Оценка геологических опасностей при эксплуатационном мониторинге объектов морских месторождений шельфа острова Сахалин Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ОЦЕНКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ МОНИТОРИНГЕ ОБЪЕКТОВ МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ШЕЛЬФА ОСТРОВА САХАЛИН

УДК 622.279.04

С.И. Голубин, к.т.н., ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Москва, РФ), [email protected]

К.Н. Савельев, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», [email protected]

А.И. Новиков, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ), [email protected]

При освоении месторождений шельфа о-ва Сахалин ПАО «Газпром» впервые в отечественной практике ввело в эксплуатацию подводный добычной комплекс, позволяющий добывать углеводороды в сложнейших геологических и природно-климатических условиях без строительства платформ и других надводных конструкций.

В рамках научно-технического сопровождения, проектирования и эксплуатации в составе комплекса исследований, осуществляемых для обеспечения эксплуатационной надежности и повышения эффективности принимаемых технических решений, необходимо предусматривать эксплуатационный мониторинг и оценку геологических опасностей с учетом высокой сейсмичности района. В статье дается описание программы осуществления геодинамического мониторинга, а также особенностей проведения визуального осмотра и эксплуатационного мониторинга на протяжении всего периода эксплуатации объектов подводного добычного комплекса. Отмечена необходимость выполнения мониторинга участков рельефа морского дна и подводных склонов, по которым проложены подводные внутрипромысловые трубопроводы, шлангокабели и шлейфы. Авторы приводят методы оценки латеральных деформаций и возможного проявления локальных оползневых процессов для выявления потенциально опасных участков подводного склона. В статье даны примеры прогноза геологических опасностей, в частности устойчивости подводных склонов шельфа о-ва Сахалин. Прогнозная оценка основывается на сопоставлении архивных и актуализированных исходных данных, полученных в ходе сезонных обследований, в т. ч. батиметрии дна, и состоянии объектов подводного добычного комплекса. Своевременность и точность получаемых данных (образование новых депрессий, размывов и т. д.) позволит повысить достоверность оценки напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых объектов для принятия оперативных управленческих решений эксплуатирующей организацией.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МОРСКИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ, ШЕЛЬФ ОСТРОВА САХАЛИН, ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОПАСНОСТИ, СЕЙСМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, МОНИТОРИНГ

ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ

Сложности освоения шельфа о-ва Сахалин и в целом Дальнего Востока связаны с множеством факторов. Дальний Восток -уникальная природная территория, требующая сохранения по экологическим показателям. Кроме того, с инженерной точки зрения освоение шельфовых месторождений сопряжено со следующими проблемами: высокая сейсмичность; сложные инже-

нерно-геологические и природно-климатические условия; сложные гидрологические условия; сложные ледовые условия (для континентального шельфа о-ва Сахалин); удаленность и изо -лированность объектов обустройства и строительства.

Учитывая фактор высокой сейсмической активности региона (карты [1], 9 баллов по картам А, В и 10 баллов по карте С по шкале Медведева - Шпонхойе-

ра - Карника (МБК-64)), оборудование подводного добычного комплекса (ПДК) и коммуникации, связывающие скважины с береговым комплексом управления, спроектированы с определенной устойчивостью и степенью защиты. В составе основных объектов подводного добычного комплекса находится манифольд, состоящий из нескольких трубопроводов на одном основании, рассчитанных на высокое давление и соединен-

ных по определенной схеме. Углеводороды при добыче собираются на манифольде и по морскому трубопроводу доставляются на береговой технологический комплекс.

Особенности инженерно-геологических условий и связанные с ними опасности раскрыты более подробно в соответствующих работах авторов [2, 3].

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ И ОЦЕНКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ

Для обеспечения эксплуатационной надежности ПДК необходимо проведение сезонных диагностических обследований и мониторинг объектов, находящихся в его составе. В соответствии с существующей нормативной документацией, при проектировании объектов ПДК и стационарных платформ в сейсмоопасной зоне шельфа о-ва Сахалин в составе проектной документации разрабатываются разделы по организации комплексного геодинамического мониторинга за сооружениями, фундаментами и грунтами оснований как при нормальной эксплуатации, так и при землетрясениях [1, 4]. Данный мониторинг осуществляется в рамках научно-технического сопровождения эксплуатации ПДК.

В целом научно-техническое со -провождение (НТС) - это комплекс исследований технико-технологического, научно-методического, экспертно-аналитического и экспериментального характера, осуществляемых научной (специализированной) организацией. На этапе проектирования НТС обеспечивает соответствующее качество и эффективность принимаемых технических решений, в т. ч. путем разработки специальных технических условий с учетом специфики района освоения. На этапе эксплуатации НТС призвано обеспечить надежную реализацию принятых проектно-техно-логических решений и при необходимости дать обоснование корректирующих мероприятий.

В целях осуществления геодинамического мониторинга разрабатывается соответствующая программа, включающая:

- сейсмологический мониторинг и инженерно-сейсмометрический мониторинг на сооружениях;

- геодезический мониторинг деформационных процессов в геотехнической системе «сооружение -основание», в т. ч. наблюдения за деформациями морского дна;

- геофизический мониторинг напряженно-деформированного состояния объектов ПДК;

- управляющие решения (мероприятия) по предотвращению либо снижению негативного влияния опасных геодинамических процессов и явлений в процессе эксплуатации.

Таким образом, при своевременном обнаружении развития опасных процессов, непрогнози-рованных процессов и явлений, при оперативном выполнении предупреждающих и защитных мероприятий реализуется основная цель геодинамического мониторинга - обеспечение безопасной эксплуатации объектов ПДК. Данная цель реализуется путем проведения оценки изменения инженерно-геологических условий; установления причин осадок и просадок морского дна, смещений и деформаций; осуществления качественного и количественного прогноза динамики развития опасных природных процессов с оценкой вероятности аварийных ситуаций и связанных с этим ущербов; разработки мер по предотвращению дальнейшего развития негативных процессов и исключению нарушений проектного режима эксплуатации.

В соответствии с документом [4], мониторинг осуществляется на протяжении всего периода эксплуатации объектов ПДК и сопровождается ведением динамического паспорта сооружений. Состав, методы наблюдений и исследований определяются в программе комплексного геодинамического мониторинга, ко-

торая разрабатывается проектной и (или)специализированной научной организацией с учетом требований к составу геодинамических наблюдений и периодичности измерений в соответствии с [1, 4]. Геодинамический монито -ринг может осуществляться как собственными силами эксплуатирующей организации,так и с привлечением специализированных научных организаций.

В составе НТС эксплуатации ПДК проводятся:

- анализ отклонений (аномалий, несоответствий), выявленных в ходе проведения обследования и мониторинга морских объектов ПДК, в т. ч. выявленных в ходе подводного обследования устьев скважин;

- анализ критичности выявленных отклонений и оценка целесообразности выполнения корректирующих мероприятий;

- разработка предложений по устранению выявленных отклонений, корректировке программы мониторинга и недопущению осложнений в последующие годы.

В рамках вышеуказанных работ в качестве исходных данных применяются: проектная и исполнительная документация; результаты диагностических обследований морских объектов обустройства (фото- и видеоматериалы визуального обследования; батиметрическая съемка; данные инклинометрии и определения пространственного положения инфраструктурных объектов; результаты инструментального контроля состояния системы электрохимической защиты; результаты инструментального контроля толщины стенок трубных вставок); дополнительные открытые данные (например, сводка землетрясений в определенном радиусе от месторождения за определенный период времени по данным ФГБУН ФИЦ «Единая геофизическая служба РАН»).

Визуальный осмотр (рис. 1) позволяет решить следующие задачи:

а) б)

Рис. 1. Визуальное обследование объектов ПДК: а) общий вид на опору защитной конструкции; б) намыв грунта и биологическое обрастание на опоре

- оценить интенсивность биологического обрастания на поверхности различных элементов ПДК;

- выявить возможные негативные факторы, влияющие на функционирование сооружений, и риски, связанные с биологическим обрастанием;

- оценить эффективность мероприятий по очистке от биологического обрастания;

- провести анализ отклонений, выявленных в ходе диагностического обследования системы противокоррозионной защиты сооружений ПДК;

- провести анализ состояния площадок под оборудование в части размыва и намыва донных отложений, в т. ч. анализ и оценку свободных пролетов линейной части трубопроводов;

- провести оценку пространственного положения исследуемых объектов;

- выявить наличие природных и техногенных газопроявлений.

Проведение эксплуатационного мониторинга позволяет фиксировать возможные участки выхода газа, а также проводить аналитическую работу по выявлению источника газопроявления и прогнозу его развития во времени, в т. ч. по результатам интерпретации сейсмических данных высокого разрешения.

Для шельфа о-ва Сахалин исследования по оценке биологического обрастания на объектах ПДК уникальны. Для глубин до 100 м выявляется широкое биоразнообразие (порядка 9 таксономических ед.). Наличие определенных

таксонов, их интенсивность и время жизни, так же как и полное отсутствие обрастания, часто напрямую связаны с конкретными технологическими элементами эксплуатируемых объектов. Выявляются определенные особенности очистки техногенных объектов ПДК от биологического обрастания, которые должны быть учтены в программах проведения работ в последующие сезоны.

Визуальные осмотры состояния и геодезический мониторинг инструментальными методами рекомендуется осуществлять для фундаментных конструкций оконечных устройств подводных трубопроводов, распределительных устройств шлангокабелей, оснований райзеров, устанавливаемых на морском дне без заглубления (например, донных плит), а также для защитных конструкций всех типов. Внеочередные измерения и визуальный осмотр оснований и фундаментов объектов ПДК и стационарных платформ для данного региона следует проводить после землетрясений интенсивностью более 5 баллов (МБК-64), а также сильных штормов. Видеоданные позволяют визуально проанализировать состояние искусственных щебеночных оснований,берм и обсыпок под оборудованием, а также выявить наличие и динамику процессов, обнаруженных и зарегистрированных в процессе обследования. По результатам анализа видеоматериалов и актов обследования технического состояния подводной части морских объектов обустройства фикси-

руется отсутствие или наличие локальных размывов и намывов грунта у опор защитных конструкций и других сооружений. При наличии размывов и намывов необходимо установить их начальное состояние после проведения строительных работ по исполнительной документации (исключить неровное дно). В дальнейшем данные участки подлежат оценке интенсивности развития процессов и их критичности, в т. ч. в последующие сезоны проведения диагностических работ.

В процессе эксплуатации ПДК необходимо выполнять мониторинг участков рельефа морского дна и подводных склонов, по которым проложены подводные внутрипромысловые трубопроводы, шлангокабели и шлейфы. Основные риски для эксплуатационной надежности линейных сооружений несут возможные латеральные перемещения донных грунтов, склонных к разжижению при проявлении сейсмической активности [3]. Эти перемещения представляют собой боковую подвижку отложений верхней (придонной) части подводного склона на расстояние до нескольких метров (мощность перемещаемых грунтовых масс до 5 м). Согласно исследованиям группы авторов, проявление масштабных оползневых процессов в центральной части восточного подводного склона о-ва Сахалин наблюдается на изобатах 300-1000 м [5, 6]. Для глубин, на которых ведется эксплуатация ПДК, проявление описанных выше оползней маловероятно, поскольку уклон дна от приурезной части до глубины 150-200 м изменяется плавно и однонаправленно в преимущественном направлении с запада на восток, рельеф дна пологий, крупные формы возвышений и депрессии на дне отсутствуют. Максимальное значение уклона дна составляет 1,6 %, среднее значение уклонов - 0,4-0,6 %. Тем не менее нельзя исключить, что активизация склоновых процес-

сов на рассматриваемых глубинах может быть спровоцирована образованием локальных депрессий различного размера вследствие флюидогенных деформаций газонасыщенных донных отложений. Так, на рассматриваемой территории наблюдаются пок-марки (рис. 2) - воронкообразные углубления, образованные при залповых прорывах газовых струй. Наряду с покмарками на морском дне в пределах границ лицензионных участков присутствуют признаки крипа - процесса медленного сползания или оплывания толщ донных осадков на относительно пологих склонах [7]. На таких участках наблюдается волнообразный бугристый рельеф поверхности дна. При незначительных, но достаточных для возникновения крипа уклонах дна это явление могло быть спровоцировано небольшим по интенсивности землетрясением.

Для выявления потенциально опасных участков подводного склона, по которому проложены подводные внутрипромысловые трубопроводы, шлангокабели и шлейфы, необходимо выполнять оценку латеральных деформаций и возможного проявления локальных оползневых процессов. Данную оценку необходимо выполнять в целях минимизации эксплуатационных рисков путем более детального периодического мониторинга опасных участков, особенно после землетрясений различной интенсивности.

Зная, что грунты, слагающие склон, подвержены разжижению при сейсмическом воздействии, оценку латеральных деформаций грунтов подводного склона в общем случае можно выполнить с помощью эмпирического подхода, разработанного Т. Лесли Юдом [8] и отраженного в [9]. Для более детальной оценки необходимо выполнять моделирование и расчет потенциально опасных участков склона, используя методы, основанные на теории предельного равновесия моментов

Покмарка

200 м

* М-►

■- - ■ -------

Рис. 2. Покмарка глубиной около 2,0 м и диаметром 45 м в 15 м к юго-востоку от оси трассы морского трубопровода на глубине около 74 м

и сил в грунте (Н. Моргенштейна и В. Прайса, Е. Спенсера и др.), и математическое моделирование с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И ВЕЛИЧИНЫ ВОЗМОЖНЫХ ЛАТЕРАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ УЧАСТКА ПОДВОДНОГО СКЛОНА

В настоящей статье выполнена оценка потенциальной устойчивости и величины возможных латеральных деформаций участка подводного склона протяженностью около 1000 м, сложенного от поверхности преимущественно пылеватыми и мелкозернистыми песками среднеплейстоцено-во-голоценового возраста (mQIV) мощностью от 3 до 6 м, подстилаемыми супесью от текучей до мягкопластичной консистенции на разведанную глубину 15 м.

Выполненная оценка учитывала интенсивность сейсмического воздействия I = 7,8 балла по шкале

MSK-64, установленную для периода повторяемости T = 1000 лет по данным сейсмического микрорайонирования (СМР).

Оценка потенциальной устойчивости участка подводного склона выполнена по методу Е. Спенсера в программном комплексе для геотехнических расчетов GEO 5. Расчет выполнялся для двух случаев:

- основное сочетание нагрузок (без учета сейсмического воздействия);

- особое сочетание нагрузок (учет сейсмического воздействия путем псевдостатического анализа).

Учет сейсмического воздействия при псевдостатическом анализе выполнен путем введения дополнительной силы, определяемой следующим образом:

где атах - расчетное значение максимального пикового ускорения (в долях от д), принятое 0,161 д по данным СМР, д - ускорение свободного падения (9,81 м/с2); М/ - удельный вес грунта, кН/м3; к - коэффициент сейсмичности.

По результатам расчета на рассматриваемом участке подводного склона получено три наиболее опасных потенциальных поверхности скольжения. При этом все три полигональные поверхности скольжения грунта проходят по контакту слоя пылеватого песка мощностью 3-5 м с подстилающими грунтами.

Рис. 3. Результаты оценки устойчивости склона на основное сочетание нагрузок по методу Е. Спенсера

Примечание: красные линии на разрезе - вероятные поверхности скольжения грунтов

Ку = 0,97 Ку = 1,03 Ку = 1,06

Л Высота, м 17,80

0,00

0,00 47,00 94,00 41,00 СО 5 5- 5- 5 = -с ^ со" ^ = ^ с^ 3 ^

Длина, м

Рис. 4. Результаты оценки устойчивости склона на особое сочетание нагрузок по методу Е. Спенсера

Примечание: красные линии на разрезе - вероятные поверхности скольжения грунтов

Рис. 5. Синтетическая акселерограмма для землетрясения с периодом повторяемости Т = 1000 лет и магнитудой М = 5,5 с эпицентральным расстоянием R = 10 км от рассматриваемого района

1,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 м

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

20,00

Горизонтальные смещения (их) Экстремальное их 266,2610-3 м —г ■ 1 - ■

Рис. 6. Возможные латеральные деформации грунта на потенциально неустойчивом участке склона

м

Результаты оценки потенциальной устойчивости участка подводного склона на основное сочетание нагрузок представ-

лены на рис. 3. Коэффициенты устойчивости склона для потенциально опасных поверхностей скольжения составили Ку = 1,26,

Ку = 1,29 и Ку = 1,31, что говорит о достаточной устойчивости склона в естественном состоянии.

Результаты оценки потенциальной устойчивости участка подводного склона на особое сочетание нагрузок представлены на рис. 4. Коэффициенты устойчивости склона для потенциально опасных поверхностей скольжения с учетом сейсмических воздействий составил Ку = 0,97, Ку = 1,03 и Ку = 1,06. Это говорит о том, что склон на участке с коэффициентом Ку = 0,97 потенциально неустойчив при расчетном сейсмическом воздействии.

Для оценки величины возможных латеральных деформаций грунта на потенциально неустойчивом участке склона выполнено математическое моделирование и динамический анализ с помощью МКЭ. Моделирование участка склона выполнялось в программном комплексе Plaxis 2D. Для мо -делирования поведения грунтов использовалась упругопластиче-ская модель Мора-Кулона. Динамический анализ выполнялся с использованием рассчитанных синтетических акселерограмм для землетрясения повторяемости Т = 1000 лет магнитудой М = 5,5 и эпицентральным расстоянием R = 10 км от рассматри -ваемого района. Синтетическая акселерограмма представлена на рис. 5.

Результаты оценки величины латеральных деформаций грунта на потенциально неустойчивом участке склона представлены на рис. 6.

По результатам моделирования участка склона в программном комплексе Р1ах*Б 2Э с учетом возможного сейсмического воздействия накопленные горизонтальные перемещения в верхней части склона составляют до 0,26 м.

Такие горизонтальные перемещения верхних слоев грунта вниз по склону представляют потенциальную опасность для линейных объектов (внутрипромысловые

трубопроводы, шлангокабели и т. д.), а также опорных и фундаментных конструкций объектов ПДК, т. к. давление от смещаемого грунта может достигать до 5 т на пог. м фронта смещаемых грунтовых масс.

ВЫВОДЫ

Научно-техническое сопровождение эксплуатации месторождений шельфа о-ва Сахалин -

комплекс научных исследований, направленных на обеспечение эксплуатационной надежности -должно включать в себя работы по мониторингу, диагностике и оценке таких геологических опасностей, как устойчивость подводных склонов.

Прогнозная оценка основывается на сопоставлении архивных и актуализированных исходных данных, полученных в ходе се-

зонных обследований, в т. ч. бати -метрии дна и состояния объектов ПДК. Своевременность и точность получаемых данных (образование новых депрессий, размывов и т. д.) позволит повысить достоверность оценки напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых объектов для принятия оперативных управленческих решений эксплуатирующей организацией. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200111003 (дата обращения: 21.03.2019).

2. Голубин С.И., Савельев К.Н. Повышение прочности слабых грунтов при обустройстве морских нефтегазопромысловых сооружений и объектов береговой инфраструктуры на шельфе Дальнего Востока // Газовая промышленность. 2017. № 1 (747). С. 20-25.

3. Новиков А.И., Новиков А.А., Голубин С.И., Савельев К.Н. Особенности проведения инженерных изысканий при определении потенциала разжижения грунтов в основании объектов морской добычи шельфа острова Сахалин (Россия) // Газовая промышленность. 2018. № 3 (765). С. 18-25.

4. СП 23.13330.2011. Основания гидротехнических сооружений [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200084539 (дата обращения: 21.03.2019).

5. Баранов Б.В., Дозорова К.А., Рукавишникова Д.Д. Активная тектоника и образование оползневых тел на восточном склоне о. Сахалин // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2016. Т. 19. № 1-1. С. 61-69.

6. Иванова А.А., Куликов Е.А., Файн И.В., Баранов Б.В. Генерация цунами подводным оползнем вблизи восточного побережья о. Сахалин // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2018. № 2. С. 111-116.

7. Рычагов Г.И. Общая геоморфология. Учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Из-во Московского университета: Наука, 2006. 416 с.

8. Youd T.L. Liquefaction-Induced Lateral Ground Displacement // Third International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. 1995. P. SOA6.

9. ГОСТ Р 56353-2015. Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200118271 (дата обращения: 21.03.2019)

в ранках Международной специализированной выставки ■ М ЕТА Л Л ООБРА БОТКА-2 019»

IV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

www.rpi-conferences.com

I RPI

ОРГАНИЗАТОР

Ф

Индустриальные масла и СОЖ

в металлургии, металлообработке и машиностроении

России и СНГ

РОСНЕФТЬ

28 мая 2019 г.

Москва, Ц8К «Экспоцентр»

29 мая 2019 г.

Москва, отель -Novotel Москва Си™«

2019

СООРГАНИЗДТОР

При поддержке.

6Ъ

ЭКСПОЦЕНТР

СТАНКОИНСТРУМЕНТ

W +7 (495) 502-54-33; +7 (495) 778-93-32

@

[email protected]

www.rpi-conferences.com