Арктическое строительство: в поиске новых решений.

Особенности конструкций, предназначенных для эксплуатации в суровых климатических условиях. Создание и безопасная эксплуатация платформы для добычи углеводородов на шельфе невозможны без тщательного изучения окружающей среды и её возможного воздействия на конструкцию нефтегазодобывающих объектов. Концерн Shell и другие компании отрасли получили первые навыки строительства сооружений в ледовых условиях при установке стационарных платформ в заливе Кука в начале 1960-гг. Платформы безопасно использовались в течение длительного срока и в настоящее время выведены из эксплуатации.

Особые проблемы

Компания Shell также приобрела огромный опыт при строительстве морских сооружений в 1990-гг. и дополнительных платформ в период 2005–2006 гг. в условиях, сходных с арктическими, на шельфе о. Сахалин. Кроме того, начиная с 90-х гг. прошлого века концерн отработал методы и технологические решения при создании и эксплуатации объектов в местах скопления айсбергов в ходе установки и эксплуатации стационарной платформы Hibernia и плавучего добычного комплекса у восточного побережья Ньюфаундленда. Строительство морских сооружений для арктических регионов в условиях присутствия многолетнего льда является, по сути, ещё одним значимым рубежом для развития шельфовых технологий. На данный момент в отрасли существует лишь опыт создания и эксплуатации искусственных островов и временных мобильных сооружений, использовавшихся в ходе разведочного бурения в канадском и американском секторах моря Бофорта.

Многолетний лёд рассматривается как основная опасность и защита от него – одно из важнейших условий при проектировании морских сооружений для арктического региона. Фундамент конструкций должен быть достаточно устойчив, чтобы противодействовать внешним нагрузкам на сооружение. Комплексное понимание характеристик грунтов, фактора неопределённости и изменений, происходящих при возникновении непредвиденных обстоятельств, должны учитываться в техническом задании на проектирование. Наличие вечной мерзлоты является ещё одним существенным фактором риска, который следует учесть в ходе проектных работ.

Воздействие ледовой массы и создаваемая в результате нагрузка – первая проблема, с которой сталкиваются компании в ходе строительства объектов в арктических условиях. Зимой движение и нарастание льда (до двух метров) приводит к образованию массивных ледяных структур: торосов и прибрежных навалов льда. Некоторые из таких структур могут пережить летний период таяния и образовать двухлетний, и даже многолетний лёд. Исследователи не так давно зафиксировали факт наличия многолетнего льда с вросшими торосами толщиной более 20 м.

Размер сооружений, предназначенных для работы в Арктике, а также удалённость от действующей инфраструктуры и суровые климатические условия чрезвычайно осложняют монтаж сооружений, превращая его в достаточно сложную инженерную задачу. Транспортировка конструкций со стройплощадки, расположенной за тысячи километров, в Арктику – это дорогостоящая транспортная операция, требующая особого внимания к управлению рисками, связанными с работами в открытом океане в удалении от портов укрытия. Перемещение сооружений и все строительно-монтажные работы на месте реализации проекта необходимо выполнить до наступления ледового сезона.

Первые навыки добычи углеводородного сырья в ледовых условиях были получены концерном Shell в заливе Кука (южная Аляска). Хотя этот район и не является арктическим регионом, в течение трёх-четырёх месяцев в году здесь сохраняются ледовые условия. Первый опыт круглогодичной эксплуатации сооружений в заливе Кука был приобретён в 1964 г., когда концерн Shell установил на мелководье платформу А.

С тех пор здесь были размещены ещё 15 платформ, при создании которых использовались ранее применявшиеся в Мексиканском заливе технологии строительства из обыкновенных металлоконструкций. Многие технические решения были адаптированы к суровым климатическим условиям Аляски. В частности, были модифицированы трубчатые опоры и раскосы: диаметр опор был значительно увеличен, чтобы они могли охватить скважины и защитить их от прямого столкновения со льдом. Опыт, полученный концерном в заливе Кука, свидетельствует о способности нефтегазодобывающей промышленности развивать технологии, приспосабливая их к новым условиям, проектировать экономичные конструкции, способные противостоять стихии, сохраняя работоспособность даже за пределами срока эксплуатации сооружения.

Опыт, накопленный нефтегазовыми компаниями в 1970 и 1980-гг. на Аляске в море Бофорта, был получен главным образом в условиях мелководья с минимальной угрозой воздействия на объекты многолетнего льда. Как в канадском, так и американском секторах моря в качестве временных платформ для разведочного бурения широко использовались искусственные острова. Один из них (о. Сил) затем был переоборудован для ведения добычи и переименован в Нордстар (на нём до сих пор силами компании BP ведётся разработка углеводородного сырья). Максимальная глубина моря под построенным в 1985 г. искусственным островом в американском секторе моря Бофорта составляет 49 ф (приблизительно 15 м). Строительство и эксплуатация острова позволили получить бесценный опыт организации работ, наблюдения и прогнозирования ледовой обстановки на шельфе Арктики.

В дополнение к наработкам, приобретённым в ходе сооружения искусственных островов, использование мобильных буровых платформ (таких как SDC и Molikpaq) позволили концерну Shell расширить горизонты своей компетенции в области строительства морских сооружений в суровых климатических условиях с периодическим воздействием многолетнего льда. И SDC, и Molikpaq изначально были построены для эксплуатации в канадском секторе моря Бофорта. Затем SDC использовалась также и для бурения нескольких скважин в американском секторе этого моря. Столкновения с многолетним льдом происходили, начиная с момента строительства этих платформ. Такие случаи – источник надёжных фактических данных, позволяющих понять, как следует проектировать сооружения, способные противостоять такому льду. Несколько скважин были пробурены в федеральных водах Аляски ещё одной мобильной буровой установкой CIDS.

Разработка месторождений на шельфе острова Сахалин также позволила изучить воздействие льда на морские сооружения. Molikpaq и CIDS были отбуксированы из моря Бофорта и модифицированы для использования в качестве платформ для добычи углеводородного сырья на Дальнем Востоке России. Сахалинский проект, в котором участвует Shell, позволил получить ценный опыт, который может быть использован и в условиях Арктики.

Единый стандарт

Создание нормативов и стандартов строительства в арктических условиях вплоть до настоящего времени остаются в компетенции отдельных государств. Принятые в разных странах нормы существенно отличались друг от друга. Но в 2002 г. предприятия отрасли, государственные органы стандартизации и научно-исследовательские учреждения под эгидой Международной организации по стандартизации (ISO) совместно подготовили документ, в соответствии с которым можно проводить оценку вариантов и выполнять проектные работы по созданию различных объектов, предназначенных для работы в Арктике. Данный стандарт ISO для морских сооружений (ISO 19906 – Проектирование морских арктических сооружений) был опубликован в декабре 2010 г. В его разработке участвовали многие ведущие международные эксперты. В ISO 19906 объединены опыт и лучшие практические наработки предприятий отрасли. Документ аккумулировал в себе заключения и концепции ведущих экспертов. В настоящее время он принят во многих странах мира, в которых освоение шельфовых месторождений может быть осложнено наличием ледовых условий.

Нефтегазодобывающая промышленность работает сегодня в тесном контакте с вузами, научно-исследовательскими учреждениями, подрядчиками и органами государственной власти с целью выработки инструментария для проектирования безопасных морских платформ. Цель выполняемых в отрасли исследований в области взаимодействия льда и конструкций состоит в выработке консервативных подходов к расчётам общей и местной ледовой нагрузки на сооружение. Многое, если не всё, из уже полученных наукой и промышленностью знаний, стало частью стандарта ISO 19906. Подобные исследования включают в себя аналитические методы, такие как цифровое моделирование решений уравнений в замкнутом виде и физическое моделирование взаимодействия между льдом и сооружением. Конструкции должны быть спроектированы так, чтобы они были достаточно прочными для передачи нагрузок с внешней поверхности, контактирующей со льдом, к основанию сооружения без повреждения самой платформы или установленного на ней оборудования.

Проверка физической модели – важный инструмент, используемый инженерами для оценки естественных взаимодействий между льдом и сооружением. Влияние образования навалов льда перед объектом и очистку ото льда пространства вокруг него трудно смоделировать при помощи аналитических и цифровых методов. Проверка на масштабных моделях может оказать существенную помощь при исследовании данного элемента конструктивной надёжности платформ. Общие нагрузки на сооружение поддаются измерению и сравнению с результатами теоретических методик расчётов. Влияние масштаба может быть велико, поэтому характеристики льда должны быть точно определены, чтобы смоделировать ту ледовую обстановку, которая наблюдается в полном масштабе в природе. Наблюдения за взаимодействием льда с мостами, судами, искусственными островами также используются для проверки репрезентативности метода масштабного моделирования естественных процессов.

В качестве возможных вариантов для применения в море Бофорта и Чукотском море обычно рассматриваются два типа гравитационных сооружений. Конструкции вертикальной формы предназначены для сопротивления прямой ледовой нагрузке при движении льда вокруг сооружения. Применение таких конструкций считается практичным и экономичным решением в целом ряде регионов в ледовых условиях. Величина общей ледовой нагрузки на объект, создаваемой при столкновении с толстым слоем многолетнего льда может превышать 100 тыс. т для типового сооружения с размерами по ватерлинии от 80 до 100 м. Нагрузкам такого масштаба могут противостоять только фундаменты, установленные на прочном грунте или грунте с изменёнными характеристиками. Конструкции угловых (конусных) форм позволяют сократить нагрузки на сооружение, особенно в условиях мягких грунтов. При движении льда вокруг конструкции конических форм разрушение льда происходит на изгибе. Основное преимущество конструкций данного вида в том, что лёд разрушается быстрее, чем при смятии (столкновении). Большинство специалистов согласны, что конструкции угловых форм позволяют снизить общие ледовые нагрузки на сооружение на два порядка и более по сравнению с конструкциями вертикальных форм.