CC BY
57
УДК 629.563.2(98)
Особенности инженерных изысканий для постановки буровых платформ в арктических морях
ИА Марченко
ОАО «МАГЭ», Российская Федерация, 121609, г. Москва, ул. Осенняя, д. 11, Бизнес-центр «Крылатский 2» E-mail: [email protected]
Тезисы. В рамках освоения месторождений в арктических морях необходимой составляющей являются разведочные и поисково-оценочные скважины, для бурения которых задействуются буровые платформы, а именно самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ) и полупогружные буровые установки (ППБУ). Производству бурения разведочных и поисково-оценочных скважин в обязательном порядке предшествуют комплексные инженерные изыскания. Результатом работ по инженерным изысканиям является представление исчерпывающей информации о самой верхней части грунтового разреза, обеспечение необходимыми геологическими данными для выбора оптимального места постановки буровой платформы, а также выполнение необходимых расчетов.
Представленная статья содержит обзор геологических опасностей, характерных как для арктического шельфа в целом, так и для многочисленных участков российского шельфа, в пределах которых расположены огромные залежи углеводородов. Описан комплекс методов инженерных изысканий, применяемых для исследования геологических опасностей и выполнения других обязательных задач, а также особенности, характерные для арктических условий.
Расчеты для постановки буровых платформ регламентируются определенными нормативными и внутриведомственными документами. В настоящий момент существует ряд международных стандартов, на которые ориентируется большинство зарубежных нефтегазовых компаний, а также есть некоторые отечественные нормативные документы смежной тематики. Область применения российских стандартов не распространяется на морские платформы для разведочного бурения, ввиду чего ряд факторов в методиках расчета не учитывается. В связи с этим существует необходимость разработки специального стандарта, направленного на морские нефтегазовые сооружения, включая буровые платформы типа СПБУ.
Ключевые слова:
самоподъемная
буровая установка,
расчет глубины
пенетрации опор,
комплексные
инженерные
изыскания,
арктические
условия,
геологические
опасности.
В последние годы одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся направлений добычи углеводородов в Российской Федерации является разработка месторождений арктического шельфа. В настоящее время активно осваиваются нефтегазовые месторождения в Карском и Баренцевом морях. За последний год выполнен широкий спектр работ на площадках проектируемых точек бурения и постановки буровых платформ.
Производству бурения разведочных и поисково-оценочных скважин в обязательном порядке предшествуют комплексные инженерные изыскания. Результатом работ является представление исчерпывающей информации о самой верхней части грунтового разреза, что чрезвычайно важно, так как это та часть (за исключением водной толщи), с которой приходится непосредственно взаимодействовать инженерному сооружению, будь то буровая платформа, трубопровод, подводный добычной комплекс или иное гидротехническое сооружение. Данные, полученные в результате указанных работ, используются для выбора оптимального места постановки буровой платформы, а также в необходимых расчетах.
Расчеты для постановки буровых платформ регламентируются определенными нормативными и внутриведомственными документами. В настоящий момент существует ряд международных стандартов, на которые ориентируются большинство зарубежных нефтегазовых компаний, а также есть некоторые отечественные нормативные документы смежной тематики.
Геологические опасности на месторождениях арктического шельфа и методики их исследования
При выборе локации для постановки платформы для разведочного или поисково-оценочного бурения необходимо изучить присутствие и условия распространения геологических опасностей. В районах российского арктического шельфа выделяют следующие геологические опасности:
• гравитационные процессы: оползни, крип, турбидитные потоки, обвалы и др.;
• отложения с повышенным содержанием газа («газовые карманы»), подводящие каналы («газовые трубы») и присутствие газовых гидратов;
• зоны фокусированной разгрузки флюидов (в том числе грязевые вулканы);
• зоны аномально высокого пластового давления;
• присутствие многолетнемерзлых пород (ММП), островная мерзлота и таликовые зоны;
• ледовое выпахивание (экзарация дна) торосами, айсбергами и стамухами;
• землетрясения;
• разломы и разрывные нарушения;
• литодинамические процессы;
• палеоврезы.
Соответственно, для инженерных изысканий в арктических морях характерны следующие задачи:
• определение наличия и распространения опасных природных процессов и явлений;
• изучение особенностей геологического разреза, включая состав, строение, свойства, состояние и условия залегания грунтов.
Для решения поставленных задач в рамках комплексных инженерных изысканий выполняется ряд необходимых работ, в число которых входят:
1) инженерно-геодезические изыскания (гидрографические работы), а именно: батиметрия (многолучевая съемка рельефа дна - эхолотирование (МЛЭ)); гидролокация бокового обзора (выявление форм рельефа и объектов на морском дне); гидромагнитная съемка (ГМС) - выявление техногенных металлосодержащих объектов; навигационное обеспечение всех видов работ;
2) инженерно-геологические изыскания (в том числе геофизические исследования): непрерывное сейсмоакустическое профилирование (НСАП) - высокочастотное (ВЧ)
и низкочастотное (НЧ); высокоразрешающая сейсморазведка (СВР);
3) геотехнические работы: пробоотбор, бурение инженерно-геологических скважин и лабораторные испытания грунтов (полевая и береговая лаборатории);
4) инженерно-гидрометеорологические изыскания, в числе которых изучение гидрометеорологических условий: измерение температуры, скорости ветра, давления, определение экстремальных значений скорости ветра, розы ветров и т.д. (метеостанция);
5) изучение гидрологических условий: измерение приливов, скоростей течений, температуры и солености воды, определение экстремальных значений течений, розы течений, параметров волнения, ледового режима (автономная донная станция);
6) инженерно-экологические изыскания, включающие: изучение загрязнения воздуха и воды, радиационной обстановки, океанографические, гидрологические, гидрохимические измерения, оценку состояния экосистемы, наблюдение за морскими млекопитающими, выдачу прогнозов и рекомендаций.
Помимо стандартных геофизических (СВР, НСАП ВЧ/НЧ, ГМС) и гидрографических (МЛЭ, гидролокация бокового обзора (ГЛБО)) исследований для арктических морей в районах с возможным распространением ММП выполняются электроразведочные работы методом зондирования становлением поля (ЗСБ), бурение с внутрискважинной термометрией и отбор проб донного грунта с характерными для арктических морей испытаниями грунтов в судовой лаборатории.
Бурение инженерно-геологических скважин проводится с целью уточнения геофизических данных об инженерно-геологических условиях площадки постановки буровой платформы, в том числе определения инженерно-геологического разреза, получения данных о свойствах, строении и условиях залегания грунтов, а также для подтверждения данных электроразведки о присутствии и распространении мерзлых пород. Для подтверждения данных о присутствии и состоянии ММП после проходки скважины проводятся внутрисква-жинные термометрические исследования.
При выполнении инженерно-геологического бурения основной целью является получение максимально ненарушенного керна, пригодного для лабораторных исследований
грунтов. Методика бурения инженерно-геологических скважин в районах с распространением ММП подразумевает ряд технологических особенностей, характерных для бурения в арктических морях.
Инженерно-геологические работы в арктических морях также имеют ряд особенностей по сравнению с аналогичными работами в южных регионах. При планировании и подготовке к работам любыми из перечисленных выше методов необходимо учитывать специфику Арктического региона и обращать внимание на следующие моменты:
• короткий навигационный период. В зависимости от конкретного моря навигационный период ограничивается достаточно сжатыми рамками: в Карском море - со второй половины июля - начала августа по конец октября, в Баренцевом море погодное окно шире, однако рабочий период сильно сокращается из-за частых штормов. Специалистам необходимо начинать подготовку судна и оборудования заблаговременно;
• удаленность от ближайшего порта снабжения. Наиболее технически развитым в Российской Арктике является Мурманский морской торговый порт, также нередко как база снабжения задействуется Архангельск. В зависимости от проекта удаленность района работ от порта может составлять до 600.. .700 км в Баренцевом море и более 1500 км в Карском море. Специалисты вынуждены рассчитывать необходимый запас оборудования, имущества и принадлежностей, упаковочного материала для образцов, а также - в случае пробоотбора -нужное количество пластиковых лайнеров, кернорвателей и пр. деталей. Зачастую при возникновении трудностей и неполадок оборудования или принятия решения о смене метода пробоотбора участники полевой партии должны быть готовы оперативно решить проблему с использованием материалов, находящихся на борту.
Ряд методических особенностей присутствует и в процедурах испытаний и обработки отобранных грунтов. В арктических морях имеют распространение охлажденные грунты. Для получения достоверных свойств необходимо приступать к тестированию грунтов сразу после подъема пробоотборника на борт, а также проводить измерения температуры и исследования теплофизических свойств грунтов.
Выполнение расчетов для буровых платформ
На основе данных, полученных после анализа грунтов в судовой и стационарной лабораториях, выполняются необходимые в зависимости от типа используемой платформы расчеты. Для самоподъемных буровых установок (СПБУ) проводятся расчеты устойчивости и расчеты глубины пенетрации опор, а для полупогружных буровых установок (ППБУ) -расчеты заглубления, расстояния протаскивания и держащей силы якорей.
В процесс постановки платформы вовлечен ряд компаний - заказчиков, операторов и подрядчиков, задействованы огромные кадровые и денежные ресурсы. По указанным причинам и ряду других факторов стоимость суток работы всего коллектива составляет колоссальные денежные суммы, поэтому качественно проведенные расчеты с учетом всех возможных факторов, влияющих на постановку платформы, играют чрезвычайно важную роль.
В настоящий момент касательно расчетов для буровых платформ актуального российского нормативного документа не существует. Однако области применения некоторых действующих нормативных документов близки к рассматриваемой. Среди современных отечественных нормативных документов для инженерных сооружений это своды правил СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», СП 58.13339.2012 «Гидротехнические сооружения. Основные положения», СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений», СП 11-114-2004 «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазо-промысловых сооружений». В советское время применялись некоторые руководства1 и руководящие нормативные документы2 для расчета несущей способности грунта и пенетрации опор СПБУ.
В международной практике используются специальные нормативные документы,
1 См. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям для самоподъемных плавучих буровых установок / Координац. центр стран - членов СЭВ по мор. геологии и геофизике «Интерморгео». - Рига: ВНИИМоргео, 1989.
2 См. РД 51-36-81. Опорные колонны самоподъемной плавучей буровой установки. Методика
расчета глубины задавливания в грунт. - Баку: НИПИ «Гидропромнефтегаз», 1982.
регламентирующие расчеты, применимые к СПБУ (англ. jack-up rigs):
1) ISO 19905-1 - Site specific assessment of mobile offshore units - Part 1 - Jack-up platforms;
2) Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units и Recommended practice for site specific sssessment of mobile jack-up units [1].
Стоит отметить, что в системе международных стандартов ISO действуют специальные стандарты практически для каждого вида морских нефтегазопромысловых сооружений. В некоторых международных нефтесервисных компаниях, например Fugro и др. крупных организациях, разработаны внутриведомственные документы применительно к конкретным регионам с учетом характерных особенностей местных инженерно-геологических условий. Однако подобные нормативные документы, как правило, не распространяются официально и применяются исключительно для внутреннего пользования.
Как уже отмечалось, в отечественной практике на данный момент актуальный специальный нормативный документ для постановки буровых платформ отсутствует. За неимением такового применяются нормативные документы для проектирования оснований других сооружений. Следует заметить: в упомянутом ранее СП 22.13330.2011 указывается, что данный Свод правил не распространяется на проектирование оснований гидротехнических сооружений и оснований глубоких опор. При этом руководствуясь рекомендациями «гидротехнического» Свода правил, определить, например, пенетрацию опоры СПБУ невозможно. Здесь (см. СП 23.13330.2011) даже понятие глубины заложения фундамента отсутствует, а все приложенные схемы расчета касаются незаглубленных фундаментов. Более того, в соответствии с п. 3.2 СП 58.13330.2012, а также постановлением Правительства РФ № 986 от 2 ноября 2013 г. «О классификации гидротехнических сооружений» морские платформы типа СПБУ к гидротехническим сооружениям не относятся.
По указанным причинам в упомянутых документах не учитываются некоторые факторы, характерные именно для морских условий и для СБПУ, в частности:
• различие в формах башмака опоры СПБУ (Необходимо построение точной модели башмака);
• специфика постановки СПБУ и вероятность дополнительного продавливания опоры во время предварительного нагружения по причине присутствия несущего слоя невысокой мощности, подстилаемого более слабыми грунтами. (Необходимо проводить проверку на продавливание башмаком несущего слоя);
• возможность обратной засыпки грунта поверх башмака.
Изучив актуальные нормативные документы, можно отметить, что в настоящее время расчеты пенетрации опор СПБУ выполняются по двум основным методикам:
1) расчет основания по несущей способности (по 1-й группе предельных состояний). Для всех СПБУ предусматривается вертикальное положение опор при задавливании, и расчет выполняется только для вертикальной составляющей силы предельного сопротивления основания;
2) расчет основания по деформациям (по 2-й группе предельных состояний). Определяются предельные значения всех возможных вертикальных перемещений. При расчете деформаций основания давление под подошвой фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания.
В зарубежных методиках (Руководстве Общества проектировщиков и инженеров морского флота SNAME [1] и стандарте ISO 19905-1) применяется только расчет по несущей способности.
В целом расчет пенетрации опор СПБУ как в отечественной, так и в зарубежной практике сводится к нескольким этапам, включая следующие:
1) построение модели башмака опоры СПБУ;
2) проведение расчета вертикальной составляющей силы предельного сопротивления основания для расчета по 1-й группе предельных состояний и определение расчетного сопротивления грунта под подошвой фундамента (башмака) для расчета по 2-й группе предельных состояний;
3) построение кривой зависимости вертикальной составляющей силы предельного сопротивления основания или расчетного
сопротивления грунта под подошвой фундамента от глубины и сравнение с удельной максимальной нагрузкой на грунт от СПБУ и удельной максимальной нагрузкой на грунт при задавливании опор СПБУ.
Наглядно указанные этапы представлены на рис. 1.
Сравнивая методики расчета по несущей способности в российских и зарубежных нормативных документах, можно обратить внимание на некоторые различия. В целом формулы для расчета вертикальной составляющей предельного сопротивления основания практически одинаковы. Однако, если в СП 22.13330.2016 применяется единая формула на все виды дисперсных грунтов, то в зарубежных стандартах используются отдельные формулы для глинистых и песчаных грунтов:
• СП 22.13330.2016:
N = ьч'(ыд Ь'у, + N ^ у; а+ыс
где Ь' и I - ширина и длина фундамента (башмака) соответственно; Ыу, Ыд, Ыс - безразмерные коэффициенты несущей способности, за-вясящие от угла внутреннего трения; ^ 4с -коэффициенты формы фундамента; у, и у| - расчетные значения удельного веса, кН/м3, грунтов, находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответсвенно ниже и выше подошвы фундамена (башмака); с, - расчетное
значение удельного сцепления грунта, кПа; d - глубина заложения фундамента, м;
• Руководство SNAME [1]:
Fv = (CuNcScdc + pg)A для глинистых грунтов,
Fv = (0,5y'Nysydx + p'0Nqsqdq)A для песчаных грунтов,
где А - площадь поперечного сечения башмака; sy, sq, sc - коэффициенты формы башмака; dy, dq, dc - коэффициенты глубины башмака по разрезу; p0 - бытовое давление грунта; си - сопротивление недренированному сдвигу грунта, кПа.
В российских стандартах в расчетах принимает участие удельное сопротивление грунта (данный параметр рассчитывается по итогам трехосных испытаний по консолидированно-дренированной схеме), а также угол внутреннего трения, от которого зависит ряд расчетных коэффициентов. В стандартах SNAME и ISO используются значения сопротивления недренированному сдвигу грунтов, получаемые с использованием различных методик (трехосное сжатие по недренированно-неконсолидированной схеме, лабораторная крыльчатка, статическое зондирование и др.).
Однако можно отметить, что в обоих случаях применяются три одинаковых коэффициента несущей способности - Ny, Nq, Nc. В каждом стандарте методики расчета и получаемые значения имеют характерные отличия.
4. Считывание показаний пенетрации по графику (Nu > F или R>p) и проведение дополнительных проверок и расчетов
Рис. 1. Схематичное изображение последовательности этапов при проведении расчетов пенетрации опор СПБУ
Наиболее явно разница в значениях коэффициентов видна в отношении пылеватых песков кварцевого и полевошпатового составов со значениями угла внутреннего трения в интервале 30°...40°, а также в отношении твердых супесей, свойства которых близки к свойствам пылеватых песков [2].
Помимо указанных различий в зарубежных стандартах предусмотрен ряд дополнительных расчетов и проверок, в числе которых учет обратной засыпки грунта (англ. back-flow). Определяются возможность и объем обратной засыпки грунта поверх башмака. В ходе ряда исследований различными научными организациями установлено, что обратная засыпка грунта может происходить вследствие обрушения стенок выемки, выдавливания грунта из-под башмака и его перемещения на поверхность, переноса осадков. Например, представители Университета Западной Австралии установили данную закономерность при испытаниях в специальной центрифуге (рис. 2) [3].
Одним из неблагоприятных явлений при постановке СПБУ является дополнительное резкое продавливание опоры. Если слой грунта, определяемый как несущий, обладает недостаточной мощностью и подстилается менее прочными грунтами, возможно дополнительное продавливание опоры вместе с участком несущего слоя в менее прочные слои. В таком случае от значения итоговой пенетрации отнимается величина, равная мощности промежуточного несущего слоя. В нормативных документах SNAME и ISO также применяются отдельные формулы для расчета подобного несущего слоя на «протыкание». Тогда рассматривается сценарий, когда слой не продавится вместе с башмаком, как свая, а потеряет целостность и будет проткнут башмаком опоры СПБУ.
Таким образом, иностранные методики, разработанные в рамках стандартов специально для СПБУ, учитывают ряд дополнительных факторов и содрежат алгоритмы подрасчетов,
которые могут оказать существенное влияние
на итоговые результаты.
***
Комплекс геофизических и инженерно-геологических методов при изысканиях обеспечивает получение достаточной информации о составе, строении, свойствах и условиях залегания грунтов. Использование качественых данных о геологическом разрезе, а также применение различных расчетных методов и стандартов позволяют провести необходимую оценку грунтового основания и сравнить результаты расчетов с учетом различных факторов, тем самым обеспечив безопасную постановку буровой платформы.
Морские инженерные изыскания являются неотъемлемой частью работ в рамках освоения месторождения. Для решения поставленных задач в Арктическом регионе используются как стандартные методы, применимые для любых морских районов, так и дополнительные методы, характерные для арктических морей. Основной целью данных работ является предоставление геологической информации для выбора оптимального, безопасного и экономически выгодного места постановки буровой платформы, а также обеспечение исчерпывающими данными для проведения необходимых расчетов.
Расчет пенетрации опор СПБУ - это одна из задач, которую необходимо выполнить перед началом буровых работ. От результатов данных расчетов могут зависеть технологические модификации башмаков, опор и других механизмов буровой платформы, которые необходимо провести перед работами. В некоторых случаях возникает необходимость выбора другой платформы взамен ранее планируемой. При условии получения определенных расчетных значений глубины пенетрации башмака иногда нужно решить обратную задачу - рассчитать сопротивление извлечению опор СПБУ, поскольку, если глубина пенетрации башмака
Рис. 2. Иллюстрация возможного процесса заполнения грунтом выемки над башмаком СПБУ в ходе пенетрации в центрифуге [3]
существенна, мощности механизмов для подъема опор, а также оборудования для размыва грунта в башмаках может не хватить.
Вопроса о пенетрации опор СПБУ касается ряд нормативных документов. В большинстве западных нефтегазовых компаний применяются международные стандарты ISO и SNAME, которые являются специальными и разработаны именно для определенного типа морских платформ - СПБУ За неимением актуального отечественного нормативного документа, регулирующего эксплуатацию морских платформ типа СПБУ, в российской практике применяются стандарты, распространяющиеся на сухопутные и гидротехнические сооружения. По этой
причине в используемых документах некоторые факторы не учитываются.
В современной практике в морских проектах нашей страны нередко принимают участие зарубежные компании, и зачастую возникает ситуация, когда иностранные организации не могут принять результаты расчетов согласно национальным нормативным документам и требуют расчеты по международным стандартам. Этим обусловлена необходимость пересмотра, адаптации и актуализации российских нормативных документов и, возможно, создания специального стандарта для морских нефтегазопромысловых сооружений, включая платформы типа СПБУ.
Список литературы
1. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units: Technical & Research Bulletin 5-5A. - Jersey City: The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2008.
2. Куликов С.Н. Влияние коэффициентов несущей способности на результаты расчета пенетрации опор СПБУ / С.Н. Куликов // Материалы докладов XIII Общероссийской науч.-практич. конф. и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве
в Российской Федерации», 2017. - http://www. geomark.ru/ecwd_event/28-noyabrya-1-dekabrya-2017-goda-xiii-nauchno-praktich/attachment/1-kulikov-s-n-vliyanie-koyefficientov
3. Hossain M.S. Spudcan foundation penetration into uniform clay / M.S. Hossain, Y. Hu, M.F. Randolph // Proc. of the 13th International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, Hawaii, USA, 2003.
Engineering serveys for location of drilling platforms in the Arctic seas
I.A. Marchenko
Marine Arctic Geological Expedition JSC, Krylatskiy 2 Business center, Bld. 2, Osennyaya street, Moscow, 121609, Russian Federation E-mail: [email protected]
Abstract. Exploratory and prospecting wells are the essential component in the development of oil and gas fields in the Arctic seas. For drilling of the current boreholes jack-up and semisubmersible drilling rigs are used. Prior to drilling of exploratory and prospecting wells complex engineering survey are mandatory to be performed. Engineering surveys are executed in order to obtain the fullest data for the upper part of geological profile, to provide data for safe positioning of drilling rigs and to perform necessary calculations.
Overview for geological hazards typical for arctic shelf in general as well as for numerous areas of Russian shelf, which is known as one of the most rich for natural oil and gas resources, is presented. In order to investigate the stated geological hazards and complete other necessary challenges a complex of different surveys is performed. In the current issue the applied engineering survey methods and the features special for arctic conditions are described.
Calculations for drilling rigs are regulated by specific standards and interdepartmental documents. Nowadays, majority of the oilfield service companies uses few international standards. In Russian practice, certain national standards for adjacent subjects are applied. However, the sphere of application of the current Russian documents does not spread over the offshore rigs aimed at prospecting drilling; therefore, a number of special factors is not taken into account in the calculation procedures included into these standards. By these reasons, it is quiute necessary to develop a special standard forwarded to marine oil and gas structures, including jack-up drilling rigs.
Keywords: jack-up rigs, spudcan penetradion depth calculations, complex engineering survey, arctic conditions,
geological hazards.
References
1. SNAME. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units: Technical & Research Bulletin 5-5A. Jersey City: The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2008.
2. KULIKOV, S.N. Bearing-capacity factors impact on jack-up legs penetration analysis [Vliyaniye koeffitsiyentov nesushchey sposobnosti na rezultaty rascheta penetratsii opor SPBU] [online]. In: Materials of XIIIAll-Russian research-practice conference and exhibition "Development potential for engineering survey in Russian Federation " [Perspektivy razvitiya inzhenernykh izyskaniy v stroitelstve v Rossiyskoy Federatsii], 2017. Available from: http://www.geomark.ru/ecwd_event/28-noyabrya-1-dekabrya-2017-goda-xiii-nauchno-praktich/attachment/1-kulikov-s-n-vliyanie-koyefficientov/. (Russ.).
3. HOSSAIN, M.S., Y. HU, M.F. RANDOLPH. Spudcan foundation penetration into uniform clay. In: Proc. of the 13th International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, Hawaii, USA, 2003.
