3. - (стр.14-17).

4. Мирзоев Д.А., Макеенко В.И. Результаты натурных наблюдений ледового режима Бейсугского лимана за 1976-1977 (РНТС ВНИИОЭНГ// Сер. Нефтепромысловое строительство. - N¡10. - 1977. - (стр.23-25).

5. Мирзоев Д.А. Железобетонное ледостойкое основание для бурения скважин. // Экспресс-информация, Сер. 'Теология, бурение и разработке газовых месторождений". М.: ВНИИЭГазпром. - 1978. - Ná4, (стр.6).

6. Мирзоев Д.А. Морское ледостойкое основание. Экспресс-информация //Сер. Теология, бурение и разработка газовых месторождений", М. ВНИИЭГазпром. - 1978. - N¡6, (стр.14-15).

7. Мирзоев Д.А. Способ строительства отдельного основания для бурени скважин в мелководных районах Азовского моря. Экспресс-информация. //Cej "Геология, бурение и разработка газовых месторождений", М., ВНИИЭГазпром. 1978. - №8, (стр.7-8).

8. Мирзоев Д.А., Макеенко В.И. Исследование воздействия морского лм на нефтегазопромысловыс гидротехнические сооружения. "Разработка газовы месторождений Крайнего Севера". // Сборник трудов ВНИИГаз. М. - 197! (стр.98-160).

9. Мирзоев ДА,, Макеенко В.И., Стоюшко В.А. Установка д; исследования воздействия льда на опоры нефтегазопромысловых сооружени Экспресс-информация. .//Сер. "Геология, бурение и разработка газов! месторождений", М., ВНИИЭГазпром.- 1978. - N¡14, (стр.3-7).

10. Саггаров Ч.Г., Мирзоев Д.А., Маляр С.Н., Рубаненко J1.I Шибакина В.М. Метод проведения буровых и эксплуатационных работ условиях Азовского моря. - М.: ВНИИГазпром. Реф.сб. Бурения газовьа газоконденсатных скважин. - 1978. - №2 (стр.3-8).

-4511. Мирзоев ДА, Макеенко В.И. Ледовые исследования для проведения буровых и эксплуатационных работ в условиях Азовского моря. Обзорная информация. // Сер. "Бурение газовых и газоконденсатных скважин". - М.: ВНИИЭГазпром. - 1979. - №4, (43 стр.).

12. Мирзоев ДА, Бабаев ДА, Морозов М.А. Особенности проведения буровых И эксплуатационных работ в условиях замерзающих морей. Обзорная информация. // Сер. "Бурение морских нефтяных и газовых скважин". - М.: ВНИИЭГазпром. - 1980. -Вьот.2., (стр.44).

' 13. Мирзоев Д А., Макеенко В.И. Основные направления исследования факторов окружающей среды при освоении морских нефтегазовых месторождений". Экспресс- информация. //Серия: "Освоение ресурсов нефти и газа морских месторождетгёГ.М.: ВНИИЭгазпром. - 1980. - Вып.5., (стр.10-15).

14. Серебрякова АА, Николаев В.Г., Макеенко В.И., Мирзоев ДА Ледовые ¿¿¿следования на акваториях замерзающих морей за рубежом. Обзорная информация. //Сер. "Разработка и эксплуатация морских нефтяных и газовых месторождений". М.: ВНИИЭГазпром. - 1980. - вып.5„ (45 стр.).

15. Бабаев ДА, Грудницкий Г.В., Макеенко В.М., Мирзоев ДА Методы Возведете! и конструкции ледяных платформ для условий северных морей. Обзорная информация. //Сер. "Разработка и эксплуатация морских нефтяных и газовых Месторождений". М.: ВНИИЭГазпром. - 1981. - вып.5., (44 стр.).

16. Мирзоев ДА, Бабаев' ДА Способ монтажа ледостойкого свайного основания. //..АС 827687/СССР/. Опубл. Б.И. №17 1981 г.

17. Максутов РА, Мирзоев ДА, Вершинин С.А. Способ сооружения искусственного ледяного острова. //А.С. 1365762/СССР/. Приоритет изобретения 29.07.1983 г.

18. Мирзоев ДА, Мясковский Е.Г., Макеенко В.И., Еремеева Н.Г., Бабаев Д.А. Способ сооружения искусственного ледяного острова. //А.С. 1049615/СССР/. Опубл. №39 1983 г..

19. Савельев Б.А., Фаерман Н.Б.,Мирзоев ДА Способ упрочнения ледяного массива из морской водьпо //АС. №1167917, 1983 г.

20. Абаджян К А, Власкин АТ., Глонти В.М., Матвеев К.М., Мирзоев ДА, Серебрякова А.А. Создание нефтегазопромысловых гидросооружений для шельфа северных акваторий. // Журнал "Газовая промышленность" - 1984 г. -№5. - М.: Издательство "Недра", (стр.40-41).

21. Мирзоев Д А Проблемы изменил природной среды и строительства нефтегазопромысловых сооружений в условиях замерзающих морей. Материалы советско-финского симпозиума "Освоение нефтяных и газовых ресурсов континентального шельфа северных морей", М., 1984 г., (стр.35-41).

-46- '

22. Мирзоев Д.А., Вершинин СЛ., Сакс С.Е., Нагрелли В.Э. Основные направления исследования факторов окружающей среды и их воздействий на морские сооружения в условиях северных морей. // Тезнсы докладов областной научно-практической конференции. "Проблемы освоения шельфа арктических морей". - Мурманск, 1984., (стр.бб-70).

23. Мирзоев Д.А., Мясковский Е.Г., Макеенко В.И., Еремеева H.H. Способ создания и эксплуатации искусственного ледяного сооружения. //а.с. 1092240/СССР/. Опубл. 1964 г. Б.И. N818.

24. Мирзоев Д.А., Мясковский Е.Г., Макеенко В.И., Шибакин С.И. Способ создания стационарного ледового сооружения. Ц а.с. 1114735/СССР/. Опубл. Б.И. №35, 1984 г.

25. Шибакин С.И., Мясковский- Е.Г., Макеенко В.И., Мирзоев Д.А. Способ создания ледового пиротехнического сооружения. // а.с. Ns46, 1984 г.

26. Макеенко В.И., Мясковский Е.Г., Мирзоев Д.А. Искусственный намораживаемый остров, // а.с. 1165741/СССР/. Опубл. Б.И. №25 1985 г.

27. Мирзоев Д.А. Искусственные островные сооружения ш лада для освоения нефтегазовых ресурсов мелководной части замерзающих морей. Гидротехнические сооружения /Межвузовский сборник. - Владивосток. - ДВНИ. - 1986 г.. (стр.96-101).

28. Мирзоев Д.А. Нефтегазопромысловые сооружения континентального шельфа из льда. // Тезисы докладов первой всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР". М. - 1986.-Часть 2, (стр.81).

29. Мирзоев Д.А. Основные проблемы создания нефтегазопромысловых сооружений в условиях замерзающих морей. Тезисы докладов первой всесоюзной Конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР". М. - 1986 г. - Часть 2, (стр.61-62).

30. Гаврилов В.П., Максутов P.A., Мирзоев ДА., Шустер В Л. Возможность освоения нефтегазовых ресурсов арктических морей СССР современными техническими средствами. Тезисы докладов первой всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР". М. - 1986 г., Часть 2.

31. Мирзоев Д.А., Левенко А.Й., Нагрелли В.Э, Основные положения расчета ледостойких морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений. Тезисы докладов первой всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР". М. - 1986 г., Часть 2, (стр.73-76).

32. Мирзоев Д.А. Физико-механические характеристики льда. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Справочник. -т.З - Азовское море. - J1. - Гидрометеоиздат. - 1986 г., (стр.77-78).

33. Мирзоев Д.А., Вершинин С.А. Деформативность и прочность соленоводного льда искусственных островов. Гидротехнические сооружения. /Межвузовсукий сборник. - Владивосток. - ДВНИ. - 1986 г., (стр. 102-112).

34. Мирзоев Д.А. Основные направления исследований при создании нефтегазопромысловых сооружений континентального шельфа. Новые технические средства поиска и освоения нефтегазовых ресурсов континетального шельфа СССР. // Сборник трудов Московского института нефти и газа им. И.М.Губкина. - М. - 1987 г., (стр. 139-146).

35. Мирзоев Д.А., Нагрелли В.Э. Основные положения проектирования морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений. Строительные нормы и правила. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования (СНиП 2.06.04-86) - Госстрой. - М. - 1987 г., (стр.16-17, 28-29).

36. Мирзоев Д.А. Проектирование ледостойких стационарных платформ-М., 1988 г., ВСН 51-88, (стр.2-12).

37. Мирзоев Д.А. Воздействие морских ледовых образований на широкие конструкции и острова. Материалы конференции и совещаний по гидротехнике. Ледотермические проблемы в северном гидротехническом строительстве и вопросы продления навигации. (Лед-87. - Архангельск. - 25-27 июня 1987) -ВНИИГ им.Б.ЕВеденеева. - 1989. - (стр. 114-116).

38. Мирзоев Д.А. Опыт создают ледовых платформ и островов для бурешга морских нефтегазовых скважин за рубежом. Обзор, информ. /ВНИИОЭНГ сер. Строительство скважин). - 1989 г., (стр.58).

39. Мирзоев Д.А., Левенко А.И., Нагрелли В.Э. Проектирование ледостойких стационарных платформ: ВСИ 41.88 //Сборник научных трудов ВНИИморэнерго Миннефтегазпрома СССР. "Морские нефтегазопромысловые сооружения". - Рига. - 1989 г.(стр.38-42).

40. Мирзоев Д.А., Мясковский Е.Г., Макеенко В.И., Еремеева H.H. Способ создания и эксплуатации искусственного ледового сооружения. //A.C. 1092240/СССР/ Опубл. №18 1989 г.

41. Мирзоев ДА Проектирование ледостойких платформ. /Пособие к ВСН 41.88 Мингазпрома СССР/. М.: ВНИПИморнефгегаз - 1989 г., (стр.2-9).

42. Мирзоев Д.А. Ледяные разведочные нефтегазопромысловые сооружения континентального шельфа /ИС. Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ. - 1990. - вып. 10, (стр.48-51).

43. Мирзоев Д.А. Методика разработки концепции освоения ресурсов нефти и газа континентального шельфа /ИС. Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внелрения в нефтяной промышленности -М.: ВНИИОЭНГ. - 1990. - вып.9, (сгр.27-29).

44. Мирзоев Д.А., Макеенко В.И. Строительство ледяного острова для разведочного бурения. Тезисы докладов Второй Всесоюзной конференции "Комплексное освоеше нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР". - М. - Часть 11. - 1990 г., (стр.52-53).

45. Мирзоев ДА, Шибакин С.И., Хахалина С.Н. Эффективные методы намораживания ледяных островных сооружений. Тезисы докладов Второй Всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР". - М. - Чаш» 11. - 1990 г., (стр.51-52).

46. Мирзоев ДА. Нефтегазопромысловые ледостойкие сооружения мелководного шельфа. - М.: ВНИИОЭНГ. - 1992 г., (стр.155).

47. Мирзоев ДА Особенности конструкции, проектирования и технологии строительства сооружений для разработки арктических месторождений. /Тезисы докладов 1 международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России", сентябрь 1993 г. - Санкт-Петербург, СПГТУ/, (стр.3б-39).

48. Мирзоев ДА Особенности конструкций, проектирования п техиолопш строительства сооружений для разработки арктических месторождений. "Гидротехническое строительство", №3, 1994 г., (стр.24-29).

49. Mirzoev DA, Kopaygorodski Е.М. Guidelines - for Research of Environmental Factors and their Influence on Oil-Gas-Production Faslities in Ice-Covered Regions of the Arctic/The seventh International Conference on port and ocean ingineering under arctic conditions. Helsinki, Finland, 5-9 April I983//POAC-83, Vol.2, (pp.960-970),

50. Issangulov K.I., Poroshin V.G., Mirzoev D.A. The main trends of the offshore oil and gas production structures development the freezing sea conditions. International Offshore and Navigation Conference-and Exibition. Helsinki, Finland, 27-30 October, 1986//Polaartech 86, Vol.3 (pp. 160-166).

51. Mirzoev DA, Vershinin S.A. Properties of salt water ice as material islands construction. International Offshore and Navigation Conference and Exibition. Helsinki, Finland, 27-30 October, 1986//Polaartech 86, Vol.3 (pp.187-194).

52. Mirzoev DA Ice feature influce on wide constractions and islands. International Offshore and Navigation Conference and Exibition./Polaartcch 90.

53. Mirzoev D.A. Ice Island Structures for exploration drilling. The ice mechanics and its, applications. The First Soviet-American Workshop. The Abstracts. Moscow, USSR, 1991, (pp.31-32).

54. Mirzoev DA "Peculiarities of constructions, designins and teclinology of structures building for development of Arctic deposits. 1-st International Conference "Development of Russian Arctic Offshore", RAO 93, Saint-Petcrburg, 1993, (pp.23-28).