В работе рассматриваются различные аспекты ледоисследовательских работ применительно к природным условиям баренцевоморского шельфа. Традиционные методы полевых работ дополняются новыми экспериментальными методами, направленными на повышение качества информации о морском ледяном покрове, айсбергах и ледниках. Все методы прошли апробацию в ходе инженерных изысканий для освоения морских углеводородных месторождений и научно-исследовательских экспедиций по программе Международного Полярного года 2007/2008 гг.
Для осуществления всех видов прикладных и научных исследований по обеспечению гидрометеорологической и ледовой информацией освоения месторождений углеводородов в шельфовой зоне арктических морей в ААНИИ в 1991 г. была создана лаборатория «Арктик-Шельф». Первым крупным проектом, в котором лаборатория заняла место головного подразделения института, был пятилетний цикл инженерных гидрометеорологических изысканий в районе Приразломного нефтяного месторождения в Печорском море для проектирования морской ледостойкой платформы (Данилов и др., 2003, Зубакин и Данилов, 2000). Основным способом получения необходимой информации являлись морские экспедиции, проводимые в период максимального развития ледяного покрова (для Печорского моря это апрель), в ходе которых выполнялся основной комплекс ледоисследовательских и гидрометеорологических работ, состав которого будет рассмотрен ниже. В процессе работ по Приразломному месторождению сложились два варианта логистической организации экспедиций:
1) на судах ледового класса (в 1996 г. это было обеспечивающее судно «Нефтегаз-57»; в 1997, 2001, 2003 гг. работы проводились на научно-экспедиционном судне «Михаил Сомов» с вертолетом Ми-8Т на борту);
2) вертолетные экспедиции с использованием вертолетов Ми-8МТВ и Ми-8Т (1998, 1999 гг.), экспедиционный состав и вертолеты базировались на берегу в поселке Варандей.
При первом варианте организации экспедиции судно, находясь в районе работ, выполняет судовые ледовые и гидрологические станции, в которых задействуется наиболее громоздкое и тяжелое оборудование. Одновременно мобильная десантная группа, используя судовой вертолет, выполняет «облегченный» комплекс работ на удаленных от судна вертолетных станциях (рис. 1). В то время, как десантная группа работает на льду, вертолет производит комплекс дистанционных наблюдений и попутную ледовую разведку с поиском льдин для последующих ледовых станций и проходов к ним в условиях сплоченного льда. Основным преимуществом такого варианта организации экспедиций является возможность значительно увеличить объемы наблюдений за счет одновременного выполнения судовых и вертолетных станций, что очень важно для получения статистически значимых оценок характеристик природной среды. Кроме того, в судовых экспедициях практически отсутствуют ограничения на размеры и вес оборудования, что позволяет расширять, при необходимости, состав работ и, как следствие, повышать качество исследований.
Рис. 1. Организация работ при полевых гидрометеорологических и ледовых исследованиях в Баренцевом море. 1 – исследование морфометрии и внутренней структуры тороса; 2 – площадка для определения физико-механических свойств льда; 3 – подледные гидрологические наблюдения (зондирующие приборы); 4 – гидролокационная съемка нижней поверхности ледяного покрова
Достоинством второго варианта организации экспедиции является более низкая стоимость полевых работ за счет отказа от аренды судна, уменьшения объемов работ, используемого оборудования и количества личного состава. Как показала практика, в морских исследованиях вертолетные экспедиции могут эффективно использоваться при небольшом удалении района работ от береговых пунктов базирования вертолетов.
Параллельно с работами на Приразломном месторождении были выполнены гидрометеорологические изыскания для Варандейского нефтяного терминала (1999–2004 гг.). В этих работах, помимо морских экспедиций с основным комплексом ледовых и гидрометеорологических наблюдений, в рамках гидрометеорологических исследований применялись инновационные для отечественной практики того времени постановки автономных буйковых станций (АБС) с комплексом приборов для определения осадки подводной части торосов, характеристик дрейфа льда и подледных течений. АБС устанавливались на период от нескольких месяцев до двух лет. Постановка первых АБС осуществлялась с представителями канадской компании ASL – разработчика подводного комплекса.
В 2001–2007 гг. был выполнен полный цикл морских инженерных ледовых и гидрометеорологических изысканий на Штокмановском ГКМ (ШГКМ) (Данилов и др., 2008). Экспедиции выполнялись на НЭС «Михаил Сомов» в апреле-мае. Морские льды непосредственно на Штокмановском месторождении появляются не каждый год (Наумов и др., 2003), поэтому ледовую составляющую исследований в большинстве случаев приходилось переносить значительно севернее – в районы, откуда ледяные поля дрейфуют на ШГКМ. Очень важным в процессе работ оказался 2003 г., когда к месторождению из северных районов моря очень близко подошли двухлетние льды, а на самой его акватории была встречена целая «флотилия» айсбергов: ледовые наблюдатели получили тогда более 100 фиксаций координат айсбергов. Наиболее крупные из них были детально обследованы. Это аномальное для данного района скопление айсбергов не имело аналогов за всю более чем 100-летнюю историю наблюдений за айсбергами в Баренцевом море, как по количеству, так и по их размерам. До 2003 г. эксперты оценивали вероятность сближения айсберга и платформы на Штокмановском месторождении на расстояние 100–200 м как редкое событие, возможное 1 раз в 100–1000 лет, причем считалось, что это могут быть лишь небольшие айсберги либо их обломки. Новые оценки составили для тех же значений сближения 1 раз в 16–104 лет. При этом масса самого крупного в обнаруженном скоплении столообразного айсберга, пересекшего в мае 2003 г. акваторию месторождения, составила 3,7 млн т (рис. 2).
Рис. 2 Столообразный айсберг с горизонтальными размерами 424×190 м и массой более 3 млн т в районе Штокмановского ГКМ в Баренцевом море, 2003 г.
Результаты экспедиции 2003 г. заставили пересмотреть всю концепцию освоения Штокмановского месторождения. При этом заказчики потребовали от изыскателей всесторонней оценки айсберговой угрозы для исследуемого района и предложений для разработки комплекса мер по ее снижению. В итоге, в 2004–2007 гг. основной комплекс ледовых и гидрометеорологических наблюдений был дополнен гляциологическими исследованиями основных айсбергопродуцирующих ледников Земли Франца-Иосифа и Новой Земли и мониторингом айсбергов на всей акватории северо-восточной части Баренцева моря. В 2004 и 2005 гг. в ходе ледоисследовательских экспедиций на «Михаиле Сомове» были выполнены первые в России экспериментальные буксировки айсбергов с целью отвода их от предполагаемого гидротехнического сооружения (Данилов и др., 2008, Лоскутова, 2004). Важным результатом исследований явилась концепция ледового менеджмента для защиты добывающих объектов ото льдов и айсбергов (Гудошников и др., 2008).
Состав основного комплекса гидрометеорологических и ледовых работ, выполняемых в ходе морских инженерных изысканий, определяется нормативными документами и руководствами (ВСН, 1988, СНиП, 1996, 1997, 2004). Наиболее полно и подробно применительно к морским условиям он раскрыт в СП 11-114-2004 «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений» (СП, 2004). Путем апробации различных методов наблюдений за характеристиками природной среды, формирования приборной базы, развития и совершенствования тех методов, которые позволяют обеспечить требуемую точность измерений, в лаборатории «Арктик-Шельф» была разработана своя технология выполнения полевых изысканий для акваторий замерзающих морей (Зубакин и др., 2006). Обобщенный перечень видов наблюдений, необходимых при проведении экспедиционных работ, приведен в табл. 1.
Таблица 1. Состав основного комплекса ледовых и гидрометеорологических наблюдений при проведении изыскательских работ на шельфе
Проблемы, связанные с повышением качества гидрометеорологических изысканий в морских условиях, стоят очень остро в мировой практике не одно десятилетие. Ледяной покров занимает в списке этих проблем едва ли не лидирующее место. Несмотря на обилие нормативных документов, дебаты между изыскателями и проектировщиками по вопросам выбора исследуемых объектов и методикам наблюдений не прекращаются. Суть проблемы, на наш взгляд, кроется в принципиальных различиях в представлениях одних и других о морском ледяном покрове. Для успешного решения проблемы обеспечения безопасности гидротехнических объектов на уровне проектирования, все угрозы должны быть предельно четко и максимально полно описаны в качестве входных параметров в более или менее сложных моделях взаимодействия конструкций с окружающей средой. Для этого составляющие ледяного покрова разделены в соответствии с существующими классификациями и ледовой номенклатурой на ледяные образования различного вида, описываемые стандартным набором характеристик. В процессе полевых работ изыскатели сталкиваются с практически бесконечным разнообразием реальных ледяных форм и образований. В связи с этим, представление их в терминах существующих моделей далеко не всегда может быть однозначным.
Наиболее характерным примером подобной неоднозначности является проблема консолидированного слоя торосов – одной из основных характеристик льда, используемых при расчете ледовых нагрузок. Несмотря на большое количество исследований торосов в России и за рубежом, точного определения, что следует считать консолидированным слоем, которое одновременно удовлетворило бы и проектировщиков, и ледовых экспертов фактически не существует (что не мешает этому понятию присутствовать в нормативной литературе). Отсутствие такого терминологического определения порождает множество несогласий в методических вопросах выделения консолидированного слоя в полевых условиях.
Работа над проблемой консолидированного слоя ведется в ААНИИ постоянно. В полевых условиях были опробованы практически все известные на сегодня методы выделения консолидированного слоя: по вертикальному распределению температуры в торосе, по вертикальному распределению давления, оказываемого на индентор скважинного зонда-прессиометра и др. Наиболее надежным методом остается обработка результатов сквозного бурения торосов (механического, водяного, термобурения). Большой объем наблюдений, полученный в ходе изысканий, показал, что толщина консолидированного слоя сильно изменяется даже в пределах одного тороса, встречаются торосы с несколькими ядрами консолидации. Большой прогресс в понимании процесса консолидации льда в природных условиях удалось достичь в ходе подводных исследований торосов с использованием водолазов и телеуправляемых аппаратов. В частности выяснилось, что в однолетних торосах в северо-восточной части Баренцева моря достаточно часто встречается гротообразная консолидация (рис. 3), в которой пустоты не являются показателем раздела консолидированной и неконсолидированной частей тороса, а весь киль выступает как единая жесткая конструкция.
Рис. 3. Подводная часть тороса
Еще одной актуальной проблемой ледовых изысканий является определение прочности льда для расчета ледовых нагрузок. Отечественные нормативы и руководства предписывают рассчитывать нагрузки, используя среднюю по толщине льда прочность, полученную в ходе испытаний малых ледяных образцов (СНиП, 1996). Однако такой метод дает завышенные пределы прочности, что ведет к неоправданному утяжелению и удорожанию конструкций. Практические эксперименты показали, что прочность льда, определенная в ходе приложения нагрузки ко всей толщине льда (так называемая «крупномасштабная прочность»), существенно ниже, чем рассчитанная осреднением пределов прочности малых образцов (Алексеев и др., 2001). В результате, в последние годы использование только традиционных методов определения физико-механических характеристик льда для задач инженерных изысканий зачастую уже не устраивает заказчиков, особенно зарубежных. Поэтому в ААНИИ внедрены и уже в течение ряда лет успешно используются методы крупномасштабных испытаний льда (Степанов и др. 2003). Дальнейшим развитием данного направления оказался разработанный в институте метод определения глобальных нагрузок со стороны торосов на сооружение. Основным измерительным средством в этом случае выступает ледокол, воздействующий на торос. При этом регистрируются все параметры движения ледокола по всем степеням свободы, а также усилие на винте. Перед началом испытаний выполняется детальное обследование тороса. Метод определения глобальных нагрузок был успешно реализован в 2008 г. на ледоколе «Капитан Николаев» и в 2009 г. на атомном ледоколе «Ямал» в ходе экспедиционных исследований в северо-восточной части Баренцева моря, направленных на освоение Штокмановского ГКМ.
В практике инженерных изысканий на месторождениях арктического шельфа нередки случаи, когда в состав полевых работ включаются эксперименты, не имеющие прямого отношения к стандартному комплексу изысканий. Это связано с тем, что заказчики часто предпочитают получить наиболее полный комплекс интересующей их информации по природной среде «из одних рук», поскольку морские экспедиции, как правило, сопровождаются дорогостоящей арендой судов, и организация отдельных экспедиций для решения дополнительных задач экономически невыгодна. Примером подобных «дополнительных» исследований являются работы по оценке и минимизации айсберговой угрозы для гидротехнических сооружений. В рамках изысканий на Штокмановском ГКМ, ААНИИ в сотрудничестве с Институтом географии РАН (ИГ РАН) в течение нескольких лет проводились комплексные исследования айсбергов и айсбергопродуцирующих ледников: выполнялись аэрофотосъемка айсбергов и ледниковых фронтов ЗФИ и Новой Земли, воздушное радиолокационное зондирование толщи ледников, гидролокационные исследования подводной части айсбергов, гляциологические работы непосредственно на айсбергах и ледниках, определялись скорости течения ледников и дрейфа айсбергов (рис. 4).
Рис. 4. НЭС «Михаил Сомов» среди айсбергов возле ледника Павлова (Новая Земля)
Опыт ледовых исследований, накопленный в ходе изысканий в 1990–2000-х гг., был в полной мере реализован при подготовке и осуществлении Программы Международного Полярного года 2007/2008 гг. В ходе МПГ были выполнены три экспедиции в северо-восточной части Баренцева моря и Карском море с исследованием ледяного покрова, ледников и айсбергов. На основе собранных материалов, как в ходе изысканий, так и в ходе работ в рамках МПГ, была создана единая база данных по характеристикам айсбергов Баренцева и Карского морей.
Уикс в работе (Уикс, 1997), посвященной истории исследований морского льда, описывает множество примеров, когда военные и экономические интересы государств Арктического бассейна стимулировали ускоренное развитие этого направления наук о Земле. Освоение ресурсов арктического шельфа России в настоящее время позволяет получать новые данные по морским льдам, айсбергам и связанным с ними процессам, в объемах, заметно превышающих сугубо научные программы последних лет. Особую ценность этой информации придает обусловленный нуждами изысканий комплексный характер наблюдений, позволяющий отслеживать все интересующие нас процессы во взаимосвязи, соединяя метеорологию, различные направления океанологии, гляциологию, географию, климат. Уже сейчас можно констатировать, что благодаря инженерным изысканиям наши знания о природных условиях морей арктического шельфа, и прежде всего, Баренцева моря, за последнее десятилетие значительно расширились. Еще большего прогресса в этой области следует ожидать в течение ближайших лет по мере усвоения, обобщения и анализа данных большого числа экспедиций, проведенных в первом десятилетии XXI в.
Ю.Н. Алексеев, В.П. Афанасьев, О.Е. Литонов, М.Н. Мансуров, В.В. Панов, П.А. Трусков. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. – 282 с.
ВСН 41.88 (экспериментальные)/ Миннефтепром. Проектирование ледостойких стационарных платформ. – М.: Миннефепром, 1988. – 136 с.
Ю.П. Гудошников, Г.К. Зубакин, А.В. Чернов. Вопросы обеспечения безопасности морских инженерных сооружений от айсбергов// Морская Биржа, № 3 (25), 2008. – С. 70–73.
А.И. Данилов, Ю.П. Гудошников, Г.К. Зубакин. Ледовые исследования и изыскания в районе Штокмановского ГКМ// МурманшельфИнфо, № 4, 2008. – С. 18–20.
А.И. Данилов, Г.К. Зубакин, А.Г. Шеломенцев, Н.В. Чурсина. Результаты пятилетних ледовых исследований и инженерных изысканий в районе Приразломного нефтяного месторождения в Печорском море// Тр. RAO-03, СПб, 16–19 сентября 2003 – С. 290–294.
Г.К. Зубакин, А.И. Данилов. Изучение природных условий замерзающих морей шельфов России в интересах освоения нефтяных и газовых месторождений// Проблемы Арктики и Антарктики, юб. вып. 72, 2000. – С.109–123.
Г.К. Зубакин, Ю.П. Гудошников, Н.Е. Дмитриев, А.К. Наумов, И.В. Степанов. Технология сбора и анализа данных о ледяном покрове замерзающих морей для обеспечения освоения шельфовых месторождений// Технологии ТЭК, № 2 (27), 2006. – С. 72–77.
О. Лоскутова. Даже айсберг может стать послушным// Морская Биржа, № 3 (9), 2004. – С. 70–71.
А.К. Наумов, Г.К. Зубакин, Ю.П. Гудошников, И.В. Бузин, А.А. Скутин. Льды и айсберги в районе Штокмановского газоконденсатного месторождения// Тр. RAO-03, СПб, 16–19 сентября 2003 – С. 337–342.
СНиП 2.06.04/ Минстрой России. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). – М.: Стройиздат, 1996.
СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства/ Госстрой России. – М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997. – 29 с.
СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений/ Госстрой России. – М.: ФГУП «ПНИИИС» Госстроя России, 2004. – 88 с.
И.В. Степанов, В.А. Лихоманов, П.М. Николаев. Крупномасштабные испытания прочности ровного льда Баренцева моря: метод исследования и предварительные результаты// Тр. RAO-03, СПб, 16–19 сентября 2003 – С. 190–193.
У.Ф. Уикс. Исследование морского льда: краткая история/Морской лед. Сбор и анализ данных наблюдений, физические свойства и прогнозирование ледовых условий (справочное пособие). – СПб: Гидрометеоиздат, 1997. – С. 8–35.
Abstract
The work is devoted to various aspects of the ice research activities in environmental conditions of the Barents Sea shelf. Traditional methods of the field works are elaborated by new experimental methods aimed at improvement of the quality of information on the se ice cover, icebergs and glaciers. All the methods were tested in the course of engineering surveys meant for exploration of marine hydrocarbon deposits and scientific expeditions performed in the scope of program of the International Polar year 2007/08.