Геотехнический подход при разработке глубоководных месторождений

В разработке глубоководных месторождений большое значение имеют исследования глубоководных грунтов и проектирование основания

ЛУННЕТ., ШЕТНЕК. Норвежский геотехнический институт, Норвегия

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во многих регионах ведется обустройство нефтегазовых месторождений при глубинах моря свыше 500 м.

В связи с тенденцией к разработке глубоководных месторождений важное значение приобретают все аспекты, учитывающие механику грунтов и проектирование оснований: исследования грунтов, проектирование стационарных и плавучих оснований, взаимодействие между трубопроводом и грунтом, оценка природных рисков, а также измерительная аппаратура и мониторинг.

В данной статье дается представление о значении механики грунтов и геотехнического проектирования в связи с обустройством глубоководных месторождений. Приводятся примеры из проектов, в которых участвовала или участвует представляемая авторами организация. Это, в основном, Северное море, но также и другие регионы мира. Особое внимание уделяется аспектам геотехнического проектирования, которые имеют свои особенности при глубоководных проектах.

Исследования грунтов

Особой проблемой при глубоководных работах является тот факт, что грунты здесь зачастую очень слабые. Взять пробы ненарушенного сложения трудно из-за технических проблем, связанных с работой оборудования на больших глубинах, а также и потому, что при поднятии проб с большой глубины происходит значительное снятие напряжений в грунте. Этот эффект особенно сильно выражен, если в осадках содержится газ. Даже небольшое количество газа, растворенного в поровой воде, из-за падения напряжения освобождается из раствора, расширяется и вызывает нарушения в пробе.

В результате лабораторных исследований проб с подобными нарушениями можно получить параметры, которые совершенно не дают представления о состоянии грунта в условиях естественного залегания. В Норвежском Геотехническом Институте была осуществлена научная программа, предметом которой стало исследование эффекта снятия напряжений в пробах, содержащих газ. Пробоотбор донных грунтов был смоделирован в лабораторных условиях. Проводилась серия испытаний проб текучей (текучепластичной) глины, в поровой жидкости которых растворялось различное количество газа при полном напряжении, соответствующем глубине моря 1500 м. Опыт показал, что содержание газа в весьма значительной степени влияет на результаты тестов. Даже если содержание газа в поровой жидкости пробы всего 67% при глубине отбора 1500 м, прочность грунта, получаемая в лабораторных условиях, составляет только 75% от прочности пробы, не содержащей газ. Подробное описание проведенных тестов и полученных результатов можно прочитать в статье Lunne и др., 2001 г.

При пробоотборе с больших глубин поднятие проб занимает довольно много времени, и когда проба исследуется в полевой лаборатории, признаков газа может уже не быть. Поэтому иногда бывает невозможно определить, является ли низкое значение сопротивления сдвигу, измеренное в лаборатории, следствием присутствия газа в грунте РОИ нет. В Норвежском Геотехническом Институте разработан так называемый Глубоководный Газовый Зонд (ГГЗ), с помощью которого можно определять in situ количество газа, растворенного в поровой жидкости (Mokkelbost and Strandvik, 1999). Если содержание газа определено заблаговременно, можно соответствующим образом подготовиться к тестированию проб в лаборатории, когда они будут подняты. Результаты испытаний ГГЗЭ проведенных на глубоководном шельфе Норвегии показывают, что присутствует некоторое количество растворенного газа. С помощью ГГЗ возможно также измерять температуру in situ. На глубине воды 966 м температура у дна равна -1°С. От промерзания грунт спасает то обстоятельство, что содержание соли в поровой жидкости составляет около 30 г/л.

Исследования грунтов традиционно включают испытания в условиях естественного залегания (в массиве) и пробоотбор с последующими лабораторными измерениями. Как уже говорилось выше, при отборе проб с больших глубин влияние нарушений структуры грунта в пробе может очень серьезно сказываться на результатах анализов. Следовательно, при глубоководных исследованиях необходимо полагаться в большей степени на результаты испытаний in situ, чем при работе в мелких водах. До сих пор в методах морских испытаний in situ преобладает метод СРТ (Lunne, 2001). В Австралии был разработан новый механизм для испытаний грунтов в массиве - так называемая Т-штанга (Randolph и др., 1998). На самом деле Т-штанга - это модифицированный конический пенетрометр, перпендикулярно к которому жестко прикреплена стальная балка. Эта цилиндрическая штанга имеет длину 200 мм при диаметре 400 мм, что дает площадь внедрения 100 см². С этим инструментом можно получать более точные показания по сравнению со стандартным СРТ по двум причинам:

- площадь в 10 раз больше, чем у стандартного пенетрометра (10 см);

- давление воды действует вокруг штанги таким образом, что измерения показывают практически перепад давления, за исключением 10 см стержня, где значения очень малы.

В настоящее время исследования продолжаются в рамках совместной программы НГИ и Центра Морских Сооружений, Австралия. Их целью является разработка рекомендаций по интерпретации результатов испытаний Т-штангой применительно к параметрам глубоководных грунтов.

Основания сооружений

В глубоководных регионах свайные и гравитационные основания уступают место новым и более легким сооружениям, смелым и экономичным по своему решению. Частично благодаря достижениям геотехники удачной альтернативой стали кессонные основания и анкеры. Эти основания являются более экономичными в производстве, требуют меньше времени и оборудования при установке, более простых геотехнических решений и конструктивного проектирования, их легче позиционировать с большой точностью. Конструкции с такими основаниями можно использовать повторно. Кессонные основания можно применять на всех типах грунтов и для стационарных и для плавучих платформ. В настоящее время более 300 свай всасывающего типа используются в постоянных швартовных системах по всему миру.

Геотехнические расчеты для кессонных оснований включают анализ пенетрации оболочки кессона, несущей способности, упругости и деформации грунта. Методика расчетов постепенно совершенствовалась и сейчас хорошо разработана (Andersen and Jostad. 1999).

Аналитические исследования показали, что максимальная удерживающая способность анкера заданной геометрии достигается тогда, когда точка приложения нагрузки и силы противодействия грунта сбалансированы таким образом, что анкер поддается без какого-либо вращательного движения.

Для всасывающих анкеров глубина воды не имеет ограничений. Они были установлены в Мексиканском Заливе на глубине 2500 м. Всасывающие анкеры могут быть установлены с помощью судна-крана или погружены с кормы специального буксира (Sparrevik, 2002). Необходимое для установки всасывающих анкеров оборудование основано на стандартных ROV технологиях с теми же ограничениями по глубине. В мягких глинах скорость пенетрации может достигать 20 м в час без каких-либо значительных воздействий. На самом деле фактором, ограничивающим скорость пенетрации. является нагнетательная способность насоса.

Разреженное давление (всасывание), образуемое во время откачки насосом (пенетрация всасывания), - это разница давлений внутри и снаружи анкера. Величина его ограничена абсолютным нулем (вакуумом) внутри. Таким образом, гидростатическое давление снаружи (или давление воды) создает окончательный предел для максимальной разрядки давления, применяемой при пенетрации. Обычно при морских работах давление воды не является фактором, ограничивающим возможную глубину пенетрации; это, скорее, определяется смятием или разрушением грунтовой пробки внутри анкера. Сила всасывания, необходимая для полной пенетрации, определяется сопротивлением пенетрации и весом анкера. Нужно особо отметить, что при расчете «допустимого» всасывания нужно также учитывать структурное сопротивление вспучиванию.

В мягких глинах сопротивление пенетрации обычно будет линейно возрастать с глубиной, и всасывание внутри анкера увеличивается с глубиной. На площадке с однородным составом, где фактическое сопротивление пенетрации для всех установленных анкеров очень мало отличается. Внутреннее давление меняется (разреженное при всасывании) для анкеров, установленных на площадке, где морское дно сложено ледниковыми переуплотненными глинистыми отложениями, эродированными и переработанными айсбергами, с мягкими осадками в кровле. Как показывают результаты СРТ, сопротивление сдвигу у различных геологических слоев очень разное. На этой площадке было решено использовать анкеры различной длины для того, чтобы обеспечить необходимую пенетрацию. Тем не менее, прогнозируемое значение разреженного давления, необходимого для достижения требуемой пенетрации анкеров, очень хорошо соответствует тому, что наблюдалось в реальности.

В технологии всасывающих анкеров могут также заключаться интересные решения для других гидротехнических конструкций, таких, как основания донных рам, основания плавучих шахтных вышек, предварительная установка кондукторов и поддержка пролетных участков трубопроводов.

Материалы международной конференции "Нефть и газ арктического шельфа - 2004"