Гравитационные эффекты в мире на бране тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Попов Александр Петрович

УПРАВЛЕНИЕ ГЕОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ ГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА В КРИОДИГОЗОНЕ. ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ.

Специальность 25.<Ю4^лГ«1рЬапИ1а'

АВТОРЕФЕРА1 диссертации на соискание уэдиой степени доктора техничеааоЕВаук

Тюмень 2005 г.

Работа выполнена в ООО "Надымгазпром", Институте криосферы Земли Тюменского Научного Центра СЮ РАН, Институте геологии и геоинформатики Тюменского государственного нефтегазового университета

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Бухгалтер Эдуард Борисович

доктор геолого-минералогических наук, профессор Баулин Владимир Викторович

доктор технических наук, Коновалов Александр Александрович

Ведущее предприятие - ФГУП "Фундаментороект"

Защита состоится м_2_" _ноября_ 2005 г._в_10 йе__ на заседании

сертационного совета ДМ 003.042.01 при Институте криосферы Земли Сиб! отделения Российской академии наук по адресу по адресу: г. Тюмень, уа, на, 86.

VI

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба правлять ученому секр>етарю совета по адресу 625000, г. Тюмень, а/я 1230,: тут криосферы Земли СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института криос<{ Земли СО РАН: г. Тюмень, ул. Таймырская, 74.

Автореферат разослан"_9_"_сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, _ . Щ

кандидат геолого-минералогических наук ^ Е.А. Слагода Ц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время и в перспективе до 2020 года север Западной Сибири является основным газодобывающим регионом России, обеспечивающим энергетическую безопасность экономики и жизнедеятельности населения самой холодной в климатическом и геокриологическом отношении страны мира.

Актуальность темы. Методическая основа исследований. Изменение теплового состояния многолетнемерзлых грунтов основания сооружений в процессе эксплуатации является причиной активизации опасных инженерно-геокриологических процессов. Практика показывает, что их развитие периодически приводит к возникновению аварийных ситуаций на объектах газового комплекса с тяжелыми финансово-экономическими, материально-техническими, экологическими и социальными последствиями. Особенности динамики не только механического, но и других форм взаимодействия инженерных сооружений с ММП свидетельствуют о значительном влиянии процесса формирования теплового поля вокруг инженерных сооружений на их надежность (Н.А.Цытович, С.С.Вялов, П.И.Мельников, В.А. Кудрявцев, Е.С.Мельников, JI.H. Хрусталев, С.Е.Гречищев, В.Р.Цибульский, А.А.Коновалов, М.М.Дубина и др.)

В связи с этим создание технологии обеспечения надежности инженерных сооружений газодобывающего комплекса посредством управления тепловым состоянием грунтов оснований - одна из важнейших и актуальных проблем не только газовой отрасли, но и всего государства.

Ведущие советские и российские ученые Э.Д.Ершов, Л.Н.Хрусталев, Л.С.Гарагуля, Л.Н.Максимова, А.Б.Чижов, М.А.Минкин и др. в своих трудах отмечают актуальность методического развития технологии прогнозирования, позволяющей разрабатывать технические средства управления температурным режимом оснований сооружений и обеспечить надежность инженерных сооружений в криолитозоне.

Качественная оценка теплового воздействия "проблемных" геотехнических систем (ГТС) на геологическую среду и эффективности применения комплекса технических решений по управлению тепловым состоянием грунтов основания сооружения невозможна без количественного теплофизического прогноза. К сожалению, применение количественного прогноза в проектировании ограничено рамками использования стационарных или одномерных решений задачи теплообмена.

Наличие программных продуктов, предназначенных для решения многомерных задач теплопроводности с подвижными границами раздела фаз в неоднородных средах (ЛЛ.Хрусталев, Г.П.Пустовойт, Л.В.Емельянова, 1983, 1994,;

М.А.Минкин, 1987; М.М.Дубина 1982, 1999) и методологических основ постановки вычислительного эксперимента (А.А.Самарский и др.), создают предпосылки для разработки технических решений по использованию средств тепловой мелиорации грунтов оснований сооружений на базе прогнозных расчетов с применением метода вычислительного эксперимента.

Именно поэтому развитие научно-методических основ криогеотехнологиче-ского прогнозирования, позволяющих разработать технические средства управления температурным режимом основания конкретного сооружения, учитывать действие реализуемых превентивных и оперативных мероприятий, случайных и детерминированных факторов эксплуатационного воздействия, является актуальной научной проблемой, решение которой имеет важное хозяйственное значение.

В вопросе обеспечения надежности функционирования газодобывающего комплекса в целом ведущее место занимает проблема эксплуатации добывающих скважин, как одного из его основных элементов. Наибольшую опасность для скважин представляют возникающие под действием механических нагрузок осевые и горизонтальные деформации крепи. Причиной их возникновения в значительном ряде случаев является изменение характера действия механических нагрузок вследствие растепления мерзлых грунтов в результате их взаимодействия со скважиной как источником тепла. Применение традиционных и типовых технических решений, разработанных за 50-летний период промышленного строительства в условиях других регионов криолитозоны России, оказалось недостаточно для обеспечения надежной эксплуатации добывающих скважин месторождений полуострова Ямал. Научно-методические основы криогеотехнологического прогнозирования позволяют разработать комплексные технические решения с применением современных средств по сохранению, воспроизводству или усилению криогенного ресурса многолетнемерзлых пород (ММП), используемых в качестве оснований сооружений. Проверка "работоспособности" таких технических решений в процессе длительного промыслового эксперимента позволяет не только убедиться в возможности юс практической реализации, но и доказать адекватность результатов применения технологии прогнозирования экспериментальному материалу, что является актуальным с научной, и особенно с практической точек зрения.

Цель работы. Усовершенствовать научно-методические основы управления температурным полем оснований сооружений с использованием количественного прогноза нестационарного теплового режима грунтов для обеспечения надежности геотехнических систем в криолитозоне.

Основные задачи исследований. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Выполнить анализ причин остановок и отказов систем добычи и подготовки газа к транспорту на месторождениях Крайнего Севера, выявить наиболее значимые причины "отказов" добывающей геотехнической системы и ее компоненты, наиболее подверженные таким отказам. Обобщить результаты 12-летнего цикла режимных наблюдений за состоянием оснований и фундаментов газопромысловых сооружений месторождения Медвежье, выявить характерные типы деформаций, установить их причины, провести классификацию элементов геотехнических систем по характеру их теплового взаимодействия с многолетнемерз-лыми породам..

2. Усовершенствовать научно-методические основы технологии управления качеством криотехнической (опорной) компоненты ГТС посредством целенаправленного преобразования температурного поля грунтов на базе применения известных средств расчета нестационарного теплового режима грунтов и методики вычислительного эксперимента. Произвести опытно-промышленное внедрение разработанной технологии посредством разработки и реализации рациональных комплексов технических решений для вновь проектируемых, требующих реконструкции и ликвидируемых объектов газодобывающего комплекса севера Западной Сибири. Оценить фактическую экономическую эффективность реализованных мероприятий.

3. Выполнить анализ опыта строительства и эксплуатации скважин газовых месторождений Западной Сибири, результатов промысловых исследований теплового воздействия скважины на ММП, существующих методов обеспечения надежности ее конструкции, материалов параметрического бурения на кустовых площадках месторождений Ямала. Провести типизацию геокриологических условий кустовых площадок по степени опасности строительства добывающих скважин. Сформулировать принцип выбора конструкции скважины, обеспечивающий надежность ее ствола в условиях пород с аномальной льдистостью и засоленностью.

4. Исследовать конструкции скважин, как источники теплового воздействия при различных способах их размещения в пределах кустовых площадок и эксплуатации продуктивных горизонтов, изучить воздействие добывающих скважин на ММП и их нестационарное тепловое взаимодействие с сезонноохлаждаю-щими парожидкостными трубчатыми системами вблизи поверхности Земли территории Бованенковского месторождения на основе реализации технологии управления качеством опорной компоненты геотехнической системы в части разработ-

ки методик постановки и проведения вычислительных и промысловых экспериментов.

5. Выполнить разработку и научное обоснование теплотехнических критериев, технологических и технических требований к новым средствам управления состоянием криотехнической компоненты ГТС "добывающая скважина" посредством изменения ее тепловой мощности и целенаправленного преобразова-ня строительных свойств грунтов с использованием ресурсов атмосферного холода. Провести опытно-промышленные испытания разработанных средств управления и проверку адекватности сценариев теплового взаимодействия экспериментальному материалу в процессе годичного цикла исследований в промысловых условиях на территории полуострова Ямал.

6. Оценить эффективность и перспективы практического применения разработанных положений работы как научной основы проектирования, эксплуатации и управления состоянием сооружений в сложных геокриологических условиях и обосновать перспективы исследований на стыке разделов наук о Земле ("геоэкология", "экологическое нормирование", "строительная геотехнология", "инженерная геология, мерзлотоведение", "ландшафтоведение") в рамках "прикладного криогеотехнологического прогнозирования".

Объекты исследований. Многолетнемерзлые грунты оснований инженерных сооружений газового комплекса севера Западной Сибири, технические устройства, обеспечивающие сохранение, воспроизводство или усиление криогенного ресурса ММП, тепловое взаимодействие между техническими устройствами, промысловыми сооружениями газодобывающих комплексов и природно-геологической средой, возникающее на различных этапах "жизненного цикла" систем добычи газа.

Методы исследований. Для решения задач прогноза, проектирования и управления тепловым взаимодействием инженерных сооружений с ММП применены известные численные методы решения задач теории теплопроводности с фазовыми переходами во влагосодержащих породах и метод вычислительного эксперимента для решения соответствующих "обратных" задач теплообмена. При планировании и реализации промысловых экспериментов использованы методы газодинамических исследований добывающих скважин, скважинной термометрии. При обработке экспериментального материала использованы методы математической статистики, анализа геолого-промысловой информации.

Достоверность полученных результатов. При решении поставленных задач использованы материалы промысловых журналов регистрации отказов, материалы инженерных изысканий, геодезических наблюдений за деформациями

свайных оснований и режимных термометрических исследований наблюдательных скважин по площадкам строительства. В работе использованы данные двенадцатилетнего цикла наблюдений по скважинам и деформационным маркам сети инженерно-геокриологического мониторинга на 18 площадках размещения основных объектов добычи и подготовки газа к транспорту на месторождении Медвежье, на площадках установок комплексной подготовки газа (УКПГ) и дожимных компрессорных станциях (ДКС) Юбилейного и Ямсовейского месторождений, материалы экспериментальных термометрических исследований на скважинах Бова-ненковского месторождения (БПСМ), длительного промыслового эксперимента по перекачке газа из аптского продуктивного горизонта в сеноманский на кустовой площадке № 64 БГКМ.

Теоретические и методические положения работы получены с использованием апробированных в научной и прикладной литературе методов современной теории теплопроводности дисперсной среды с фазовыми переходами воды, численных методов решения соответствующих задач математической физики, а также развитой в области прикладной математики технологии вычислительного эксперимента. Результаты работ подтверждены многолетней практикой контроля устойчивости объектов газодобычи на лицензионных участках ООО "Надымгаз-пром" в пределах территории Ямало-Ненецкого автономного округа, использованием материалов работы в проектных решениях по реконструкции действующих сооружений и при проектировании новых объектов в зоне распространения ММП.

Научная новизна.

Автором существенным образом усовершенствованы научно-методические основы технологии управления состоянием опорной компоненты криогенной ГТС. Технология заключается в применении методической основы постановки вычислительного эксперимента для решения "прямых" и "обратных" задач нестационарного теплообмена ГТС и ММП и отличается тем, что, возможность получения информации при реализации комплекса работ по эксплуатационному геотехническому мониторингу позволяет, используя вычислительный эксперимент, определить изменения параметров техногенного климата под действием случайных и детерминированных объективных и субъективных факторов воздействия, вычислить "эффективные" технические параметры и технологические характеристики средств управления этими факторами и обеспечить необходимое "качество" ГТС течение всего срока ее эксплуатации.

Впервые обоснована и проверена в производственной практике газодобывающего предприятия методическая основа проведения теплотехнических вычислительных экспериментов по прогнозу нестационарного теплового взаимодейст-

вия инженерных сооружений с ММП оснований для целей проектирования эффективных мероприятий по управлению температурным полем грунтов и состоянием сооружения. Заложены основы нового междисциплинарного научного направление "прикладного криогеотехнологического прогнозирования", обоснованы пути для его дальнейшего развития на стыке наук о Земле.

Впервые сформулирован принцип выбора конструкции, обеспечивающий повышение надежности добывающей скважины в условиях пород с аномальной льдистостью и засоленностью (месторождения полуострова Ямал) с допущением оттаивания и полной потери механической связи крепи с вмещающими ее грунтами. Предлагаемый принцип заключается в выборе способа "крепления" устьевой части скважины с помощью пассивных или пассивно-активных неэнергоемких тепловых экранов исходя из результатов типизации разреза на основе материалов предварительного параметрического бурения кустовых площадок. Для практической реализации принципа предложены и защищены патентами РФ способы крепления приустьевой зоны скважины. Посредством проведения вычислительного эксперимента с использованием квазитрехмерной постановки задачи теплообмена обоснованы принципиальные характеристики технических средств, необходимых для реализации способа.

Впервые в промысловых условиях проведены исследования фактического коэффициента теплоотдачи добывающих скважин различной конструкции "тепловой защиты". Для этого разработаны и защищены патентом РФ программа промыслового и методика вычислительного эксперимента, основанного на "обработке" результатов термометрии в трубке сателлите за направлением с помощью численного решения уравнений математической модели нестационарного теплообмена скважины и грунтового основания, применительно к условиям льдистого разреза ММП полуострова Ямал.

Впервые в процессе длительного промыслового эксперимента по исследованию нестационарного теплового влияния кустовых добывающих скважин на ММП в годичном цикле теплового воздействия произведена проверка адекватности экспериментальному материалу разработанных математических моделей, испытан способ крепления устья скважины трубчатой сезонноохлаждающей системой, исследован процесс восстановления естественной температуры пород после окончания теплового воздействия.

На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Возникновение аварийных ситуаций по причине потери надежности "опорной" компоненты ГТС уступает по значимости лишь отказам технологического характера. В отличие от существующих представлений о затухании деформаций

во времени, традиционных для территориальных зон строительства без наличия ММП в грунтах оснований, деформации развиваются во времени, что обусловлено динамикой криогенных процессов техногенного характера. На начальной стадии освоения более значимы отказы на добывающих скважинах, по мере выработки месторождения ущерб от отказов по причине воздействия на ММП все больше смещается в сторону фундаментов объектов подготовки газа к дальнему транспорту. Причины отказов "опорной" компоненты (непроектные изменения мерзлотно-геологических условий, связанные с объективными и субъективными факторами проектирования) подтверждают необходимость разработки и совершенствования методической основы управления тепловым взаимодействием ГТС и ее надежностью.

2. Усовершенствованные научно-методические основы технологии управления состоянием опорной компоненты криогенной ГТС представляют собой, по сути, технологию прогноза изменений окружающей среды, позволяющую, на всех стадиях "жизненного цикла" различных типов ГТС разработать, научно обосновать критерии и технологические требования к созданию именно тех новых технические средств управления, которые своевременно локализуют или ликвидируют возможные последствия негативных техногенных воздействий.

Практическая реализация технологии позволяет с достаточной степенью эффективности решить крупную народохозяйственную задачу - обеспечить эксплуатационную надежность инженерного сооружения с одновременной оптимизацией финансовых затрат, направляемых на достижение этой цели.

3. Практическое применение технологии для наиболее "значимого" типа объектов газодобывающей системы — кустовых эксплуатационных скважин, позволило спланировать и провести серию промысловых и вычислительных экспериментов по их исследованию, как источников теплового воздействия на ММП, оценить перспективы использования новых строительных технологий и технических средств управления ITC и криогенным ресурсом территории, обеспечить повышение надежности конструкций горных выработок при их проектировании, строительстве и восстановлении, одновременно улучшая показатели экономической эффективности проектных решений. Реализованные в промысловых условиях на территории полуострова Ямал опытно-промышленные испытания разработанных средств управления позволили констатировать адекватность сценариев теплового взаимодействия ГТС с ММП экспериментальному материалу в процессе годичного цикла исследований.

Использование технологии в смежных отраслях науки о Земле позволяет получать сведения о характеристиках (параметрах) и свойствах реальных природ-

ных и природно-технических систем и (или) их элементов, решать проблемные вопросы классификации объектов, изучать характер взаимосвязей, особенности структуры и строения криогенных геосистем и их компонентов посредством вычислительного эксперимента, реализующего решение совокупности прямых и обратных задач теплообмена, что свидетельствует о создании научно-методической основы нового междисциплинарного направления — "прикладного криогеотехно-логического прогнозирования"

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем.

Во-первых, в применении методических основ постановки вычислительного эксперимента, реализующего решение задачи прогноза теплового взаимодействия конкретных инженерных сооружений с многолетнемерзлыми грунтами оснований:

для целей проектирования эффективных мероприятий при искусственном управлении температурным полем грунтов основания;

для разработки прогноза динамики геокриологических условий площадок строительства при проведении инженерно-геологических изысканий;

при использовании в качестве ключевого элемента в комплексе производственных работ по инженерно-геологическому мониторингу сооружений в зоне распространения ММП.

Во-вторых, промысловые экспериментальные исследования позволяют убедиться в достоверности теоретических прогнозов взаимодействия скважины и ММП, откорректировать конструкцию крепи добывающей скважины для месторождений полуострова Ямал с целью повышения ее устойчивости и экологической безопасности.

В-третьих, результаты научных исследований и научно-методических разработок соискателя нашли применение на предприятиях:

1. ООО "Надымгазпром" - в 1992-2004 г.г. в качестве методической основы деятельности производственной службы инженерно-геологического мониторинга в повседневной практике предприятия. В течении ряда лет на них основаны ежегодные планы текущего, капитального ремонтов и реконструкции "нулевых циклов" добывающих сооружений Медвежьего, Юбилейного, Ямсовейского, Бова-ненковского и Харасавейского месторождений.

2. ООО "Надымгазпром" - в 2001-2004 г.г. в процессе экспериментальных работ при реализации мероприятий начального периода обустройства Бованенков-ского ГКМ.

Подтвержденная документально экономическая эффективность внедрения на предприятии "Надымгазпром" технических мероприятий за 1999 год составила

51960,357 тыс. рублей, за 2000 год - 28389,210 тысяч рублей, за 2001 год -28647,187 тысяч рублей, за 2002 год - 30315,17 тысяч рублей.

3. ООО "ТюменНИИГипрогаз" - при разработке проектной документации на экспериментальный промысловый полигон по испытанию приустьевых охлаждающих систем на Песцовом месторождении. Выборе принципиальных решений по конструкции скважин для Бованенковского ГКМ.

4. ООО "Фундаментстройаркос", ОАО "ВНИПИГаздобыча" - при разработке проектной документации для реализации перечисленных выше мероприятий в строительной практике.

Апробация работы. Основные результаты работ обсуждены в процессе докладов и дискуссий при проведении ряда конференций, семинаров, совещаний и конгрессов. Наиболее значительные из них: Первая конференция геокриологов России, МГУ, 1996 г.; Второй международный конгресс "Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего" Москва, 1997 г.; Горно-геологический Форум "Природные ресурсы стран СНГ", С.Петербург, 1998 г.; Международная конференция "Нефтегазэкспо" С.-Петербург, 1998 г.; Interna-sional Gas Research Conference, San Diego, California, USA, 1998 г.; Вторая конференция геокриологов России, МГУ, 2001 г.; Международная конференция "Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли, Пущино, 2001 г.; IX международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование технологий замораживания грунтов искусственным холодом", Санкт-Петербург, 2003 г., Международная конференция "Криосфера нефтегазоносных провинций", Тюмень-Надым, 2004 г., Научно-практический семинар "Исследования засоленных мерзлых грунтов в строительных целях", Тюмень 2005 г., Третья конференция геокриологов России, МГУ, 2005 г.

Результаты работы и ее промышленной апробации на предприятии "Надым-газпром" были представлены и обсуждены на секции "Экология и охрана окружающей среды НТС ОАО "Газпром" (июль, 1998 г., Решение № 12-98). В 1999 г. комплекс работ отмечен отраслевой премией за лучшую научно-техническую разработку (Постановление Правления ОАО "Газпром" Ка 94 от 9 августа 1999 г.).

В 2002 г. научно-техническая разработка "Разработка и внедрение методики прогнозирования теплового взаимодействия объектов газового комплекса с мно-голетнемерзлыми грунтами" отмечена дипломом лауреата отраслевой премии за лучшую научно-техническую разработку (Постановление Правления ОАО "Газпром" № 61 от 29 августа 2002 г.).

Защищенные патентами РФ (№ 2158353, № 2157872) способы обеспечения надежности фундаментов и скважин, основанные на искусственном управлении температурным режимом грунтов, отмечены в 2001 г. серебряной и бронзовой медалями Женевского международного салона изобретений (Salon International Des Inventions, Geneve, le avril 2001) . В 2002 г. патентные разработки отмечены дипломом конкурса "Изобретатель года, Тюмень, 2002 ".

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 83 научных работах, включая 5 монографий и 8 научных обзоров. По результатам представленных в работе исследований получено 7 патентов РФ на изобретения, 9 работ опубликовано единолично, 8 работ опубликовано в изданиях, выпускаемых в РФ и включенных в Перечень ВАК. Наиболее существенные из опубликованных работ приведены в автореферате.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, разработке методологии исследований, научном руководстве промысловыми и вычислительными экспериментами, в непосредственном их проведении, участии в термометрических и газодинамических исследованиях, в проведении интерпретации и обобщения результатов. Разработка основных положений научно-методических основ технологии управления состоянием ГТС в криолитозоне, разработка способов и методик, реализация вычислительных экспериментов для ряда конкретных инженерных сооружений выполнены непосредственно автором. Помимо этого автором сформулированы "формулы изобретений" и тексты заявок на патенты РФ 2157872, 2126887, 2159308, 2127356, работа над формулами изобретений к патентам РФ 2158353 и 2157882 выполнена совместно с к.т.н. Г.К. Смоловым, к патенту РФ 2209934 с д.т.н. М.М. Дубиной.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 319 листах, в том числе 291 страница машинописного текста, 57 рисунков, 4 таблицы, списка литературы из 409 наименований, из 1 графического и 3 текстовых приложений.

В работе приведены результаты самостоятельных исследований автора, а так же результаты, полученные под его научным руководством в творческом сотрудничестве с А.Б.Осокиным, Г.К.Смоловым, Г.И.Гривой, А.И.Березняковым.

Автор выражает признательность и благодарность Академику РАН В.П.Мельникову, чьи ценные рекомендации помогли автору "взглянуть" на практические результаты проделанной работы с несколько иной, методологической точки зрения, отчего последняя приобрела стройность и "законченный", цельный вид, д.т.н., профессору М.М. Дубине, советы и замечания которого способствовали улучшению структуры и содержания работы.

Автор искренне благодарен своим первым научным руководителям В.П.Мельникову, Б.И.Геннадинику (ИМ СО АН СССР, 1982), В ПЦареву, Б.В.Дегтяреву, КШ.Ширихину (ИПОС СО РАН, 1987), О.М.Ермилову (НФ "Тю-менНИИГИпрогаз", 1991, ООО "Надымгазпром", 1996) за полученную "школу", советы, наставления и поддержку; руководству ОАО "Газпром" В.В.Ремизову, Н.В.Михаилову; предприятия "Надымгазпром" Л.С.Чугунову Л.С., В.И.Кононову, Г.И.Облекову, З.С.Салихову и его Научно-технического центра А.И.Березнякову, Л.Н.Решетникову за организационную и техническую помощь в проведении исследований.

Автор особенно благодарен промысловому, инженерному и руководящему персоналу Ямальского газопромыслового управления В.В.Арефьеву, В.А.Дмитриеву, Г.Э.Гаджиеву, коллективу лаборатории исследований газовых и газоконденсатных скважин и отдела инженерно-геологического мониторинга НТЦ Надымгазпром В.Б.Полякову, Ю.П.Архипову, Э.Ю.Галактионову, П.А.Бендас, А.Т.Дуденко, которые в экстремальных условиях Бованенковского, Медвежьего, Юбилейного и Ямсовейского месторождений помогли автору собрать основной объем экспериментальных данных и делили тяготы полевой жизни.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы, ставится цель и задачи исследования, рассматриваются методы и возможные средства исследования, научная новизна и практическая значимость результатов.

Первая глава посвящена обсуждению предметно-объектной области и методических основ исследования, постановке проблемы.

Разрабатываемые месторождения углеводородного сырья представляют собой сложную газодобывающую систему (рис.1).

Помимо собственно природной геологической компоненты (имеется ввиду газоносный геологический горизонт), в этой системе взаимодействуют друг с другом отдельные технические компоненты, а именно, собственно добывающая (эксплуатационные газовые скважины), перерабатывающая (установки комплексной подготовки газа) и транспортная (дожимные компрессорные станции, трубопроводы межпромыслового транспорта внутрипромысловые трубопроводы сбора газа).

Кроме этого, размещение месторождений в зоне распространения ММП усложняет этот комплекс еще одной природно-технической компонентой — грунты оснований, фундаменты и тепловой технологический режим эксплуатации всех перечисленных сооружений. Элементы этой компоненты находятся в тесной взаимосвязи не только между собой, но и влияют (обратные связи) на состояние других компонентов ГТС. Именно через эту компоненту окружающая среда сущест-

I, ПрфО^аяТоирчА №bj|R>P{NU4

Геолог* доая-с ст в-яюш»

^иматичвсгаегастаалаюшля 1-1-

1

Природные подсистемы

Подсистема продуктивного горизонт«

Геокриологическая подсистема

Техногенный mutism

I

.........i.........

д«*рш0ация, . ,

а»рлд»ци*имп 2 Криотехническая (опорная) подсистема

....•.«ч грунтыосмоаажй,фундаменты,т«жк«ве*и»срвдстмупрммнм гаплоамы состояниям грунтов и тепловой технологический режим эксплуатации инженерных сооружений

Добывающая эксплуатационная

- * Транспорткэтг" •

ДКС. •нутрипраиысло-еые и метромыспо-•ы* груОосцрюды

Технические ' подсистемы

перерабатывающая установки комплексной падтатожм f*i«

t

I " 1 ________I__________I.

0*формачии дмхмоломчюпмо оеор/йопжм

Рис.1. Газодобывающая геотехническая система

венным образом влияет на надежность эксплуатации и стабильность подачи газа

потребителю. Такую систему, состоящую из природной (геокриологической) и технической компоненты, назовем криотехнической опорной компонентой (подсистемой).

Следует отметить, что газодобывающая ГТС представляет собой совокупность технологически обусловленных, иерархически подчиненных

ей типов природно-технических систем. При этом природные компоненты этих типов существенно преобразованы техногенным воздействием, что необходимо учитывать при управлении состоянием таких систем.

Исследователи устойчивости природных геосистем (Н.А.Граве, С.Ю. Пар-музин, А.А.Коновалов, Д.В. Московченко, С.Е.Суходольский, А.И.Сташенко, Э.Д.Ершов, В.Г.Чигир, Т.В.Звонкова, Л.И.Мухина, А-А.Крауклис, В.В.Куликов, Г.Е.Гришаков, B.C. Преображенский, А.Д.Арманд, М.А.Глазовская, Т.П.Куприянова, З.В.Дашкевич, Ю.Л.Шур., М.Д.Гродзинский, А.Н.Федоров) определяли последнюю как свойство природного комплекса активно противостоять (сохранять свои параметры) внешним возмущающим воздействиям. Понятие "надежность" в отношении природных геосистем практически не используется, однако для анализа их устойчивости М.Д.Гродзинским (1987; 1989) был применен концептуальный и математический аппарат теории надежности.

Понятие "надежность" для оснований (Г.П.Пустовойт, 1997) и ГТС (Л.Н.Хрусталев, 2000) введено на основе вероятностного описания "внешних воздействий". Для технических систем понятие "устойчивость" большинством исследователей связывается с механической (пространственной) устойчивостью, хотя существуют определения, основанные на понятии "потеря качества" или "функциональных" характеристик от фиксированного внешнего воздействия. При этом "качество" определено как целостная совокупность основных потребительских характеристик системы.

Процесс проектирования ГТС заключается в обосновании (вычислении) таких параметров системы, которые позволили бы поддержать упомянутую совокупность потребительских свойств в течение заданного проектом времени, равного сроку эксплуатации. Нетрудно заметить, что последнее выражение совпадает с классическим определением надежности — "свойство системы сохранять качество в течение фиксированного периода времени" под влиянием внешних воздействий.

Известные нормативные документы [СНиП 2.02.04-88, СНиП 2.02.01-83] подразумевают проведение в процессе проектирования расчетов фундаментов по материалам и конструкциям, а грунтов оснований по предельным состояниям - по прочности (несущей способности) и по деформациям. Если расчеты самих фундаментов достаточно хорошо разработанная область инженерной деятельности (об этом свидетельствует и тот факт, что СНиП 2.02.01-83 действует уже более чем 20 лет), то задача об "описании" нестационарного напряженно-деформированного состояния грунтового массива еще "далека" от точного решения ввиду своей сложности.

Тем не менее, для грунтового массива, находящегося в мерзлом состоянии, при достаточно сильной зависимости механических характеристик грунтов от температуры вблизи точки, соответствующей началу замерзания (Н.А.Цытович, М.И.Сумгин, А.А.Коновалов, Л.С.Гарагуля, А.В.Брушков), существует возможность уверенного прогнозирования динамики механических свойств посредством решения нестационарной задачи теплопроводности в постановке Стефана. Такого рода задачи широко разработаны, мало того алгоритмы их реализации "доведены" до достаточно простых "пользовательских программных комплексов" (Л.Н.Хрусталев, М.А.Минкин, М.М.Дубина и др.)

Таким образом, возможность проведения численного нестационарного прогноза температурного поля в грунтах основания инженерного сооружения в криопитозоне дает возможность не только прогнозировать (проектировать) его поведение в процессе эксплуатации, но и сознательно "управлять" последним с целью изменения механических свойств пород для "поддержания" потребительских свойств криотехнической подсистемы ПТС на проектном уровне в течение срока эксплуатации сооружения. Иными словами, управлять состоянием криотехнической подсистемы РТС возможно посредством управления температурным полем многолетнемерзлых грунтов основания.

Математическим моделям теплообмена сооружений с ММП уделяли внимание Л.СЛейбензон, А.ВЛыхов, Б.М.Будак, А.Б.Успенский, А.Н. Тихонов, А.А.Самарский, Г.В.Порхаев, Д.И.Федорович, М.Р.Гохман, Л.Н.Хрусталев,

Г.П.Пустовойт, Э.А.Бондарев, БА.Красовицкий, М.М.Дубина, Г.М.Фельдман, С.Е.Гречшцев, Я.Б.Горелик, В.А.Истомин, В.И.Исаев, М.А.Минвсин, Н.Б.Кутвицкая и др., в том числе на уровне нормативных документов (СНиП 2.02.04-88, РСН 67-87, ЮЛ. Велли "Справочник по проектированию...").

Известна многолетняя и эффективная практика использования подобных моделей, основанных на численных методах решения задач Стефана для прогноза теплообмена сооружений в криолитозоне. Здесь следует отметить работы Н.А.Бучко, А.А.Плотникова, Я.А.Кроника, Е.Ф.Гулько, М.Г.Мнушкина, В.И.Васильева, Е.Е.Слепдова, П.ПЛермякова, Л.Н.Хрусталева, Г.П.Пустовойта, М.М.Дубины, М.А.Минкина, Н.Б.Кутвицкой и др. Тем не менее, использование численных методов решения задачи Стефана в практике производственных и проектных организаций до сих пор не нашло широкого применения. Естественно, что расширение возможностей использования прогнозных средств требует разработки методик их применения в соответствии с целевым назначением. В частности, основной проблемой совершенствования управления состоянием ГТС в криолитозоне является адаптация имеющихся средств прогноза температурного режима грунтов к решению практических задач. При этом приходится решать ряд методических вопросов: 1) какие исходные данные, характеризующие геокриологические, природно-климатические, технологические условия эксплуатации объектов, использовать при разработке прогнозных сценариев (вычислительного эксперимента); 2) какова должна быть точность и достоверность вводимых величин параметров теплового взаимодействия; 3) каким образом оценивать адекватность прогнозной модели с тем или иным набором параметров и происходящих в действительности процессов; 4) как производить корректировку моделей по данным измерений температур, характеризующих фактическое состояние тепловых полей и т.д. Газодобывающие предприятия, расположенные в криолитозоне, вынуждены постоянно заниматься вопросами обеспечения устойчивой и надежной, безопасной эксплуатации ГТС, что обуславливает актуальность разработки и внедрения технологии прогнозирования как составной части управления их состоянием.

Одним из ключевых элементов системы добычи углеводородного сырья является эксплуатационная (добывающая) скважина. Аварии и отказы этого элемента системы, их экономические, технические и экологические последствия, трудности проведения работ по ликвидации таких последствий не сопоставимы с ущербом от аварий на других элементах добывающих систем. Проблема осложняется региональными особенностями инженерно-геокриологических условий севера Тюменской области, где сосредоточены основные запасы углеводородов в России.

В период, предшествующий началу разработки газовых, газоконденсатных месторождений севера Тюменской области, расположенных в области распространения ММП, а также во время опытно-промышленной эксплуатации Медвежьего, а затем Уренгойского, Ямбургского месторождений, в академической (ЭА.Бондарев, Б.А.Красовицкий, М.М.Дубина) и отраслевой науке (А.В.Марамзин, Г.С.Грязнов, Р.И.Медведский, С.В.Стригоцкий, И.Ю.Быков, В.Ф.Шохин, В.Ф.Штоль, В.А.Истомин, Б.В.Дегтярев, Н.Р.Колушев, А.В.Полозков) пристально рассматривался вопрос безаварийной работы высокопроизводительных газовых скважин в зоне развития ММП.

Известные в настоящее время и достаточно широко применяемые в отраслевых нормативных документах математические модели, описывающие температурное взаимодействие добывающей скважины на ММП (В.А.Истомин, Б.В.Дегтярев, Н.Р.Колушев и др. (ВНИИГАЗ)), основаны, по сути, на приближенных решениях упомянутой системы дифференциальных уравнений (одномерная постановка, стационарное (квазистационарное) приближение и т.д.).

Промысловые эксперименты по изучению процессов протаивания ММП (Н.ЕЩербич, И.Ю.Быков, М.А.Гудмен, В.В.Бак, А.М.Зотеев, А.Л.Палесик, Н.А.Носков, С.М.Выщенский, Б.В.Дегтярев, В.А.Истомин, В.А.Хилько,) и влияния этого протаивания на состояние крепи скважин (Н.Р.Колушев, Б.В.Дегтярев) пока, в большинстве работ, не выходит за рамки планирования исследований, в связи с чем, целый ряд теоретических разработок не обоснован фактическим материалом, а эксплуатационная проверка этих разработок в натурных промысловых условиях отсутствует.

Вышеизложенное свидетельствует, что решение проблемы устойчивости газовой скважины для месторождений п-ова Ямал, где геокриологические условия верхней части разреза существенно отличаются от условий действующих месторождений, актуально как с научной, так и с практической точек зрения.

Для обоснования выбора мер по предотвращению потери устойчивости конструкции скважины в условиях ММП требуется систематизация ранее выполненных, планирование и реализация промысловых экспериментальных работ и вычислительных экспериментов связанных с изучением теплового и механического взаимодействия элементов системы "скважина — породы - охлаждающие системы".

Закономерным результатом таких исследований следует считать разработку средств управления температурным режимом пород, вмещающих добывающую скважину, реализация которых позволит ликвидировать (локализовать) негативные техногенные воздействия на ММП и, следовательно, снизить риск возможных

экологических последствий в случае отказа технологического элемента добывающей системы.

Вторая глава посвящена анализу технологических отказов и аварий, произошедших на Медвежьем месторождении за время его эксплуатации с 1972 г. Исходный материал включает в себя информацию о дате аварии, объекте, на котором

она произошла, месте аварии на объекте, сведения о характере и причинах аварии, о работах по ликвидации последствий, о длительности простоя оборудования, включая длительность непосредственно ремонтных работ, сведения о причиненном предприятию ущербе. База данных содержит сведения о более чем 600 отказах, зарегистрированных соответствующими службами газодобывающего предприятия, начиная с момента обустройства месторождения и заканчивая 1995 годом. Результат обработки приведен на рис.2.

Оценка значимости влияния на надежность эксплуатации добывающей системы, причин, обусловленных техногенным воздействием объектов газодобычи на процессы в ММП, свидетельствует о том, что возникновение аварийных ситуаций по причине потери надежности "опорной" компоненты 1 уступает по значимости лишь отказам технологического характера (рис.3).

Ш Прочие причины

□ Нарушение технологического режима эксплуатации оборудования

0 Брак при сварка

[3Техногенное воздействие на ММП

В Нарушение технологии и правил строительства и освоения скважин

Рис. 2. Распределение параметра "потери добычи"

Ранг значимости 3

Рис. 3. Ранговые значимости причин отказов.

В отличие от существующих представлений о затухании деформаций во времени, традиционных для территориальных зон строительства без наличия ММП в грунтах оснований, деформации развиваются во времени, что обусловлено динамикой криогенных процессов техногенного характера.

Сравнение ранговых значимостей причин отказов на различных стадиях обустройства ГТС показало, что техногенное воздействие на ММП является одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций, независимо то того, на какой стадии разработки находится месторождение. При этом, если в начальной стадии освоения Медвежьего месторождения наибольший ущерб от отказов по причине воздействия на ММП зафиксирован на добывающих скважинах, то на поздних стадиях разработки акцент все больше смещается в сторону фундаментов объектов подготовки газа к дальнему транспорту.

На основании изложенного выше целесообразно сформулировать промежуточный вывод о том, что приоритет при вложении финансовых средств в "надежность" добывающей ПТС следует "отдать" криотехнической и добывающей подсистемам.

Далее в главе рассмотрены вопросы, связанные с эксплуатационной надежностью газопромысловых сооружений, отказы на которых имеют большую значимость на поздних стадиях эксплуатации добывающей ГТС. На основе динамики деформаций газопромысловых сооружений, динамики температурных полей в грунтовых основаниях и обобщения результатов многолетнего опыта проведения работ по инженерно-геологическому мониторингу в процессе эксплуатации сооружений Медвежьего месторождения выявлены наиболее распространенные типы деформаций и их причины.

Наиболее распространенными типами деформаций фундаментов основных газопромысловых объектов являются: 1) сезонное пучение (после цикла пучения свая возвращается в исходное состояние); 2) многолетнее (остаточное) пучение; 3) многолетняя осадка.

Причинами наблюдаемых деформаций являются: 1) непроектные изменения температурного поля в грунтах оснований, являющиеся следствием неблагоприятных мерзлотно-геологических условий промплощадок после создания насыпи; 2) нарушения при проектировании строительных норм и правил; 3) отклонения от проектов в процессе строительства и эксплуатации сооружений, в результате которых изменился характер теплообмена в системе "сооружение - грунты основания".

По характеру теплового взаимодействия элементов ГТС с ММП автором выделяются следующие объекты:

• в конструктивные особенности которых заложены элементы, обеспечивающие проектный принцип использования грунтов оснований (положительный субъ-

ективный фактор проектирования). Это технологические корпуса с вентилируемым подпольем для охлаждения грунтов оснований при строительстве по принципу I и с полами по грунту для обеспечения теплопотока в грунт при строительстве по принципу II.

• принцип строительства которых регламентирован проектами, однако конструктивных элементов, обеспечивающих его поддержание, не предусмотрено (отрицательный субъективный фактор проектирования).

• в конструкцию которых заложены решения, определяющие отклонения от проектного способа использования грунтов основания вследствие наличия трудно учитываемых факторов, возникших в период эксплуатации (объективный отрицательный фактор проектирования). Температурный режим грунтов определяется неопределенным, зачастую "случайным" набором формирующих температуру факторов: снежного покрова, поступлением прямой и рассеянной солнечной радиации и т.д. К этому типу относятся трубопроводные обвязки газоперекачивающих агрегатов, выполненные частично в подземном варианте в условиях развития ММП, а также ряд аппаратов воздушного охлаждения газа (ABO газа), эксплуатируемых в режиме рециркуляции, что приводит к повышению среднегодовой температуры поверхности грунта.

Причины отказов "опорной" компоненты (непроектные изменения мерз-лотно-геологических условий, связанные с объективными и субъективными факторами проектирования, строительства и эксплуатации) подтверждают необходимость разработки и совершенствования научно-методических основ техно-логииической основы управления тепловым взаимодействием ГТС с ММП, и, следовательно, ее надежностью.

В третьей главе автором сформулированы научно-методические основы технологии управления состоянием криотехнической (опорной) компоненты добывающей ГТС в течение всего срока ее функционирования.

В качестве способа достижения поставленной цели предложена методика постановки и проведения вычислительного эксперимента по целенаправленному проектированию (прогнозированию) теплового взаимодействия объектов газового комплекса с многолетнемерзлыми грунтами и описана схема его реализации.

Традиционный подход к обеспечению надежности криотехнической подсистемы ГТС заключается в том, что на этапе ее проектирования "закладывается" определенный перерасход материальных ресурсов, для того чтобы заведомо обеспечить сохранение качества, даже в случае "случайных" (объективных и субъективных) просчетов при проектировании, строительстве и эксплуатации.

Российские строительные нормы и правила предусматривают реализацию такого подхода, рекомендуя введение при расчетах оснований и фундаментов так называемого "коэффициента запаса" ("коэффициент условий работы" и др.). К сожалению, опыт эксплуатации фундаментов в криолитозоне свидетельствует о необходимости доработки действующих СНиП в части обоснованного увеличения абсолютных значений "коэффициентов запаса". Особо актуальна эта проблема для проектирования и эксплуатации геотехнических сооружений в условиях прерывистой криолитозоны Западной Сибири.

С точки зрения автора наиболее оптимальными финансовыми вложениями в надежность ГТС следует считать такие затраты на проектирование мер по поддержанию "качества", которые позволили бы эксплуатировать последнюю без отказов в течение заданного проектом периода времени, с одномоментной потерей потребительских характеристик непосредственно после окончания этого срока. Этот тезис, позволяет, предположить, что если будет найден способ, каким образом следует определить необходимый момент времени, пространственную точку и целесообразный объем "инвестиций в надежность" в процессе эксплуатации, то, в случае обеспечения "необходимого коэффициента запаса" при проектировании, система "доживет" до момента "ликвидации" с оптимальными капитальными затратами в ее "надежность".

Предлагаемый технологический подход к обеспечению надежности может быть сформулирован в виде следующей технологии (рис.4): 1. Реализация в полном объеме требований строительных норм и правил в части реализации геокриологического прогноза. При этом выполнять именно численный прогноз на

этапе "непосредственного проектирования" (точка В, рис.4) в дополнение к геокриологическому прогнозу, выполняемого на этапе "инженерные изыскания для строительства" (точка А, рис.4). Это требование обусловлено тем фактом, что на

Детерминированный и случайные объективные и субъективные техногенные воздействия в процессе эксплуатации

Режимный опрос сети мониторинге Корректировке сценария темпврвтурного техногенного воздействия не грунтовый мессив

Созденив сценария нестационарного температурного техногенного воздействия (численный геокриологический прогноз)

Рис.4. Этапы "жизненного цикла "криотехнической подсистемы ГТС

этапе "инженерные изыскания" роль геокриологического прогноза сводится в настоящее время по сути лишь к рекомендациям и обоснованию инженер-геологом выбора принципа использования грунтов для проектировщика строительной специальности. В сегодняшней ситуации, на момент реализации геокриологического прогноза инженер-геолог еще не знает всех параметров проектируемой системы (конструкцию фундамента, конкретные технологические тепловые нагрузки на грунты основания и т.д.) и, следовательно, не в состоянии "спроектировать" нестационарное температурное поле грунтов, обеспечивающее сохранение "качества" системы.

2. На последующем этапе необходимо выполнить обязательные требования строительных норм и правил в части проектирования термометрической и топоге-одезической наблюдательных сетей. Здесь следует считать рациональным, совместно с рабочей документацией на конструкцию и места расположения нивелировочных марок, геодезических реперов и термометрических скважин, обосновать рациональное их размещение на площадке строительства в специальном текстовом разделе документации (Программе геотехнического мониторинга). В этом же разделе следует обосновать критерии "сохранения качества системы" в части деформаций и температурного поля, привести исходные данные и результаты постановки задачи нестационарного теплообмена (проектирования температурного поля, сохраняющего качество системы в течение всего срока эксплуатации). Результатом этого будет более рациональное (оптимальное) размещение отдельных точек наблюдательной сети и получение численных критериев отказа криотехниче-ской подсистемы ГТС.

3. На этапе "строительство" следует выполнить монтажные работы по обустройству наблюдательной сети и провести ее "реперный опрос" в момент сдачи объекта в эксплуатацию (точка С, рис.4). В случае использования способов строительства связанных с обеспечением заданной проектной температуры грунтов в процессе строительства (например, предварительное промораживание) дополнительные "опросы" сети следует выполнять на этапе строительства.

4. В процессе эксплуатации криотехнической подсистемы ПТС детерминированные и случайные объективные и субъективные факторы воздействия (отрезок СТ), рис.4) приводят к изменению "проектного" температурного поля в основании сооружения, как следствие, изменяются механические характеристики грунтов, развивается процесс деформации фундамента, приводящий к напряженно-деформированному состоянию надфундаментных конструкций. Рационально спроектированные и обустроенные наблюдательные сети (термометрическая и геодезическая) мониторинга дают возможность зафиксировать в определенный

момент времени фактическое пространственное состояние системы (точка Б, рис.4)

5. Использование метода "вычислительного эксперимента" дает возможность при известной математической модели процесса и известном результирующем состоянии системы, "восстановить" численные значения параметров техногенного воздействия (в нашем случае "эффективные" значения коэффициентов теплоотдачи и температуры на границах расчетной области). Исходный сценарий температурного состояния системы, разработанный на этапе "проектирование" следует откорректировать с учетом значений "эффективных" параметров теплообмена (техногенного воздействия на отрезке СБ), выполнить прогнозирование на весь срок эксплуатации системы, оценив пространственную и временную динамику температурного поля, соотнеся последнюю с "проектным" температурным полем (полем, обеспечивающим надежность). При этом наличие информации о динамике пространственных деформаций фундамента (результаты "опроса" геодезической сети в точке О, рис.4) позволяют прогнозировать при необходимости и напряженно деформированное состояние надфундаментных конструкций.

6. Допустим, что результаты прогноза, выполненного на предыдущем шаге свидетельствуют, что в грунтах основания сооружения развивается неблагоприятный процесс (например, повышение температуры или увеличение сезонного про-таивания) вследствие воздействия техногенных факторов на отрезке СО. Прогнозный сценарий свидетельствует о том, что в определенный момент времени (например, в точке Б, рис.4) произойдет "нарушение" критериев "сохранения качества системы" по п.2. Однако наша система находится пока в точке Б, и наличие, откорректированной по результатам режимной термометрии, численной модели нестационарного взаимодействия грунтов основания с внешними техногенными (искусственными и природными) факторами воздействия, позволяет "проиграть" спектр состояний системы, управляя искусственными факторами воздействия. При этом спектр таких средств "управления" достаточно широк. Это и сезонноохлаж-дающие устройства, теплоизоляционные материалы, перераспределение снегонакопления, греющий кабель, увеличение модуля вентиляции, изменение эксплуатационной температуры помещений и т.д. Упомянутая выше "температурная модель" (нестационарная многомерная, неоднородная задача Стефана для анизотропной среды) позволяет выбрать из всего многообразия средств управления наиболее эффективное, определить пространственные параметры применения этих средств и рациональный момент времени для реализации "управляющих" воздействий.

Таким образом, описанная выше технология позволяет получить ответ на вопросы в какой момент времени, в какую пространственную точку системы следует "вложить" целесообразный объем материальных ресурсов (стоимость мероприятий по управлению температурным полем) для того, чтобы сохранить целостную совокупность потребительских свойств криотехнической подсистемы ПТС до момента ее ликвидации.

С целью раскрытия научно-методического содержания разработанных основ технологии управления состоянием ГТС, а именно принципиально обоснованной совокупности средств и методов исследования, структурированной в определенной логической последовательности, ниже представлены основные принципы, являющиеся следствием определений понятий "устойчивости", "надежности", "управления" и "прогнозирования" ("проектирования") и результатов анализа материалов первой главы диссертационной работы:

1. Надежность добывающей геотехнологической системы определяется надежностью технологической и криотехнической (опорной) компоненты. Вклад этих компонент в общую надежность, как минимум, равный. Криотехническая опорная компонента определяет потерю надежности за счет взаимодействия "техногенного климата" с ММП.

2. Надежность ГТС определяется сезонной и межгодовой динамикой установившегося температурного поля в грунтах основания.

3. В качестве модели исследуемого объекта, отражающей в математической форме важнейшие его свойства — законы, которым он подчиняется, связи, присущие составным его пространственным частям, может быть принята фронтовая (или спектральная) постановка задачи Стефана.

4. Надежность системы будет обеспечена, если температурное поле этой системы определяется характеристиками критических параметров (мощность деятельного слоя, температура на глубине нулевых годовых амплитуд, положение фазовой границы, маркирующей заглубленные границы ММП), совпадающими с используемыми при проектировании объекта.

5. Влияние возмущающих факторов должно быть изучено в той последовательности, в которой они воздействуют (или будут воздействовать) на систему. При этом результат изучения влияния предыдущего импакта, является исходным состоянием для последующего. Любой возмущающий фактор - импакт (конструкция, снег, случайный фактор эксплуатации) может быть описан численно.

Остановимся подробнее на методических приемах. Определим "Прогнозирование" как методический прием, заключающийся в последовательном решении прямых задач Стефана для среды с фактическим теплофизическими характеристи-

ками площадки строительства и граничными теплоисточниками, режим "работы" которых определен режимом внешних импактов. "Проектирование" температур-ноготполя - методический прием, заключающийся в решении "обратной задачи" теплопроводности с проектными или зафиксированными в процессе натурных исследований (инженерно-геологические изыскания или режимная термометрия при эксплуатации) критическими параметрами температурного поля. Следовательно, решение обратной задачи может быть сведено к многократному решению прямой с итерационной корректировкой численных значений внешних импактов. Полученные таким образом численные значения внешних импактов назовем "адаптированными" параметрами теплообмена"

Для исследования объекта (ГТС) целесообразно использовать метод "вычислительного эксперимента" - метод изучения параметров инженерных объектов и устройств обеспечения их надежности или физических процессов с помощью математического моделирования. Он предполагает, что вслед за построением математической модели проводится ее численное исследование, позволяющее "проиграть" поведение исследуемого объекта в различных условиях или в различных модификациях. (Самарский, Горбунов-Посадов). Вычислительный эксперимент дает возможность определять разнообразные характеристики процессов, оптимизировать конструкции.

Суть разработанной методики постановки и проведения вычислительного эксперимента по прогнозированию (проектированию) теплового взаимодействия объектов газового комплекса с многолетнемерзлыми грунтами заключается в разработке серии сценариев - вариантов состояния ГТС "окружающая среда — инженерное сооружение — ММП" для различных моментов времени эксплуатации, отражающих специфику процесса теплового взаимодействия системы, учитывающих динамику климатических, инженерно-геокриологических условий территории, те или иные строительные проектные решения и возможность тепловой мелиорации при реконструкции.

Для необходимости учета изменения характера теплового взаимодействия элементов криотехнической компоненты ГТС между собой в процессе строительства и эксплуатации инженерного сооружения, прогнозирование осуществляется в несколько этапов, каждый из которых соответствует тому или иному состоянию теплового поля грунтов. Ниже кратко описан алгоритм выполнения прогнозирования.

Этап 1. Расчет естественного (установившегося) состояния теплового поля грунтов до начала строительства ("адаптация модели за счет корректировки "ненадежных" параметров воздействия (импактов) в соответствие с реальными усло-

виями формирования природного инварианта"). Алгоритм исполнения этапа представлен на рис.5.

Сбор информации о параметрах природно-геологической среды (параметры теплообмена с приповерхностным слоем атмосферы * среднемесячные значения поданным метеонаблюдений, теплофиэические характеристики инженерно-геокриологического разреза площадки строительства)

¿Прогнозирований последствий дальнейшей эксплуатации сооружения Г " * "Г Стадия проектирования реконструкции

..... ...... - -у • - _.. ,.1. г____сооружения__I

Корректировка параметров теплообмена элементов ГТС

Прогнозирование теплового взаимодействия внутри ГТС на заданный интервал времени

Оценка прогнозируемого

изменения состояния теплового поля,развития деструктивных процессов, деформации сооружения

Обстановка стабильна, развитие опасных процессов не прогнозируется

Дальнейший режимный

контроль и сбор фактических данных о параметрах теплообмена и состоянии теплового поля, корректировка «текущего сценария»

£

прогноз-сцвнарий»

Сравнение состояния теплового поля е •проект-сценарии», * текущем сценарии», «прогноз-сценарии»

Прогнозируется опасность развития деструктивных процессов и деформации сооружения

Выбор средства управления тепловым режимом грунтов

(тепловой мелиорации)

Корректировка параметров теплообмена а ■проект-сценарии», учугтывающих применение тепловой мелиорации

Обеспечивается

прекращение развития опасных

инженерно« геокриологических процессов

Выбор средств управления при реконструкции, расчет параметров теплообмена с окружающей средой за счет конструктивных особенностей средств управления при реконструкции

Прогноз на заданный промежуток времени с учетом мероприятия по

т^рппном

Новый шпрогноз-сценарий» |

Не обеспечивается прекращение развития опасных инженерно-геокриологических процессов,

"Х^^ояый г току.щай сцв#а%ий»л^)

| Ноеый шпроокт-сценарий» _)

Итерационным выбор нового средства управления, расчет параметров теплообмена с окружающей средой за счет конструктивных особенностей этого средства управления

гГСтадии реконструкции инжвнерножа сооружения

Рис. 5. Принципиальная схема реализации методики,

В качестве критериев соответствия разрабатываемого на этом этапе расчетного сценария состояния теплового поля грунтов фактическому принимается:

установившееся (регулярное) состояние температурного поля; совпадение, с точностью равной погрешности термометрии, в точках проведения термометрических наблюдений фактических и расчетных температур на глубине нулевых годовых амплитуд;

совпадение фактических и расчетных глубин сезонного протаивания (промерзания);

совпадение фактического и расчетного положения фазовой границы, маркирующей заглубленную кровлю.

По существу, на этом этапе моделирования осуществляется своеобразная проверка материалов изысканий на соответствие природной норме, определяющей существование именно такого теплового состояния природной составляющей ГТС. Разработанная последовательность методических приемов и критериев "ретроспективного прогнозирования", представляет собой способ определения динамического равновесия природной составляющей ГТС.

Этап 2. Прогнозирование состояния теплового поля грунтов на этапе проектирования (см.рис.5). Здесь разрабатывается новый "сценарий", имитирующий планируемые изменения природной геологической среды при строительстве объекта и, следовательно, соответствующие изменения температурного поля. К таким изменениям относится инженерная подготовка территории, изменение характера теплообмена при строительстве и эксплуатации объекта, "климатических" характеристик, теплофизических свойств грунтов, и др.

Проектирование температурного поля осуществляется посредством корректировки в процессе прогнозирования величин параметров, определяющих тепловое взаимодействие элементов ГТС. Соответственно осуществляется выбор средств управления температурным полем, например, тепловые экраны, греющий кабель, охлаждающие системы и т.д.

Отметим, что на рассматриваемом этапе проектировщик уже располагает информацией о планируемом принципе использования грунтов, определил способ обеспечения надежности сооружения и соответствующие ему проектные параметры геокриологической среды (нормативная глубина сезонного протаивания (промерзания), температура ММП, максимально возможная деградация ММП и т.д.), при которых обеспечивается надежность сооружения.

Совокупность методических этапов по определению динамического равновесия природной составляющей ГТС и прогнозированию состояния теплового поля грунтов основания сооружений на этапе проектирования (этапы 1 и 2) по сути является "Методикой проектирования температурного поля, обеспечивающего "проектную надежность" природно-технической системы в криолитозоне".

Этап 3 Прогнозирование состояния теплового поля грунтов на стадии строительства и эксплуатации сооружения (см.рис.5.).

Разрабатывается новый сценарий, который дает возможность учета субъективных и объективных "техногенных факторов" эксплуатации сооружений. Под субъективными "факторами" мы понимаем несоблюдение проектных решений в процессе строительства, нарушение технологического режима эксплуатации зданий и сооружений, под объективными - изменение свойств грунтов оснований вследствие аварий, техногенную динамику снегонакопления, затенение и другие неучтенные при проектировании техногенные факторы.

При отрицательном результате проверки критериального соответствия проводят итерационную корректировку параметров взаимодействия грунтового основания с окружающей средой и повторяют вычисления вновь. Снова проверяют критериальное соответствие "текущего сценария", но лишь с материалами оставшейся выборки результатов термометрических замеров. Цикл прекращается, когда достигается соответствие расчетных и фактических контрольных величин.

Таким образом, на этапе эксплуатации сооружения (см.рис.5) создается постоянно корректируемая по результатам дальнейших термометрических режимных исследований динамическая модель ("текущий сценарий") теплового взаимодействия фактического инженерного сооружения с грунтами основания. Служба эксплуатации промышленного предприятия, располагая такой моделью, в любой момент времени может прогнозировать динамику инженерно-геокриологических условий и, сопоставив ее с "проектным сценарием", количественно оценив динамику потери устойчивости и надежности ГТС, своевременно и эффективно планировать финансовые затраты на капитальный ремонт и реконструкцию.

Комплексную реализацию методических разработок по созданию динамической модели теплового состояния грунтов опорной компоненты реально функционирующих криогенных природно-технических систем (этапы 1,2 и 3) предлагается использовать в качестве "Методики прогнозирования температурного поля (поля "устойчивости") в процессе эксплуатации ГТС в криолитозоне".

Этап 4. Управление состоянием ГТС в процессе эксплуатации. Проектирование мероприятий по реконструкции.

Дальнейшие действия на этапе 4 осуществляется в том случае, если при оценке текущего состояния получено заключение о необходимости управления тепловым режимом грунтов для обеспечения надежности объекта и безопасности его эксплуатации.

В полученный на этапе 3 "текущий сценарий" вносят необходимые изменения посредством введения новых расчетных параметров, описывающих влияние

технических и технологических решений, управляющих тепловым режимом. Далее, выполняя последовательность операций по этапу 2 ("Методика проектирования...."), получают серию прогнозных сценариев состояния теплового поля. Сравнение их между собой, а также с "прогнозным сценарием", полученным без каких-либо дополнительных мероприятий, позволяет в каждом случае оценить эффективность управления тепловым режимом массива пород.

Технология изучения динамики теплового состояния грунтов основания инженерных сооружений под воздействием импактов и разработки тепломелиора-тивных мероприятий на основе использования методических разработок на 1 - 4 этапах, является "Методикой управления состоянием криотехнической компоненты ГТС в криолитозоне".

В заключительной части третьей главы приведены некоторые примеры практической реализации методических разработок автора в производственной практике газодобывающего предприятия (табл. 1).

Таблица 1.

Объекты практической реализации "Методик..."

Стадия "жизненного" цикла ГТС Геотехнические системы

Промышленные сооружения Линейные сооружения Горные выработки Гражданские сооружения

ТЭО (обоснование инвестиций) Площадка ДКС месторождения Юбилейное; Площадки добывающих скважин БГКМ Надземные эстакады промысловых коммуникаций Добывающие скважины БГКМ Жилые здания п. Пангоды

Проектирован ие и строительство УКПГ, ДКС месторождений Юбилейное и Ямсовейское; Кусты скважин месторождения Юбилейное Газопровод Лонг-Юган — Салехард -Харп; Тепловые коммуникации селитебной зоны г.Надым Фундаменты устьевых обвязок добывающих скважин Юбилейного ГКМ Аэровокзал г.Салехард; ПРУ месторожде ния Медвежье

Эксплуатация УКПГ, ДКС месторождений Медвежье, Юбилейное, Ямсовейское; Промышленные здания и сооружения г. Надым Насыпные (дороги, площадки) сооружения месторождения Бованенковское; Межпромысловый коллектор месторождения Медвежьего, Газопровод подключения Ямсовейского ГКМ Добывающие скважины месторождения Медвежье (фундаменты устьевых обвязок) Жилые здания г.Надым Жилые здания пос. Пангоды Жилое здание пос. Харасавзй

Ликвидация Добывающие скважины ГП-7 Медвежьего ГМ Жилые здания г.Надым

В четвертой главе диссертационной работы автором, на основе опубликованных источников об отказах и авариях на добывающих скважинах и собственных патентных исследований по способам крепления ствола, материалов параметрического бурения проанализирована проблема устойчивости добывающих скважин в криолитозоне, произведена типизация геокриологических условий кустовых площадок добывающих газовых скважин Бованенковского месторождения по степени опасности строительства и предложен принцип обеспечения эксплуатационной надежности добывающих скважин Бованенковского месторождения.

Работы по оценке и обеспечению устойчивости конструкции добывающей скважины как инженерного сооружения при эксплуатации её в условиях распространения ММП проводились в нашей стране с середины 70-х годов, когда началось активное освоение газовых месторождений Крайнего Севера. Этими вопросами занимались такие крупные научно-исследовательские организации, как: ВНИИНефть, ВНИИБТ, ВНИИГаЗ (г.Москва); ИФТПС СО РАН, ИГДС СО АН (г. Якутстк); Коми филиал ВНИИГАЗ; СеверНИПИГаз (г.Ухта); СибНИИНП, Тю-менНИИГипрогаз, ЗапСибНИГНИ (г.Тюмень). Известны работы А.В.Марамзина, Г.С.Грязнова, П.Б.Садчикова, М.Гудмена (Goodman), Г.Б.Арцимовича, В.Ф.Буслаева, Р.И.Медведскго, А.В.Полозкова, И.Ю.Быкова, С.В.Стригоцкго, М.М.Дубины, Б.В.Дегтярева, О.М.Ермилова.

В качестве основного технического решения, повышающего устойчивость добывающих скважин месторождений полуострова Ямал, принято использование в интервалах залегания высококонсолидированных глинистых горизонтов пород жестких стрингеров и пружинных центраторов (фонарей) с одновременным ограничением теплового потока со стороны скважины теплоизолированной лифтовой колонной (НКТ). Такое решение направлено как на увеличение жесткости самой конструкции, так и на надежное сцепление с породой.

В 1991-96 г.г. НТФ "Криос" (г. Воркута) выполнено бурение параметрических скважин на кустовых площадках. Глубинность исследований составила 25СН-500 м. Автором в 1996-97 г.г. проведен анализ этих материалов и предложена типизация геокриологических условий кустовых площадок добывающих газовых скважин Бованенковского месторождения по степени опасности строительства (рис. 6.). В 2002-03 г.г. были проанализированы материалы инженерно-геологических изысканий кустовых площадок, выполненных в 1987-4991 г.г. институтом "ЮжНИИГИПРОГАЗ". Глубина исследований от 10+12 до 15-50 м. Содержание дополнительных материалов свидетельствует об отсутствии необходимости принципиальной корректировки предложенной ранее типизации.

Первый тип (группа) геокриологических условий. Устойчивая скважина может быть сооружена по традиционной конструкции. Положительный опыт эксплуатации Медвежьего, Уренгоя, Ямбурга — тому подтверждение. В процессе бурения могут возникнуть приустьевые провалы, засыпка грунтом не вызовет их развития в процессе эксплуатации.

Второй и четвертый тип (группа). Характеризуется наличием льдистых пород до глубин, соответствующим глубине нулевых тепло-оборотов. В процессе бурения и эксплуатации прогнозируется образование значительной приустьевой термокарстовой воронки. Значительная опасность деформаций фундаментов трубопроводной обвязки устьевого оборудования. Единовременная засыпка воронки привозным строительным материалом не принесет результата, поскольку прогнозируется развитие процесса термокарста во времени. Опасность для скважины как отдельного сооружения маловероятна. Рекомендуемые мероприятия для обеспечения стабилизации деформаций фундаментов трубопроводной обвязки и развития приустьевой термокарстовой воронки — использование сезонноохлаждающих трубчатых систем в комбинации с пассивной теплоизоляцией ствола скважины.

Третий тип (группа). Прогнозируемые последствия и технические средства управления состоянием ГТС аналогичны предыдущим типам. Отличительной особенностью является большая (хоть и не "существенная") вероятность отказа скважины как конструкции ("критическая длина" больше 15 м) поскольку в разрезе присутствуют слабольдистые породы. В аналогичных условиях более 30 лет без серьезных аварий эксплуатируются некоторые скважины Медвежьего месторождения, тем не менее, рекомендуемые мероприятия - ограничение теплопотока со

□ El

т

Слабодьдистые породы ((< 20%) до глубин 10-25 и, ниже по разрезу льднстостъ отсутствует или незначительна и породы практически не меняют механических свойств при отпивании. Льдистые породы (I ■ 20 4- 40%) до глубин 3-4 м, ниже по разрезу льдист ость отсутствует или незначительна и по- роды практически не меняют механических свойств при оттаивании.

Льдистые породы (1 «■ 20 + 40%) до глубин 1-3 м, слабальдистые (1 < 20%) до глубин 13-23 м, ниже по разрезу льдистостъ отсутствует кли незначительна и по- роды практически ие меняют механических съойст» при отамынии.

Льдистые породы (I * 20 + 40%) до глубин 6-12 м, ниже по разрезу льдистостъ отсутствует или незначительна и породы практически не меняют иехдкнческик саайстъ при атака&ник.

Льдистые породы (I « 20 + 40%) до глубин 13-27 м, ниже по разрезу льдистостъ отсутствует или незначительна и породы практически не ыеняют механических свойста при отпивании. Сильиольдистые породы (I «40 +50% ) до глубин 30-70 м, ниже по разрезу льдистостъ отсутствует или незначительна и породы практически не меняют механических свойств при оттаивании.

Рис.6. Результаты типизации геокриологических условий кустовых площадок.

стороны скважины, применение вертикальных сезонноохлаждающих трубчатых систем.

Пятый и шестой типы могут быть отнесены к единой группе. Здесь льдистые и сильнольдистые (в том числе и пластовые льды) породы зафиксированы до глубин, превышающих "критическую длину". Вероятность отказа конструкции высо-кодебитной добывающей скважины значительна. Механические способы закрепления устья не могут быть рекомендованы по причине развития значительной талой зоны вокруг скважины. Далее в работе будет доказано, что пассивная теплоизоляция с помощью вакуумированных лифтовых труб или теплоизолированных направлений не позволяет обеспечить надежность конструкции в период эксплуатации. Рекомендуемые мероприятия — перенос кустовой площадки или закрепление устья скважины шарнирно (без возможности горизонтального перемещения) посредством использования "избыточного" атмосферного холода. В 5 главе автором с помощью вычислительного эксперимента обоснована возможность такого технического решения (способа).

В 1990-96 г. ВНИИГазом (А.В.Полозков, ВЛПалесик, В.С.Смирнов), на основе новых данных, полученных в ходе проведенных исследований, произведена по модели Эйлера оценка устойчивости в массиве пород обсадных колонн, как весомого стержня, состоящего из веса обсадных труб и цементных колец и воспринимающего некоторую внешнюю сосредоточенную нагрузку (вес наземной фонтанной арматуры). Авторами определялась критическая длина стержня, при которой он может потерять продольную устойчивость при четырех видах закрепления и разных типах конструкции скважины.

В 2003 г. (Я.Б.Горелик и др.) уточнена оценка специалистов ВНИИГАЗ, в части величин "критической длины" при различных способах крепления колонн (жесткое, шарнирное). Наименьшую устойчивость имеет скважина, закрепленная только снизу. Критическая длина незакрепленного участка составляет от 6 до 30 м., в зависимости от ГТС и конструкции скважины, Дополнительное закрепление "сверху" позволяет значительно увеличить критическую длину "незакрепленного" участка ствола скважины (25-70 м) и повысить её устойчивость.

Таким образом, необходимо при достижении максимальной жесткости конструкции, обеспечить надежное закрепление ствола в приустьевой зоне и (или) в интервалах залегания слабодеформируемых в процессе растепления пород. Эта задача может быть решена либо при наличии в верхней части геологического разреза, к которому приурочена толща ММП, горизонтов малольдистых консолидированных пород, либо при сохранении вмещающих пород в многолетнемерзлом состоянии на весь срок эксплуатации.

Учитывая факт распространения высокольдистых (льдистость 60-80%) пород БГКМ преимущественно в интервале от 0 до 70 м, можно предполагать, что обеспечение устойчивости скважины в условиях БГКМ невозможно без исследования теплового взаимодействия ГТС "приустьевая зона добывающей скважины -ММП". Результаты таких исследований (вычислительных и промысловых экспериментов) приведены автором в 4 и 5 главах.

Таким образом, принцип обеспечения эксплуатационной надежности добывающих скважин Бованенковского месторождения может быть сформулирован следующим образом: "Выбор проектного решения о надежной конструкции должен быть осуществлен из ряда типовых решений на основании материалов исследования инженерно-геологического разреза до глубин 100-150 м."

Пятая глава посвящена исследованию добывающей скважины как источника тепла. В качестве средства исследования использованы натурные промысловые эксперименты по определению фактического коэффициента теплоотдачи скважины, оборудованной вакуумированной насосно-компрессорной трубой (ЛТТ) различных заводов-производителей и вычислительные эксперименты, поставленные и проведенные в соответствии с разработанными автором научно-методическими основами технологии управления состоянием криотехнической компоненты ГТС. Эксперименты позволили оценить перспективы снижения теплового воздействия на ММП с помощью теплоизолированных направлений и одновременно-раздельного способа эксплуатации залежи.

Экспериментальные работы по исследованию эффективности работы вакуу-мированных насосно-компрессорных труб (ЛТТ) были запланированы к проведению на скважине № 6805 в рамках программы "Ямал" В соответствии с решением Управления по добыче РАО "Газпром" на площадке был оборудован полигон (трубки-сателлиты за направлением скважины, аппаратура термокаротажа МГА-5). В соответствии с целями и задачами эксперимента, по программе разработанной сотрудниками ВНИИГАЗа, весной 1995 г. был начат отжиг скважины, оборудованной ЛТТ конструкции экспериментально-опытного завода ВНИИГАЗ (1-я промышленная серия) в атмосферу. В течении более чем 6 месяцев ежедневно фиксировались термогазодинамические параметры работы скважины, производился термокаротаж (4 мес.) и термометрические исследования стационарными косами (2,5 мес.) в трубках-сателлитах.

Проведение подобных экспериментов сопряжено со значительными материальными затратами. Поэтому автором была выполнена апробация сформулированных к 1995 году основ "Методики..." (Глава 3) для разработки нового способа определения в промысловых условиях коэффициента теплоотдачи с поверхности

трубы направления (патент РФ N3 2126887). Основа способа в использовании для обработки результатов нестационарной стефановской постановки задачи теплообмена, возможности определения начального температурного поля в расчетной области (этап 1 "Методики...") и пошаговой корректировки параметров теплообмена на этапе 2 "Методики...".

Разработанная программа промыслового эксперимента предусматривала фиксацию в определенные моменты времени (в логарифмическом масштабе) газодинамических параметров работы скважины с одновременной термометрией стационарных датчиков, установленных на фиксированных глубинах в трубках сателлитах за трубой направления. Предложенный способ позволил сократить время отжига скважины в атмосферу до 7-10 суток.

Результаты проведенных натурных экспериментов по определению в промысловых условиях коэффициентов теплоотдачи добывающих скважин Бованен-ковского месторождения за период с 1995 по 2001 г. приведены на рис. 7.

Для оценки возможностей ограничения теплопотока от скважины при одновременно-раздельной эксплуатации (ОРЭ) выполнен вычислительный эксперимент. Программы эксперимента предусматривала 2 этапа. На первом с использованием схемы "Методики прогнозирования ..." (Глава 3) реализовы-вался сценарий воздействия на ММП скважины, в конструкции которой был предусмотрен "спуск" 2-х параллельных насосно-компрессорных труб, а на этапе 2 применен способ обработки расчетных температур на стенке трубы направления по патенту РФ 2126887. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

ал ил гад ».о ид ».а «ад ча »л ид ао.а Глубина от поверхности земли, м

'во на жд не и) ял «ад 41л м.а «л | Глубина от поверхности земли, м

Рис.7. Результаты обработки материалов промысловых экспериментов

Применение "Методики..." дало возможность, посредством вычислительного эксперимента, имея информацию о состоянии начального и результирующего температурного поля, определять "эффективные" (адаптированные) параметры теплового воздействия, в нашем случае коэффициент теплоотдачи с единицы поверхности трубы-направления (отрезок СБ, см. рис. 5). Использование "Методики..." в качестве основы разработки и реализации программ этих экспериментов и позволило сократить сроки и затраты на их проведение.

Информация о фактических свойствах теплоизоляции добывающих скважин позволила автору оценить эффективность проектных решений по пассивной теплоизоляции добывающих скважин месторождений Ямальской группы при традиционном способе добычи и одновременно-раздельной эксплуатации.

Результаты вычислительных экспериментов показали, что при любых технологических вариантах снижения тепловой нагрузки от скважины, проектные решения по применению пассивной теплоизоляции не эффективны.

Первая серия вычислительных экспериментов представляла собой реализацию схемы "Методики прогнозирования..." (Глава 3) с вариацией исходных параметров (традиционная эксплуатация апта и сеномана; одновременно- раздельная эксплуатация двух горизонтов; "заводской" и "промысловый" коэффициент теплопроводности материала ЛТТ, "заводской" коэффициент теплопроводности материала теплоизолированного направления, величина слоя теплоизоляции материала теплоизолированного направления; различные теплофизические характеристики пород геокриологического разреза кустовых площадок)

Вторая серия реализовала прогноз теплового взаимодействия скважины с ММП вблизи поверхности Земли с образованием пространственной приустьевой

Таблица 2,

Численные значения расчетных коэффициентов теплоотдачи

Способ эксплуатации а(Вт/м"С)

Однообъектная эксплуатация сеномана по 114-мм НКТ 6,69

Однообъектная эксплуатация сеномана по 168-мм НКТ 9,54

Однообъектная эксплуатация апта по 114мм НКТ 6,73

Однообъектная эксплуатация апта по 168мм НКТ 9,6 6

Одновременно-раздельная, соосные НКТ (апт по 114-мм трубе, сеноман по щели 114-168 мм, в затрубье неподвижный газ) 6,94

Одновременно-раздельная, соосные НКТ (апт по 114-мм трубе, сеноман по щели 114-219 мм) 12,05

Одновременно-раздельная, соосные НКТ (апт по 168-мм трубе, сеноман по щели 168-219 мм) 13,10

Одновременно-раздельная, параллельные НКТ (апт по 114-мм трубе, сеноман по 73 мм. и по затрубью) 13,26

Одновременно-раздельная, параллельные НКТ (аггт по 114-мм трубе, сеноман по 73 мм. в затрубье неподвижный газ) 1,05 ? 7,50

полости-воронки. В процессе "прогонки" сценариев второго цикла экспериментов была показана возможность учета изменения пространственной конфигурации исходной расчетной области. Разработанный на основе этого эксперимента способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания ММП в приустьевой зоне скважины (патент РФ 2157882) позволяет прогнозировать образование на любой заданный момент времени эксплуатации скважины собственно "физическую" термокарстовую воронку, формирующуюся в приустьевой зоне, получать параметры, характеризующие ее форму.

Шестая глава диссертационной работы посвящена результатам вычислительного эксперимента с использованием "квазитрехмерной" модели теплового

прогноза, позволившим обосновать принципиальные характеристики технических средств необходимых для реализации способа теплоизоляции приустьевой зоны добывающей скважины в ММП (патент РФ 2127356) (рис.8).

Способ позволяет "закрепить" породы вмещающие приустьевую зону скважины, обеспечив в течении годичного цикла работы пассивно-активной теплоизолирующей системы требуемую температуру основания сооружения, которая, в свою очередь, гарантирует поддержание заданных механических характеристик грунтов. Суть способа заключается в размещении в трубках-контейнерах за трубой направления теплоизолированной добывающей скважины сезонноохлаждающих парожидкостных термостабилизаторов малого диаметра.

Для подтверждения возможности практической реализации способа автором был проведен вычислительный эксперимент.

В общем случае, для описания теплового взаимодействия такой ГТС с ММП вблизи поверхности Земли требуется постановка трехмерной задачи Стефана. Но современный уровень развития вычислительной техники пока не позволяет максимально использовать все преимущества предложенной в главе 3 "Методики прогнозирования..." - быструю реализацию многовариантных сценариев. Именно поэтому автором предложено использовать "квазитрехмерную модель".

Сезонио-действующие термостабилизаторы (СОУ)

Теплоизолированная лифтовая труба

Труба направления добывающей скважин

Конфигурация расчетной области

Рис.8. Принципиальная схема конструкции охлаждающей трубчатой системы

Итак, пусть имеем двумерную постановку задачи теплообмена. Какую симметрию расчетной области избрать? Если ставить задачу в прямоугольных координатах (Д-модель), то при всей легкости описания пространственных размеров и положения скважины и термостабилизатора (рис.9а.), невозможно учесть влияние дневной поверхности. Если же попытаться решить уравнение в цилиндрических координатах (R-модель), то при всей элементарности учета теплообмена на дневной поверхности и "геометрии" скважины, невозможно описать термостабилизатор (рис.96), выполненный в виде трубки и размешенный не в нуле системы координат. Тем не менее, перед автором стояла задача рассчитать работу конкретного технического решения. Если бы удалось добиться "совпадения" температурных полей, полученных при решении задачи в прямоугольной симметрии (см. рис.9а) с решением в цилиндрических координатах, где термосифоны заданы не в виде вертикальной трубки, а в виде устройства, имеющего цилиндрическую симметрию (например, в виде колец, см.рис.9б) с "эффективными" параметрами мощности, то можно было бы надеяться, что задача прогноза теплового поля вокруг ГТС "скважина - термосифоны - вблизи поверхности Земли" была бы адекватно поставлена и, следовательно, разрешена. На основании этого автором было предложено использовать следующие критерии перехода от Д к R-модели:

• численные значения коэффициентов теплоотдачи на границах описывающих СОУ в R-модели следует откорректировать, исходя из необходимости обеспечения одного и того же удельного (на 1 п.м. охлаждающей системы) теплового потока со стороны сезонных термостабилизаторов.

• между кольцами R-модели расположен относительно меньший объем описываемый внутренними блоками, чем между трубками Д-модели, а эти участки ГТС должны пропускать равное количество тепла, следовательно, чтобы обеспечить эквивалентность процесса распространения тепла для Д- и R-моделей не обходимо дополнительно скорректировать теплопроводность этих внутренних блоков .

Сравнительный анализ сценариев, полученных при осуществлении вычислительного эксперимента по сравнению Д- и R-моделей для различных ГТС (количество СОУ, тип изоляции скважины, теплофизические характеристики среды)

•««¡шаг

а) б)

Рис.9. Модели геотехнической системы:

а) в декартовых координатах (Д-модель); 6) в цилиндрических координатах (R-модель).

свидетельствуют, что относительная погрешность "перехода" между моделями не превышает 2,5 %.

Для осуществления сравнительной оценки результатов квазитрехмерной и строгой трехмерной постановки задачи была использована программная среда, разработанная д.т.н. Дубиной М.М. («FROST(Bore-hole)-D&K»), реализующая требуемую трехмерную постановку, и любезно предоставленная в распоряжение автора. Совместная постановка задачи позволила выполнить необходимые расчеты. Полученный результат свидетельствует о том, что "квазитрехмерная" (R-модель) постановка может быть применена для инженерных расчетов.

Далее "квазитрехмерная" постановка была использована в вычислительном эксперименте по проектированию (обоснованию) технических характеристик средств, необходимых для реализации способа в области распространения высокольдистых засоленных ММП (точка В, см. рис. 5). Массив параметров (табл.3.)

позволяет осуществить выбор технических средств (количество и тип СОУ, марка теплоизолированной насосно-компрессорной трубы) при необходимости обеспечения заданного радиуса талой зоны (в том числе и равного нулю).

С целью проверки адекватности разработанных сценариев взаимодействия ГТС с ММП, на основании анализа результатов российских и зарубежных промысловых экспериментальных исследований процесса длительного теплового взаимодействия добывающей скважины с ММП в процессе ее эксплуатации, автором разработана программа промыслового эксперимента, позволяющая избежать "потерь" фактического материала, определены его задачи, разработана схема размещения наблюдательных термометрических скважин, оп-

Таблица 3.

Параметры технических средств управления

X теплоизоляции ЛТТ, Вт/м°С Кол-во СОУ, шт. Коэфф. теплоотдачи СОУ, Вт/м">С Ежегодный период работы СОУ, месяц !. "С на границе цементного кольца Размер кольце-вой талой зоны за пределами цементного кольца.м

0.014 2 15 X-III -1.70 0.005-0.010

0,014 2 35 X-III -2.00 0.00

0,014 4 15 Х-Ш -2.60 0.00

0,014 4 35 Х-Ш -3.20 0.00

0,014 8 15 X-III -3.40 0.00

0,014 8 35 •X-III -3.60 0.00

0,014 16 35 X-III -3.80 0.00

0,025 2 15 X-III -0.70 0.1 ВО

0,025 2 35 X-III -0.90 0.140

0,025 4 15 X-III -1.15 0.090

0,025 4 35 X-III -1.30 0.050

0,025 8 15 X-III -1.45 0.040

0,025 8 35 X-IH -1.60 [_ 0.020

0,025 16 35 X-III -1.65 0.015

0,044 2 15 X-III + 0.90 0.360

0,044 2 35 X-III + 0.65 0.310

0,044 4 15 X-III + 0.25 0.260

0.044 4 35 X-III 0.00 0.210

0,044 8 15 X-III -0.20 0.180

0,044 8 35 X-III -0.40 0.160

0,044 16 35 X-III -0.50 0.150

ределен тип измерительной аппаратуры, периодичность опроса наблюдательной сети.

Программа экспериментальных работ предусматривала достижение следующих целей:

• определить эффективность технических средств обеспечения устойчивости конструкции скважин в условиях ММП (теплоизолированная насосно-компрес-сорная труба (ОАО "Криогенмаш"), приустьевая сезонноохлаждающая трубчатая система (ООО Фундаментстройаркос") в годичном цикле ее работы;

• проверить адекватность "Методики постановки и проведения вычислительного эксперимента..." на примере ГТС "добывающая скважина - ММП".

Экспериментальный участок (рис. 10) представляет собой две добывающие

TC-lt.U-I.Hti

Тк 1/70-49.1 Н

Скв. 6402

-9-Ш

ТС-Ю, 1^*2,45 м

ТС », 1е-2.«5 м

Условныеобозначения

ТС-1К. 1.^1.57 м -нпшр гярмоаяаммиы 1В, рюмивши от оси «пеплуатшутмюй оиичпм»! 1.67 м г7ма-1б5м-да опроса тямляратур по глубииясяаажиныислолыуятсяаомллат: аппаратуры «ЛОГТ^Рв (ВСЕГИНГ^О) М27, тярмоаоса N1 № глубина слусаа косм 15.3 м; ТК4/70-И.5М-Дляопрасатяммрагурпогпубинаскяалшмыисполыуятсякамплак МпяратуГЫ ■ТК-0,1-10» (ПНИИС), прмсиеса N14. глубина сшювам 70 ы, Шубина спуска кош 665 м Ф -тярмомвтрнчвоо« наблюдательна* д»ма>ш. рабочая Шубина 70 к;

• -наблвдагальииа трубки-саттш, рабочая Шубина 30.5 -£6.0 м;

-Ж .фубж-ммтйиарм для раитцияа тармостябипюятароа иалого диамагра. глубина 12 м. в .тармоютрмчясамакяблкиатягмиаскяажиич рабочая глубина 12м;

Рис. 10. Схема экспериментального полигона, скважины (6401 и 6402) ГТ1-1 Бованенковского месторождения. За трубой направления добывающих скважин, в процессе их сооружения оборудованы трубки-сателлиты. Вблизи скважин пробурены наблюдательные термометрические скважины различной глубины. На кустовой площадке смонтирован комплекс промыслового оборудования, состоящий из системы сепарирования газа, системы подачи метанола на устье и забой добывающих скважин и устьевого подогревателя газа закачки. Вблизи устья добывающей скважины № 6401 смонтированы трубки-контенеры, в которых размещены 7 сезонноохлаждающих трубчатых систем.

Природный газ аптского продуктивного горизонта планировалось извлекать из скважины 6401 по теплоизолированной НКТ, сепарировать воду и стабильные углеводороды, подогревать и подавать по теплоизолированной НКТ на забой скважины 6402 для закачки в сеноманский продуктивный горизонт.

Комплекс экспериментальных промысловых исследований был начат 6.10.01 г. По данным выполненных газодинамических исследований рассчитаны

технологические параметры работы скважин и 22.10.01 г. начат перепуск газа из

6401 в 6402 (16401=27-28 °С, t6402=14-15 °С). На таком установившемся режиме перекачка осуществлялась до 1.10.02 г. (344 сут). Регистрация температур по различным наблюдательным скважинам полигона производилась с периодичностью от 2-х раз в сутки до 1 раза в 6 часов. После окончания перекачки 1 октября 2002 г. термометрические наблюдения аппаратурой ручного опроса производились до 24 января 2003 г. (459 сут.), автоматическая регистрация продолжалась до марта 2002 г. (506 сут.)

В результате использования основ технологии управления состоянием ГТС при обработке экспериментального материала, полученного к февралю 2001 (точка С, отрезок CF, см. рис. 5) года был разработан прогноз температурного поля пород, вмещающих скважину до октября 2002 г - планируемого окончания перекачки. Частично результаты сопоставления прогноза и экспериментального материала, позволяющие

судить об адекватности "Методики прогнозирования..." приведены на рис. 11.

Рис. 11. Сопоставление "прогноз-сценария" с результатами эксперимента в части значений температуры

а) в зоне влияния добывающей скважины б) в зоне влияния скважины и СОУ

Об эффективности технических средств обеспечения устойчивости конструкции скважин в условиях ММП свидетельствует результат, представленный на рис. 12.

В заключении автор проводит анализ и соотнесение цели и результатов диссертационной работы с предметно-объектной областью исследований отдельных направлений науки о Земле.

В диссертационной работе объект исследования (TTC в крмолитозоне) изучается средствами "инженерной геологии и мерзлотоведения" (эксперимент и прогноз) на основе методов и технологий управления окружающей средой, относящихся к области "геоэкологии" (управление состоянием ГТС) для реализации и получения практического результата в "геотехнологии" (конкретные технические решения, технологии. способы строительства и эксплуатации). Таким образом, разработки автора могут рассматриваться как новое междисциплинарное направление — прикладное криогеотехнологическое прогнозирование.

В этом же разделе работы рассмотрены вопросы экономической эффективности применения разработанных основ управления, обсуждены перспективы их практического использования.

Использование методологических основ нового междисциплинарного направления — "прикладного криогеотехнологического прогнозирования", весьма перспективно для применения в смежных направлениях науки о Земле. Посредством вычислительного эксперимента, реализующего решение совокупности прямых и обратных задач теплообмена можно получать сведения о характеристиках (параметрах) и свойствах реальных природных и природно-технических систем и (или) их элементов, решать проблемные вопросы классификации объектов, изучать характер взаимосвязей, особенности структуры и строения криогенных геосистем и их компонентов и т.д. Более подробно, в приложении 4, на конкретных практических примерах, детализированы перспективы применения в смежных направлениях наук о Земле.

Рамки междисциплинарности и области практического применения методологических основ прикладного криогеотехнологического прогнозирования существенно расширяются реальными возможностями реализации:

• при проведении инженерно-геологических изысканий в качестве одного из инструментов выполнения количественного прогноза при изучении динамики теплового состояния грунтов и развития опасных криогенных процессов под воздействием типичных техногенных нарушений условий теплообмена, неизбежно возникающих при освоении территории, а также для проверки кондиции материалов геотермических исследований;

• в геокриологии при обобщении материалов региональных исследований и составления геокриологических карт, выполнении геокриологической съемки, изучении динамики и оценке чувствительности криогенных геосистем к техногенным нарушениям;

• при "экологическом нормировании" для определения диапазона изменчивости значимых биогидроклиматических и геокриологических характеристик, обеспечивающих устойчивое квазиравновесное состояние экосистем, представленных природно-территориальными комплексами различного таксономического ранга;

• в ландшафтоведении для оценки устойчивости литогенной основы мерзлотных ландшафтов;

• как методологической основы управления ГТС криолитозоны при проведении комплекса работ по инженерно-геокриологического мониторингу в процессе эксплуатации зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения;

• как научной основы проектирования сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов.

Выводы:

Техногенное воздействие на ММП является одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций, независимо от того, на какой стадии разработки находится месторождение. При этом, если в начальной стадии освоения наибольший ущерб от отказов по причине воздействия на ММП зафиксирован на добывающих скважинах, то на поздних стадиях разработки акцент все больше смещается в сторону фундаментов объектов подготовки газа к дальнему транспорту. Причины отказов "опорной" компоненты - непроектные изменения мерзлотно-геологических условий, связанные с объективными (недоработка нормативной базы) и субъективными ("случайные" тепловые воздействия при строительстве и эксплуатации) факторами проектирования, подтверждают необходимость разработки и совершенствования методической основы проектирования теплового взаимодействия ГТС.

Разработанная методика вычислительного эксперимента по проектированию теплового взаимодействия объектов газового комплекса с многолетнемерз-лыми грунтами отражает специфику процесса внутри системы, учитывает динамику климатических, инженерно-геокриологических условий территории, строительные проектные решения и возможность тепловой мелиорации грунтов, а ее реализация позволяет управлять состоянием ГТС. Ежегодный фактический и ожидаемый экономический эффект в размере 20-25 млн.руб. от практической реализации

"Методики..." в производстве подтверждает, что обеспечение надежности функционирования газодобывающих ГТС на севере Западной Сибири является важной хозяйственной задачей.

Установлено, что проектирование и строительство добывающих скважин на 55% из обследованных кустовых площадок требует специальных мероприятий по повышению надежности конструкций, вследствие высокой льдистости верхних горизонтов многолетнемерзлой толщи, что дало основание автору предложить принцип обеспечения эксплуатационной надежности добывающих скважин, позволяющий выбрать наиболее целесообразное проектное решение из их параметрического ряда.

Результаты промыслового эксперимента по испытанию теплоизолированных лифтовых труб свидетельствуют о том, что выпускаемые в настоящее время промышленностью теплоизолирующие скважинные конструкции не обеспечивают мерзлое состояние пород в течение всего срока эксплуатации добывающей скважины. Для решения проблемы надежности скважин для Ямальской группы месторождений с помощью теплоизолированной НКТ, учитывая влияние засоленности грунтов на температуру фазового перехода, необходимо на порядок улучшить свойства "материала" ее теплоизоляции (до 0,002-Ю,003 Вт/м °С). Результаты вычислительных экспериментов показали, что при любых технологических вариантах снижения тепловой нагрузки от скважины, проектные решения по применению пассивной теплоизоляции не эффективны.

Вследствие существенной льдистости пород разреза расчетные величины ореолов оттаивания вокруг добывающих скважин Бованенковского месторождения при 30-ти летней эксплуатации меньше, чем на Медвежьем, Ямбурге, Уренгое и достигают 5,0+8,0 м. (однообъектная эксплуатация) 3,0+6,0 м (одновременно-раздельная). Температурная интерференция соседних кустовых скважин приводит к тому, что температуры мерзлой зоны между ними по своим величинам незначительно отличаются от температур фазовых переходов грунтов (на 0,01-0,1°С). Твердомерзлые породы переходят в ппастичномерзлое состояние, что приведет к потере несущей способности грунтового основания и развитию неблагоприятных инженерно-геокриологических процессов на кустовой площадке.

Для повышения устойчивости конструкции добывающих скважин в условиях высокольдистых грунтов эффективны и целесообразны к применению способы (патенты РФ № 2127356, 2158353, 22099340), позволяющие "закрепить" породы, вмещающие приустьевую зону скважины, обеспечив в течение годичного цикла работы пассивно-активной теплоизолирующей системы требуемую температуру

основания сооружения, которая, в свою очередь, гарантирует поддержание заданных механических характеристик грунтов.

Адекватность методики проектирования теплового взаимодействия элементов ГТС "добывающая скважина" и работоспособность приустьевой сезонноохла-ждающей трубчатой системы в годичном цикле ее работы подтверждена результатами длительного промыслового эксперимента.

Разработанная совокупность структурированных в определенной логической последовательности методов, методических приемов, средств исследования и управления состоянием криогенной ГТС (определения текущего состояния, прогнозирования развития, проектирования управляющих воздействий) широко и эффективно реализована на практике в качестве методологических основ на примере различных типов ГТС в криолитозоне Западной Сибири.

Основные публикации по теме диссертации

1. Совершенствование систем разработки, добычи и подготовки газа на месторождениях Крайнего Севера / О.М.Ермилов, Л.С.Чугунов, В.В.Ремизов, А.Н.Дмитриевский, Ю.Г.Тер-Саакян, В.Ф.Зайнуллин, К.Л.Каприелов, А.П.Попов, А.Н.Харитонов - М.: "Наука", 1996. - 415 с.

2. Проблемы устойчивости добывающих скважин месторождений полуострова Ямал / Л.С. Чугунов, А.И.Березняков, Г.И.Грива, З.С.Салихов,

A.Б.Осокин, А.ПЛопов, Г.К.Смолов. - М.: ИРЦ Газпром, 1997. - 159 с.

3. Надымгазпром: геотехмониторинг в криолитозоне / В.В.Ремизов,

B.И.Кононов, А.И.Березняков, А.П.Попов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов. - М.: ИРЦ Газпром, 2001,- 148 с.

4. Попов А.П. Математическое моделирование процесса теплового взаимодействия объектов газодобычи и многолетнемерзлых пород - Уфа: Из-во УГ-НТУ.1996.-46 с.

5. Попов А.П. Экспериментальные и теоретические исследования процесса теплообмена между газовой скважиной и многолетнемерзлыми породами -Уфа: Из-во УГНТУ, 1996. - 44 с.

6. Инженерно-геологический мониторинг объектов компремирования газа месторождений Крайнего Севера: Обз. информ. Сер. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений / В.В.Ремизов, Л.С.Чугунов, О.М.Ермилов, Н.В.Михайлов, А.П.Попов, А.Б.Осокин, Л.Н.Решетников. - М.: ИРЦ Газпром, 1995. - 124 с.

7. Динамика температурного режима фунтов оснований объектов подготовки газа месторождений севера Тюменской области: Обз. информ. Сер. Подготовка и переработка газа и газового конденсата / В.В.Ремизов, Л.С.Чугунов,

О.М.Ермилов, Н.В.Михаилов, А.П.Попов, А.Б.Осокин. - М.: ИРЦ Газпром, 1995. -77 с.

8. Расчет ореола оттаивания многолетнемерзлых пород вокруг эксплуатационной скважины Бованенковского месторождения Обз. информ. Сер. Разработка и эксплуатация газовых месторождений / Л.С.Чугунов, О.М. Ермилов, А.И. Березняков, А.Б. Осокин, А.П. Попов, Г.К.Смолов. - М.: ИРЦ Газпром, 1997. - 28 с.

9. Проблемы эксплуатации геотехнической системы "газовая скважина -многолетнемёрзлые породы" в условиях Бованенковского газоконденсатного месторождения: Обз. информ. Сер. Разработка и эксплуатация газовых месторождений / А.И. Березняков, Г.И. Грива, А.Б. Осокин, А.П. Попов, З.С. Салихов, Г.К. Смолов. - М.: ИРЦ Газпром, 1997. - 40 с.

10. Повышение надежности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций месторождения Медвежье: Обз. информ. Сер. Транспорт и подземное хранение газа / В.В. Ремизов, О.М. Ермилов, Л .С. Чу-гунов, A.M. Шаммазов, П.С. Коротеев, C.B. Власов, С.С. Фесенко, А.П. Попов, А.Б.Осокин. - М.: ИРЦ Газпром, 1997, - 36 с.

11. Моделирование теплового взаимодействия с многолетнемерзлыми породами геотехнической системы "теплоизолированная добывающая скважина - се-зоннодействующий парожидкостной термостабилизатор" вблизи поверхности земли: Обз. информ. Сер. Разработка и эксплуатация газовых месторождений / Л.С.Чугунов, О.М.Ермилов, А.П.Попов, А.И.Березняков, А.Б. Осокин, Г.К.Смолов, Ю.Г.Тер-Саакян. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - 62 с.

12. Опыт проведения инженерно-геокриологического мониторинга на газовом месторождении Медвежье: Обз. информ. Сер. Охрана человека и окружающей среды в газовой промышленности / А.Б.Осокин, А.П.Попов, Л.Н.Решетников, А.И.Березняков - М.: ИРЦ Газпром, 2000. - 48 с.

13. Новый метод решения инструментальных задач инженерно-геологического мониторинга: Обз. информ. Сер. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений / Л.С.Чугунов, О.М.Ермилов, Д.В.Парахонский, А.П.Попов. - М.: ИРЦ Газпром, 1997.68 с.

14. Попов А.П. Геокриологический прогноз как основа оптимального решения по реконструкции нулевых циклов газопромысловых сооружений на Крайнем Севере // Повышение эффективности освоения газовых месторождений Крайнего Севера: Сб. науч. тр. -М.: Наука, 1997, С. 374-388.

15. Попов А.П. Анализ причин, снижающих эксплуатационную надежность фундаментов газодобывающих объектов, и способы стабилизации оснований в условиях распространения многолетнемерзлых пород // Проблемы освоения газовых месторождений Западной Сибири: Сб. науч. тр. — Тюмень: Из-во ТГНГУ, 1995. - С.48-81.

16. Попов А.П. Технология принятия оптимального управленческого решения по обеспечению надежности оснований газопромысловых сооружений // Геология бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений: Науч.-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1995. - №7-8. - С.9-17.

17. Попов А.П. Моделирование теплового взаимодействия с многолетне-мерзлыми породами геотехнической системы "добывающая скважина — сезонно-действующий парожидкостной термостабилизатор" вблизи поверхности Земли // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование технологий замораживания грунтов искусственным холодом: Материалы IX международной научно-практической конференции под ред. д.т.н., проф., В.В. Улитина. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - С. 57-65.

18. Попов А.П. Крепление устья добывающей скважины в криолитозоне с помощью трубчатой сезонноохлаждающей системы // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование технологий замораживания грунтов искусственным холодом: Материалы IX международной научно-практической конференции под ред. д.т.н., проф., В.В. Улитина. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - С. 71-80.

19. Попов А.П. Результаты исследования теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами в условиях полуострова Ямал // Материалы Международной конференции "Криосфера нефтегазоносных провинций". — М.: Из-во ТИССО, 2004. - С 54-55.

20. Попов А.П. Управление геотехническими системами газового комплекса в криолитозоне. Прогноз состояния и обеспечение надежности // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. — 2005. -№ 4. - С. 6-16.

21. О генерации углеводородов в толщах многолетнемерзлых пород / П.И.Мельников, В.П.Мельников, В.П.Царев, Б.В.Дегтярев, Н.Б.Мизулина, А.П.Попов, А.И.Березняков, А.М.Свечников // Известия Академии Наук СССР. Сер. Геологическая. - 1989. - №2. - С. 118-128.

22. Изучение теплового взаимодействия газовых добывающих скважин многолетнемерзлыми породами / А.И.Березняков, Л.Н.Решетников, А.П. Попов, А.Б. Осокин, Г.К. Смолов, Ю.В. Юрьев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 1996. - №5-6. - С. 18-22.

23. Проблема устойчивости стенок ствола скважин в ММП / Л.С.Чугунов, А.И.Березняков, АЛ.Попов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов, Ю.В.Юрьев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 1996. - №5-6. - С.2-5.

24. Металлические трубчатые сваи для многолетнемерзлых грунтов / А.И.Березняков, Н.В.Михаилов, А.Б.Осокин, А.П.Попов // Газовая промышленность. 1998. - № 2. - С. 54 - 55.

25. Геотехнический мониторинг - основа обеспечения надежности инженерных сооружений / А.И.Березняков, А.Б.Осокин, А.П.Попов, Э.Ю.Галактионов, Г.К.Смолов // Газовая промышленность. - 2002. - №6. - С. 45-47.

26. Разработка и внедрение методики прогнозирования теплового взаимодействия объектов газового комплекса с многолетнемерзлыми грунтами / Г.И.Грива, А.И.Березняков, А.Б.Осокин, А.П.Попов, Г.К.Смолов // Наука и техника в газовой промышленности. — 2003. — №3. — С. 48-52.

27. Обеспечение устойчивости добывающих скважин в условиях распространения многолетнемерзлых пород на севере Западной Сибири / Г.И.Грива, А.И.Березняков, А.Б.Осокин, А.П.Попов, Г.К.Смолов // Наука и техника в газовой промышленности. - 2003. - № 3. — С. 53-58.

28. Технологический подход к решению задачи повышения устойчивости оснований сооружений, эксплуатируемых в зоне распространения многолетне-мерзлых пород / А.П.Попов, А.И.Березняков, Г.И.Грива, Н.В.Михайлов //. Проблемы освоения газовых месторождений Западной Сибири: Науч.-тех. сб. - Тюмень: Из-во ТГНГУ, - 1995. С.30-38.

29. Создание системы геотехнического мониторинга объектов газового комплекса в криолитозоне / Г.В.Крылов, В.П.Мельников, А.П.Попов, В.Н.Маслов, Я.Б.Горелик, Е.Е.Подборный, А.И.Березняков, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов, Г.И.Грива, Э.Ю.Галактионов // Материалы Международной конференции "Крио-сфера нефтегазоносных провинций". -М.: Из-во ТИССО, 2004. - С.2-3.

30. Комплексный мониторинг природно-технических систем как технология управления надежностью инженерных сооружений / А.И.Березняков, Г.К.Смолов, А.П.Попов Г.И.Грива, Э.Ю.Галактионов // Проблемы экологии газовой промышленности: Науч.-техн. сб. — М.: ИРЦ Газпром, 2002. - № 3. — С. 40-56.

31. Состояние оснований и фундаментов промысловых сооружений газового месторождения Медвежье. Результаты инженерно-геокрилогического мониторинга 1986-1997 г.г. / А.Б.Осокин, А.П.Попов, А.И.Березняков, Л.Н.Решетников // Основные направления создания системы производственного экологического мониторинга РАО «Газпром», ее разработка и опытно-промышленное внедрение: Материалы Науч.-техн. совета ОАО "Газпром" (Саратов 7-10 июля 1998 г.). - М.: ИРЦ Газпром, 1998. С.50-70.

32. Особенности проектирования и строительства инженерных сооружений газового комплекса в северных регионах (на основе опыта эксплуатации газового месторождения Медвежье) / А.П.Попов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов, А.И.Березняков, В.И.Кононов // Севергазпром: Союз науки и производства в области геологии, разработки месторождений и транспорта газа в Тимано-Печерской провинции. Сб. научн. тр. - Ухта: Из-во СеверНИПИГаз, 1999. - С. 173-195.

33. Инженерно-геокриологический мониторинг насыпей автодорог и промплощадок Бованенковского месторождения / А.Б.Осокин, Г.И.Грива, А.П.Попов, А.И.Березняков // Проблемы экологии газовой промышленности: На-уч.-техн. сб. - М: ИРЦ "Газпром", 1999. - №2. С.28-40.

34. К вопросу о тепловом влиянии на многолетнемерзлые породы подземных газовых коллекторов на Медвежьем месторождении / Л.С.Чугунов, Л.Н.Решетников, А.П.Попов // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений на суше и шельфе: Науч.-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - № 4-5. - С. 34-44.

35. Попов А.П., Самсонова В.В. Моделирование теплового взаимодействия геотехнической системы "металлическая трубчатая свая — многолетнемерзлые грунты — климат Надым-Пур-Тазовского междуречья // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование технологий замораживания грунтов искусственным холодом: Материалы IX международной научно-практической конференции под ред. д.т.н., проф., В.В. Улити-на. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - С.65-71.

36. Попов А.П., Смолов Г.К. Способ определения фактического коэффициента теплоотдачи добывающей скважины // Проблемы разработки, эксплуатации и экологии газовых и нефтегазоконденсатных месторождений: Сб. науч.тр. -Уфа, Из-во УГНТУ, 1998, с. 213-217.

37. Прогнозирование образования термокарстовых воронок в приустьевой зоне эксплуатационных скважин в условиях Крайнего Севера / Г.К.Смолов А.П.Попов, Г.В. Олиневич, А.Б.Осокин, А.И.Березняков В.И.Кононов // Севергаз-пром: Союз науки и производства в области геологии, разработки месторождений и транспорта газа в Тимано-Печерской провинции. Сб. научн. тр. — Ухта: Из-во СеверНИПИГаз, 1999. - С. 320-334.

38. Промысловые исследования теплового взаимодействия бурящейся скважины с мерзлыми породами / Б.В.Дегтярев, В.А.Истомин, А.П.Попов // Совершенствование техники и технологии строительства газовых и газоконденсатных скважин: Сб. научн. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1989. - с.161-167.

39. Тепловая и механическая устойчивость эксплуатационной скважины в условиях развития многолетнемерзлых пород (на примере Бованенковского месторождения) / Л.С.Чугунов, А.И.Березняков, АЛЛопов, З.С.Салихов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов // Вопросы методологии и новых технологий разработки месторождений: Сб. научн. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1997. - 4.2. - С.138-150.

40. Эксплуатационная газовая скважина Бованенковского ГКМ — как тепловой источник / Л.С.Чугунов, А.И.Березняков, АЛ-Попов, З.С.Салихов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов // Вопросы методологии и новых технологий разработки месторождений: Сб. научн. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1997. - 4.2. - С. 150-159.

41. Прогноз теплового воздействия на ММП добывающей скважины при одновременно раздельной эксплуатации двух объектов Бованенковского ГКМ / Л.С. Чугунов, А.И.Березняков, А.П.Попов, З.С.Салихов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов // Вопросы методологии и новых технологий разработки месторождений: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1997. - 4.2. - С.159-174.

42. Эффективность проектных решений по пассивной теплоизоляции добывающих скважин Бованенковского ГКМ при традиционном способе добычи и одновременнораздельной эксплуатации / Л.С.Чугунов, А.И.Березняков, А.П.Попов, З.С.Салихов, А.Б.Осокин, Г.К. Смолов // Вопросы методологии и новых технологий разработки месторождений: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1997. -4.2.-С. 174-192.

43. Оценка величины коэффициента теплоотдачи с трубы направления при параллельном спуске двух НКТ и одновременно-раздельной эксплуатации двух газовых объектов / Л.С.Чугунов, А.И.Березняков, А.П.Попов, З.С.Салихов, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов // Вопросы методологии и новых технологий разработки месторождений: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1997. - 4.2. - С. 192-204.

44. Тепловое взаимодействие скважин месторождений углеводородного сырья с многолетнемерзлыми породами и проблемы обеспечения надежности их эксплуатации (на примере Бованенковского месторождения) / А.П.Попов, А.И.Березняков, А.Б.Осокин, Г.К.Смолов // Материалы Первой конференции геокриологов России.-М.: Из-воМГУ, 1996.-С.114-124.

45. Опыт управления тепловым режимом грунтов основания строящегося газового промысла в условиях севера Западной Сибири / А.П. Попов, А.Б. Осокин, Э.Ю. Галактионов, Г.К. Смолов // Материалы Второй конференции геокриологов России,- М.: Из-во МГУ, 2001. - Т.4. - С. 227-233.

46. Отказы работы грунтовых оснований в сложных геокриологических условиях г. Надым / А.Б.Осокин, А.П.Попов, Г.К.Смолов // Материалы Второй конференции геокриологов России. - М.: Из-во МГУ, 2001. — Т.4. — С. 201-208.

47. Решение проблемы обеспечения устойчивости добывающих скважин в сложных геокриологических условиях месторождений полуострова Ямал / А.И.Березняков, Г.И.Грива, А.Б.Осокин, А.П.Попов, Г.К.Смолов // Материалы Третьей конференции геокриологов России. - М.: Из-во МГУ, 2005. - Т.4. -4.9. -С. 270-277.

48. Современная технология строительства оснований и фундаментов на ММП с применением парожидкостных охлаждающих установок / Г.М.Долгих, С.Н.Окунев, А.Б.Осокин, АЛ.Попов, Г.К.Смолов, Э.Ю.Галактионов // Материалы Третьей конференции геокриологов России. - М.: Из-во МГУ, 2005. — Т.4. - 4.8. -С. 100-104.

49. Геокриологические условия площадок расположения газовых скважин Бованенковского месторождения на полуострове Ямал / А.Б.Осокин, Г.К.Смолов, Г.И.Грива, А.П.Попов, А.И.Березняков, В.В.Кондаков, О.М.Язынин // Материалы Третьей конференции геокриологов России. — М.: Из-во МГУ, 2005. — Т.4. - 4.9. — С. 312-319.

50. Geological-geophysical and engineering-geocryological monitoring of the Medvezhye field / V.V.Remizov, L.S.Chugunov, A.P.Popov, O.M.Ermilov // Proceedings of the 1998 International Gas Research Conference (8-11 November 1998, USA). -San-Diego: - S. 44-45.

51. Патент РФ № 2157872, кл. 7 E 02 D 3/115 Конструкция насыпного охлаждающего основания сооружений и способ стабилизации многолетнемерзлых грунтов / А.И.Березняков, Н.В.Михайлов, А.ПЛопов, Ю.Н.Ширихин, А.Б.Осокин, Р.Р.Гумеров; заявл. 26.12.96. опубл.20.10.00., бюл. № 29.

52. Патент РФ № 2126887, кл. 6 Е 21 В 47/00, 43/00 Способ определения коэффициента теплоотдачи эксплуатационной скважины / Попов А.П., Березняков А.И., Смолов Г.К., Осокин А.Б.; заявл. 24.03.97., опубл. 27.02.99, бюл. № 6.

53. Патент РФ № 2157882 кл. 7 Е 21 В 36/00 Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины / В.И.Кононов, А.И.Березняков, Г.И.Облеков, Г.К.Смолов,

A.П.Попов, А.Б.Осокин, Г.В.Олиневич; заявл. 02.11.98., опубл. 20.10.00., бюл. № 29.

54. Патент РФ № 2158353 кл. 7 Е 21 В 36/00 Способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах /

B.И.Кононов, А.И.Березняков, Г.К.Смолов, Л.С.Забелина, Г.В.Олиневич, А.П.Попов, А.Б.Осокин; заявл. 10.03.99., опубл. 27.10.00., бюл. № 30.

55. Патент РФ № 2159308 кл.7 Е 02 D 3/00 Способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне / В.И.Кононов, А.И.Березняков, А.ПЛопов, Г.К.Смолов, Л.С.Забелина, Л.Н.Решетников, А.БОсокин; заявл. 10.03.99., опубл. 20.11.00., бюл. № 32.

56. Патент РФ № 2127356 кл. 6 Е 21 В 36/00 Способ теплоизоляции приустьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах и устройство для его осуществления / Л.С.Чугунов, О.М.Ермилов, А.П.Попов, А.И.Березняков, Ю.Г.Тер-Саакян, ЛЛ.Решетников, В.П.Кононов, С.С.Фесенко; заявл. 16.02.98., опубл. 10.03.99. бюл. №7.

57. Патент РФ № 2209934 кл.7 Е 21 В 36/00 Способ стабилизации системы скважина-породы в криолитозоне / М.М.Дубина, А.ПЛопов, В.Ф.Штоль; заявл. 15.07.02., опубл. 10.08.03., бюл. № 22.

Введение

1 Дополнительные измерения и модели мира на бране

1.1 Сценарий Калуцы-Клейна.

1.2 Модель Аркани-Хамеда-Димопулоса-Двали.

1.3 Модель Рэндалл-Сундрума с двумя бранами.

1.4 Стабилизированная модель Рэндалл-Сундрума.

1.5 Модель Рэндалл-Сундрума с одной браной.

1.6 Модель Двали-Габададзе-Поррати.

2 Гравитационное линзирование на бране

2.1 Введение.

2.2 Конические дефекты в теории относительности

2.3 Конические линзы в модели RS2.

2.3.1 Линеаризованная гравитация в 1182-модели.

2.3.2 Гравитационное ноле топологических дефектов в мире с одним дополнительным измерением.

2.3.3 Решение уравнений геодезических в 1182-модели

2.3.4 Эффект линзы.

2.4 Линзирование в модели с двумя бранами.

2.4.1 Линеаризованная гравитация в RSI-модели.

2.4.2 Особенности гравитационного поля конических дефектов в RSI-модели.

2.4.3 Отклонение частиц и лучей света в иоле локализованных на бране дефектов

2.5 Выводы.

3 Эффекты самодействия в пространствах с дополнительными измерениями

3.1 Введение.

3.2 Электростатическое самодействие: постановка задачи

3.3 Особенность эффекта самодействия в Я82-модели.

3.4 Функция Грина уравнения Пуассона в Н52-модели.

3.5 RSI-модель.

3.6 Модифицированная DGP-модель.

3.7 Выводы.

Предположение о том, что наше пространство может иметь более трех пространственных измерений, возникло еще в начале XX века и до сих пор привлекает большое внимание. Идея использовать дополнительное пятое измерение для объединения гравитации и электромагнетизма впервые появилась независимо у Нордстрема |1] и Калуцы [2]. Еще до создания общей теории относшельности Нордстрем рассматривал скалярную теорию гравитации как составную часть максвелловской электродинамики в пятимерном пространстве. В отличие от него, Калуца уже воспользовался эйнштейновской теорией гравитации и показал, что пятимерная гравитация в вакууме содержит в себе четырехмерную гравитацию в присутствии электромагнитного поля и уравнения Максвелла. Практически все последующие попытки объединения с помощью дополнительных измерений исходили из этого замечательного результата.

Общей проблемой всех многомерных теорий является ненаблюдаемость дополнительных измерений в низкоэнергетической области. Один из механизмов, который в неявном виде содержится в работе Калуцы, был выражен в явном виде и уточнен Клейном [3, 4]. Модель Калуцы-Клейна (КК) предполагает, что дополнительные измерения компактны и имеют очень малый размер порядка длины Планка Ipi = 1 /Мр/. На таких масштабах практическое обнаружение скрытых размерностей выходит за рамки современных экспериментальных возможностей.

К сожалению, оригинальная идея Калуца-Клейна оказалась нежизнеспособной, а многочисленные модификации этого подхода, предложенные Эйнштейном, Йорданом, Бергманом и другими [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11], использовали не более пяти измерений вплоть до появления теории слабых и сильных взаимодействий, которые требовали включения новых дополнительных измерений. Тем не менее исследования, направленные на разработку многомерных теорий, продолжались и привели к созданию скалярно-тензорной гравитации Бранса-Дикке [12, 13, 14, 15]. При определенных значениях параметров теория Бранса-Дикке (BD) и ее современные модификации [16, 17] вполне согласуются с экспериментальными данными и широко используются в различных космологических моделях.

Сравнительно недавно появились многомерные теории, в которых дополнительные измерения могут быть макроскопическими и даже некомпактными. При этом эффективная четырехмерность достигается за счет локализации магерии в многомерном пространстве на его четырехмерных подмногообразиях, так называемых браиах (тогда как гравитация может распространяться во всем объеме). Такие модели были предложены в работах [18, 19, 20J. Было также обнаружено, что подобные сценарии могут возникать и в теории струн [21, 22, 23, 24, 25]

Исследование таких сценариев с дополнительными измерениями было мотивировано в первую очередь проблемой иерархии взаимодействий. Эта проблема заключается в наличии огромного разрыва между масштабом электрослабого взаимодействия 1 ТэВ и планковским масштабом 1019 ГэВ. Данные модели могут быть грубо разделены на два типа. Первые из них берут начало от работ Аркани-Хамеда-Димопулоса-Двали (ADD) [26]. В них фундаментальный масштаб многомерного гравитационного взаимодействия может достигать ТэВ-ных энергий за счет больших дополнительных измерений. Другой тип - это собственно модели Рэндалл-Сундрума (RS)

27], в которых метрика, в отличие от моделей КК и ADD, не факторизуется (не соответствует произведению пространства Минковского и дополнительного измерения), а ее структура ведет к экспоненциальной иерархии между электрослабым и планковским масштабами. Таким образом, обе модели предсказывают сильное гравитационное взаимодействие в многомерном пространстве уже не при планковских энергиях, а при энергиях несколько ТэВ и гравитационные эффекты можно будет наблюдать на ускорителях

28].

Кроме проблемы иерархии концепция многомерного пространства необходима и для теории суперструн, которая, по общему признанию, представляет из себя наиболее перспективную теорию высоких энергий, объединяющую квантовую гравитацию и теорию калибровочных полей. Это связано с тем, что низкоэнергетические следствия этой теории требуют 9 f 1 или 10+1 мерного фундаментального пространства, в то время как другие размерности запрещены. Эффективная четырехмерность наблюдаемого мира, как обычно, обеспечивается компактификацией дополнительных измерений. Отметим, что в работе Хоравы-Виттена [29] была предложена компактификация многомерного пространства на SljZ2 -орбифолде, и именно такая компактификация пятого измерения лежит в основе модели Рэндалл-Сундрума с двумя бранами (RS1). Поэтому сценарии RS и их обобщения дают феноменологические модели, отражающие но крайней мере некоторые свойства М-теории. Кроме того, модель Рэндалл-Сундрума с одной браной RS2 может быть полезна для реализации голографического подхода, который заложен в М-теории [30].

Ранее уже говорилось, что дополнительные измерения могут быть большими, на самом деле они могут быть и бесконечными. Например, в модели RS2 [31] рассматривается одна брана с положительным натяжением в пространстве с бесконечным дополнительным измерением и отрицательной пятимерной космологической постоянной. Очевидно, что вэюй модели иерархия между планковским и электрослабым масштабами не объясняется с помощью дополнительного измерения. Тем не менее, сценарий мира на бране RS2 в силу своей простоты и привлекательной геометрии относительно других бранных моделей пользуется большой популярностью. Отметим еще тот факт, что благодаря локализации безмассового гравитона на бране в модели RS2 на больших расстояниях воспроизводится четырехмерная эйнштейновская гравитация.

Сценарии Рэндалл-Сундрума и их обобщения применялись и для описания бранных космологических моделей. Их можно рассматривать как высокоэнергетические модификации эйнштейновской теории, которые, судя по всему, не подходят для описания современной ускоряющейся Вселенной. Поэтому была предложена другая модель, претендующая на роль инфракрасной модификации теории Эйнштейна - модель Двали-Габадзэ-Поррати (DGP) [32]. Действие такой модели содержит эйнштейновский член с гравитационной постоянной G4 существенно отличный от пятимерной постоянной <?5. Считается, что такой член может быть индуцирован на фундаментальном уровне квантовыми эффектами в объеме, поэтому DGP-модель и ее модификации принято называть моделями индуцированной на бране гравитации. DGP-модель характеризуется двумя энергетическими масштабами - планковским Mpi ~ 1019ГэВ и космологическим тп ~ 10~33э5, при этом предполагается, что пятимерная гравитация становится сильной при (mMpi)1/2 ~ 10~ъэВ. К сожалению, из-за такого низкого масштаба сильной связи оригинальная DGP-модель находится в серьезном противоречии с гравитационными экспериментами. Тем не менее, еще продолжаются попытки получить непротиворечивую модель индуцированной на бране гравитации, которая воспроизводит закон Ньютона на больших расстояниях. Далее в диссертации мы рассмотрим модифицированную DGP-модель, в которой проблема сильной связи устранена.

Физика дополнительных измерений и модели мира на бране предлагают много новых интересных механизмов для решения проблемы иерархий и объяснения некоторых космологических проблем. Однако все вышеперечисленные модели все еще имеют ряд недостатков. Так, например, в модели RS1 гравитация на бране, соответствующей нашему миру, становится скалярной (как в теории Бранса-Дикке). Для решения этой проблемы был предложен ряд механизмов для стабилизации межбранного пространства, которое соответствует скалярному полю, известному как радион. Наиболее известные стабилизационные механизмы, делающие эту скалярную моду массивной, были предложены в работах [33, 34].

Кроме этих основных моделей изучаются и менее распространенные сценарии с дополнительными измерениями. В таких моделях рассматриваются как дополнительные временные измерения, так и случай, когда мачерия не обязательно бывает локализована на бране [35, 36, 37, 38, 39, 40].

В данной работе мы рассмотрим ряд гравитационных эффектов в поле топологических дефектов (космической струны и глобального мононоля) в мире на бране. Выбор таких, казалось бы, экзотических объектов нуждается в некотором обосновании. Прежде всего отметим, что эти космологические объекты с большой вероятностью могли возникать на ранних этапах развития Вселенной и в последующем определять ее эволюцию. Они могли послужить одной из причин образования тех начальных неоднородностей плотности материи в ранней Вселенной, вокруг которых в силу гравитационной неустойчивости образовались галактики и скопления галактик. Кроме того, если топологические дефекты сохранились до настоящего времени, то их можно обнаружить с помощью астрономических наблюдений. Так, совсем недавно была найдена гравитационная линза, которую рассматривали в качестве возможного кандидата на звание космической струны [41]. К сожалению, дальнейшие наблюдения не подтвердили этот статус [42], но, тем не менее, поиск топологических дефектов во Вселенной интенсивно продолжается. Космическая струна и глобальный мононоль представляют интерес и с теоретической точки зрения, поскольку позволяют исследовать квантовые и классические явления, совмещая нетривиальную структуру гравитационного поля и простоту аналитических расчетов.

Топологические дефекты уже ранее рассматривались в некоторых многомерных теориях. С использованием формализма [43] было исследовано гравитационное поле космической струны [44]. В работе [44[ и нашей ранней статье [45] были рассмотрен эффект линзирования для космической струны и глобального монополя в модели RS2 соответственно, но были допущены некоторые неточности, исправленные нами позднее в [46]. Работа [47J посвящена исследованию поляризации вакуума скалярного поля в окрестности топологических дефектов в этой модели. Эффект самодействия в поле космической струны в скалярно-тензорной гравитации был исследован в работе [48].

В настоящей работе изучаются порождаемые коническими дефектами гравитационные эффекты в моделях Рэндалл-Сундрума с одной и двумя бранами, а также модифицированной модели Двали-Габададзе-Поррати (DGP-модель). На защиту выносятся следующие результаты:

1. В линейном приближении теории гравитации получены выражения для метрики локализованных на бране в модели RS1 конических дефектов - космической струны и глобального монополя. Исследован предельный переход к модели RS2.

2. Впервые проведено полное исследование эффекта гравитационного линзирования в случае модели Рэндалл-Сундрума с двумя бранами.

3. Показано, что в К82-модели, в отличие от модели RS1 и стандартной четырехмерной теории, угловое расстояние между изображениями при линзировании на монополе может заметно превышать аналогичную величину для линзы, порождаемой космической струной.

4. Впервые рассмотрен эффект электростатического самодействия в моделях Рэндалл-Сундрума с коническим дефектом на бране.

5. Показано, что возможны ситуации, когда индуцируемый пятым измерением вклад в эффект самодействия становится доминирующим. Делается вывод, что более перспективным является поиск дополнительных измерений в явлениях с микроскопическими пространственно-временными масштабами.

Все перечисленные выше результаты были получены при непосредственном участии автора, либо самим автором. Результаты работы могут быть использованы для изучения гравитационных эффектов в других моделях с дополнительными измерениями пространства-времени, например, в стабилизированной модели Рэндалл-Сундрума или моделей с большим числом дополнительных измерений.

Научная достоверность работы определяется строгостью применяемого математического аппарата и внутренней согласованностью результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [45, 49, 50, 4G] и докладывались на XVIII Международной конференции но квантовой теории поля и физике высоких энергий QFTHEP'2004, Санкт-Петербург; международной конференции «12th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics»(Москва, МГУ, 2005); международной конференции по гравитации, космологии, астрофизике и нестационарной газодинамике, по-свящ. 90 - летию К.П. Станюковича (Москва, РУДН, 2006) (часть результатов опубликована также в виде трудов и тезисов конференций [51, 52] и в препринтах [53, 54]).

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 95 страниц. Список литературы содержит 137 ссылок.

3.7 Выводы

В данной главе мы рассмотрели эффект электростатического самодействия в моделях Рэндалл-Сундрума с одной и двумя бранами, а также в модифицированной DGP-модели. С помощью теории возмущений была получена первая поправка к функции Грина в пространстве космической струны и глобального монополя локализованных на бранах. Используя полученные результаты, были найдены энергия и сила электростатического самодействия точечного заряда в рассматриваемой модели и были проанализированы различные варианты взаимного расположения материи и наблюдателя на бранах. Было показано, что из-за вклада радиона в случае локализации наблюдателя и материи на бране с отрицательным натяжением и в случае "теневой" материи сила электростатического самодействия является силой притяжения, что качественно отличает рассматриваемый случай от эффекта самодействия в модели с одной браной для больших г > Af1 расстояний и от стандартной четырехмерной теории. Кроме того, показано, что в случае 1182-модели для малых расстояний г -С к~1 вклад от дополнительного измерения в случае струны отсутствует, а в случае монополя является доминирующим, в этом случае сила самодействия меняет знак и становится силой притяжения.

Как мы видим, относительный вклад обусловленных наличием дополнительного измерения поправок к эффекту самодействия на малых расстояниях существенно больше, чем аналогичный вклад в эффекте гравитационного линзирования. Это дает основания полагать, что более перспективным является поиск дополнительных измерений в явлениях с микроскопическими пространственно-временными масштабами.

Заключение

В диссертации были изучены гравитационные эффекты в моделях Рэндалл-Сундрума. В работе получены следующие результаты:

• В линейном приближении теории гравитации получены выражения для метрики локализованных на бране в модели RS1 конических дефектов - космической струны и глобального монополя. Исследован предельный переход к модели RS2.

• Впервые проведено полное исследование эффекта гравитационного линзирования в случае модели Рэндалл-Сундрума с двумя бранами.

• Показано, что в Г182-модели, в отличие от модели RS1 и стандартной четырехмерной теории, угловое расстояние между изображениями при линзировании на монополе может заметно превышать аналогичную величину для линзы, порождаемой космической струной.

• Впервые рассмотрен эффект электростатического самодействия в моделях Рэндалл-Сундрума с коническим дефектом на бране.

• Показано, что возможны ситуации, когда индуцируемый пятым измерением вклад в эффект самодействия становится доминирующим. Делается вывод, что более перспективным является поиск дополнительных измерений в явлениях с микроскопическими пространственно временными масштабами.

Благодарности

Автор выражает искреннюю и глубокую признательность научному руководителю работы доктору физико-математических наук Юрию Владимировичу Грацу за постановку задачи, плодотворные обсуждения и поддержку.

1. Nordstrom G. Zur Theorie der Gravitation vom Standpunkt des Relativitatsprinzips // Ann. Phys. Lpz. — 1913. — Vol. 42. — Pp. 533554.

2. Калуца Т. — К проблеме единства физики. Альберт Эйнштейн и теория гравитации. — Москва, Мир, 1979. — Сс. 529-534.

3. Klein О. Quantentheorie und funfdimensionale Relativitatstheorie // Zeits. Phys. 1926. - Vol. 37. - Pp. 895-906.

4. Klein 0. The atomicity of electricity as a quantum theory law // Nature- 1926. Vol. 118. - P. 516.

5. Einstein A., Bergmann P. On a generalization of Kaluza's theory of electricity // Ann. Math. 1938. - Vol. 39. - P. 683.

6. Einstein A., Pauli W. On the non-existence of regular stationary solutions of relativistio field equations // Ann. Math. — 1943. — Vol. 44. — P. 131.

7. Jordan P. Erweiterung der projektiven RelativitEatstheorie // Ann. Phys. (Leipzig) 1947. - Vol. 1. - P. 219.

8. Bergmann P. Unified field theory with fifteen field variables // Ann. Math.- 1948. Vol. 49. - P. 255.

9. Thiry Y. Les equations de la theorie unitaire de Kaluza // Comptes Rendus Acad. Sci. (Paris) 1948. - Vol. 226. P. 216.

10. Souriau J.-M. Une axiomatique relativiste pour la microphysique // Comptes Rend. Acad. Sci. (Parisj 1958. - Vol. 247. - P. 1559.

11. Souriau J.-M. Five-dimensional relativity // Nuov. Cim. — 1963. — Vol. 30. P. 565.

12. Jordan P. The present state of Dirac's cosmological hypothesis // Z. Physik 1959. - Vol. 157. - Pp. 112-121.

13. Brans C., Dicke R.H. Mach's principle and a relativistic theory of gravitation // Phys. Rev. 1961. - Vol. 124. - Pp. 925-935.

14. Мизнер Ч., Тори К., Уилер Дж. Гравитация. Т. 3. — Бишкек, Айн-штайн, 1997. С. 510.

15. Вейнберг С. Гравитация и космология. — Волгоград, Платон, 2000. — С. 696.

16. Scharre P.D., Will С.М. Testing scalar-tensor gravity using space gravitational-wave interferometers j J Phys. Rev. D. 2002. Vol. 65.- P 042002.

17. Will C.M., Yunes N. Testing alternative theories of gravity using LISA // Class. Quant. Grav. 2004. - Vol. 21. - Pp. 4367-4381.

18. Akama K. Pregeometry // Lecture Notes in Physics — 1982. — Vol. 176.- Pp. 267-271.

19. Rubakov V.A., Shaposhnikov M.E. Do we live inside a domain wall? // Phys. Lett. B. 1983. - Vol. 125. - Pp. 136-138.

20. Rubakov V.A., Shaposhnikov M.E. Extra space-time dimensions: Towards a solution to the cosmological constant problpm // Phys. Lett. B. — 1983.- Vol. 125. Pp. 139-143.

21. Polchinski J. TASI lectures on D-branes. arXiv:hep-th/9611050.

22. Witten E. Strong coupling expansion of Calabi-Yau compactification // Nucl. Phys. B. 1996. - Vol. 471. - Pp. 135-158.

23. Lykken J. Weak scale superstrings // Phys. Rev. D. — 1996. — Vol. 54. Pp. 3693-3697.24 2526