Трубопровод для Арктики. Строительство морских трубопроводных систем в арктических условиях.

При проектировании и сооружении трубопроводов в условиях Арктики специалистам необходимо решить целый ряд уникальных задач, с которыми нефтегазовая промышленность до сих пор не сталкивалась, реализуя проекты в других регионах мира. В их число входят ледовое пропахивание, ледовая эрозия дна, выход льда на берег, устойчивость берегового грунта, таяние льдов. Зачастую возникает необходимость разработки специальных методов и оборудования, предназначенных для работы в удалённых регионах (при отсутствии какой бы то ни было инфраструктуры), с ограниченной продолжительностью строительного сезона, в суровых погодных условиях и сложной ледовой обстановке.

Специфика Арктики

Все перечисленные выше факторы необходимо учитывать при проектировании трубопроводов в дополнение к объёмам перекачиваемых нефти или газа, показателям прочности грунта и устойчивости морского дна. Среди прочих факторов – условия окружающей среды: такие как глубина моря, температура, морская фауна, тип выполняемых работ (например, морская транспортировка углеводородного сырья или промышленная эксплуатация месторождения).

Пропахивание морского дна имеет место при движении ледовых торосов под воздействием ветра или соседнего ледового поля, при этом киль тороса соприкасается с дном. Ледовая эрозия дна образуется во время весеннего таяния, когда вода из разливающихся рек поступает на поверхность морского льда и просачивается в море через полыньи и трещины. Просачивающаяся вода образует водовороты, воздействующие на морское дно и лежащие на дне трубопроводы.

Береговая линия и барьерные острова подвергаются воздействию подвижного льда во время его намерзания или вскрытия. В результате вдоль береговой линии образуются нагоны, максимальная высота которых может быть на уровне ватерлинии или уровня берега, что и приводит к выходу ледяных глыб на берег.

На участке морского трубопровода при соединении с наземным трубопроводом в его конструкции должно быть предусмотрено некоторое расстояние, предохраняющее трубопровод от повреждений при выходе льда на берег. Закладка гравием, пригрузка, восстановление растительного покрова необходимы для предотвращения ускоренной эрозии участка в месте выхода трубы на берег.

При расчёте расстояния выхода трубопровода на берег необходимо также учесть отступление береговой линии. На мелководье происходит промерзание донного грунта в зимний период. Под слоем подвижного льда находится вечная мерзлота. Тепловое воздействие трубопровода на мёрзлый грунт также должно учитываться при проектировании, чтобы оттаивание грунта не повлияло на целостность трубопровода.

Монтаж конструкций

Несмотря на большой опыт строительства трубопроводов в различных регионах мира, опыт сооружения трубопроводных систем в условиях Арктики ограничен тремя проектами: Northstar, Oooguruk и Nikaitchuq. Укладка всех трёх трубопроводов производилась со льда во время зимнего строительного сезона. Трубопроводы были заглублены во избежание повреждений от ледового пропахивания.

В условиях Арктики для укладки трубопроводов на мелководье использовалось оборудование, размещённое на льду во время зимнего строительного сезона. Хотя до сих пор ни одного глубоководного арктического трубопровода построено не было, баржи-трубоукладчики применялись на больших глубинах в субарктических регионах (там, где не было льда).

В неарктических регионах, подверженных, тем не менее, ледовому пропахиванию, отраслевой опыт строительства трубопроводов был накоплен на российском шельфе (на о-ве Сахалин), где укладка велась с судов. В рамках проекта «Сахалин-2» были установлены платформы на месторождениях Пильтун-Астохское и Лунское, соединённые с берегом трубопроводной системой суммарной длинной 262 км. Помимо того, что эта система рассчитана на то, чтобы выдерживать землетрясения, трубопроводы были заглублены на 35 м во избежание повреждения от ледового пропахивания.

При определении глубины заглубления трубопроводов необходимо учитывать целый ряд факторов, таких как береговая эрозия, движение барханов, а также пропахивание морского дна килями ледовых торосов. Для уточнения величины и частоты ледовых пропахиваний и эрозии при проектировании трубопроводных систем нужно использовать специальные программы, предназначенные для исследования морского дна. Обычно для их проведения используют суда, оборудованные многолучевыми боковым и донным профилирующими сонарами. В случае ледовой эрозии дна до наступления сезона открытой воды используются вертолёты.

После сбора данных необходимо произвести их обработку и анализ для разработки соответствующих критериев проектирования. В прошлом обработка данных была трудоёмким и продолжительным процессом. В настоящее время с этой целью используют специальные компьютерные программы. Создаются подробные базы данных, в которых содержится информация по каждому объекту с указанием его местоположения, глубины, ширины, длины и т.д. Каждый такой набор данных содержит важнейшие параметры, используемые при проектировании, и охватывает большой диапазон глубин с информацией о частоте и величине ледового пропахивания.

Прогнозирование глубин

На параметры заглубления трубопроводных систем влияют следующие факторы: глубина ледового пропахивания, геометрия траншеи, деформации под бороздами пропахивания, тип грунта и его прочность на сдвиг. Основной задачей является устранение и изучение неопределённостей, связанных с расчётами глубины. Для этого необходимо определить проектную глубину пропахивания на основании полевых данных и физических ограничений, таких как прочность грунта и льда, а затем определить воздействие льда на грунт и нагрузку на трубопровод при помощи связанного (уточнённая модель грунта) и несвязанного (упрощённая модель грунта) анализов. Обычно трубопровод проектируется так, чтобы он не соприкасался с килем ледового тороса. Учитываются также нагрузки на траншею и грунт при укладке трубопровода и критерии проектирования трубопровода в части деформаций и нагрузок, влияющих на конструктивную целостность трубопровода.

Связанная модель – это трёхмерная модель, в которой грунт моделируется как континуум, а процесс пропахивания эксплицитно моделируется в среде грунта. Несвязанные модели – это главным образом двухмерные модели консольного типа, в которых грунт моделируется пружинами. Неустановившееся смещение (деформации под бороздами пропахивания), наложенное на основу пружин, моделирует влияние процесса пропахивания на трубопровод в несвязанных моделях; характеристики пружин являются упрощённым представлением поведения грунтовой среды в части кривых нагрузка/смещение.

Совместные отраслевые проекты позволяют получить лучшее представление о процессах пропахивания льда и требуемой глубине заглубления трубопроводов. Завершённое недавно исследование «Оценка и устранение рисков при строительстве трубопроводов», являющееся одним из совместных отраслевых проектов, было нацелено на создание инженерных моделей, разработку процедур проектирования и обобщение передового опыта в области защиты трубопроводов от килевых нагрузок. Под руководством Канадского центра гидравлических исследований недавно завершён совместный отраслевой проект по моделированию взаимодействия килей ледовых торосов и морского дна. Целью данного исследования было изучение процесса ледового пропахивания и его параметров – силы, глубины и их соотношений в условиях песчаных грунтов.

Механическая целостность трубопроводов и её мониторинг

Системы обнаружения утечек на трубопроводах подразделяются на программные и аппаратные системы. В рамках программных систем проводится сбор данных с датчиков, которые обычно используются при эксплуатации трубопроводов (датчики давления, температуры, расхода) для обнаружения и локализации потенциальных утечек на основании программных алгоритмов. В аппаратных системах для мониторинга утечек используются датчики, не связанные с обычным процессом эксплуатации трубопроводов. Для усовершенствования имеющихся в настоящее время программных систем мониторинга внедряется мониторинг испарений и оптоволоконные технологии.

Инновационные рубежи

Возможна укладка трубопроводов на короткие расстояния через скважины-шурфы, пробуренные с использованием безтраншейных методов укладки. Такие методы можно разделить на две основные категории: методы наклонно-направленного бурения и создание микротуннелей.

Наклонно-направленное бурение применяется при строительстве речных переходов и укладке коротких отрезков трубопроводов через недоступный рельеф. При использовании данного метода буровая установка наклонного бурения располагается на одном берегу реки. Она бурит такую же скважину, как и при бурении на нефть. Скважина обычно бурится на глубину порядка нескольких метров под поверхностью грунта с выходом на другой берег. Затем трубопровод или связка трубопроводов протягивается через скважину. Данный метод сводит к минимуму повреждение поверхности: параметры объёма вскрыши на погонный метр трубопровода позволяют заглублять трубопровод на глубину нескольких метров.

Следует отметить, что при прокладке трубопровода данным методом используется буровой раствор (бентонит). Выход бурового раствора в непредсказуемых местах и загрязнение окружающей среды раствором – главные недостатки данного метода. Кроме того, применение наклонно-направленного бурения может оказаться проблематичным из-за характеристик грунтов в Арктике.

Использование данного метода ограничено устойчивостью стенок скважины и усилием, необходимым для проталкивания колонны бурильных труб в скважину при бурении, а после его завершения – для проталкивания трубопровода через скважину. Большей длины можно достичь посредством строительства кессонов на мелководье через каждые 2 км трассы. Такая технология была успешно применена при соединении платформы Mittelplate в немецком секторе Северного мора с береговыми сооружениями посредством трубопровода длиной 11 км.

Технология создания микротуннелей задавливанием труб использовалась на участках берегового примыкания (например, участок трубопровода Europipe). Тем не менее, при применении данного метода длина всё ещё ограничена несколькими километрами в основном из-за необходимости проталкивания с одного конца трубопровода поддерживающей трубы. Обычная туннельная технология с использованием туннелепроходческих машин позволяет создавать сооружения поддержки непосредственно за забоем, вследствие чего можно увеличить длину самого туннеля. Для этого его диаметр должен составлять несколько метров (необходимо для установки оборудования). Однако применение такого метода для строительства трубопроводов, по мнению специалистов, вряд ли можно назвать практичным.