Особенности использования буровых машин в условиях Арктики
Арктика представляет собой уникальный регион, требующий особого подхода к строительству в целом и к проведению буровых работ в частности.
Вызовы современности, которые брошены нашей стране, требуют инновационных решений в области экономики, инфраструктуры и безопасности в Арктическом регионе.
Одной из проблем, с которой сегодня столкнулись жители Арктики – это глобальное потепление. Никто другой на планете не ощутил на себе изменения климата, как арктический регион. За последние 50 лет, средняя температура заполярья поднялась на 4 градуса, что ощутимо сказалось на таянье вечномерзлых грунтов. От этих изменений неизбежно страдает инфраструктура, коммуникации и жилой фонд, так как их строили в период, когда о глобальном потеплении никто и не слышал.
С 12 по 13 декабря 2024 года в г. Санкт-Петербурге состоялся 14-й Арктический форум на котором с докладом о проблемах использования буровых машин в условиях Арктики выступил соучредитель проекта ТМПЗ Механика – Олег Погорелов. Олег Станиславович, как постоянный член Комитета г. Санкт-Петербурга по делам Арктики, посвятил 20 лет своей жизни изучению вопроса применения буровых технологий в условиях Арктики и адаптации буровых машин Casagrande к условиям работы в условиях вечной мерзлоты.
Главная проблема Арктики сегодня – это нестабильные грунты
Климат в Заполярье меняется быстрее, чем в других регионах России. Повышение температуры в Арктической зоне РФ опережает среднемировые показатели в 3,7 раза. За последние 30 лет температура здесь выросла на 4 градуса. С 1990 по 1999 год число зданий в Норильске, получивших различного рода повреждения из-за неравномерных просадок фундаментов, увеличилось по сравнению с предшествующим десятилетием почти в 2 раза.
Существует опасность, что некоторые здания придут в аварийное состояние на десятки лет раньше ожидаемого времени, поэтому требуется их срочная реконструкция. На помощь службам ЖКХ приходят научные разработки и передовые технологии.
Все современные города в Арктике, возведённые на «вечной мерзлоте», строились в те времена, когда проблема изменения климата в Заполярье не была актуальной. Обычно фундамент здания устанавливали на глубине не менее метра в многолетней мерзлоте. Сваи первого этажа располагались над землёй, а боковые стороны фундамента засыпались грунтом, который не увеличивается в объёме при промерзании. Таким образом, между зданием и вечной мерзлотой создавалась воздушная прослойка, предотвращающая теплообмен. В прошлом эта технология обеспечивала самостоятельное укрепление: грунт под зданием ещё больше промерзал, плотнее обхватывая сваи. Архитекторы того времени считали, что этого достаточно для долгой эксплуатации зданий — они не могли предвидеть, что среднегодовая температура к нашему времени увеличится на 3,6 °С. Решением текущей проблемы в краткосрочной перспективе может являться термостабилизация грунта у аварийных домов.
В 2019 году в районе Талнах г. Норильска ученые провели обследование под двумя девятиэтажками и обнаружили, что на глубине 30 метров под зданиями – плюсовая температура. Это было чрезвычайно неприятным открытием, требовавшим быстрого решения. И оно было найдено! Технология термостабилизации грунта представляет собой систему трубопроводов вокруг свай фундамента здания. По ним циркулирует охлаждающий агент, замораживающий грунт обратно, что возвращает его несущие характеристики. Конечно, не всегда приходится бурить сверхглубокие скважины, но в среднем, трубы закладывают на глубину 12-18 метров.
Современные вызовы предлагают по-иному взглянуть на проблемы обустройства фундаментов в Арктической зоне.
Экстремальные климатические условия
Одним из основных вызовов при использовании буровых машин в Арктике являются экстремальные климатические условия. Низкие температуры, сильные ветры, снежные бури и ледяные торосы существенно затрудняют работу оборудования и персонала. Решением данных проблем является повышение способности запуска при низких температурах, морозостойкость и эффективность непрерывной работы буровой установки в экстремальных условиях. В то же время план технического совершенствования арктических условий также стал предметом обсуждения, включая принятие более холодостойкой гидравлической системы, усиление сопротивления материала буровой штанги и оптимизацию структурной конструкции буровой установки для адаптации к особой геологии и климату Арктики. Предстоит решить непростые задачи по адаптации пластиков, резины, смазочных и д ругих материалов российского производства к работе в экстремальных климатических условиях.
Сложные геологические условия
Российский регион Баренцева моря характеризуется довольно разнообразными климатическими, инженерно-геологическими и геокриологическими условиями. Частично его территория находится в криолитозоне, в зоне распространения многолетнемерзлых пород (ММП), а частично в зоне распространения сезонномерзлых пород (СМП). Это обуславливает определенную специфику влияния климатических изменений на бетонные и грунтовые основания объектов транспортной инфраструктуры и линейных инженерных сооружений, в частности дорожного полотна. Эта специфика отражается в характере наблюдаемых процессов и явлений, механизмах их реализации и интенсивности протекания, а также конструктивных особенностях проектных решений. Для оценки свойств пород используется достаточно большое количество разнообразных полевых и лабораторных методов опробования, а для прогноза динамики процессов большой спектр используемых методик расчета и программного продукта для ЭВМ.
Накопленный опыт работ в таких условиях лежит в основе действующей нормативной документации стран региона, регламентирующей как проектирование и строительство, так и эксплуатацию объектов транспортной инфраструктуры. При этом важной является оценка соответствия нормативов разных стран при решении аналогичных задач, а также, уровня отражения наблюдаемых изменений климата и возможности смягчения последствий происходящих процессов.
Геологические условия в Арктике представляют собой серьёзный вызов для буровых работ. Мёрзлые грунты, вечная мерзлота и наличие ледниковых отложений требуют применения специальных технологий и методов бурения. Например, использование буровых машин с высокой мощностью и специальными буровыми инструментами позволяет эффективно преодолевать сложные геологические препятствия. При проектировании бурового инструмента наши инженеры столкнулись с непростой задачей. Как сделать инструмент, способный эффективно работать в экстремальных условиях без существенного удорожания? В решении этой задачи нам помогли итальянцы из Casagrande и металлурги из Северстали. Первые имеют огромный опыт применения буровых машин в Австрийских, Швейцарских и Итальянских Альпах, где условия не самые благоприятные, а вторые имеют мировое лидерство в производстве качественного проката. Инженеры ТМПЗ Механика подобрали соответствующие сплавы, которые способны работать при экстремально низких температурах, при этом обладают высокой износостойкостью и прочностью.
Экологические ограничения
Работа в Арктическом регионе требует строгого соблюдения экологических норм и стандартов. Буровые компании должны минимизировать воздействие на окружающую среду, используя экологически чистые технологии и методы утилизации отходов. Это включает в себя применение систем очистки сточных вод, сбор и переработку отходов бурения и использование экологически безопасных материалов.
На форуме также обсуждался большой потенциал и проблемы развития арктических ресурсов. Производство адаптированной буровой установки предоставляет новые технические решения для строительства арктических проектов, особенно в области строительства инфраструктуры, разведки ресурсов и развития энергетики. По мере растущего внимания международного сообщества к Арктике, ожидается, что это эффективное и надежное оборудование будет играть важную роль в будущем развитии Арктики.
Недавно прошедшие выставки Bauma China 2024 и The BIG5 Global Dubai 2024 показывают, что мир производителей буровых машин движется в сторону гибридных силовых установок.
Для успешного проведения буровых работ в условиях Арктики необходимы технологические инновации. Разработка новых буровых машин, способных работать в экстремальных климатических условиях, внедрение систем дистанционного управления и мониторинга.