Основным фактором, ограничивающим буровой сезон в Арктическом регионе Мирового океана являются ледовые образования. При анализе безопасности ППБУ предложено рассматривать ППБУ и системы контроля и управления ледовой обстановкой как единую систему, состояние которой анализируется в рамках теории живучести. Данный анализ, с учетом вероятностной природы как самих экстремальных воздействий, так и их результатов, является вероятностным.
Начало освоения углеводородных ресурсов арктического шельфа требует проведения большого объема буровых работ. Основным фактором, ограничивающим буровой сезон в этом регионе Мирового океана, являются ледовые образования различной природы.
В настоящее время судостроителями предложены несколько вариантов буровых судов и платформ ледового класса, которые предназначены для бурения в ледовых условиях [7]. В качестве примера можно рассматривать ППБУ «Северное сияние» и «Полярная звезда», имеющие ледовый класс «Ice resistance», которые первоначально планировалось использовать для круглогодичного эксплуатационного бурения на Штокмановском ГКМ. В настоящее время они работают на шельфе о. Сахалин, на акватории которого ледовые угрозы также ограничивают буровой сезон.
Несмотря на наличие ледового класса, который предполагает работу ППБУ в битом льду толщиной до 0,7 м, до настоящего времени буровые работы проводились только в сезон «чистой воды» и при угрозе льдообразования они сворачивались.
Одной из основных причин такого подхода к организации работы ППБУ ледового класса является отсутствие обоснованных критериев безопасности их эксплуатации в ледовых условиях.
В настоящее время используется детерминистический подход, который основывается на определении проектных максимальных нагрузок для каждого фактора риска (рис. 1) [10].
При этом эффективность конструктивных и организационных решений (барьеров безопасности), которые обеспечивают снижение воздействия от каждого фактора риска, рассматривается отдельно в рамках теории надежности без учета их взаимодействия.
Между тем правильная организация работ в ледовых условиях требует дополнительных мероприятий, которые включают контроль ледовой обстановки (КЛО) и физическое управление ею (ФУЛО) с использованием ледоколов [1, 2].
Таким образом, весь такой комплекс КФП (КЛО–ФУЛО–ППБУ) целесообразно рассматривать как единую систему, которая эксплуатируется в условиях воздействия различных факторов риска. Основными из которых в нашем случае являются нагрузки от ледовых полей на конструкцию ППБУ и возможность газоводонефтепроявлений, связанных с разрушением бурового райзера в результате ледовых воздействий. Важно отметить, что как сами факторы риски, так и результат их воздействия, которые иногда могут быть экстремальными, т.е. могут превышать проектные значения, имеют вероятностный характер [10].
Как известно [5, 6], наиболее полно анализ поведения технических систем в условиях экстремальных воздействий проводится в рамках теории живучести, в которой вводится мера живучести , определяемая как условная вероятность сохранения работоспособности технической системы при экстремальных воздействиях Ai:
При этом конструктивные и организационные мероприятия, направленные на снижение интенсивности экстремальных воздействий рассматриваются как барьеры безопасности (ББ) (рис. 2).
Используя такую меру живучести, можно выделить несколько состояний ППБУ:
- состояние полной потери живучести;
- временно неработоспособное, возможно восстановление работоспособности (ППБУ временно не обладает живучестью) – классифицируется как сильная потеря живучести;
- работоспособное, выполнение задач с ограничениями (ППБУ обладает ограниченной живучестью);
- средняя потеря живучести; работоспособное, выполнение задач без ограничений после воздействия (ППБУ обладает 100%-ным свойством живучести) – слабая степень потери живучести;
- состояние работоспособности без изменений (нормальный режим).
Мера, или индекс живучести, может быть определен как:
Для этого все возможные режимы эксплуатации ППБУ разделяются на три группы:
1. Нормальная эксплуатация – H;
2. Локальные инциденты и аварии в результате воздействия экстремальных инициирующих факторов, которые приводят к средней и слабой потере живучести – RL. В этом случае барьеры безопасности препятствуют развитию аварии;
3. Глобальные аварии RG, которые развиваются, как правило, по каскадной модели и приводят к сильной и полной потере живучести. Такие аварии развиваются при недостаточной эффективности используемых барьеров безопасности.
Расчет величин RL и RG предлагается проводить путем построения дерева событий, в котором каждому барьеру безопасности присваивается, путем анализа эффективности его работы, определенный коэффициент готовности.
Например, коэффициент готовности подсистемы контроля ледовой обстановки определяется коэффициентами готовности технических средств, которые используются для его проведения, а также природно-климатическими факторами в районе выполнения КЛО. Для судов основными факторами, влияющими на их коэффициент готовности, являются наличие туманов и штормов, которые ухудшают видимость и возможности плавания для сбора информации. В случае авиации такими факторами в зимний период являются туманы, интенсивные снегопады, метели и сплошная облачность, создающие ограниченную видимость и помехи для полетов, а для космических спутников помехами являются туманы и сплошная облачность, которые ухудшают обзор района наблюдения [3].
Коэффициент готовности подсистемы физического управления ледовой обстановкой определяется количеством привлеченных ледоколов и их техническими характеристиками.
Коэффициент готовности ледового подкрепления установки может быть определен с учетом ее ледового класса и характеристик окружающего льда.
Рассчитаем по дереву событий индекс живучести для различных вариантов отказа того или иного барьера безопасности или их комбинаций для выделения наиболее важных из них в условиях воздействия льда. При наличии ББ в работоспособном состоянии примем его Kn = 0,9, а при отсутствии ББ или при неработоспособном состоянии – 0.
Путем изменения величины коэффициентов готовности барьеров безопасности от 0,9 до 0 рассчитывается живучесть для четырех случаев:
1. Все барьеры безопасности функционируют (Kn = 0,9);
2. Не работает или отсутствует контроль ледовой обстановки (K1 = 0);
3. Не работают или отсутствуют контроль ледовой обстановки и физическое управление ледовой обстановкой (ФУЛО). Такая ситуация может возникнуть, например, при неточном определении характеристик ледовых полей в процессе выполнения КЛО (K1 = 0; K2 = 0);
4. Не работают или отсутствуют три барьера – контроль ледовой обстановки, ФУЛО и ледовое подкрепление. В этом случае невозможность своевременного проведения контроля ледовой обстановки и как следствие невозможность ледокола справиться с ледовым полем дополняются высокой вероятностью повреждения бурового райзера или корпуса платформы (K1 = 0; K2 = 0; K3 = 0).
Результаты расчетов показаны на рис. 4.
Как видно, наиболее существенное снижение индекса живучести комплекса КФП, т.е. безопасности ППБУ, наблюдается при отсутствии ледовых подкреплений установки. При этом отсутствие эффективного КЛО не позволяет получить заблаговременную информацию о ледовых угрозах и провести демобилизацию установки в безопасный район. Отсутствие только КЛО при наличии эффективно действующего ФУЛО и ледовых подкреплениях (ЛП) установки также позволяет обеспечить ее высокий уровень живучести. Однако в этом случае эффективность ФУЛО и ЛП возможна только при соответствующих характеристиках льда.
Исходя из определения индекса живучести (2) можно проанализировать уровень безопасности ППБУ при различных его значениях (табл. 1)
Таким образом, приемлемым уровнем безопасности эксплуатации ППБУ можно считать состояние комплекса КФП, когда его индекс живучести
Заключение
Одним из основных направлений повышения эффективности буровых работ на арктическом шельфе является расширение бурового сезона на ледовый период. Для обеспечения безопасной эксплуатации ППБУ арктического класса в этот период необходимо использовать системы контроля и управления ледовой обстановкой. При этом при анализе безопасности ППБУ предложено отмеченные системы и ППБУ рассматривать как единую систему, состояние которой анализируется в рамках теории живучести. Данный анализ, с учетом вероятностной природы как самих экстремальных воздействий, так и их результатов, является вероятностным.
Такой вероятностный анализ безопасности эксплуатации ППБУ должен дополнять существующий детерминистический подход, который основывается на определении проектных максимальных нагрузок на ППБУ для каждого фактора риска – ледовых полей, отрицательных температур воздуха, штормов ГВНП и др.
Литература
1. Анализ риска и обеспечение безопасности при проведении морских операций и работ на шельфе / Н.А. Вальдман, Н.В. Жарких, Н.Л. Маляренко, Д.М. Яковлев. – СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2018. – 258 с.
2. Безопасность плавучих технологических платформ при работе в Арктической зоне с учетом критерия «живучесть» / Ю.А. Харченко, П.К. Калашников, С.В. Балагура, Г.Э. Атаян // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. – 2017. – № 48/49. – С. 9–16.
3. В.Г. Смирнов, А.В. Бушуев, И.А. Бычкова, Н.Ю. Захваткина, В.С. Лощилов, Спутниковый мониторинг морских льдов, Проблемы Арктики и Антарктики № 2 (85) 2010.
4. Жуков И.С. Барьеры безопасности: понятие, классификация, концепции // Безопасность труда в промышленности. – 2017. – № 5 – С. 49–56.
5. Стекольников Ю.И. Живучесть систем. – СПб.: Политехника, 2002. – 155.
6. Оценка живучести сложных технических систем / Н.А. Махутов, Д.О. Резников, В.П. Петров, В.И. Куксова // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. – 2009. – № 3. – С. 47–66.
7. Плавучие полупогружные буровые установки: история, современность, перспективы: аналитический обзор. – СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2014. – 212 с.
8. Правила классификации и постройки морских судов Часть 1 классификация, Российский морской регистр судоходства, Санкт-Петербург 2017.
9. Харченко Ю.А., Атаян Г.Э., Гриценко А.И. Оценка безопасности плавучих технических средств нефтегазового комплекса с использованием критерия «живучесть» / Безопасность труда в промышленности. – № 2. – 2020 г. – С. 51–56.
10. Харченко Ю.А. Оганов А.С., Богатырева Е. В. Освоение нефтегазовых месторождений континентального шельфа: учебное пособие в двух частях. Часть 2 / Безопасность и риски при эксплуатации месторождений в Арктике / М.: РГУ нефти и газа (НИУ), 2018. – 291 с.
