CC BY
69
УДК [553.98:551.462.32(1-922)]:551.326.6
Ключевые слова:
шельф,
морская
платформа,
дрейф айсбергов,
айсберговая угроза,
вероятностная
модель.
0 необходимости учета айсберговой опасности при обосновании концепции освоения арктических месторождений углеводородов
ДА Онищенко12*, В.С. Сафонов1
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1
2 ИПМех РАН, Российская Федерация, 119526, Москва, пр-т Вернадского, д. 101, корп. 1 * E-mail: [email protected]
Тезисы. Большое практическое значение для эффективного освоения нефтегазовых ресурсов континентального шельфа РФ в Арктике имеет задача обустройства морских месторождений углеводородов, расположенных на айсбергоопасных акваториях. К таким акваториям относятся, в частности, Баренцево и Карское моря, на шельфе которых расположен целый ряд месторождений и перспективных структур с большими запасами углеводородов. Во многих случаях наиболее технологичным является вариант разработки этих месторождений с использованием промысловых перерабатывающих комплексов, размещенных на стационарных или плавучих платформах. Для вариантов обустройства с использованием платформ корректное решение задач качественной и количественной оценки айсберговой угрозы, выбора совокупности параметров, характеризующих эту угрозу, обоснования расчетных значений ключевых параметров будет определять, при прочих равных условиях, как технико-экономическую эффективность проекта, так и уровень его эксплуатационной надежности и безопасности, а также сопутствующие риски.
В работе описаны возможные подходы к проектированию платформ при наличии айсберговой угрозы, выполнен сопоставительный анализ проектов, которые реализованы в мире на данный момент, в том числе отмечена роль системы управления ледовой обстановкой применительно к айсбергам. Представляется очевидным, что при принятии управленческих решений по выбору той или иной концепции обустройства месторождения, расположенного на акватории, где наблюдаются айсберги, существенное значение будет иметь обоснованный прогноз соответствующей айсберговой угрозы. Подчеркивается, что поскольку последняя в силу своей природы имеет случайный характер и обладает, как и все внешние воздействия, порождаемые природными факторами, высокой степенью статистической изменчивости, то задача оценки ее количественных показателей должна изучаться в рамках вероятностной постановки. Это принципиально усложняет применяемый математический аппарат и требует многократно более детальной статистической информации об определяющих параметрах. В методических целях во второй части статьи приведена и детально исследована относительно простая вероятностная модель, на примере которой продемонстрированы разработанные подходы к оценке различных характеристик айсберговой угрозы.
Проблема освоения нефтегазовых ресурсов континентального шельфа РФ, и в первую очередь шельфа Арктики, требует проведения большого объема научных исследований фундаментального и прикладного характера, среди которых важное практическое значение имеет задача обустройства морских месторождений углеводородов (УВ), расположенных на айсбергоопасных акваториях. К таким относятся, в частности, Баренцево и Карское моря, на шельфе которых находится целый ряд месторождений и перспективных структур с большими запасами УВ.
Поскольку практически все крупные газоконденсатные месторождения Баренцева и Карского морей отстоят на значительных расстояниях (несколько сотен километров) от берега, а их пластовая продукция содержит большой объем жидких фракций (конденсат, пластовая вода), наиболее технологичным является вариант разработки этих месторождений с использованием промысловых перерабатывающих комплексов на стационарных или плавучих платформах. Корректная качественная и количественная оценка айсберговой угрозы, выбор совокупности параметров, характеризующих эту угрозу, и обоснование их расчетных значений будут определять, при прочих равных условиях, как технико-экономическую эффективность проекта, так и уровень его
эксплуатационной надежности и безопасности, т.е. уровень риска. Очевидно, что использование в проекте завышенных показателей айс-берговой угрозы приводит к росту капитальных затрат на строительство, а их возможное занижение увеличивает вероятность частичного повреждения и даже разрушения (выхода из строя) платформы в процессе эксплуатации.
Айсберговая угроза в силу своей природы имеет случайный характер и обладает - собственно, как и все порождаемые природными факторами внешние воздействия - высокой степенью статистической изменчивости. Поэтому задача оценки ее количественных показателей должна изучаться в рамках вероятностной постановки.
Подходы к выбору варианта платформенной концепции обустройства месторождения в ледовых условиях
Рассмотрим кратко несколько концепций платформенного варианта обустройства морских месторождений, которые потенциально применимы для акваторий Баренцева и Карского морей. Хорошо известно, что выбор концепции обустройства является многофакторной задачей; при этом критерий айсберговой угрозы, оцененный в количественных показателях, вполне возможно, станет одним из определяющих.
Классический вариант обустройства морского месторождения - стационарная платформа. По определению1 это морская платформа, опорная часть которой зафиксирована на морском дне на все время использования платформы по назначению (в английском языке такая конструкция получила название «fixed platform», но, к сожалению, хорошего прямого перевода на русский язык этот термин не имеет). Несущая способность стационарной платформы обеспечивается, при прочих равных условиях, прочностью опорной части и устойчивостью фундамента. Очевидно, что экстремальная нагрузка при возможном навале (кинетическом воздействии) айсберга зависит от формы опорной части на уровне поверхности воды и не зависит от глубины моря. В то же время момент силы, действующей на платформу, линейно возрастает с глубиной моря, что, вообще говоря, требует мощного
фундамента с большими размерами в плане, создание которого в условиях моря сопряжено со значительными техническими трудностями и затратами.
В настоящее время в мире построены две платформы, при проектировании которых непосредственно учитывался сценарий навала айсбергов и поэтому их можно назвать «айсбер-гостойкими». Обе платформы - «Хайберния» (англ. Hibernia; глубина моря в точке установки - 80 м; диаметр - около 110 м; масса опорной части - 600 тыс. т плюс ~ 300 тыс. т твердого балласта; начало добычи - 1997 г.) и «Хеброн» (англ. Hebron; глубина моря - 90 м; диаметр опорной части - 130 м; диаметр колонны, несущей интегрированное верхнее строение, - 35 м; начало эксплуатации ожидается в 2017 г.) -имеют опорную часть гравитационного типа и установлены на Ньюфаундленской банке (восточное побережье Канады) [1, 2] (рис. 1). Платформы рассчитаны на навал айсберга. Например, для «Хайбернии» расчетным случаем является столкновение с айсбергом массой 1 млн т (иными словами, навал такого айсберга не должен вызывать даже повреждений конструкции), а при воздействии айсберга массой 6 млн т сооружение может получить некритические повреждения с возможной остановкой добычи, но без ущерба жизни и здоровью персонала, а также экологии.
Следующий вариант обустройства - плавучее сооружение. Согласно определению плавучая морская платформа - это платформа, опорная часть которой (корпус) находится на плаву на протяжении всего периода использования платформы по назначению, но оснащена системой удержания для ограничения ее горизонтальных смещений на точке размещения в установленных пределах. В качестве системы удержания морской плавучей платформы применяются системы якорного позиционирования, динамического позиционирования и комбинированные системы позиционирования.
На Ньюфаундленской банке на глубинах порядка 100 м реализованы два проекта обустройства уже с плавучими платформами судового типа FPSO2 в условиях наличия айсбергов: «Терра Нова» (лат. Terra Nova) введена в эксплуатацию в 2002 г., «Белая Роза»
1 См. ГОСТ Р 55311-2012. Нефтяная
и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Термины и определения.
FPSO (англ. floating production, storage and offloading) - технологическое судно для добычи, хранения и отгрузки нефтепродуктов.
Рис. 1. «Айсбергостойкие» платформы «Хайберния» (а - эксплуатация; б - строительство; в - транспортировка на точку установки) и «Хеброн» (г - концептуальная схема)
(англ. White Rose) - в 2005 г. Корпуса технологических судов рассчитаны на навал айсберга до 100 тыс. т, их размеры составляют около 300 м в длину и около 50 м в ширину [3].
Решение использовать платформы типа FPSO в данных природных условиях явилось поистине революционным шагом в области обустройства морских месторождений. Отличительной особенностью платформ указанного типа является наличие внутренней турели, что позволяет судну совершать разворот на месте и занимать наиболее выгодное положение с точки зрения минимизации внешнего воздействия (эффект «флюгирования»). Кроме того, все райзеры и якорные линии присоединены к специальному устройству, так называемому спайдерному бую, который крепится к турели и может отсоединяться в случае возникновения реальной угрозы столкновения с айсбергом (рис. 2). Аналогичные решения (как с возможностью отсоединения, так и без нее) нашли ранее широкое применение при установке FPSO на акваториях, где наблюдаются
экстремальные штормовые условия вследствие прохождения тайфунов. Аналогичная концепция рассматривалась в качестве приоритетной для Штокмановского проекта [4].
Отметим, что операции отсоединения и повторного подсоединения буя являются достаточно сложными и не всегда раньше выполнялись успешно. Стандартное отсоединение буя реализуется в течение 4 ч, а экстренное может быть осуществлено в течение 15 мин. На стадии проектирования «Терра Нова» рассматривалась частота отсоединения буя примерно раз в год-три по причине опасности навала айсберга массой более 100 тыс. т [5]. Кроме того, следует отметить, что конструкции турели и спайдерного буя обладают значительной массой, что в условиях волнения приводит к значительным циклическим воздействиям на корпус судна. Для регионов с частой повторяемостью штормов существует риск развития усталостных повреждений в конструкциях крепления турели. В частности, наличие такой проблемы отмечалось для БР80, эксплуатирующихся в Северном море [6].
Рис. 2. Концепция FPSO с турелью: а - общий вид платформы «Терра Нова» на месторождении; б - конструктивная схема турели; в - буй закреплен в корпусе;
г - буй отсоединен
Чтобы не допустить более частого осуществления процедуры отсоединения буя, на акватории Ньюфаундленской банки реализована комплексная система управления ледовой обстановкой применительно к айсберговой угрозе. Поскольку англоязычный термин «iceberg management» в настоящее время не имеет хорошего перевода на русский язык, для краткости будем использовать аббревиатуру УАО (управление айсберговой обстановкой) по аналогии с аббревиатурой УЛО (управление ледовой обстановкой), которая в последнее время более или менее последовательно используется в отечественной научно-технической литературе. Основной задачей системы УАО является снижение частоты возникновения айсберговой угрозы для защищаемых платформ путем активного воздействия на айсберги [7]. Отметим, что система УАО, как и любая техническая или технологическая система, не может быть абсолютно надежной, и поэтому всегда существует вероятность (относительно небольшая) приближения к защищаемой платформе айсберга большой массы, на воздействие которого проект не рассчитан. Например, для условий Ньюфаундленской банки коэффициент
успешности операций УАО составляет порядка 85-90 % от общего числа операций по активному воздействию на айсберги.
Обратим также внимание на то, что именно отработка высоконадежной системы УАО позволила качественно упростить конструкцию и снизить весогабаритные характеристики стационарной платформы «Хеброн» (вес опорной части снижен более чем в 2,5 раза по сравнению с платформой «Хайберния»). По всей видимости, модифицированный (относительно конструкции «Хайбернии») вариант стационарной платформы оказался более привлекательным по экономическим соображениям по сравнению с вариантом, реализованным в двух предшествующих проектах в этом же районе, при условии, конечно же, приемлемого уровня надежности и безопасности по отношению ко всем рискам.
Находит практическое применение и кон -цепция так называемой «жертвенной платформы». Речь идет о том, что при относительно низкой вероятности подхода к плавучей платформе айсберга с закритическими параметрами экономически более выгодной может оказаться концепция неотсоединяемой платформы
(по сравнению с вариантом отсоединения). В случае возникновения айсберговой угрозы (а вероятность этого, как отмечалось, предполагается достаточно низкой) можно осуществлять процедуру глушения скважин и снимать полностью весь персонал с платформы. В силу неопределенности сценария взаимодействия плавучей платформы с наваливающимся айсбергом вероятность полного разрушения платформы может рассматриваться как пренебрежимо малая. Можно ожидать, что будет иметь место относительно небольшое повреждение корпуса платформы или обрыв якорных линий и райзеров. Вполне возможно, необходимый в этих случаях ремонт окажется более выгодным с точки зрения экономической эффективности в сравнении с реализацией с самого начала весьма капиталоемкой («омертвленный» капитал) концепции отсоединения.
Отметим, что такой подход соответствует реализуемой на протяжении уже нескольких десятилетий в Мексиканском заливе концепции обеспечения безопасности отрасли морской нефтегазодобычи в целом. При получении прогноза относительно развития и движения тропических циклонов (ураганов) по акватории, где размещены несколько тысяч платформ, соответствующей службой выдается предупреждение, после получения которого на всех платформах, потенциально попадающих в полосу движения ураганов, должны
быть осуществлены глушение скважин и полная эвакуация персонала [8]. В некоторых случаях происходит эвакуация 25-30 тыс. человек.
На рис. 3 показаны траектории (шторм-треки) разрушительных ураганов «Катрина» (англ. Katrina) и «Рита» (англ. Rita), которые в 2015 г. последовательно пересекли акваторию Мексиканского залива через районы, где расположена большая часть всех платформ Мексиканского залива (их общее количество составляет около 4000 ед.).
В качестве примера в таблице представлены последствия ураганов IV и V категорий [9]: разрушенными и поврежденными оказались десятки платформ (характерные примеры см. на рис. 4). При этом (что очень показательно) безопасность персонала была полностью обеспечена масштабной и заблаговременной эвакуацией.
После прохождения урагана выполняется регламентное освидетельствование платформ, фиксируются возможные повреждения, выполняются необходимые ремонтно-восстановительные работы, и по получении разрешения от уполномоченных органов добыча возобновляется. Такая концепция оказывается экономически более выгодной по сравнению со строительством платформ с существенно более высокой несущей способностью, а соответственно, и с большей себестоимостью (капитальными затратами). Заметим,
Рис. 3. Шторм-треки ураганов «Катрина» и «Рита» в Мексиканском заливе, 2005 г. [9]:
ув, м/с - скорость ветра, значения указаны с осреднением за 1 ч
Последствия ураганов в Мексиканском заливе (2005 г.): СПБУ - самоподъемная буровая установка;
ППБУ - полупогружная буровая установка
Ураган Характеристики урагана Дата Последствия
«Рита» V категория; максимальная = 80 м/с; высота волн - 18 м Сентябрь 2005 г. 69 добычных платформ разрушены, 32 получили значительные повреждения; 13 мобильных буровых установок сорваны с якоря; 1 СПБУ затонула; 7 СПБУ и 2 ППБУ получили значительные повреждения
«Катрина» V категория; максимальная = 80 м/с; высота волн - 18 м Август 2005 г. 44 добычные платформы разрушены, 20 получили значительные повреждения; 6 мобильных буровых установок сорваны с якоря; 3 буровые платформы разрушены; 1 СПБУ опрокинута; 2 СПБУ и 5 ППБУ получили значительные повреждения
«Иван» (англ. Ivan) IV категория; максимальная = 75 м/с; высота волн - 18 м Сентябрь 2004 г. 7 добычных платформ разрушены, 6 получили значительные повреждения; 5 плавучих буровых установок получили значительные повреждения
«Лили» (англ. Lili) IV категория; максимальная = 65 м/с; высота волн - 14 м Октябрь 2002 г. 31 добычная платформа разрушена, 6 получили значительные повреждения; 4 мобильные буровые установки сорваны с якоря; 2 СПБУ опрокинуты
Рис. 4. Платформы в Мексиканском заливе, разрушенные и поврежденные в результате прохождения ураганов в 2002-2005 гг.: а - стационарная платформа типа джекет; б - плавучая полупогружная платформа; в - мобильная буровая установка; г и д - платформа типа джекет Е1 294 А соответственно до и после урагана «Рита» [9, 10]
что близкая стратегия реализуется и на платформах Северного моря, когда при штормовом предупреждении соответствующего уровня проводятся консервация производства и массовая эвакуация персонала.
При принятии управленческих решений по выбору той или иной концепции обустройства месторождения на акватории, где наблюдаются айсберги, существенное значение будет иметь обоснованный прогноз вероятностей событий, обусловленных айсберговой угрозой. Возникающие задачи могут решаться только в рамках соответствующих вероятностных моделей (примерные варианты постановки задач и подходы к их исследованию и решению приведены далее). В то же время необходимо четко понимать, что принятие стратегических решений по концепции обустройства конкретного месторождения неизбежно основывается на всестороннем учете большого количества факторов различной природы - часть из них была описана выше.
Вероятностный и детерминистический методы проектирования
Как уже отмечалось, случайный характер ледовых нагрузок, включая нагрузку от навала айсберга, не уникален: это свойство всех нагрузок, порождаемых природными факторами, - волновой, ветровой, снеговой и т.д. Как известно, критерии проектирования методом предельных состояний в обобщенном виде записываются следующим образом:
Qd < я*, (1)
где Qd - расчетное значение силового фактора (или, по новой терминологии3, эффекта воздействия) - усилия, изгибающего момента, напряжения и др., - применительно к рассматриваемому элементу проектируемого сооружения для заданного сочетания приложенных нагрузок; Я* - расчетное значение несущей способности элемента, обычно вычисляемое через прочностные характеристики материала или грунта. (Отметим, что в нормативных документах соотношения типа (1) обычно встречаются в модифицированном виде - с дополнительными коэффициентами, однако для последующего
анализа в нашем случае это не имеет принципиального значения.)
В свою очередь, расчетные значения определяются на основе нормативных значений силового фактора и несущей способности элемента Q0 и Д0 соответственно:
=тЪ =—, (2)
1т
где уу и ут - так называемые частные коэффициенты надежности (соответственно по нагрузке и по материалу).
Подчеркнем, что все вышеуказанные величины являются детерминистическими, поэтому при традиционном проектировании фактор случайности, по сути, исключен, а проявляется он лишь в рамках процедуры определения нормативных (или напрямую расчетных) значений нагрузок и прочности. Далее будем говорить лишь об эффектах воздействия и, соответственно, нагрузках. В качестве нормативного значения нагрузки на сооружение (которая, напомним, носит случайный характер) в общем случае принимается значение, имеющее заданный период повторяемости Т. Значения периода повторяемости могут быть различными для разных видов нагрузок. Для случая ледовой нагрузки современные нормы4 рекомендуют значение Т = 100 лет для основных сочетаний нагрузок и значение Т ~ (103-104) лет для особых сочетаний (к таковым, например, относится и рассматриваемое воздействие айсберга).
Таким образом, согласно определению, под нормативным значением нагрузки да понимается такое значение, которое может быть превышено в течение произвольного временного интервала, обычно года, с вероятностью 1/Т = а, что можно записать в виде следующего уравнения:
А = Q > да хотя бы 1 раз в течение года;
Рг{А} = а, (3)
где А - случайное событие; Q - рассматриваемая нагрузка; Рг{А} - вероятность А. Величину а называют обеспеченностью; часто она выражается в процентах. Например, а = 0,01 или 1 % для периода повторяемости Т = 100 лет.
См. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.
4 См., например, ISO 19906:2010. Petroleum and natural gas industries - Arctic offshore structures.
Условие (3) иногда удобнее записывать в виде
РгШмакс > Ча) = «,
(4)
где бмакс - максимальное значение нагрузки в течение года.
Если теперь ввести функцию распределения для величины 0макс и обозначить ее Fв(x), то уравнение (4) можно переписать в виде
РдЮ = 1 - а.
по своей природе) параметра необходимо учитывать направление подхода айсберга к сооружению.
Чтобы пояснить возникающие трудности, укажем, что в случае других нагрузок природного характера, например волновых или со стороны течений, подход к определению нормативных значений нагрузок несколько отличается от того, который реализуется посредством соотношения (4), а именно применяется соотношение вида
(5)
00 = Q(ю1, ю2, ...),
(6)
Нахождение функции Fe(x) является отнюдь не тривиальной задачей, поскольку Fg(x) зависит (часто, весьма сложным образом) от функций распределения всех величин, которые влияют на нагрузку, а также от геометрических характеристик проектируемого сооружения. Например, для случая воздействия айсберга на сооружение в число определяющих параметров входят в первую очередь масса айсберга и его скорость непосредственно перед контактом с сооружением - от них зависит кинетическая энергия айсберга, но только в начале процесса контакта. Далее важным параметром является прочность айсберга (точнее, давление деформируемого и разрушающегося льда на пятне контакта айсберга с корпусом сооружения; при этом вполне возможно, что эта характеристика не является константой, а, напротив, меняется как по площади контакта, так и по мере внедрения грани сооружения в тело айсберга). Кроме того, характер взаимодействия айсберга с преградой, включая зависимость площади контакта от внедрения (т.е. с увеличением глубины внедрения возрастает нагрузка на сооружение) и длительности процесса активного контакта, существенным образом зависит от геометрии сооружения и самого айсберга в районе зоны контакта. Если геометрия сооружения определена, то форма поверхности айсберга может быть чрезвычайно разнообразной. Из общих соображений понятно, что чем дольше длится контакт, тем ниже будет максимальное значение нагрузки от воздействия айсберга: для торможения айсберга в течение более длительного времени требуются более низкие значения силы по сравнению со случаем «быстрой» остановки. Поскольку характерные размеры в плане для сооружения и айсберга сопоставимы (десятки метров), то в качестве еще одного определяющего (также случайного
где ю^ ю2, ... - набор расчетных значений параметров, характеризующих выбранную ситуацию, а Q(x1, х2, ...) - так называемая формула нагрузки в общем виде. Например, в случае волновой нагрузки набор параметров включает высоту волны заданной обеспеченности, а также ассоциированный период и среднее значение длины волны. Для случая течения определяющим параметров является скорость течения заданной обеспеченности. Заметим, что функции Q являются обычными детерминистическими функциями (приводятся в явном виде в соответствующих нормативных документах).
Принципиально важно, что нормативному значению нагрузки 00 не приписывается (по крайней мере, в явном виде) никакого значения обеспеченности, а требования по обеспеченности предъявляются к характеристикам «воздействующего» объекта: высоте волны, скорости течения, толщине ровного льда, массе и скорости айсберга, его геометрии и т. д. В такой ситуации оказывается возможным установить некоторую границу между этапом подготовки исходных данных для проектирования, в ходе которого определяются расчетные характеристики «воздействующих» природных объектов (традиционно эту задачу выполняют организации, специализирующиеся на инженерных изысканиях), и этапом собственно проектирования, где задачей проектировщика является обеспечение выполнения неравенств типа (1) с учетом (2) и формул нагрузок (6) посредством оптимального выбора конструктивных решений и материалов.
В случае же так называемого «вероятностного подхода к проектированию», выражаемого условием (4), возникает, вообще говоря, порочный круг: проектирование (разработку кон -структивных решений) невозможно начать,
пока неизвестны вероятностные распределения FQ(x) для всех расчетных сценариев, а рассчитать указанные распределения также оказывается невозможным, пока нет конструктивной схемы. Более того, в этой ситуации перед изыскателями должна ставиться задача построения вероятностных функций распределения для всех величин и факторов, влияющих на нагрузки, в то время как при традиционном подходе на стадии изысканий определяются лишь нормативные значения соответствующих величин. Вероятностный подход требует значительно большего объема натурных данных. Возникает вопрос, кто в этой «закольцованной» схеме отвечает за достоверность необходимых вероятностных распределений, которые к тому же требуется знать в области «хвостов», в том числе при значениях порядка 10-3...10-4, а то и 10-5?
В настоящее время в Российской Федерации активно идет процесс обновления нормативной базы в строительстве, в том числе применительно к проектированию морских нефтегазопромысловых объектов. При этом в новых нормативных документах или актуализированных версиях5 закрепляется «вероятностная» формулировка критериев проектирования в форме (4). К сожалению, разработчики этих документов абсолютно не принимают во внимание, что «вероятностное» проектирование предполагает колоссальный объем исходных данных (которые невозможно получить в рамках традиционных инженерных изысканий; к тому же в документах, регламентирующих инженерные изыскания для проектирования, никаких новых «вероятностных» требований не добавляется) и выполнение в последующем очень трудоемкой работы по построению вероятностных функций распределения нагрузок FQ(x). Поэтому вряд ли можно ожидать, что требования об удовлетворении вероятностных критериев типа (4) при разработке проектов морских платформ реально выполнимы, в том числе в части учета возможных воздействий айсбергов. Существует опасность, что если они и будут исполняться на практике, то лишь формально - с применением неких «суррогатных» распределений FQ(x), надежность которых практически невозможно
обосновать. Это, в свою очередь, может негативно сказаться на уровне надежности спроектированного сооружения.
Вероятностный подход к оценке расчетной нагрузки в результате воздействия айсберга
Сказанное ранее отнюдь не означает, что вероятностным подходам не место в проектировании. Речь идет только о том, при решении каких задач аппарат теории вероятностей способен оказать реальную помощь для обоснования тех или иных проектных решений. Одной из таких задач, очевидно, является оценка айс-берговой опасности.
Заметим, что вероятность столкновения с айсбергом (более точно, оценка вероятности, рассчитанная на основе доступной статистической информации с помощью той или иной вероятностной модели) сама по себе не может предоставить исчерпывающую информацию для выполнения проекта морской платформы. Действительно, если в районе морского месторождения возможно появление с определенной частотой лишь небольших айсбергов (или их обломков), то соответствующая расчетная ситуация, видимо, не будет определяющей для проектирования. Если же имеются основания ожидать, пусть и с меньшей частотой, появления крупных айсбергов, то эта расчетная ситуация должна быть учтена. Один из возможных вариантов формализации выражается, например, в требовании рассчитать вероятность столкновения платформы с заданными конструктивными и весогабаритными характеристиками (включая геометрию) в течение определенного периода времени с айсбергом, кинетическая энергия которого имеет значение не ниже заданной величины [11].
Универсальным критерием проектирования является совокупность требований о сохранении проектируемым сооружением несущей способности при воздействии расчетных нагрузок. Рассмотрим этот вопрос применительно к нагрузке, порождаемой возможным столкновением с айсбергом. Сразу необходимо отметить, что расчетная ситуация, соответствующая столкновению с айсбергом, относится к так называемым редким событиям6.
Задача нахождения расчетной нагрузки да от воздействия айсберга (при а ~ 10 4-10 5)
5 См., например, СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) (актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82).
6 Cm. S471-04. General requirements, design criteria, the environment, and loads. - CSA, 2004.
имеет несколько взаимосвязанных аспектов. Необходимая «входная» информация условно может быть подразделена на три крупных блока.
Блок А1: статистические данные о появлении айсбергов в районе размещения платформы и об их размерах и форме. При этом в силу редкой повторяемости соответствующих событий для получения данных с достаточной статистической достоверностью требуются очень длинные ряды наблюдений; очевидно, стандартный 5-летний цикл изыскательских работ сам по себе не в состоянии обеспечить необходимый объем данных - требуется анализ архивных данных. Соответствующие базы данных созданы, например, в Канаде для района Большой Ньюфаундленской банки и в России для Баренцева моря [12, 13].
Блок А2: физико-механическая модель взаимодействия айсберга с платформой, которая охватывает механизмы разрушения льда в зоне контакта и описание динамического поведения айсберга в процессе контакта. На сегодня известен ряд моделей, решающих эту проблему (см., например [14-17]), однако по многим вопросам пока не удается построить необходимые модели.
Блок А3: модель дрейфа айсбергов в районе, где находится платформа. Основными «движущими» факторами являются приливные (отливные) и региональные приповерхностные течения и ветер, а также, возможно, ледяной покров. Поскольку данных о непосредственных наблюдениях траекторий движения отдельных айсбергов обычно недостаточно для получения надежных статистических выводов о пространственно-временных параметрах траекторий айсбергов, то разработка адекватных и эффективных моделей типа «атмосфера - лед - океан» могла бы помочь в решении этой задачи.
В общем случае определяющее уравнение для нахождения расчетного значения да может быть записано в виде:
Рг{шах0(ю(,)) > да} = а,
айсберга на платформу (соударений с платформой) в течение года (обычно число N является случайным, при этом не исключается (для блока А3) случай N = 0).
Формула нагрузки для случая айсберга записывается в виде
Q = Q(ю).
(8)
(7)
где ю(,) = (ю1(,), ю2(,), . • ) - совокупность всех случайных параметров, влияющих на ледовую нагрузку (для айсберга это его скорость в момент соударения, масса и моменты инерции, прочность льда и форма поверхности в зоне контакта и др. Эти параметры появляются в блоках А1 и А2); I = 1 ... N - все случаи воздействия
По ней вычисляется максимальная нагрузка, возникающая в одном отдельно взятом событии взаимодействия платформы с айсбергом при детерминированных значениях случайных параметров (блок А2).
Подходы к моделированию айсберго-вой опасности могут быть различными7 [11, 17-21]. Главным образом применяется метод статистического моделирования Монте-Карло. Основная трудность заключается в выборе вероятностных распределений для всех определяющих параметров и надлежащем их обосновании с учетом практически неизбежной ограниченности объема данных натурных наблюдений, что делает процедуру статистической обработки данных весьма затруднительной.
Далее в статье соответствующие проблемы затронуты лишь частично. Основное внимание уделено построению относительно простых вероятностных моделей дрейфа айсбергов, позволяющих выполнять оценку вероятностей некоторых событий, характеризующих айсберговую опасность.
Модель дрейфа айсбергов
Как известно, траектории дрейфа айсбергов имеют сложный вид: включают и относительно ровные участки, и петли, и угловые точки, и др. (рис. 5). Айсберги перемещаются под воздействием течений и ветра (наличие петель вызвано приливными явлениями).
В силу сочетания ряда факторов на различных акваториях, где наблюдаются айсберги, могут превалировать траектории определенного типа. Рассмотрим в качестве модельного примера зигзагообразные траектории.
Предположим, что на акватории, выбранной в форме прямоугольника со сторонами (ширина вдоль параллели) и Ь2 (длина вдоль меридиана) (рис. 6), преимущественный дрейф айсбергов осуществляется в направлении с севера на юг (рассматриваем случай,
См. также КО 19906:2010.
Рис. 5. Характерные примеры дрейфа айсбергов (по данным спутниковой съемки):
1 и 2 - угловые точки
Рис. 6. Схема дрейфа айсбергов в заданном районе: V - модуль скорости айсберга; Б - диаметр айсберга (характерный размер в плане); Ж - ширина сооружения, для которого выполняется оценка айсберговой угрозы
когда скорость айсберга постоянна по модулю, но может менять направление). Пусть совокуп- Рг ность айсбергов, приходящих в выбранную область (обозначим ее Ц), описывается случайным пуассоновским потоком с интенсивностью X, год-1. Это означает, что вероятности рк попадания в течение периода времени Т, лет, в область к айсбергов задаются следующими соотношениями: р0 = в"
к айсбергов в течение Т лет
&Т)к -ЛТ
= p^ =-в .
к к!
Отсюда следует, что вероятности р0 полного отсутствия айсбергов в области ^ в течение Т лет и р» попадания в область ^ в течение Т лет хотя бы одного айсберга равны
Р>0 =1-в -
2
Отметим важность выделения двух масштабов - глобального и локального - при построении моделей указанного вида. На уровне глобального масштаба мы пренебрегаем детальным описанием траекторий айсбергов и используем только информацию о частоте появления айсбергов в данном районе. Напротив, на локальном уровне мы уже задаемся некоторой схемой перемещения айсбергов.
Введем теперь следующие обозначения для параметров рассматриваемой модели. Пусть к - полный размер айсберга по вертикали; I - длина пути айсберга в пределах области ta - время пребывания айсберга в пределах области Предположим также, что траектории дрейфа айсбергов представляют собой ломаные линии с некоторым регулярным шагом & С учетом принятых обозначений имеет место очевидное соотношение I = vta. Введем также понятие искривленности траектории 4 = 1/Ь2, характеризующее превышение длины пути по сравнению с прямолинейным отрезком Ь2. Параметры айсберга В, V, к рассматриваем как случайные независимые величины, определяемые плотностями и функциями распределений м>в(х) и FD(x), Wv(x) и Fv(x), м>к(х) и ^к(х) соответственно.
Траектории дрейфа характеризуются двумя случайными параметрами s и s2 (см. рис. 6): первый определяет положение оси траектории дрейфа (фактически, точку на верхней границе области, в которой появляется айсберг), а второй - фазу (т.е. начальное смещение вдоль траектории). Предполагается, что случайная величина s1 распределена равномерно на отрезке L1, а s2 - на отрезке S.
Очевидно, что айсберг, появившийся в произвольной точке на верхней границе области и имеющий случайные параметры, столкнется с платформой только в случае выполнения условия (назовем его критерием столкновения):
min расстояние (айсберг, платформа} < D + W.
{путь} 2
Рассмотрим далее простейший вариант модели M0, в котором отсутствует искривленность траекторий айсбергов (рис. 7). Это соответствует случаю I = L2 = const или £ = 1. Из простых геометрических рассуждений вытекает, что при определении вероятности столкновения айсберга с платформой можно заменить платформу точкой, а вместо траектории рассматривать полосу шириной D + W (см. рис. 7). Тогда площадь, занимаемая айсбергом в период его пребывания в области ß: ASW = (D + W)l.
Рис. 7. Схема движения айсбергов для модели М0
Случайное событие появления айсберга на границе области Q (соответствующее случайному значению переменной sj эквивалентно случайному «бросанию» полосы шириной D + W и площадью ASW в область Q. площадью Лп = L1l. Тогда с учетом равномерного распределения величины sj вероятность столкновения айсберга с платформой (события) вычисляется как
^JDWk-iY- (9)
Отметим, что полученный результат зависит лишь от значения D и не зависит от v. Далее, поскольку tn = l/v и l = const, среднее значение времени пребывания (произвольного) айсберга в области Q. определяется следующим образом:
\= IE {!}= (10)
где E{...} обозначает математическое ожидание. Необходимо обратить внимание на то, что в расчетных соотношениях появилась нестандартная характеристика скорости, а именно v = 1/ EJ — [. Очевидно, что в общем случае 1?Ф v, где v = E{v} - сред-
1 v J
нее значение скорости айсбергов, приходящих в рассматриваемую область. С методической точки зрения данный факт заслуживает специального внимания, так как, насколько известно авторам, раньше в родственных исследованиях он не отмечался - речь всегда шла об обычном среднем значении скорости.
Обычно интерес представляют также такие характеристики, как среднее количество айсбергов, находящихся в границах рассматриваемой области, n (очевидно, что в разные моменты времени соответствующие значения в общем случае различны). С учетом пуассоновского характера потока входящих айсбергов несложно показать, что
n = Ц,, (11)
и тогда пространственная плотность потока айсбергов на акватории составляет
Р = л/4 ■ (11а)
Теперь можно найти безусловную вероятность события, состоящего в том, что пришедший в область Q айсберг, имеющий неизвестный случайный диаметр D и неизвестную случайную скорость v, столкнется с платформой, Рсголк (напомним, что по формуле (9) вычисляется условная вероятность столкновения, когда диаметр D и скорость v пришедшего айсберга известны, а неизвестна только точка его появления):
= Г J Рстолк(X,x2)WD(Xi)Wv(x2)dxidx2 =
0 0
D„,„ к„
У V х + / ч.«/ ° + М (й + щ ¡^
= 1 | —((=—.— = --■ (12)
0 0 . .
где Дмакс и умакс - максимально возможные для рассматриваемой области (например, по физическим ограничениям) значения диаметра и скорости движения айсбергов; О - средний диаметр айсбергов в потоке.
Полученную формулу можно переписать в эквивалентном виде:
= (р + Щ ф. (13)
СТОЛК А 4 '
Выделим далее из общего потока айсбергов, приходящих в рассматриваемую область, только те, которые сталкиваются с платформой. Можно показать, что поток сталкивающихся айсбергов, так же как и исходный поток, является пуассоновским, но обладает другой интенсивностью д (очевидно, меньшей X), которая может быть вычислена по формуле
^^ж = (Я + И ¿Р. (14)
Интересно также сравнить вероятностные распределения параметров айсбергов, приходящих в рассматриваемую область, и айсбергов, сталкивающихся с платформой. Факт столкновения8 есть некоторое дополнительное условие, поэтому плотности вероятности для этого случая Шр*(х) и ШДх) необходимо вычислять с помощью условных вероятностей:
К (х) , ШР (х | Схолк) = Ш (х) Рг{Столк Iр = х} =
"сТОЛК
( х + Ш
= Кр (х)
х + Ш
х + (х); (15)
Р + Ш
ш* (х) , ш (х | Схолк)=ш(= х}=(х). (16)
столк
Видно, что модифицированная плотность вероятности для диаметра Шр*(х) изменяется и «сдвигается» в сторону больших значений. Это соответствует очевидному наблюдению, что для айсберга с большим диаметром вероятность столкновения с платформой выше. А вероятностное распределение скоростей остается неизменным по причине того, что в простейшей модели М0 вероятность столкновения от скорости не зависит.
Для оценки айберговой угрозы полезной характеристикой может служить также вероятность того, что в течение Т лет будет иметь место хотя бы одно столкновение айсберга с платформой
^ (Т) = Яо(Г) = 1-ехр(-ц7"). (17)
Важно отметить, что величина "сголк(Т) имеет существенно иной смысл по сравнению со значением "столк (см. уравнение (12)): в формуле (17) присутствует фактор времени, в то время как в (12) его нет. Соответствующие значения не являются взаи-мозаменяющими и должны рассматриваться в совокупности при исследовании айс-берговой угрозы.
Покажем теперь, как можно в рамках построенной модели определить функцию распределения кинетической энергии айсбергов, сталкивающихся с платформой (очевидно, кинетическая энергия айсбергов в исходном входном потоке не представляет особого интереса). Введем новый случайный параметр к', который характеризует отличие объема айсберга с характерным диаметром Р и высотой к от объема правильного цилиндра с теми же параметрами, и запишем выражение для кинетической энергии К айсберга в следующем виде:
К =1 шу2 = 1 к' —ко V2 = кР2ку2.
2 2 4 Ил
Здесь рл - плотность льда; к - приведенный коэффициент заполнения.
Далее в статье параметры, относящиеся к этому случаю, помечены звездочкой.
Введем для удобства случайный вектор х, содержащий четыре случайные компоненты:
х = (х^ x2, x3, x4): D ~ x1; v ~ x2; k ~ x3; h ~ x4. (18)
Считая, что все эти случайные величины являются независимыми, в рамках построенной модели можно найти следующее выражение для условной (мы учитываем только соударяющиеся айсберги) функции распределения кинетической энергии:
I) = Рг{К < 21 Столк} =
= Г ИТЦк^КЫНТМЩ^.Ж(*№ =
0 0 0 0
^ ^ + Г ^ ( I ^
= { { { {^Г ((ХЖ (Х^*2^
где ^^ и ^^ - максимально возможные для рассматриваемой области значения k и высоты айсбергов. Значения данной функции легко могут быть получены численным интегрированием при любом значении г в предположении, что вероятностные распределения параметров (18) известны.
В завершение данного раздела приведем выражение для определения вероятности того, что хотя бы один раз в течение Т лет платформа испытает соударение с айсбергом, кинетическая энергия которого не меньше заданного значения г:
Р*(Г) = 1 -ехр[-цГ(1- ^ (/))]. (19)
При выводе данного соотношения существенно предположение, что поток приходящих айсбергов является пуассоновским.
Оценка частоты столкновений айсберга с платформой
Выполним в сопоставлении оценочные расчеты вероятности столкновения платформы с айсбергом для района Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ) и для района Ньюфаундленской банки. Приведем результаты в предположении, что в рассматриваемых районах айсберги совершают хаотичное петлеобразное движение (рис. 8).
Анализ архивных данных для Баренцева моря за период 1888-1991 гг. [12, 21] показал, что за весь 100-летний период в районе, представляющем собой географический квадрат 72°-74° с.ш., 40°-45° в.д. площадью Аа = 36000 км2, имеется всего 30 наблюдений айсбергов. Это соответствует частоте прихода айсбергов в количестве 0,3 в год. В 2003 г. очередная ледоисследовательская экспедиция в район ШГКМ [21] зафиксировала факт аномального выброса айсбергов: общее число зафиксированных айсбергов и их обломков составило 41. Объединяя информацию в один массив, принимаем среднюю интенсивность прихода айсбергов X = 0,7/Т^ где Т1 - длительность одного года в выбранных единицах времени. Принимаем средний размер айсбергов на уровне ватерлинии й = 100 м, а характерный размер плавучей платформы Ш = 50 м. Средняя скорость дрейфа оценивается как V = 0,2 м/с (отметим, что отсутствует информация, на основе которой можно было бы оценить параметр V). Тогда при условии прямолинейного движения айсберга максимальная длительность его пребывания в рассматриваемом районе оценивается как 12 сут. Наблюдения за айсбергами в Баренцевом море показывают, что траектории их движения значительно отличаются от прямолинейных. Была найдена оценка коэффициента извилистости траекторий айсбергов для условий центральной части Баренцева моря: kш¡¡ = 5 [21]. Для дальнейших расчетов примем три характерных значения средней длительности
Рис. 8. Схема, используемая для моделирования айсберговой угрозы в случае хаотичного дрейфа айсбергов:
С - точка размещения платформы
пребывания айсберга в районе Аа: ^ = 20, 40, 60 сут. Соответствующие значения пространственной плотности потока айсбергов, вычисляемые по формуле (11а), равны
р = 1,110-12; 2,1-10-12; 3,2-10-12. (20)
Используя соотношение, аналогичное (9), находим, что для этих трех случаев вероятности столкновения с пришедшим в район айсбергом равны соответственно 0,0014; 0,0029 и 0,0043. С учетом интенсивности прихода айсбергов, получаем, что ожидаемое число столкновений в течение года с айсбергом для платформы, размещенной на ШГКМ, составляет 0,001; 0,002 и 0,003 соответственно.
Необходимо отметить, что в работах специалистов ФГБУ «ААНИИ» на основе тех же исходных данных частота столкновения с айсбергом оценивается как 1 раз в 104 года [12] (А.К. Наумов [21] приводит несколько иную оценку - 1 раз в 35 лет), что отвечает вероятностям столкновения в течение года ~ 0,01 и 0,03. Оба значения, полученные по методике, отличной от изложенной в настоящей работе, на порядок больше приведенных здесь. Также в ука-
занных работах приводится оценка, согласно которой в районе ШГКМ в среднем 1 раз в 5 лет с вероятностью 95 % следует ожидать в течение года появления от 9 до 19 айсбергов, а один раз в 10 лет - от 12 до 26. С учетом сказанного ранее видно, что в указанных работах [19, 20] айсберговая угроза характеризуется существенно более высокими значениями, что лишний раз подчеркивает нетривиальность применения вероятностных подходов.
Интересно сопоставить расчеты по частоте появления айсбергов с данными района Ньюфаундленской банки. Там айсберги появляются гораздо чаще. Например, в квадрате 46°- 47,5° с.ш., 47,5°- 49,5° з.д. площадью 26000 км2 среднее количество айсбергов, наблюдаемых в течение года, составляет 72,6 ед. в апреле и 88,9 ед. в мае [13]. Отметим, что имеется значительная неравномерность поступления айсбергов в рассматриваемый район. Так, например, в 1984 г. параллель 48° с.ш. пересекло более 2200 айсбергов, а в 1966 г. не было зафиксировано ни одного такого случая, что с учетом зафиксированного в 2003 г. массового выброса айсбергов в район ШГКМ [12], по-видимому, позволяет сделать вывод о том, что такие ситуации хоть и имеют низкие вероятности реализации, тем не менее являются типичными для изучаемой проблемы.
Для квадрата 46°- 47° с.ш., 48°- 49° з.д. площадью 8500 км2, где расположено месторождение «Белая роза», при моделировании айсберговой угрозы среднегодовое число айсбергов, приходящих в указанный квадрат, оценено как 70 ед. Пространственная плотность айсбергов для данного района р = 2,5-10-10, что на два порядка превышает соответствующий показатель для района ШГКМ.
Согласно проведенным на предпроект-ной стадии расчетам, для одиночного айсберга в районе Ньюфаундленской банки вероятность столкновения с платформой составляет приблизительно 0,002-0,003 (на месторождении реализована концепция БР80). С учетом интенсивности потока приходящих айсбергов годовая частота случаев столкновения с айсбергами составляет 0,14-0,21. Это почти на два порядка выше по сравнению с оценками, полученными для ШГКМ, что находится в полном соответствии с тем фактом, что интенсивность потока айсбергов на Ньюфаундленской банке более чем в 100 раз превосходит аналогичный показатель для ШГКМ.
При этом проектом обустройства месторождения «Белая роза» допускается столкновение с айсбергом массой до 100 тыс. т. С учетом применения системы айсбергового мониторинга и (при необходимости) мер активного воздействия на айсберги (эффективность всей системы оценивается как 85-90 %), а также возможности отсоединения райзеров и якорных линий в экстремальных ситуациях (надежность этой технической операции принята равной 99 %) итоговая вероятность столкновения в течение года с айсбергом, масса которого превышает 100 тыс. т, была оценена как (1,2-1,6)-10-4, что признано удовлетворяющим критерию безопасности.
Нефтяное месторождение Хайберния расположено в 315 км к юго-востоку от побережья о. Ньюфаундленд - чуть южнее «Белой розы». Частота появления айсбергов здесь немного меньше. Платформа гравитационного типа «Хайберния» является первой платформой, проект которой предусматривает восприятие удара айсберга. Как уже указывалось, расчетный айсберг по критерию прочности (соударение с которым платформа должна выдерживать без каких бы то ни было повреждений) имеет массу 1 млн т, при этом повторяемость такого события оценивается как 1 раз в 500 лет. Расчетный айсберг по критерию безопасности (при соударении с которым платформа может получить локальные повреждения, устранимые последующим ремонтом) имеет массу 6 млн т, при этом повторяемость такого события оценивается как 1 раз в 10 тыс. лет. Рассчитанная частота столкновений с айсбергом составляет около одного случая в 10 лет, что соответствует вероятности столкновения 0,1 в течение года. Кроме того, проектом реализована постоянно действующая система айсбергового мониторинга, в состав которой включена система раннего обнаружения, отслеживания и активного воздействия на айсберги, призванная снизить вероятность соударения айсберга с платформой. Более чем за 10 лет эксплуатации Хайбернии не было сообщений ни об одном случае столкновения, хотя в рамках подхода, учитывающего достаточно большую вероятность пропуска системой мониторинга небольших по размеру айсбергов (с соответственным значительным увеличением прогнозного числа приходящих айсбергов), получена оценка частоты столкновения порядка 0,3 случая в год [20], что снова существенно выше, чем для условий ШГКМ.
***
Представленные в настоящей работе оценки и суждения никоим образом не следует рассматривать как истину в последней инстанции. Задача авторов состояла в том, чтобы привлечь внимание специалистов к существующим противоречиям нормативно-технических документов и определенному несовершенству современной научно-методической базы с целью активного обсуждения проблемы и выработки решений по обустройству шельфовых месторождений в условиях айс-берговой опасности.
Д.А. Онищенко выражает признательность Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку (проект № 15-5520003 Норва).
Список литературы
1. Sedillot F. The Hibernia Gravity Base Structure /
F. Sedillot // Proc. of 8th International Offshore and Polar Engineering Conference. Montreal, Canada, May 24-29, 1998. - http://www.isope. org/publications/proceedings/ISOPE/ISOPE%20 1998/Paper/Volume%201/I98v1p654.pdf
2. Hebron [online]: ExxonMobil website. - http:// www.hebronproject.com/project/index.aspx
3. Terra Nova // Suncor Energy Inc. [online]. - http:// www.suncor.com/en-CA/about-us/exploration-and-production/east-coast-canada/terra-nova
4. Штокман. Морской добычной комплекс // Сайт Штокман Девелопмент АГ. - http://shtokman.ru/ project/about/offshore
5. Terra Nova system designed for quick release, iceberg scouring // Offshore [online]. - http:// www.offshore-mag.com/articles/print/volume-58/ issue-4/news/exploration/terra-nova-system-designed-for-quick-release-iceberg-scouring.html
6. Leonhardsen R.L. Experience and Risk assessment of FPSOs in use on the Norwegian Continental Shelf. Descriptions of Events / R.L. Leonhardsen,
G. Ersdal and A. Kvitrud // ISOPE Proc. - 2001. -V. I, no. 2001-IL-05. - P. 309-314.
7. Баренц-2020. Оценка международных стандартов для безопасной разведки, добычи и транспортировки нефти и газа в Баренцевом море (российско-норвежский проект): окончательный отчет № 2012-0690 по этапу 4.
8. A hurricane on the OCS. Planning for the worst // MMS Ocean Science. - 2005. - V. 2. - Iss. 6. -P. 4.
9. Assessment of performance of deepwater floating production facilities during hurricane Lili: Report no. GMH-3704-1377. - 2004.
10. Assessment of fixed offshore platform 16. performance in hurricanes Andrew, Lili and Ivan: MMS Project no. 549. - Dec. 2005.
11. Dunwoody A.B. The design ice island for impact against an offshore structure / A.B. Dunwoody // 17. Proc. 15th Offshore Technology Conference. -Houston, USA, 1983. - P. 325- 332.
12. Наумов А.К. Льды и айсберги в районе Штокмановского газоконденсатного 18. месторождения / А.К. Наумов, Г.К. Зубакин,
Ю.П. Гудошников и др. // Труды межд. конференции «Освоение шельфа России» (RAO-03), 16-19 сент. 2003. - СПб., 2003. -С. 337-342.
13. Verbit S. Development of a database for iceberg sightings off Canada's east coast / S. Verbit, 20 G. Comfort, G. Timco // Proc. 18th Int. Symposium
on Ice, IAHR'06. - Sapporo, Japan, 2006. - V. 2. -P. 89-96.
14. Vershinin S.A. Impact interaction of iceberg 21 and ice-resistant offshore platform for the Shtockmanovskoye field / S.A. Vershinin,
V.E. Nagrelli, S.V. Yermakov et al. // Proc. First Int. Conf. on Development of the Russian Arctic Offshore. - St. Petersburg, Russia, 1993. - P. 192196.
15. Matskevitch D.G. Eccentric impact of an ice feature: linearized model / D.G. Matskevitch // Cold Region Science and Technology. - 1997. -V. 25. - P. 159-171.
On necessity to consider the iceberg threat at substantiation of a concept for development of Arctic hydrocarbon fields
D.A. Onishchenko12*, V.S. Safonov1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Est. 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation
2 Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences (IPMech RAS), Bld. 101-1, prospekt Vernadskogo, Moscow, 119526, Russian Federation
* E-mail: [email protected]
Abstract. A task for construction of hydrocarbon fields at iceberg-hazardous water areas is of great practical significance for efficient mastering of offshore oil and gas resources in the Russian Arctic. In particular, it concerns the Barents and the Kara seas where a number of fields and prospective structures with large hydrocarbon reserves are located. In numerous cases the most feasible technique is to develop these fields using plants based on stationary or floating platforms. In respect to such platform-based constructions the correct solution of problems related to quantitative and qualitative estimation of the iceberg hazard, selection of parameters characterizing this hazard, and substantiation of calculated values of key parameters, other things being equal, will determine both technical and economic efficiency of a project and a level of its operation reliability and safety, as well as concurrent risks.
The paper describes possible ways to design platforms in conditions of iceberg hazard. So, the projects being nowadays realized all over the world are compared, among others the role of an ice situation control system as applied to iceberg hazard is noted. It seems obvious that for making managerial decisions aimed at choosing some concept of field construction in water area with icebergs a valid forecast for iceberg hazard will be important. This hazard is characterized by randomicity and statistical volatility. That's why a problem of its quantitative estimation should be probabilized which will principally complicate necessary mathematical apparatus and need detailed statistical data on governing parameters.
Matskevitch D.G. Eccentric impact of an ice feature: non-linear model / D.G. Matskevitch // Cold Region Science and Technology. - 1997. -V. 26. - P. 55-66.
Fuglem M. Design load calculations for iceberg impacts / M. Fuglem, K. Muggeridge, I. Jordaan // Int. J. of Offshore and Polar Engineering. -1999. - V. 9. - № 4. - P. 298-306.
Nevel D. Ice force probability issues / D. Nevel // Proc. IAHR Ice Symposium. - Banff, Canada, 1992. - P. 1497-1506.
Korsnes R. Approaches to find iceberg collision risks for fixed offshore platforms / R. Korsnes, G. Moe // Int. J. Offshore and Polar Engineering. -1994. - V. 4. - № 1. - P. 48-52.
Fuglem M. Iceberg-structure interaction probabilities for design / M. Fuglem, I. Jordaan, G. Crocker // Can. J. Civ. Eng. - 1996. - V. 23. -P. 231-241.
Наумов А.К. Распределение айсбергов в районе Штокмановского газоконденсатного месторождения и оценки столкновения айсберга с платформой / А.К. Наумов // Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов на арктическом шельфе. - СПб., 2004. - T. 449. - C. 140-152. - (Труды ААНИИ).
For methodical purposes in the second part of the paper a simple probabilistic model is studied. On example
of this model some approaches to estimation of the iceberg hazard are shown.
Keywords: continental shelf, offshore platform, drift of icebergs, iceberg menace, probabilistic model.
References
1. SEDILLOT, F. The Hibernia Gravity Base Structure. International Offshore and Polar Engineering Conference proc. [online]. Montreal, Canada, May 24-29, 1998, no. 8. [viewed 17 January 2017]. Available from: http:// www.isope.org/publications/proceedings/IS0PE/IS0PE%201998/Paper/Volume%201/I98v1p654.pdf
2. Hebron [online]: ExxonMobil website [viewed 15 December 2016]. Available from: http://www.hebronproject. com/project/index.aspx
3. SUNCOR ENERGY INC. Terra Nova [online]. In: Suncor: website [viewed 5 November 2016]. Available from: http://www.suncor.com/en-CA/about-us/exploration-and-production/east-coast-canada/terra-nova
4. SHTOKMAN DEVELOPMENT AG. Offshore Facilities [online]. In: Shtokman: website [viewed 13 January 2017]. Available from: http://shtokman.ru/en/project/about/offshore/
5. Terra Nova system designed for quick release, iceberg scouring. Offshore [online]. PennWell Corporation, Tulsa, OK [viewed 25 October 2016]. Available from: http://www.offshore-mag.com/articles/print/volume-58/ issue-4/news/exploration/terra-nova-system-designed-for-quick-release-iceberg-scouring.html
6 LEONHARDSEN, R.L., G. ERSDAL and A. KVITRUD. Experience and Risk assessment of FPSOs in use on the Norwegian Continental Shelf. Descriptions of Events. ISOPE Proc. 2001, vol. I, no. 2001-IL-05, pp. 309-314.
7. Barents 2020. Assessment of international standards for safe exploration, production and transportation of oil and gas in the Barents Sea. Russia-Norway project, stage no. 4., final report no. 2012-0690.
8. A hurricane on the OCS. Planning for the Worst. MMS Ocean Science. 2005, vol. 2, iss. 6, p. 4.
9. Assessment of performance of deepwater floating production facilities during hurricane Lili. Report no. GMH-3704-1377. 2004.
10. MINERALS MANAGEMENT SERVICE. Assessment of fixed offshore platform performance in hurricanes Andrew, Lili and Ivan: project no. 549. December 2005.
11. DUNWOODY, A.B. The design ice island for impact against an offshore structure. Offshore Technology Conference proc. Houston, USA, 1983, no. 15, pp. 325- 332.
12. NAUMOV, A.K., G.K. ZUBAKIN, Yu.P. GUDOSHNIKOV et al. Ices and icebergs in vicinity of the Shtokman gas-condensate field [Ldy i aysbergi v rayone Shtokmanovskogo gazokondensatnogo mestorozhdeniya]. In: RAO-03proc., 16-19 September 2003. St. Petersburg, 2003, pp. 337-342. (Russ.).
13. VERBIT, S., G. COMFORT and G. TIMCO. Development of a database for iceberg sightings off Canada's east coast. IAHR'06proc. Sapporo, Japan, 2006, no. 18, vol. 2, pp. 89-96.
14. VERSHININ, S.A., V.E. NAGRELLI, S.V. YERMAKOV et al. Impact interaction of iceberg and ice-resistant offshore platform for the Shtockmanovskoye field. First Int. Conf. on Development of the Russian Arctic Offshore proc. St. Petersburg, Russia, 1993, vol. 1, pp. 192-196.
15. MATSKEVITCH, D.G. Eccentric impact of an ice feature: linearized model. Cold Region Science and Technology. 1997, vol. 25, pp. 159-171. ISSN 0165-233X.
16. MATSKEVITCH, D.G. Eccentric impact of an ice feature: non-linear model. Cold Region Science and Technology. 1997, vol. 26, pp. 55-66. ISSN 0165-233X.
17. FUGLEM, M., K. MUGGERIDGE, I. JORDAAN. Design load calculations for iceberg impacts. Int. J. of Offshore and Polar Engineering. 1999, vol. 9, no. 4, pp. 298-306. ISSN 1053-5381.
18. NEVEL, D. Ice force probability issues. In: Proc. IAHR Ice Symposium. Banff, Canada, 1992, pp. 1497-1506.
19. KORSNES R. and G. MOE. Approaches to find iceberg collision risks for fixed offshore platforms. Int. J. of Offshore and Polar Engineering. 1994, vol. 4, no. 1, pp. 48-52. ISSN 1053-5381.
20. FUGLEM, M., I. JORDAAN, G. CROCKER. Iceberg-structure interaction probabilities for design. Can. J. Civ. Eng. 1996, vol. 23, pp. 231-241. ISSN 0315-1468.
21. NAUMOV, A.K. Distribution of icebergs in vicinity of the Shtokman gas-condensate field and estimations ofan iceberg and a platform collision [Raspredeleniye aysbergov v rayone Shtokmanovskogo gazokondensatnogo mestorozhdeniya i otsenki stolknoveniya aysberga s platformoy]. TrudyAANII. Complex study and investigation of ice and hydrometeorologic phenomena and processes offshore the Arctic [Kompleksnyye issledovaniya i izyskaniya ledovykh i gidrometeorologicheskikh yavleniy i processov na arkticheskom shelfe]. St.Petersburg, 2004, vol. 449, pp. 140-152. ISBN 0130-5123. (Russ.).
