TECHNOLOGY OF PERMANENT MONITORING PARAMETERS OF THE SEA BASE DURING OPERATION OF DRILLING PLATFORMS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Economic Sciences, Professor; Professor of the Department of Economics and Enterprise Management; Director of the Institute of Urban Planning)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 38
to 44
Status:
Published
Received:
20.05.2018
Accepted:
25.05.2018
Published:
25.05.2018
Subject area:
UDK 624.046.3
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
jack-up drilling rig, offshore, stability, geotechnical monitoring, asymptotic method
Abstract (English):
Forecasting the process of interaction of the platform - offshore system includes calculations of the base stability. The process of immersing the supports of Jack-up drilling rigs into the bottom ground is accompanied by developing areas of plastic deformation, ground flowing, compaction zones and decomposition zones. This causes significant changes in soil parameters. In the context of this task, it is necessary to ensure the reliability of determining strength characteristics of the underlying grounds of bottom sediments at any given time. For this purpose, it is proposed to carry out geotechnical monitoring of the base of Jack-up using geophysical methods. The application of the geophysical method makes it possible to quickly perform predictive calculations based on actual information. According to the results of geomonitoring, it is possible to fulfil calculations reflecting the actual state of the soils underlying the platform. The interpretation of the results obtained is influenced by the multifactorial nature of the changes in the reflected signal. The environment under study in this case can be considered as a determinate system, which makes it possible to apply asymptotic methods for further research.
Forecasting the process of interaction of the platform - offshore system includes calculations of the base stability. The process of immersing the supports of Jack-up drilling rigs into the bottom ground is accompanied by developing areas of plastic deformation, ground flowing, compaction zones and decomposition zones. This causes significant changes in soil parameters. In the context of this task, it is necessary to ensure the reliability of determining strength characteristics of the underlying grounds of bottom sediments at any given time. For this purpose, it is proposed to carry out geotechnical monitoring of the base of Jack-up using geophysical methods. The application of the geophysical method makes it possible to quickly perform predictive calculations based on actual information. According to the results of geomonitoring, it is possible to fulfil calculations reflecting the actual state of the soils underlying the platform. The interpretation of the results obtained is influenced by the multifactorial nature of the changes in the reflected signal. The environment under study in this case can be considered as a determinate system, which makes it possible to apply asymptotic methods for further research.
Keywords:
jack-up drilling rig, offshore, stability, geotechnical monitoring, asymptotic method
jack-up drilling rig, offshore, stability, geotechnical monitoring, asymptotic method
Целью исследования является повышение надёжности и безопасности шельфовых сооружений, а именно самоподъёмных плавучих буровых установок (СПБУ), в период эксплуатации. С точки зрения экономики СПБУ характеризуются наиболее низкой арендной стоимостью по сравнению с другими подвижными буровыми платформами, а также высоким коэффициентом использования календарного времени для выполнения буровых операций (до 85 %), поскольку с помощью таких буровых установок бурение может производиться практически при любых метеоусловиях. Кроме того, к преимуществам СПБУ относятся большой диапазон глубин моря и возможность опирания колонн на грунты различной плотности, причём подготовка грунтового основания не требуется [1]. Этим обусловлена популярность применения СПБУ, в том числе на каспийском шельфе. На рис. 1 показана установка, типичная для данного вида, которая эксплуатируется на Каспии и принадлежит компании «БКЕ Шельф». Рис. 1. Самоподъёмная плавучая буровая установка «Астра» Задачей данного исследования является разработка методов контроля параметров и характеристик основания буровых платформ. Опыт эксплуатации буровых платформ на шельфе морей и океанов обуславливает необходимость совершенствования методов прогнозирования поведения системы «платформа - шельф» после постановки опор на донный грунт. Контроль параметров основания СПБУ В качестве опасных факторов для нефтегазопромысловых шельфовых сооружений можно выделить геодинамические (связанные преимущественно с сейсмической опасностью), палеогеографические и гидрометеорологические процессы. Однако угроза повреждения конструкций и оборудования - первое звено в цепи рисков, связанных с освоением континентального шельфа [2]. Одной из основных причин экологических катастроф на море является повреждение бурового оборудования в результате потери устойчивости основания опор платформы, когда касательные напряжения превышают предельно допустимые значения. Именно касательные напряжения вызывают смещение отдельных частиц грунта относительно друг друга и приводят к разрушению образца грунта в целом [3]. На рис. 2 показаны изолинии касательных напряжений в массиве донного грунта при эксплуатационных нагрузках на опору СПБУ в проектном положении [4]. Рис. 2. Распределение касательных напряжений в основании опоры СПБУ Прогнозирование процессов, происходящих в основании опор СПБУ, имеет свои особенности. В основном они сопряжены с тем, что погружение опорных башмаков в проектное положение может сопровождаться существенным изменением характеристик грунта. Задавливание опор в грунт морского дна производится на глубину, соизмеримую с размером опорного башмака. При этом развивается комплекс явлений, сопряжённых с уплотнением грунта и, как следствие, с отжимом поровой воды, переходом локальных областей в пластическое состояние, выпором грунта вокруг опор и пр. [5]. В результате, полученная с применением прямых методов информация о состоянии донных грунтов актуальна лишь на первой стадии постановки сооружения на шельф. Целесообразность применения комплексной оценки свойств оснований с использованием возможностей геофизики для сооружений прочих классов отмечалась ранее [6]. Комплексный подход позволяет исключить упрощения при визуализации литологического сложения рассматриваемой площадки и выявить любые локальные аномалии в грунтовой толще. Последнее обстоятельство весьма актуально для объектов, имеющих «точечное» опирание. На рис. 3 представлена схема постановки СПБУ на грунт морского дна, а на рис. 4 показано распределение касательных напряжений в основании опор платформы в процессе установки на точку бурения [7]. Рис. 3. Схема установки СПБУ на точку бурения Рис. 4. Распределение касательных напряжений в основании латеральной плоскости Картина распределения внутренних усилий, построенная в латеральной плоскости, хорошо иллюстрирует то, что концентрация касательных напряжений происходит на обрезах башмаков опор СПБУ и сгущение изолиний определяет область вероятного сдвига. Для актуализации прогнозных расчётов необходимо использовать откорректированные характеристики основания опор СПБУ. Технологическая возможность уточнения исходных данных для проверочных расчётов реализуется с применением геофизического оборудования [8]. Эффективным в решении данной задачи является использование георадара. Проведённые ранее исследования показали высокую информативность и оперативность получения результатов. На рис. 5 представлена радарограмма, построенная при мониторинге дна водоёма. Рис. 5. Радарограмма донных отложений Опираясь на эталонные результаты зондирования, коррелирующие с параметрами, которые получены прямыми методами, отслеживаются любые текущие изменения интересующего массива донных отложений. Таким образом, в любой момент времени, предусмотренный программой геотехнического мониторинга, обеспечивается возможность получения информации об изменении параметров основания во всех точках области зондирования. На основании откорректированных данных проверка соблюдения условия прочности грунта основания СПБУ может иметь неограниченное число итераций. В результате мониторинга появляется возможность оперативно выполнять прогнозные расчёты на основе данных, которые отражают фактическое состояние грунтов, подстилающих опорные элементы СПБУ. Для опосредованной количественной оценки изменений, происходящих в основании, тарировку радарограмм необходимо выполнять на стадии инженерных изысканий. Реализация предлагаемого геотехнического мониторинга основания буровой платформы возможна с применением существующего георадарного оборудования, оснащённого влагозащищёнными антенными блоками. В процессе высокочастотного зондирования излучаемая электромагнитная волна отражается от границ областей с различающейся диэлектрической проницаемостью и проводимостью. Именно отражённый сигнал формирует радарограммы. На интерпретацию полученных результатов влияет многофакторность изменений отражённого сигнала [9]. Регистрируемый сигнал при отражении от более проводящей (более плотной) среды меняет свою полярность, а при отражении от менее плотной среды полярность сигнала сохраняется. Граница сред (пластов, уплотнённых зон и т. д.) может быть нечёткой. В этом случае отражение сигнала растягивается во времени. Кроме того, при слишком низкой проводимости среды сигнал затухает, а при высокой проводимости среды происходят дисперсные искажения в низкочастотном диапазоне. Следует отметить, что предлагаемый метод регистрации изменений в основании опор СПБУ предусматривает определение лишь одного параметра - диэлектрической проницаемости. Данный параметр опосредованно отражает изменение состояния интересующих нас областей грунта. С учётом указанной выше многофакторности перманентное поступление информации о меняющихся характеристиках среды обуславливает необходимость системного обобщения полученных результатов. Исходя из того, что регистрируемые параметры обладают слабыми нелинейностями, процесс их изменения может быть представлен линейными системами обыкновенных дифференциальных уравнений [10]. Исследуемую среду в рамках обсуждаемого вопроса можно считать детерминированной системой, что даёт возможность применения асимптотических методов для дальнейшего исследования. Если учитывать случайную природу явлений, влияющих на изменение диэлектрической проницаемости исследуемой среды, система будет описываться стохастическим дифференциальным уравнением. Применительно к медленно меняющимся средам эффективным является асимптотический метод, предложенный для решения трёхмерных задач [11]. Здесь проблемы определения значений диэлектрических проницаемостей подсистем при использовании формул смешения решаются приёмом интерпретации данных в каждой точке отдельно с уточняющей поправкой. Такой приём в рамках данной задачи вполне оправдан, поскольку характеристики релаксационной поляризации Максвелла-Вагнера для полностью водонасыщенных сред могут находиться вне области выполнения самой поляризации и, соответственно, вне справедливости той либо иной формулы смешения. Существенным также является то, что асимптотическое значение реальной части диэлектрической проницаемости в области высоких частот практически не зависит от солёности рассола, насыщающего пористую среду [12]. Это исключат необходимость адаптации метода с учётом химического состава морских вод акватории, что является весьма важным, поскольку, например, глубина зондирования напрямую зависит от водонасыщения среды и количества растворённых солей [13]. С целью получения информации о состоянии изменившейся среды целесообразно использовать апробированные подходы, в числе которых предложенный для медленно меняющихся квазислоистых сред численный алгоритм построения асимптотики решения прямых задач. Заключение В рамках практической реализации прогнозных расчётов, направленных на проверку условия прочности основания СПБУ, необходимо актуализировать исходные данные. Для получения информации о текущих изменениях в грунтовой среде предлагается использовать хорошо зарекомендовавший себя способ георадарного зондирования. Технология перманентного контроля параметров донного основания в период эксплуатации буровых платформ, которая осуществляется на основе комплексирования, может быть эффективно реализована в рамках геофизического мониторинга с последующим применением метода построения асимптотики решения прямых задач.
1. Sheremetov I. M. Monitoring osnovaniya samopod'emnyh burovyh ustanovok geofizicheskimi metodami // Geologiya, geografiya i global'naya energiya. 2014. № 1 (52). S. 49-59.
2. Grigoryan R. T. Voprosy aktualizacii parametrov osnovaniya samopod'emnyh burovyh platform / Problemy teorii i praktiki sovremennoy nauki. Materialy VIII Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (19 sentyabrya 2017 g.): sb. nauch. tr. M.: Pero, 2017. S. 159-163.
3. Bugrov A. K., Narbut P. M., Sipidin V. P. Issledovanie gruntov v usloviyah trehosnogo szhatiya. L.: Stroyizdat, 1987. 184 s.
4. Bugrov A. K., Sheremetov I. M. Vzaimodeystvie trehopornoy SPBU s gruntom morskogo dna // Problemy nelineynoy mehaniki gruntov. Yoshkar-Ola, 1991. S. 63-65.
5. Bugrov A. K. Mehanika gruntov: ucheb. posobie dlya studentov vyssh. ucheb. zavedeniy. SPb.: Izd-vo Politehn. un-ta, 2007. 287 s.
6. Polumordvinov O. A., Sheremetov I. M., Kurdyuk A. Yu. K voprosu o sozdanii kompleksnoy metodiki inzhenernyh izyskaniy dlya resheniya geotehnicheskih i geoekologicheskih zadach stroitel'stva na urbanizirovannyh territoriyah // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2009. № 1. S. 56-57.
7. Bugrov A. K., Sheremetov I. M. Ustoychivost' samopod'emnyh plavuchih burovyh ustanovok pri ploskom sdvige s povorotom // Gidrotehnicheskoe stroitel'stvo. 1992. № 5. S. 70-72.
8. Grigoryan R. T. Geoekologicheskiy aspekt ekspluatacii samopod'emnyh burovyh ustanovok / Integraciya nauki i praktiki v sovremennyh usloviyah. Materialy X Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (19 oktyabrya 2017 g.): sb. nauch. tr. M.: Pero, 2017. S. 102-106.
9. Kopeykin V. V. Rasprostranenie elektromagnitnyh impul'sov v podzemnoy srede. URL: http://www.geo-radar.ru/articles/article5.php#1 (data obrascheniya: 21.12.2017).
10. Butuzov V. F., Vasil'eva A. B., Fedoryuk M. V. Asimptoticheskie metody v teorii obyknovennyh differencial'nyh uravneniy // Itogi nauki. Ser. Matematika, mat. analiz. 1969. S. 5-73.
11. Novikov D. B. Ob odnom podhode k resheniyu trehmernyh obratnyh zadach magnitotelyauricheskogo zondirovaniya zemnoy kory // Uslovno-korrektnye zadachi matematicheskoy fiziki: tezisy Vsesoyuzn. konf. Alma-Ata, 1989. S. 68.
12. El'cov T. I., Dorovskiy V. N., Gapeev D. N. Nizkochastotnye dielektricheskie spektry porod, nasyschennyh vodoneftyanoy smes'yu // Geologiya i geofizika. 2014. T. 55. № 8. S. 1270-1281.
13. Sheremetov I. M., Polumordvinov O. A. Obespechenie ekologicheskoy bezopasnosti pri razvedochnom burenii kaspiyskogo shel'fa / Sohranenie bioresursov Kaspiyskogo morya. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Astrahan', 18-19 sentyabrya 2014 g.): materialy i doklady. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2014. S. 3-10.
