Перспективы исследований геотехнических рисков при освоении месторождений в акваториях

В связи с растущими потребностями человечества в энергии и сырье на фоне существенного истощения материковых ресурсов все более актуальной задачей становится освоение морских нефтегазовых месторождений, что является одним из максимально небезопасных видов человеческой деятельности.

В настоящее время поисково-разведочные и эксплуатационные работы в акваториях морей и океанов проводятся во многих странах мира, в том числе и в России. Проектирование и эксплуатация морских гидротехнических сооружений характеризуются наличием ряда специфических проблем, в том числе, постановкой их на морское дно и обеспечением способности противостоять внешним воздействиям в течение всего периода эксплуатации.

К одному из мало изученных явлений относится наличие мелкозалегающего газа в грунтах, глубина которых составляет – до 100 м. Это серьезная угроза при эксплуатации морских нефтегазовых сооружений, поскольку наличие мелкозалегающего газа в грунтах ведет к понижению прочности грунта. Не учет данного фактора может привести к возникновению критичных перемещений платформ и связанных с этим различных аварийных ситуаций. При эксплуатации морских стационарных платформ и СПБУ мелкозалегающий свободный газ создает потенциальные риски, связанные с возможным прорывом газа к поверхности дна по обсадным колоннам или свайным фундаментам, что в дальнейшем чревато образованием суффозионных воронок, приводящих к потере устойчивости или критическому крену сооружений, а также возгоранием на самой платформе.

Учитывая все вышесказанное, необходимо стремиться к созданию сбалансированной совокупности проектных, нормативных положений, технических мероприятий и организационных решений при освоении и эксплуатации морских нефтегазовых месторождений.

Глубина проработки проблемы

Следует заметить, что проблема наличия свободного газа в морских грунтах достаточно подробно освещена за рубежом [7-20], а в отечественной литературе данные вопросы поднимаются крайне редко [2-6]. В то же время проблема учета влияния опасного свободного мелкозалегающего газа на несущую способность грунтов на данный момент не представлена ни в отечественных нормативных документах, ни в зарубежных. Отсутствуют и методические рекомендации по исследованию газонасыщенных морских грунтов. Техническое задание на оценку влияния свободного газа на грунты на шельфе компаниями, курирующими обустройство морских нефтегазовых месторождений, в основном не составляется, и данные исследования (экспериментальные, инструментальные и т.д.) не проводятся.

Почему о свободном газе нельзя забывать

Аварии, вызванные вскрытием скоплений мелкозалегающего газа, случались многократно, в том числе при неглубоком поиско­вом и инженерно-геологическом бурении в Восточно-Сибирском и Черном морях, а также на неф­тяных месторождениях Каспийского моря. Скопления там мелкозалегающего газа относятся к метановому и метанэтановому типам с содержанием метана до 99% (проявляется на разных уровнях донного массива северной части Каспийского моря – до 100 м глубины грунта).

На зарубежных платформах также происходили аварии из-за присутствия в грунтах скоплений мелкозалегающего газа и из-за неправильной оценки несущей способности грунтов.

Например, в 1975 году произошла авария на СПБУ «Topper III» в Мексиканском заливе (там эксплуатируется большинство СПБУ) (рис. 1). Произошел выброс газа и образование в донном грунте воронки диаметром 76 м и глубиной 73 м, а также оседание в воронку двух из трех опор с последующим опрокидыванием установки. В 1996 году произошла авария на СПБУ «Maersk Victory» на шельфе Южной Австралии. Опора СПБУ провалилась в грунт на 10 м при установке на точку. Причина аварии – отсутствие достаточных инженерно-геологических изысканий на месторождении и неправильная оценка несущей способности грунта. Таких аварий за все время в мире произошло несколько сотен.

Рис. 1. Авария СПБУ Topper III (19 мая 1975 г., Мексиканский залив, 89 миль юго-восточнее Галвестона, глубина моря – 60 м)

Рис. 2. Авария СПБУ Maersk Victory (16 ноября 1996 г., месторождение Gulf Saint Vincent на шельфе Южной Австралии)

Вышеприведенные примеры наглядно показывают, что следует проводить научные исследования по оценке инженерно-геологических рисков, а также выполнять целый ряд мероприятий (в т.ч. внедрять системы мониторинга за сооружениями), чтобы в дальнейшем исключить подобные аварии.

Рекомендации по решению проблемы

На рисунке 3 представлены места (географические) распространения «мелкозалегающего газа» в различных акваториях мира.

Рис. 3. Схема распространения гидрата метана в различных акваториях

В грунтах свободный газ образует разрозненные пузырьки, так называемый газосодержащий грунт, который схематически представлен на рисунке 4 .

Диаметр пузырьков газа в газосодержащих грунтах колеблется от 0,5 до 50 мм. Пузырьки газа в мелкозернистых грунтах (т.е. глинах и илах) значительно больше, чем частицы грунта и размеры обычного порового пространства. Формация свободного газа в мелкозернистых грунтах обычно создает значительные полости в структуре грунта, как показано на рисунке 4а. В чисто грубозернистых грунтах (т.е. песках без вторичных компонентов) пузырьки газа обычно меньше размера частиц и полностью содержатся в жидкости в поровом пространстве, как показано на рисунке 4б.

Рис. 4. Схематическое представление газосодержащего грунта

Влияние «мелкозалегающего газа» на грунты можно учесть при понижении прочности грунтов в расчетных моделях [2-6]. Но чтобы систематизировать данные инженерно-геологические «аномалии», следует выполнять научные исследования. Конечно, в геотехнических программных комплексах при построении геологической модели иногда бывает достаточно закладывать понижающие коэффициенты, однако в рамках данной работы автором предлагаются следующие рекомендации:

• башмаки (уширенные пяты свай) не должны использоваться из-за негативного перепада давления в грунтах при забивке свай;
• изменения в толщине сваи могут считаться допустимыми, только если толщина стенки увеличивается от острия до оголовка (а уменьшения на внешних стенках свай создают благоприятные условия для образования газовых опасностей для нефтяных платформ);
• необходимо проводить изучение участка перед установкой платформы (с целью измерения порового давления и степени газонасыщенности);
• следует устанавливать датчики порового давления (например, цифровой «KPD-PA Pore Pressure Gauges») для отслеживания изменений со временем значений порового давления, а также осуществлять периодические и постоянные наблюдения, проводить исследования (при помощи водолазов и удаленно управляемых устройств) для определения аномалий любого рода на дне рядом со сваями (образование кратеров и т.п.);
• следует выполнять установку разгрузочных скважин вблизи участка постановки морских сооружений для высвобождения мелкозалегающего газа;
• разрабатывать и внедрять на сооружениях систему мониторинга (периодического и непрерывного) грунтовых оснований морских платформ (следить за размывами грунта, давлением грунта в подошве кессона; поровым давлением воды в грунтовом основании; за перемещениями оснований морских платформ).

При этом, поскольку на разработку системы мониторинга, а также на закупку необходимого оборудования, его монтаж и эксплуатацию требуется выделение немалых финансовых средств, прежде чем приступить к этим работам, следует обосновать, где действительно необходим мониторинг, а где можно обойтись установкой разгрузочных скважин для высвобождения мелкозалегающего газа.

Необходимы дополнительные исследования

В связи с вышесказанным автором предлагается выполнить изотопный анализ мелкозалегающего газа в одной из акваторий и провести оценку результатов данных исследований. Для этого следует отобрать от 10 до 30 проб на каждом месте расположения платформ (МСП или СПБУ). После систематизации результатов можно будет определить происхождение газа (его генезис). На участках, где будет выявлен биогенный газ, достаточно установить разгрузочные скважины. А вот в случае выявления глубинного газа, необходимо уже внедрение полноценной системы мониторинга, осуществляющей контроль за состоянием всех систем платформы, а также за обстановкой в окружающем платформу пространстве, включая подземную. В такую систему мониторинга необходимо включить наблюдения за грунтовым основанием МНГС, в том числе за размывами грунта; давлением грунта в подошве кессона; поровым давлением воды в грунтовом основании; температурой грунта на различных глубинах; наблюдение за перемещениями оснований МНГС при воздействии динамических нагрузок (ледовой, волновой и сейсмической обстановкой).

Для эффективности эксплуатации системы мониторинга она должна быть полностью автономной и автоматизированной, а вся информация с системы мониторинга должна передаваться в центры управления.

Как известно, за последние 50 лет на морских платформах нефтегазовых промыслов произошли десятки инцидентов, в результате которых погибали люди, а платформы или уничтожалась, или становилась непригодной для восстановления. Экономический ущерб от этих аварий учету не поддается. Поэтому любые затраты на обеспечение безопасной эксплуатации морских платформ являются оправданными.

Список литературы

1. Федеральный закон от 21.07.1997 № 117 – ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений», утв. Гос. Думой РФ 23.06.97 [Электронный ресурс] / СПС Консультант Плюс / Режим доступа: http://www.pravo.gov.ru.

2. Инженерно-геологические аспекты обеспечения устойчивости инженерных сооружений месторождений Каспийского моря (на примере нефтяных платформ): Дис. канд. геол.-минерал. наук: 25.00.08 / А.С. Маштаков. [Место защиты: ФГБОУ ВПО Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе], – М., 2015. – 215 с.

3. Маштаков А. С. Анализ комплексного влияния геологических процессов и геодинамических воздействий на несущую способность свайных фундаментов нефтяных платформ, устанавливаемых на шельфе Каспийского моря / А. С. Маштаков // «Инженерная геология». – Москва, Геомаркетинг, 2014. – № 2. – C. 44-53.

4. Маштаков А. С. О применении метода инженерно-геологических аналогий для предварительной оценки физико-механических свойств грунтов на шельфе Каспийского моря / А. С. Маштаков // Журнал «Инженерные изыскания». – Москва, Геомаркетинг, 2015. – № 14. – C. 46-52

5. Маштаков А. С. Оценка влияния опасного свободного газа на грунты / А. С. Маштаков // Журнал «Нефтегазовое дело». – Уфа, Издательство «Уфимский государственный нефтяной технический университет (Уфа)». – Уфа, 2015. – Т. 13, № 4. – С. 115-121.

6. Маштаков А. С. Оценка инженерно-геологических опасностей при освоении шельфовых месторождений Каспийского моря / А. С. Маштаков // Научно-технический журнал «Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений» – Москва, ОАО «ВНИИОЭНГ», 2016. – № 2 (февраль). – C. 35-42.

7. Anderson A.L. Acoustics of Gas-bearing Sediments. I. Background / A.L. Anderson, L.D. Hampton // Journal of the Acoustical Society of America. – 1980. - Vol. 67, № 6. – P. 1865-1889.

8. Barden I. Engineering Behavior and Structure of Compacted Clay / I. Barden, G.R. Sides // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers. – 1970. - Vol. 96, № SM4. – P. 1171-1200.

9. Behaviour of Offshore Soils Containing Gas Bubbles / G.C. Sills, S.J., Wheeler S.D. Thomas, T.N. Gardner // Geotechnique. – 1991. - Vol. 41, № 2. - P. 227-241.

10. Brooks R.H. Hydraulic Properties of Porous Media / R.H. Brooks, A.T. Corey// Colorado State University Hydrology Papers. – 1964. - № 3. – P. 1-27.

11. Gardner T.N. An Acoustic Study of Soils that Model Seabed Sediments Containing Gas Bubbles / T.N. Gardner // Journal of the Acoustical Society of America. – 2000. - Vol. 107, №. 1. -P. 163–176.

12. Grozic J.L. The Behavior of Loose Gassy Sand / J.L. Grozic, P.K. Robertson, N.R. Morgenstern // Canadian Geotechnical Journal. – 1999. - Vol. 36, № 3. - P. 482-492.

13. Hight D.W. Engineering Characterization of the Nile Delta Clays / D.W. Hight, M.M. Hamzaand, A.S. El Sayed // Coastal Geotechnical Engineering in Practice: Proceedings of the International Symposium, IS-Yokohama 2000, Yokohama, Japan, 20-22 Sept. 2000. - Rotterdam, 2002. - Vol. 2. - P. 149-162.

14. Lunne T. Shallow Gas Problem at Duyong B Offshore Malaysia / T. Lunne, O. M. Isa, M.Tan // OSEA96, the 11th Offshore South East Asia Conference, 24-27 Sept. 1996. – Singapore, 1996. - P. 31-39.

15. Lunne T. Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice / T. Lunne, P.K. Robertson, J.J.M. Powell. - London: Blackie Academic & Professional, 1997. – 312 p.

16. Orlob G.T. The Effect of Entrapped Gases on the Hydraulic Characteristics of Porous Media / G.T. Orlob, G.N. Radhakrishna // Transactions of the American Geophysical Union. – 1958. - Vol. 39, № 4. - P. 648-659.

17. Peuchen J. Prediction of Formation Pore Pressures for Tophole Well Integrity / J.Peuchen, M. Klein // OTC2011: Offshore Technology Conference, 2-5 May 2011, Houston. - Texas, 2011. - OTC Paper 21301.

18. Pietruszczak S.А. Constitutive Relations for Partially Saturated Soils Containing Gas Inclusions / S. Pietruszczak, G.N. Pande // Journal of Geotechnical Engineering. – 1996. - Vol. 122, № 1. - P. 50–59.

19. Sills G.C. Consolidation of Naturally Gassy Soft Soil / G.C. Sills, R.Gonzalez // Geotechnique. – 2001. - Vol. 51, № 7. – P. 629-639.

20. Wheeler S.J. The Stress-strain Behaviour of Soils Containing Gas Bubbles / S.J.Wheeler.–Hilary, 1986.–257 p.