Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор исследований торосов и стамух с помощью термобурения 8
Исследование влияния физических характеристик льда на скорость термобурения 17
1 Установки для термобурения льда 17
2 Экспериментальная проверка зависимости скорости термобурения от физических характеристик льда и веса термобура 26
3 Экспериментальная проверка зависимости скорости термобурения от грязевых включений во льду 39
4 Экспериментальные исследования связи прочности льда с его текстурными особенностями и скоростью термобурения 43
5 Технология термобурения с записью параметров на компьютер 46
Методика исследования внутреннего строения торосов и стамух с помощью термобурения 49
1 Методика определения границ пустот, участков плотного и рыхлого льда 49
2 Методика определения границ консолидированного слоя 59
3 Методика определения расположения границы льда и грунта при термобурении стамух 63
4 STRONG Распределение объемного содержания твердой фазы льда 68
Некоторые результаты исследования внутреннего строения торосов и стамух в различных регионах STRONG 75
1 Торосы и стамухи шельфа о. Сахалин 75
2 Торосы Печорского моря 84
3 Торосы и стамухи Каспийского моря 90
4 Торосы Арктического бассейна т
4.5 Торосы Азовского моря 103
Заключение 107
Список использованных источников
- Экспериментальная проверка зависимости скорости термобурения от физических характеристик льда и веса термобура
- Экспериментальные исследования связи прочности льда с его текстурными особенностями и скоростью термобурения
- Методика определения границ консолидированного слоя
- Торосы Печорского моря
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из главных задач ледотехники по обеспечению эффективности проведения транспортных операций во льдах и безопасной эксплуатации ледостойких сооружений является изучение ледяного покрова на шельфе замерзающих морей (ровный лед, торосы, стамухи). Расчет возможных ледовых нагрузок на сооружения, проектирование трубопроводов по морскому дну и т. д. требуют знания строения и свойств этих ледяных образований. От изученности ледовых условий шельфа зависят технико-экономические показатели разработки месторождений нефти и газа в этих районах России.
Торосы и стамухи, представляющие собой природные образования из соленого и пресноводного льда с беспорядочной структурой, являются объектами натурных исследований. Однако большие размеры и сложное внутреннее строение этих образований существенно сужают диапазон применяемых для их исследования средств. Механическое бурение, обычно используемое для изучения ледников, в данном случае ограничивается либо небольшой глубиной скважин, либо громоздкостью и весом оборудования. Известные дистанционные методы исследования льда, такие как радиолокация и гидролокация, в настоящее время с трудом могут обеспечить получение достоверных данных о внутреннем строении торосов и стамух из-за сильного рассеяния волн во время зондирования неоднородного льда.
При исследовании торосов и стамух доставка людей и оборудования к месту работы производится судном или вертолетом. Работа ведется в условиях ограниченного времени пребывания на пьду. В этом случае может быть успешно использовано тепловое бурение, которое широко применяется в ледовых исследованиях. Высокая производительность, небольшие габариты и вес установок, запись на компьютер параметров бурения - вот основные преимущества теплового бурения перед другими способами исследования льда.
Учитывая повышенный интерес нефтяных и газодобывающих компаний к районам добычи углеводородов на шельфах замерзающих морей, настоящая работа является актуальной.
«>С НАЦИОНАЛЬНАЯ j SNMNOTCKA , yggasj 3
Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в определении внутреннего строения торосов и стамух по записи параметров их теплового бурения, а также в создании и внедрении методики обработки данных термобурения этих ледяных образований. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1 .Исследовать влияние физических характеристик льда и веса бура на скорость теплового бурения.
2. Развить существующую математическую модель контактного плавления применительно к соленому льду.
3.Разработать методику обработки данных термобурения торосов и стамух.
4.Разработать методику определения границ консолидированного слоя торосов и стамух.
5. Разработать методические основы определения обобщенных характеристик внутреннего строения торосов и стамух с помощью усреднения данных теплового бурения.
6.Исследовать внутреннее строение торосов и стамух в различных регионах.
Под обобщенными характеристиками понимаются распределение объемного содержания твердой фазы льда по глубине, средняя толщина консолидированного слоя, коэффициент заполнения, вероятность нахождения льда на заданной глубине, объемное содержание воздуха.
Основные защищаемые положения.
1.Методика определения границ пустот, участков плотного и рыхлого льда.
2.Методика определения границ консолидированного слоя торосов и стамух.
3.Методические основы определения обобщенных характеристик внутреннего строения торосов и стамух с помощью усреднения данных теплового бурения.
4.Усовершенствованная математическая модель контактного бурения плавлением нагревательной коронкой электротермобура
Под пустотами понимаются промежутки между блоками льда, заполненные воздухом, снегом или водой. Под рыхлым льдом понимается лед пористостью более 20 % или прочностью при сжатии менее 0,05 МПа, а также область, заполненная мелкими кусками льда
Научная новизна работы заключается в следующем: а) впервые предложен способ определения внутреннего строения торосов и стамух, пористости слагающего их льда и границы льда и грунта с помощью записи параметров термобурения; б) предложена физически обоснованная методика определения по записи параметров бурения расположения и размеров пустот, границ плотного и рыхлого льда, границ консолидированного льда, глубины расположения границы льда и грунта, наличия загрязнения льда;
в) предложен способ оценки распределения пористости льда,
слагающего торос или стамуху, коэффициента заполнения тороса
или стамухи, вероятности нахождения льда на заданной глубине;
г) выявлены особенности внутреннего строения торосов в различных
регионах; д) показан источник методической ошибки при
определении толщины консолидированного слоя по скорости
термобурения по субъективным ощущениям оператора, в результате
чего ее величина часто оказывается завышенной.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации апробировались при обработке материалов восьми экспедиций, проводимых Арктическим и Антарктическим НИИ в 1997-2005 годах на шельфах Печорского, Охотского, Каспийского и Азовского морей, в Обской губе, и вошли в соответствующие технические отчеты. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8-й печатных работах. Основные положения диссертации были напечатаны в трудах 6-й Международной конференции по судам и морским конструкциям в холодных регионах (С.-Петербург, Россия, 2000 г.), 16-й, 17-й и 18-й Международных Конференциях РОАС (Оттава, Канада, 2001 г., Финляндия, 2003 г., Потсдам, США, 2005 г.), RAO'03 (С.-Петербург, Россия, 2003 г.). Кроме этого по результатам исследований получен Патент (в соавторстве) на изобретение № 2153070 от 20.07.2000 (Бюллетень № 20).
Практическая ценность и внедрение результатов исследования. Предлагаемый способ исследования торосов и стамух обеспечивает получение объективной информации о внутреннем строении этих ледяных образований, поскольку скорость погружения термобура при тепловом бурении торосов и стамух фиксируется компьютером независимо от субъективных ощущений оператора. В рамках этого способа разработаны методика определения границ пустот, участков плотного и рыхлого льда, а
также методика непосредственного определения границ консолидированного слоя Запись параметров бурения на компьютер позволяет в короткие сроки проводить обработку собранного материала. Использование водяного бурения позволяет сделать большое количество скважин в течение рабочего дня, и, следовательно, обследовать большую площадь тороса/стамухи или обследовать ограниченную площадь более детально. Разработанные методические основы определения обобщенных характеристик внутреннего строения тороса позволяют получить представление о распределении пористости льда по глубине. Данные о морфологических характеристиках торосов и стамух, полученные в результате применения предлагаемых в диссертации методик, используются фирмами EXXON, АО «Севморнефтегаз», ЗАО «Варандейнефтегаз», ООО «Газфлот», ОАО НК «Лукойл», Norsk Hydro ASA, Statoil при проектировании нефтяных и газодобывающих платформ.
Фактический материал. В основу диссертации положены данные, собранные автором в 12 морских экспедициях в Печорское, Охотское, Каспийское, Азовское моря, в Обскую губу и в Арктический бассейн, в течение 3 полевых сезонов на Ладожском озере, 1 полевого сезона на Финском заливе, 3 комплексных работ в ледовом бассейне ААНИИ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 117 страниц, включая 46 рисунков и 9 таблиц. Список использованной литературы включает 77 наименований.
* * *
Автор искренне благодарен Е.У. Миронову, В.А. Никитину, А.И. Шушлебину, СМ. Ковалеву, Б.П. Егорову, К.П. Тышко, В.В. Панову и В.А. Воеводину за доброжелательное отношение и ценные критические замечания. Особую признательность автор выражает В.А. Мореву - за помощь и содействие в работе.
Экспериментальная проверка зависимости скорости термобурения от физических характеристик льда и веса термобура
Работа Бекецкого СП. очень интересна с методической точки зрения. Важен подход к исследованию внутреннего строения торосов и стамух с помощью термобурения. К сожалению, в работе не нашли отражения такие интересные моменты, как регистрация скорости проходки и соответствие ее пористости льда. По-видимому, это соответствие определялось по субъективным оидущениям оператора бурения.
Морфометрия торосов и стамух Охотского моря рассмотрена также в работах [Сурков, 1997; Surkov at al (I and II), 2002].
Применение компьютера для записи скорости бурения торосов было впервые осуществлено сотрудниками лаборатории термобурения ААНИИ в 1996 г. в юго-восточном районе Баренцева моря [Morev and Kharitonov, 2001]. Первоначально по записи определялись только границы пустот и блоков льда. Начиная с 1998 года, по записи скорости определяется наличие в теле тороса участков льда различной пористости [Смирнов и др., 2000; Миронов и др., 2003; Mironov at al., 2003].
В Polar Ice Coring Office, University of Alaska, Fairbanks, проводится запись параметров бурения на компьютер, в том числе скорости погружения Deep Ice Coring Drill, но не для изучения структуры льда, а для контроля процесса бурения [Hancock and Косі, 1988; Hancock, 1994]. Применение микропроцессоров позволяет выводить все параметры бурения на экран компьютера и в случае необходимости предупреждать оператора о возникших проблемах [Marec at al, 1988]. Компьютерный мониторинг процесса бурения довольно широко применяется в исследованиях ледников [Ice Drilling Technology, 1988; Ice Drilling Technology, 1993].
Использование информации о внутреннем строении торосов и стамух для расчетов нагрузок на морские сооружения подразумевает наличие сведений о консолидированном слое. Его толщина является наиболее существенной разницей между торосами в различных морях [Wilkman and Nortala-Hoikkanen, 1995]. Исследователями разных стран проводились работы по изучению нарастания консолидированного слоя отдельно выбранного тороса. Например, результаты опытов по исследованию увеличения толщины консолидированного слоя с помощью измерений температуры в теле тороса приведены в [Hoyland and Loser, 1999]. Группой исследователей в 2002 г. в заливе Ван-Майен на Шпицбергене проводилось изучение условий образования тороса в натурных условиях и определение величин нарастания толщины консолидированного слоя [Гордиенко, 2003]. Толщина консолидированного слоя определялась двумя методами: по взятым кернам и по температурным измерениям. К сожалению, температурный метод определения толщины консолидированного слоя из-за своей сложности не может быть применен для массового обследования торосистых образований, хотя и является одним из наиболее достоверных [Шаталина И.Н. (ВНИИ гидротехники), устное сообщение, 1999]. Моделирование и экспериментальные исследования нарастания толщины консолидированного слоя рассмотрены в работах [Surkov, 1997; Surkov, 2001].
В работе [Beketsky and Truskov, 1995] приведен принцип, по которому определяются границы консолидированного слоя при исследовании торосов с помощью бурения. Этот слой включает в себя первый сплошной блок льда ниже уровня воды без больших пустот. К сожалению, авторы не конкретизировали понятие «большие», по-видимому, имеются в виду не пустоты между блоками льда, а каверны и микропоры внутри блоков льда.
В исследованиях [Geisel, 1983] нижняя граница консолидированного слоя определялась как глубина ниже уровня моря, на которой в скважине при бурении тороса появлялась морская вода, т.е. на горизонте, где существует сообщение с морем. Это же явление используется при определении нижней границы консолидированного слоя в патенте [Морев и др., 2000].
Косвенный метод оценки толщины консолидированного слоя основывается на предположении того, что толщина консолидированного слоя тороса не превышает значения, измеренного в тех точках тороса, где наблюдается минимальное (5-20 см) превышение льда над уровнем воды [Тышко К.П. (ЛЛНИИ), устное сообщение, 2004].
В настоящее время не существует общепризнанной формализованной методики выделения консолидированного слоя льда торосов и стамух, поэтому эта задача решается путем экспертной оценки [Mironov et ah, 1999; Mironov et al., 2003; Миронов и др., 2003; Клячкин СВ. (АЛНИИ), устное сообщение, 2003]. В этих работах оценка границ консолидированного слоя по скорости теплового бурения осуществляется в соответствии со следующими принципами: - Консолидированный слой не должен содержать пустот раЗхмером более, чем разрешающая способность буровой коронки термобура. - Консолидированный слой не должен содержать толстых слоев «мягкого» льда, т.е. участков льда с повышенной скоростью бурения. Это связано с тем, что, как показывают результаты кернового бурения, «мягкий» лед представляет собой пористый лед с большим количеством сравнительно крупных микрополостей -трещин, каверн, солевых каналов, воздушных пузырьков и т.д. - Консолидированный слой не должен содержать слоев «мягкого» льда выше уровня воды. Это объясняется тем, что выше уровня воды под «мягким» льдом зачастую понимается уплотненный снег. - Как правило, не должно быть резких (несколько метров) перепадов положения границ консолидированного слоя между соседними точками бурения.
Интересная, хотя возможно и спорная, мысль высказана в работе [Астафьев и др., 1997]. Так как толщина консолидированного слоя носит ярко выраженный вероятностный характер, то и рассматриваться она должна только с позиции теории вероятностей. Возможно, такая категоричность не совсем оправдана.
Такая обобщенная характеристика торосистых образований, как коэффициент заполнения, не позволяет судить о необходимых подробностях их внутреннего строения [Surkov, 2000]. К примеру, торосистые образования при одинаковом коэффициенте заполнения могут быть сложены как из блоков льда с относительно большими размерами, так и с относительно малыми. Известно, что сцепление и угол внутреннего трения обломков льда в торосе существенно зависят от размеров обломков льда. Сурков Г. А. предлагает определять следующие вероятностные характеристики: - 1(см) - расстояние от верха участка плотного льда до верха следующего участка плотного льда; - п(см) - толщина участка плотного льда; - Цсм"1) - плотность расстояния на единицу длины скважины (определялась делением суммарного количества участков плотного льда по всем скважинам на суммарную длину всех скважин). Однако можно предположить, что значение h дает среднюю толщину блоков льда, составляющих торосы, а отношение h/I есть величина, близкая к коэффициенту заполнения тороса плотным льдом. Величина X показывает, сколько кусков плотного льда приходится в среднем на единицу длины скважины.
Завершая обзор публикаций по теме исследования торосов и стамух с помощью термобурения, необходимо отметить остающиеся нерешенными следующие проблемы: - реальная конфигурация пустот в теле тороса или стамухи; - визуальное, субъективное определение характеристик льда по скорости термобурения; - регистрация скорости бурения и соответствие ее пористости льда; - определение границ консолидированного слоя.
Решение этих проблем будет существенным моментом развития знаний о внутреннем строении этих ледяных образований, но приведет, в свою очередь, к возникновению других проблем.
Экспериментальные исследования связи прочности льда с его текстурными особенностями и скоростью термобурения
Во время ледоисследовательских работ в 2004 г. в Обской губе на полигоне ровного льда было выполнено электротепловое бурение льда в местах взятия кернов. Подаваемая на термобур электрическая мощность была постоянна в течение всего бурения. Всего рядом с кернами были сделаны 39 записей скорости бурения и сопоставлены с описанием кернов. Каждая запись скорости бурения разбивалась на участки, соответствующие согласно описанию керна льдам с различными текстурными характеристиками. К таким характеристикам были отнесены прозрачность, наличие сферических и столбчатых воздушных включений разного размера, скоплений воздушных включений, органических и минеральных включений. Скорость термобура на каждом участке усреднялась.
Зависимости скорости бурения от текстурных характеристик носят качественный характер. Имеется небольшая положительная корреляция скорости бурения и размеров сферических включений. Средняя скорость бурения рыхлого и неплотного льда примерно одинаковы, несколько ниже средняя скорость бурения участков сморози плотного и рыхлого льда, и еще ниже средняя скорость бурения плотного льда. Выделяется из этой картины скорость бурения льда, разрушающегося на кристаллы, которая в среднем ниже, чем скорость бурения плотного льда. Возможно, этот результат связан с относительно небольшим количеством данных по такому льду (семь отмеченных участков). Зависимость средней скорости бурения от прозрачности льда иллюстрирует рисунок 2.4.1,
На полигоне сотрудниками лаборатории физики льда ААНИИ проводились исследования прочности льда с помощью зонд-индентора. В керновую скважину опускался зонд-иидентор, и выполнялось два опыта в верхней и средней части скважины. Для каждого опыта на соответствующей записи скорости был выделен участок на шкале глубин, на котором происходило внедрение зонд-индентора в лед, и рассчитана средняя скорость электротеромобура на этом участке. Диаграмма,
Зависимость средней скорости электротермобурения от прозрачности льда связывающая среднюю скорость бурения на участке с соответствующим значением локальной прочности льда, приведена на рис. 2.4.2.
Область, занимаемая экспериментальными точками, отмечена на диаграмме пунктирной линией. Значения напряжения во льду, соответствующие опытам в средней части скважины, наблюдаются по всему диапазону скоростей бурения и сосредоточены в верхней части треугольника. Значения напряжения во льду, соответствующие опытам в верхней части скважины (на горизонте 40 см от верней поверхности ледяного покрова), концентрируются ближе к центру диапазона скоростей бурения и сосредоточены, в основном, в нижней части треугольника. Среднее и максимальное значения напряжения во льду (в точках термобурения) на горизонте 40 см 14,9 и 20 МПа, а в средней части скважины - соответственно 18,7 и 25,6 МПа. Таким образом, лед в средней части в целом более прочный, чем в верхней. Сходная тенденция наблюдается и по отношению к скорости бурения и со среднестатистическим объемным содержанием твердой фазы льда (см. п. 3.4). Средняя скорость бурения и средняя микропористость уменьшаются с глубиной. ЗО г
При высоких скоростях бурения можно однозначно делать вывод, что прочность проходимого термобуром льда невысока. При небольших и средних скоростях бурения однозначного вывода о прочности льда сделать нельзя, по крайней мере, это касается электротерм о бурения.
Скорость водяного бурения более чувствительна к пористости льда, и особенно к наличию рыхлого льда, чем скорость электротермобурения. Относительные изменения скорости на участке, где воздушные включения носят замкнутый характер, примерно одинаковы для обоих видов бурения. На участке рыхлого и разрушающегося льда, где поры сообщаются друг с другом и с окружающей средой, относительные изменения скорости водяного бурения значительнее, чем при электротермобурении.
Анализ внутреннего строения ровного льда показал, что для качественной оценки изменчивости прочности льда и определения текстуры льда по данным термобурения более предпочтительным является водяное бурение. 2.5 Технология термобурения с записью параметров на компьютер
В зависимости от размеров и формы ледяного образования перпендикулярно его гребню прокладываются 2- -7 линий, вдоль которых бурятся скважины с интервалом 2,5 - 10 метров. Весь процесс бурения можно условно разделить на три этапа: подготовка, бурение, завершающие операции.
При электротермобурении подготовка включает в себя транспортировку генератора и оборудования к месту бурения, подключение пульта управления к генератору, подключение теплоизолированного измерительного бокса и термобура к пульту, запуск генератора. Подготовка установки для водяного бурения включает в себя выбор места базирования водоподогревателя, с учетом близости места для забора воды (трещины, скважины, открытой воды, края льдины и т. д.), транспортировку генератора и оборудования к месту бурения. Электростанция устанавливается на ровное место с подветренной стороны от водоподогревателя. Установка питающим проводом подключается к электростанции. Также подготовка включает в себя подключение измерительного бокса к пульту и термобура к измерительному боксу, разматывание всех проводов, кабелей и шлангов на длину, достаточную для перемещения измерительного бокса к самой удаленной точке бурения, соединение и подключение всех необходимых разъемов, запуск генератора, запуск водоподогревателя. Вся система прокачивается подогретой водой, заменяя подкрашенный антифриз, который сливается в бак. На эти операции затрачивается не более 30 минут.
Затем включается питание компьютера. Синхронизируются часы компьютера и операторов бурового поста.
Кран подачи воды к водяному термобуру перекрывается только на момент установки термобура на забой в течение 1 -2 сек. Остальное время кран открыт. Термобуром выплавляется лунка для установки в нее штыка измерительного бокса. Измерительный бокс устанавливается на место бурения так, чтобы было удобно работать с ним и с кабелем или шлангом термобура. При водяном бурении отводящий сливной шланг укладывается таким образом, чтобы при перекрытии бурового шланга исключить попадание горячей воды на операторов бурения.
Запускается программа, управляющая поступлением данных с блока электроники в компьютер. Светодиодный индикатор поступления данных, находящийся в измерительном боксе, должен постоянно светиться синим цветом. Красный цвет индикатора сигнализирует о нарушении подключения разъема кабеля к компьютеру от блока электроники.
Термобур устанавливается на забой. При водяном бурении предварительно перекрывается кран бурового шланга.
Нажатием кнопки «ПУСК» на блоке электроники включается запись. Появление значка V. на экране компьютера показывает, что данные поступают на компьютер.
Водяное бурение начинается с поворота крана в исходное положение, при электротермобурении электрическая мощность подается на термобур переключателем на пульте управления. Светодиодный индикатор, мигающий со скоростью поступления данных, но не реже I раза в секунду, указывает, что данные от блока электроники поступают в компьютер
Методика определения границ консолидированного слоя
На графике заметно выделяется консолидированный слой, особенно четко выражена его верхняя граница, превышающая уровень воды на 3 см. Лед киля имеет четко выраженную тенденцию к увеличению средней пористости с глубиной. Интересно отметить, что сходное распределение пористости льда по глубине было получено в 2002 г путем непосредственных измерений [Bonnemaire at al, 2003]. Распределение, полученное таким способом, дает представление об объемном содержании твердой фазы льда на глубинах, превышающих средние значения паруса и киля. Однако определенные по нему границы консолидированного слоя будут недостоверны, поскольку, как уже упоминалось, количество усредняемых распределений на разных глубинах различно.
Определение консолидированного слоя будет валидным по распределению, представленному на рис. 3.4.1(6). Это распределение получено путем усреднения распределений во всех точках бурения, причем на каждой глубине усредняются все значения объемного содержания твердой фазы льда, соответствующие этой глубине, а в тех точках, где рассматриваемая глубина выходит за пределы паруса или киля, объемное содержание принимается равным нулю.
С учетом выбранного критерия выделения пустот запись скорости бурения в каждой точке можно представить в виде ступенчатой кривой, где пустотам будет соответствовать 0, а льду — 1. Усреднив эти кривые по всем скважинам, можно получить оценку распределения вероятности нахождения льда по глубине для района проведения исследований. График оценки распределения вероятности приведен на рис. 3.4.1(B).
По представленным распределениям можно оценить среднюю толщину консолидированного слоя. Введя соответствующий нормировочный коэффициент, кривую рис. 3.4.1(6) можно трактовать как оценку распределения вероятности нахождения плотного льда по глубине. Разница вероятности нахождения льда на данной глубине и вероятности нахождения плотного льда дает вероятность нахождения рыхлого льда. Распределение этой вероятности представлено на рис.
Для оценки объемного содержания воздуха в киле среднестатистического тороса по распределению твердой фазы льда необходимо нормировать значения объемного содержания твердой фазы таким образом, чтобы максимальное значение сглаженного объемного содержания твердой фазы льда в районе расположения консолидированного слоя было равно 1. Тогда интеграл от объемного содержания твердой фазы льда по глубине в пределах от 0 до максимального значения паруса, умноженный на плотность монокристалла льда, даст массу льда паруса на 1 м2 площади среднестатистического тороса. Соответственно, интеграл от объемного содержания твердой фазы льда по глубине в пределах от максимального значения
Фрагмент распределения вероятности наличия рыхлого льда по глубине (по данным электротермобурения торосов Печорского моря в 1999 году). киля до 0, умноженный на плотность монокристалла, даст массу льда киля на 1 м площади среднестатистического тороса. Из условия гидростатического равновесия можно вывести соотношение между массой паруса, массой киля, массой снега и объемным содержанием воздушной фазы киля тороса. Это соотношение будет иметь вид: где р — плотность монокристалла льда, Н„ — величина паруса, /— объемное содержание твердой фазы льда, /-глубина, Нк-величина киля, рж — плотность воды, s - объемное содержание рассола, Нсн - средняя толщина снега, рсн - средняя плотность снега, «-среднее значение объемного содержания воздуха. По этому соотношению можно оценить значение объемного содержания воздуха в киле среднестатистического тороса.
При термобурении торосистых образований по соотношению участков льда и пустот могут быть определены обобщенные характеристики, такие как пустотелость, заполнение и т. д. Во избежание путаницы с этими характеристиками, полученными из соотношения объемов пустот и льда, в работе [Астафьев и др., 1997] вводятся линейные обобщенные характеристики. Линейный коэффициент заполнения определяется как отношение общей длины участков льда к общей длине скважин во льду. В дальнейшем под коэффициентом заполнением тороса или стамухи будет пониматься линейный коэффициент заполнения.
Усреднив ступенчатые кривые, где пустотам соответствует 0, а льду — 1, по тем скважинам, парус и киль которых не превышают рассматриваемый горизонт, можно получить распределение коэффициента заполнения среднестатистического тороса для района проведения исследований. Чтобы получить коэффициент заполнения на некотором участке глубин, достаточно вычислить среднее значение коэффициента заполнения на выбранном участке. Полученное распределение коэффициента заполнения для торосов Печорского моря весны 1999 г. представлено нарис. 3.4.3. - коэффициент заполнения; 2 - количество усредняемых распределений.
Как видно из формулы (2.4), коэффициент пропорциональности между величиной, обратной скорости бурения, и значением объемного содержания твердой фазы льда не зависит от самой величины объемного содержания твердой фазы. Теоретически к.п.д. коронки К и температура расплава tx могут зависеть от величины объемного содержания твердой фазы льда, однако расчеты показали, что это влияние незначительно.
Торосы Печорского моря
В период с 2001 по 2005 гг. ААНИИ проводил исследования торосов и стамух Каспийского моря. Также в 2001 г. в Северном Каспии проводились исследования торосов и стамух компанией K.R. Crosdale & Assotiates Ltd [Barker arid Crosdale, 2003].
Мелководность и сложный рельеф дна с большим количеством банок, кос и островов обусловливают особенности торошения льдов в северной части Каспийского моря [Бухарицын, 1984].
В зимний сезон 2000/2001 гг. в северной части Каспийского моря температура воздуха с декабря по февраль была значительно выше нормы (на 4-6 С), что во многом обусловило аномально мягкую зиму и аномально легкие ледовые условия над рассматриваемой акваторией Каспийского моря [Отчет, 2001]. Ледовые условия в сезоне 2001/2002 гг. можно охарактеризовать как близкие к среднем но гол етним с тенденцией к более легким условиям [Отчет, 2002]. В сезоне 2002/2003 гг. ледовые условия близкие к среднемноголетним, с тенденцией к более тяжёлым условиям [Отчет, 2003]. Ледовые условия в сезоне 2003-2004 гг. в северной части Каспийского моря можно охарактеризовать как лёгкие [Отчет, 2004]. Ледовые условия в сезоне 2004-2005 гг. близкие к среднемноголетним [Отчет, 2005]. Таким образом, можно проследить, как менялось внутреннее строение торосов и стамух за пять лет исследований в зависимости от ледовых условий, от аномально легких до среди ем но гол етн их с тенденцией к более тяжёлым условиям.
Обобщенные данные по морфометрии стамух и по их внутреннему строению Характерной особенностью исследованных стамух было отсутствие в них сплошного консолидированного слоя льда [Отчет, 2001; Отчет, 2002; Отчет, 2003; Отчет, 2004]. Консолидированный слой представлял собой отдельные линзы различных размеров.
Толщина консолидированного слоя зависит от коэффициента заполнения стамухи [Beketsky and Truskov, 1995], который, в свою очередь, зависит от механизма ее формирования. Коэффициент корреляции среднего за сезон коэффициента заполнения стамух и средней толщины консолидированного слоя стамух за сезон для Каспийского моря составляет 0,8. Консолидированный слой в среднем располагался в районе уровня воды, где происходило смерзание ледяных блоков, и представлял собой сморозь ледяных блоков, а не отдельные плотно прижатые ледяные блоки [Отчет, 2001; Отчет, 2002; Отчет, 2003; Отчет, 2004].
Среднее отношение толщины КС к общей толщине стамухи имеет наибольшее значение 0,2 при аномально легких ледовых условиях, и наименьшее - 0,06 - при близких к средиемноголетним с тенденцией к более тяжёлым.
Коэффициент заполнения парусов стамух в среднем равен коэффициенту заполнения килей. Возможно, это связано с тем, что киль стамухи уплотняется под собственной тяжестью из-за нарушения изостатического равновесия.
В 2003 г. среднее содержание плотного льда в стамухах в целом составляло 22 %. В 2004 г. в парусах стамух содержится заметно больше плотного льда, чем в килях (46 % и 33 % соответственно).
Обобщенные данные по люрфометрии торосов и их внутреннему строению В 2003 г. были исследованы пять гряд торосов, а в 2005 - четыре. Всего на торосах было пробурено 246 скважин с записью параметров бурения (185 в 2003-м и 61 в 2005 г.). В 2003 г. на 134 записях по расположению участков плотного, рыхлого льда и пустот были определены границы расположения консолидированного слоя. Остальные записи показали отсутствие консолидированного слоя. В 2005 г. консолидированный слой был отмечен на 44 записях, остальные были идентифицированы как бурение ровного льда. Определение границ консолидированного слоя по изменению давления воды над коронкой проводилось преимущественно в сезоне 2003 г. и показало существенно большие значения его толщины, чем определение границ по расположению участков плотного, рыхлого льда и пустот (средние значения соответственно 47 и 31 см). По-видимому, это связано с тем, что определение границ консолидированного слоя по изменению давления воды над коронкой ограничено случаями расположения верхней его границы выше уровня моря. Таким образом, в этих случаях определяется более толстый консолидированный слой, что и дает вклад в среднее значение.
На рисунке 4.3.1 представлено распределение объемного содержания твердой фазы льда по глубине (см. п. 3.4) для термобуровых данных 2003 г. (а) и 2005 г. (б) и (в). Отличие значений объемного содержания твердой фазы льда для водяного и электротермобурения обусловлено различным коэффициентом обратной пропорциональности скорости бурения и объемным содержанием твердой фазы льда. На графике заметно выделяется консолидированный слой. По виду кривой 1 рис. 4.3.1(a) можно сделать заключение, что верхняя граница консолидированного слоя находится на горизонте 25 ... -5 см со средним значением 11 см. Нижняя его граница находится на горизонте -5 ... -35 см со средним значением -17 см. Эти значения близки к средним границам консолидированного слоя, определенным по расположению участков плотного, рыхлого льда и пустот (11 и —20 см). Суммируя оценки толщины консолидированного слоя, выполненные всеми приведенными способами, можно заключить, что истинное среднее значение толщины консолидированного слоя равняется 35 см. Стандартное отклонение средней толщины КС равняется 18 см.
Среднее значение толщины консолидированного слоя торосов по термобуровым данным 2005 г. составило 55 см со стандартным отклонением 25 см. По девяти выбуренным кернам толщина максимального участка плотного льда в среднем составила 76 см. Но в некоторых случаях этот максимальный участок находился в киле» но не являлся консолидированным слоем. Отношение средней толщины консолидированного слоя к средней толщине ровного льда в 2003 г. было 1,5, в 2005 г. - 1,4. Отношение средней толщины КС к средней толщине ледяных блоков, слагающих гряды торосов, в 2003 г. равнялось 1,3, в 2005 г. - 5,5. Таким образом, торосы 2005 г. образовались из более тонкого льда, и более длительное время подвергались воздействию низких температур, о чем говорит тот факт, что средняя толщина ровного льда в 2005 г. была более чем в полтора раза выше, чем в 2003 г. Корреляция между толщиной КС тороса и общей толщиной отсутствует
