Растепление многолетнемёрзлых грунтов: как учёные решают вопрос безопасной эксплуатации инфраструктуры
Арктика — земля непокорённая, осваивать которую представители нефтегазовой отрасли начали очень и очень давно. Далеко не все месторождения ещё изучены, в частности, пока мало исследованы структура и залегание нефти и газа в ряде нефтегазоносных провинций. Так, к концу 2020 года в российской Арктике было открыто порядка 360 месторождений углеводородов.
Освоение криолитозоны России требует особого подхода к размещению строений и инфраструктуры. В начале 2025 года Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ утвердило ряд изменений в правилах проектирования оснований фундаментов зданий и сооружений, в том числе подземных, возводимых на территории распространения многолетнемёрзлых грунтов.
В основу данных изменений легли итоги шести прикладных научных исследований, которые состоялись в 2022 и 2023 годах. Так, в новых правилах уточняются связанные с проектированием свайных фундаментов положения. Документом также вносится ряд изменений для учёта механических свойств грунта после промерзания и дальнейшего оттаивания.
Что данные изменения несут нефтегазовой отрасли и как в научном сообществе решается вопрос безопасной эксплуатации инфраструктуры в непростых климатических условиях? С «Нефтегазовой промышленностью» поделился комментарием Никита Шапошников, исполнительный директор научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета, советник ректора Тюменского индустриального университета, а также кандидат технических наук и доцент.
«Многолетняя мерзлота покрывает более 65% территории России. Кроме того, более 70% углеводородов локализовано в арктической зоне. Сохранение вечномёрзлых грунтов необходимо для надёжной эксплуатации существующей инфраструктуры: зданий, дорог, больниц, аэропортов и инженерных сооружений в районах Крайнего Севера».
Эксперт отмечает, что порядка 20% осложнений при строительстве и эксплуатации различных объектов на территории многолетнемёрзлых грунтов происходят в связи с с деформацией, которая возникает из-за растепления. В числе главных задач при освоении подобных территорий остаётся создание инновационных цифровых инструментов по предиктивной аналитике, способных прогнозировать кинетику растепления и обеспечивать надёжную и безопасную работу инфраструктуры в криолитозоне.
Г-н Шапошников отмечает, что специалисты Научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» Передовой Инженерной Школы СПбПУ смогли сформировать первое в России профессиональное экспертное сообщество, задача которого состоит в том, чтобы формализовать ключевые технологические вызовы нефтегазовых компаний, работающих в Арктике на многолетнемёрзлых грунтах. Одним из результатов работы данного сообщества стала конференция «Нефтегазовая инфраструктура на многолетнемёрзлых грунтах», объединившая всё экспертное сообщество страны в рамках одной площадки.
Исполнительный директор научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» отмечает, что в связи с непростой физикой процесса растепления вопрос надёжной и безопасной эксплуатации инфраструктурных объектов на территории многолетнемёрзлых грунтов является серьёзной проблемой для российской нефтегазовой промышленности. Впрочем, также он стал и серьёзным вызовом для самих учёных.
«Именно поэтому Передовая инженерная школа СПбПУ стала площадкой, объединившей ключевых представителей науки и промышленности по вопросам технологий обустройства в криолитозоне, а также специалисты НТК «Новые технологии и материалы» Петербургского Политеха реализуют широкую программу исследований и разработок по этому направлению».
Также специалисты комплекса «Новые технологии и материалы» занимаются разработкой решения по применению полимерных композиционных материалов при обустройстве месторождений. Они взяли на себя задачу по подготовке и обучению высококвалифицированных специалистов по решению инженерных задач в условиях вечной мерзлоты.
В списке основных задач научного сообщества также нашлось место созданию сложных мультифизических математических моделей объектов и процессов в нефтегазовой отрасли. Разработки специалистов уже сегодня активно применяются рядом крупных компаний-представителей энергетического сектора РФ. В частности, их используют при разработке, обустройстве и эксплуатации объектов соответствующей инфраструктуры в Арктической зоне.
Например, в рамках выполнения госзадания на научные исследования и разработки в прошлом году специалисты НТК «Новые технологии и материалы» Передовой Инженерной Школы СПбПУ совместно с представителями нефтегазовых компаний обосновали необходимые требования к свойствам сварного соединения свайных опор, которые являются основным элементом в малонагруженных фундаментах на многолетнемёрзлых грунтах.
В результате ими были получены опытные образцы трубных свай из различных сталей, а также из полимерных композиционных материалов.
«В итоге, по результатам серии лабораторных испытаний, расчётов и полигонных испытаний на площадке Якутского научного центра, были определены пределы работоспособности рассматриваемых решений».
На сегодняшний день, поясняет эксперт, итоги данных работ стали «основной» процесса развития нормативно-технологической документации в соответствии с приоритетами, которые обозначил Министрой России. В то же время команда НТК «Новые технологии и материалы» Передовой Инженерной Школы СПбПУ и Центра технологических инициатив Тюменского индустриального университета разработала и представила комплекс цифровых моделей, которые описывают техническое состояние различных объектов, располагающихся на многолетнемёрзлых грунтах.
В настоящее время одно из перспективных областей для учёных и инженеров стала разработка специализированных цифровых инструментов, позволяющих представителям нефтегазовых компаний понимать, какие сценарии могут возникнуть при эксплуатации инфраструктурных объектов, также какие технические решения стоит своевременно внедрить на месторождении, чтобы обеспечить безопасность как для окружающей среды, так и для самого персонала.
Эксперт рассказал, что Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) и Тюменский индустриальный университет (ТИУ) подписали соглашение о сотрудничестве в образовательной и научной сферах в рамках федпроекта «Передовые инженерные школы»:
«Специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета осуществляют испытания различных материалов инфраструктуры и разработку математических моделей объектов и процессов на многолетнемёрзлых грунтах, а специалисты Тюменского индустриального университета, располагая одной из наиболее крупных и современных лабораторий по грунтам на многолетнемёрзлых грунтах, определяют влияние различных факторов на кинетику растепления и строят соответствующие модели. Всё это в тесном контакте с производителями материалов и оборудования, проектировщиками, строителями и эксплуатирующими компаниями, позволит создать надёжные инженерные инструменты, которыми будут пользоваться различные представители отрасли».
Однако на этом научные изыскания российских исследователей не заканчиваются. В частности, над проблемой эксплуатации объектов в непростых условиях Арктики активно работают в Дальневосточном федеральном университете. Учёные с Дальнего Востока занимаются разработкой интеллектуальных продуктов для предиктивной аналитики развития природных процессов — тайфунов, ледоходов и т.д. В настоящее время разработанные ими алгоритмы интегрируются для моделирования распространения зоны многолетнемёрзлых грунтов и определения кинетики её деградации с применением инструментария ДДЗ — Дистанционного зондирования Земли.
