МОРСКИЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОЦЕНКА ... ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МИРОНЮК

МОРСКИЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ СУБАКВАЛЬНЫХ
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
МИРОНЮК С.Г.
Начальник сектора опасных геологических процессов ООО «Питер Газ», к.г-м.н, г. Москва
[email protected]
Аннотация
В статье кратко рассматриваются особенности, последовательность и методы оценки морских
геологических опасностей на трассах и площадках строительства морских сооружений
нефтегазового комплекса, а также существующая для этого нормативная база
Ключевые слова
Морские сооружения; нефтегазовые объекты; подводные трубопроводы; подводные добычные
комплексы; оценка геологических опасностей.
Введение
Подводные трубопроводы и добычные комплексы получают в последние годы все большее
развитие в связи с разработкой морских нефтегазовых месторождений. В настоящее время
морские трубопроводы сооружены на арктическом и субарктических шельфах (Карского,
Печорского, Норвежского, Северного морей, моря Бофорта), в Мексиканском и Персидском
заливах, в Адриатическом, Южно-Китайском, Яванском, Тасманском морях. Глубоководные
трансконтинентальные трубопроводы («Гринстрим», «Транссредиземноморский», «МагрибЕвропа», «Медгаз») пересекают Средиземное море. В Балтийском море построен газопровод
«Северный поток» (Россия - Германия), в Черном море - «Голубой поток» (Россия -Турция). В
2014 году планируется начать строительство морского участка газопровода «Южный поток»
(Россия -Болгария).
Рост морской нефтегазодобычи и увеличение объемов строительства подводных
трубопроводных систем сопровождаются рядом аварий и инцидентов. Среднестатистическая
частота аварий на морских трубопроводах составляет 0,2-0,3 случая в год на 1000 км [4].
Основными их причинами были: коррозия металла труб (50%), механические повреждения в
результате воздействия якорей, траловых досок, вспомогательных судов и строительных барж
(20%) и природные процессы (12%). Среди последних особо следует выделить геологические
процессы, которые представляют реальную угрозу для целостности трубопроводов:
землетрясения, оползни, гравитационные потоки, экзарацию, литодинамические процессы,
грязевулканические извержения и др.
Целью настоящей статьи является рассмотрение некоторых актуальных вопросов
методологии оценки морских геологических опасностей и региональных закономерностей их
распространения.
Нормативная база
На начальных стадиях инженерно-геологического изучения акватории осуществляется выбор
трассы или площадки строительства морских сооружений [12]. Следует заметить, что СП 11-1142004 [12], во-первых, не распространяется на инженерные изыскания для строительства
подводных трубопроводов, а во-вторых, область его применения ограничена шельфом. Кроме
того, в этом документе не упоминаются некоторые геологические опасности, которые могут быть
причинами аварий и инцидентов на морских сооружениях [9].
В международном стандарте ISO 13623:2000 [17] для выбора наиболее безопасной трассы
трубопровода рекомендуется выявлять и исследовать следующие геологические опасности:
 землетрясения и их вторичные эффекты (разжижение грунта, оползни и др.);
 наличие участков с сильно расчлененным рельефом;
 наличие оползнеопасных участков;
 эрозию грунта;
 миграцию наносов;
 осадки грунта;
 наличие слабых донных отложений;
 газонасыщенность грунтов;
 абразию.
В стандартах DNV-OS-F101 [14, 15] и СТО Газпром 2-3.7-050-2006 [13] содержится
требование о выявлении и изучении при изысканиях для выбора оптимальной трассы
трубопровода: нестабильности и неровностей морского дна, оседаний его поверхности, мутьевых
потоков, сейсмической активности, препятствий в виде выступов скальных горных пород,
крупных валунов, покмарок и др.
Согласно руководству [16] при проектировании морских трубопроводных систем
необходимо учитывать наличие очень слабых грунтов, подвижных песчаных волн, валунных
полей, айсберговых борозд (плугмарок), коралловых скал, покмарок и газовых вент.
В районах повышенной активности геологических процессов на этапе проектной
документации предписывается оценивать активность грязевых вулканов и покмарок,
сейсмическую опасность, сейсмогенные подвижки по разломам, устойчивость склонов,
характеристики обломочных потоков и опасность их воздействия на трубопроводы [15].
Особенности методики оценки морских геологических опасностей и последовательность ее
выполнения
Для обеспечения безопасности морских сооружений в районах их размещения выполняется
оценка геологических опасностей, которая является составной частью общей оценки опасностей и
рисков любого крупномасштабного инвестиционного проекта строительства нефтегазовых
объектов и представляет собой междисциплинарную задачу, включающую в себя как технические
аспекты (расчеты на прочность и устойчивость сооружений), так и аспекты, связанные с
геологической средой.
Оценку геоопасностей проводят на всех стадиях проектирования в следующей
последовательности.
1. Обоснование целей, задач, методов оценки и критериев приемлемых вероятностей отказов
морских сооружений.
2. Идентификация опасностей, которая предусматривает:
 на этапе предпроектных проработок (выбора трассы или площадки
строительства): выявление и описание всех геоопасностей на основе данных
оценочных изысканий и обобщения научных публикаций и фондовых материалов; их
первичную оценку (в сейсмоопасных районах в обязательном порядке выполняется
вероятностный анализ опасности подвижек по разлому и сейсмической опасности);
установление приоритета геоопасностей с помощью экспертных оценок; описание
триггерных эффектов; построение предварительных прогнозных индивидуальных
сценариев развития опасных геологических процессов и явлений;
 на этапе проектной документации: характеристику геоопасностей на основе
детальных
изысканий,
включающих
седиментологические
исследования,
нестандартные статические и динамические лабораторные испытания на приборах
трехосного сжатия и многоплоскостного сдвига (DSS), расчеты приращения
сейсмической интенсивности, потенциала разжижения грунтов, высоты цунами,
устойчивости склонов, дальности выброса и скорости перемещения оползневых и
обвальных масс и др.
На основе радиоуглеродного метода, статистического анализа оценивается частота
проявлений опасных геологических процессов (случаев в год), уточняются сценарии их развития.
В ходе выполнения указанных расчетов могут быть использованы как детерминистские, так и
вероятностные подходы.
Следует заметить, что в последние годы после нескольких крупных аварий на ряде
технологически сложных объектов (радиационной аварии на АЭС «Фукусима-1», взрыва
нефтяной платформы Deepwater Horizon в Мексиканском заливе) вероятностный метод оценки
геологической (сейсмической) опасности подвергается критике. Обращают внимание, что на
практике имели место случаи возникновения техногенных аварий со сценариями развития,
считавшимися практически невероятными (например: до того, как произошла чернобыльская
катастрофа, вероятность события такого класса считалась равной 10-6 в год; вероятность аварий на
морских буровых платформах при проектировании оценивалась величиной 10-7 в год, однако в
последние десятилетия их счет пошел на десятки) [5]. Отмечают, что реализующиеся в техносфере
вероятности возникновения крупных катастроф, рассчитанные без учета характера эмпирических
распределений событий, часто превышают ожидаемые проектные оценки на два и более порядков
[2, 6].
3. Оценивание каждой геоопасности с позиций необходимости ее учета при проектировании
и определения дальнейших направлений деятельности.
Возможны два варианта последующих действий:
 прекращение выполнения оценки в связи с незначительной вероятностью (частотой)
возникновения опасности или пренебрежимо малыми последствиями в случае того
или иного техногенного происшествия (при анализе целостности трубопроводов
класса безопасности «Нормальный» учитываются события с годовой вероятностью 102
-10-4 в год, то есть общепринятой практикой является не учитывать при
проектировании опасные геологические события, частота которых составляет менее
10-4 в год).
 проведение более тщательного анализа реакции трубопровода на действие
разнообразных нагрузок и воздействий.
4. Оценка конструкционной целостности и устойчивости трубопровода при различных
сценариях нагрузок и воздействий (окончательный вид работ при анализе геологической
опасности).
Если реакция трубопровода на те или иные нагрузки и воздействия неприемлема,
разрабатывается система инженерной защиты, обеспечивающая его целостность в течение срока
эксплуатации (обетонирование трубы, уменьшение длины свободных пролетов и т.д.).
Региональные закономерности распространения геологических опасностей
Изыскания на участках размещения морских добычных комплексов и трасс трубопроводов
на дне Баренцева, Карского, Балтийского, Черного, Азовского, Охотского и Японского морей,
выполненные в 2002-2013 годах ООО «Питер Газ», показали, что общие закономерности развития
и распространения опасных геологических процессов определяются в основном геотектонической
обстановкой, морфологическим типом дна, гидродинамическим и геохимическим режимом
бассейна и климатом.
К опасным геологическим процессам в Арктике следует отнести ледовую экзарацию дна,
термоабразию и термопросадки. При выборе площадок для установки подводного оборудования
(опорных плит, манифольдов и др.) и оптимальных трасс трубопроводов, например, в районе
освоения Штокмановского месторождения (Баренцево море) особое внимание необходимо
уделить изучению форм донного рельефа (покмарок, реликтовых плугмарок, палеодолин) и
слабых грунтов.
В условиях дальневосточных морей чрезвычайно опасными процессами являются
землетрясения и подвижки по активным разломам, цунами, разжижение грунтов, а также,
особенно для площадных подводных объектов обустройства, внезапные выбросы газа из зон с
АВПД (аномально высоким пластовым давлением). К опасным процессам можно отнести и
эрозию дна в прибрежной зоне.
В условиях Черного моря чрезвычайно опасные процессы распространены в основном на
континентальном склоне. Это оползни и гравитационные потоки, которые могут создавать
поперечные нагрузки на сооружения. Анализ устойчивости склона при землетрясениях показал
возможность развития оползневых процессов, приводящих к смещению крупных осадочных масс
на сотни метров. К весьма опасным эндогенным процессам здесь отнесены землетрясения и
грязевулканические извержения.
Балтийское море характеризуется наиболее благоприятной геодинамической обстановкой.
Здесь распространены преимущественно умеренно опасные эндогенные (землетрясения) и
экзогенные (экзарация в береговой зоне, размыв и аккумуляция осадков) процессы.
Выявленные закономерности пространственного распространения геоопасностей могут быть
использованы для предварительной оценки подверженности морских сооружений, размещаемых
на дне тех или иных морей, воздействию геологических процессов.
Методы оценки геоопасностей на этапе предпроектных проработок
Оценка геологических опасностей, как показано выше, осуществляется уже в самом начале
проектирования (на этапе предпроектных проработок). Для их предварительного выявления,
описания и ранжирования за рубежом (в компаниях Exxon Mobil, Shell и др.), а в последнее время
и в России (при изысканиях для строительства газопровода «Голубой поток», освоения
Киринского газоконденсатного месторождения и др.) применяют разнообразные качественные и
полуколичественные методы: HAZID (идентификация опасностей), АДС (анализ «деревьев
событий»), аналогий, сценарные и др.
Использование указанных методов позволило выделить в качестве приоритетных для
детальных исследований следующие геоопасности: турбидные потоки на российском
континентальном склоне (проект «Голубой поток») [1, 3], землетрясения, литодинамические
процессы, газопроявления - газовые карманы с АВПД (проект обустройства Киринского ГКМ).
На участке прокладки газопровода Джубга - Лазаревское - Сочи на шельфе Черного моря
ООО «Питер Газ» применялся метод экспертной оценки геологических опасностей. В качестве
геоопасностей рассматривались оползневые процессы, осадки грунта, активная регрессивная и
донная эрозия, турбидные потоки, слабые грунты, неровности морского дна (поднятия и впадины),
которые могут повлиять на устойчивость трубопровода, селевые потоки (как угроза со стороны
суши). Критериями их ранжирования являлись последствия их воздействий на сооружения
(аварии, инциденты, дефекты) [8].
Основные методы исследований геологических опасностей на этапе подготовки проектной
документации
На этапе инженерно-геологических изысканий для разработки проектной документации
задача обнаружения и детальной характеристики опасных геологических и геоморфологических
объектов и участков активизации геологических процессов наиболее успешно решается с
применением геофизических методов [7, 10, 12].
Как правило, при геофизических исследованиях применяется комплекс методов, который
включает:
 непрерывное сейсмоакустическое профилирование (НСП);
 многолучевое эхолотирование;
 гидролокацию бокового обзора (ГЛБО);
 магнитометрическую съемку.
В ряде случаев комплекс геофизических исследований дополняется видеосъемкой,
осуществляемой с помощью дистанционно-управляемого аппарата (ROV) и предназначенной для
визуальной идентификации объектов, выявленных в процессе геофизических изысканий.
Использование необитаемых подводных аппаратов незаменимо при изучении обвальных
накоплений, локальных выходов на поверхность морского дна скальных пород, для
макросейсмического обследования района размещения морских сооружений после сильных
землетрясений и т.д.
Геофизические исследования выполняются в сочетании с другими видами инженерногеологических работ - бурением, донным пробоотбором, статическим зондированием (CPT).
Технологически
целесообразно,
чтобы
геофизические
работы
предшествовали
геотехническим исследованиям и чтобы круглосуточно и непрерывно осуществлялись контроль
качества данных и их обработка. Это позволяет уже на борту исследовательского судна
практически полностью обработать полученные данные, выполнить предварительное построение
разрезов, карт и пр., акцентировать внимание на объектах, которые вызывают определенные
трудности при идентификации (тектонические разломы, грязевые сопки и грифоны, газовые
карманы, обвальные накопления, газогидраты, осадочные волны и др.) и в ряде случаев требуют
проведения специальных работ.
К числу наиболее сложных задач морских изысканий в сейсмоопасных акваториях Черного,
Каспийского, Охотского, Берингова, Японского морей, моря Лаптевых относится получение
достоверных исходных данных для расчетов подводных сооружений на сейсмические нагрузки,
устойчивости склонов, потенциала разжижения грунтов и т.д.
Согласно СП 11-114-2004 [12] в России оценка сейсмической опасности (сейсмическое
микрорайонирование) для строительства нефтегазопромысловых сооружений выполняется в
районах с сейсмичностью 6 баллов и более. На сегодняшний день накоплен определенный опыт
как детального сейсмического районирования (ДСР) морских бассейнов, так и сейсмического
микрорайонирования (СМР) площадок размещения подводных нефтегазовых сооружений. Однако
в целом изученность сейсмичности морского дна недостаточна. В значительной степени это
объясняется высокой стоимостью и техническими трудностями создания на морском дне
постоянно действующих и временных сетей сейсмических станций. Также существенно
ограниченными являются возможности картирования на морском дне активных тектонических
разломов большой протяженности и определения расчетных значений сейсмогенных подвижек и
криповых смещений по разрывам. Кроме того, проведение сейсмологических исследований в
арктических и дальневосточных морях затруднено из-за большой длительности периода
ледостава.
В морских условиях ограничено также применение метода сейсмических жесткостей для
оценки приращения балльности в связи с техническими сложностями прямого определения
скоростей поперечных волн в донных осадках. Кроме того, бурение дорогостоящих скважин при
изысканиях для проектирования морских трубопроводов часто заменяется пробоотбором. При
этом глубина внедрения пробоотборников обычно не превышает 10-15 м, в то время как мощность
расчетной толщи для оценки приращений балльности рекомендуется принимать равной 30 м [18].
Имеются определенные сложности и при оценке опасности еще слабо изученных вторичных
эффектов землетрясений (сейсмогенных смещений, косейсмического опускания и поднятия
побережий, цунами, газопроявлений, в частности выбросов газа из зон АВПД и др.).
Отечественные нормативные документы по сейсмическому микрорайонированию (СМР)
недостаточно четко регламентируют необходимость изучения геологических процессов,
инициированных землетрясениями. Ситуация усугубляется отсутствием до настоящего времени
общероссийских нормативно-методических документов, регламентирующих порядок выполнения
СМР для проектирования и строительства подводных сооружений, а также карт детального
сейсмического районирования морских акваторий.
Серьезной проблемой при проектировании и строительстве скважин на шельфах ряда морей
являются так называемые газовые карманы в приповерхностной толще осадочных пород с АВПД.
Разгерметизация такого кармана в ходе бурения может привести к прорыву газа, прихвату
колонны, поглощению бурового раствора, образованию котлована и загазованности водной
толщи.
Данные по авариям на морских буровых платформах, связанным с наличием
приповерхностного газа, показывают, что в десяти случаях происходили серьезные повреждения
буровых агрегатов и гибель людей. Несколько аварий привело к потере устойчивости и
разрушению морских сооружений. При этом только прямой ущерб от этих катастроф составлял от
1-3 до нескольких сотен миллионов долларов США [11]. Наиболее серьезные аварии за период
1963-2003 гг. произошли в Северном и Норвежском морях, в Тихом океане (у берегов
Калифорнии), в Мексиканском и Гвинейском (у берегов Нигерии) заливах.
С целью оценки степени опасности зон газонасыщения для подводных сооружений в ходе
геофизических исследований рассматривался следующий комплекс аномальных эффектов
отраженных волн: резкое возрастание амплитуд и уменьшение их частоты, изменение полярности
волн (с положительной на отрицательную), прогибание под «яркими пятнами» границ,
залегающих ниже отражающих горизонтов (за счет уменьшения скорости прохождения волн в
газосодержащих грунтах). Принимая во внимание указанные особенности волновой картины и
литературные данные, предложено выделять следующие степени опасности газопроявлений:
1) большая (зона потери корреляции, или «газовая труба», характеризуется: полным
затуханием сейсмического сигнала, то есть отсутствием отражающих границ; резким
понижением на 200-300 м/с интервальных скоростей упругих волн Vp и Vs и частот;
изменением полярности отражений от кровли газонасыщенного пласта;
коэффициентом повышения амплитуд 8-10);
2) средняя (пониженные значения скоростей Vp и Vs в загазованных отложениях по
сравнению с вмещающими породами; коэффициент повышения амплитуд 8-5);
3) малая (незначительное уменьшение скоростей Vp и Vs; отсутствие или слабое
проявление аномальных эффектов отраженных волн; коэффициент повышения
амплитуд 5-4).
Как показала практика, для обнаружения скоплений газа в верхних 100 м толщи осадков
наилучший результат дает применение непрерывного сейсмоакустического профилирования
одновременно двумя системами с частотами 250-500 Гц и 1000-7000 Гц. Для обеспечения
безопасной проходки глубоких скважин разного назначения требуется применение
высокоразрешающей сейсмоакустической съемки. При этом наиболее эффективным методом
является объемная (3D) сейсморазведка. Ее применение позволяет избежать неоднозначности при
идентификации аномалий волнового поля (нередко они возникают из-за литологической
неоднородности разреза, а не в связи с загазованностью осадков) и в случае их обнаружения более
точно определить пространственное положение газовых карманов.
Выводы
1. Оценка геологических опасностей представляет собой междисциплинарную задачу,
включающую в себя как технические аспекты (расчеты на прочность и устойчивость сооружений),
так и аспекты, связанные с геологической средой.
2. Общие закономерности развития и распространения опасных геологических процессов
определяются
геотектонической
обстановкой,
морфологическим
типом
водоемов,
гидродинамическим и геохимическим режимом бассейнов и климатом.
3. При освоении морских нефтегазовых месторождений фактический уровень промышленной
безопасности часто бывает значительно ниже декларируемого. Причинами аварий на
нефтегазовых сооружениях нередко являются ошибки при идентификации геологических
объектов и заниженная оценка степени их опасности, а также несовершенство действующей
нормативно-методической базы.
4. При оценке опасности геологических процессов актуален выбор консервативного сценария
их воздействий на технически сложное морское сооружение.
5. При оценке сейсмической опасности в пределах акваторий необходимо расширить
использование расчетных методов и усилить специальные исследования вторичных сейсмических
эффектов.
Список литературы
1.
Айбулатов Н.А. Гравитационный перенос осадочного материала на континентальном склоне
и безопасность строительства и эксплуатации газопровода Россия - Турция. Обзорная
информация. М.: ИРЦ «Газпром», 2002. 46 с.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Акимов В.А., Владимиров В.А., Измалков В.И. Катастрофы и безопасность. М.: Деловой
экспресс, 2006. 392 с.
Горяинов Ю.А. Управление проектами строительства морских трубопроводов. М.: ЗАО
«Формула энергии», 2004. 272 с.
Лисанов М.В., Сумской С.И., Савина А.В., Самусева Е.А. Аварийность на морских
нефтегазовых объектах // Oil and Gas Journal - Russia. 2010. № 5 (39). С. 48-53.
Малинецкий Г.Г. Размышления о немыслимом // Структура глобальной катастрофы. Риски
вымирания человечества в ХХI веке. М.: Издательство ЛКИ, 2011. С. 5-22.
Малинецкий Г.Г., Кузнецов Н.В., Писаренко В.Ф. и др. Управление риском. Риск, устойчивое
развитие, синергетика. М.: Наука, 2000. 431 с.
Милн П.Х. Подводные инженерные исследования. Л.: Судостроение, 1984. 344 с.
Миронюк С.Г., Маркарьян В.В., Шельтинг С.К. Опыт комплексной оценки и
крупномасштабного районирования северо-восточного шельфа Черного моря по
геологической опасности для строительства линейных объектов // Инженерные изыскания.
2013. № 13. С. 46-57.
Миронюк С.Г., Чуркин О.Ф. Методические и нормативные недостатки в документах,
регламентирующих гидрографические работы и инженерно-геологические изыскания для
строительства на морских акваториях // Материалы 9-й Общероссийской конференции
изыскательских организаций «Инженерные изыскания в строительстве». М.: ООО
«Геомаркетинг», 2013. С. 17.
Пособие по инженерным изысканиям для проектирования и строительства магистральных
газопроводов на шельфе. М.: РАО «Газпром», 1996. 187 с.
Рокос С.И. Газонасыщенные отложения верхней части разреза Баренцево-Карского шельфа:
автореф. дис. … канд. геогр. наук. Мурманск, 2009. 21 с.
СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства
морских нефтегазопромысловых сооружений. М.: Госстрой России, 2004. 97 с.
СТО Газпром 2-3.7-050-2006. Морской стандарт DNV-OS-F10. Подводные трубопроводные
системы. М.: ООО «ИТЦ Газпром». 431 с.
DNV-OS-F101. Offshore standard. Submarine pipeline system. DNV, 2000. 166 p.
DNV-OS-F101. Offshore standard. Submarine pipeline system. DNV, 2007. 240 p.
GL rules and guidelines, technical publications. Rules and guidelines industrial services. Rules for
classification and construction. IV. Industrial services. Part 8. Pipelines. Chapter 1. Rules for subsea
pipelines and risers. Germanischer Lloyd Offshore and Industrial Services (GmbH), 2004. 128 p.
ISO 13623:2000. Нефтяная и газовая промышленность. Системы трубопроводного
транспорта. International Organization for Standardization (ISO), 2000. 84 с.
NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures.
Part 1. Provisions, prepared by the Building Seismic Safety Council for the Federal Emergency
Management Agency // Report FEMA 386. Washington, D.C.: Building Seismic Safety Council
(BSSC), 2001.
Выходные данные: Журнал «Инженерные изыскания», №4/2014, С. 60-64