книги / Морская нефть. Развитие технологий освоения морских арктических месторождений нефти и газа

а в 1980 г. — только 20. Среднегодовое число айсбергов, пересекающих эту параллель (с 1900 г.), составляет 380. Методика точного прогнозирования чис­ ла проходящих айсбергов пока не разработана. В соответствии с программой IIP производится регистрация формы, размеров и географического положения айсбергов. Эти данные являются единственным источником информации о них.

Вследствие таяния айсбергов и перемещения их в более глубокие воды число айсбергов в южной и юго-западной части Большой Ныофаундленской банки меньше, чем в северной. Айсберги с массой погруженной части порядка 2 млн т могут дрейфовать в район Ныофаундленской банки, гигантские же айсберги (более 10 млн т) — не могут, так как их осадка превышает 90 м. Хотя в 1980 г., как уже упоминалось, число зарегистрированных айсбергов было невелико, в любой последующий год ситуация может измениться вследствие массового схода льда с ледников на западном побережье Гренландии.

Для предотвращения необходимости отсоединения буровых установок от морских стояков, через которые производится бурение, были разработаны методы регулирования движения айсбергов. В стадии разработки месторож­ дений эти методы могут быть применены для уменьшения времени простоев плавучих буровых установок или силы соударения айсбергов с массивными стационарными платформами. Можно выделить четыре этапа процесса регу­ лирования движения айсбергов: обнаружение айсбергов, прогнозирование тра­ ектории их движения, изучение возможностей буксировки и сама буксировка. До буксировки можно разрушить часть айсберга взрывами.

Главным методом обнаружения айсбергов остается визуальное наблюде­ ние. Кроме того, используется обычный морской локатор. В ясную погоду на­ блюдатель с высоты 18м может обнаружить средний или большой айсберг, находящийся на расстоянии 33 км. Однако в туман или ночью обнаружить айсберг трудно. Локатор надежно определяет небольшие и средние айсберги на расстоянии от 7 до 28 км. Поскольку морская вода отражает лучи локатора лучше, чем пресная или лед айсберга, при волнении моря работа локатора значительно ухудшается.

Район Большой Ныофаундленской банки расположен на границе между теп­ лым и холодным течениями, поэтому здесь часты туманы. Особенно большую опасность они представляют весной, когда через этот район проходит наиболь­ шее количество айсбергов. Кроме того, весной наблюдаются сильные штормы.

Возможно также для обнаружения айсбергов использовать специаль­ ные радиолокаторы типа SAR, смонтированные на спутниках или самолетах. Это эффективный, хотя и дорогостоящий метод обнаружения и слежения за движением ледяных полей и отдельных айсбергов. Для этих же целей могут использоваться также сонары, специальные телевизионные системы LLTV

и детекторы инфракрасного излучения. Последние два метода обеспечивают обнаружение и слежение за айсбергами и в ночное время, однако эффектив­ ность их резко снижается в туманную или дождливую погоду. Эффективность обнаружения небольших айсбергов сонаром резко снижается при волнении на море. Возможна установка датчиков сонара на дне моря вокруг района раз­ работки месторождений с тем, чтобы использовать их для срочной сигнали­ зации о появлении айсбергов. В этом случае на эффективность работы сонара не будут оказывать влияния волны на поверхности моря и тепловые эффекты. Для исключения появления искажений на экране локаторов возможно исполь­ зование вычислительной техники в радиолокационной системе.

Айсберги в целом дрейфуют в одном направлении — от Гренландии к тече­ нию Гольфстрим. На расстоянии от 3,7 до 185 км траектории айсбергов могут быть весьма причудливыми, иногда они некоторое время даже стоят на месте. Сложные траектории объясняются причудливостью форм айсбергов, а также изменениями в скорости и направлении течений и ветра. Скорость и направле­ ние течений изменяются как по горизонтали, так и по вертикали. Относительно велико влияние ветра при скоростях его менее 46-56 км/ч, дующего в одном и том же направлении в течение нескольких часов. На траекторию движения айсберга влияют также колебания атмосферного давления.

Так как силы, действующие на айсберги, изменяются как в пространстве, так и во времени, точное прогнозирование их движения весьма затруднитель­ но.

Для защиты морских нефтепромысловых объектов может быть использо­ ван вероятный метод прогнозирования движения айсбергов, при котором учи­ тывается их начальное положение и скорость. Траектория движения опреде­ ляется эмпирически, в основном по первоначальному направлению движения. Если нефтепромысловый объект расположен в пределах площади, где вероят­ ность появления айсбергов высока, рассматривают возможность буксировки айсбергов. Если буксировка невозможна из-за отсутствия буксиров или небла­ гоприятных погодных условий, буровая установка должна быть отсоединена от стояка и перебазирована на другое место.

Вплоть до 1980 г. изучение возможностей буксирования заключалось лишь в визуальном осмотре айсберга со всех сторон с целью определения его устой­ чивости и других параметров, связанных с буксировкой. Устанавливается так­ же наличие шугового льда, который может повредить винты судов, оснащен­ ных системами динамического позиционирования. В 1980 г. некоторые суда оснастили сонарами с целью измерения осадки айсбергов и их профиля. Эти измерения дают возможность лучше оценить форму айсберга, 90% которого обычно находится под водой.

Измерение осадки айсбергов дает возможность определить необходимую высоту монтирования противовыбросового устройства над дном моря. Если осадка айсберга такова, что остается запас в 4,5-9 м от дна моря, отсоеди­ нение буровой установки может быть осуществлено без выполнения доро­ гостоящей и длительной операции цементирования. Однако осадка больших айсбергов настолько велика, что для защиты оборудования устья скважины, смонтированной ниже уровня моря, операция цементирования должна быть проведена обязательно. После прохода айсберга для осуществления повтор­ ного ввода инструмента в скважину требуется также затратить много времени.

Буксировка айсберга была впервые осуществлена в 1971 г., когда буксир «Перси М. Кросби» с тяговым усилием на швартовых 150 кН переместил на некоторое расстояние семь айсбергов массой от 80 до 300 тыс. т. Затем букси­ ровки айсбергов провели вблизи судна «Тайфун», с которого бурили скважину

упобережья Лабрадора.

Внастоящее время для буксировки айсбергов используются буксиры, приме­ няемые для перевозки якорей судов с большим водоизмещением. Эти же буксиры обычно используются для доставки различных материалов на морские нефте­ промысловые объекты. Такие буксиры развивают тяговое усилие 900-1200 кН.

Для буксировки айсбергов используют плавучие полипропиленовые тросы диаметром 300 мм и длиной около 1200 м. Трос присоединяют к лебедке бук­ сира, заводят вокруг айсберга — образуется петля. Петля не затягивается. Для размещения петли вокруг айсберга требуется примерно 45 мин, в зависимости от состояния моря и степени опытности бригады, обслуживающей буксирное судно. При волнах высотой более 3,5 м с видимостью менее 0,8 км операция по подготовке к буксировке не производится. Время буксировки составляет от 3 ч до 2 сут.

При необходимости буксировки айсбергов массой менее 300 тыс. т метод

сиспользованием лишь одного буксировочного троса представляется довольно рискованным, поскольку тяговое усилие буксира может привести к перевороту айсберга. Повторное протягивание троса связано с дополнительными затрата­ ми времени. Для предотвращения переворота айсберга тяговое усилие букси­ ров обычно ограничивается максимум 400 кН, что составляет Уъмаксимально возможного тягового усилия. Уменьшается и скорость буксировки.

Использование сетей и нескольких тросов нецелесообразно из-за тенденции их к запутыванию (хотя при использовании одного троса не исключена такая же опасность). Прямое закрепление буксирного троса не поверхности айсберга также представляет определенные трудности, особенно при волнении моря.

Идеальным решением может быть прямое закрепление буксирного троса под водой. В этом случае точка приложения тягового усилия находится ближе к центру

тяжести айсберга, в связи с чем уменьшается опасность его переворота Уменьша­ ется также зависимость процесса буксировки от состояния поверхности моря.

Начиная с 1979 г. фирма «Сапата марин сервис» осуществляет буксировку айсбергов в северной части моря Лабрадор, где в Девисовом проливе, в районе, получившем название Аллея айсбергов, ведет буровые работы фирма «Кантерра энерджи». Бурение здесь можно вести только с середины июля до середины октября, в период, когда температура воздуха поднимается до 4 °С. Затем на­ чинается постепенное понижение температуры до -35 °С, и работы прекраща­ ются из-за появления льдов.

В летний период течения относят паковые льды (из моря Баффина) и айс­ берга (от тающих ледников) к югу вдоль восточного побережья Баффиновой Земли. При этом паковые льды пересекают маршрут продвижения льдов, пере­ носимых течениями из Гудзонова пролива, в результате чего беспорядочно перемещающиеся ледовые массы (от небольших скоплений пакового льда до гигантских смерзшихся нагромождений массой более 1 млн т) оказываются в районе проведения буровых работ.

По свидетельству представителей фирмы «Сапата марин сервис», айсберг, дрейфуя вокруг буровой платформы, может перемещаться как по течению, так и в любом другом направлении. Некоторые айсберги настолько велики, что при глубине моря в данном районе 360 м задевают дно и застревают в какой либо точке.

В зависимости от размеров и силы ветра айсберги могут перемещаться со скоростью, достигающей нескольких узлов. В таких условиях необходима по­ стоянная бдительность, особенно если учесть, что в районе работ часто наблю­ даются густые туманы, снижающие видимость. Поэтому на платформах раз­ мещены специальные радарные установки, обеспечивающие круглосуточное наблюдение за передвижениями айсбергов в радиусе 40 км от буровой площадки.

Каждый айсберг, входящий в опасную зону вокруг платформы (в радиусе от 16 до 40 км), регистрируется, кроме того, его местоположение наносится на карту через каждые полчаса. Если ожидается, что айсберг больших раз­ меров должен пройти на расстоянии 5-9 км от платформы, фирма «Кантерра энерджи» вызывает соответствующие службы для того, чтобы отбуксировать его из опасной зоны.

Для буксировки обычно используют 102-милпиметровый трос длиной око­ ло 1200 м. Трос заводят вокруг айсберга, образуя петлю. Затем медленно уве­ личивают натяжение троса до тех пор, пока айсберг не начнет перемещаться в требуемом направлении. Иногда эта операция длится несколько часов.

Буксировку айсбергов и постоянный контроль за их перемещениями осу­ ществляют суда снабжения (буксировщики) ледового класса, принадлежащие фирме «Сапата марин сервис».

Для разрушения айсберга массой 200 тыс. т на достаточно мелкие обломки потребуется много взрывчатого вещества. Айсберги уже в течение многих лет используются в качестве целей при военных учениях. Установлено, что они характеризуются весьма большой стойкостью даже к крупным бомбам и снаря­ дам большого калибра. Ряд экспериментов, выполненных Меллором, Коваксом и Гнатиуком для ассоциации «Арктик петролеум оперэйторс», показал, что при подрыве каждого килограмма взрывчатки на поверхности айсберга получают около 2 м3 колотого льда. Для разрушения небольшого айсберга массой около 100 тыс. т потребуется свыше 50 т взрывчатки.

При использовании шпуров эффективность взрывных работ, безусловно, возрастает, однако практические испытания этого метода пока не проведены. Размещение зарядов на небольших и средних айсбергах может быть опасным ввиду возможности их переворота. Предложен струйный метод размещения зарядов. По мнению вышеупомянутых исследователей, подрыв полного льда айсбергов является такой же трудной задачей, как и подрыв скальных пород. Причины таких трудностей не выяснены; одной их них может быть поглощение энергии взрыва за счет фазовых изменений. Кроме того, образование трещин может уменьшаться при наличии небольших воздушных пузырей в массе льда.

Айсберги, нижняя часть которых цепляет гравийное или песчаное дно, об­ разуют на дне моря царапины довольно большой глубины в виде траншей (рис. 1.12) или щербин (рис. 1.13). Показанные на этих рисунках последствия прохождения айсбергов характерны для западной части Большой Ньюфаундленской банки.

Рисунок 1.12 — Царапины траншейного типа в западной части Ньюфаундлендской банки,

выявленные с помощью сонара. Траншеи имеют почти постоянную глубину и наклонное дно

Рисунок 1.13 — Царапина типа щербины в западной части Ньюфаундлендской банки

Процесс образования царапин лучше изучен у берегов Лабрадора, чем в районе Большой Ныофаундленской банки. Особо хорошо изучено дно в райо­ не банки Саглек у берегов Лабрадора. Непосредственно процесс образования царапин наблюдали лишь дважды — один раз в море Бофорта с помощью теле­ визионной камеры и один на банке Сатека с помощью сонара.

У берегов Лабрадора крупные траншеи имеют U-образную или V-образ- ную форму, их ширина 30-39 м, глубина 4,5 м, длина 1,6-3,2 км. По-видимому, на дне у берегов Лабрадора имеются траншеи и большего размера. Можно ожидать, что в северной части Ныофаундленской банки царапины будут в три раза меньше, чем у берега Лабрадора, так как здесь размер айсбергов в три раза меньше.

Предпринято несколько попыток, определить распределение глубины траншей и скоростей их образования. Главную трудность представляет опреде­ ление скоростей переноса придонных материалов.

В середине 80-х гг. XX в. практически все нефтяные компании, ведущие бурение в море Бофорта, для повышения достоверности и надежности опре­ деления ледовой обстановки пользуются данными новой радиолокационной станции с перестраиваемой апертурой (РЛСПА). В бортовой комплект входит РЛСПА с обрабатывающей, передающей, вычислительной и картографичес­ кой системами, предназначенными для получения карты ледовой обстановки.

Точная и своевременная информация о ледовой обстановке необходима для успешного безаварийного проведения буровых работ в море Бофорта. Однако получить эту информацию сложно. Прямые наблюдения с буровой платформы и вспомогательных судов хотя и полезны, но все же не дают полной картины

состояния льда в пределах всего района работ. Обычные морские радиолока­ ционные станции, устанавливаемые на судах, могут относительно детально оценить ледовую обстановку в радиусе не более 20 км, однако при этом нельзя отличить многолетний лед от однолетнего. Аэроиаблюдения и аэрофотографи­ рование с летательных аппаратов или спутников Земли подвержены искажени­ ям под влиянием погодных условий (тумана, осадков и т. п.). Аэроснимки, по­ лученные с помощью бортовой радиолокационной станции с перестраиваемой аппаратурой, практически лишены всех перечисленных недостатков, так как РЛСПА позволяет проводить съемку независимо от освещенности поверхнос­ ти и погодных условий. Кроме этого, по результатам съемки можно опреде­ лить возраст льда, его плотность и некоторые другие свойства. Таким образом, съемка с помощью РЛСПА является очень важным дополнением к уже сущест­ вующим способам ледовой разведки.

Мозаичными фотоизображениями пользуются почти все компании, об­ служивающие буровые платформы в морях Беринговом и Бофорта. Ледовую разведку выполняет компания «Интера текнолоджис». В исследовательском аэрокомплексе «Стар-1», предназначенном для работ как над морем, так и над сушей, использована РЛС с перестраиваемой апертурой типа SAR-580, создан­ ная в Мичиганском исследовательском институте. В течение 1984 г. с помощью комплекса «Стар-1» съемки проводились в районе Аппалачских гор.

РЛСПА позволяет получать мозаичные изображения, увязанные с коорди­ натной топографической сеткой. Эти снимки ежедневно передаются на буро­ вые платформы, находящиеся в море Бофорта.

Съемка проводится в ночное время с борта двухмоторного турбовинтового самолета «Кессна-Крнк-вест 441». Разведочные полеты продолжаются 4-5 ч. За это время удается покрыть сетью профилей площадь 208 тыс. км2. Средняя скорость полета составляет 480 км/ч, высота полета 10 тыс. м. Помимо радио­ локационной антенны самолет оборудован инерционной навигационной систе­ мой, позволяющей ориентироваться в пространстве. Радиолокационная антен­ на смонтирована под фюзеляжем. В кабине самолета установлены электронная аппаратура и вычислительное устройство. Бортовая станция позволяет регист­ рировать сигналы в цифровом коде со скоростью 1,4 Мбит/с. Непосредственно на борту полученная информация с помощью лазерной установки высокого разрешения фиксируется на термобумаге. Такая визуализация необходима для качественного контроля результатов съемки. Кроме того, во время съемки дан­ ные передаются по цифровому каналу связи на наземные приемные станции, находящиеся в радиусе 340 км.

Для обработки результатов съемки, сделанной в канадском секторе моря Бофорта, вся информация передается на приемную станцию в Тактояктуке,

откуда через 3 ч после окончания полета полученные фотоизображения пере­ правляются вертолетом на буровые.

Качество мозаичных фотоизображений намного выше, чем снимков, по­ лученных с помощью всех известных спутниковых систем радиолокационных станций бокового обзора.

Помимо изготовления мозаичных фотоизображений «Интера текнолоджис» дает сведения о возможном направлении и скорости движения ледовых полей, что крайне важно для прогноза ледовой обстановки, которая может очень быстро меняться и зависит от самых разных условий (времени года, на­ правления ветра и морских течений и пр.). Ледовый прогноз на двое-трое су­ ток осуществляется с помощью математического моделирования на ЭВМ. При увеличении срока точность прогноза существенно уменьшается.

В 80-е гг. проводились исследования по изучению характеристик зоны вечной мерзлоты в море Бофорта. Изучались количественные оценки физико­ химических свойств зоны вечной мерзлоты в море Бофорта и определялась их связь с температурой, типом осадков, содержанием льда и химическим со­ ставом. Эти дашше использовались для установления распределения вечной мерзлоты.

Вечномерзлые породы были встречены в четырех скважинах, пробуренных на месторождении Прадхо-Бей. Вечная мерзлота отсутствовала в верхних 30 м осадочных отложений до 17 км от побережья. Посредством экстраполяции от­ рицательных значений градиентов давлений и данных о химическом составе вод в поровом пространстве показано, что мощность зоны вечной мерзлоты на морском дне уменьшается с увеличением расстояния от берега и глубины моря.

Сильно уплотненные морские глины, встречающиеся к северу от острова Рейндир, вероятно, сформировались в процессе всей истории таяния и после­ дующего замерзания пород. Присутствие этих плотных глинистых отложений на дне моря оказывает большое влияние на проектирование строительства морских сооружений при разработке морских месторождений.

При бурении в канадской части моря Бофорта были выявлены зоны ано­ мально высоких пластовых давлений как на малых, так и на больших глубинах. Контроль пластового давления осложняется резкими изменениями градиента давления и присутствием несцементированных пород. Оптимальная глубина спуска обсадных колонн определялась также существованием вечной мерзло­ ты, газогидратными залежами, высоконапорными течениями пластовых вод в неглубоко залегающих пластах и присутствием пластических глин. При­ менялись существующие методы прогнозирования и выявления аномальных давлений. При этом эффективно использовалась методика, известная под на­

званием «допустимый выброс». Фирма «Доум петролеум» с 1977 г. ведет буре­ ние скважин в канадской части моря Бофорта в условиях допустимого выброса, обеспечивающего возможность контролировать приток из пласта, не допуская аварийного фонтанирования. По мере уменьшения давления допустимого вы­ броса устанавливается более жесткий контроль.

Чтобы снизить до минимума риск при бурении в море Бофорта, была раз­ работана методика работ при допустимом давлении выброса, которая применя­ лась в течение 1976-1981 гг. Благодаря этому постоянно встречаемые аномаль­ но высокие давления в этом районе не приводили к серьезным осложнениям.

Разработанная фирмой «Доум петролеум» технология выявления и контро­ ля аномальных давлений при бурении в трудных условиях моря Бофорта оказа­ лась успешной и обеспечила эффективный способ определения оптимальных глубин спуска обсадных колонн.

Всвязи с расширением нефтяных работ в северных водах особое внимание ученых было привлечено к арктической области низкого атмосферного давле­ ния, в которой могут зарождаться ветры ураганной силы.

Норвежская гидродинамическая лаборатория (НГЛ) и Управление метео­ рологии в настоящее время заняты реализацией проекта, конечная цель ко­ торого — разработка более надежных методов предсказания возникновения полярных циклонов.

Было тщательно изучено понижение атмосферного давления в Арктике зи­ мой. Для получения точных замеров пользовались специально оборудованным самолетом. Полеты, осуществлявшиеся из г. Кеблавика (Исландия) и г. Анденеса (Норвегия), позволили получить ценнейшие данные, которые помогут объяснить, как образуются полярные циклоны. Достоверность прогнозов будет, несомненно, иметь большое значение для обеспечения безопасности как лю­ дей, так и используемого оборудования.

Наблюдения за погодой, измерения периода и высоты волн, замеры тече­ ний показали, что воздействие окружающей среды на морские сооружения, рас­ положенные на шельфе у северного побережья Норвегии, не превысит нагруз­ ки, которые испытывают подобные конструкции в южной части Норвежского

иСеверного морей. Тем не менее известно, что погодные условия в северной

июжной частях этих морей значительно различаются. На севере чаще меняют­ ся направление и сила ветров, температура воздуха, как правило, ниже, эти области более подвержены разрушительным действиям полярных циклонов.

Врамках реализации проекта предстоит определить степень воздействия ветров и волн на морские сооружения. Изучением погодных условий занимает­ ся управление метеорологии, которое имеет базы в городах Осло и Тромсё, в то время как инженерные изыскания находятся в компетенции НГЛ (г. Онхейм).

Образование полярных циклонов обычно происходит зимой, когда массы холодного воздуха, продвигающегося с полюса над пространством, покрытым льдом, входят в соприкосновение со сравнительно теплыми массами чистой, свободной ото льда воды. Разница температур воздуха и воды (от 20 до 50 °С) вызывает обильное испарение, в результате чего в нижних слоях атмосферы скапливается огромное количество теплого воздуха. Это явление — первопри­ чина возникновения полярных циклонов. Наиболее мощные циклоны зарож­ даются в тех районах, где перепад температур достигает больших значений. Например, на краю паковых льдов или в океане — в зонах температурных во­ доразделов. К подобным районам относится северный сектор Баренцева моря, остров Шпицберген и восточное побережье Голландии. На формирование по­ лярных циклонов оказывают влияние и другие факторы: распределение тем­ ператур в верхних слоях атмосферы и скорость вращения масс воздуха в мо­ мент соприкосновения их с поверхностью моря. Вращение может возникнуть в результате столкновения масс воздуха с горными массивами, окружающими Норвежское море (острова Шпицберген, Гренландия и Исландия).

Сформировавшиеся полярные циклоны характеризуются сильными, быст­ ро меняющими свое направление ветрами. Сила ветра может в течение по­ лучаса возрасти от незначительной до ураганной. Образующиеся зоны низ­ кого давления являются причиной обильных снегопадов, что резко ухудшает видимость и создает трудности для судоходства и воздухоплавания. Обычно выпадение осадков продолжается в течение нескольких часов. При низкой температуре воздуха, сильном ветре и большом количестве морских брызг резко возрастает опасность обледенения судов. Давление атмосферного воз­ духа в период прохождения центральной зоны циклона резко падает, а затем быстро возрастает. Если зона низкого давления оказывается над поверхностью льда или сушей, она исчезает довольно быстро, но в открытом море может существовать от 12 до 72 ч.

Изучение волновых характеристик с помощью судна AMI в районе Тромсё показало, что полярные циклоны могут вызывать на море волнение особого вида. Они характеризуются тем, что высота волн увеличивается очень быстро, а резкое изменение направления ветра делает их перемещения хаотичными. Наибольшей высоты волны достигают во время длительных штормов, охваты­ вающих площадь гораздо более обширную, чем сами циклоны.

Важным этапом исследований НГЛ явилась разработка системы раннего предупреждения о появлении морских течений в районе месторождения Тролль.

Исследования, проведенные в НГЛ, показали, что существует течение, не­ сущее массы пресной воды вдоль берегов Норвегии в северном направлении, по всей территории месторождения Тролль.