Оффшорная геотехническая инженерия является подотраслью геотехнической инженерии . Она занимается проектированием фундаментов, строительством, обслуживанием и выводом из эксплуатации искусственных сооружений в море . [1] Нефтяные платформы , искусственные острова и подводные трубопроводы являются примерами таких сооружений. Морское дно должно быть способно выдерживать вес этих сооружений и прилагаемые нагрузки. Геологические опасности также должны быть приняты во внимание. Необходимость в разработке месторождений на шельфе вытекает из постепенного истощения запасов углеводородов на суше или вблизи береговых линий, поскольку новые месторождения разрабатываются на больших расстояниях от берега и в более глубоких водах, [2] с соответствующей адаптацией исследований на шельфе. [3] Сегодня существует более 7000 морских платформ, работающих на глубине воды до и более 2000 м. [2] Типичная разработка месторождения простирается на десятки квадратных километров и может включать несколько стационарных сооружений, внутрипромысловых выкидных линий с экспортным трубопроводом либо к береговой линии, либо подключенным к региональной магистрали. [4]
Морская среда имеет несколько последствий для геотехнической инженерии. Они включают следующее: [1] [4]
Морские сооружения подвергаются различным нагрузкам окружающей среды: ветер , волны , течения , а в холодных океанах — морской лед и айсберги . [6] [7] Нагрузки окружающей среды действуют в основном в горизонтальном направлении, но также имеют вертикальную составляющую. Некоторые из этих нагрузок передаются на фундамент (морское дно). Режимы ветра, волн и течений можно оценить по метеорологическим и океанографическим данным, которые в совокупности называются метеокеаническими данными . Также может возникнуть нагрузка, вызванная землетрясением — она распространяется в противоположном направлении: от фундамента к конструкции. В зависимости от местоположения, другие геологические опасности также могут быть проблемой. Все эти явления могут повлиять на целостность или эксплуатационную пригодность конструкции и ее фундамента в течение срока ее эксплуатации — их необходимо учитывать при проектировании морских сооружений.
Ниже приведены некоторые особенности, характеризующие почву в морской среде: [8]
Волновые силы вызывают движение плавучих конструкций во всех шести степенях свободы – они являются основным критерием проектирования для морских сооружений. [9] [примечание 1] Когда орбитальное движение волны достигает морского дна, оно вызывает перенос осадка. Это происходит только до глубины воды около 200 метров (660 футов), что является общепринятой границей между мелководьем и глубоководьем . Причина в том, что орбитальное движение распространяется только до глубины воды, составляющей половину длины волны, а максимально возможная длина волны обычно считается равной 400 метрам (1300 футов). [7] На мелководье волны могут вызывать нарастание порового давления в почве, что может привести к скольжению потока, а повторное воздействие на платформу может вызвать разжижение и потерю опоры. [7]
Течения являются источником горизонтальной нагрузки для морских сооружений. Из-за эффекта Бернулли они также могут оказывать восходящие или нисходящие силы на поверхности конструкций и могут вызывать вибрацию проводных линий и трубопроводов. [7] Течения ответственны за вихри вокруг конструкции, которые вызывают размывание и эрозию почвы. [7] Существуют различные типы течений: океаническая циркуляция , геострофические , приливные , ветровые и плотностные течения . [7]
Геоопасности связаны с геологической активностью, геотехническими особенностями и условиями окружающей среды. Мелководные геоопасности возникают на глубине менее 400 метров (1300 футов) ниже морского дна. [10] Информация о потенциальных рисках, связанных с этими явлениями, собирается путем изучения геоморфологии, геологической обстановки и тектонической структуры в интересующей области, а также геофизических и геотехнических исследований морского дна. [5] Примерами потенциальных угроз являются цунами , оползни , активные разломы , грязевые диапиры и характер слоистости почвы (наличие карста , газовых гидратов , карбонатов). [10] [11] [12] В холодных регионах выпахивание льда представляет угрозу для подводных установок, таких как трубопроводы. [13] [14] [5] Риски, связанные с определенным типом геологической опасности, зависят от того, насколько структура подвержена событию, насколько серьезным является это событие и как часто оно происходит (для эпизодических событий). Любая угроза должна контролироваться и смягчаться или устраняться. [15] [16]
Исследования на шельфе мало чем отличаются от исследований на суше (см. Геотехнические исследования ). Их можно разделить на три этапа: [17]
На этом этапе, который может длиться несколько месяцев (в зависимости от размера проекта), собирается информация из различных источников, включая отчеты, научную литературу (журнальные статьи, материалы конференций) и базы данных, с целью оценки рисков, оценки вариантов проектирования и планирования последующих этапов. Батиметрия , региональная геология, потенциальные геологические опасности, препятствия на морском дне и гидрометеорологические данные [17] [18] — вот некоторые из сведений, которые требуются на этом этапе.
Геофизические исследования могут использоваться для различных целей. Одной из них является изучение батиметрии в интересующем месте и создание изображения морского дна (неровности, объекты на морском дне, боковая изменчивость, ледовые пропахивания , ...). Сейсмические исследования методом преломления волн могут проводиться для получения информации о стратиграфии мелководного морского дна - их также можно использовать для обнаружения материалов, таких как песок, песчаные отложения и гравий, для использования при строительстве искусственных островов . [19] Геофизические исследования проводятся с исследовательского судна, оснащенного гидролокаторами и соответствующим оборудованием, таким как однолучевые и многолучевые эхолоты , гидролокаторы бокового обзора , «буксируемые рыбы» и дистанционно управляемые аппараты (ROV) . [20] [21] Для стратиграфии поддонного слоя используемые инструменты включают бумеры, спаркеры, пингеры и чирпы. [22] Геофизические исследования обычно требуются перед проведением геотехнических исследований; в более крупных проектах эти фазы могут быть переплетены. [22]
Геотехнические изыскания включают в себя комбинацию отбора проб, бурения, испытаний на месте, а также лабораторных испытаний грунта, которые проводятся на море и, с образцами, на суше. Они служат для проверки результатов геофизических исследований; они также предоставляют подробный отчет о стратиграфии морского дна и инженерных свойствах грунта. [23] В зависимости от глубины воды и гидрометеорологических условий геотехнические изыскания могут проводиться с помощью специального геотехнического бурового судна , полупогружного судна , самоподъемной буровой установки , большого судна на воздушной подушке или других средств. [24] Они проводятся в ряде определенных мест, в то время как судно сохраняет постоянное положение. Для этой цели используются динамическое позиционирование и швартовка с четырехточечными якорными системами.
Геотехнические исследования с неглубоким проникновением могут включать отбор проб почвы с поверхности морского дна или механические испытания на месте. Они используются для получения информации о физических и механических свойствах морского дна. [25] Они простираются до первых нескольких метров ниже линии ила. Исследования, проводимые на этих глубинах, которые могут проводиться одновременно с неглубокими геофизическими исследованиями, могут быть достаточными, если структура, которая будет развернута в этом месте, относительно легкая. Эти исследования также полезны для планирования маршрутов подводных трубопроводов.
Целью глубоких геотехнических изысканий является сбор информации о стратиграфии морского дна на глубинах до нескольких сотен метров ниже уровня ила. [10] [26] Эти изыскания проводятся, когда в этих местах планируются более крупные сооружения. Для глубоких скважин требуется несколько дней, в течение которых буровая установка должна оставаться точно в одном и том же положении (см. динамическое позиционирование ).
Отбор проб с поверхности морского дна может быть выполнен с помощью грейферного пробоотборника и коробчатого пробоотборника . [27] Последний обеспечивает получение нетронутых образцов, на которых можно проводить испытания, например, для определения относительной плотности почвы , содержания воды и механических свойств . Отбор проб также может быть выполнен с помощью трубчатого пробоотборника, либо работающего под действием силы тяжести, либо который может быть протолкнут в морское дно поршнем или с помощью вибрационной системы (устройство, называемое виброкорером). [28]
Бурение — еще один способ взятия проб морского дна. Он используется для получения данных о стратиграфии морского дна или горных породах под ним. Установка, используемая для взятия проб основания морского сооружения, похожа на ту, которая используется в нефтяной промышленности для достижения и оконтуривания углеводородных резервуаров, с некоторыми различиями в типах испытаний. [29] Бурильная колонна состоит из ряда сегментов трубы диаметром 5 дюймов (13 см), прикрученных друг к другу, с узлом буровой коронки в нижней части. [28] Когда буровая коронка (зубья, выступающие вниз от буровой коронки) врезается в почву, образуются шламы. Вязкий буровой раствор, текущий вниз по буровой трубе, собирает эти шламы и выносит их наружу из буровой трубы. Как и в случае с наземными геотехническими изысканиями , для взятия проб почвы из буровой скважины могут использоваться различные инструменты, в частности, «трубы Шелби», «поршневые пробоотборники» и «раздельные ложковые пробоотборники».
Информация о механической прочности грунта может быть получена in situ (с самого морского дна, а не в лаборатории из образца грунта). Преимущество этого подхода заключается в том, что данные получены из грунта, который не претерпел никаких нарушений в результате его перемещения. Два наиболее часто используемых прибора, используемых для этой цели, — это конический пенетрометр (CPT) и сдвиговый крыльчатый зонд . [30] [31]
CPT представляет собой стержневой инструмент, конец которого имеет форму конуса с известным углом при вершине ( например , 60 градусов). [32] По мере того, как он вдавливается в почву, измеряется сопротивление проникновению, тем самым обеспечивая показатель прочности почвы. [33] Рукав за конусом позволяет независимо определять сопротивление трения. Некоторые конусы также способны измерять давление поровой воды . Испытание сдвиговой лопастью используется для определения недренированной прочности на сдвиг мягких и среднесвязных грунтов . [34] [35] Этот инструмент обычно состоит из четырех пластин, сваренных под углом 90 градусов друг к другу на конце стержня. Затем стержень вставляется в почву, и к нему прикладывается крутящий момент, чтобы достичь постоянной скорости вращения. Измеряется сопротивление крутящему моменту, а затем используется уравнение для определения недренированной прочности на сдвиг (и остаточной прочности), которое учитывает размер и геометрию лопасти. [35]
Морские сооружения в основном представлены платформами , в частности самоподъемными буровыми установками , стальными опорными конструкциями и гравитационными конструкциями . [36] При планировании этих разработок необходимо учитывать характер морского дна. Например, гравитационная конструкция обычно имеет очень большую площадь основания и относительно плавучая (потому что она охватывает большой открытый объем). [37] При таких обстоятельствах вертикальная нагрузка на фундамент может быть не такой значительной, как горизонтальные нагрузки, оказываемые волновыми воздействиями и передаваемые на морское дно. В этом сценарии скольжение может быть доминирующим видом разрушения. Более конкретным примером является стальная опорная конструкция Woodside "North Rankin A" у берегов Австралии. [38] Несущая способность шахты для свай, составляющих каждую из опор конструкции, была оценена на основе обычных методов проектирования, в частности, при забивании в кремнистые пески. Но почва на этом участке представляла собой известковый песок с меньшей емкостью. Для исправления этой оплошности потребовались дорогостоящие меры по рекультивации.
Для швартовочных систем также требуется правильная характеристика морского дна . Например, при проектировании и установке всасывающихся свай необходимо учитывать свойства грунта, в частности, его недренированную прочность на сдвиг. [39] То же самое относится к установке и оценке емкости пластинчатых якорей . [40]
Подводные трубопроводы являются еще одним распространенным типом искусственных сооружений в оффшорной среде. [41] Эти сооружения либо покоятся на морском дне, либо размещаются внутри траншеи для защиты от рыболовных траулеров , волочащихся якорей или усталости из-за колебаний, вызванных течением. [42] Траншеи также используются для защиты трубопроводов от пропахивания ледяными килями . [13] [14] В обоих случаях планирование трубопровода включает геотехнические соображения. Трубопроводы, лежащие на морском дне, требуют геотехнических данных вдоль предлагаемого маршрута трубопровода для оценки потенциальных проблем устойчивости, таких как пассивное разрушение почвы под ним (трубопровод падает) из-за недостаточной несущей способности или скользящее разрушение (трубопровод смещается вбок) из-за низкого сопротивления скольжению. [43] [44] Процесс рытья траншей, когда это необходимо, должен учитывать свойства почвы и то, как они повлияют на продолжительность вспашки. [45] Потенциал прогиба, вызванный осевой и поперечной реакцией подземного трубопровода в течение срока его эксплуатации, необходимо оценить на этапе планирования, и это будет зависеть от сопротивления окружающего грунта. [44]
Оффшорные заглубленные якоря — это якоря , которые получают свою мощность от трения и/или сопротивления несущей способности окружающего их грунта. Это противоположно гравитационным якорям, которые получают свою мощность от своего веса. По мере того, как морские разработки перемещаются в более глубокие воды, гравитационные конструкции становятся менее экономичными из-за большого требуемого размера и стоимости транспортировки. Это оказывается подходящим для использования заглубленных якорей.