Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 2, стр. 18-22

В настоящий момент топливно-энергетический комплекс России активно развивается в том числе и за счет освоения новых месторождений углеводородов, расположенных на Российском континентальном шельфе. В стадии, близкой к постановке буровых установок и строительству объектов инфраструктуры, находятся десятки лицензионных участков в Баренцевом, Карском, Восточно-Чукотском, Охотском морях и море Лаптевых. При освоении этих объектов возникают технологические трудности, не характерные для освоения месторождений, расположенных на материке. Одну из основных трудностей представляют создание инфраструктуры и бурение: при освоении месторождений, расположенных на континентальном шельфе, ключевую роль играют самоподъемные буровые установки. К инфраструктуре при освоении шельфовых месторождений предъявляются весьма жесткие требования: несущие конструкции должны не только обеспечивать бесперебойную работу, но и быть устойчивыми к сильным внешним воздействиям – сильным волнам, последствиям землетрясений и контакту с торосами. Для того чтобы должным образом проектировать несущие конструкции инфраструктуры при освоении месторождений на континентальном шельфе, необходимо корректно решать ряд задач их устойчивости при внешних воздействиях [1]. Ключевую роль в таких расчетах играют механические свойства верхних слоев донных отложений: от того, насколько прочна или пластична среда, в которую погружаются несущие конструкции, сильно зависит механическое поведение всего объекта инфраструктуры. В связи с этим задачу оценки механических свойств верхних слоев донных отложений теми или иными методами можно отнести к ключевым задачам геомеханики при освоении нефтегазовых месторождений арктического шельфа.

Существуют различные методы оценки механических свойств верхних слоев донных отложений: к наиболее распространенным можно отнести детальные сейсмические съемки и инженерное бурение. При освоении шельфовых месторождений инженерное бурение оказывается весьма ресурсозатратным и используется редко, сейсмические исследования проводятся значительно активнее [2]. В то же время сейсмические исследования позволяют судить о скоростях упругих волн в средах. При этом верхние слои донных отложений обладают сложной вязко-упруго-пластической реологией, параметры которой затруднительно определить по результатам интерпретации данных сейсмической съемки [3, 4].

В связи с этим актуальна задача создания альтернативных методов оценки механических свойств верхних слоев донных отложений [5], одному из которых посвящена данная работа. В основе этого метода лежит идея об оценке механических свойств отложений в процессе пробоотбора, осуществляемого с использованием донных гравитационных трубок. Пробоотборник, использующийся для таких задач, можно рассматривать как полую трубку, которая сбрасывается с борта исследовательского судна, опускается до дна под действием силы тяжести и погружается в него по инерции. Во время погружения трубки непосредственно в донные отложения ее скорость снижается, причем особенности этого снижения определяются механическими свойствами донных отложений: статическими упругими модулями, параметрами закона пластического течения и ползучестью [6]. Иными словами, динамика погружения трубки пробоотбора в дно определяется именно теми параметрами, которые необходимо оценивать перед решением задач устойчивости несущих конструкций объектов инфраструктуры. В связи с этим можно сформулировать обратную задачу оценки механических свойств верхних слоев донных отложений в процессе пробоотбора по данным о ходе процесса погружения в них донной трубки [7]. Ключевым фактором для решения обратной задачи является регистрируемая техническими средствами зависимость ускорения донной трубки от времени на протяжении всего процесса погружения в донные отложения. По особенностям этой зависимости можно определить возможные реологические параметры грунта и снизить тем самым неопределенность в построении модели механических свойств донных отложений.

Для решения задачи погружения донной трубки в отложения со сложной реологией активно используется численное моделирование методом конечных элементов [8]. Первым этапом решения поставленной обратной задачи является решение набора прямых задач: определение динамики погружения донной трубки в вязко-упруго-пластическую среду с варьирующимися реологическими параметрами: упругими модулями, параметрами закона пластического течения, коэффициентами, определяющими ползучесть донных отложений. Решается контактная задача: трубка представляется абсолютно жестким телом, падающим на полупространство, заполненное средой с указанными свойствами. Схема рассматриваемой задачи представлена на рис. 1. Можно заметить, что в области предполагаемого контакта сетка существенно сгущается.

Рис. 1.

Схема расчета для задачи погружения донной трубки.

По мере погружения донной трубки в ее окрестности начинает формироваться зона накопления необратимых пластических деформаций. На рис. 2 представлено распределение интенсивности накопленных к определенному моменту деформаций сдвига в окрестности трубки пробоотбора.

Рис. 2.

Распределение накопленных пластических деформаций в процессе погружения трубки пробоотбора в донные отложения.

Динамика процесса погружения трубки пробоотбора в донные отложения показана на рис. 3. Разными цветами показаны различные параметры донных отложений: рассмотрены среды с варьирующимися механическими параметрами: модулем Юнга, когезией, углом внутреннего трения и плотностью. За начало отсчета принят момент касания трубкой дна; ясно, что до этого момента свойства дна на динамику падения трубки не влияют. Видно, что изменение механических свойств явным образом приводит к изменению динамики погружения трубки: изменяется как максимальная глубина погружения трубки, так и время, прошедшее до ее полной остановки. Варьирующиеся свойства рассматриваемых сред представлены в табл. 1. Не варьировались такие параметры, как коэффициент Пуассона (0.3) и угол дилатансии (0°, пластическое упрочнение не рассматривалось).

Рис. 3.

Изменение кинетической энергии трубки в процессе пробоотбора.

На рис. 4 демонстрируется, каким образом может быть решена поставленная обратная задача: ключевые параметры зависимостей, представленных на рис. 3, – глубина максимального погружения трубки пробоотбора в грунт и время до полной ее остановки – представлены как функции механических свойств верхних слоев донных отложений. Из табл. 1 можно сделать вывод о том, что в рассматриваемых моделях наиболее сильно менялись модуль Юнга E и угол внутреннего трения φ. По горизонтальной оси на рис. 4 отложена их функция – произведение модуля Юнга на синус угла внутреннего трения.

Рис. 4.

Зависимость параметров динамики погружения трубки пробоотбора от механических свойств верхних слоев донных отложений.

Представленные в данной работе результаты носят иллюстративный характер и призваны подтвердить возможность использования измерений параметров процесса погружения трубки в грунт для оценки физико-механических свойств донных отложений. При полноценном решении обратной задачи необходимо варьировать все реологические параметры донных отложений и использовать современные методы анализа данных. С другой стороны, в рассмотрение могут быть включены дополнительные данные: точки перегиба зависимостей, изображенных на рис. 4, или сами регистрируемые кривые, характеризующие динамику погружения трубки. Задачу изучения неопределенности, возникающей при решении сформулированной обратной задачи, и определение области эквивалентности ее решений можно отнести к основным приоритетам дальнейшего развития описанного исследования. Кроме того, существует возможность проведения контролируемых лабораторных экспериментов для донных отложений с известными реологическими параметрами, что позволит верифицировать подход к рассмотрению процесса пробоотбора, описанный в работе.

Результаты, описанные в работе, в дальнейшем будут использованы для развития методов оценки механических свойств донных отложений и построения моделей их механических свойств, необходимых для решения задач устойчивости несущих конструкций объектов инфраструктуры, актуальных при освоении нефтегазовых месторождений, расположенных на арктическом континентальном шельфе.