Способ и устройство защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей

Бухарицин П.И., Беззубиков Л.Г., Астраханский государственный технический университет

11 августа 2008 г. Роспатентом РФ принято Решение о выдаче патента на полезную модель "Устройство для защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей".

Основные закономерности формирования ледяного покрова северной части Каспийского моря

Каспийское море относится к частично замерзающим морям, причем мелководная северная часть моря замерзает ежегодно. В средней части моря лед появляется вдоль побережий лишь в суровые зимы, в южной части моря льда не бывает.

Ледовый период на Северном Каспии продолжается обычно с ноября по март. В отдельные годы, в зависимости от суровости конкретной зимы, начало и окончание ледового периода сдви­гаются на месяц раньше или позже средних многолетних дат. Гидрометеорологические особенности Северного Каспия обусловливают более устойчивое льдообразование в восточных районах акватории по сравнению с западными, что проявляется в различии сроков наступления ледовых фаз и характере развития ле­дяного покрова в этих районах, расположенных в близких географических широтах.

Неподвижный лед в Каспийском море не является клас­сическим припаем, представляющим собой сплошной ледяной покров, при­мерзающий к берегу и сохраняющийся в течение всей зимы. На Северном Каспии частичный взлом припая наблюдается ежегодно, а в северо-западных районах моря - в среднем каждую третью зиму припай взламы­вается и устанавливается вновь от берега до видимою горизонта 4 - 10 раз и более за сезон. В центральных районах Северного Каспия (Гурьевская бороздина) отдельные участки припая подвержены взлому, подвижкам и торошению даже в середине зимы. Не менее подвержена динамическим деформациям прикромочная зона припая в районах Кулалинской и Жем­чужных банок. Многократный взлом припая, его подвижки, торошение и последующее смерзание приводят здесь к образованию мощных торо­систых образований.

Особое место в формировании и установлении ледяного покрова на Северном Каспии принадлежит дрейфу льда. В целом характер дрейфа льда отличается сложностью, обусловленной малыми глубинами, особен­ностями рельефа дна, ветровым режимом, влиянием стоковых течений и колебаний уровня моря.

Процесс разрушения ледяного покрова и очищения ото льда на Северном Каспии весной протекает в направлении, обратном льдообразованию, - с юга на север. Сроки его начала, и интенсивность разрушения льда зависят от ледовитости моря к концу зимы, и совокупности воздействующих на лед гидрометеорологических факторов: ветра, волнения, сгонно-нагонных колебаний уровня, течений, температуры воды и воздуха.

Сплоченные льды в северной части Каспия (7 баллов и более) вызывают серьезные затруднения при осуществлении зимних плаваний в этом районе моря. Навигационная обстановка осложняется еще и тем, что ледяной покров динамичен и положение кромки сплоченных льдов весьма изменчиво в пространстве и времени. Главными факторами, влияющими на положение кромки льдов, являются направление и скорость ветра.

Даты наступления основных ледовых фаз по пунктам Северного Каспия приведены в таблицах.

Основные ледовые фазы по пунктам дельты Волги и Северного Каспия

 

 

Пункты

Самые ранние даты первого появления льда

Средние даты первого появления льда

Самые поздние даты появления льда

Даты появления льда зимой 2003/2004гг

Астрахань

10.11

06.12

18.01

09.01

о.Искусственный

18.10

20.12

18.12

03.02

Брянская коса

29.11

01.12

20.02

н/с

о.Чечень

14.11

24.12

28.02

н/с

о.Чистая Банка

18.10

17.11

20.12

10.01

о.Укатный

30.10

15.11

03.12

н/с

о.Тюлений

05.11

08.12

3.01

н/б

о.Кулалы

09.11

25.12

08.02

03.02

о.З-В Шалыга

01.11

17.11

26.11

н/с

Атырау

29.10

19.11

18.12

03.12

о.Пешной

18.10

11.11

16.12

01.12

Жилая Коса

08.10

12.11

30.12

н/с

 

 

 

Пункты

Самые ранние даты очищения ото льда

Средние многолетние даты очищения ото льда

Самые поздние даты очищения ото льда

Даты  очищения ото льда зимой  2003/ 2004гг

Среднее число дней со льдом

Астрахань

23.02

22.03

18.04

05.03

97

о.Искусственный

02.03

21.03

08.04

25.03

106

Брянская коса

25.02

19.03

04.04

н/с

108

о.Чечень

29.01

-

11.04

н/с

-

о.Чистая Банка

03.03

28.03

16.04

н/с

99

о.Укатный

09.03

01.04

22.04

н/с

125

о.Тюлений

14.02

17.03

11.04

н/б

66

о.Кулалы

10.02

17.03

12.04

20.03

67

о.З-В Шалыга

22.03

06.04

21.04

н/с

133

Атырау

14.03

02.04

19.04

н/с

120

о.Пешной

08.03

01.04

20.04

02.04

140

Жилая Коса

02.04

14.04

16.04

н/с

150


Примечание: н/с - нет сведений; н/б - не было; «-» - не установлено.

Наблюдения, выполняемые на морских гидрометеорологических станциях, дают сведения о толщине ровного льда естественного нарастания, так как участки, выбираемые для таких наблюдений, согласно действующему наставлению по производству гидрологических наблюдений на морских станциях и постах, «... должны располагаться в пределах припая и по возможности в таких местах, где не происходило бы наслоения и торошения льда».

Максимальная толщина ровного льда естественного нарастания на Север­ном Каспии наблюдается в январе - феврале и даже в очень суровые зимы, как правило, не превышает 60 см в северо-западной части моря и 90 см в северо-восточной.

Основными динамическими факторами, формирующими ледяной покров Северного Каспия, являются ветер, течения и колебания уровня. Существенное влияние на характер процессов торошения оказывают также мелководность, извилистость береговой черты и довольно сложный рельеф дна с большим количеством банок, кос и островов. Все это обусловливает особенности динамики льдов Северного Каспия, которые отличаются от аналогичных процессов, происходящих на других ледовитых морях России.

В начальный период формирования ледяного покрова на морском мелководье, когда граница молодых льдов распространяется от берега до глубин 2-3 м, наряду с характерными для всех ледовитых морей зубчато-наслоенными льдами во время подвижек и торошения льда образуются торосы, сидящие на мели, - стамухи. Перечисленные выше факторы существенно влияют на размеры и места их расположения, поэтому различают стамухи по времени и месту их появления, а также по виду льда, из которого они образуются. Характерной особенностью неподвижных стамух, позволяющей отличать их от движущихся вместе с дрейфующим льдом торосов, является образование т.н. «водяной тени» с их подветренной стороны во время ледовых подвижек.

Ввиду того, что зимой наряду с процессами льдообразования на Северном Каспии постоянно происходят противоположные процессы разрушения льда, для зоны контакта припая с дрейфующими льдами характерны ее сезонные смещения. Образованию торосов на границе припая и дрейфующего льда помимо тангенциального напряжения ветра способствуют подъемы уровня при нагонах. При этом образуются мощные гряды торосов длиной в несколько километров и высотой 2 м и более, расположенные перпендикулярно направлению господствующих ветров. При очередном смещении границы припая и дрейфующих льдов возникает новая гряда торосов, параллельная образовавшимся ранее, в результате чего образуется пояс торосов, подобно торосистым образованиям, наблюдаемым на дрейфоразделах арктических морей.

Сжимающие и касательные усилия, возникающие во время контакта льдин, приводят к ломке льда и образованию на их краях торосов. Различают приливное, термическое и ветровое торошение. Приливное торошение на Северном Каспии практически отсутствует, т.к. приливно-отливные колебания уровня здесь не превышают точности измерения. Термическое торошение имеет место в суровые зимы в зоне припая, однако существенного влияния на общую картину торосистости оно не оказывает. Наиболее характерным для Северного Каспия является ветровое торошение, которому способствуют подледные течения и сгонно-нагонные колебания уровня моря. Максимальная торосистость, при всех типах зим, отмечается в зоне контакта припая и дрейфующего льда.

Для прибрежных мелководий Северного Каспия с ровным и пологим дном характерна такая форма донного рельефа, как следы выпахивания или борозды. Впервые они были описаны Б.И. Кошечкиным (1958). Они имеют вид длинных, часто прямолинейных борозд протяженностью от нескольких десятков метров до нескольких километров. Борозды образуются при воздействии на дно торосистых дрейфующих льдов, ориентированы в направлении преобладающих в эти периоды восточных, юго-восточных и северо-западных ветров и представляют собой как бы проведенные по дну векторы дрейфа льда. Ширина борозд колеблется от нескольких до 50-100 м и более. Все борозды оканчиваются валами, образованными выпаханным грунтом. Высота некоторых превышает глубину моря, и они выходят на дневную поверхность в виде островков.

Продолжительность существования борозд в илистых грунтах составляет 2-3 года, в песчаном грунте борозды замываются волнением в течение одного сезона.

Выпахивающее действие дрейфующих льдов характерно также для береговой зоны. Во время нагонов дрейфующие с моря льды, попадая на сушу, выпахивают верхний слой почвы, оставляя следы выпахивания глубиной до 0,5 м и длиной до нескольких километров. На островах Северного Каспия во время интенсивного дрейфа льда вдоль берега образуются мощные навалы льда. Обломки льдин, проникающие при этом в грунт на глубину до 1 метра, сохраняются до конца мая. Известен случай, когда в районе устьевого взморья Волги на одном из островов дрейфующим с моря льдом был сдвинут с фундамента жилой дом.

При посадке торосов на грунт происходит дальнейшее накопление масс льда в результате торошения под воздействием подвижек и дрейфа льда. В результате стамухи могут внедряться в грунт на глубину до нескольких метров. Глубина их проникновения в грунт зависит от физико-механических свойств грунта, массы стамухи, площади соприкосновения, глубины моря.

Поскольку ледовому выпахиванию (взаимодействию дрейфующих льдов с морским дном) подвержены мелководные участки морского дна более чем на 50% площади Северного Каспия (свыше 200 квадратных километров), можно утверждать, что эти процессы имеют массовый (хотя и сезонный) характер, и потому играют важную роль в экологии данного водоема. Наряду с чисто механическим перемещением огромных масс донного грунта происходит угнетение донной, островной и прибрежной растительности и организмов.

Как видим, Каспийское море относится к морям с сезонным ледяным покровом и отличается большим разнообразием ледовых процессов. Являясь серьезным естественным препятствием в осуществлении хозяйственной деятельности человека на море (судоходстве, рыбном и тюленьем промыслах, поисковых нефтеразведочных работах на шельфе Северного Каспия) ледяной покров значительно ограничивает их деятельность, создает реальную угрозу их безопасности.

Необходимость и актуальность исследований ледяного покрова заключается еще и в том, что характер и интенсивность ледовых процессов в море существенно изменились в связи с произошедшим в течение последних 30 лет (с 1978 г.) повышением уровня моря более чем на 2 метра. К сожалению именно в эти годы, в связи с распадом СССР научные программы, в том числе и по исследованию каспийских льдов, были свернуты, а затем и вовсе прекращены.

Проводимые в последнее время Россией и Казахстаном в мелководной северной части Каспийского моря (в том числе и в зимний период) работы по поиску углеводородов побудили ученых к международному сотрудничеству в изучении современных зимних гидрологических и ледовых процессов в Северном Каспии.

Первоначально объектами для исследований послужили затопленные на мелководье старые корабли, которые раньше использовались в качестве мишеней для ракет.

Задача исследований - оценка характера и интенсивности взаимодействия дрейфующих льдов с неподвижной, вертикально расположенной преградой. Корабли расположены в море на глубинах 5-6 метров и на расстоянии от берега от 10 до 50 километров.

Эпизодические подвижки и интенсивный дрейф льда под воздействием штормовых ветров преобладающих в это время года западного и восточного направлений, а также сгонно-нагонные колебания уровня моря способствуют образованию мощных торосов. Вокруг затопленных кораблей образуются сплошные торосистые поля, а вдоль их бортов - гигантские многослойные навалы из обломков льдин, высота которых составляла от 3-6 до 15 метров над уровнем моря, а их подводные основания достигали дна, образуя торосистые образования, сидящие на грунте - стамухи.

Полученные результаты ледовых исследований были использованы в 1999 г. в Астрахани, где для нужд казахской компании ОКИОК (Оффшор Казахстан Интернешил Оперейтинг Компани), была осуществлена реконструкция типовой погружной буровой баржи, которая была специально адаптирована для работы в условиях дрейфующих льдов Северо-Восточного Каспия.


Подводное основание и борта баржи были модифицированы таким образом, чтобы противостоять ледовым нагрузкам, которые изучались и анализировались на протяжении пяти лет. Проводилось компьютерное моделирование. В результате расчетов площадь баржи была увеличена вдвое, добавлены специальные ледовые отражатели с обеих сторон баржи. На месте постановки баржи в море, с обеих сторон от баржи, предусмотрена установка системы мощных металлических свай (глубина заглубления в морское дно до 20 м), назначение которых - сдерживание натиска дрейфующих льдов и активизация процессов торосообразования вокруг платформы.

Известно устройство для защиты буровой платформы от воздействия дрейфующих льдов [см. Karl-Ulrich Evers, Walter Spring ... Ice mjdel testing of an exploration platform for shallow waters in the North Caspian sea // 16th International Conference on Port and Ocean Engineering under Frctic Conditions "Ice Engineering Applied to Offshore Regions" (Fugust 12-17, 2001 Ottawa, Ontario, Canada) 2001, pp. 255-264.].

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения считается устройство для защиты буровой платформы от дрейфующих льдов с помощью ледостойких барж «Ледовый защитник», которые специально затапливаются по периметру вокруг буровой платформы (Расенко А. «Кайсар» это ледовый защитник // газета «Астраханские известия», 22.01.2004). Основное предназначение этих ледостойких барж - заграждение буровых объектов от ледяных торосов. Достигается защита буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей, созданием перед буровым объектом в ледовый период торосов, сидящих на грунте.

Нельзя не сказать о том, что при всех многочисленных достоинствах барж «Кайсар», использование данного устройства все-таки не гарантирует абсолютной защиты буровых объектов от воздействия дрейфующих льдов.

Так, в феврале 2002 г., под воздействием штормовых ветров преимущественно западных румбов происходило увеличение сплоченности плавучих льдов в районе Гурьевской бороздины, их интенсивная подвижка, торошение и образование стамух, которое сопровождалось повышением уровня моря, вызванного ветровым нагоном. Это опасное природное явление едва не стало причиной серьезной аварии на казахской буровой платформе «Сункар». Одна из четырех барж типа «Ледовый защитник», специально построенных и затопленных вокруг буровой платформы с целью ее защиты от опасного воздействия дрейфующих льдов, была сдвинута движущимся льдом с места и переместилась по дну на расстояние 120 м. Лишь по счастливой случайности на пути баржи не оказалась буровая платформа.

В настоящее время в Астрахани в стадии завершения реконструкции находится первая ледостойкая буровая платформа, с помощью которой в ближайшее время российская компания «ЛУКОЙЛ» начнет промышленное освоение морских месторождений российского сектора Северного Каспия.

Устройство для защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей

Предлагаемая авторами полезная модель относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности, к защите буровых объектов от разрушения при эксплуатации в море, на Северном Каспии, в ледовых условиях.

Техническим результатом предлагаемого устройства является дальнейшее усовершенствование устройств защиты от разрушения буровых объектов морской разведки и добычи.

Предлагаемое устройство решает задачу защиты от разрушения буровых объектов морской разведки и добычи. Оно содержит: буровой объект 1; защитный барьер 2, состоящий из металлических щитов, установленных на дне водоема; винтовых свай 3. Также на схеме обозначена кольцевая стамуха - 4.

Устройство работает следующим образом: Вокруг бурового объекта устанавливают защитный барьер, обеспечивающий торошение ледяных полей, и закрепляют его четырьмя-шестью винтовыми сваями, которые обеспечивают надежную фиксацию защитного барьера на дне, углубляя их в грунт на 10 метров или более и инициируют образование кольцевой стамухи вокруг бурового объекта. Дрейфующие под действием ветра ледяные поля, встречают на своем пути защитный барьер, расположенный вокруг бурового объекта, и ломаются. Из-за частой смены направлений ветра при всех типах зим направление и скорость дрейфа льда в море также часто меняется, до 2-5 раз в сутки. Происходит торошение льда, при этом в результате многократной смены направлений ветра с учетом их повторяемости вокруг бурового объекта образуется кольцевой торос, сидящий на грунте, который в дальнейшем защищает его от сдвига и разрушения.

Одновременно решается еще одна очень важная проблема - обеспечение экологической безопасности вод Северного Каспия в результате возможных аварийных разливов нефти, поскольку кольцевая стамуха, образовавшаяся вокруг бурового объекта, обеспечивает надежную локализацию источника нефтяного (и любого другого) загрязнения, ограниченного внутренними размерами кольцевой стамухи. Ликвидировать же последствия загрязнения внутри кольцевой стамухи значительно проще, дешевле и безопаснее, чем в открытом море, покрытом дрейфующим, торосистым льдом.

Предлагаемая схема защиты буровых объектов в море достаточно эффективна в период льдообразования, дрейфа и торошения ледяных полей, обеспечивая их безопасную эксплуатацию.

11 августа 2008 г. Роспатентом РФ принято Решение о выдаче патента на полезную модель «Устройство для защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей». Авторы: Бухарицин П.И., Беззубиков Л.Г. (Заявка №2008130843\22(038297), дата подачи заявки 25.07.2008 г.).

Перейти к содержанию № 4(26) 2008

 

№ 4(26), 2008
Освоение океана и шельфа

Ледяной покров на Северном Каспии

Ледяной покров на Северном Каспии

Изучение современных зимних гидрологических и ледовых процессов в Северном Каспии

Изучение современных зимних гидрологических и ледовых процессов в Северном Каспии

Вокруг затопленных кораблей во время подвижек образуются мощные навалы льда

Вокруг затопленных кораблей во время подвижек образуются мощные навалы льда

Буровая платформа «Сункар» на Астраханской судоверфи

Буровая платформа «Сункар» на Астраханской судоверфи

Мощные навалы льда вокруг буровой платформы «Сункар»

Мощные навалы льда вокруг буровой платформы «Сункар»

Использование природных факторов при защите морской
акватории от возможных аварийных нефтяных разливов в ледовый период

Использование природных факторов при защите морской акватории от возможных аварийных нефтяных разливов в ледовый период

Устройство для защиты буровых объектов от разрушения 
при движении ледяных полей

Устройство для защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей

Нефть на льду

Нефть на льду