автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.02, диссертация на тему:Ледотехнические аспекты создания объектов обустройства морских месторождений нефти и газа

УДК 551.467:621.643:622.276

На правах рукописи

ТРУСКОВ ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

Ледотехнические аспекты создания объектов обустройства морских месторождений нефти и газа ( на примерз Охотского моря )

Специальность: 05.08.02 - строительная механика корабля 11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Сахалинском научно-исследовательском и проектно-изыскательском институте "СахалинНИПИморнефть"

Научный консультант: доктор физ.-мат.наук

Вершинин С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Литонов O.E. доктор физ.-мат наук Шхинек К.Н. доктор географических наук Панов В.В.

Ведущая организация: Государственное предприятие научно-исследовательсю и проектно-конструкторский институт по проблемам освоения нефтяных и газовых ресурсов континентального шельфа "ВНИПИморнефтегаз" ^ (г.Москва)

Защита состоится " /т^ " огст Я997 г. в 40 час. на заседай дисертационного совета Д 130.01.01 прй государственном научном центре I ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова по адресу: 196158, Санкт-Петербург, Московск шоссе, 44

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ЦШ-им.акад.А.Н.Крылова

Автореферат разослан:" 9" 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. i Дорин B.C.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования

Актуальность выполненного исследования обусловлена реальными перспективами освоения морских нефтегазовых ресурсов шельфа о.Сахалин. Существующий скромный опыт хозяйственного освоения шельфа арктических и субарктических морей убедительно показал, что технико-экономические показатели разработки месторождений нефти и газа этих районов зависят от изученности ледовых условий. Например, слабая изученность параметров ледяного покрова и физической картины взаимодействия морского льда с опорами ледостойких платформ привела к нерентабельности промышленной разработки открытых в начале 70-х годов месторождений в море Бофорта.

Первые сооружения для глубины моря 30 м проектировались на ледовые нагрузки в 15000 МН. Интенсивные исследования в течение почти двух десятилетий выше указанных проблем позволили снизить расчетные нагрузки в 15 раз, что обеспечивает экономическую целесообразность разработки нефтегазовых месторождений.

Подобная картина наблюдается и с освоением углеводородных ресурсов шельфа о.Сахалин.

Слабая методическая база исследования параметров ледяного покрова как объекта воздействия на нефтегазопромысловые сооружения привела к моменту разработки проекта "Сахалин-2" к существенному завышению их проектных критериев.

Выбор рационального способа использования ледовой информации является методической задачей, решение которой базируется на существующих или вновь разрабатываемых методологических принципах.

Основными методологическим принципом, который использовался автором, был учет последовательности этапов планирования и реализации планов при управлении процессом освоения нефтегазовых ресурсов акваторий замерзающих морей. При этом учитывалось, что исходная информация (в частности ледовая) в основном определяет принятие решений на этапе планирования освоения конкретного региона. Так, сведения об условиях работы объектов обустройства морских месторождений представляют интерес только на этапе их проектирования. После того как месторождение обустроено, процесс изучения может представлять интерес только при:

оптимизации конструктивных решений нефтегазопромысловых сооружений;

обеспечении их безаварийной эксплуатации;

мониторинге ледовых условий.

Указанное обстоятельство обуславливает преобладающее использование ледовой информации в форме прогноза. Объясняется это тем, что этапы

планирования и реализации плана неизбежно разделены временным интервалом различной длительности. Следовательно, информация о состоянии среды является прогнозом, заблаговременность которого равна временному интервалу, разделяющему оба этапа управления.

Актуальность и практическая ценность выполненного исследования заключается в разработке новых методов ледовых исследований, отражающих специфические условия взаимодействия в системе лед-нефтегазопромысловые сооружения, и учета их результатов для обеспечения рациональных технических решений указанных выше объектов транспорта углеводородного сырья.

Обеспечение ледовой информацией морской нефтегазодобычи имеет свои особенности. Его основной отличительной чертой, от обеспечения других отраслей народного хозяйства является не очевидность прогностического характера представляемой информации. Обычно используются сведения вероятностно-статистического характера. В частности, в зарубежной проектной практике используются в основном функции плотности распределения вероятности и параметров ледяного покрова. Прогностический характер таких данных обусловлен тем, что они получены в прошлом, используются же с расчетом на будущее. Правомерность такого подхода не может быть без предположения, что выборка, обработка которой привела к получению нормативных значений параметров ледяного покрова, репрезентативна не только по отношению к прошлому, но и по отношению к будущему (равному периоду эксплуатации конкретного месторождения). Поэтому автор уделял особое внимание факту установления универсальности законов распределения отдельных параметров и их чувствительности к продолжительности и методам1 получения данных.

Это обусловило формирование тематики, цели и задач настоящего исследования.

Цель работы

На основе комплексного исследования пространственно-временной трехмерной (отдельных параметров) изменчивости параметров ледяного покрова, а также особенностей взаимодействия в системе "лед-нефтегазопромысловое сооружение" сформулировать, обосновать и разработать научно-практические положения, совокупность которых представляет теоретическое обобщение и решение крупной народно-хозяйственной проблемы - освоение углеводородных ресурсов арктических и замерзающих морей России. Для достижения этой цели решены основные задачи:

• выполнен анализ ледовых условий акваторий обустройства;

• исследованы особенности работы нефтегазопромысловых сооружений в конкретных физико-географических условиях;

• разработана методология выбора оптимального профиля заглубления подводного трубопровода и других технических средств;

У/

• обоснован выбор района размещения экспортного терминала;

• выполнена типизация ледовых сценариев для планирования мероприятий по борьбе с аварийными разливами нефти.

Научная новизна и практическая значимость результатов

Впервые на междисциплинарной основе разработан, обоснован и практически использован подход к исследованию ледяного покрова как объекта воздействия на нефтегазопромысловые сооружения с учетом физической картины взаимодействия в системе "лед - сооружение".

Основные положения диссертационной работы, имеющие характер новизны, заключаются в следующем:

• выполнены и теоретически обобщены результаты многолетних исследований сезонной изменчивости параметров ледяного покрова акваторий конкретных месторождений нефти и газа;

• обоснована методология исследования пространственной неоднородности физико-механических свойств морского льда, учет которой может привести к существенному снижению расчетных ледовых нагрузок;

• исследована неоднородность вертикального строения стамух и дрейфующих торосов и на этой основе параметризованы их проектные модели;

• разработаны методы учета ледовых воздействий при проектировании подводных линейных и точечных нефтегазопромысловых сооружений;

- • определены наиболее вероятные виды взаимодействия ледостойкой стационарной платформы с учетом сезонной эволюции ледяного покрова;

• теоретически обоснованы возможные сценарии для планирования мероприятий по борьбе с аварийными разливами нефти с учетом динамики ледяного покрова и параметров взаимодействия в системе "атмосфера - снег - лед - вода".

Практическая значимость работы формулируется в следующих положениях:

• решена крупная народнохозяйственная задача проектирования объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений с учетом особенностей ледовых ресурсов;

• многие методологические, технические и технологические решения были использованы при разработке технико-экономических обоснований проектов "Сахалин - 1" и "Сахалин - 2".

Работа в целом может рассматриваться как практическое руководство при разработке проектов обустройства нефтегазовых месторождений арктических и замерзающих морей России.

Диссертация является результатом завершенных исследований в процессе выполнения научных тем и разработки конкретных проектов, завершившихся

проектированием нефтегазопромысловых сооружений. При выполнении этих работ автор являлся ответственным исполнителем, возглавлял рабочие группы или являлся экспертом по ледовым вопросам в различных международных проектах.

Достоверность результатов исследования обеспечена многолетними наблюдениями автора, а полученные выводы не противоречат основным физическим законам.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс натурных исследований и статистический анализ основных исходных данных в свете решений инженерных задач.

2. Физические модели ледовых образований и их разрушений при взаимодействии с объектами обустройства морских месторождений нефти и газа.

3. Математические модели взаимодействия морского льда с объектами шельфа.

4. Анализ результатов численного счета и сопоставление с натурными данными. Практические рекомендации и предложения к нормированию ледовых нагрузок на МЛСП и трубопроводы.

5. Экологичские аспекты морской нефтегазодобычи и обеспечение планирования борьбы с аварийными разливами.

Апробация работы

Основные научные результаты исследований докладывались и обсуждались на: Ученом совете "СахалинНИПИморнефть" (Оха, 1984 - 1995 гг.); научных семинарах: отдела гидрологии океана ДВНИГМИ (Владивосток, 1989), отдела ледового режима и прогнозов и физики льда ААНИИ (Ленинград, 1989 г.), отдела морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра СССР (Москва, 1989); заседании Президиума академии Транспорта РФ (Санкт-Петербург, 1995 г.); Всесоюзных конференциях и совещаниях: "Экономика освоения океана'' (Владивосток, 1985), "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР" (Москва, 1986), "Лед -87" (Архангельск,

1987), Совещание на ВДНХ СССР, (Москва, 1986), III конференции по механике и физике льда (Москва, 1988), IX Гляциологическом симпозиуме (Тбилиси.

1988); Международных конференциях и симпозиумах: РАСОМ (Сеул, 1990) ISOPE (Эдинбург, 1991; Сан-Франциско, 1992; Сингапур, 1993; Гаага, 1995): ОМАЕ (Хьюстон, 1994); РОАС (Гамбург, 1993; Мурманск, 1995), Okhotsk Sea & Sea ice (Момбецу, 1990-1996), RAO (Санкт-Петербург, 1995).

Публикации

Результаты работы опубликованы в 60 статьях и докладах, в том числе ¿ авторских свидетельства на изобретения, написанных как индивидуально, так i

в соавторстве. Наиболее существенные из опубликованных работ приведены в конце автореферата.

Личный вклад диссертанта в исследованиях, выполненных в соавторстве, заключался в постановке задач, разработке методов экспериментальных исследований, теоретическом обобщении полученных данных.

Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, объемом 256стр. машинописного текста, включает 55 рисунков, 56 таблиц. Список литературы состоит из 158 наименований.

Содержание работы

Во введении дана характеристика современного состояния ледовых исследований для проектирования технических средств освоения ресурсов нефти и газа морских месторождений, на основании чего показана актуальность, научная новизна темы, практическая значимость и цель исследований. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ технических и технологических решений по обустройству месторождений нефти и газа в ледовых условиях и основных проблем, возникающих в процессе их возникновения. На основе анализа нефтегазоносности акваторий шельфа показано, что реальные перспективы ближайшей промышленной разработки связаны с освоением месторождений шельфа Охотского моря в рамках проектов "Сахалин-1" и "Сахалин-2"

Реализация проектов "Сахалин-1" и "Сахалин -2" будет осуществляться с использованием следующих технических средств:

• морские ледостойкие стационарные платформы (МЛСП);

• подводно-устьевые комплексы;

• морские трубопроводы;

• завод сжижения природного газа (СПГ);

• сооружения по отгрузке нефти, конденсата и СПГ на экспорт.

Принципиальные проектные решения этих средств приняты с учетом

исходных данных и специфических условий проектирования, строительства и эксплуатации объектов обустройства и транспорта нефти и газа морских месторождений, расположенных на замерзающих акваториях с длительным периодом автономности, в течение которого необходимо обеспечить:

• непрерывность технологических процессов бурения и эксплуатации скважин, сбора, подготовки и транспорта нефти и газа до береговых сооружений;

• возможность персоналу собственными силами вести борьбу за живучесть платформы при пожарах, взрывах и других экстремальных ситуациях;

• спасение людей автономными средствами в катастрофических ситуациях;

• экологическую безопасность ведения всех работ на МЛСП и подводных трубопроводах, исключающую загрязнение Охотского моря.

Рассматриваются также океанологические аспекты освоения нефтегазовых ресурсов морей с сезонным ледяным покровом. Отмечается, что интенсификация нефтегазоразведочных работ в условиях замерзающих морей требует тщательного учета особенностей ледового режима акваторий месторождений. Выполнен сбор и анализ элементов ледового режима акваторий морской нефтегазодобычи, находящихся в настоящее время в промышленной эксплуатации. Рассматриваются проблемы организации, проведения и приборного обеспечения ледоисследовательских работ для целей освоения морских месторождений. Анализ особенностей их обустройства показал, что независимо от способов эксплуатации месторождений, нефтегазопромысловые сооружения (НС) являются объектом воздействия ледяного покрова (ЛП). Установлено, что основной отличительной чертой исследования ЛП как Среды судоходства от изучения его для целей морской нефтегазодобычи является фиксированное пространственное положение НС. Это приводит к необходимости лагранжевого подхода к изучению ледовых условий акваторий нефтегазовых месторождений. В результате выполненного в этой главе обзора и анализа зарубежных источников установлено, что такой подход обеспечивает этап проектирования наиболее достоверными исходными данными о реальных условиях работы морских сооружений.

Ледовые условия представляют наибольшую трудность для учета при проектировании морских ледостойких стационарных платформ (МЛСП) "и подводных трубопроводов. Анализ состояния основных конструктивных решений МЛСП показал, что преобладающее влияние на них оказывает динамика ледяного покрова. Параметры дрейфа льда определяют форму опорной части стационарной платформы, влияют на динамику, существенно сказываются на параметрах и формах разрушения ледяного поля при взаимодействии с конструкцией и величинах глобальной и локальной нагрузках. Исследования показали, что наибольшие проблемы для сооружения представляют поля сморози за счет значительной пространственной неоднородности физико-механических свойств льда. Помимо кинематических параметров и физико-механических свойств морского льда на конструктивные решения НС оказывают морфологические параметры ледяного покрова.

В результате выполненного обобщения океанологических аспектов освоения нефтегазовых ресурсов шельфа замерзающих морей сформулированы основные проблемы проектирования средств океанотехники, обоснован комплексный подход к исследованию ЛУ и основные методические положения проведения ледоисследовательских работ на акваториях месторождений нефти и газа северо-восточного шельфа о.Сахалин.

Вторая глава посвящена теоретическому обобщению результатов исследований параметров ледяного покрова северо-восточного шельфа О.Сахалин. Ледовым условиям Охотского моря, и в частности шельфа острова, в различное время были посвящены работы Бирюлина Г.М., Кан С.И., Каркаш А.И., Ковшова В.Д., Крындина А.Н., Петрова А.Г., Плотникова В.В., Скокова P.M., Столяровой Г.А., Якунина Л.П., Паркинсона (Parkinson), Акагавы (Akagava), Кавалиери (Cavalieri) и др. Эти работы посвящены в основном региональным прогнозам фаз ледовых явлений, морфологических параметров ледяного покрова, распространению и устойчивости припая для обеспечения зимней навигации. Результаты исследований указанных авторов могут быть использованы только на этапе планирования нефтегазоразведочных работ и не обеспечивают требований морской нефтегазодобычи на этапе проектирования промышленного освоения месторождений. Частично этим требованиям удовлетворяют результаты эпизодических работ по изучению параметров ледяного покрова на акваториях месторождений нефти и газа, полученные СахУГМС в 1972 - 86 гг. и нашедшие отражение в работах Скокова P.M. Некоторые материалы были получены также в период краткосрочных экспедиций на ледоколе "Ермак" в Охотском море в 1982 - 83 гт. В этой главе представлены результаты комплексных исследований ледяного покрова, выполненных по методике автора в период 1983 - 95 гг. с учетом требований рационального проектирования средств океанотехники.

Основное внимание уделялось исследованию особенностей дрейфа ледяного покрова и характеру его изменчивости в течение зимы. Вклад в формирование закономерностей дрейфа льда гидрометеорологических параметров изучался при помощи спектрального анализа. Характер изменчивости спектральной плотности модуля скорости дрейфа, осредненного за один час, представлен на рис.1.

Период час

Рис. 1 Спектры скорости суммарного дрейфа льда

Показано, что основной вклад в спектр скорости дрейфа вносят приливно-отливные течения суточного типа (январь - март) и полусуточного (апрель -май). Помимо приливных колебаний в распределения спектральной плотности

скорости дрейфа отмечаются составляющие синоптического масштаба с периодом 2.3 - 9.6 суток, внутрисуточные 19-21 час, инерционные 12 -16 часов. При этом амплитуда спектра меридиональной составляющей скорости дрейфа изменяются от 2500 см2/с2 в феврале до 600 см2/с2 в марте и превосходит амплитуду зональной составляющей в 10 - 15 раз. Отмечается существенная изменчивость спектральных характеристик временных рядов модуля скорости дрейфа льда на различных расстояниях от берега.

Исследование показало, что акватории нефтегазовых месторождений располагаются в высоко динамичном районе с широким диапазоном изменчивости параметров дрейфа льда.

Динамика ледяного покрова определяет закономерности пространственного распределения морфологических параметров и физико-механических свойств льда. Одной из особенностей в пространственной структуре ледяного покрова является увеличение среднемесячной сплоченности льда с февраля до мая. Этот факт говорит о том, что условия работы морских сооружений в период максимальной ледовитости могут быть легче, чем в период разрушения ледяного покрова.

Акватории нефтегазовых месторождений характеризуются постоянной деформацией ледяного покрова, сопровождающейся торосообразованием и разрушением ледяных полей. Разрушение в значительной степени компенсируется смерзанием, в результате которого формируются поля сморози. Вероятность встречи МЛСП с такими полями составляет 2 - 4 %. В феврале -марте преобладают поля и обломки полей, а в апреле - мае - битый лед. В течение зимы встречаются практически все формы и возрастные виды дрейфующего льда. Возникают ситуации, когда они наблюдаются одновременно, особенно в период максимального развития ледяного покрова. В течение этого периода преобладают молодые льды и нилас, что вызвано высокой повторяемостью ( до 30 %) заприпайной полыньи шириной до 30 км. В апреле отмечается увеличение доли однолетних льдов в дрейфующем массиве. Площадь, которую они занимают, изменяется из года в год от 68 до 94 %. В мае отмечаются преимущественно однолетние льды, и занимаемая ими площадь увеличивается до 100 %. Среди однолетних льдов наибольшую площадь занимают тонкие льды. В апреле она изменяется от 31 до 55 %. Доля однолетнего льда средней толщины испытывает наименьшую изменчивость и имеет тенденцию к увеличению от марта к апрелю, сохраняя ее и в мае (до 48 %). В марте и апреле изменчивость площади однолетнего толстого льда колеблется в пределах 6 - 25 %. В мае характерно ее резкое увеличение до 52 %. Указанные особенности изменчивости возрастных форм льда в течение зимы сказывается на характере пространственно-временной изменчивости толщины льда. В период максимальной ледовитости моря нет явного преобладания льда определенной толщины. Даже в пределах одного поля толщина льда может отличаться до 0.6 м от ее математического ожидания. В апреле - мае отношение льдов различной толщины следующее: 0.3 м - 26 %; 0.7 - 1.2 м - 54 %; больше

и

1.2 м - 18 %. Средняя в течение ледового периода толщина льда естественного происхождения составила 1.09 ± 0.21 м.

Торосистость однолетних и наслоенность молодых льдов и ниласа в течение зимы велика. Отмечается, что чем больше возраст льда, тем величина торосистости выше. Например, торосистость белого льда 50%-ной обеспеченности составила 2.8 б, однолетнего средней толщины - 3.1 б, однолетнего толстого - 3.3 б. Средняя высота торосов изменяется от 1.1 м в феврале до 1.8 м в апреле. Закономерностей в пространственном распределении торосистости не установлено. В качестве расчетной величины количества торосистых гряд на километр ледяного покрова предлагается принимать в феврале - 2; в марте - 3; апреле - 4.

Рассмотрены особенности воздействия дрейфующих торосов на морское дно. При этом установлено:

зона наиболее вероятного воздействия торосистых образований на морское дно ограничивается изобатой 19 -22 м;

отмечаются единичные воздействия на глубинах моря до 30 м; наиболее вероятная масса стамух 20 - 40 тыс.т, могут встречаться отдельные образования весом до 0.5 млн.т.;

формирование стамух сопровождается силовым воздействием на морское дно при этом параметры борозды могут достигать: длина - 20-75 м, ширина - 5 -25 м, глубина - 0.4 - 2.5 м.

Параметры исследованных торосов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Внутреннее строение торосов прибрежной зоны северного Сахалина

\

Район Одопту Сахалинский залив Северный залив Общие данные

Параметр средн. макс. средн. макс. средн. макс. средн. макс.

Верхняя часть, м. 1.5 5.0 1.0 7.0 3.5 8.0 1.5 8.0

Консолидированная часть, м. 2.9 7.2 4.1 8.5 1.4 3.2 3.2 8.5

Нижняя часть, м. 8.5 12.7 4.8 9.8 5.6 9.5 5.5 12.7

Общая высота торосов, м. 12.9 16.4 10.1 16.0 10.2 15.3 10.5 16.4

Пористость верхней части, % 43 30 26 31

Пористость нижней части, % 23 15 28 20

Пористость всего тороса, % 16 10 23 13

Соотношение между верхней, консолидированной и нижней частями 1:2:6 1:3.3:4 2.3:1:3.7 1:2:3.3

Возраст торосов, мес. 1 2 0.5

Обобщение обширного материала по физико-механическим свойствам льда позволило определить наиболее вероятный диапазон их изменчивости. Показано, что в период январь - март ледяной покров обладает ярко ■выраженной пространственной анизотропией прочности, а закон ее

распределения существенно подтверждается рис.2.

зависит от

методов

ее исследования, что

N=125 К,=44.78%

2 момент=0.199

3 момент-0.082

4 момент=0.18б

/=!34.598х'ме5ю'

Яс», МПа

Рис.2 Гистограммы относительных частот и плотность распределения относительной прочности льда на сжатие для точки (а), профиля (б) и полигона

(в)

Исследования автора показали, что в период январь - март естественное дрейфующее поле находится в сложном напряженном состоянии, вызванном неоднородностью его физических свойств. При этом:

изменчивость температуры льда в пределах одного горизонта в различных его точках может достигать 5 - 7°С, вертикальный градиент нередко превышает 10°С;

участки льда с максимальной прочностью занимают 10 - 20 % исследуемой площади;

наблюдается изменчивость кристаллической структуры льда по вертикали, что приводит к изменению его прочности в 1.5 - 3 раза;

прочность верхнего и нижнего горизонтов льда (общей толщиной до 0.20 м) не превышает 20 - 30 % от прочности среднего горизонта.

В результате выполненных обобщений и анализа натурных материалов выявлены основные закономерности эволюции ледяного покрова на северо-

восточном шельфе о.Сахалин. Отмечается, что аналога промышленного освоения таких районов в мировой практике не существует. Наибольшие проблемы для нефтегазопромысловых сооружений будут представлять ледовые условия, характерные для периода март - май. Этот период должен рассматриваться в качестве расчетного при выборе нормативных значений элементов ледового режима, необходимых для проектирования обустройства морских месторождений нефти и газа.

Третья глава посвящена обоснованию наиболее вероятных условий работы ледостойких стационарных платформ. Обосновывается методический подход к выбору нормативных значений с учетом физической картины взаимодействия дрейфующего ледяного покрова с нефтегазопромысловыми объектами и его реологических свойств в конкретных физико-географических условиях. В качестве расчетного случая рассматривались ледовые условия, характерные для периода март - май.

Выбор расчетных значений размером ледяных полей осуществлялся в соответствии с алгоритмом, предложенным Д.Е.Хейсиным (1974) и Ротроком (ЛоЛгоск, 1984). Многолетний опыт автора по измерению толщины ровного льда показал сложность разделения его по данным бурения на лед термического происхождения и наслоенный. Поэтому с учетом полученных зависимостей предложено в качестве критерия толщины ровного льда термического происхождения использовать величину равную 1.6 м. Толщина наслоенного льда обычно не превышала две толщины ровного льда. Все остальные льды классифицировались как торосистые образования.

В практике гидротехнических расчетов непосредственное воздействие торосистых образований на опоры ледостойких платформ учитывается путем введения в расчетные зависимости коэффициента торосистости (Кт). Кт рассматривался в данной работе как отношение толщины средней монолитной части тороса к расчетной толщине ледяного покрова. Показано, что в зависимости от возраста и условий формирования тороса наиболее вероятная толщина средней части составляет 22 - 54% его вертикальных размеров. Это соответствует К? равному 2.2 - 3.0. В экстремальных случаях этот коэффициент увеличивается до 4.0. Расчетные значения вертикальных размеров (интегральной толщины) дрейфующих торосов определялись с учетом срока эксплуатации месторождений, динамики ледяного покрова и его морфологических особенностей. На рис.3 представлен расчетный профиль тороса, а в табл.2 - его прочностные параметры, расчитанные различными способами по моделям, разработанным на основе наблюдений за торосистыми образованиями в припае.

2Н

Рис.3 Расчетная модель дрейфующего тороса Охотского моря

Таблица 2

Результаты расчета пределов прочности торосов на растяжение и срез (по данным исследования стамух)

1 способ 2 способ с учетом в примерзше ПОК] эздействия го ледяного эова

5, МПа т, МПа 5, МПа т, МПа 5, МПа х, МПа

Стамуха I 0.070 0.020 0.052 0.012 0.100 0.026

0.072 0.020 0.039 0.010 0.092 0.024

Стамуха II 0.065 0.020 0.029 0.011 0.097 0.025

Наибольший интерес с точки зрения обеспечения эксплуатационной надежности представляет дрейф льда сплоченностью более 7 б. Для таких ситуаций определены максимальные скорости дрейфа льда различных форм и возраста. Отмечается, что изменчивость скорости дрейфа приводит к широкому диапазону скоростей деформации льда 8 при его взаимодействии с опорами МЛСП. Наиболее вероятный диапазон изменчивости £ составил 10"4 -г 10"2 с1. При этом установлено, что скорость деформации зависит от формы воздействующего льда.

Практический интерес представляет также дрейф отдельных ледовых образований под воздействием ветра, волн, течений (Вершинин, 1987). Получены совместные распределения их массы и скорости дрейфа.

В инженерной практике ледяное поле рассматривается как трансверсально - изотропная плита эквивалентной толщины на упругом основании. В такой постановке в расчеты должна вводиться максимальная прочность льда.

гл

Анализ результатов, полученных в ходе моделирования воздействия бесконечного ледяного поля со случайным распределением прочности льда при одноосном сжатии в горизонтальной плоскости на сооружение больших поперечных размеров с вертикальными гранями, позволяет сделать следующие выводы:

случайное изменение значения прочности льда на сжатие (Rc), от точки к точке, ледяного покрова хорошо описывается логарифмически нормальным гамма-распределением;

значения в точках, отстоящих друг от друга на расстояние 10 м, и более слабо коррелированы, и могут считаться в практических инженерных приложениях статистически независимыми величинами;

безразмерные значения максимальной ледовой нагрузки (коэффициента смятия), полученные в ходе численного моделирования в условиях плановой неоднородности прочностных свойств льда, хорошо удовлетворяют логнормальному распределению;

учет плановой неоднородности прочностных свойств льда приводит к заметному снижению расчетного значения коэффициента смятия, а, следовательно, и расчетного значения расчетной ледовой нагрузки. Величина этого снижения зависит от расчетного уровня квантиля, который в настоящее время не стандартизирован. Ныне действующий нормативный документ СНиП-2.06.04-82 вообще никак не регламентирует его. ВСН 41.2-88 требует при расчете использовать среднее значение прочности льда при одноосном сжатии, что соответствует уровню квантиля 0.5. В этом случае значение расчетной ледовой нагрузки, соответствующее тому же уровню квантиля, то есть фактически среднее коэффициента смятия, будет на 15% меньше, чем полученное в условиях однородного льда. Если использовать в качестве расчетного значение прочности льда при одноосном сжатии 99%-обеспеченности (уровень квантиля 0.99), то значение коэффициента смятия 99%-обеспеченности будет на 18% меньше, чем полученное в условиях однородного ледяного покрова.

Полученные результаты моделирования показывают практическую важность исследования трехмерной неоднородности прочности дрейфующих ледяных полей. Правильный учет этого явления ведет к существенному снижению расчетной ледовой нагрузки.

Разработаны рекомендации по учету особенностей ледового режима при проектировании обустройства морских нефтегазовых месторождений.

Рассмотрены вопросы взаимодействия дрейфующих ледяных полей с опорами стационарных платформ. Особое внимание обращалось на определение максимальной продолжительности ситуаций с малоподвижным (скорость дрейфа менее 3 см/с) ледяным покровом (ЛП). В табл.3 приведена вероятность совместного распределения непрерывной продолжительности таких ситуаций и температуры воздуха различных градаций. Установлено, что вероятность смерзания ледяного покрова с опорами МЛСП незначительна.

Таблица 3

Совместное распределение непрерывной продолжительности квазистационарного ледяного покрова и температуры воздуха. Январь-май 1984-87 гг.

Температура °С Продолжительность, ч

1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24 24

0-М 13.3 2.8 1.6 - 0.4 0.4 - - -

-4-5-8 9.0 5.0 0.8 - - - - 0.4 0.8

-8+ -12 12.1 7.5 3.4 0.8 - - - - -

-12-Г-16 7.0 4.7 2.0 0.4 - 0.4 0.4 - -

-16+-20 7.4 4.6 - 0.4 - 0.4 - - -

-20-Г-24 5.9 3.9 0.8 - - - - - -

-24-5-28 3.5 1.6 0.4 - - - - - -

Сумма 54.7 32.5 8.0 1.6 0.4 1.2 0.4 0.4 0.8

Особенности динамики ледяного покрова приводят к полициклическому разрушению льда при взаимодействии с сооружениями. Количество циклов загружений их опорной части с учетом данных табл.4 может составить 10б -г107 в течение одного года эксплуатации, что требует проведения расчетов металлических конструкций на усталость.

Таблица 4

Суммарная продолжительность воздействия льда различной толщины по

градациям скорости и направления (январь-май)

ь, м V, м/с ' -'-'-------1---1 Г, час

С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ Сумма

<0.5 0.03-0.1 1 0 1 10 9 0 0 0 180

0.1-0.5 13 0 1 30 40 1 1 5

0.5-1.0 6 0 1 12 42 0 0 1

>1.0 0 0 0 2 4 0 0 0

0.5-1 0.03-0.1 6 0 8 30 26 0 4 1 1221

0.1-0.5 160 5 9 164 238 6 3 51

0.5-1.0 82 0 2 72 252 3 0 7

>1.0 1 0 0 12 33 0 0 1

1-1.5 0.03-0.1 1 0 2 24 19 0 2 0 493

0.1-0.5 56 1 2 63 117 2 1 15

0.5-1.0 31 1 1 27 115 0 0 3

>1.0 1 0 0 2 7 0 0 0

<1.5 0.03-0.1 4 2 6 13 11 1 3 0 854

0.1-0.5 138 8 9 96 198 7 4 38

0.5-1.0 68 2 3 31 176 2 1 7

>1.0 5 0 0 4 16 0 0 1

Сумма 573 19 45 592 1348 22 19 130 2748

По результатам исследования особенностей ледовых условий в качестве прогностической оценки выявлены наиболее вероятные виды воздействия ледяного покрова на нефтегазопромысловые сооружения, представленные в табл.5.

Таблица 5

Наиболее вероятные виды воздействия ледяного покрова на ЛСП в условиях северо-восточного шельфа о.Сахалин

Период Характер взаимодействия

декабрь-январь 1. динамический удар; 2. прорезание молодых льдов

февраль-1 декада апреля 1. воздействие полей сморози; 2. слабое смерзание, возникновение нагромождений; 3. воздействие крупных торосистых образований

II декада апреля-май-июнь 1. воздействие битого изотропного льда; 2. взаимодействие с отдельными образованиями при волнении

Наиболее вероятное Полициклическое нагружение, воздействие полей сморози и битого льда

Четвертая глава посвящена разработке математических моделей и теоретическому обоснованию обеспечения безаварийной эксплуатации подводных линейных и точечных нефтегазопромысловых объектов при воздействии ледовых образований. Было показано, что ключевым параметром ( учитывающим воздействие торосов на трубопровод ), необходимым для определения оптимального варианта заглубления трубопровода, является математическое ожидание числа пересечений трубопровода М за расчетный период времени т ( обычно за год ).

Математическое ожидание М может быть определено, если известно: т- -математическое ожидание числа пересечений бороздами трассы трубопровода и р(Ъ) - плотность распределения глубин к внедрения торосов в грунт:

М — т

1- ¡¿ЩМ

(1)

где к, - заглубление трубопровода ( расстояние от поверхности дна до верхней точки трубопровода ).

Для количественной оценки р(к) и от на первом этапе была разработана энергетическая модель внедрения киля тороса в грунт. При моделировании

этого процесса особую сложность представляло адекватное отражение взаимодействия входящих в систему объектов. В исследуемой системе - это взаимодействие дрейфующих торосов с донным грунтом.

Движущийся торос обладает значительной кинетической энергией Ек. При взаимодействии с морским дном эта энергия теряется на внедрение в грунт Ет , вертикальное перемещение Ееерт, поворот в плане и вертикальной плоскости Епов, разрушение части тороса Ертр. Потери энергии на разрушение киля тороса зависят от его конфигурации, плотности сложения и прочностных характеристик обломков и грунта дна. Натурные наблюдения показали, что килевая часть торосов обладает достаточной структурной целостностью и плотностью. Если рассматривать самый неблагоприятный случай с точки зрения величины заглубления трубопровода, необходимо пренебречь Ееерт, Е„„„, Еразр.

На рис.4 показана схема взаимодействия тороса с подводным береговым склоном.

Рис.4 Схема внедрения тороса в грунт

Для оценки потерь энергии тороса на внедрение в грунт дна были приняты следующие допущения:

• торос движется поступательно с постоянной скоростью;

• при взаимодействии с дном центр масс тороса перемещается по направлению вектора скорости V, т.е. отсутствует наползание и поворот;

• уклон дна постоянный.

После начала внедрения тороса в грунт, со стороны грунта на торос начинает действовать сила сопротивления, которая возрастает по мере внедрения тороса в грунт. Обозначим ее через Рс(х), где х - путь, пройденный

ь 'л

а ^

торосом от начала внедрения в грунт. Работа силы сопротивления грунта на всем пути 5 - от начала внедрения тороса в грунт до его остановки - будет равна:

Ет = ^х)с1х (2)

Остановка тороса означает, что вся начальная кинетическая энергия тороса Ек перешла в работу по преодолению силы сопротивления грунта, то есть выполнилось условие: Ек = Ет. Тогда выражение (2) примет вид:

Ек = ]гс/х)с1х (3)

о

Из выражения (3) определится длина пути Я, а зная ее, можно определить максимальную глубину Н внедрения тороса в грунт:

H=tgaxS, (4)

где а - угол наклона дна вдоль направления борозды.

Таким образом, ключевым моментом в имитационном моделировании взаимодействия торосов с донным фунтом является определение силы сопротивления грунта Рс(х). Достаточно обоснованно определить величину Рс(х) можно только с позиции законов механики грунтов. Для этого необходимо знать форму поверхности, контактирующей с грунтом. Как показали исследования подводной части торосов и стамух на северо-восточном шельфе о.Сахалин, в том числе и водолазные, поверхности, которые контактируют с грунтом, могут иметь самую разнообразную, с многочисленными впадинами и выступами, форму.

При таких условиях необходимо аппроксимировать форму тороса какими-либо упрощенными геометрическими фигурами, при этом сопротивление со стороны грунта должно быть одинаковым как для реального тороса, так и для тороса упрощенной формы. Торос предложено аппроксимировать в виде прямоугольного параллелепипеда фиксированной ширины с наклонной передней стенкой. Меняя угол наклона передней стенки, можно варьировать силу сопротивления грунта.

Было показано, что при такой аппроксимации сила сопротивления грунта Рс(х) описывается выражением:

Гс(Х) = кхг > (5)

где к = 0.5y(tga + 0.85^|tga^gip~^^g^a) А. -В (6)

В выражении (6) приняты следующие обозначения: у - удельный вес грунта; а - угол наклона дна; X - коэффициенты горизонтальной составляющей пассивного сопротивления грунта; ф - угол внутреннего трения грунта, В -ширина тороса в месте контакта с грунтом.

Так как математическое ожидание числа пересечений бороздами предполагаемой трассы трубопровода объективно не определялась на шельфе Сахалина, в основном по причине интенсивного замыва борозд, то был предложен метод численного моделирования для нахождения этой величины.

Для этого было введено понятие зоны возможного пересечения (ВП). Эта зона ограничивается линиями, проведенными по обе стороны от трубопровода на максимальном удалении от трубопровода (обозначим его через хт), внедрение в которой может привести к пересечению бороздой трассы трубопровода (рис.4).

Условие пересечения бороздой трассы трубопровода определяется выражением:

г = — = У <1 (7)

х

При этом величина у распределена равномерно на участке 0 < у < хт (т.е. плотность распределения у равна: /¡(у) = 1/хт), а величина х распределена на участке 0 < х < хт с какой-то плотностью распределения /¡(х). Событие 2 характеризуется точкой в области 5, ограниченной прямыми: у=х,х-хт;у = 0 (рис.5). Вероятность попадания случайной точки г(х,у) в пределы двумерной области 5 описывается двойным интегралом:

¡¡Дх,у)с1хс1у, (8)

(5)

В случае независимости случайных величин х и у выражение (8) преобразуется к виду:

хтх , хт

Р(г с 5) = | \Яу)Г2{х)сЫаУ = — ¡х ■ Мх)с1х (9)

0 0 хт 0

Тогда математическое ожидание т числа пересечений бороздами трассы трубопровода в случае п внедрений торосов в зоне ВП определится выражением:

^ хт

т — п-Р(г с = п— |х-/2(х)сЬс

X

лт о

Был проведен ряд численных экспериментов. Эти численные эксперименты носили качественный характер. Целью их было определить закон распределения, которым описываются глубины внедрения торосов в грунт. Для ряда значений а - угла наклона дна, град, и Н - глубины моря ,м были получены гистограммы распределения глубин внедрения торосов в грунт (борозд). Анализ этих гистограмм показал, что они описываются экспоненциальной зависимостью (проверка с помощью критерия К.Пирсона показала, что вероятность р(%2) во всех случаях превосходит 0.95).

Для того чтобы провести имитационное моделирование внедрения дрейфующих торосов в грунт и определить действительное значение параметров р(И) и т необходимо знать реальное значение параметра X -горизонтальной составляющей сопротивления грунта. Для определения реального значения X было использовано установленное положение, что глубины борозд подчиняются экспоненциальной зависимости, а также натурные данные по глубинам внедрения стамух в грунт.

На рис.5 точками нанесены зафиксированные с помощью термобурения глубины внедрения стамух в грунт от 0.3 м до 2.13 м. Поскольку глубина внедрения меньше 0.3 м не была обнаружена, можно считать, что глубина менее И0 = 0.3 м недостаточна для остационаривания стамух.

к0 !г, 1.0

3.0 /г, м

Рис.5. Функция плотности распределения глубин внедрения торосов в грунт.

• - натурные данные по глубинам внедрения стамух в грунт;

- площадь на участке Ьо + от;

- площадь на участке Ь[ + со.

Вероятность попадания глубины борозды на какой-то интервал (скажем А/ -г со) может быть определена по классической формуле случаев:

^1,00=-. (П)

п

где т - число стамух, попавших в интервал А; -г- со, и - общее число обследованных стамух (на интервале Л0-г оо).

Эта же вероятность может быть найдена исходя из свойств геометрической вероятности:

Р1оо аД2д (12)

5! ехр(-кИ 0)

Приравнивая выражения (11) и (12) и делая несложные преобразования, получим:

(13)

А 1 -Л о

Используя натурные данные по глубинам внедрения стамух в грунт и выражение (13) удалось установить, что реальное значение параметра распределения глубин борозд к равно: к= 1.71 , для Н = 10 м и а = 1.0°.

После этого для ряда значений параметра X и для Н — 10 м и а = 1.0° были проведены численные эксперименты и путем подбора удалось установить, что значению к — 1.71 соответствует значение X = 3.25. Следует отметить, что полученное значение к - это значение параметра распределения максимальных глубин внедрений торосов в грунт, т.е. в момент остановки торосов. Для использования этого параметра при анализе вероятности воздействия торосов на трубопровод этот параметр необходимо увеличить в два раза. Это вытекает из свойства экспоненциального закона распределения и из того, что место пересечения борозды с трубопроводом равномерно распределено по длине борозды. Следовательно, для трубопровода получим: к = 3.42. Такое значение параметра к характерно для канадского сектора моря Бофорта.

Таким образом, были получены все необходимые параметры для проведения численных экспериментов и получения значений параметров р(Ь) и т.

После этого была разработана оптимизационная программа выбора профиля заглубления подводного трубопровода. В рамках реализации этой программы, трассу трубопровода предложено разбивать на участки и определять "дискретный", оптимальный профиль, т.е. такой, когда каждый участок имеет свою величину заглубления. Разбивка трубопровода на участки позволила для поиска оптимального варианта заглубления применить полный перебор сочетаний величин заглубления всех участков трубопровода.

Для использования оптимизационной программы реальный профиль дна заменяется расчетным, который представляет собой ломаную линию, состоящую из отдельных участков. Для каждого участка определяется его угол наклона, длина Ь и средняя по длине участка глубина моря Н. По этим данным определяются параметры т ир(к).

Предложена также методика определения параметра п, числа внедрений торосов на квадратный километр, с использованием данных по плотностям стамух. Установлено, что число внедрений торосов на северном шельфе Сахалина на 67% больше зафиксированной плотности стамух на единицу площади.

Разработанные математические модели имеют некоторые недостатки, связанные с использованием достаточно приближенных моделей торосов, хотя в последнее время наметился прогресс в их совершенствовании. Например, модель С.М.Капустянского и др.

Для устранения этих недостатков было проанализировано напряженно-деформированное состояние заглубленных трубопроводов методом конечных элементов и непосредственном физическом моделировании на центрифуге.

Результаты реализации численных моделей показали, что разрушающие напряжение в трубопроводе возникают при воздействии торосов с характерными для шельфа о.Сахалин параметрами при недостаточном заглублении. При обоснованном в работе заглублении, динамическое воздействие торосов и квазистатическое воздействие стамух не представляет опасности для трубопровода. Численный метод моделирования также не лишен недостатков, обусловленных использованием различных моделей деформационных характеристик грунта.

Тем не менее, использование всех выше перечисленных моделей позволило обеспечить проектирование подводных объектов обустройства месторождений в рамках проектов "Сахалин - 1" и "Сахалин - 2". Реализация этих проектов позволит получить и первые данные натурных экспериментов.

Вопросам выбора размещения морского терминала по отгрузке СПГ и других нефтепродуктов на экспорт посвящена пятая глава. Были рассмотрены варианты его размещения:

• в Татарском проливе (порты Де-Кастри и Александровск-Сахалинский);

• на восточном побережье Сахалина;

• заливе Анива.

В учет принималась изученность ледовых условий по трассам плавания, опыт зимней навигации в указанные районы, удаленность расположения терминала от рынков сбыта, частота челночных рейсов, необходимость ледокольного сопровождения и существующая система трубопроводного транспорта. В табл.6 представлены расчетные сроки самостоятельного плавания танкеров ледового класса в различные пункты Японского и Охотского морей.

Таблица 6

Расчетной длительности навигации в районы расположения экспортного терминала (для танкеров класса Л1 и УЛ)

Дата начала Дата Расчетная

Район Даты появления льда Даты исчезновения ледоколь- окончания длитель-

ной ледоколь- ность

(акватория) на акватории льда на акватории проводки (средняя) ной проводки (средняя) самостоятельного плавания

ракн. средн. поздн. ранн. средн. поздн. (средняя)

Катангли 2 дек 3 дек 1 дек 2 дек 1 дек 3 дек 1 дек 3 дек 190

XI XI XII V VI VI XII V

Москальво 3 дек 1 дек 2 дек 3 дек 2 дек 1 дек 2 дек 1 дек 150

X XI XI V VI VII XI VI

Де-Кастри 2 дек 3 дек 1 дек 1 дек 2 дек 3 дек Здек 1дек 270*

XI XI XII IV IV IV I IV

Окружное 2 дек 1 дек 2 дек 2 дек 1 дек 3 дек 2 дек 3 дек 200

XI XII XII V VI VI XII V

Пригородное 2 дек 2 дек 3 дек 2 дек 1 дек 1 дек 1 дек 1 дек 280

XI XII I III IV V II IV

Поронайск 2 дек 1 дек 2 дек 1 дек 2 дек 2 дек 2 дек 2 дек 240

XI XII I III IV V XII IV

* В зависимости от маршрута и гидрометеоусловий плавание может осуществляться самостоятельно в мягкие и умеренные зимы круглогодично. Повторяемость суровых зим в Татарском проливе 1-2 раза в 10 лет.

По ледовым условиям и некоторым другим показателям наиболее-предпочтительными выглядят районы з.Чихачева и з.Анива. Детальный анализ условий навигации в эти районы показал, что наибольший опыт самостоятельного плавания судов класса Л1 существует в порт Де-Кастри (з.Чихачева). Учитывая все вышеперечисленные факторы в качестве оптимального расположения экспортного терминала рекомендован этот район.

В шестой главе дано обоснование ледовых сценариев для планирования мероприятий по борьбе с аварийными разливами нефти, что представляет собой экологическую, юридическую и финансовую актуальность при разработке проектов добычи нефти на шельфе Охотского моря. Рассмотрены результаты экспериментальных данных взаимодействия нефти с морским льдом.

Отмечено, что информация по этой проблеме весьма малочисленная и носит противоречивый характер. Отсутствие натурных данных приводит к существенно разным оценкам в гипотетических прогнозах о масштабах распространения нефтяного загрязнения ледяного покрова и экологических последствиях аварии.

Аккумуляция нефтяных загрязнений льдом обусловлена тремя процессами:

• захват нефтяных соединений с поверхности моря при ледообразовании;

• миграцией нефтяных включений от нижней кромки к поверхности льда по капиллярам, ячейкам солевых растворов;

• заполнением пустот, образовавшихся при торошении льда.

Вертикальные движения во льду нефти вызываются действием

гидростатического давления, сил поверхностного натяжения и градиентом температуры в системе вода-лед-атмосфера. Скорость миграции нефтепродуктов зависит от вязкости и плотности нефти, а также от структуры, плотности, толщины, заснеженности льда и от количества ячеек и ниш в нем.

В настоящее время нет достаточного количества экспериментальных данных о зависимости между объемом разлитой нефти и тем объемом, который аккумулируется льдами в разные сезоны года, при различных значениях толщины и кристаллической структуры льда в Охотском море.

Данные о локальном движении нефти под ледяным покровом весьма ограничены.

Основными факторами, влияющими на пространственное распространение нефтезагрязнения, являются течения, степень шероховатости нижней кромки льда и потенциальные возможности захвата льдом (аккумуляции) нефти из воды.

Ледяной покров, с одной стороны, препятствует распространению нефтяных загрязнений от их источников, с другой, затрудняет мероприятия по ликвидации последствий загрязнения. Кроме того, благодаря дрейфу льдов существует возможность перераспределения очагов загрязнений между отдельными участками акваторий.

С целью разработки сценариев для борьбы с аварийными разливами нефти была выполнена типизация ледовых условий с последующим созданием модели перемещения ледяного покрова с аккумулированными углеводородами.

Проведенные наблюдения с помощью ледокола, буев ARGOS и искусственных спутников Земли (ИСЗ) позволили определить характеристики генерального дрейфа льда. Было показано, что общая схема генерального дрейфа льдов Охотского моря в районах морских месторождений, особенно вблизи берегов, в зависимости от анемобарической ситуации и особенностей гидрологической обстановки, существенно изменяется.

Исходя из проведенного анализа имеющихся данных были выделены следующие типовые ситуации, формирующие особенности дрейфа льда:

• штиль или слабый ветер;

• устойчивый ветер северо-западного сектора;

• сильные ветра юго-восточного сектора;

• прижимные ветра восточного сектора;

• неподвижный лед (квазистационарный ледяной покров).

Для каждой ситуации были определены: ее наиболее вероятная непрерывная продолжительность, характерные суточные годографы, направление и модуль результирующего вектора дрейфа льда, средние и максимальные скорости, вероятность существования неподвижного льда.

Отдельно выделена ситуация с неподвижным ледяным покровом для которой вычислены вероятности продолжительности неподвижности. Показано, что не исключена возможность того, что лед будет оставаться неподвижным более суток.

Отмечены особые случаи попадания льда в стационарные зоны нарушения сплошности ледяного покрова.

Показано, что рассмотренные типовые ситуации в совокупности могут представлять собой краткосрочную ситуационную модель перемещения морского льда с аккумулированными углеводородами для планирования мероприятий по борьбе с аварийными разливами нефти.

Представленная в данном разделе попытка ситуационно-вероятностного моделирования основана на типовых ситуациях, наблюдаемых при определенных анемобарических и гидрологических условиях. Модель определяет на какое расстояние и в каком направлении переносится лед за сутки, что может оказать существенную помощь в планировании мероприятий по борьбе с аварийными разливами нефти. Тем не менее многие вопросы взаимодействия нефти с морским льдом и методы ликвидации аварийных условий остаются слабо изученными и являются предметом дальнейших исследований.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации, наиболее значимые проблемы, существующие в практике проектирования технических средств освоения морских месторождений шельфа замерзающих морей, а также намечены перспективы дальнейших исследований.

Стоящая перед нефтегазовой отраслью задача создания высокоэффективных и надежных в эксплуатации технических средств обустройства месторождений нефти и газа шельфа замерзающих морей России потребовала решения ряда принципиальных вопросов прочности, надежности и металлоемкости этих новых технически сложных морских сооружений на фоне недостаточного опыта их эксплуатации и неполного знания условий и особенностей их работы в течении срока эксплуатации.

Эффективное решение этих вопросов могло базироваться лишь на четкой философии проектирования уникальных, нетрадиционных сооружений для суровых природно-климатических условий. Развитию этой философии в частности нормированию внешних условий для обеспечения прочности и надежности конструкций точечных и ротяженных сооружений, созданию комплекса физически обоснованных методов учета ледовых условий для обеспечения прочности, надежности и долговечности объектов обустройсва морских месторождений на единой методологической основе и посвящена настоящая диссертационная работа. Для докозательства отдельных положений работы широко привлекались как собственные экспериментальные данные, так и известные решения строительной механики, теории надежности, теории вероятностей и других дисциплин.

Достижение сформулированной цели было осуществлено также на основе концепции сбалансированного взаимодействия между крупномасштабной геотехнической системой, каким является морской нефтегазовый комплекс, с ледяным покровом путем обоснования технических и технологических решений при проектировании обустройства морских месторождений. При решении этой научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное и социальное значение, на основе междисциплинарного подхода впервые теоретически обоснованы методы прогноза условий работы нетегазопромысловых сооружений с учетом специфических условий акваторий обустройства.

Разработаны методы, позволяющие выбрать оптимальную стратегию освоения нефтегазовых ресурсов в условиях объективной неопределенности взаимодействия морского льда с нефтегазопромысловыми сооружениями, определить уровень приемлемого риска с учетом ограниченности технических и экономических возможностей, оценить траекторию и скорость перемещения вероятных разливов нефти. При этом:

• реализован комплексный подход к решению проблем прочности и надежности объектов обустройства морских месторождений нефти и газа Охотского моря; подход базировался на последовательном применении статистических методов исследования для оценки внешних сил и вероятностном акценте при формулировке учета ледовых воздействий для обеспечения почности и надежности конструкций ледостойких платформ, подводи» ч трубопроводов и подводных устьевых комплексов;

^ > • сформулированы основные положения концепции проектирования объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений, увязывающие условия их эксплуатации, особенности их работы при различных сценариях взаимодействия в системе ледяной покров-сооружение и критерии прочности и надежности для различных эксплуатационных режимов;

• выполнена оценка количества циклов нагружения опорной части ледостойких платформ и усталостной прочности сооружений на основе вероятностной модели долговечности конструкций в течение срока их эксплуатации;

• теоретически обоснован вероятностный критерий надежности подводного трубопровода на основе комплексного учета условий его эксплуатации на Пильтун-Астохском месторождени шельфа о.Сахалин и сформулированного в работе вероятностно-экономического подхода к выбору величины его заглубления;

• изучены, систематизированы и теоретически обобщены сведения о параметрах лздяного покрова с учетом физических моделей взаимодействия с нефтегазопромысловыми сооружениями;

• выявлены статистические закономерности сезонной изменчивости морфологических параметров и физико-механических свойств дрейфующего льда. Определены особенности формирования динамики морских льдов и

оценен вклад гидрометеорологических параметров в структуру временных рядов скорости дрейфа льда. Разработаны и реализованы методы натурных исследований пространственной неоднородности физико-механических свойств льда и нарушений морского дна торосистыми образованиями. Получены данные о внутреннем строении торосов и параметрах борозды от воздействия их киля на морской грунт;

• по сложности ледовых условий аналога промышленной эксплуатации месторождений в мировой практике не существует. Район отличается высокой динамикой ледяного покрова, вызывающей максимальную изменчивость его морфологических параметров, и определяющей широкий диапазон реологических свойств, проявляемых льдом при взаимодействии с нефтегазопромысловыми сооружениями. В качестве расчетного для определения нормативных значений элементов ледового режима выделен период март - май;

• получены расчетные значения элементов ледового режима с учетом требований проектирования нефтегазопромысловых сооружений. В качестве расчетных не всегда следует использовать параметры 1%-ной обеспеченности В некоторых случаях в расчеты необходимо вводить параметры 0.1%-нок обеспеченности (площадь ледяных полей), в других - наиболее вероятные значения (при расчете глобальной ледовой нагрузки) или максимальные (пр* расчете локальной ледовой нагрузки), в третьих - используются величины с понижающими коэффициентами (толщина льда).

Новые результаты, содержащиеся в диссертации, по мнению автора, могу: служить принципиальной основой для решения проблем прочности j надежности технических средств освоения месторождений нефти и газа шельф; замерзающих морей на основе сбалансированного учета особенносте! эволюции ледяного покрова акваторий обустройства и обеспечения безотказно! работы конструкций в течение установленного срока эксплуатации.

На основании выполненного исследования при проектирован™ технических средств обустройства морских месторождений для други: акваторий основные проблемы будут связаны с учетом:

а) в области проектирования МЛСП -

• пространственной неоднородности прочности ледяного покрова;

• обосновании и выборе конфигурации, типа и размеров опорньг частей;

• воздействия полей сморози и торосистых гряд;

• вероятности возникновения ситуаций "предельных движущих сил".

б) в области проектирования подводных протяженных и точечны объектов -

• воздействия подводной части торосистых образований либо за сче непосредственного силового давления, либо за счет размыва грунта вокру остановившегося тороса (стамухи);

• необходимости получения реальных параметров распределена описывающих состояние системы "торос - грунт";

• результатов физического моделирования поведения заглубленных объектов при воздействии морских льдов;

в) в области проектирования экспортных терминалов -

• необходимости изучения и комплексного анализа данных многолетних исследований ледяного покрова огромных территорий.

Разработанные методические рекомендации по учету воздействия ледяного покрова при решении вопросов прочности, надежности и металлоемкости конструкций и нормированию нагрузок от воздействия льда были использованы институтами СахалинНИПИморнефть,

ВНИПИморнефтегаз, ЦНИИ им.А.Н.Крылова, ЦКБ МТ "Рубин" и ААНИИ при обосновании концепции освоения морских нефтегазовых месторождений Сахалинского шельфа, технико-экономическом обосновании вариантов разработки и проектировании технических средств обустройства месторождений Чайво, Одопту-море, Лунское и Пильтун-Астохское.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Трусков П.А. Учет ледовых воздействий при проектировании подводных трубопроводов. - В сб. науч. тр. ВНИИморгео "Гидрометеорологическое обеспечение работ по освоению шельфа морей СССР", Рига, 1986, с.47-52.

2. Трусков П.А. Учет ледовых условий при проектировании обустройства морских нефтегазовых сооружений. - В сб. Гидротехнические сооружения, Владивосток, ДВГУ, 1987, с.89-94.

3. Трусков П.А., Покрашенко С.А., Якунин Л.П. Исследование дрейфа льда на шельфе о.Сахалин с помощью методов радиолокации. - Тр. ДВНИИ, 1987, вып.36, с.49-52.

4. Трусков П.А., Абраменко С.Е., Поломошнов A.M. Исследование физико-механических свойств льда в натурных условиях. - Тр. ДВНИИ, 1987, вып.36, с.52-56.

5. Беккер А.Т., Трусков П.А. Воздействие дрейфующих торосистых образований льда на морское дно. - В кн. Ледотехнические проблемы в северном гидротехническом строительстве и вопросы продления навигации, Л., Энергоиздат, 1989, с.98-103.

6. Трусков П.А., Поломошнов A.M. Пространственная неоднородность физико-механических свойств припая. - В кн. Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Дальнего Востока, Владивосток, ч.2, 1989, с.281-286.

7. Плынин В.В., Трусков П.А. Расчет профиля заложения подводного трубопровода в условиях замерзающих морей. - В кн. Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Дальнего Востока, Владивосток, ч.2,1989, с.304-318.

8. Сурков Г.Н., Трусков П.А. Метод учета ледовых воздействий при проектировании трубопроводов. - В сб. Науч.-произв. достижения нефт.

промышленности в новых условиях хозяйствования, М., ВНИИОЭНГ, 1989, вып.9, с.10-12.

9. Сурков Г.Н., Трусков П.А. Оценка работоспособности подводного трубопровода в условиях ледовых воздействий. - Тез. докл. Всес. конф. "Роль молодежи в решении конкретных научн.- техн. проблем нефтегазового комплекса страны", М., 1989, с.143.

10. Плынин В.В., Трусков П.А. Обеспечение надежности при проектировании на ЭВМ подводных трубопроводов для замерзающих морей. - В кн. Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Дальнего Востока, Владивосток, 1990, с.188-197.

11. Трусков П.А., Бекецкий С.П., Абраменко С.Е. Особенности суммарного дрейфа сплоченных льдов в прибрежной зоне морей. - Материалы гляциологических исследований, М., №68, 1990, с.110-114.

12. Трусков П.А., Поломошнов A.M. Выбор нормативных показателей физико-механических свойств льда. - В сб. Обустройство морских месторождений нефти и газа, Рига, 1990, с.85-91.

13. Трусков П.А., Поломошнов A.M., Бекецкий С.П. Изменчивость физико-механических свойств дрейфующих и припайных льдов. - Тр. ДВНИГМИ, вып.40, 1990, с.84-92.

14. Поломошнов A.M., Трусков П.А. Характеристики стамух на шельфе Северного Сахалина в весенний период. - Тр. ДВНИГМИ, вып.40, 1990, с.80-84.

15. Бородачев В.Е., Бекецкий С.П., Трусков П.А., Поломошнов A.M. О морфологических характеристиках стамух. - Тр. ААНИИ, Л., 1990, т.418, с.116-128.

16.А.С. СССР N1637390 Al, Е02 В15/02, 17/00, 1990. Способ защиты морской стационарной платформы от воздействия ледовых нагрузок./ Бояршин Е.К., Трусков П.А., Поломошнов A.M. - Заявл. 13.07.88, N4460075. Зарег. в Гос. реестре изоб. СССР 22.11.90.

17. Polomoshnov A.M., Truskov P.A., Yakunin L.P. Influence of Grounded Ice Hummocks on Pipelines. - Proc. of the First PACOM Symp., Seoul, Korea, 24-28 June 1990, vol.11, p.p.401-407.

(Воздействие стамух на трубопроводы).

18. Astafiev V.N., Polomoshnov A.M., Truskov P.A. Stamukhi on the Northern Sakhalin Offshore. - Proc. of the First ISOPE Conf., Edinburgh, United Kingdom, 11-16 August 1991, vol.11, p.p.462-466.

(Стамухи на шельфе северного Сахалина).

19. Truskov Р.А., Astafiev V.N., Kalinin E.N. Sea Ice Cover Kinematics anc Morphology: Applied Problems. - The Sixth Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 3-6 Feb. 1991, p.p.198-201. (Кинематика и морфология ледяного покрова: прикладные проблемы).

20. Truskov Р.А., Surkov G.N. Scour Depths Distribution on the Northerr Sakhalin Offshore. - Proc. of the First ISOPE Conf., Edinburgh, Unitec Kingdom, 11-16 August, 1991, vol.11, p.p.467-470.

(Распределение борозд от воздействия льда на шельфе северного Сахалина).

21. Polomoshnov A.M., Truskov P. A., Tambovsky V.S. Determination of Design Values for Sea Ice Physico-Mechanical Properties. - Proc. of the Second ISOPE Conf., San-Francisco, USA, 14-19 June 1992, vol.11, p.p.641-650. (Выбор проектных параметров физико-механических свойств льда).

22. Truskov Р.А., Astafiev V.N., Surkov G.N. Problems of Choice of Sea Ice Cover Parameters Design Criteria. - The Seventh Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2-5 Feb. 1992, p.p.21-26. (Проблемы выбора нормативных показателей ледяного покрова).

23. Surkov G.N., Truskov Р.А. Probability Estimation of Moving Pressure Ridge Contacts With Pipelines. - Proc. of the Second ISOPE Conf., San-Francisco, USA, 14-19 June 1992, vol.11, p.p.797-800.

(Оценка вероятности воздействия дрейфующих торосов на трубопроводы).

24. Skurihin V.A., Surkov G.N., Truskov Р.А. Selection of the Subsea Pipeline Route for the Offshore Chaivo Field. - Proc. of the Second ISOPE Conf., San-Francisco, USA, 14-19 June 1992, vol.11, p.p.801-806.

(Выбор трассы подводного трубопровода на месторождении Чайво-море).

25. Truskov Р.А., Kalinin E.N. Probabilistic Estimate of the Okhotsk Sea Ice Strength Vertical Profile. - The Seventh Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2-5 Feb. 1992, p.p.57-61. (Вероятностная оценка вертикального профиля прочности льда).

26. Truskov Р.А., Beketsky S.P., Surkov G.N., Polomoshnov A.M., Bekker A.T. Strength Parameters of Hummocks. - Proc. of the Second ISOPE Conf., San-Francisco, USA, 14-19 June 1992, vol.11, p.p./83-789.

(Прочностные параметры торосов).

27. Surkov G.A., Truskov Р.А. Analysis of Spatial Heterogeneity of Ultimate Ice Compressive Strength. - Proc. of the Third ISOPE Conf., Singapore, 6-11 June 1993, vol.11, p.p.596-599.

(Аналих пространственной неоднородности прочности льда на одноосное сжатие).

28. Polomoshnov A.M., Truskov Р.А. Sea Ice Strength Variability Due to Various Ice Column Axis Orientation. - Proc. of the Third ISOPE Conf., Singapore,6-11 June 1993, vol.11, p.p.643-647.

(Изменчивость прочисти льда в зависимости от ориентации с-оси).

29. Kalinin E.N., Truskov Р.А. Estimation of Wind Drift Parameters of Sea Ice in Okhotsk Coastal Zone. - The 12th International Conference on POAC, Hamburg, 17-20 August 1993, vol.11, p.p.

(Оценка ветрового дрейфа морского льда в прибрежной зоне Охотского моря).

30. Truskov Р.А., Surkov G.A., Beketski S.P. Strength Parameters of Hummocks: Field Observations and Laboratory Tests. - TheEight Int. Symp. on "Okhotsk Sea & Sea Ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 1-5 Feb., 1993,p.p. 82-95.

(Прочностные параметры торосов и стамух: полевые измерения и лабораторные эксперименты).

31. Truskov P.A., Polomoshnov A.M., Surkov G.N. Selection of Standard Level for Sea Ice Strength. - The Eighth Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 1-5 Feb. 1993, p.p. 107-111.

(Выбор нормативного значения прочности льда).

32. Shirasawa К., Takizawa Т., Truskov Р.А., Polomoshnov A.M., Astafiev V.N., Takahashi S., Enomoto H., Aota M. Preliminary Results from Sea Ice Studies of the Okhotsk Sea Coast of Sakhalin. - The Eighth Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 1-5 Feb. 1993, p.p.165-169.

(Предварительные результата™ ледоисследовательских работ на шельфе Сахалина в Охотском море).

33. Truskov P.A., Kalinin E.N. Estimation of Wind-Induced Drift Parameters for the Okhotsk Sea Coastal Zone. - The Eighth Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 1-5 Feb. 1993, p.p. 170-177. (Параметры ветрового дрейфа в прибрежной зоне Охотского моря).

34. Трусков П.А., Сурков Г.А. Опыт исследования борозд от воздействия дрейфующих ледовых образований на дно. - Межвузовский сб. науч. тр. "Гидротехнические сооружения", Владивосток, 1993, с. 124-131.

35. Truskov P. A. Prediction of the Interaction Condition in the System "Sea Ice-Oil and Gas Producing Structure" on the Sakhalin Offshore. - The Ninth Int, Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 6-8 Feb, 1994, p.p.35-47.

(Прогноз условий работы в системе ледяной покров-нефтегазопромысловог сооружение на шельфе Сахалина).

36. Pokrashenko S.A., Kljusov S.M., Truskov Р.А., Polomoshnov A.M. Seasona' Variability of Drift Ice Sizes on the Northern Sakhalin Shelf. - The Ninth Int Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 6-8 Feb 1994, p.p.330-331.

(Сезонная изменчивость размеров дрейфующих ледяных полей на шельфе северное Сахалина).

37. Astafiev V.N., Truskov Р.А., Polomoshnov A.M. Sea Ice Investigations or Sakhalin Offshore. - Proc. of the OMAE - 94 Int. conf., Houston, Texas, Fet 27-Mar 3, 1994, 15p.

(Исследования ледяного покрова на шельфе Сахалина).

38. Truskov Р.А., Polomoshnov А.М., Pokrashenko S.A. Seasonal Variability о Ice Sizes on the Northern Sakhalin Shelf. - Proc. of the Fifth ISOPE Conf. Hague, The Nitherlands, June 11-16,1995, vol.2, p.p.369-373.

(Сезонная изменчивость размеров ледяных полейна шельфе северного Сахалина).

39. Surkov G.N., Truskov Р.А. Study of Ice Pressure Ridges and Stamukh Offshore of Sakhalin. - The Tenth Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice" Mombetsu, Hokkaido, Japan, 5-8 Feb. 1995, p.p.86-88.

(Исследования торосов и стамух на шельфе Сахалина).

40. Kalinin E.N, Truskov Р.А. . Mezascale Variability of Sea Ice Cover Dril Velocity on North-East Sakhalin Offshore. - The Tenth Int. Symp. oi

"Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 5-8 Feb. 1995, p.p. 186-191.

(Мезомасштабная изменчивость скорости дрейфа льда на северо-восточном шельфе о.Сахалин).

41. Mochizuki S., Aota М., Takatsuka Т., Truskov Р.А. Tracing of Ice Floe in Sea of Okhotsk by Satellite - Tracked Drifters. - The Tenth Int. Symp. on "Okhotsk sea & sea ice", Mombetsu, Hokkaido, Japan, 5-8 Feb. 1995, p.p. 192-196.

(Трассирование ледяных полей в Охотском море при помощи дрейфующих буев).

Тип. ЦПШ им. А.Е.Крвлова Зак.412 Тир.100 02.C9.S7