автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Разработка рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений

На правах рукописи

Салиенко Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВОДОЗАБОРОВ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013

Новочеркасск - 2013

005534185

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия».

Научный руководитель: Михеев Павел Александрович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Петрашкевич Валерий Вильгельмович

доктор технических наук, профессор, ЗАО «Производственное объединение по изысканиям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов» (ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»), научный консультант Пурас Геннадий Николаевич кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение»

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства» (ФГУП «АзНИИРХ»), г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «25» октября 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.049.01 на базе ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111, НГМА, ауд. 339.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия».

Автореферат разослан 20 сентября 2013 г. и размещен на официальных Интернет-сайтах ВАК РФ и НГМА.

Ученый секретарь диссертационного совета

¿>а/ог<

О'

Иванова Нина Анисимовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Обеспечение условий для защиты ихтиофауны от попадания в водозаборы морских нефтегазопромысловых сооружений (МНГС) является сложной научной и технической задачей. Достаточно отметить, что в настоящее время существует небольшой опыт разработки, строительства и эксплуатации рыбозащитных устройств для подобных сооружений. Однако в соответствии со Ст. 61 п. 2 Водного кодекса Российской Федерации (2006) «Водопользователи, использующие водные объекты для забора (изъятия) водных ресурсов, обязаны принимать меры по предотвращению попадания рыб и других водных биологических ресурсов в водозаборные сооружения...». Существующая законодательная (Закон РФ «Об охране..., 2002; Федеральный закон «О животном мире, 1995; Постановление Правительства РФ от 29 апреля 2013 г. N 380) и нормативная база устанавливает порядок проведения рыбоохранных мероприятий и состав документации при проектировании гидротехнических объектов на водоисточниках, имеющих важное рыбохозяйственное значение.

К прямому влиянию на популяции рыб, этапе установки буровой платформы, так и на этапе бурения, испытания и ликвидации скважины, относятся: воздействие сброса буровых отходов и хозяйственно-бытовых сточных вод; работа водозаборных устройств; воздействие шума; отторжение площадей мест обитания, нагула или нереста; помехи на пути нерестовых миграций в результате физического присутствия МНГС. Значимое влияние оказывают водозаборные устройства МНГС, в которые попадают и погибают личинки, икра и ранняя молодь рыб.

Степень разработанности темы. Расходы забираемой воды зависят от конструкции МНГС и выполняемых технологических операций. Так в период балластировки платформы максимальный расход морской воды может составлять десятки тыс. м3/сут. После установки платформы и начала эксплуатации максимальный забор воды возрастает, производится постоянно и за весь период

может составлять более 1 млн. м3. Снижение экологического воздействия МНГС на природную среду, в том числе на рыб, требует всестороннего исследования и обоснования. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, выполненная в рамках отраслевых планов НИР Федерального агентства по рыболовству (Росрыболовство) и направления научных работ ФГБОУ ВПО НГМА тема 03.02.01.04: «Научно-техническое обоснование и разработка технических решений рыбохозяйственного комплекса при крупных энергетических и водохозяйственных объектах». Диссертация соответствует пункту 5 - «...разработка новых направлений повышения рыбопродуктивности и биопродуктивности водохранилищ, а также новых конструкций рыбозащитных и рыбопропускных сооружений на каналах; разработка новых методов производства работ по возведению каналов и сооружений» паспорта научной специальности 05.23.07 - «Гидротехническое строительство».

Целью исследований является научное обоснование принципов защиты рыб, разработка и исследование технических решений рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить условия работы морских нефтегазопромысловых сооружений и дать оценку возможностей использования существующих конструкций РЗУ на водозаборах МНГС;

- разработать и обосновать конструкции жалюзийных рыбозащитных устройств, отвечающих условиям работы и конструкциям водоприёмников МНГС;

изготовить опытные образцы жалюзийных устройств, выполнить лабораторные и натурные исследования по установлению параметров и оценке рыбоза-щитной эффективности конструкций;

- разработать методику расчета основных параметров жалюзийного рыбо-защитного устройства;

- разработать рекомендации по проектированию, изготовлению и эксплуатации рыбозащитных устройства жалюзийного типа для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

- определены принципы обеспечения защиты рыб в условиях водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений;

- разработаны конструкции, технические и технологические характеристики жалюзийных рыбозащитных устройств водозаборов морских буровых платформ;

- обоснованы результаты экспериментальных исследований условий работы рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений;

- разработаны методика расчёта параметров, рекомендации по проектированию и использованию жалюзийных рыбозащитных устройств МНГС.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработаны новые технические решения, а также научно обоснованная методика по расчёту и конструированию рыбозащитных устройств водозаборов МНГС;

- разработаны рекомендации по изготовлению и инструкции по эксплуатации жалюзийных РЗУ водозаборов, работающих в морских условиях.

Техническое решение жалюзийного РЗУ реализовано для водозабора СПБУ «Астра» ООО «Буровая компания Евразия Шельф» в Каспийском море. Ожидаемый экономический эффект составил 2,232 млн. руб.

Методология и методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы теории турбулентных струй, численные методы моделирования, апробированные методики лабораторных гидравлических и натурных гидравлико-биологических исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- рыбозащитные устройства, отвечающие морским условиям работы и конструкциям водоприёмников водозаборов МНГС;

- результаты комплексных исследований по обоснованию параметров и

функциональной эффективности РЗУ для водозаборов МНГС;

- методика расчёта геометрических и кинематических характеристик жалю-зийного рыбозащитного устройства с потокообразователем;

- рекомендации по проектированию, изготовлению и эксплуатации жалю-зийных рыбозащитных устройств для водозаборов МНГС.

Степень достоверности апробация результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории вероятности, математической статистики и моделирования на ПК. Опытные данные научных исследований получены в результате использования общеизвестных методик натурных экспериментов, метрологически аттестованных приборов и стандартного оборудования промышленного изготовления. Достоверность научных выводов подтверждается их апробацией и использованием в производственных условиях.

Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на заседаниях: международной конференции Поведение рыб (Борок, 2005 и 2010 гг.), научно-технической конференции «Современное состояние теории и практики рыбозащиты» (г. Энгельс Саратовской обл., 2007 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (Астрахань, 2009, 2011, 2012 гг.), региональной научно-технической конференции «Гидротехника, гидравлика и геоэкология» ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, май 2009 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в сохранении водных биологических ресурсов» (г. Новочеркасск, 2010 г.), а также на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО НГМА (2006-2013 гг.).

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ - 3, получены 4 патента на изобретения и полезную модель. Общий объем опубликованных работ составляет 5,5 п.л., принадлежность автору составляет 2,8 п.л.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационного исследования, приведены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Оценка современного состояния защиты рыб на водозаборах морских нефтегазопромысловых сооружений и использования жалюзийных рыбозащитных устройств» приведён анализ современного состояния защиты рыб на водозаборах МНГС. Основными водопотребителями в процессе нефтегазопромысла являются буровые средства, анализ и классификация современных конструкций, а также характеристики систем водообеспечения которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация и технические характеристики водоприёмников

современных конструкций буровых средств нефтегазопромысла

Тип бурового средства Глубина моря, м Тип водоприёмника Глубина размещения водоприёмника, м Расход водозабора, м3/с

Морская стационарная платформа (МСП) до 100 Стационарные (водозаборные окна, оголовки) 2-50 0,351,45

Самоподъёмная буровая установка (СПБУ) 30-120 Выдвижные (водозаборные колонны), Подвесные (погружные насосы) от 4 и более 0,080,28

Полупогружная буровая установка (ППБУО до 300 и более Стационарные (водозаборные окна, оголовки) от 4 и более 0,140,45

Буровое судно (БС) до 100 и более Стационарные (водозаборные окна) Подвесные (погружные насосы) от 1 и более 0,040,72

Использование воды на МНГС связано с хозяйственно-бытовыми и производственными целями и производится в соответствии с техническими или технологическими требованиями.

Активное использование природных ресурсов, и в первую очередь недропользование, усиливает негативное воздействие на окружающую среду и по своим масштабам становится сопоставимым с природными явлениями, охватывающими всю биосферу, которое ведет к глобальным изменениям планетарного масштаба.

Воздействие буровых работ проявляется на представителей различных трофических уровней от низшего уровня (фитопланктон, зоопланктон) и донных животных до рыб и морских млекопитающих на всех этапах жизненного цикла МНГС: установки платформы; бурения; испытания и ликвидации скважины.

Учитывая сложные условия работы водозаборов МНГС и значительные динамические нагрузки на элементы водоприёмников, наиболее надёжным средством защиты рыб могут служить устройства на базе жалюзийных экранов. Жалюзийные РЗУ основаны на поведенческом и физическом принципах рыбозащиты, являются надёжной преградой от попадания в водозабор взрослой рыбы и обладают достаточно высокой эффективностью защиты молоди рыб.

Разработкой и исследованием жалюзийных РЗУ занимались отечественные (Ю.М. Колпачков, Б.С. Малеванчик, П.А. Михеев, Д.С. Павлов, Г.Я. Сегаль, С.Н. Тюрюков, Вл.Н. Шкура, А.Л. Эрслер и др.) и зарубежные (Д. Бэйтс, К. Клей, Д. Крамер, Б. Меффорд, Дж. Скиннер и др.) учёные и специалисты.

Однако условия использования существующих конструкций жалюзийных РЗУ на водозаборах из внутренних водоисточников не соответствуют условиям работы водозаборов МНГС, а устройства требуют конструкторского совершенствования и научно-технического обоснования.

Проведённый анализ современных конструкций жалюзийных РЗУ, методов проектирования и условий работы водозаборов МНГС позволил сформулировать цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе «Конструирование и расчет рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений» изложены принципы защиты рыб и общие требования к конструкциям РЗУ для условий водозаборов МНГС, которые должны учитываться при их проектировании:

-разнообразие размерно-видового состава ихтиофауны в зоне работы водозабора (от активной молоди до пассивно мигрирующих личинок и икры);

- наличие течений воды переменных направлений и скоростей;

-наличие значительных динамических нагрузок (волновых, ледовых,

сейсмических, нагрузок от течений);

- повышенное содержание биомассы в морской воде, приводящее к интенсивному биологическому обрастанию элементов и конструкции в целом;

- постоянное воздействие агрессивной водной среды с высокой электропроводностью, что приводит к высокой степени коррозии и электрокоррозии применяемых материалов;

- сложные условия проведения монтажных, демонтажных, профилактических работ;

- разнообразие условий размещения конструкций РЗУ как на мелководье, так и на больших глубинах.

Учитывая принятые требования, представлены результаты разработки конструкций рыбозащитных устройств для водозаборов МНГС, которые защищены патентами на изобретение и полезную модель (рисунок 1).

РЗУ по патенту на полезную модель № 36115 размещается на водоприёмнике, выполненном в виде опускаемой с буровой платформы трехгранной колонны 6 с глубинными насосами, размещенными в вертикальных водозаборных трубах 5, обеспечивающих забор воды через вертикальные окна-щели (рисунок 1, а). На нижнем конце колонны установлены одна над другой нижняя и верхняя горизонтальные перегородки и жалюзийные кассеты 1 по трём граням колонны, определяющие собой объём приёмной камеры. С началом работы глубинных насосов вода из приёмной камеры через водозаборные окна по стрелкам «Б» засасывается в трубы 5 и подается в систему водоснабжения буровой платформы. В камеру вода попадает из окружающего пространства по стрелкам «В».

РЗУ по патенту на изобретение № 2313634 представляет собой водозаборную камеру, образованную плоскими кассетами 1, съёмно-собранными между собой в многогранник (рисунок 1, б). Каждая из кассет 1 составлена из двух параллельных жалюзийных поверхностей - наружной, обращенной к входу, и внутренней, обращенной к водозаборной камере, жалюзийные пластины 2

имеют противоположный угол наклона. Снизу камеры по периметру расположена труба потокообразователя 3 с насадками 4, направленными вверх.

а — патент на полезную модель № 36115; б - патент на изобретение № 2313634; в - патент на полезную модель № 76653; 1 - кассета жалюзи; 2 — пластины жалюзийного экрана; 3 - труба потокообразователя; 4 — водоструйные насадки; 5 - водоприемная труба; 6 — погружная колонна Рисунок 1 - Конструкции рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем для водозаборов МНГС

В РЗУ по патенту на полезную модель № 76653, в отличие от традиционной, изменена форма жалюзийных пластин 2, которые по своей длине имеют поперечные гофры, образованные последовательно установленными плоскостями, сопряжёнными друг с другом под определённым углом (рисунок 1, в). Жалюзийные пластины кассеты 1 набраны в две отдельные параллельные группы, наклон пластин в которых выполнен в разные стороны, при этом пластины 2 с внешней стороны кассеты 1 установлены с увеличенным шагом по сравнению с пластинами 2 внутренней группы. Каждая из жалюзийных пластин

имеет по своей длине поперечные гофры, пара смежных плоскостей каждой из которых наклонена относительно друг друга на угол 60°. В нижней части кассеты установлена труба потокообразователя 3 с двумя рядами водоструйных насадок 4.

Приведена методика гидравлического расчёта РЗУ, включающая:

- определение площади экрана жалюзи:

V„„ ncsince

где QP3y - эксплуатационный расход, м3/с; V„„ - скорость потока на пластинах жалюзи, м/с, Vnn < Vp, где Vp — сносящая скорость для защищаемой молоди рыб, м/с; и3=1,20; ик=1,05-1,1 и пс= —— - коэффициенты, учитывающие,

b+t

соответственно, засорение экрана в процессе эксплуатации, затенение экрана и живого сечения жалюзи; Ъ - просвет между пластинами; t - толщина пластины; а - угол установки пластины к плоскости экрана.

- расчёт потерь напора на экране:

V2

- J, (2)

где коэффициент гидравлического сопротивления экрана; V„ —

подходная скорость потока к плоскости экрана, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

- определение начальной скорости истечения струи из насадок потокообразователя:

v»=YÉr> (3)

0,2 й(0

где Vk - скорость струи в конечном сечении жалюзийного экрана, м/с; L^ -расстояние от насадок до конечного сечения жалюзийного экрана, м; do - диаметр насадок, м.

Произведён прочностной расчёт каркаса жалюзийного рыбозащитного устройства для условий буровых платформ гравитационного типа с использованием программного комплекса «Structure CAD версия 7.27».

В третьей главе «Экспериментальные исследования по обоснованию параметров жалюзийных рыбозащитных экранов» приведены результаты экспериментальных исследований на физической модели жалюзийного экрана, целью которых являлось установление основных характеристик водного потока в пределах экрана, отвечающих условиям защиты молоди рыб, и оценка гидравлических параметров жалюзийного экрана и потокообразователя как рабочих элементов РЗУ.

Эксперименты проводились в гидротехнической лаборатории НГМА, в лотке шириной 1,5 м, высотой стенок 0,7 м, на модели жалюзийного экрана с потокообразователем со следующими параметрами: толщина пластин жалюзи £ = 5 мм; ширина пластин - 100 мм; шаг оси пластин 1Ж = 35 мм; количество пластин - 18 шт.; ширина пролёта водозаборного окна - 665 мм; угол установки осей насадок потокообразователя к плоскости экрана ас.а. = 15°; угол установки пластин к плоскости экрана си = 75°; 50° и 25°; начальная скорость истечения струй потокообразователя 2,80 - 4,60 м/с. Расход воды в лотке изменялся от 72 до 96 л/с; расход, проходящий через жалюзийный экран (расход водозабора) - 25-43 л/с.

Приведены данные по обоснованию условий моделирования, методика эксперимента и результаты расчётов относительных погрешностей измерений глубин, расходов, скоростей и давлений, которые не превышали 4,5 - 2,5 %.

К исследованию были приняты две конструктивные схемы размещения пластин жалюзи, использованных при разработке конструкций РЗУ, -однорядного и двухрядного жалюзийного экрана (рисунок 2).

а - однорядное расположение пластин; б - то же в два ряда Рисунок 2 - Исследуемые схемы жалюзийного экрана

По результатам замеров строились кривые свободной поверхности воды и эпюры скоростей, отвечающие условиям эксперимента. На рисунке 3 приведены отметки уровней свободной поверхности и эпюры скоростей потока для однорядного экрана с углом установки жалюзи 75°, с расходами лотка 71,68 л/с и водозабора 25,67 л/с - перед (сплошная линия) и за экраном (пунктирная линия).

/ ___.

гш,=-226,2

л

///////а г? у > г

ф®®®®®®®®@

о,в"

0,041 Ц0.01Э 0.10 НО.ОО!

0,017 110.021 3.086 П0013 0 032 110,015

© ®

Рисунок 3 — Кривые свободной поверхности воды и эпюры скоростей подхода потока к жалюзийному экрану

На рисунке 4 представлены эпюры скоростей перед двухрядным экраном при расходах в лотке 95,86 л/с и в водозаборе 41,08 л/с и начальной скорости истечения струи 4,6 м/с.

Рисунок 4 - Эпюры скоростей струи потокообразователя перед двухрядным

жалюзийным экраном

Анализ результатов лабораторных исследований позволил:

— установить значительную неравномерность распределения скоростей подхода потока по длине жалюзийного экрана с коэффициентами неравномерности (отношение максимальной к средней скорости) близкими по значению Ки1 = 1,28 и Кн2 = 1,39 , однако установка второго ряда пластин приводит к более плавному распределению скоростей по длине экрана;

- получить зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления жалюзийного экрана в виде

£ =-Ё-

2 s

—п+—

3 /„

(4)

где п - число рядов жалюзи; аж— угол наклона пластин к плоскости экрана. - получить зависимости для определения параметров струи потокообразо-вателя: скорости на оси в виде

= 0,9818 - 0,02—, Я = 0,9853; (5)

и траектории изменения оси в виде

чЗ / \ 2

— = 0,0005Í—1 -0,004бГ—1 +0,440s(—1 + 0/ do \do) VoJ

0,2999, R = 0,9772, (6)

где и> и — скорость на оси и ширина струи на расстоянии х от среза насадка; и0и(1о- начальная скорость истечения струи и диаметр насадка.

Для определения параметров завесы из струй в расчётном створе жалюзийного экрана использован метод наложения потенциальных потоков, что позволило получить зависимости для определения скорости потока в расчётном створе:

-на оси завесы Уж= 2 ('"¿1(1 + соз2й(1|); (7)

- в промежуточной точке V.jh- + cos2aio) + Vb\cos2 ab2), (8)

где Vbo, Vbi, Vb2 - скорости, соответственно, на оси и в промежуточных точках завесы от действия струи из системы насадок (0, 1, 2); аъо, «4/, «м - углы между осью завесы (насадок 0) и границами струи, образованными насадками (1 и 2).

Полученные зависимости позволяют оценить гидравлические условия в пределах жалюзийного РЗУ, с учётом завесы из струй, определить основные параметры конструкции.

Приведены результаты численного моделирования плоского жалюзийного экрана рыбозащитного устройства, которые выполнены в программной среде SolidWorks+FloWorks, представляющей собой комбинацию полной версии системы SolidWorks, как графической среды, и гидрогазодинамического решателя COSMOSFloWorks, препроцессор которого позволяет реализовать полностью автоматизированный или ручной метод блочного построения расчётной сетки.

Одной из задач математического моделирования, рассмотренных в работе, являлась оценка влияния каждого из элементов жалюзийного РЗУ - экрана и завесы из струй, на работоспособность устройства в целом. Результаты моделирования этой задачи приведены на рисунке 5.

а — завесы из струй без экрана; б - экран без завесы Рисунок 5 — Численное моделирование влияния элементов жалюзийного РЗУ на условия его работы

Оценивая положение линий тока, при отсутствии жалюзийного экрана (рисунок 5, а), необходимо отметить, что создаваемая завеса, в полном объеме вовлекается в водоприемное окно, при этом вся молодь рыб будет попадать в водозабор. Для того чтобы перекрыть водозаборное окно струями без экрана, необходимо увеличить начальную скорость истечения струй, диаметр насадок и (или) их количество, что приведет к увеличению расхода воды на потокообразователь.

Во втором случае, при отсутствии завесы, водозаборный поток равномерно поступает через жалюзийный экран, т.к. скорости транзитного потока (менее 0,2 м/с) будет недостаточно для отведения рыб от жалюзи (рисунок 5, б), а экран будет воздействовать на молодь только в светлое время, как визуальная преграда.

Таким образом, результаты моделирования свидетельствуют, что элементы исследованных РЗУ - жалюзийный экран и завесы из струй оказывают на молодь рыб комплексное защищающее воздействие, которое невозможно достичь при использовании этих элементов отдельно.

Приведены результаты исследовании условий работы и оценка эффективности опытных образцов жалюзийных экранов, проводимые в августе 2006 г. и июле - августе 2007 г. на полигоне, расположенном на водозаборе подкачивающей насосной станции ОПХ «ВолжНИИГиМ», при непосредственном участии автора.

В результате исследований опытных образцов РЗУ с двумя типами экранов определены гидравлические характеристики струй потокообразователя в зависимости параметров жалюзийных экранов при их совместном использовании, закономерность распределения скоростей втекания по длине экранов с потокообразователем и эффективность защиты рыб.

Анализ результатов проведённых опытов показывает, что эффективность защиты рыб отдельно жалюзийными экранами и завесой из струй при отсутствии транзитного течения не удовлетворяет нормативные требования и составляет для жалюзийных экранов 59,3 - 68,4 %, для завесы из струй 39,5 - 48,9%. Таким образом, подтверждены выводы математического моделирования в оценке комплексной зависимости рабочих элементов жалюзийного РЗУ.

В четвертой главе «Натурные исследования жалюзийных рыбозащитных устройств на водозаборах буровых платформ в Каспийском море» изложены результаты натурных исследований конструкций жалюзийных РЗУ на водозаборах самоподъёмной плавучей буровой платформы (СПБУ) «Астра» и специального плавучего основания (СПО) «Чилим» в Северном Каспии, имеющем важное рыбохозяйственное значение.

В качестве РЗУ на водозаборной колонне СПБУ «Астра» с расходом 0,151 м3/с применялись три жалюзийные кассеты размером 2340x500x70 мм с тремя потокообразователями (см. рисунок 1, а).

На водозаборе СПО «Чилим» с расходом 0,035 м3/с применялся плоский жалюзийный экран размером 1335x1140x310 мм с потокообразователем.

Гидравлические и биологические исследования РЗУ проводились с использованием гидрометрического и ихтиологического оборудования, по общеизвестным методикам. Биологические исследования и обработка полевого материала выполнялись совместно с сотрудниками ФГУП КаспНИРХ. Приведено описание применяемых приборов, оборудования, оценка точности экспериментов.

Гидрологические исследования показали, что для акватории участка Северного Каспия направление течения совпадает с направлением ветра во всей толще воды. После продолжительных ветров нагонного направления отмечено формирование компенсационного течения в придонном слое воды. В штилевую погоду ветровые течения на акватории участка отсутствуют. Режим течений в значительной степени определяет характер пространственно-временных изменений в районе исследований солености, биогенных веществ, переноса тепла и др.

По глубине точки на вертикалях измерений располагались на расстоянии от 1,0 м до 8,0 м от поверхности воды при общей глубине моря в месте установки СПБУ - 12 м. По результатам замеров в зависимости от глубины измерения, направления и силы ветра скорость течения изменялась от 0, 1 до 0, 42 м/с. Максимальная высота волны, зафиксированная при проведении исследований при северо-западном направлении ветра, составила 0,8 м.

В исследуемый период (2007-2008 гг.) в районе выполнения работ обнаружены 10 видов полупроходных рыб: вобла, лещ, судак, сом, жерех, чехонь, сазан, синец, рыбец, кутум. Видовой состав молоди морских видов рыб был представлен обыкновенной килькой, атериной, морскими сельдями. В составе ихтиопланктона отмечены личинки 9 видов рыб, относящихся к морским и полупроходным видам. Основу численности составляли морские виды рыб (атерина, обыкновенная килька, морские сельди, бычки). Полупроходные рыбы

были представлены воблой, лещом, чехонью, судаком. Длина личинок рыб колебалась в пределах от 6,9 мм тг (атерина) до 145 мм тах (игла-рыба). Средние концентрации личинок варьировали в июне от 0,001 экз./м3 (игла-рыба, судак, чехонь, лещ) до 0,4 экз./м3 (атерина), в июле от 0,002 экз./м3 (игла-рыба) до 0,01 экз./м3 (обыкновенная килька, атерина).

Проведенные работы по определению рыбозащитной эффективности жалюзийных кассет с потокообразователем водозабора СПБУ «Астра» показали, что за весь период исследований эффективность защиты рыб варьировала от 77,8% (рыба-игла) до 88,0% (обыкновенная килька), при среднем значении 83,0%, для промысловых видов рыб эффективность составила 85,0%.

Исследования жалюзийного РЗУ с потокообразователем на водозаборе СПО «Чилим» показали, что эффективность защиты по видам рыб изменялась от 79,9% (атерина) до 100 % (морские сельди, вобла, чехонь, кефали, колюшка) или в среднем составила 82,0 %, а с учётом выживаемости - 81,2 %, для промысловых видов - 81,6 % или с учётом выживаемости — 80,8 %.

Полученные результаты по эффективности жалюзийных РЗУ в полной мере отвечают требованиям СП 101.13330.2012.

В результате оценки технического состояния жалюзийного экрана и потокообразователей РЗУ в процессе эксплуатации установлен процесс обрастания и засорения (жалюзи до 50 %, насадок потокообразователя до 15 % сечения), интенсивность которого резко возрастает в летние месяцы в период максимальных температур воды и интенсивного развития биоорганизмов.

Двухлетний опыт эксплуатации жалюзийных РЗУ подтвердил высокую техническую надёжность, простоту и низкую трудоёмкость обслуживания, как отдельных элементов, так и конструкции в целом. По результатам исследований даны рекомендации по эксплуатации РЗУ.

В пятой главе «Внедрение результатов исследований рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений» приведены материалы по внедрению результатов исследований в практику проектирования, изготовления и использования на водозаборах нефтегазопромысловых

сооружений различных конструкций рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем.

Разработан алгоритм, сформулированы принципы проектирования РЗУ водозаборов буровых платформ, включающие: оценку прочности, устойчивости и жёсткости, удовлетворяющих принятым критериям в расчётных режимах МНГС; требования по безопасной эксплуатации РЗУ, включающие экологическую безопасность, в течение всего срока службы устройства, а также требования проведения работ по освидетельствованию и текущему ремонту; требования по использованию соответствующих материалов, выполнению необходимых расчётов, контролю качества и системы защиты от коррозии, абразивного износа, повреждений от воздействий льда, химических повреждений.

Для водозаборов буровых платформ ПА-Б и ЛУН-А, установленных для выполнения промысловых работ в Охотском море на шельфе острова Сахалин в рамках проекта «Сахалин - 2», при личном участии автора разработана и внедрена конструкция жалюзийного РЗУ, которая соответствует работе в условиях больших нагрузок и размещения на глубинах до 40 м, при высокой степени обрастания и сложных монтажных работ, отсутствия транзитных течений и необходимости минимизации объёмов профилактических работ.

Разработана конструкция и приведены результаты двухлетних производственно-экспериментальных работ по изучению особенностей эксплуатации и определению рыбозащитной эффективности жалюзийного РЗУ барабанного типа с потокообразователем для платформы «Амазон» в средней части Обской губы, которые показали, что функциональная эффективность РЗУ составила 82,1 %.

Обобщены материалы многолетних натурных и производственных исследований в различных условиях использования и технических решениях водоприёмников, на основе которых разработаны рекомендации по эксплуатации, монтажу и демонтажу рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.

20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ условий работы водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений, связанных с агрессивным воздействием морской воды и значительными динамическими нагрузками на водоприемники, позволил выделить из всего многообразия существующих конструкций рыбозащитных устройств РЗУ жалю-зийного типа — как наиболее надёжные от попадания в водозабор взрослой рыбы и обладающие достаточно высокой эффективностью защиты молоди. Однако применительно к условиям водозаборов МНГС, данные устройства требуют конструкторского совершенствования и научно-технического обоснования.

2. На основе принципов и особенностей защиты рыб в условиях водозаборов МНГС, при личном участии автора разработаны и защищены патентами на изобретения конструкции жалюзийных РЗУ с потокообразователем, предложены компоновочные решения и расчёт, методика которого включает: гидравлический расчёт по определению размеров жалюзийного экрана; гидравлический расчёт по-токообразователя; прочностной расчет каркаса для условий МНГС с использованием программного комплекса «Structure CAD версия 7.27».

3. По результатам исследований на физических моделях жалюзийных экранов установлены закономерности и зависимости для последующего использования при проектировании РЗУ водозаборов МНГС: коэффициент гидравлического сопротивления жалюзийного экрана; траектория оси струи завесы; относительная скорость на оси струи потокообразователя. Установлены закономерности влияния завесы из гидравлических струй на пропускную способность жалюзийного экрана, получены зависимости для расчета характеристик завесы в расчётном створе.

4. Разработана методика математического моделирования гидравлических условий в зоне жалюзийного экрана с потокообразователем с использованием программного продукта SolidWorks+FloWork, которая позволяет на этапе анализа вариантов проводить качественную оценку рыбозащитного устройства и его элементов, прогнозировать гидравлические и геометрические параметры, отвечающие оптимальным условиям его работы.

5. Натурные исследования эффективности жалюзийных РЗУ на водозаборах СПБУ «Астра» и СПО «Чилим» в Северном Каспии в 2007-2008 гг. при непосредственном участии автора показали, что эффективность защиты рыб отвечает требованиям СП 101.13330.2012: СПБУ «Астра» от 77,8 до 88,0 %, при среднем значении 83,0 %, для промысловых видов рыб - 85,0 %; СПО «Чилим» эффективность от 79,9 % до 100 % или в среднем 82,0 %, с учётом выживаемости - 81,2 %; для промысловых видов - 81,6 %, с учётом выживаемости - 80,8%.

6. Сформулированы принципы, разработан алгоритм проектирования РЗУ водозаборов буровых платформ, включающие: оценку прочности, устойчивости и жёсткости РЗУ на период всего срока службы, удовлетворяющих принятым критериям в расчётных режимах МНГС; требования по безопасной эксплуатации РЗУ, включая экологическую безопасность, в течение всего срока службы устройства, по освидетельствованию и текущему ремонту; требования по использованию соответствующих материалов, выполнению необходимых расчётов, контролю качества и систем защиты от коррозии, абразивного износа, повреждений от воздействий льда, химических повреждений. Разработаны рекомендации по эксплуатации, монтажу и демонтажу рыбозащитных устройств водозаборов МНГС.

7. Для водозаборов буровых платформ ПА-Б и ЛУН-А при личном участии автора разработана и внедрена конструкция жалюзийного РЗУ, которая работает в условиях больших нагрузок на глубинах до 40 м, высокой степени обрастания и сложных монтажных работ. Двухлетними работами по внедрению жалюзийных РЗУ с потокообразователем платформы «Амазон» установлено, что для обеспечения работоспособности РЗУ необходимо два раза в год проводить технический осмотр состояния жалюзийной поверхности, сопел потокообразователя и системы технического питания потокообразователя. Эффективность РЗУ для молоди корюшки и ряпушки в этот период в среднем составила 82,1 %.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения жалюзийных РЗУ на водозаборе СПБУ «Астра» составил 2.232 тыс. руб.

Рекомендуется:

- при разработке проектных решений рыбозащитных устройств водозаборов МНГС учитывать особые морские условия их эксплуатации, при этом конструк-

ции РЗУ должны соответствовать типам водоприемников буровых платформ;

- на этапе предварительного рассмотрения типа РЗУ проводить численное моделирование для получения качественной оценки рыбозащитного устройства и его элементов, определения гидравлических и геометрических параметров, отвечающих оптимальным условиям работы;

- для обеспечения гарантированного срока службы РЗУ необходимо использовать соответствующие материалы, средства защиты от коррозии, абразивного износа, воздействий льда;

- для обеспечения работоспособности РЗУ не реже двух раз в год проводить технический осмотр, обращая особое внимание на состояние жалюзийной поверхности, сопел потокообразователя и системы технического водообеспечения РЗУ.

Перспективы дальнейшей разработки темы:

- установить закономерность изменения параметров завесы из струй, образуемой потокообразователем вдоль жалюзийного экрана, при воздействии транзитных и подходных скоростей переменных направлений и величин;

- совершенствовать конструкции рыбозащитных устройств водозаборов МНГС и эффективность их эксплуатации в условиях наличия течений воды переменных направлений и скоростей.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Михеев, П.А. О потерях напора на жалюзийном экране рыбозащитного устройства /П.А. Михеев, С.Н. Салиенко //Мелиорация и водное хозяйство. -2013.-№4.-С. 45-46.

2. Михеев, П.А. Обоснование элементов рыбозащитного устройства на основе данных компьютерного моделирования /П.А. Михеев, Д.Н. Новиков, С.Н. Салиенко и др. //Мелиорация и водное хозяйство - 2012. - № 1. — С. 31-32.

3. Салиенко, С.Н. Оптимизация параметров рыбозащитных устройств на основе данных численного моделирования /С.Н. Салиенко, Д.Н. Новиков //Природообустройство. - 2012. - № 2. - С. 49-51.

патенты:

4. Патент на полезную модель № 36115. Российская Федерация, МПК Е02 В8/08. Фильтр водозаборный рыбозащитный / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, H.H. Михайлов, В.Н. Дахов, И.С. Блохин; заявитель и патентообладатель ООО «Осанна» -№ 2003130450; заявл. 14.10.2003; опубл. 27.02.2004 г., Бюл. № 6.

5. Патент на полезную модель № 43013. Российская Федерация, МПК Е02 В8/08. Фильтр водозаборный рыбозащитный (варианты) / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, H.H. Михайлов, В.Н. Дахов, И.С. Блохин; заявитель и патентообладатель ООО «Осанна» -№ 2004127053; заявл. 07.09.2004; опубл. 27.12.2004 г., Бюл. №36.

6. Патент на изобретение № 2313634. Российская Федерация, МПК Е02 В8/08. Водозаборный рыбозащитный фильтр / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, H.H. Михайлов, И.С. Блохин, В.Н. Дахов, A.M. Вахидов; заявитель и патентообладатель ООО «Осанна» - № 2006115718/03; заявл. 06.05.2006; опубл. 27.12.2007 г., Бюл. № 36.

7. Патент на полезную модель № 76653. Российская Федерация, МПК Е02 В8/08. Фильтр водозаборный рыбозащитный / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, H.H. Михайлов; заявитель и патентообладатель ООО «Осанна» - № 2007103938; заявл. 01.02.2007; опубл. 27.09.2008 г., Бюл. № 27.

в других изданиях:

8. Салиенко, С.Н. Новые разработки рыбозащитных устройств / С.Н. Салиенко /Поведение рыб. Материалы докладов Международной конференции. Борок, Россия. -Изд. «АКВАРОС». - 2005. - С. 454-460.

9. Салиенко, С.Н. Гидравлические исследования рыбозащитных устройств с жалюзийными экранами, омываемыми струями /С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов, И.С. Блохин /Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Тр. АВН вып. 6. - Новочеркасск. - 2007. - С. 13-19.

Ю.Салиенко, С.Н. Исследования эффективности защиты рыб жалюзийными РЗУ /С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов, И.С. Блохин и др. /Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Тр. АВН вып. 6. - Новочеркасск. - 2007. - С. 46-53.

П.Костюрин, H.H. Оценка функциональной эффективности рыбозащитного устройства на водозаборе буровой платформы «Астра» /H.H. Костюрин, С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов /Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Тр. АВН вып. 6. - Новочеркасск. - 2007. - С. 39-45.

12.Мишелович, Г.М. Использование новых методов и средств рыбозащиты для сохранения биоресурсов внутренних водоемов /Г.М. Мишелович, С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов //Рыбоводство и рыбное хозяйство. - 2009. - № 4. - С. 36-42.

13.Салиенко, С.Н. О некоторых особенностях защиты рыб на водозаборах морских буровых платформ /С.Н. Салиенко /Гидротехническое строительство: Материалы регион, науч.-техн. конф. Вып. 2. ФГОУ ВПО НГМА. - Новочеркасск: Лик. -2009.-С. 10-17.

14.Салиенко, С.Н. Оценка рыбозащитной эффективности РЗУ водозабора спе-

циального плавучего основания «Чилим» /С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов, H.H. Костюрин /Гидротехническое строительство: Материалы регион, науч.-техн. конф. Вып. 2. ФГОУ ВПО НГМА. - Новочеркасск: Лик. - 2 009. - С . 17-28.

15.Костюрин, H.H. Эффективность защиты молоди рыб жалюзийным экраном с потокообразователем на буровых установках Северного Каспия /H.H. Костюрин, С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов /Материалы третьей международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений». - Астрахань: Издательство Кас-пНИРХа. - 2009. - С. 110-113.

16.Салиенко, С.Н. Опыт эксплуатации жалюзийных рыбозащитных устройств с потокообразователем на морских буровых платформах /С.Н. Салиенко, H.H. Михайлов, O.A. Фомичев и др. /Материалы третьей междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений». - Астрахань: Изд. КаспНИРХа. -2009. - С 181-183.

17.Салиенко, С.Н. Принципы разработки рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазовых сооружений /С.Н. Салиенко /Рыбоохранные мелиорации и сооружения: матер. Всерос. науч.-практ. конф. «Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в сохранении водных биологических ресурсов» г. Новочеркасск 17-21 мая 2010 г. /НГМА. - Новочеркасск: Лик. -2010.-С. 41-48.

18.Михайлов, H.H. Поведение рыб в зоне работы жалюзийных рыбозащитных устройств /H.H. Михайлов, С.Н. Салиенко /Поведение рыб. Материалы докладов IV Всероссийской конференции с международным участием. Борок, Россия. -Изд. «АКВАРОС». - 2010. - С. 258-263.

19.Новиков, Д.Н. Оценка условий работы рыбозащитных устройств по результатам численного моделирования /Д.Н. Новиков, С.Н. Салиенко, П.А. Михеев /Рыбоохранные мелиорации и сооружения: Матер. Всерос. науч.-практ. конф. «Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в сохранении водных биологических ресурсов» г. Новочеркасск 17-21 мая 2010 г. /НГМА. - Новочеркасск: Лик. - 2010. - С. 87-93.

20.Салиенко С.Н. Применение комплексных рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений /С.Н. Салиенко /Материалы IV международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений». - Астрахань: Издательство КаспНИРХа. - 2011. - С 197-202.

Подписано в печать 18.09.2013 г. Формат 60*841/16

Объем 1,0 уч. изд. листов. Тираж 100 экз._Заказ № 650

Типография НГМА, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

На правах рукописи

САЛИЕНКО СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВОДОЗАБОРОВ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.07 -"Гидротехническое строительство"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Михеев П.А.

Новочеркасск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЩИТЫ РЫБ НА ВОДОЗАБОРАХ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖАЛЮЗИЙНЫХ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ........................................................................................... 9

1.1. Анализ современных конструкций морских нефтегазопромысло-вых сооружений............................................................................. 9

1.2. Водопотребление морских буровых платформ и конструкции водоприемников ................................................................... 18

1.3. Воздействие морских буровых платформ на биоту и рыбохозяй-ственные условия района их размещения................................ 26

1.4. Современные конструкции жалюзийных рыбозащитных сооружений............................................................................ 29

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ................................................................... 40

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ВОДОЗАБОРОВ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ................................................................................................... 42

2.1. Принципы защиты рыб и общие требования к конструкциям рыбозащитных устройств водозаборов морских буровых платформ.............................................................................................. 42

2.2. Разработка конструкций жалюзийных рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.......... 45

2.3. Гидравлический расчет жалюзийных рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений......... 51

2.3.1. Расчет площади поверхности жалюзийного экрана............. 51

2.3.2. Расчет параметров потокообразователя........................ 52

2.4. Расчет каркаса жалюзийного рыбозащитного устройства для

условий буровых платформ гравитационного типа..................... 54

2.4.1 Нагрузки и воздействия............................................ 56

2.4.1.1 Нагрузки на РЗУ.......................................... 56

2.4.1.2 Расчет нагрузок на РЗУ................................. 57

2.4.1.3 Сочетания нагрузок...................................... 58

2.4.2 Расчет каркаса на прочность...................................... 59

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ................................................................... 63

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ ЖАЛЮЗИЙНЫХ РЫБОЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ........ 64

3.1. Исследования гидравлических условий работы жалюзийного экранов на физической модели............................................. 64

3.1.1. Оценка условий физического моделирования жалюзийного экрана............................................................... 64

3.1.2. Описание экспериментальной установки и методики исследований............................................................ 66

3 Л .3. Оценка точности измерений параметров потока............. 70

ЗЛ.4. Результаты лабораторных исследований жалюзийных

экранов................................................................ 72

3.1.4.1. Исследования потерь напора на жалюзийных экранах без завесы из струй............................ 73

3.1.4.2. Исследования условий формирования и оценка влияния завесы из струй на пропускную способность жалюзийных экранов............................ 78

3.2. Определение скорости течения потока в расчётном створе завесы

из системы гидравлических струй.......................................... 83

3.3. Численное моделирование жалюзийного рыбозащитного устройства с плоским экраном...................................................... 87

3.4. Исследования условий работы опытных образцов жалюзийных экранов........................................................................... 93

3.4.1. Краткое описание объекта, цель, задачи и методика исследований................................................................ 93

3.4.2. Анализ результатов гидравлических исследований........... 95

3.4.3. Исследования эффективности защиты рыб жалюзийными экранами в условиях полигона.................................... 99

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.................................................................. 105

4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖАЛЮЗИЙНЫХ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ НА ВОДОЗАБОРАХ БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ В КАСПИЙСКОМ МОРЕ............................................................. 107

4.1. Цель и задачи натурных исследований................................... 107

4.2. Краткая характеристика объектов натурных исследований.......... 109

4.2.1. Водозабор буровой платформы «Астра»....................... 109

4.2.2. Водозабор специального плавучего основания «Чилим»... 112

4.3. Приборы, оборудование и методика натурных исследований...... 114

4.4. Результаты исследований рыбозащитных жалюзийных устройств

с потокообразователем....................................................................... 123

4.4.1. Оценка эффективности рыбозащитного устройства водозабора платформы «Астра»........................................ 123

4.4.2. Оценка эффективности рыбозащитного устройства водозабора специального плавучего основания «Чилим»........ 126

4.4.3. Оценка технического состояния жалюзийного рыбозащитного устройства в процессе эксплуатации................ 133

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ................................................................... 136

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ВОДОЗАБОРОВ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫС-ЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ......................................................................... 139

5.1. Принципы проектирования, изготовления и эксплуатации рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысло-вых сооружений............................................................... 139

5.2. Рыбозащитное устройство для буровых платформ Пильтун-Астохского и Лунского месторождений.................................. 145

5.3. Разработка рыбозащитного устройства для буровой платформы «Амазон» в Обской губе..................................................... 153

5.4. Рекомендации по эксплуатации, монтажу рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений............................................................................ 159

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.................................................................. 163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 165

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................ 168

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................ 185

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Обеспечение условий для защиты ихтиофауны от попадания в водозаборы морских нефтегазопромысловых сооружений (МНГС) является сложной научной и технической задачей. Достаточно отметить, что в настоящее время существует небольшой опыт разработки, строительства и эксплуатации рыбозащитных устройств для подобных сооружений. Однако в соответствии со Ст. 61 п. 2 Водного кодекса Российской Федерации (2006) «Водопользователи, использующие водные объекты для забора (изъятия) водных ресурсов, обязаны принимать меры по предотвращению попадания рыб и других водных биологических ресурсов в водозаборные сооружения...». Существующая законодательная (Закон РФ «Об охране..., 2002; Федеральный закон «О животном мире, 1995; Постановление Правительства РФ от 29 апреля 2013 г. N 380) и нормативная база устанавливает порядок проведения рыбоохранных мероприятий и состав документации при проектировании гидротехнических объектов на водоисточниках, имеющих важное рыбохозяйственное значение.

К прямому влиянию на популяции рыб, этапе установки буровой платформы, так и на этапе бурения, испытания и ликвидации скважины, относятся: воздействие сброса буровых отходов и хозяйственно-бытовых сточных вод; работа водозаборных устройств; воздействие шума; отторжение площадей мест обитания, нагула или нереста; помехи на пути нерестовых миграций в результате физического присутствия МНГС. Значимое влияние оказывают водозаборные устройства МНГС, в которые попадают и погибают личинки, икра и ранняя молодь рыб.

Степень разработанности темы. Расходы забираемой воды зависят от конструкции МНГС и выполняемых технологических операций. Так в период балластировки платформы максимальный расход морской воды может составлять

десятки тыс. м3/сут. После установки платформы и начала эксплуатации максимальный забор воды возрастает, производится постоянно и за весь период может составлять более 1 млн. м . Снижение экологического воздействия МНГС на природную среду, в том числе на рыб, требует всестороннего исследования и обоснования. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, выполненная в рамках отраслевых планов НИР Федерального агентства по рыболовству (Росрыболовство) и направления научных работ ФГБОУ ВПО НГМА тема 03.02.01.04: «Научно-техническое обоснование и разработка технических решений рыбохозяйственного комплекса при крупных энергетических и водохозяйственных объектах». Диссертация соответствует пункту 5 - «...разработка новых направлений повышения рыбопродуктивности и биопродуктивности водохранилищ, а также новых конструкций рыбозащитных и рыбопропускных сооружений на каналах; разработка новых методов производства работ по возведению каналов и сооружений» паспорта научной специальности 05.23.07 - «Гидротехническое строительство».

Целью исследований является научное обоснование принципов защиты рыб, разработка и исследование технических решений рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить условия работы морских нефтегазопромысловых сооружений и дать оценку возможностей использования существующих конструкций РЗУ на водозаборах МНГС;

- разработать и обосновать конструкции жалюзийных рыбозащитных устройств, отвечающих условиям работы и конструкциям водоприёмников МНГС;

- изготовить опытные образцы жалюзийных устройств, выполнить лабораторные и натурные исследования по установлению параметров и оценке рыбоза-щитной эффективности конструкций;

- разработать методику расчета основных параметров жалюзийного рыбо-защитного устройства;

- разработать рекомендации по проектированию, изготовлению и эксплуа-

тации рыбозащитных устройства жалюзийного типа для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

- определены принципы обеспечения защиты рыб в условиях водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений;

- разработаны конструкции, технические и технологические характеристики жалюзийных рыбозащитных устройств водозаборов морских буровых платформ;

- обоснованы результаты экспериментальных исследований условий работы рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений;

- разработаны методика расчёта параметров, рекомендации по проектированию и использованию жалюзийных рыбозащитных устройств МНГС.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработаны новые технические решения, а также научно обоснованная методика по расчёту и конструированию рыбозащитных устройств водозаборов МНГС;

- разработаны рекомендации по изготовлению и инструкции по эксплуатации жалюзийных РЗУ водозаборов, работающих в морских условиях.

Техническое решение жалюзийного РЗУ реализовано для водозабора СПБУ «Астра» ООО «Буровая компания Евразия Шельф» в Каспийском море. Ожидаемый экономический эффект составил 2,232 млн. руб.

Методология и методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы теории турбулентных струй, численные методы моделирования, апробированные методики лабораторных гидравлических и натурных гидравлико-биологических исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- рыбозащитные устройства, отвечающие морским условиям работы и конструкциям водоприёмников водозаборов МНГС;

- результаты комплексных исследований по обоснованию параметров и

функциональной эффективности РЗУ для водозаборов МНГС;

- методика расчёта геометрических и кинематических характеристик жалю-зийного рыбозащитного устройства с потокообразователем;

- рекомендации по проектированию, изготовлению и эксплуатации жалю-зийных рыбозащитных устройств для водозаборов МНГС.

Степень достоверности апробация результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории вероятности, математической статистики и моделирования на ПК. Опытные данные научных исследований получены в результате использования общеизвестных методик натурных экспериментов, метрологически аттестованных приборов и стандартного оборудования промышленного изготовления. Достоверность научных выводов подтверждается их апробацией и использованием в производственных условиях.

Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на заседаниях: международной конференции Поведение рыб (Борок, 2005 и 2010 гг.), научно-технической конференции «Современное состояние теории и практики рыбозащиты» (г. Энгельс Саратовской обл., 2007 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (Астрахань, 2009, 2011, 2012 гг.), региональной научно-технической конференции «Гидротехника, гидравлика и геоэкология» ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, май 2009 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в сохранении водных биологических ресурсов» (г. Новочеркасск, 2010 г.), а также на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО НГМА (2006-2013 гг.).

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ - 3, получены 4 патента на изобретения и полезную модель. Общий объем опубликованных работ составляет 5,5 п.л., принадлежность автору составляет 2,8 п.л.

1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЩИТЫ РЫБ НА ВОДОЗАБОРАХ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖАЛЮЗИЙНЫХ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ

Обеспечение условий для защиты ихтиофауны от попадания в водозаборы морских нефтегазопромысловых сооружений (МНГС) является сложной научной и технической задачей. Достаточно отметить, что в настоящее время существует небольшой опыт разработки, строительства и эксплуатации рыбозащитных устройств для подобных сооружений. Однако в соответствии со Ст. 61 п. 2 Водного кодекса Российской Федерации «Водопользователи, использующие водные объекты для забора (изъятия) водных ресурсов, обязаны принимать меры по предотвращению попадания рыб и других водных биологических ресурсов в водозаборные сооружения...». Существующая законодательная и нормативная база [18, 20, 21, 29, 31, 39, 52, 82, 89, 119, 126, 140] устанавливает порядок проведения рыбоохранных мероприятий и состав документации при проектировании гидротехнических объектов на водоисточниках, имеющих важное рыбохозяйственное значение.

1.1. Анализ современных конструкций морских нефтегазопромысловых сооружений

Разработка морских нефтяных и газовых месторождений - весьма сложный процесс, как в техническом отношении, так и экономическом, связанный со значительным риском. Основные проблемы при освоении этих месторождений -проблемы техники и технологии производства этих работ освещены в работах [2,

10-12, 22, 26, 64,134].

Комплекс технических средств для освоения нефтяных и газовых месторождений состоит из большого числа типов и видов уникальных и дорогостоящих гидротехнических сооружений геологоразведочного, бурового и нефтепромыслового оборудования, систем связи, навигации, охраны окружающей среды и др., который включает:

-технику, предназначенную для изучения условий окружающей среды в районе производства работ. Для этих целей существует ряд научно-исследовательских служб, центров, организаций, занимающихся комплексным изучением окружающей среды, разработкой программ и методик и оснащенных техническими средствами, включающими гидрометеорологические станции, автоматические станции на свайных сооружениях, технику по изучению батиметрических условий, химического состава воды, волнения, течений и др.;

-технические средства связи и навигации, состоящие из комплекса аппаратуры, позволяющей использовать через геостационарные спутники связи большое количество телефонных и телеграфных каналов связи с большой степенью надежности (99,9 %), широко применять спутниковые навигационные системы, работающие в автоматическом режиме и т.п.;

-технические средства для производства геофизических работ, состоящие из геофизических судов, аппаратуры и оборудования для автоматической обработки информации, многоканальных цифровых сейсмических станций, обеспечивающих обработку данных на борту судна и подготовку материала для ввода данных в ЭВМ. Координаты производства работ определяют через спутники связи;

- технические средства для глубокого разведочного бурения нефтяных и газовых скважин (буровые платформы и суда), подводный устьевой комплекс;

-технические средства для геолого-инжен�