СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
METHOD TO DESTROY ICE COVER

Изобретение относится к области защиты буровых объектов при движении ледяных полей при естественном или искусственном разрушении ледяного покрова, преимущественно в зонах эксплуатации морских объектов хозяйственной деятельности.
Известны способы разрушения ледяного покрова путем выполнения взрывов.
Известный способ разрушения ледяного покрова включает установку под лед на расстоянии друг от друга зарядов взрывчатого вещества и их подрыв. Для повышения эффективности разрушения льда взрывами подрыв зарядов производят поочередно, причем каждый из последующих зарядов подрывают с интервалом времени, равным времени прохождения вершины изгибно-гравитационной волны (ИГВ) от места взрыва предыдущего заряда (В.М.Козин и др. "Способ разрушения ледяного покрова", SU №1820188 по заявке № 4931705/23 (036059) [1]).
Недостатком данного способа является то, что при проведении взрывных работ для увеличения ледоразрушающей способности ИГВ накапливается только энергия прямого движения воды и ледяного покрова, т.е. колебательного движения, направленного вверх против силы гравитации. Накопление энергии обратного движения вниз в направлении силы тяжести при известном способе не происходит, т.е. возможность увеличения энергии ИГВ используется не в полной мере. Кроме того, после взрыва образуются малые и средние ледяные поля, которые при соответствующих гидрометеорологических условиях будут продолжать движение в сторону, например, морского нефтегазового терминала, создавая угрозу его повреждения или разрушения.
Известен также способ разрушения ледяного покрова, который заключается в том, что под лед устанавливают несколько зарядов, которые подрывают с интервалом времени, равным времени прохождения изгибно-гравитационной волны от места подрыва предыдущего до места подрыва последующего зарядов. При этом дополнительно на лед устанавливают заряды взрывчатых веществ, которые подрывают одновременно с подрывом зарядов, установленных под ледяным покровом. При этом каждый заряд, расположенный над ледяным покровом, устанавливается на расстоянии от каждого заряда, расположенного под ледяным покровом, равном половине длины изгибно-гравитационной волны, что позволяет увеличить амплитуду изгибно-гравитационной волны и тем самым повысить эффективность разрушения ледяного покрова взрывами (патент RU №2124178 [2]).
Сущность изобретения заключается в повышении эффективности разрушения ледяного покрова взрывами.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении амплитуды ИГВ, возбуждаемых подрывом зарядов взрывчатого вещества.
При этом ограничительные признаки заключаются в том, что под ледяной покров на расстоянии друг от друга устанавливают заряды взрывчатого вещества, которые поочередно подрывают с интервалом времени, равным времени прохождения вершины ИГВ от места подрыва предыдущего заряда, до места расположения следующего подрывного заряда, а отличительные признаки заключаются в том, что каждый подводный заряд подрывается одновременно с одним из соответствующих надводных зарядов, установленных на ледяном покрове в том же количестве и порядке, что и подводные, на расстоянии от соответствующего подводного заряда, равном половине длины изгибно-гравитационной волны λ.
в
где D, ρ - цилиндрическая жесткость ледяной пластины и плотность воды соответственно;
g - ускорение силы тяжести (см. Хайсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. - Л.: 1967, стр.147).
Достижение требуемого технического результата осуществляется за счет увеличения ледоразрушающей способности ИГВ путем накопления энергии колебательного процесса как на вершине, так и на подошве волны.
При этом известный способ [2] осуществляется следующим образом.
Под ледяной покров на расстоянии друг от друга устанавливают несколько зарядов взрывчатого вещества. Столько же зарядов и в той же последовательности устанавливают на ледяной покров, причем каждый надводный заряд укладывают на лед на расстоянии λ/2 от соответствующего подводного заряда. После чего осуществляют одновременный подрыв первой пары подводного и соответствующего надводного зарядов. Вторую и последующие пары подрывают с интервалом времени, равным времени прохождения вершины ИГВ от места подрыва предыдущего подводного заряда до места расположения следующего подводного заряда.
Действие надводного взрыва по направлению совпадает с действием сил гравитации, а удаление его на расстояние λ/2 от подводного заряда и одновременный их подрыв возбуждают в ледяном покрове две волновые системы, которые благоприятно между собой интерферируют, т.е. раскачивают ледяной покров в режиме резонанса. Это позволяет накапливать энергию изгибных колебаний с большей эффективностью. В результате ко второму подводному заряду подойдет ИГВ большей высоты. Подрыв следующей пары зарядов приведет к дальнейшему росту амплитуды и, следовательно, к дополнительному повышению ледоразрушающей способности ИГВ.
Существенным недостатком известных способов является то, что они позволяют достичь технического эффекта на акваториях, свободных от объектов хозяйственной деятельности, расположенных на акваториях морей, и практически не пригодны в районах расположения таких объектов хозяйственной деятельности, как морские добычные газонефтяные комплексы.
Широко известные способы разрушения льда, основанные на гидравлическом и тепловом методах, также не нашли широкой промышленной применимости из-за их существенных недостатков.
Гидравлический метод разрушения льда в практике известен уже давно. В частности, такой метод применяют при гидротехническом строительстве, когда в зимнее время подготавливают фронт работы для земснарядов. При этом используют мощные гидромониторы, которые струей воды под большим давлением разрушают лед. Применение такого метода требует обеспечения большого давления воды. Для обеспечения большого давления струи воды необходимы мощные установки, что экономически не оправдано.
Тепловой метод включает в себя резание льда с помощью газовых, бензиновых или иных горелок (бензиновый резак). В начальный момент лед начинает быстро таять, но в дальнейшем вода, образующаяся в результате таяния верхнего слоя льда, препятствует интенсивному таянию нижних слоев льда. При этом процесс таяния льда резко замедляется. Результаты проведенных работ не подтвердили мнения о целесообразности использования данного способа.
Как известно, основными динамическими факторами, формирующими ледяной покров, являются ветер, течения и колебания уровня. Существенное влияние на характер процессов торошения оказывают также мелководность, извилистость береговой черты и довольно сложный рельеф дна с большим количеством банок, кос и островов. Все это обусловливает особенности динамики льдов, происходящих на ледовитых морях России. В начальный период формирования ледяного покрова на морском мелководье, когда граница молодых льдов распространяется от берега до глубин 2-3 м, наряду с характерными для всех ледовитых морей зубчато-наслоенными льдами во время подвижек и торошения льда образуются торосы, сидящие на мели, - стамухи.
Перечисленные выше факторы существенно влияют на размеры и места их расположения, поэтому различают стамухи по времени и месту их появления, а также по виду льда, из которого они образуются. Характерной особенностью неподвижных стамух, позволяющей отличать их от движущихся вместе с дрейфующим льдом торосов, является образование т.н. «водяной тени» с их подветренной стороны во время ледовых подвижек.
Ввиду того, что зимой наряду с процессами льдообразования постоянно происходят противоположные процессы разрушения льда, для зоны контакта припая с дрейфующими льдами характерны ее сезонные смещения. Образованию торосов на границе припая и дрейфующего льда помимо тангенциального напряжения ветра способствуют подъемы уровня при нагонах. При этом образуются мощные гряды торосов длиной в несколько километров и высотой 2 м и более, расположенные перпендикулярно направлению господствующих ветров. При очередном смещении границы припая и дрейфующих льдов возникает новая гряда торосов, параллельная образовавшимся ранее, в результате чего образуется пояс торосов, наблюдаемый на дрейфовых разделах арктических морей. Сжимающие и касательные усилия, возникающие во время контакта льдин, приводят к ломке льда и образованию на их краях торосов. Различают приливное, термическое и ветровое торошение. Приливное торошение на Северном Каспии практически отсутствует, т.к. приливно-отливные колебания уровня здесь не превышают точности измерения. Термическое торошение имеет место в суровые зимы в зоне припая, однако существенного влияния на общую картину торосистости оно не оказывает. Наиболее характерным для большинства морей является ветровое торошение, которому способствуют подледные течения и сгонно-нагонные колебания уровня моря.
Максимальная торосистость, при всех типах зим, отмечается в зоне контакта припая и дрейфующего льда.
Для прибрежных мелководий с ровным и пологим дном характерна такая форма донного рельефа, как следы выпахивания или борозды. Они имеют вид длинных, часто прямолинейных борозд протяженностью от нескольких десятков метров до нескольких километров. Борозды образуются при воздействии на дно торосистых дрейфующих льдов, ориентированы в направлении преобладающих в эти периоды ветров и представляют собой как бы проведенные по дну векторы дрейфа льда. Ширина борозд колеблется от нескольких до 50-100 м и более. Все борозды оканчиваются валами, образованными выпаханным грунтом. Высота некоторых превышает глубину моря, и они выходят на дневную поверхность в виде островков.
Продолжительность существования борозд в илистых грунтах составляет 2-3 года, в песчаном грунте борозды замываются волнением в течение одного сезона. Выпахивающее действие дрейфующих льдов характерно также для береговой зоны. Во время нагонов дрейфующие с моря льды, попадая на сушу, выпахивают верхний слой почвы, оставляя следы выпахивания глубиной до 0,5 м и длиной до нескольких километров. На островах во время интенсивного дрейфа льда вдоль берега образуются мощные навалы льда. Обломки льдин, проникающие при этом в грунт на глубину до 1 метра, сохраняются длительное время.
При посадке торосов на грунт происходит дальнейшее накопление масс льда в результате торошения под воздействием подвижек и дрейфа льда. В результате стамухи могут внедряться в грунт на глубину до нескольких метров. Глубина их проникновения в грунт зависит от физико-механических свойств грунта, массы стамухи, площади соприкосновения, глубины моря.
Поскольку ледовому выпахиванию (взаимодействию дрейфующих льдов с морским дном) подвержены мелководные участки морского дна на большой площади, можно утверждать, что эти процессы имеют массовый (хотя и сезонный) характер и потому играют важную роль в экологии данного водоема. Наряду с чисто механическим перемещением огромных масс донного грунта происходит угнетение донной, островной и прибрежной растительности и организмов.
Большинство морей Арктического бассейна отличается большим разнообразием ледовых процессов. Являясь серьезным естественным препятствием в осуществлении хозяйственной деятельности человека на море, ледяной покров значительно ограничивает их деятельность, создает реальную угрозу их безопасности.
Проводимые в последнее время в шельфовой зоне работы по поиску углеводородов диктуют необходимость поиска более совершенных и не отягощенных серьезными материальными затратами и трудоемкостью.
В источнике информации (Расенко А. «Кайсар» это ледовый защитник // газета «Астраханские известия», 22.01.2004 [3]), в качестве средств защиты морских нефтегазовых терминалов на Каспийском море рассматривается возможность использования для этих целей затопленных на мелководье старых кораблей, которые раньше использовались в качестве мишеней для ракет.
В результате исследований была выполнена оценка характера и интенсивности взаимодействия дрейфующих льдов с неподвижной, вертикально расположенной преградой. Корабли расположены в море на глубинах 5-6 м и на расстоянии от берега от 10 до 50 км.
Эпизодические подвижки и интенсивный дрейф льда под воздействием штормовых ветров, преобладающих в это время года, западного и восточного направлений, а также сгонно-нагонные колебания уровня моря способствуют образованию мощных торосов. Вокруг затопленных кораблей образуются сплошные торосистые поля, а вдоль их бортов - гигантские многослойные навалы из обломков льдин, высота которых составляла от 3-6 до 15 метров над уровнем моря, а их подводные основания достигали дна, образуя торосистые образования, сидящие на грунте - стамухи.
Полученные результаты ледовых исследований были использованы в 1999 г. в Астрахани, где для нужд казахской компании ОКИОК (Оффшор Казахстан Интернешнл Оперейтинг Компани), была осуществлена реконструкция типовой погружной буровой баржи, которая была специально адаптирована для работы в условиях дрейфующих льдов Северо-Восточного Каспия.
Подводное основание и борта баржи типа «Кайсар» были модифицированы таким образом, чтобы противостоять ледовым нагрузкам, которые изучались и анализировались на протяжении пяти лет. Проводилось компьютерное моделирование. В результате расчетов площадь баржи была увеличена вдвое, добавлены специальные ледовые отражатели с обеих сторон баржи. На месте постановки баржи в море, с обеих сторон от баржи, предусмотрена установка системы мощных металлических свай (глубина заглубления в морское дно до 20 м), назначение которых - сдерживание натиска дрейфующих льдов и активизация процессов торосового образования вокруг платформы. Также известно аналогичное устройство для защиты буровой платформы от воздействия дрейфующих льдов (Karl-Ulrich Evers, Walter Spring … Ice mjdel testing of an exploration platform for shallow waters in the North Caspian sea // 16th International Conference on Port and Ocean Engineering under Frctic Conditions "Ice Engineering Applied to Offshore Regions" (Fugust 12-17, 2001 Ottawa, Ontario, Canada) 2001, pp.255-264 [4], при использовании которого также достигается защита буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей созданием перед буровым объектом в ледовый период торосов, сидящих на грунте, посредством ледостойких сооружений, которые специально затапливаются по периметру вокруг буровой платформы.
Однако при всех многочисленных достоинствах барж типа «Кайсар», использование данного устройства все-таки не гарантирует абсолютной защиты буровых объектов от воздействия дрейфующих льдов.
Так, в феврале 2002 г., под воздействием штормовых ветров преимущественно западных румбов происходило увеличение сплоченности плавучих льдов в районе Гурьевской бороздины, их интенсивная подвижка, торошение и образование стамух, которое сопровождалось повышением уровня моря, вызванного ветровым нагоном. Это опасное природное явление едва не стало причиной серьезной аварии на казахской буровой платформе «Сункар». Одна из четырех барж типа «Ледовый защитник», специально построенных и затопленных вокруг буровой платформы с целью ее защиты от опасного воздействия дрейфующих льдов, была сдвинута движущимся льдом с места и переместилась по дну на расстояние 120 м. Лишь по счастливой случайности на пути баржи не оказалась буровая платформа.
Известна также полезная модель, которая относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности к защите буровых объектов от разрушения при эксплуатации в море, на Северном Каспии, в ледовых условиях - Устройство для защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей (патент на полезную модель RU №79611 [5]).
Техническим результатом устройства [5] является дальнейшее усовершенствование устройств защиты от разрушения буровых объектов морской разведки и добычи. Известное устройство [5] решает задачу защиты от разрушения буровых объектов морской разведки и добычи и содержит защитный барьер, состоящий из металлических щитов, установленных на дне водоема и винтовые сваи. При этом устройство работает следующим образом. Вокруг бурового объекта устанавливают защитный барьер, обеспечивающий торошение ледяных полей, и закрепляют его четырьмя-шестью винтовыми сваями, которые обеспечивают надежную фиксацию защитного барьера на дне. Винтовые сваи углубляют в грунт на 10 м или более и инициируют образование кольцевой стамухи вокруг бурового объекта. Дрейфующие под действием ветра ледяные поля встречают на своем пути защитный барьер, расположенный вокруг бурового объекта, и ломаются. Заявленный технический результат получают в предположении, что из-за частой смены направлений ветра при всех типах зим, применительно к условиям северной части Каспийского моря, направление и скорость дрейфа льда в море также часто меняется, до 2-5 раз в сутки. Происходит торошение льда, при этом в результате многократной смены направлений ветра с учетом их повторяемости вокруг бурового объекта образуется кольцевой торос, сидящий на грунте, который в дальнейшем защищает его от сдвига и разрушения.
При этом одновременно решается еще одна очень важная проблема - обеспечение экологической безопасности вод Северного Каспия в результате возможных аварийных разливов нефти, поскольку кольцевая стамуха, образовавшаяся вокруг бурового объекта, обеспечивает надежную локализацию источника нефтяного (и любого другого) загрязнения, ограниченного внутренними размерами кольцевой стамухи. Ликвидировать же последствия загрязнения внутри кольцевой стамухи значительно проще, дешевле и безопаснее, чем в открытом море, покрытом дрейфующим, торосистым льдом.
Однако технический результат от использования данного технического решения достигается только при условии, что «направление и скорость дрейфа льда в море также часто меняется, до 2-5 раз в сутки». Кроме того, надежная установка винтовых свай, сопряжена с дополнительными трудностями, в первую очередь обусловленными типом грунта и глубинами моря в районе расположения морского нефтегазового терминала.
Задачей настоящего технического решения является повышение надежности защиты морских объектов хозяйственной деятельности в период льдообразования, дрейфа и в период торошения ледяных полей, расположенных как в условиях мелкого, так и глубокого морей.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе разрушения ледяного покрова, включающем установку под лед зарядов взрывчатого вещества и их поочередный подрыв с интервалом времени, равным времени прохождения изгибно-гравитационной волны от места подрыва предыдущего до места подрыва последующего зарядов, в котором дополнительно над ледяным покровом устанавливают заряды взрывчатых веществ и подрывают их одновременно с подрывом зарядов, установленных под ледяным покровом, перед установкой зарядов взрывчатого вещества измеряют скорость и направление ветра, подводных течений и дрейфа ледовых полей, определяют толщину льда, а заряды взрывчатого вещества размещают с формированием направления распространения взрывной волны в противоположные стороны от места нахождения морского объекта хозяйственной деятельности.
Новые отличительные признаки способа, заключающиеся в том, что перед установкой зарядов взрывчатого вещества измеряют скорость и направление ветра, подводных течений и дрейфа ледовых полей, определяют толщину льда, а заряды взрывчатого вещества размещают с формированием направления распространения взрывной волны в противоположные стороны от места нахождения морского объекта хозяйственной деятельности, позволяют исключить нежелательное распространение ледовых образований в направлении размещения морского объекта хозяйственной деятельности.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1. Схема размещения зарядов. Морской объект хозяйственной деятельности 1, защитный барьер 2, ледовые образования 3, места установки зарядов 4 взрывчатых веществ, средства измерения скорости и направление ветра 5, средства измерения подводных течений и дрейфа ледовых полей 6, средства измерения толщины льда 7.
Фиг.2. Конструкция защитного барьера. Защитный барьер 2 состоит из щитов 8, установленных на дне 9 водоема и соединенных со сваями 10. Сваи 10 выполнены в виде якоря-балласта конусообразной формы из железобетона. Сваи 10 соединены в верхней своей части со щитами 8. Щиты 8 расположены между плавательными средствами 11 с нулевой плавучестью и соединены с плавательным средством 11 с нулевой плавучестью на его торцевых поверхностях 12. В средней своей части щиты 8 соединены между собой посредством стопорных элементов 13. Верхние части щитов соединены между собой посредством упорных элементов 14. Плавательное средство 11 с нулевой плавучестью снабжено в нижней части стабилизирующим устройством 15, выполненным в виде металлического каркаса пирамидальной формы с вершиной 16, расположенной на нижнем основании 17 плавательного средства 11 с нулевой плавучестью. Плавательное средство 11 с нулевой плавучестью размещено на водной поверхности 18. Щиты 8 в верхней и нижней частях выполнены раздвижными по вертикали.
Щиты 8 выполнены в виде жесткой металлической конструкции и снабжены сваями 10 в виде якоря-балласта, выполненным в виде конусообразной конструкции из железобетона. Плавательное средство 11 с нулевой плавучестью выполнено в виде понтона, предназначенного для использования в морях и реках северного региона и снабжено стабилизирующими элементами для обеспечения его стабилизации при неблагоприятных погодных условиях (волнение, битый лед, шуга и т.д.). Аналог плавательного средства 11 приведен в описании к патенту RU №2271962С1, бюл. №17 от 20.06.2005.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
1
2
3
1
Перед установкой зарядов взрывчатых веществ посредством средства измерения скорости и направление ветра 5 средства измерения скорости и направления подводных течений и дрейфа ледовых полей 6, средства измерения толщины льда 7 определяют скорость и направление ветра, скорость и направление подводных течений и дрейфа ледовых полей, толщину льда. В качестве средства измерения скорости и направления ветра 5 могут быть использованы акустические измерители скорости и направления ветра или стационарный гидрометеорологический комплекс типа «Косметео». В качестве средства измерения скорости и направления подводных течений и дрейфа ледовых полей 6 может быть использован гидроакустический параметрический преобразователь, представляющий собой гидроакустический подводный зонд. Для определения дрейфа ледовых полей также может быть использована информация, получаемая стационарным гидрометеорологическим комплексам типа «Косметео» с искусственных спутников Земли. По полученной информации устанавливают возможные направления распространения взрывной волны относительно морского объекта хозяйственной деятельности, после чего, как и в прототипе, выбирают наиболее безопасные точки установки зарядов взрывчатых веществ. Далее под ледяной покров 3 в воде 18 на расстоянии L друг от друга устанавливают подводные заряды взрывчатого вещества С, С, С,.... Сверху на ледяной покров в том же количестве и в том же порядке устанавливают надводные заряды  Причем каждому подводному заряду соответствует свой надводный, который укладывается на расстоянии λ/2 от подводного. После этого осуществляют одновременный подрыв первой пары зарядов c и  Вторую пару , так же как и последующие подрывают с интервалом времени, равным временем прохождения вершины ИГВ от места подрыва предыдущего подводного заряда от места расположения следующего подводного заряда τ.
τ=L/v,
где L - расстояние между зарядами:
V - резонансная скорость ИГВ.
Для глубокой воды
3
1/8
в
v=1,33(Dg/ρ),
для мелкой воды
где D - цилиндрическая жесткость ледяной пластины,
в
ρ - плотность воды,
Н - глубина водоема.
Ввиду того, что практически невозможно исключить движение ледовых образований после выполнения взрывных работ, то вокруг морского объекта хозяйственной деятельности устанавливают защитный барьер 2, который состоит из щитов 8, установленных на дне 9 водоема и соединенных со сваями 10. Сваи 10 выполнены в виде якоря-балласта конусообразной формы из железобетона. Сваи 10 соединены в верхней своей части со щитами 8. Щиты 8 расположены между плавательными средствами 11 с нулевой плавучестью и соединены с плавательным средством 11 с нулевой плавучестью на его торцевых поверхностях 12. В средней своей части щиты 8 соединены между собой посредством стопорных элементов 13. Верхние части щитов соединены между собой посредством упорных элементов 14. Плавательное средство 11 с нулевой плавучестью снабжено в нижней части стабилизирующим устройством 15, выполненным в виде металлического каркаса пирамидальной формы с вершиной 16, расположенной на нижнем основании 17 плавательного средства 11 с нулевой плавучестью. Плавательное средство 11 с нулевой плавучестью размещено на водной поверхности 18. Предлагаемый способ позволяют исключить нежелательное распространение ледовых образований в направлении размещения морского объекта хозяйственной деятельности. Предлагаемое устройство защиты буровых объектов в море достаточно эффективно не только в период льдообразования, дрейфа и торошения ледяных полей, обеспечивая их безопасную эксплуатацию, но и в условиях дрейфа существенных ледовых образований, включая айсберги. Устройство защиты буровых объектов в море может быть также использовано в качестве устройства для защиты затонувшего аварийного судна от наносов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1820188 по заявке N 4931705/23 (036059).
2. Патент RU№2124178.
3. Расенко А. «Кайсар» это ледовый защитник // газета «Астраханские известия», 22.01.2004.
4. Karl-Ulrich Evers, Walter Spring … Ice mjdel testing of an exploration platform for shallow waters in the North Caspian sea // 16th International Conference on Port and Ocean Engineering under Frctic Conditions "Ice Engineering Applied to Offshore Regions" (Fugust 12-17, 2001 Ottawa, Ontario, Canada) 2001, pp.255-264.
5. Патент RU на полезную модель №79611.