автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Совершенствование нормативной базы на системы райзеров объектов освоения месторождений российского арктического шельфа

На правах рукописи

004602310

Квасняк Анна Дмитриевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ НА СИСТЕМЫ РАЙЗЕРОВ ОБЪЕКТОВ ОБУСТРОЙСТВА МЕСТОРОЖДЕНИЙ РОССИЙСКОГО АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА

Специальность: 05.02.23 - «Стандартизация и управление качеством

продукции»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

оп

2 О Ш ^

Москва-2010

004602515

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина на кафедре «Управление качеством, стандартизация и сертификация оборудования»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кершенбаум Всеволод Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панкина Галина Владимировна

доктор технических наук, профессор Григорьев Леонид Иванович

Ведущая организация:

ООО «Газпром добыча шельф»

Защита диссертации состоится «25» мая 2010 г. в ауд. 202 в 15.00 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.200.01 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, В-296, Ленинский проспект, дом 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина

Автореферат разослан «_»_2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Т.А. Чернова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С учетом темпов освоения углеводородных ресурсов шельфа в России существует необходимость разработки комплекса стандартов на процессы и технические средства обустройства морских нефтегазовых месторождений. На сегодняшний момент в России отсутствуют стандарты на такой сугубо морской вид техники, как райзеры. В международной практике накоплен серьезный опыт стандартизации в области морской нефтегазодобычи. Тем не менее, прямое применение международного опыта по стандартизации райзерных систем не обосновано в силу специфики российского арктического шельфа.

Объектом исследования является нормативная база и особенности стандартизации систем райзеров, предназначенных для эксплуатации в условиях российского арктического шельфа.

Цель работы заключается в совершенствовании нормативной базы, выявлении особенностей и разработке научно-обоснованных предложений по стандартизации систем райзеров с учетом специфики российского арктического шельфа.

Основные задачи исследования:

- Обзор международной, зарубежной и отечественной нормативной базы в области морской нефтегазодобычи.

- Разработка методики процесса гармонизации стандартов.

- Анализ практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных и райзерных систем и особенностей эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктических морей.

- Сравнительный анализ подходов и практики стандартизации систем райзеров основных зарубежных систем стандартизации с точки зрения приемлемости их положений для российских арктических условий.

Разработка методики учета ледового воздействия для целей стандартизации.

- Разработка предложений по гармонизации стандартов на системы райзеров с учетом особенностей российского арктического шельфа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

Разработана методика процесса гармонизации стандартов, которая направлена на повышение надежности системы райзеров на стадии

проектирования за счет стандартизации процесса оценки вероятности повреждения райзеров льдом.

Разработан алгоритм анализа ледового воздействия на систему райзеров, который учитывает оценку возможности попадания льда в зону райзера и вероятностный подход к оценке безопасности системы райзеров, эксплуатируемых в ледовых условиях. Данный алгоритм направлен на формализацию процесса анализа и учета ледового воздействия в стандартах на системы райзеров.

Основные защищаемые положения:

1. Методика гармонизации стандартов, учитывающая специфику российских условий, в т.ч. арктического шельфа, и особенности эксплуатации систем райзеров в ледовых условиях.

2. Алгоритм оценки и учета ледовых воздействий на систему райзеров с целью внесения его в качестве дополнительных требований в проект гармонизированного российского стандарта на системы райзеров.

3. Вероятностная модель определения уровня безопасности системы райзеров, эксплуатируемых в условиях риска повреждения льдом.

4. Рекомендации по стандартизации и рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом и неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом.

Практическая значимость. Результаты работы внесены в качестве предложений по стандартизации систем райзеров в российский технический комитет №23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа». Разработка национальных стандартов на подводные добычные системы, гибкие трубы и райзеры находятся в планах работ по стандартизации Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации, в связи с этим проведенные исследования и полученные выводы способствуют инновационному развитию отечественной системы стандартизации.

Результаты работ имеют практический интерес в качестве предложений по совершенствованию работы Международной организации по стандартизации ISO над стандартами на системы райзеров.

Публикации. Результаты исследований автора отражены в восьми научных публикациях, в т.ч. в двух изданиях, включенных в «Перечень...»

ВАК Минобрнауки РФ.

Апробация работы.

Основные результаты и положения настоящей диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

II Международная конференция «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток (ROOGD-2008)», Москва. 1718 сентября 2008г.;

- Научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых «Применение новых технологий в газовой отрасли: опыт и преемственность», п. Развилка, МО, 30 сентября-1 октября 2008 г.;

- VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых ООО «Газпром ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз» «Инновации в нефтегазовой отрасли -2009», Ухта, 29 июня - 4 июля 2009г.;

- Восьмая всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», Москва, 6-9 октября 2009г.;

- 10-й Петербургский международный форум ТЭК, Санкт-Петербург, 24-26 марта 2010г.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц и 27 рисунков. Список литературы содержит 51 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и основные защищаемые положения.

Первая глава содержит обзор мировой нормативной базы в области морской нефтегазодобычи. В главе рассматриваются основные подходы ведущих организаций по стандартизации (ISO, API, CSA, NORSOK, DNV, GOST R) к разработке нормативных документов для целей освоения континентального шельфа. Приведен исчерпывающий перечень «морских» нормативных документов, разработанных указанными организациями, а также анализ их уровня гармонизации.

Проведенный в рамках главы исследования позволяют сделать вывод о том, что рассматриваемые системы стандартизации ISO, США (API) и

Норвегии (ЫОЯБОК, БМУ) обладают развитым комплексом нормативных документов в области морской нефтегазодобычи, которые насчитывают несколько десятков документов на все основные технические объекты и процессы. При этом перечисленные комплексы документов частично гармонизированы между собой (американская и международная системы в большей степени). Для России разработка и гармонизация стандартов с международными/зарубежными стандартами для целей морской нефтегазодобычи находятся в краткосрочной перспективе, исходя из направлений развития нефтегазовой отрасли страны и сведений программных документов национальной системы стандартизации.

Вторая глава посвящена исследованию вопроса гармонизации стандартов с цель развития российской нормативной базы, исходя из международного опыта.

Процесс гармонизации российских стандартов основан на трех различных процедурах принятия международных/зарубежных стандартов, которые сводятся к разработке либо идентичного, либо модифицированного, либо неэквивалентного нормативного документа.

Процесс модификации международного стандарта на системы райзеров является, по нашему мнению, наиболее предпочтительным, т.к. позволяет вносить в гармонизированный стандарт дополнительные требования к объекту стандартизации в случае, если необходимо учесть особенности его эксплуатации.

Обобщая проведенные в диссертации исследования, полагаем, что работы по гармонизации стандартов можно свести к процессу, изображенному на рисунке 1. Методика процесса гармонизации стандартов в предложенном автором варианте основана на научном подходе и задается следующей последовательностью действий:

- анализ объекта стандартизации, международного и российского опыта его эксплуатации;

- выявление особенностей эксплуатации объекта стандартизации, исходя из специфики российских условий;

- обзор существующих стандартов на объект стандартизации и формирования перечня основных зарубежных стандартов;

- сравнительный анализ стандартов из перечня с акцентом на требования, связанные с российской спецификой и особенностями эксплуатации объекта стандартизации;

- выбор наиболее приемлемого стандарта из перечня, максимально отвечающего российской специфике;

- разработка дополнительных научно доказанных и практически обоснованных требований, подлежащих внесению в проект российского стандарта, с целью учета российских особенностей;

- разработка проекта российского стандарта, гармонизированного с международным/зарубежным.

Следует отметить, что проведенные в рамках данной диссертации исследования полностью соответствуют предложенному на рисунке 1 процессу гармонизации стандартов.

Вход

стандартизации; обладающий

набором существенных характеристик

Стандартизация

Рисунок 1 - Процесс гармонизации стандартов

Синтез Выход

т

Третья глава посвящена исследованию практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных систем и систем райзеров.

В практику освоения морских месторождений с нарастающими темпами входит применение подводных технологий, добывающих технологических суден с отсоединяемой системой райзеров.

Первым глубоководным проектом (с применением добывающего судна и подводных технологий) для России станет Штокмановское газоконденсатное месторождение (ШГКМ) (глубина моря в районе залегания 340м), которое также отличается рекордными для морской нефтегазодобычи запасами газа (3,8 трлн. м3 газа и 37 млн. т газового конденсата). Технологическое судно ШГКМ предназначено для эксплуатации в экстремальных арктических условиях и имеет возможность безопасного отсоединения от якорей и райзерной системы в случае возникновения серьезной ледовой угрозы.

По своим параметрам и условиям эксплуатации технологическое судно ШГКМ схоже с добывающими установками канадских и норвежских проектов: Wite Rose (2005 Канада), Terra Nova (2002 Канада), Alvheim (2007 Норвегия), Asgard (1999 Норвегия), Skarv-Idun (2011 Норвегия) и т.д.

Одной из особенностей освоения месторождений с применение подводных и надводных модулей и технологий является применение систем райзеров. Система райзеров представляет собой соединительные трубопроводы и элементы между надводным сооружением (платформа, судно и т.п.) и подводным устьевым оборудованием, расположенным на морском дне.

Существуют различные виды райзерных систем (см. рис.2), которые отличаются по назначению, условиям эксплуатации, способам интеграции с надводным сооружением и т.д.

Эксплуатационные райзеры группируются в зависимости от типа главной добывающей установки, на которую замыкается система подводной добычи. Это может быть неподвижное сооружение с донным основанием (например, стальная каркасная конструкция на сваях или бетонное гравитационное морское сооружение) или плавучее сооружение, т.е. платформа с натяжным основанием или плавучая добывающая система (например, судно, полупогружная установка или установка типа SPAR).

Классификация райзеров/ гибких труб

Рисунок 2 - Классификация систем райзеров и гибких труб

Конструкция райзеров определяется исходя из технологических показателей (параметры добычи, способ обустройства месторождения и т.п.) и природных условий в месте расположения объектов обустройства (глубина моря, условия окружающей среды и т.п.), поэтому при проектировании райзерной системы учитывают следующие факторы:

- условия эксплуатации и требования к геометрии райзера;

- требования к конструктивной целостности и жесткости;

- характеристики конструкционного материала райзера;

- применяемые системы поддержания конструкции в толще воды, способ крепления;

- экономико-стоимостные показатели.

При проектировании систем и оборудования, предназначенных для эксплуатации в условиях арктических морей, следует принимать во внимание факторы, повышающие риск возникновения нештатных ситуаций и потери надежности системы в целом. К таким факторам в первую очередь относятся природно-климатические особенности арктических морей, а именно: низкие

температуры, волнение моря, обледенение, морской лед, туманы и полярные ночи и т.д. Также к факторам, осложняющим условия безопасной работы на арктическом шельфе, относятся удаленность от берега, низкое развитие береговой инфраструктуры, менее надежные прогнозы погоды и пр.

Практики обустройства и эксплуатации морских месторождений в столь суровых условиях, как на российском арктическом шельфе, не существует. Присутствие в арктических морях дополнительных факторов риска требует особого внимания при проектировании ответственных систем (в т.ч. райзеров), а также дополнительных требований, которые должны найти свое отражение в соответствующих стандартах.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ подходов к стандартизации систем райзеров основных зарубежных систем стандартизации.

Основываясь на обзоре практики стандартизации райзерных систем, считаем, что особое внимание следует уделить стандартам, разработанным такими организациями, как ISO (Международная организация по стандартизации), API (Американский нефтяной институт), DNV (Дэт Норске Веритас).

Подходы ISO, API, DNV к стандартизации систем райзеров носят комплексный характер. Это обусловлено тем, что в каждой из указанных систем стандартизации существует отдельный набор (комплекс) документов, устанавливающих требования к райзерам, гибким трубам и шлангокабелям. Помимо этого, комплексность «морских» стандартов ISO, API, DNV проявляется в использовании перекрестных ссылок, когда требования к райзерам содержатся в качестве отдельных разделов или приложений в стандартах, распространяющихся на смежные с райзерами технические системы и оборудование.

С целью более глубокой проработки зарубежных подходов к стандартизации райзеров использован метод сравнительного анализа стандартов разных систем стандартизации (DNV-OS-F201, ISO 13628-12, API RP 2RD), относящихся к одному и тому же объекту. В главе детально проанализированы область распространения, структура стандартов, принципы и методы проектирования, нормирование нагрузок на райзеры (см. табл. 1). Следует отметить, что при анализе особое внимание уделялось вопросам учета в стандартах ледовых нагрузок на системы райзеров, как наиболее существенному фактору опасности для систем райзеров, предназначенных для эксплуатации в арктических/ледовитых морях.

И

Таблица 1 - Сравнительный анализ основных положений стандартов на динамические райзеры

ы

ISO 13628-12 | DNV-OS-F201 | API RP 2RD

Область распространения

Райзеры на плавучих добывающих установках, выполненные из стальных, титановых или неармированных гибких труб Райзеры с натянутым верхом и податливых стальных райзеров, эксплуатируемых с судов и стационарных платформ Райзеры на плавучих добычных системах, изготовленные из стальных или титановых труб или неармированных гибких труб

Содержание

- Проектные нагрузки и условия; - Критерии проектирования труб; - Соединительные элементы и элементы райзера; - Материалы; - Изготовление и монтаж; - Управление целостностью райзера. Приложения: Пример расчета нагрузок; Пример расчета райзера с натяжением в верхней части; Пример расчета райзера в форме свободно подвешенной цепи; Пример расчета гибридного райзера; Контроль соединительных элементов; Диаграмма зависимости деформаций от напряжений; Пример расчета пропускной способности; Геотехнические аспекты. - Философия и основы проектирования; - Нагрузки; - Методика анализа; Критерии проектирования труб райзеров (ULS, SLS, ALS и FLS.); - Соединительные элементы и элементы райзеров; - Материалы; - Документы и необходимые проверки; Эксплуатация, техническое обслуживание и переосвидетельствование; Приложения: Общий анализ; Анализ усталостного нагружения; Определение результата действия экстремальных комбинированных нагрузок; Проверка модели общего анализа; Рекомендации по анализу вибраций, вызванных вихреобразованием; Основы проектирования. - Основные положения; - Описание системы и ее компонентов; - Основные принципы проектирования; - Проектные нагрузки и условия; - Расчетные критерии; Приложения: Глоссарий; Особенности функционального назначения различных типов райзеров; Примеры проблем при проектных расчетах; Проектирование композитных райзеров; Ссылки; Принципы проектирования гибридных райзеров; Отличия от других стандартов.

Методы проектирования

Расчет по предельным состояниям, основанный на вероятностном подходе -метод расчета по коэффициентам нагрузок и сопротивлений (Load and Расчет по допускаемым напряжениям (Working Stress Design - WSD)

u»

ISO 13628-12 DNV-OS-F201 API RP 2RD

(Limit State Design - LSD) Resistance Factor Design - LRFD), метод расчета по допускаемым напряжениям (WSD), - анализ надежности, проектирование по результатам испытаний

Критерии проектирования и условия нагружения

- Предельное состояние по пригодности к нормальной эксплуатации (Serviceability Limit State, SLS); Основное предельное состояние (Ultimate Limit State, ULS); - Особое (чрезвычайное) предельное состояние (Accidental Limit State, ALS); - Предельное состояние по усталостной прочности (Fatigue Limit State, FLS). - Предельное состояние по пригодности к нормальной эксплуатации (Serviceability Limit State, SLS); Основное предельное состояние (Ultimate Limit State, ULS); - Особое (чрезвычайное) предельное состояние (Accidental Limit State, ALS); - Предельное состояние по усталостной прочности (Fatigue Limit State, FLS). Условия нагружения: - Максимальные условия эксплуатации; - Экстремальные условия; - Временные условия; - Условия усталостной прочности; - Особые/чрезвычайные условия; - Условия, требующие проведения аварийно-спасательных работ.

Принципы нормирования нагрузок

- Эксплуатационные; - Внешние/природные; - Чрезвычайные/особые. - давление (Р); - эксплуатационные нагрузки (И); - внешние/природные нагрузки (Е); - чрезвычайные нагрузки (А). - Эксплуатационные; - Внешние/природные; - Чрезвычайные/особые.

Внешние нагрузки

Внешние нагрузки это те нагрузки, которые создаются непосредственно или косвенно океанической средой. Непосредственные нагрузки включают гидростатическое давление и гидродинамические нагрузки от волн и течения. Косвенные нагрузки создаются от движения судна от ветра, волн и течения. - волны; - внутренние волны в водяном потоке, вызванные разностью плотностей воды; - течения; - землетрясения; -лед; - колебания судна, вызванные ветром, волнами и течением. - волны; - течения; - перемещение судна; - сейсмические; -лед.

Проведенный в работе сравнительный анализ стандартов показал, что в основу проекта международного стандарта на динамические райзеры положен стандарт API. При этом в стандарте ISO по отношению к API изменена структура документа и подход к проектированию систем райзеров. В международный стандарт заложен метод проектирования по предельным состояниям, аналогичный методу, использованному в стандарте DNV. Следует отметить, что, исходя из сложившихся традиций проектирования родственных систем (например, трубопроводов), в России также предпочтение отдается методу проектирования по предельным состояниям первой и второй группы. Первая группа приводит к потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций, а вторая - к затруднению нормальной эксплуатации сооружений.

Анализ показал общность подходов установления требований к нагрузкам на райзеры. Нагрузки в стандартах подразделяются на эксплуатационные, природные и чрезвычайные. При этом во всех проанализированных стандартах не уделено достаточного внимания проблеме действия ледовых образований на систему райзеров в условиях природной среды арктических морей.

В связи с этим, полагаем, что при разработке российских стандартов на райзерные системы целесообразно руководствоваться международным опытом стандартизации, взяв за основу документ ISO 13628-12 и доработав его с учетом российских условий, в т.ч. природных особенностей арктических морей. Для этого необходимо расширить требования международного документа в области учета ледовых нагрузок посредством тщательной проработки методики мониторинга ледовой обстановки и анализа ледового воздействия на системы райзеров, предназначенных для эксплуатации в арктических морях.

Пятая глава посвящена разработке методики учета ледового воздействия на системы райзеров для целей стандартизации.

Ледовые нагрузки оказывают серьезное воздействие на нефтегазовую деятельность в арктических морях и требуют особого учета при проектировании арктических установок и технологических комплексов, в соответствие с этим в зарубежных стандартах на арктические объекты нашли отражение требования к учету ледового воздействия на сооружения и трубопроводы. Анализа стандартов ISO 19906 (FDIS), CSA S471, API RP 2ND, NORSOK N-003 и др. показал, что в них не уделяется достаточного внимания требованиям к ледовым нагрузкам на системы райзеров. Например, ISO 19906 ограничивается всего лишь положением о том, что райзеры должны

прокладываться таким образом, чтобы избежать воздействия льда.

В связи с тем, что российские арктические моря отличаются суровыми ледовыми условиями, учет ледового воздействия на системы райзеров имеет серьезное значение в контексте обеспечения безопасной эксплуатации морских месторождений, что требует внесения дополнительных особых положений в российские стандарты на райзеры.

В главе 5 на примерах показано, что при стандартизации райзерных систем, эксплуатируемых в акваториях с ледовым режимом, могут быть выбраны различные подходы для защиты райзеров от опасности воздействия льда, которое может быть прямым и (или) косвенным. Для выбора оптимального варианта необходимо оценить соответствующие риски с качественной и количественной точек зрения.

В диссертационной работе основное внимание уделяется разработке подхода к проектированию райзерной системы применительно к риску прямого воздействия льда. В первую очередь это относится к актуальному для российского шельфа случаю использования на месторождении плавучего сооружения корабельного типа (FPU) при наличии ледовых условий.

В диссертации рассмотрен следующий типичный сценарий воздействия ледяного поля на корпус плавучей платформы. Ровный сплошной лед под действием внешних сил (течение, ветер) надвигается на сооружение и разрушается, взаимодействуя с корпусом, что приводит к образованию битых ледяных полей вокруг платформы. При этом возникает опасность того, что образующиеся обломки могут оказаться в области райзеров и создать угрозу целостности и работоспособности системы райзеров.

В диссертации разработан алгоритм (рис.3), который описывает методику анализа ледового воздействия на систему райзеров для рассмотренного сценария (отметим, что методика применима и в случае стационарных платформ, а не только плавучих). Предложенная схема основана на вероятностном подходе, учитывает фактор случайности при возникновении ледовых угроз и позволяет определить надежность райзерной системы, эксплуатируемой в ледовых условиях, что непременно должно найти отражение при формировании соответствующих нормативных документов.

Рисунок 3 - Алгоритм оценки воздействия льда на райзерную систему

Методика выбора конструктивных параметров райзерной системы по критерию допустимого риска имеет итерационный характер и основана на последовательном анализе риска райзерной системы при данных конструктивных параметрах.

Сначала выбираются номинальные значения параметров конструкции райзеров без учета ледовых нагрузок, исходя из производительности системы и обеспечения технологических параметров добычи без дополнительной степени защиты от ледового воздействия.

Далее необходимо проанализировать ледовые условия в регионе (на основе статистически-вероятностных данных), где предполагается эксплуатация плавучей добычной системы.

Следующим этапом анализа (см. рис.3) является оценка возможности попадания льда в зону райзера. Это, в первую очередь, зависит от способа обустройства месторождения, т.е. от типа применяемого сооружения. В рамках данной работы основное внимание уделяется способам обустройства месторождения с применением технологических судов (как, например, предполагается на ШГКМ в Баренцевом море), когда система райзеров подсоединяется к судну посредством турели и располагается непосредственно в водном пространстве между днищем судна и дном моря. В таких случаях существует опасность попадания обломков битого льда под судно. В работе предложена соответствующая инженерная модель анализа возможности попадания льда в зону райзера для случая плавучей платформы корабельного типа (FPU).

Для определения возможности попадания льда под днище судна

предлагается приближенная методика оценки глубины, которую могут достичь

обломки льда, заталкиваемые вниз вдоль борта судна надвигающимся ледяным

полем. Методика не требует сложных вычислений и основана на известных

решениях об определении нагрузки на сооружения с наклонной гранью, когда

лед заталкивается вверх. Автор адаптирует существующие модели для

решения «обращенной» задачи, когда обломки ледяного поля заталкиваются

ровным льдом под воду вдоль корпуса судна, преодолевая архимедову силу:

o-Ji'e*1' . .

-1— + (Pw ~ Р,се )ghbL

°:hb= ' + (pw -Р,„}gkbL íg(/3 + <p)

ot ...

; , (1)

где o¡ - напряжение сжатия в надвигающемся ледяном поле; Gf -прочность льда на изгиб; h - толщина льда; pw - плотность воды; p¡cc -плотность льда; g - ускорение свободного падения; L =Н / sin Р; Н - глубина заталкивания обломков льда под воду; р - угол наклона плоскости к горизонту; (p-arctg^i _ уГОл Трения; ц _ коэффициент трения; / - характерный радиус

изгиба ледяной балки.

В соответствие с расчетами по предложенной модели (1), напряжение сжатия, возникающее в ровном льде (на примере ШГКМ) на поверхности в предположении, что на корпус судна действиет сила, достаточная для заталкивания обломков льда под корпус судна (т.е. на глубину Н=20 м) составляет а,= 0,077 МПа. Тогда как предел прочности льда на сжатие ат =1,03МПа. Это говорит о том, что лед может оказываться под корпусом судна ШГКМ при возникновении незначительных усилий, следовательно, имеется высокая вероятность повреждения системы райзеров ледяными обломками и возникает необходимость проведения анализа опасности повреждения райзера льдом (см. схему рис.3).

Анализ опасности повреждения райзера льдом должен основываться на инженерных расчетах всех возможных сценариев взаимодействия райзера со льдом, учитывая вероятность повреждения райзера льдом определенной толщины h. Очевидно, что чем больше толщина льда, тем выше вероятность повреждения райзера с заданными параметрами.

В работе предложен вариант методики оценки вероятности повреждения райзерной системы ледяными обломками при известных параметрах ледового режима в районе эксплуатации морской платформы в предположении, что известна вероятность повреждения райзерной системы с заданными конструктивными параметрами льдом заданной толщины. Это нашло дальнейшее отражение в предложениях по совершенствованию стандартов на системы райзеров для арктических условий.

Результатом применения соответствующей методики является значение вероятности S неповреждения (т.е. надежности) райзера в течение периода времени Т, для определения которой предлагается следующая модель:

5<Г) = , (2)

где

#■= ]wh{x)-D(x)dx

h« - вероятность повреждения райзера пришедшим

ледяным полем, толщина которого имеет случайное значение от ho до hmax;

X - интенсивность/частота прихода ледяного поля;

Wh(x) - плотность распределения толщины приходящих полей;

D(x) - функция распределения вероятности повреждения райзера заданной конструкции пришедшим полем толщиной х.

В таблице 2 приведены значения вероятности неповреждения райзера S(T) для некоторых значений частоты появления ледяных полей (VT) и вероятностей повреждения райзеров льдом с условным делением на

допустимые, пограничные и недопустимые.

Таблица 2 - Матрица вероятности неповреждения (безопасности) райзера разреженным потоком ледяных полей в течение времени Т в зависимости от выбранной конструкции райзера и ледового режима в регионе

7 ——— 0,1 1 10 100

0,01 0,999 0,990 0,900 «Щ>370. ;:,,.. S

0,1 0,990 0,900 0,370, •..„■„ .¿'i'.ig 1

0,5 0,950 0,910 0,610 10

0,9 дашж

- Допустимый уровень вероятности неповреждения райзера

- Пограничный уровень вероятности неповреждения райзера (требуется дополнительное исследование, например, более точный анализ последствий повреждения райзера)

штшттт - Недопустимый уровень вероятности неповреждения райзера

Исходя из проведенного анализа опасности повреждения райзера льдом, определяется вероятность повреждения райзера с заданными конструктивными параметрами. Предполагая, что имеется также оценка негативных последствий повреждения, проектировщик может перейти к понятию риска повреждения райзера льдом (R).

Когда получены количественные оценки риска повреждения райзеров льдом, они могут быть сопоставлены с критериальными значениями, определяющими границу между допустимым и недопустимым риском. Если риск превышает допустимый уровень, то - следуя схеме рис. 3 - необходимо внести изменения в конструкцию проектируемой райзерной системы. Например, можно увеличить толщину стенок райзера, но возможен и кардинальный вариант - установить дополнительную конструктивную защиту.

Отметим, что после изменения конструктивных параметров райзерной системы (в сторону повышения ее прочности), изменится функция D(x). Тем самым, снизится вероятность г повреждения райзерной системы льдом. Описанный итерационный процесс повышения прочности райзера продолжается до тех пор, пока результирующее значение надежности не попадет в «допустимую» область табл.2, т.е. пока не будет достигнут допустимый уровень надежности системы, что позволит перейти в завершающую стадию алгоритма рисунка 3: «Проект райзера отвечает условиям эксплуатации в ледовых условиях».

Шестая глава содержит предложения по гармонизации стандартов на системы райзеров с учетом особенностей российского арктического шельфа. Глава носит обобщающий характер и призвана систематизировать полученные в диссертации новые знания и выводы.

К ним можно отнести вывод о целесообразности разработки российского стандарта на райзеры на базе международного стандарта ISO 13628-12 «Нефтяная и газовая промышленность. Проектирование и эксплуатация подводных добычных систем. Часть 12: Динамические эксплуатационные райзеры» (на сегодняшний момент стандарт находится в стадии разработки). Тем не менее, в предыдущих главах доказана недостаточность требований по учету ледовых нагрузок на системы райзеров, в данном стандарте и обоснована необходимость учета риска повреждения райзера льдом.

Это говорит о необходимости расширения положений международного стандарта в части требований по учету ледового воздействия на системы райзеров, исходя из специфики российского арктического шельфа.

По нашему мнению, наиболее удобной формой расширения требований ISO в части ледового воздействия является разработка дополнительного приложения, которое может содержать следующие стандартизованные положения/рекомендации:

1 Стандартный алгоритм учета ледового воздействия на райзеры, основанный на вероятностном подходе (см. рис. 3). Это позволит на стадии проектирования повысить надежность и безопасность систем райзеров, предназначенных для эксплуатации в арктических условиях.

2 Целесообразно привести рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом или неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом. К таким рекомендациям можно отнести:

- принятие организационных мероприятий по исключению попадания опасных ледовых образований в зону расположения райзера (например, мониторинг и активное воздействие на опасный лед);

- применение специальных технических средств в конструкции райзера, которые препятствуют или ограничивают взаимодействие райзера с опасным льдом (например, разработанные за рубежом решетчатые или цепные конструкции);

- упрочнение основного тела райзера за счет введения дополнительного коэффициента запаса материала или прочности конструкции райзеров, исходя из расчетов для предельных состояний при возникновении наиболее вероятных опасных ледовых нагрузок.

Таким образом, применение стандартизованных рекомендаций позволяет на стадии проектирования выбрать экономически обоснованный и технически осуществимый способ защиты райзера от повреждения льдом-и повышения безопасности эксплуатации подводных добычных систем, основываясь на

инженерных расчетах и вероятностном подходе к оценке ледовой угрозы для системы райзеров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Достижение сформулированной цели диссертации основано на следующих научно-обоснованных результатах и выводах.

Разработку российских нормативных требований на системы морских райзеров следует вести на основе международного стандарта ISO 13628-12 «Нефтяная и газовая промышленность. Проектирование и эксплуатация подводных добычных систем. Часть 12: Динамические эксплуатационные райзеры».

Проведенный анализ практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных и райзерных систем и особенностей эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктических морей позволил сделать вывод о нецелесообразности прямого применения требований международного стандарта без внесения дополнительных требований к ледовым нагрузкам, исходя из специфики российских природно-климатических условий.

Разработана стандартная методика учета ледового воздействия на системы райзеров, основанная на инженерных моделях определения возможности попадания льда в зону райзера и вероятностном подходе к оценке риска повреждения системы райзеров льдом в зависимости от ледового режима в регионе и конструкции райзера.

Разработаны предложения по стандартизации и рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом и неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом.

Выдвинутые в ходе работы предложения по стандартизации требований к учету ледовых нагрузок имеют практическое значение не только для российской системы стандартизации, но также представляют интерес для Международной организации по стандартизации в качестве российских предложений по совершенствованию ISO 13628-12 в части учета ледовых воздействий.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Анализ базы нормативных документов на морские нефтегазовые объекты: международная и национальная практика/ Квасняк А .Д.// Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток (ROOGD-2008): тезисы докладов II Международной научно-технической конференции 17-18 сентября 2008г. - М: ВНИИГАЗ, 2008. - с. 161.

2 Квасняк А.Д. Сравнительный анализ подходов к стандартизации в области проектирования райзерных систем// Управление качеством в нефтегазовой промышленности. - М.:2010, № 1. - с. 58-61.

3 Квасняк А.Д. Современное состояние нормативной базы для освоения нефтегазовых месторождений континентального шельфа // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - М.:2010, №1. - (находится в печати).

4 Квасняк А.Д. Эксперты обсуждают технологии освоения Баренцева моря. «Несоблюдение стандартов преследуется по закону» [интервью] // Oil&Gas Eurasia. - М.:2008, №10. - с. 48-49.

5 Особенности нормирования требований к проектированию морских райзеров на российском континентальном шельфе/ Ибрагимов И.Э., Квасняк А.Д.// Труды 9-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore 2009). 15-18 сентября 2009 года, Санкт-Петербург — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009. - Т.2 - с.202-205.

6 Особенности стандартизации морских райзеров на российском континентальном шельфе/ Кершенбаум В.Я., Ибрагимов И.Э., Квасняк А.Д. // Сборник тезисов докладов Восьмой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», Москва, 6-9 октября 2009г. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2009. -с.8.

7 Современное состояние технологий подводного компримирования газа при обустройстве морских нефтегазовых месторождений/ Ибрагимов И.Э., Назеров В.М., Квасняк А.Д.// Сборник тезисов докладов VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых ООО «Газпром-ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз» «Инновации в нефтегазовой отрасли -2009», Ухта, 29 июня - 4 июля 2009г. - Ухта: Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» -«Севернипигаз», 2009. -с.44.

8 Проблемы нормативного обеспечения российских проектов по освоению углеводородных месторождений континентального шельфа/ Квасняк А.Д.// Тезисы докладов 10 Международного форума ТЭК. Санкт-Петербург, 24-26 марта 2010г. - [электронный ресурс]

Подписано к печатиЩ.ОЦ. /<£? Формат 60x90/16 Бумага офсетная Усл. п. л.

Тираж <0О экз. Заказ № /У Ц

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.(499)233-93-49

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ.

1.1 Стандарты в области морской нефтегазодобычи.

Международная организация по стандартизации (International Organization for

Standardization - ISO).

Американский нефтяной институт (American Petroleum Institute - API).

Канадская ассоциация по стандартизации (Canadian Standards Association - CSA).

Стандарты системы NORSOK.

Система стандартов DNV.

Российская система стандартизации (ГОСТ Р).

1.2 Анализ уровня гармонизации стандартов на морскую нефтегазодобычу.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА ГАРМОНИЗАЦИИ СТАНДАРТОВ.

2.1 Анализ подходов гармонизации стандартов.

2.2 Предложения по методологии процесса гармонизации стандартов.

ГЛАВА 3 ПРАКТИКА ОСВОЕНИЯ МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОДВОДНЫХ ДОБЫЧНЫХ И РАЙЗЕРНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Концепции освоения морских месторождений нефти и газа.

3.2. Мировые проекты и передовые технологии освоения морских месторождений нефти и газа с применением подводных добычных систем и плавучих технологических комплексов.

3.2.1 История развития добывающего флота.

3.2.2 Первый российский проект с применением плавучей добывающей установки FPU

3.2.3 Технологии райзеров и гибких труб.

3.3. Особенности эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктического шельфа.

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К СТАНДАРТИЗАЦИИ СИСТЕМ РАЙЗЕРОВ.

4.1 Обзор мировой практики стандартизации райзерных систем.

4.2. Сравнительный анализ стандартов на динамические райзеры (DNV-OS-F201, ISO 13628-12, API RP 2ND).

4.2.1 Область распространения и структура стандартов.

4.2.2 Подходы к проектированию систем райзеров.

4.2.3 Требования к нагрузкам на системы райзеров.

4.3. Выводы по сравнительному анализу стандартов на динамические райзеры.

ГЛАВА 5 МЕТОДИКА УЧЕТА ЛЕДОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В СТАНДАРТАХ НА СИСТЕМЫ РАЙЗЕРОВ.

5.1 Виды ледовых образований и их воздействий на нефтегазовые технологические комплексы на арктическом шельфе.

5.2 Снижение риска негативного ледового воздействия на объекты обустройства морских месторождений.

5.3 Оценка воздействия морского льда на системы райзеров.

5.3.1 Способы защиты райзеров от воздействия ледяного покрова.

5.3.2 Методика проектирования райзерной системы в ледовых условиях с заданным уровнем надежности.

5.3.3 Анализ возможности попадания льда в зону райзера.

5.3.4 Анализ опасности повреждения райзера льдом.

ГЛАВА 6 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ГАРМОНИЗАЦИИ СТАНДАРТОВ НА СИСТЕМЫ РАЙЗЕРОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ РОССИЙСКОГО АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА.

6.1 Подведение итогов проведенных исследований по гармонизации стандартов.

6.2 Предложения по стандартизации требований к ледовым нагрузкам на системы райзеров, исходя из специфики российского арктического шельфа.

Актуальность работы. С учетом темпов освоения углеводородных ресурсов шельфа в России существует необходимость разработки комплекса стандартов на процессы и технические средства обустройства морских нефтегазовых месторождений. На сегодняшний момент в России отсутствуют стандарты на такой сугубо морской вид техники, как райзеры. В международной практике накоплен серьезный опыт стандартизации в области морской нефтегазодобычи. Тем не менее, прямое применение международного опыта по стандартизации райзерных систем не обосновано в силу специфики российского арктического шельфа.

Объектом исследования является нормативная база и особенности стандартизации систем райзеров, предназначенных для эксплуатации в условиях российского арктического шельфа.

Цель работы заключается в совершенствовании нормативной базы, выявлении особенностей и разработке научно-обоснованных предложений по стандартизации систем райзеров с учетом специфики российского арктического шельфа.

Основные задачи исследования:

- Обзор международной, зарубежной и отечественной нормативной базы в области морской нефтегазодобычи.

- Разработка методологии процесса гармонизации стандартов.

- Анализ практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных и райзерных систем и особенностей эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктических морей.

- Сравнительный анализ подходов и практики стандартизации систем райзеров основных систем зарубежных стандартизации с точки зрения приемлемости их положений для российских арктических условий.

- Разработка методики учета ледового воздействия для целей стандартизации.

- Разработка предложений по гармонизации стандартов на системы райзеров с учетом особенностей российского арктического шельфа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. 4

Разработана методика процесса гармонизации стандартов, которая направлена на повышение надежности системы райзеров на стадии проектирования за счет стандартизации процесса оценки вероятности повреждения райзеров льдом.

Разработан алгоритм анализа ледового воздействия на систему райзеров, который учитывает оценку возможности попадания льда в зону райзера и вероятностный подход к оценке безопасности системы райзеров, эксплуатируемых в ледовых условиях. Данный алгоритм направлен на формализацию процесса анализа и учета ледового воздействия в стандартах на системы райзеров.

Основные защищаемые положения:

1. Методика гармонизации стандартов, учитывающая специфику российских условий, в т.ч. арктического шельфа, и особенности эксплуатации систем райзеров в ледовых условиях.

2. Алгоритм оценки и учета ледовых воздействий на систему райзеров с целью внесения его в качестве дополнительных требований в проект гармонизированного российского стандарта на системы райзеров.

3. Вероятностная модель определения уровня безопасности системы райзеров, эксплуатируемых в условиях риска повреждения льдом. Модель направлена на повышение надежности системы райзеров на стадии проектирования за счет стандартизации методики оценки вероятности повреждения райзеров льдом.

4. Рекомендации по стандартизации и рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом и неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом.

Практическая значимость. Результаты работы внесены в качестве предложений по стандартизации систем райзеров в российский технический комитет №23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа». Разработка национальных стандартов на подводные добычные системы, гибкие трубы и райзеры находятся в планах работ по стандартизации Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации, в связи с этим проделанные автором исследования и полученные выводы способствуют инновационному развитию отечественной системы стандартизации.

Результаты работ имеют практический интерес в качестве предложений по совершенствованию работы Международной организации по стандартизации ISO над стандартами на системы райзеров.

Публикации. Результаты исследований автора отражены в восьми научных публикациях, в т.ч. в двух изданиях, включенных в «Перечень.» ВАК Минобрнауки РФ.

Апробация работы.

Основные результаты и положения настоящей диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

- II Международная конференция «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток (ROOGD-2008)», Москва. 17-18 сентября 2008г.;

- Научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых «Применение новых технологий в газовой отрасли: опыт и преемственность», п. Развилка, МО, 30 сентября-1 октября 2008 г.;

- VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых ООО «Газпром ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз» «Инновации в нефтегазовой отрасли -2009», Ухта, 29 июня - 4 июля 2009г.;

- Восьмая всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», Москва, 6-9 октября 2009г.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц и 27 рисунков. Список литературы содержит 51 наименование.

Выводы по анализу требований основных стандартов на арктические сооружения

Анализ стандартов [26,37,43,31], устанавливающих требования к морским нефтегазовым сооружениям, предназначенным для эксплуатации в арктических условиях, позволяет отметить, что в них уделено значительное внимание учету ледовых нагрузок. Также характерно то, что стандарты CSA [31] и API [26] распространяются только на стационарные сооружения, в то время как ISO [37] и NORSOK [43] распространяются на стационарные и плавучие сооружения.

Следует отметить, что стандарт ISO 19906 [26] вобрал в себя международную практику стандартизации ледовых нагрузок на сооружения, в разработке проекта которого также принимали участие российские специалисты. В планах работ Федерального агентства по техническому регулированию РФ включена разработка российского стандарта на основе ISO 19906.

ISO 19906 является полновесным документом целью, которого является обеспечение надежности эксплуатации морских сооружений в арктических условиях независимо от типа сооружения и характера или комбинации используемых материалов. Тем не менее, в стандарте не уделяется достаточного внимания требованиям в отношении ледовой нагрузки на системы райзеров, в нем лишь упомянуто, что райзеры должны прокладываться таким образом, чтобы избежать воздействия льда.

В данной ситуации, исходя из проделанного в предыдущей и текущей главе анализа нормативных документов, можно говорить о недостаточности требований к ледовым нагрузкам на системы райзеров в существующих зарубежных стандартах. В связи с тем, что российские арктические моря отличаются суровыми ледовыми условиями, учет ледового воздействия на системы райзеров имеет серьезное значения в контексте обеспечения безопасной эксплуатации морских месторождений, что требует внесения дополнительных особых положений в российский стандарт на райзеры.

В связи с этим в следующем разделе даны предложения по оценке ледового воздействия на системы райзеров, что позволит учесть особенности арктического шельфа при разработке российский стандартов на системы райзеров.

5.3 Оценка воздействия морского льда на системы райзеров

5.3.1 Способы защиты райзеров от воздействия ледяного покрова

Если в качестве объекта обустройства морского месторождения используется плавучая или стационарная платформа того или иного типа, то морской лед может оказывать на систему райзеров, соединяющих подводные устья скважин с корпусом (палубой) платформы, косвенное и прямое воздействие.

Косвенное воздействие связано со смещением плавучей платформы (например, корабельного типа, FPU - Floating Production Unit) в целом, вызванным действием льда на корпус платформы, которое передается райзеру как элементу системы обустройства месторождения (рис.5.3). Необходимо отметить, что такое косвенное воздействие природных факторов имеет место и в безледных условиях - оно порождается воздействием волн, течений и ветра и учитывается при проектировании. Например, на месторождении Lufeng 22-1 в Южно-Китайском море эксплуатируется FPU «Munin» [44], для которого проектом предусмотрено отсоединение райзерной системы и системы заякорения в случае приближения мощных тайфунов во избежание их повреждения.

Рисунок 5.3 - Концептуальный проект FPU для ледовых условий [20, 42]

Наибольшую опасность в случае ледовых условий представляют айсберги и крупные ледовые образования, такие как торосы. Столкновение с ними может привести как к повреждению корпуса платформы, так и к чрезмерному горизонтальному смещению узла крепления райзера к корпусу, что может вызвать повреждение или полное разрушение самого райзера.

Обе ситуации ведут к нарушению технологических процессов и представляют угрозу общей безопасности деятельности по разработке месторождения. Поэтому при проектировании обустройства месторождения предусматриваются определенные степени защиты и предупреждения ледовых воздействий на сооружение, как, например, мониторинг ледовой обстановки и активное воздействие на айсберги. Приведенный выше анализ стандартов показал, что вопросу защиты арктических морских сооружений от воздействия морского льда уделяется серьезное внимание.

Для стационарных платформ в ледовых условиях возможно применение подхода, при котором райзер конструктивно проектируется с такими параметрами, которые обеспечивают его несущую способность при непосредственном воздействии ледяного покрова, другими словами — в условиях прямого воздействия льда райзер проектируется «в ледовом исполнении». Практическим примером могут служить добычные платформы типа «джекет» (рис. 5.4), применяемые в заливе Бохай (северо-западная часть Желтого моря). Из фотографии видно, что отсутствует какая-либо конструктивная защита райзеров, вследствие чего они сами противостоят непосредственному воздействию дрейфующего льда.

Рисунок 5.4 - Добычная платформа типа «джекет» с ледостойкими райзерами (залив Бохай, Китай [46])

На практике применяется и другой подход, когда «неледостойкие» райзеры размещаются внутри некоторого внешнего защитного ледостойкого корпуса. Примером может служить платформа Кравцовская (рамная конструкция типа «джекет»), с 2004 г. добывающая нефть в Балтийском море (рис.5.5).

Рисунок 5.5 - Добычная платформа Кравцовская типа «джекет» с противоледной защитой райзеров (слева) [23]

А, например, в гравитационной платформе Лунская (проекте «Сахалин-2») райзеры помещены внутри одной из опорных колонн, поддерживающих интегральную палубу с технологическим оборудованием (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 - Платформа «Лунская-А» (проект «Сахалин-2») [24]

Таким образом, при проектировании райзерных систем для акваторий с ледовым режимом могут быть выбраны различные подходы для защиты райзеров от опасности воздействия льда, которое может быть прямым и (или) косвенным. Для выбора оптимального варианта необходимо оценить соответствующие риски с качественной и количественной точек зрения.

5.3.2 Методика проектирования райзерной системы в ледовых условиях с заданным уровнем надежности

В диссертационной работе основное внимание уделяется разработке подхода к проектированию райзерной системы применительно к риску прямого воздействия льда. В первую очередь это относится к актуальному для российского шельфа случаю использования на месторождении плавучего сооружения корабельного типа, FPU (рис. 5.3), при наличии ледовых условий. В частности, такой вариант рассматривается как основной при освоении Штокмановского газоконденсатного месторождения. При этом с одной стороны, воздействие льда на уровне воды воспринимается корпусом FPU, и поэтому воздействие льда на райзер является косвенным. Но с другой стороны, поскольку существует возможность попадания обломков разрушенного ледяного покрова под днище судна, то имеется опасность реализации и механизма прямого (непосредственного) воздействия льда на систему райзеров. Такой, в некотором смысле, комбинированный случай не нашел отражения в существующих стандартах.

Опасность прямого воздействия льда на райзеры возрастает в случае ледовых полей высокой сплоченности, появление которых вероятно в арктических акваториях. Рассмотрим следующий типичный сценарий воздействия ледяного поля на корпус плавучей платформы. Ровный сплошной лед под действием внешних сил (течение, ветер) надвигается на сооружение и разрушается, взаимодействуя с корпусом, что приводит к образованию битых ледяных полей вокруг платформы. При этом возникает опасность того, что образующиеся обломки могут оказаться в области райзеров и создать угрозу целостности и работоспособности системы райзеров.

На рисунке 5.7 предлагается алгоритм, который описывает методику анализа ледового воздействия на систему райзеров для рассмотренного сценария (отметим, что методика применима и в случае стационарных платформ, а не только плавучих). Предложенная схема основана на вероятностном подходе, учитывает фактор случайности при возникновении ледовых угроз и позволяет определить надежность райзерной системы, эксплуатируемой в ледовых условиях.

Рисунок5.7-Алгоритм оценки воздействия льда на райзерную систему

Методика выбора конструктивных параметров райзерной системы по критерию допустимого риска имеет итерационный характер и основана на последовательном анализе риска райзерной системы при данных конструктивных параметрах.

Сначала выбираются номинальные значения параметров конструкции райзеров без учета ледовых нагрузок, исходя из производительности системы и обеспечения технологических параметров добычи. Т.е. можно говорить о том, что на исходной стадии проектирования выбрана конструкция системы райзеров, наиболее подходящая для данного способа обустройства месторождения и режима эксплуатации, причем предполагается, что не предусмотрено дополнительной степени защиты от ледового воздействия, которую можно представить в виде запаса надежности к.

Под запасом надежности в данном случае понимается абстрактная характеристика, которая может учитывать, например, специальные средства защиты или конструктивные изменения райзера, утолщение или повышение прочности стенки райзера. Когда речь идет о номинальных конструктивных параметрах райзера, то запас надежности приравнивается к единице: к=1.

Далее, следуя схеме анализа (рис.5.7), переходим к рассмотрению ледовых условий в регионе, где предполагается эксплуатация плавучей добычной системы. На данном этапе требуются данные о ледовом режиме в регионе, которые, как правило, основаны на многолетних наблюдениях и представлены в вероятностном виде. В общем случае данные должны включать следующее:

- толщину ровного льда и пространственные характеристики; прочностные характеристики льда;

- скорость дрейфа льда; частоту появления ледяных полей в регионе и т.д.

После того как получены данные о ледовом режиме в регионе, необходимо оценить возможность попадания льда в зону райзера. Это, в первую очередь, зависит от способа обустройства месторождения, т.е. от типа применяемого сооружения. Например, в случае неглубоководных акваторий месторождения могут обустраиваться с применением, во-первых, стационарных платформ гравитационного типа (как на Сахалине). В этом случае системы райзеров спрятаны внутри колонн основания (или всего корпуса - для платформ кессонного типа). Другим вариантом в неглубоководных акваториях является применение платформ рамного типа как на месторождении Кравцовское в Балтийском море) в сочетании с установкой дополнительной внешней защиты именно для райзерной системы. В обоих вариантах райзеры не подвержены прямому воздействию льда.

В рамках данной работы основное внимание уделяется способам обустройства месторождения с применением технологических судов (как, например, предполагается на Штокмановском месторождении в Баренцевом море [38]), когда система райзеров подсоединяется к судну посредством турели и располагается непосредственно в водном пространстве между днищем судна и дном моря. В таких случаях существует опасность попадания обломков битого льда под судно. Вследствие этого необходимо проведение инженерного анализа, основанного на механике разрушения ровного льда при его взаимодействии с сооружением, и оценка возможности попадания обломков льда в зону райзера. Ниже, в п. Анализ возможности попадания льда в зону райзера предложена соответствующая инженерная методика для случая плавучей платформы корабельного типа (FPU).

Далее, следуя схеме рисунка 5.7, если доказана возможность попадания льда в зону райзера, то необходимо проведение анализа опасности повреждения райзера льдом.

Анализ опасности повреждения райзера льдом должен основываться на инженерных расчетах всех возможных сценариев взаимодействия райзера со льдом, учитывая вероятность повреждения райзера льдом определенной толщины h. Очевидно, что чем больше толщина льда, тем выше вероятность повреждения райзера с заданными параметрами. При этом логично предположить, что лед, только начиная с определенной толщины, может повредить райзер (образовавшийся тонкий лед, даже попадая в зону райзера, не представляет для него опасности), тогда как лед максимальной толщины (h max) со стопроцентной вероятностью повредит райзер «неледостойкого» исполнения.

Приведенные соображения можно выразить в терминах и моделях теории вероятности. Пример реализации данного подхода приведен ниже в п. Анализ опасности повреждения райзера льдом. Результатом применения соответствующей методики является значение вероятности неповреждения (т.е. надежности) райзера с заданными конструктивными параметрами при данных ледовых условиях.

Поскольку в рамках современных подходах к проектированию в качестве определяющего критерия используется не только уровень вероятности повреждения сооружения и его элементов, но и количественные характеристики риска (который определяется как «Сочетание вероятности нанесения ущерба и тяжести этого ущерба» [9]), то представляется обоснованным на этом же этапе выполнить анализ последствий повреждения райзерной системы. Эта задача, для решения которой необходимы методы механики прочности и разрушения, а также физические модели истечения продукта из поврежденного райзера, требует отдельных исследований и не рассматривается в диссертационной работе.

Теперь, когда получены количественные оценки риска повреждения райзеров льдом, они могут быть сопоставлены с критериальными значениями, определяющими границу между допустимым и недопустимым риском. Если риск превышает допустимый уровень, то — следуя схеме рис. 5.7 — необходимо внести изменения в конструкцию проектируемой райзерной системы. Например, можно увеличить толщину стенок райзера, но возможен и кардинальный вариант - установить дополнительную конструктивную защиту.

После этого переходим к следующему шагу итерационного процесса выбора конструктивных параметров райзерной системы и т.д. — до попадания в завершающую стадию алгоритма: «Проект райзера отвечает условиям эксплуатации в ледовых условиях», т.е. до достижения приемлемого уровня надежности и риска.

5.3.3 Анализ возможности попадания льда в зону райзера

В данном разделе предлагается инженерный подход для оценки возможности попадания обломков льда в зону узла подсоединения райзеров к днищу плавучего сооружения корабельного типа, FPU. На рисунке 5.8 показана схема взаимодействия ледяного покрова с наклонным бортом FPU.

Надвигающееся

Рисунок 5.8 — Расчетная схема взаимодействия ровного льда с корпусом судна

Для определения возможности попадания льда под днище судна в настоящем разделе предлагается приближенная методика оценки глубины, которую могут достичь обломки льда, заталкиваемые вниз вдоль борта судна надвигающимся ледяным полем. Методика не требует сложных вычислений и основана на известных решениях об определении нагрузки на сооружения с наклонной гранью, когда лед заталкивается вверх (рисунок 5.9 [1]). Предлагаемый подход основан на том факте, что с математической точки зрения обе задачи подобны и отличаются лишь тем, что в случае FPU продвижению обломков препятствует архимедова сила, направленная вверх, в то время как в классической задаче о наползании льда на наклонную преграду продвижению обломков препятствует сила тяжести. Поэтому можно использовать расчетные формулы, полученные для второго случая, но с заменой одной силы на другую. с наклонной плоскостью [1]

Поведение ледяного покрова адекватно описывается с помощью модели изгиба пластин, опирающихся на упругое (винклеровское) основание (см., например, [1,30]). В задаче взаимодействия ледяного поля с преградой в ледяной пластине возникает сжимающая продольная сила. Поэтому для исследования соответствующих задач следует применять уравнения продольно-поперечного изгиба пластин на упругом основании. Для простоты в указанных работах ограничиваются балочным приближением, и результирующие определяющие соотношения записываются для балки единичной ширины (см. рис. 5.9) [1,30].

Fo =

Для расчета продольной силы Бо в ледяной балке, действующей в горизонтальном направлении на преграду в момент первого излома, в работах [1,30] предлагается следующее выражение: /,2 .т/4 Л а еп е '

Щ(р + <Р)

1) где

Бо - сжимающая сила, с^- прочность льда на изгиб; 11 - толщина льда; + W 61 = Eh* ^

12Р wgj

- характерный радиус изгиба ледяной балки;

Е - модуль упругости льда; pw - плотность воды; g — ускорение свободного падения;

W=pice g h b L — общий вес обломков льда в нагромождении;

Pice - плотность льда;

L =Н / sin р - общая длина нагромождения льда при условном предположении, что они набиваются в один слой;

Н - высота, на которую способны подняться обломки льда;

3 - угол наклона плоскости к горизонту; р = агс^ -угол трения; р. - коэффициент трения.

Выражение (1) описывает максимально возможную величину силы F0, заталкивающей лед вдоль преграды в рамках изгибного механизма разрушения ледяного поля. Очевидно, что эта величина не может превысить предельного значения, соответствующего предельному состоянию ледяного покрова по критерию прочности льда на сжатие в поперечном сечении, т.е. когда:

F0= ат S, (2) где gt - прочность льда на сжатие.

Оценим способность ледяных обломков заползать вдоль поверхности препятствия, исходя из ледовых условий Штокмановского месторождения, используя выражения (1) и (2).

Исходные данные: h=l,5 м; b = 1 м (удельный расчет - на единицу ширины ледяного поля); ат= 1,03 МПа;

Gf = 0,4 МПа;

Е = 5 109 Па; pw = 988 кг/м3; pice = 917 кг/м3; i = 0,25, ф = arctg 0.25 = 15°;

3 = 55°; g = 9,81 м/с2;

1 = f Eh'5

12р wg; =20м.

Расчет: стт hb = ~ г 2 „.т/4 jj-h е '

61 Pice§hbL

1,03-10® -1,5.1 =

0,4-106 -1,5^ -е tg {Р + <р)

2 . „Ф

6-20

Отсюда L=45,0 м, Н=36,9 м. 917 • 9,81 ■ 1,5-1 • Z tg(55 + 15)

Полученные значения превышают известные из практики, но совпадают по порядку. Из практики известно, что лед способен образовывать нагромождения высотой 10 и более метров (по некоторым источникам — до 20 м). Объяснение заключается в том, что в силу упрощенного подхода, не учитывались дополнительные факторы, уменьшающие высоту подъема льда. Это, например, потеря устойчивости прямолинейной формы цепочки обломков на наклонной грани. Как правило, на практике на сооружениях применяются специальные конструктивные элементы, которые препятствую поднятию обломков льда выше определенного уровня.

Теперь рассмотрим «обращенную» задачу. В интересующем нас случае взаимодействия ледяного поля с корпусом судна (рис. 5.8) можно обоснованно предположить, что лед будет набиваться под судно гораздо легче, что связано с тем, что вес льда в воде уменьшается почти в 10 раз. Оценим напряжение сжатия, возникающее в ровном льде на поверхности в предположении, что на корпус судна действиет сила, достаточная для заталкивания обломков льда под корпус судна, т.е. на глубину Н=20 м.

При расчетах воспользуемся той же теорией разрушения льда [1,30] только при «зеркальном» отражении расчетной схемы, т.е. когда препятствие находится под острым углом к горизонту и, соответственно, обломки льда заталкиваются ровным льдом под воду (рис. 5.8). В этом случае выражение (1) - после замены силы тяжести, действующей на надводные обломки льда, на выталкивающую силу Архимеда, действующую на подводные обломки, — примет вид: отсюда <?!= 0,077 МПа.

Так как ат =1,03 МПа, то получаем, что напряжение сжатия в надвигающемся ледяном поле, создаваемое силой, способной затолкнуть лед на глубину осадки судна, значительно меньше предела прочности льда на сжатие стт. Это говорит о том, что лед может оказываться под корпусом судна при возникновении незначительных усилий. Следовательно, из проведенного исследования вытекает, что в рассматриваемых условиях имеется высокая вероятность повреждения системы райзеров ледяными обломками и возникает необходимость проведения анализа опасности повреждения райзера льдом.

5.3.4 Анализ опасности повреждения райзера льдом

В этом разделе предложен вариант методики оценки вероятности повреждения райзерной системы ледяными обломками при известных параметрах ледового режима в районе эксплуатации морской платформы в предположении, что известна вероятность повреждения райзерной системы с заданными конструктивными параметрами льдом заданной толщины.

Пусть а) в регионе обустройства месторождения существует вероятность столкновения/взаимодействия судна с ледяными полями с известной плотностью распределения толщины льда \¥11(х) (рис. 5.10) и б) верна гипотеза о том, что вероятность попадания обломков льда в зону райзера при взаимодействии платформы с надвигающимся ледяным полем равна единице (т.е. рассмотрим только крупные ледяные поля). Тогда существует вероятность, О(х) повреждения райзера ледяным полем толщиной х при прохождении одного ледяного поля (рис.5.11). Значение вероятности зависит от многих факторов, включая скорость дрейфующего су, -1,5-1 = V

0,4-106-1,52-ет/4 6-20 (988 - 917) • 9,81 • 1,5 • 1 • 24,45 tg(55 +15) льда и его прочность. Кроме того очевидно, что функция вероятности повреждения райзеров льдом (рис.4.11) определяется и конструкцией райзера и должна выводиться из инженерных расчетов и моделей взаимодействия обломков льда и конструкции райзера. Поэтому определение этой вероятности представляет собой отдельную сложную задачу и не рассматривается в диссертации. шм

Ь таг

Рисунок - 5.10 Плотность распределения толщины ледяных полей в регионе

0(х)

Рисунок 5.11 - Вероятность повреждения райзера при прохождении одного ледяного поля толщиной И для райзерной системы данной конструкции

Представим случайные события прихода ледяных полей как элементы пуассоновского потока с интенсивностью прихода поля X, что часто делается при анализе столкновения морских объектов с различными ледяными полями (см., например, [11]). Но как было отмечено выше, не все поля повреждают райзер. Соответственно, применив инструмент прорежения потока [11], получаем, что интенсивность прореженного потока ледяных полей, т.е. только тех, что повреждают райзер, равна:

М- = г К (3) где г - вероятность повреждения райзера пришедшим ледяным полем, толщина которого имеет случайное значение. При этом важно отметить, что согласно общей теории [11] прореженный поток также будет пуассоновским.

Согласно предположению, что поток приходящих ледяных полей является пуассоновским, вероятность прихода за период времени Т ровно 1 полей равна [11]: р = е-яг(ЛТУ й ,1=0,1,. (4)

Очевидно, что используя прореженный поток, т.е. только те поля, которые повреждают райзер, можно утверждать, что событие неповреждения райзера будет иметь место только при условии, что пришло ровно ноль полей способных повредить райзер (т.е. 1=0). Тогда для прореженного потока (см. выражение (3)) вероятность неповреждения (надежность) райзера в течение периода времени Т (обозначим ее Б(Т) ) равна:

5(Г, = = > (5) где г может быть рассчитано по формуле полной вероятности шах

Г= ^к(х)-п(х)с1х (6)

Здесь 110 - наименьшая толщина поля, при которой возможно повреждение райзера заданной конструкции, а Ьпшх - максимальная толщина льда, возможная в данном регионе.

Зная плотность распределения толщины приходящих полей, \Уь(х) (см. рис. 5.10), и функцию распределения вероятности повреждения райзера заданной конструкции пришедшим полем толщиной х, Б(х) (см. рис.5.11), можно вычислить опасность (в терминах вероятности) повреждения проектируемого райзера льдом в зависимости от интенсивности А, потока ледяных полей в данном регионе. Удобно рассматривать период времени один год, тогда А, равно частоте прихода крупных ледяных полей.

В таблице 5.1 приведены значения вероятности неповреждения райзера Б(Т) для некоторых значений частоты появления ледяных полей (АТ) и вероятностей повреждения раизеров льдом с условным делением на допустимые, пограничные и недопустимые.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволили получить следующие основные результаты:

1 На основании обзора и анализа международной и зарубежной нормативной базы на системы морских райзеров предложено разработку российских нормативных требований вести на основе международного стандарта ISO 13628-12.

2 Проведенный анализ практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных и райзерных систем и особенностей эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктических морей позволил сделать вывод о нецелесообразности прямого применения требований международного стандарта без внесения дополнительных требований к ледовым нагрузкам, исходя из специфики российских природно-климатических условий.

3 Разработана стандартная методика учета ледового воздействия на системы райзеров, основанная на инженерных моделях определения возможности попадания льда в зону райзера и вероятностном подходе к оценке риска повреждения системы райзеров льдом в зависимости от ледового режима в регионе и конструкции райзера.

4 Разработаны предложения по стандартизации и рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом и неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом.

Выдвинутые в ходе работы предложения по стандартизации требований к учету ледовых нагрузок имеют практическое значение не только для российской системы стандартизации, но также представляют интерес для Международной организации по стандартизации в качестве российских предложений по совершенствованию ISO 13628-12, разработка которого находится в ведении Подкомитета №4 «Буровое и добычное оборудование» Технического комитета ИСО №67 «Материалы, оборудование и морские сооружения для нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности».

1. Бородавкин П.П. Морские нефтегазовые сооружения: Учебник для вузов. Часть 1. Конструирование. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр»,2006. -555с.

2. Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А.Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. 2-е изд., доп. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001. — 459с.

3. Гармонизация стандартов ОТ, ПБ И ООС в отношении работ в Баренцевом море. Основы техники безопасности работ на море. В0гге 1оЬап Рааэке/ Отчет Б1МУ №:112УХ\У9-1/2008

4. ГОСТ Р 1.7-2008 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. Правила оформления и обозначения при разработке на основе применения международных стандартов

5. ГОСТ Р 51898-2002 Аспекты безопасности. Правила включения в стандарты

6. Долгосрочная программа работ ТК 23 на период 2009 2012 гг.

7. Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. Теория вероятности. Задачи и уравнения: -М. Наука, 1973,368с.

8. Квасняк А.Д./ Сравнительный анализ подходов к стандартизации в области проектирования райзерных систем// Управление качеством в нефтегазовой промышленности. М.:2010, №1. - с. 58-61.

9. Основы разработки шельфовых нефтегазовых месторождений и строительство морских сооружений в Арктике: Учебное пособие/ А.Б. Золотухин, О.Т. Гудместад, А.И. Ермаков и др. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000.- 770с.

10. Перспективная программа развития национальных стандартов, обеспечивающих их гармонизацию с международными стандартами в научно-технической и производственной сферах на 2008-2012 годы

11. Принятие международных стандартов в качестве региональных или национальных. Р. Вайссингер. М: Мир стандартов, 2006, №6

12. Программа работ Технического комитета по стандартизации ТК 23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа» на 2009 год

13. Программа совместных работ ТК 23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа» и ТК 357 «Стальные и чугунные трубы и баллоны»

14. Проектирование технических средств для освоения шельфа. Группа компаний Морские и нефтегазовые проекты, 2005.

15. Руководство ИСО/МЭК (ISO/IEC) 21 «Региональное или национальное принятие международных стандартов и других международных документов»

16. Современное состояние технологий подводного компремирования газа при обустройстве морских нефтегазовых месторождений/ Ибрагимов

17. Сайт ЦКБ «Коралл», url: http://www.cdbcorall.cOm/3/31/

18. Сайт компании «Сахалин Энерджи», url: http://www.sakhalinenergy.com/en/imagegallery.asp?p=:imggalmain&s=25

19. Allyn N. (2000): The Use of Codes for Ice Loads on Structures on the Grand Bunks. National Research Council of Canada. PERD/CHC Report 11-38. Ottawa, 150p.

20. API RP 2N Recommended Practice for Planning, Design and Construction Fixed Offshore Structures and Pipeline for Arctic Conditions

21. API RP 2RD Design of risers for floating production systems (FPSS) and tension-leg platforms (TLPS)

22. Bai Y. Elsevier ocean engineering book series. Volume 3. Pipelines and risers: 2001-498p.

23. Bonnemaire B. et al. 2006. Deep whater flexible riser protection/ United States Patent № US 2006/0177272 Al

24. Croasdale K.R. Ice forces on Fixed Rigid Structures. In Working Group on Ice Forces on Structures: A State of the Art Report (T. Carstens, ed.), U.S.A. CRREL Special Report 80-26, ADA-089674, Hanover, New Hampshire, 1980.

25. CSA S471 General Requirements, Design Criteria, the Environmental and Loads. Code for the Design, Construction and Installation of Fixed Offshore Structures

26. Deepwater solutions and records for concept selection/ Offshore Magazine Poster/2009 (№78)

27. DNV-OS-F201 Dynamic Risers

28. Ewidaand J.R. Terra Nova Design Challenges and Operational Integrity Strategy/ Proceedings of the Eleventh (2001) International Offshore and Polar Engineering Conference

29. ISO 13628-1 Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 1: General requirements and recommendations

30. ISO 13628-12 Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 12: Dynamic production risers (WD)

31. ISO 19906 Petroleum and natural gas industries. Arctic offshore structures (FDIS)

32. Jeremy Beckman, Revised Shtokman development plan reaches presentation phase/ Offshore Magazine/ October 2009 (№ 69)

33. James R. McCaul, Growth of Floating Production Systems Accelerates/ Oil and Gas Journal/ May 2008

34. James R. McCaul, Outlook for floating production systems / Maritime Reporter / August 2003

35. Loset S. et al. 2006. Protection means for flexible risers/ United States Patent № US 7,114,85 B2

36. Loset S. 2005. Field offloading and tankering in ice/ Research report. NTNU. Trondheim

37. NORSOK N-003 Actions and action effects

38. Submerged Turret Production Broshure. Advanced Production and Loading AS. Сайт компании APL. url: http://www.apl.no/aplweb/templates/Level2Page.aspx?id=561.

39. Shkhinek K.N. and Loeset S (1999): Environmental Load Combination For Design of Offshore Structures. Gudmestad, 256 p.

40. Q.J. Yue and L. Li, Ice problems in Bohai sea oil exploitation. В кн.: Proc. 17th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (РОАС'ОЗ), Trondheim, Norway, June 16-19, 2003.

41. Worldwide survey of floating production, storage and offloading (FPSO) units/ Offshore Magazine Poster/2007 (№66)

42. Worldwide survey of floating production, storage and offloading (FPSO) units/ Offshore Magazine Poster/2009 (№80)

43. Worldwide Survey of Semi-FPSs and FPUs (excluding FPSOs, SPARs, TLPs) / Offshore Magazine Poster/2008 (№74)

44. Worldwide survey of SPAR, DDCV,and MinDOC VESSELS/ Offshore Magazine Poster/2009 (№76)

45. Yashima N. 1985. Marrine riser protector for use on offshore oil drilling rigs in icy whaters/ United States Patent № 4,505,618