Навигационно-гидрографическое и гидрометеорологическое обеспечение добычи и транспортировки морских углеводородов

Конверсионное использование научно-технического потенциала военной навигации, гидрографии и океанографии связано с выходом 19 июня 1994 г. Постановления Правительства РФ № 711, которым Гос.НИНГИ МО РФ определен головной научно-исследовательской организацией, ответственной за обоснование и разработку технической политики в области навигации, гидрографии, морской картографии, океанографического обеспечения не только обороны, но и экономики страны.

Возможности Института в этом отношении определяются тем, что он является научно-исследовательским подразделением Главного управления навигации и океанографии (ГУНиО) МО РФ.

Научно-технический потенциал военной навигации, гидрографии и океанографии базируется на хорошо отлаженной и работоспособной кооперации институтов РАН, отраслевых НИИ и заводов. Он включает:

• средства и методы высокоточной навигации морских и воздушных судов;
• средства навигационного оборудования побережья и морских сооружений;
• системы управления движением судов и электронные навигационные информационные системы;
• средства и методы съемки рельефа и грунта дна;
• средства и методы океанографических исследований.

Важными составными частями научно-технического потенциала также являются:

• фондовые океанографические материалы Научно-исследовательского центра (НИЦ Гос.НИНГИ);
• фондовые материалы батиметрических съемок, картографические материалы и информационные технологии Центрального картографического производства ГУНиО МО;
• специализированные исследовательские суда различных классов с развитой системой базирования на Северном, Балтийском, Черноморском и Тихоокеанском флотах, а также на Каспийской флотилии.

НИЦ Гос.НИНГИ входит в государственную систему сбора, хранения и обмена океанографической информации. В него поступает информация примерно по 100 элементам и параметрам природной среды от подразделений ВМФ, мореведческих организаций других отечественных ведомств и из-за рубежа. В Центре накоплены сведения приблизительно о 30 тыс. наших и зарубежных экспедиций, данные более 1,8 млн. гидрологических станций, включающих свыше 60 тыс. наблюдений за течениями, около 20 млн. судовых метеорологических наблюдений, почти 120 тыс. аэрологических зондирований. Примерно 30% накопленной информации получено Гидрографической службой ВМФ и является уникальной.

Фондовые материалы Центрального картографического производства ГУНиО МО включают результаты всех батиметрических съемок в виде планшетов промеров с нанесенными на них глубинами, изобатами и характеристиками грунтов.

По результатам батиметрических съемок составлены и постоянно издаются соответствующие картографические материалы. Коллекция морских навигационных карт ГУНиО МО, являющаяся одной из крупнейших в мире, содержит генеральные и частные, путевые общенавигационные и радионавигационные карты различных масштабов. Кроме того, имеются руководства для плавания, извещения мореплавателям с описанием навигационно-гидрографической обстановки, международно-правовым аспектам деятельности на море и данными об опасных и закрытых для плавания районах.

Для производства гидрографических и океанографических исследований могут использоваться специализированные суда и катера ГУНиО МО водоизмещением от 4 до 9000 т (около 150 единиц).

Институт имеет лицензию от 13.02.97 № СПБ 002174-А на осуществление соответствующих видов деятельности. Вся аппаратура и технические средства, используемые Гос.НИНГИ, имеют свидетельства о метрологической аттестации.

После выхода Постановления Правительства № 711 Институт приступил к активной реализации накопленного потенциала в интересах экономики страны. За истекший короткий срок сформировались и приобрели характер устойчивого развития следующие направления конверсионной деятельности:

• проектирование систем навигационного обеспечения освоения и эксплуатации нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе;
• производство морских инженерных изысканий в обеспечение проектирования и строительства подводных газопроводов и линий связи;
• производство морских инженерных изысканий в обеспечение проектирования портов и отдельных гидротехнических сооружений;
• проектирование средств навигационного оборудования и системы путей движения на акватории Финского залива.

Основные результаты работ Института в этой области:

• технический проект системы навигационного обеспечения морских и воздушных перевозок для нефтяного месторождения “Приразломное” по заказу компании “ГИПРОСПЕЦГАЗ”;
• технический проект инженерно-гидрографических и инженерно-гидрометеорологических изысканий для площадки строительства морской ледостойкой платформы (МЛСП) “Приразломная” по заказу компании “ГИПРОСПЕЦГАЗ”;
• инженерно-гидрографические изыскания в обеспечение строительства волоконно-оптической системы связи на Черном море по заказу компании “ГИПРОСВЯЗЬ”;
• инженерно-гидрографические изыскания для ТЭО строительства подводного газопровода Россия-Турция через Черное море (проект “Голубой поток”) по заказу компании NeSA (Голландия);
• проект буксировки МЛСП “Приразломная” по заказу компании Brown & Root (США);
• камеральные инженерные изыскания на основе фондовых материалов по морскому варианту газопровода Джубга – Туапсе – Лазаревское – Якорная Щель по заказу компании “ГИПРОСПЕЦГАЗ”;
• рабочий проект системы путей движения и средств навигационного оборудования на морских подходах к порту Усть-Луга по заказу АО “МОРНИИПРОЕКТ”;
• инженерно-гидрографические изыскания для проектирования системы путей движения и средств навигационного оборудования на морских подходах к порту Усть-Луга по заказу АО “МОРНИИПРОЕКТ”;
• участие в ТЭО строительства нефтеналивного терминала в Финском зал. по заказу компании NESTE (Финляндия);
• камеральные инженерные изыскания на основе фондовых материалов по уточнению трасс Северо-Европейского газопровода на акватории Финского зал. по заказу компании North Transgas Oy (Финляндия);
• морские инженерные изыскания по трассам Северо-Европейского газопровода на акватории Финского зал. по заказу компании North Transgas Oy (Финляндия) и техническим требованиям компании Geoconsult AS (Норвегия).

Рассмотрим кратко основные достижения Института по наиболее крупным из перечисленных проектов.

Известно, что разработка нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе России представляет собой важнейшую задачу, от успешного решения которой во многом зависит экономика страны на долгосрочную перспективу. Мощный импульс получит промышленность Северо-Запада (и, в частности, предприятия военно-промышленного комплекса). Здесь предполагается создание около 200 тыс. новых рабочих мест. Переключение на Арктику основных экспортных потоков энергоресурсов снизит политическую уязвимость российского транспорта углеводородов.

Участвуя в этом процессе, Институт вначале выполнил отдельные работы по оптимизации ТЭО Штокмановского и Приразломного месторождений, а затем технический проект системы навигационного обеспечения морских и воздушных перевозок для нефтяного месторождения “Приразломное” [1-3]. В проектировании приняли активное участие специалисты ААНИИ, СБО ГОИН, ИКИ РАН, АО “Аквастандарт”, АО “Моринтех” и других авторитетных организаций.

Сформулированы предложения по Службе НГГМО компании “Росшельф”, особенностью которых является наличие организационных структур, ответственных за решение задач специализированного гидрометеорологического обеспечения. Показано, что это позволит снизить ущерб, наносимый деятельности промысла за 10 лет, на 120-170 млн. долл.

В ходе проектирования были разработаны проекты ряда руководящих документов по навигационно-гидрографическому и гидрометеорологическому обеспечению освоения и эксплуатации нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе, основными из которых являются:

а) Технические требования к средствам предупреждения и навигационного оборудования морских стационарных платформ;

б) Общие технические требования к средствам гидрометеорологического оборудования объектов морских нефтегазовых месторождений.

Эта разработка - первая попытка создания нормативной базы НГГМО в увязке с требованиями международных стандартов, законодательства РФ и требованиями отечественных отраслевых руководящих документов - в итоге явилась началом формирования единой системы взглядов на состав и технические характеристики средств НГГМО нефтегазовых месторождений.

При этом система НГГМО приобретает ряд принципиальных особенностей, обусловленных тем, что:

• основные элементы инфраструктуры промыслов размещаются в районах интенсивного судоходства, рыболовства, оперативной деятельности ВМФ и других видов ВС;
• для районов промыслов характерна сложная навигационно-гидрографическая и гидрометеорологическая обстановка, отечественный и мировой опыт решения целого ряда задач навигационного обеспечения для этих условий отсутствует;
• районы промыслов недостаточно изучены в навигационно-гидрографическом и гидрометеорологическом отношении как в части обеспечения безопасности мореплавания и полетов воздушных судов, так и в части обеспечения проектирования гидротехнических сооружений;
• вся деятельность промысла базируется на заданной регулярности смены буровых вахт, снабжения стационарных морских установок морским и воздушным путем и транспортировки опасных грузов.

В процессе технического проектирования системы НГГМО месторождения “Приразломное” уточнен ряд исходных данных по параметрам природной среды, а также обоснована необходимость выполнения морских инженерных изысканий для проведения работ по буксировке и установке МЛСП в расчетной точке [4].

Показано, в частности, что:

а) Реально ожидаемые экстремальные характеристики ветрового волнения существенно отличаются от принятых ранее для проектирования.

Например, для 95% доверительного интервала высоты волн 0,1% обеспеченности находятся в пределах 9,6-10,2 м против среднего значения 8,1 м указанных в исходных данных [5, 6]. После длительной и острой дискуссии новые данные по экстремальным характеристикам ветрового волнения вошли в документ “Локальные технические условия района установки МЛСП”.

В связи с эти возникла необходимость уточнения ряда проектных решений по МЛСП.

б) Экстремальные характеристики поля скорости течений, в том числе придонных, в районе установки МЛСП требуют уточнения, т.к. получены механическими измерителями скорости потока в условиях волновых движений и колебаний поверхностных буев. Международные интеркалибрационные эксперименты показали, что погрешности таких измерений могут достигать 100-250%.

Поэтому были разработаны предложения по программе и методике исследования придонных течений, как в точке установки МЛСП на месторождении, так и по маршруту буксировки. Позднее заказчик работ - компания B &R подтвердила необходимость получения именно этих характеристик. Проведение указанных работ предусматривается перспективными планами исследований.

в) Из-за отсутствия авиационного климатического описания района месторождения не представляется возможным обоснованное категорирование вертолетной площадки МЛСП “Приразломная” и пунктов базирования авиации, что не позволяет осуществить обоснованный выбор технических средств воздушной навигации в соответствии с требованиями соответствующих руководящих документов. В дальнейшем это может привести к затруднениям в организации транспортного обслуживания месторождения.

Система НГГМО месторождений на арктическом шельфе представлена в виде совокупности функциональных подсистем:

• обеспечения навигационной безопасности и управления морским и воздушным движением;
• обеспечения безопасности и расчетных режимов функционирования технологических комплексов в различных гидрометеорологических условиях;
• сопряжения с автоматизированными комплексами управления месторождений.

Основой системы НГГМО являются отечественные технические средства, которые в полной мере способны обеспечить реализацию требований к навигационному обеспечению морских и воздушных перевозок. Пути технической реализации функциональных подсистем НГГМО подробно рассмотрены в работах [1-3].

Выше указывалось, что Гос.НИНГИ, участвуя в проектировании морских газопроводов выполнил ряд морских инженерных изысканий на Черном и Балтийском морях. Как правило, в соответствии с требованиями отечественных руководящих документов [7-11], эти изыскания проводились в два этапа. На первом этапе выполнялись камеральные инженерные изыскания на основе имеющихся фондовых материалов. Цель первого этапа - уточнение трасс подводных газопроводов для предварительной технико-экономической оценки нескольких вариантов их прокладки. На втором этапе выполнялись натурные работы, состав которых, а также используемые методы и оборудование в значительной мере определялись по результатам камеральных изысканий. Цель второго этапа - получение фактических данных по коридорам трасс подводных газопроводов для определения основных проектных решений и ТЭО оптимального варианта трассы.

В связи с эти возникла необходимость уточнения научно-технических основ и технологии морских инженерных изысканий на базе имеющихся фондовых материалов и нового отечественного оборудования.

В состав камеральных изысканий входили:

а) Навигационно-гидрографическое описание района, при котором выделялись:

• опасные участки;
• сложные районы;
• подводные препятствия.

б) Построение профилей глубин и расчет изгибов трубопроводов (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) на основе анализа фондовых материалов батиметрической и картографической изученности.

в) Расчет гидрометеорологических параметров (на основе обработки соответствующих фондовых материалов) - статистических характеристик волнения, течений, уровня моря, ледового покрова, ветра и речного стока. Здесь же определялись экстремальные характеристики гидрометеорологических процессов для периодов времени заданной продолжительности. Для решения этой задачи использован хорошо зарекомендовавший себя метод [12], основанный на известных результатах теории случайных функций по статистике выбросов.

В составе инженерно-гидрометеорологических изысканий выполняются также литодинамические исследования.

Литодинамические процессы способны заметно повлиять на заносимость подводных траншей (прорезей) на морском дне, вымывание засыпки заглубленных трубопроводов, миграцию береговой черты, а также оказать непосредственное динамическое воздействие на трубопровод. Например, величина обратимых высотных деформаций рельефа дна на акватории Финского зал. в приурезной зоне доходит до 2,5м, а в волноприбойной - до 0,5-1,2 м. Плановые деформации надводного уступа берега на участке Джубга – Лазаревское достигают 0,5-1 м/год.

Особую опасность для подводных трубопроводов представляют мутьевые потоки. Так, на склоновых участках дна Балтийского моря наблюдаются мутьевые потоки со скоростью 0,5-2,5 м/с.

Исключительное значение имеет исследование литодинамических процессов на Черноморском побережье Кавказа, что определяется сложной геоморфологией района, своеобразием протекающих на континентальном склоне литодинамических процессов, в т.ч. под воздействием волнения и течений. Действительно, трасса подводного газопровода здесь пересекает склон, примыкающий к побережью Кавказа длиной примерно 20 миль и склон Анатолийского побережья длиной около 80 миль. В этом районе присутствуют многочисленные подводные долины и каньоны, которые в большинстве случаев извилисты и имеют хорошо выраженные склоны (вследствие этого на отдельных участках возможны протяженные провисы трубы, возникновение значительных вибрационные нагрузок и разрушение металла; к тому же провисы трубы возможны и под влиянием придонных течений, режим которых не исследован). Для материкового склона характерны мутьевые потоки.

Интенсивное влияние волнения наблюдается до глубин 50 м. При скорости течений вдоль берега более 0,3-0,5 м/с возможно перемещение значительных масс обломочного материала.

Под влиянием волнений, течений и активных геологических процессов на Кавказском побережье отмечались случаи неожиданного углубления ложа каньонов на 8-12 м, скорость суспензионных потоков превышала 0,7 м/с. Фондовые же данные по литодинамическим процессам, здесь как правило, имеют весьма ограниченный объем или локализованы по отдельным районам. В связи с эти, представляется необходимым широкое использование методов математического моделирования литодинамических процессов и совершенствование методов их экспериментального исследования.

г) Инженерно-геологическое описание района, при которым выделяются:

• зоны благоприятных условий;
• зоны малоблагоприятных (относительно благоприятных) условий;
• зоны неблагоприятных условий.

В основу типизации инженерно-геологических условий положены характеристики [13]:

• рельефа морского дна;
• донных грунтов (мощность, состав, физическое состояние);
• препятствий и опасных геологических явлений (природных и техногенных).

По результатам анализа фондовых материалов строились карты инженерно-геологического районирования и инженерно-геологические разрезы по трассам трубопроводов.

Уточнение трасс подводных газопроводов по результатам камеральных изысканий предполагает интегральную оценку природных условий.

Оценка природных условий имеет следующие принципиальные особенности:

а) многофакторность, т.е. необходимость учета совместного влияния большого числа факторов природной среды;

б) неопределенность, которая может относиться к одной из следующих категорий:

• категория А. Неопределенность идеала, т.е. неопределенность идеального набора данных о параметрах среды, необходимых для выбора трассы;
• категория В. Неопределенность (неточность) используемых фондовых данных и данных моделирования;
• категория С. Неопределенность влияния параметров природной среды на выбор трассы.

в) эмерджентность, т.е. несводимость влияния параметров природной среды к влиянию каждого из них;

г) вероятностный характер влияния, обусловленный конечностью пространственно-временного описания природных условий и вероятностный природой физической картины влияния.

Формализованная оценка природных условий с учетом указанных особенностей представляет известную сложность. Именно поэтому в настоящее время технология изысканий опирается на использование принципа районирования условий. Очевидно, что такой подход может сопровождаться просчетами, существенно влияющими на объем и стоимость натурных изыскательских работ.

В дальнейшем для решения задачи интегральной оценки природных условий планируется использовать более строгие математические модели, формализованные в терминах нечетких множеств [14, 15]. Выполненные расчеты показали, что реализация этих моделей обеспечивает получение единственного решения, которое является устойчивым к погрешностям задания исходных данных.

По результатам камеральных изысканий специалистами Гос.НИНГИ с привлечением смежных организаций был успешно выполнен ряд натурных морских инженерных исследований.

Все работы проводились за счет зарубежного заказчика без каких-либо затрат государственных средств. При приемке их подчеркивалось высокое качество и своевременность представления отчетных материалов.

Накопленный Гос.НИНГИ МО опыт свидетельствует о том, что научно-технический потенциал военной навигации, гидрографии и океанографии может с большой эффективностью использоваться в интересах экономики страны.

1. Алексеев С.П., Герасимов В.М., Добротворский А.Н. и др. - Результаты технического проектирования системы навигационного обеспечения морских и воздушных перевозок для Приразломного нефтяного месторождения. / Третья международная конференция “Освоение шельфа арктических морей России” (РАО-97) // Рефераты докладов. - СПб., - 1997. - С.194-199.
2. Алексеев С.П., Герасимов В.М., Добротворский А.Н., Дерцакян А.К. - Пути решения проблемы навигационного обеспечения освоения и эксплуатации нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе. “Навигация и гидрография”. - № 4, 1997. - С.9-19.
3. Система навигационного обеспечения морских и воздушных перевозок в составе проекта “Обустройство Приразломного нефтяного месторождения”. Технический проект. Пояснительные записки ГНГИ 3.60.030.ПЗ.1. - ГНГИ 3.60.030.ПЗ.9. - 1996. - Гос.НИНГИ МО РФ. (Коллектив авторов).
4. Разработка предложений по навигационно-гидрографическому и гидрометеорологическому обеспечению проводки МЛСП по каналу Северодвинского порта и морской буксировки МЛСП для месторождения “Приразломное” (Технический проект). Пояснительная записка, кн.1, ч.2, ГНГИ 3.60.030 ТП2.1. - 1997. - С.80, Гос.НИНГИ МО РФ.
5. Лавренов И.В. и др. Оценка экстремальных высот ветровых волн в Печерском море. // Навигация и гидрография. - 1997. - № 4. - С.144-152.
6. Лавренов И.В. и др. Оценка экстремальных высот ветровых волн в Печерском море. // Навигация и гидрография. - 1997. - № 5. - С.85-93.
7. Ведомственные строительные нормы. Инженерные изыскания на континентальном шельфе. ВСН 51.2.-84. - Мингазпром, 1985. - 70 с.
8. Ведомственные строительные нормы. Проектирование морских подводных нефтегазопроводов. ВСН 51.9.-86. - Мингазпром, 1987. - 96 с.
9. Пособие по инженерным изысканиям для проектирования и строительства магистральных газопроводов на шельфе. - РАО ГАЗПРОМ. - 1996. - 187 с.
10. Ведомственные строительные нормы. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов. ВСН 163-83. - Л., Гидрометеоиздат. - 1985. - 144 с.
11. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волнение, ледовые и от судов). СНиП 2.06.04-82.- М., Госстройиздат. - 1983. - 38 с.
12. Кушнир В.М. Оценки экстремальных значений гидрометеорологических величин и продолжительности их существования. - Метеорология и гидрология, 1997, № 2. - С.50-55.
13. Office Analysis Enginering-Surveys for the Clarification of Survey Paths on Lines of the North-Evropean Gas Pipeline in Russian Territorial Waters. GNGI 3.60.030 KI G.O (Chief S.P.Alekseev). - 1998. - 96 pp.
14. Алексеев С.П., Добротворский А.Н., Серебряков А.М., Ставрова Е.В. Комплексная оценка природных условий для уточнения трасс морского газопровода на предварительных стадиях проектирования (в печати).
15. Алексеев С.П., Добротворский А.Н., Серебряков А.М., Ставрова Е.В. Технология оценки природных условий для выбора трасс подводного газопровода в прибрежной зоне на предварительной стадии проектирования (в печати).