ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРМАНЕНТНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДОННОГО ОСНОВАНИЯ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Прогнозирование процесса взаимодействия системы «платформа - шельф» включает выполнение расчётов устойчивости основания. Процесс погружения опор самоподъёмных плавучих буровых установок (СПБУ) в донный грунт сопровождается развитием областей пластических деформаций, перетеканием грунтовых масс, формированием зон уплотнения и разуплотнения, что обуславливает существенные изменения параметров грунта. В рамках данной задачи необходимо обеспечить достоверное определение прочностных характеристик подстилающих грунтов донных отложений в любой момент времени. С этой целью предлагается осуществлять геотехнический мониторинг основания опор СПБУ с применением геофизических методов. По результатам мониторинга появляется возможность оперативно выполнять прогнозные расчёты на основе данных, которые отражают фактическое состояние грунтов, подстилающих опорные элементы СПБУ. На интерпретацию полученных результатов влияет многофакторность изменений отражённого сигнала. Исследуемую среду в рамках обсуждаемого вопроса можно считать детерминированной системой, что даёт возможность применения асимптотических методов для дальнейшего исследования.

Ключевые слова:
самоподъёмная плавучая буровая установка, шельф, устойчивость, геотехнический мониторинг, асимптотический метод
Текст
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.
Список литературы

1. Шереметов И. М. Мониторинг основания самоподъёмных буровых установок геофизическими методами // Геология, география и глобальная энергия. 2014. № 1 (52). С. 49-59.

2. Григорян Р. Т. Вопросы актуализации параметров основания самоподъёмных буровых платформ / Проблемы теории и практики современной науки. Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. (19 сентября 2017 г.): сб. науч. тр. М.: Перо, 2017. С. 159-163.

3. Бугров А. К., Нарбут P. M., Сипидин В. П. Исследование грунтов в условиях трёхосного сжатия. Л.: Стройиздат, 1987. 184 с.

4. Бугров А. К., Шереметов И. М. Взаимодействие трёхопорной СПБУ с грунтом морского дна // Проблемы нелинейной механики грунтов. Йошкар-Ола, 1991. С. 63-65.

5. Бугров А. К. Механика грунтов: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 287 с.

6. Полумордвинов О. А., Шереметов И. М., Курдюк А. Ю. К вопросу о создании комплексной методики инженерных изысканий для решения геотехнических и геоэкологических задач строительства на урбанизированных территориях // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 1. С. 56-57.

7. Бугров А. К., Шереметов И. М. Устойчивость самоподъёмных плавучих буровых установок при плоском сдвиге с поворотом // Гидротехническое строительство. 1992. № 5. С. 70-72.

8. Григорян Р. Т. Геоэкологический аспект эксплуатации самоподъёмных буровых установок / Интеграция науки и практики в современных условиях. Материалы X Междунар. науч.-практ. конф. (19 октября 2017 г.): сб. науч. тр. М.: Перо, 2017. С. 102-106.

9. Копейкин В. В. Распространение электромагнитных импульсов в подземной среде. URL: http://www.geo-radar.ru/articles/article5.php#1 (дата обращения: 21.12.2017).

10. Бутузов В. Ф., Васильева А. Б., Федорюк М. В. Асимптотические методы в теории обыкновенных дифференциальных уравнений // Итоги науки. Сер. Математика, мат. анализ. 1969. С. 5-73.

11. Новиков Д. Б. Об одном подходе к решению трёхмерных обратных задач магнитотеляурического зондирования земной коры // Условно-корректные задачи математической физики: тезисы Всесоюзн. конф. Алма-Ата, 1989. С. 68.

12. Ельцов Т. И., Доровский В. Н., Гапеев Д. Н. Низкочастотные диэлектрические спектры пород, насыщенных водонефтяной смесью // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 8. С. 1270-1281.

13. Шереметов И. М., Полумордвинов О. А. Обеспечение экологической безопасности при разведочном бурении каспийского шельфа / Сохранение биоресурсов Каспийского моря. Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 18-19 сентября 2014 г.): материалы и доклады. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2014. С. 3-10.