2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University UZQOVK pmi-15946 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15946 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Modeling the efficiency of seasonal cooling devices when changing the statistical distribution of weather conditions Моделирование эффективности работы сезоннодействующих охлаждающих устройств при изменении статистического распределения погодных условий Ermilov Oleg M. Ермилов О. М. Ermilov Oleg M. ned.flander@mail.ru ООО «Газпром добыча Надым» (Надым, Россия) OOO Gazprom Dobycha Nadym, Nadym (Nadym, Russia) Dzhalyabov Anton A. Джалябов А. А. Dzhalyabov Anton A. ned.flander@mail.ru 0000-0002-4269-5555 ООО «Газпром добыча Ноябрьск» (Ноябрьск, Россия) OOO Gazprom Dobycha Noyabrsk (Noyabrsk, Russia) Vasilev Gennadii G. Васильев Г. Г. Vasilev Gennadii G. ned.flander@mail.ru 0000-0002-9503-7337 РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина (Москва, Россия) Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia) Leonovich Igor A. Леонович И. А. Leonovich Igor A. ned.flander@mail.ru 0000-0001-9054-1537 РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина (Москва, Россия) Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia) 06 12 2023 2024 266 272 282 05 09 2022 20 09 2023 25 04 2024 © 2023 О. М. Ермилов, А. А. Джалябов, Г. Г. Васильев, И. А. Леонович © 2023 Oleg M. Ermilov, Anton A. Dzhalyabov, Gennadii G. Vasilev, Igor A. Leonovich 2023 О. М. Ермилов, А. А. Джалябов, Г. Г. Васильев, И. А. Леонович Oleg M. Ermilov, Anton A. Dzhalyabov, Gennadii G. Vasilev, Igor A. Leonovich Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15946

Климатический фактор потепления, о котором свидетельствует значительное число ученых и исследовательских коллективов в России и мире, оказывает существенное влияние на мерзлотное состояние многолетнемерзлого грунта, сохранение которого – один из наиболее распространенных принципов строительства на Севере. Рассматривается влияние прогнозных климатических изменений при планировании до 2050 г. на эффективность работы сезоннодействующих охлаждающих устройств, принцип работы которых построен на сезонном промораживании грунта. Проведенное моделирование показало, что в ситуации стабильного климата сохранение мерзлотного состояния многолетнемерзлого грунта реализуется без применения дополнительных мер. При потеплении с трендом 0,1 °С в год сезоннодействующие охлаждающие устройства не обеспечивают сохранение текущего уровня мерзлотного состояния грунта и требуются дополнительные меры, которые позволили бы повысить их эффективность работы в летний период. В случае более экстремального потепления с темпом 0,25 °С в год результаты моделирования показывают, что сезоннодействующие охлаждающие устройства не оказывают значительного влияния на темпы растепления грунта и решением проблемы должна стать их полная замена на системы с круглогодичным действием.

The climatic factor of warming, which is evidenced by a significant number of scientists and research teams in Russia and the world, has a significant impact on the cryogenic state of permafrost soil, the preservation of which is one of the most common principles of construction in the North. The influence of projected climatic changes in planning up to 2050 on the efficiency of seasonal cooling devices, the principle of operation of which is based on seasonal soil freezing, is considered. The conducted modeling has shown that in a situation of stable climate, the preservation of the cryogenic state of permafrost soil is realized without the use of additional measures. With warming with a trend of 0.1 °C per year, seasonal cooling devices do not ensure the preservation of the current level of the cryogenic state of the soil and additional measures are required to increase their efficiency in the summer. In the case of more extreme warming with a rate of 0.25 °C per year, the modeling results show that seasonal cooling devices do not significantly affect the rate of soil thawing and the solution to the problem should be its complete replacement with systems with year-round action.

 Ключевые слова многолетнемерзлый грунт термосифон сезоннодействующее охлаждающее устройство потепление климат повышение эффективности Keywords permafrost thermosiphon seasonal cooling device warming climate efficiency improvement Bondar K.M., Minaev V.А., Faddeev A.О. Cost Estimate for Exploration of Oil and Gas Fields in the Arctic Zone // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1079. № 062069. DOI: 10.1088/1757-899X/1079/6/062069 Bondar K.M., Minaev V.А., Faddeev A.О. Cost Estimate for Exploration of Oil and Gas Fields in the Arctic Zone. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1079. N 062069. DOI: 10.1088/1757-899X/1079/6/062069 Batin E.N., Dedov K.V., Kochegarova N.A. Arctic: the main directions of exploration and development, role in the oil and gas industry, transport system // Science Time. 2015. № 12 (24). P. 47-51. Batin E.N., Dedov K.V., Kochegarova N.A. Arctic: the main directions of exploration and development, role in the oil and gas industry, transport system. Science Time. 2015. N 12 (24), p. 47-51. Eppelbaum L.V., Kutasov I.M. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone // Polar Research. 2019. Vol. 38. P. 1-9. DOI: 10.33265/polar.v38.3351 Eppelbaum L.V., Kutasov I.M. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019. Vol. 38, p. 1-9. DOI: 10.33265/polar.v38.3351 Litvinenko V.S., Dvoynikov M.V., Trushko V.L. Elaboration of a conceptual solution for the development of the Artic shelf from seasonally flooded coastal areas // International Journal of Mining Science and Technology. 2021. Vol. 32. Iss. 1. P. 113-119. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.09.010 Litvinenko V.S., Dvoynikov M.V., Trushko V.L. Elaboration of a conceptual solution for the development of the Artic shelf from seasonally flooded coastal areas. International Journal of Mining Science and Technology. 2021. Vol. 32. Iss. 1, p. 113-119. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.09.010 Grebnev Y., Moskalev A. Modelling the accidental oil spills at potentially hazardous facilities in the Arctic zone of Krasnoyarsk Krai // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 816. № 012007. DOI: 10.1088/1755-1315/816/1/012007 Grebnev Y., Moskalev A. Modelling the accidental oil spills at potentially hazardous facilities in the Arctic zone of Krasnoyarsk Krai. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 816. N 012007. DOI: 10.1088/1755-1315/816/1/012007 Гилев Н.Г., Зенков Е.В., Поверенный Ю.С. и др. Оптимизация капитальных вложений в свайные фундаменты при строительстве объектов нефтегазодобычи на многолетнемерзлых грунтах // Нефтяное хозяйство. 2019. № 11. С. 46-49. DOI: 10.24887/0028-2448-2019-11-46-49 Gilev N.G., Zenkov E.V., Poverenniy U.S. et al. Optimization of capital costs for pile foundations during construction of oil and gas production facilities on permafrost soil. Oil Industry. 2019. N 1, p. 46-49 (in Russian). DOI: 10.24887/0028-2448-2019-11-46-49 Рзаев Ч.Т. Выбор типа конструкций фундаментов на многолетнемерзлых грунтах // Наука сегодня: глобальные вызовы и механизмы развития: Материалы международной научно-практической конференции: в 2 частях, 26 апреля 2017, Вологда, Россия. Вологда: ООО «Маркер», 2017. Ч. 1. С. 25-27. Rzaev Ch.T. Choosing the type of foundation structures on permafrost soils. Nauka segodnya: globalnye vyzovy i mekhanizmy razvitiya: Materialy mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii: v 2 chastyakh, 26 aprelya 2017, Vologda, Rossiya. Vologda: OOO “Marker”, 2017. Part 1, p. 25-27 (in Russian). Shepitko T.V., Lutsky S.Y., Nak G.I., Cherkasov A.M. Technological Features of Construction and Reconstruction of Geotechnical Structures in the Arctic Zone // Designs. 2022. Vol. 6. Iss. 2. P. 1-8. DOI: 10.3390/designs6020034 Shepitko T.V., Lutsky S.Y., Nak G.I., Cherkasov A.M. Technological Features of Construction and Reconstruction of Geotechnical Structures in the Arctic Zone. Designs. 2022. Vol. 6. Iss. 2, p. 1-8. DOI: 10.3390/designs6020034 Gendler S., Prokhorova E. Risk-Based Methodology for Determining Priority Directions for Improving Occupational Safety in the Mining Industry of the Arctic Zone // Resources. 2021. Vol. 10. Iss. 3. P. 1-14. DOI: 10.3390/resources10030020 Gendler S., Prokhorova E. Risk-Based Methodology for Determining Priority Directions for Improving Occupational Safety in the Mining Industry of the Arctic Zone. Resources. 2021. Vol. 10. Iss. 3, p. 1-14. DOI: 10.3390/resources10030020 Богоявленский В.И., Богоявленский И.В., Каргина Т.Н. Катастрофический выброс газа в 2020 г. на полуострове Ямал в Арктике. Результаты комплексного анализа данных аэрокосмического зондирования // Арктика: экология и экономика. 2021. Т. 11. № 3. С. 362-374. DOI: 10.25283/2223-4594-2021-3-362-374 Bogoyavlensky V.I., Bogoyavlenskiy I.V., Kargina T.N. Catastrophic gas blowout in 2020 on the Yamal Peninsula in the Arctic. Results of comprehensive analysis of aerospace RS data. Arctic: Ecology and Economy. 2021. Vol. 11. N 3, p. 362-374(in Russian). DOI: 10.25283/2223-4594-2021-3-362-374 Yakushev V.S., Semenov A.P., Bogoyavlensky V.I. et al. Experimental modeling of methane release from intrapermafrost relic gas hydrates when sediment temperature change // Cold Regions Science and Technology. 2018. Vol. 149. P. 46-50. DOI: 10.1016/j.coldregions.2018.02.007 Yakushev V.S., Semenov A.P., Bogoyavlensky V.I. et al. Experimental modeling of methane release from intrapermafrost relic gas hydrates when sediment temperature change. Cold Regions Science and Technology. 2018. Vol. 149, p. 46-50. DOI: 10.1016/j.coldregions.2018.02.007 Yarmak E. Permafrost Foundations Thermally Stabilized Using Thermosyphons // OTC Arctic Technology Conference, 23-25 March 2015, Copenhagen, Denmark. 2015. № OTC-25500-MS. DOI: 10.4043/25500-MS Yarmak E. Permafrost Foundations Thermally Stabilized Using Thermosyphons. OTC Arctic Technology Conference, 23-25 March 2015, Copenhagen, Denmark. 2015. N OTC-25500-MS. DOI: 10.4043/25500-MS Колосков Г.В., Ибрагимов Э.В., Гамзаев Р.Г. К вопросу выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне // Геотехника. 2015. № 6. С. 4-11. Koloskov G.V., Ibragimov E.V., Gamzaev R.G. On the issue of choosing optimal systems for thermal stabilization of soils during construction in the cryolithozone. Geotekhnika. 2015. N 6, p. 4-11 (in Russian). Абросимов А., Залетаев С. Охладители грунтов. Конструкции и методы расчета. London, United Kingdom: Palmarium Academic Publishing, 2012. 392 с. Abrosimov A., Zaletaev S. Soil coolers. Designs and calculation methods. London, United Kingdom: Palmarium Academic Publishing, 2012, p. 392 (in Russian). Khrustalev L.N., Emel'yanova L.V. Determination of the Temperature Coefficient for Calculation of the Bearing Capacity of Permafrost Beds in a Changing Climate // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2013. Vol. 50. № 1. P. 19-23. DOI: 10.1007/s11204-013-9204-1 Khrustalev L.N., Emelyanova L.V. Determination of the Temperature Coefficient for Calculation of the Bearing Capacity of Permafrost Beds in a Changing Climate. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2013. Vol. 50. N 1, p. 19-23. DOI: 10.1007/s11204-013-9204-1 Васильев Г.Г., Джалябов А.А., Леонович И.А. Исследование влияния климатического фактора на динамику мерзлотного состояния оснований объектов нефтегазового комплекса // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина. 2021. № 3 (304). С. 67-79. DOI: 10.33285/2073-9028-2021-3(304)-67-79 Vasilev G.G., Dzhaljabov A.A., Leonovich I.A. Study of influence of climatic factor on dynamics of permafrost condition of soils beneath objects of oil and gas complex. Proceedings of Gubkin University. 2021. N 3 (304), p. 67-79 (in Russian). DOI: 10.33285/2073-9028-2021-3(304)-67-79 IPCC, 2022: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Еd. by H.-O.Pörtner, D.C.Roberts, M.Tignor. Cambridge, UK and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2022. 3056 p. DOI: 10.1017/9781009325844 IPCC, 2022: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Еd. by H.-O.Pörtner, D.C.Roberts, M.Tignor. Cambridge, UK and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2022, p. 3056. DOI: 10.1017/9781009325844 Доклад о климатических рисках на территории Российской Федерации / Под ред. В.М.Катцова. СПб: Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова, 2017. 106 с. Report on climate risks in the territory of the Russian Federation. Ed. bu V.M.Kattsova. St. Petersburg: Glavnaya geofizicheskaya observatoriya im. A.I.Voeikova, 2017, p. 106 (in Russian). Anisimov O., Kokorev V. Cities of the Russian North in the Context of Climate Change // Sustaining Russia's Arctic Cities: Resource Politics, Migration, and Climate Change. 2016. Vol. 2. P. 141-174. DOI: 10.2307/j.ctvswx6s0.12 Anisimov O., Kokorev V. Cities of the Russian North in the Context of Climate Change. Sustaining Russia's Arctic Cities: Resource Politics, Migration, and Climate Change. 2016. Vol. 2, p. 141-174. DOI: 10.2307/j.ctvswx6s0.12 Никифорова Н.С., Коннов А.В. Несущая способность свай в многолетнемерзлых грунтах при изменении климата // Construction and Geotechnics. 2021. Т. 12. № 3. С. 14-24. DOI: 10.15593/2224-9826/2021.3.02 Nikiforova N.S., Konnov A.V. The bearing capacity of piles in permafrost soils under climate change. Construction and Geotechnics. 2021. Vol. 12. N 3, p. 14-24 (in Russian). DOI: 10.15593/2224-9826/2021.3.02 Nikiforova N.S., Konnov A.B. Influence of permafrost degradation on piles bearing capacity // Journal of Physics: Conference Series. Deep Foundations and geotechnical problems of territories, 26-28 May 2021, Perm, Russian Federation. 2021. Vol. 1928. № 012046. DOI: 10.1088/1742-6596/1928/1/012046 Nikiforova N.S., Konnov A.B. Influence of permafrost degradation on piles bearing capacity. Journal of Physics: Conference Series. Deep Foundations and geotechnical problems of territories, 26-28 May 2021, Perm, Russian Federation. 2021. Vol. 1928. N 012046. DOI: 10.1088/1742-6596/1928/1/012046 Стрижков С.Н. К вопросу о качестве работы сезонно-действующих охлаждающих устройств // Геоинфо: независимый электронный журнал. 2017. URL: www.geoinfo.ru/product/strizhkov-sergej-nikolaevich/k-voprosu-o-kachestve-raboty-sezonno-dejstvuyushchih-ohlazhdayushchih-ustrojstv-35150.shtml (дата обращения 15.08.2022). Strizhkov S.N. On the issue of the quality of operation of seasonally operating cooling devices. Geoinfo: nezavisimyi elektronnyi zhurnal. 2017. URL: http://www.geoinfo.ru/product/strizhkov-sergej-nikolaevich/k-voprosu-o-kachestve-raboty-sezonno-dejstvuyushchih-ohlazhdayushchih-ustrojstv-35150.shtml (accessed 15.08.2022) (in Russian). Преснов О.М., Мелихов В.П., Зайцев С.А., Сливина Д.М. Возведение свай в условиях вечной мерзлоты // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 2 (116). Ч. 1. С. 41-43. DOI: 10.23670/IRJ.2022.116.2.006 Presnov O.M., Melikhov V.P., Zaytsev S.A., Slivina D.M. Сonstruction of piles in permafrost conditions. International Research Journal. 2022. N 2 (116). Part 1, p. 41-43 (in Russian). DOI: 10.23670/IRJ.2022.116.2.006 Васильев Г.Г., Джалябов А.А., Леонович И.А. Исследование температурного режима многолетнемерзлых грунтов основания объектов нефтегазового комплекса, оборудованных сезонно действующими охлаждающими устройствами // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2021. № 4 (124). С. 75-80. DOI: 10.33285/1999-6934-2021-4(124)-75-80 Vasiliev G.G., Dzhalyabov A.A., Leonovich I.A. Study of the permafrost temperature mode of oil and gas objects foundation equipped by seasonally operating cooling devices. Equipment and technologies for oil and gas complex. 2021. N 4 (124), p. 75-80. DOI: 10.33285/1999-6934-2021-4(124)-75-80 Чжан А.А., Ашпиз Е.С., Хрусталев Л.Н., Шестернев Д.М. Новый способ защиты мерзлых грунтов основания насыпи от оттаивания // Криосфера Земли. 2018. Т. 22. № 3. С. 67-71. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2018-3(67-71) Zhang A.A., Ashpiz E.S., Khrustalev L.N., Shesternev D.M. New way for thermal stabilization of permafrost under railway embankment. Earth’s cryosphere. 2018. Vol. 22. N 3, p. 67-71 (in Russian). DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2018-3(67-71) Васильев Г.Г., Джалябов А.А., Леонович И.А. Анализ причин возникновения деформаций инженерных сооружений объектов газового комплекса в криолитозоне // Записки Горного института. 2021. Т. 249. С. 377-385. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.6 Vasiliev G.G., Dzhaljabov А.А., Leonovich I.А. Analysis of the causes of engineering structures deformations at gas industry facilities in the permafrost zone. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 249, p. 377-385. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.6 Loli M., Tsatsis A., Kourkoulis R., Anastasopoulos I. A simplified numerical method to simulate the thawing of frozen soil // Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering. 2019. Vol. 173. P. 1-49. DOI: 10.1680/jgeen.18.00239 Loli M., Tsatsis A., Kourkoulis R., Anastasopoulos I. A simplified numerical method to simulate the thawing of frozen soil. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering. 2019. Vol. 173, p. 1-49. DOI: 10.1680/jgeen.18.00239 Weismüller J., Wollschläger U., Boike J. et al. Modeling the thermal dynamics of the active layer at two contrasting permafrost sites on Svalbard and on the Tibetan Plateau // The Cryosphere. 2011. Vol. 5. Iss. 3. P. 741-757. DOI: 10.5194/tc-5-741-2011 Weismüller J., Wollschläger U., Boike J. et al. Modeling the thermal dynamics of the active layer at two contrasting permafrost sites on Svalbard and on the Tibetan Plateau. The Cryosphere. 2011. Vol. 5. Iss. 3, p. 741-757.DOI: 10.5194/tc-5-741-2011 Buslaev G., Tsvetkov P., Lavrik A. et al. Ensuring the Sustainability of Arctic Industrial Facilities under Conditions of Global Climate Change // Resources. 2021. Vol. 10. № 12. P. 1-15. DOI: 10.3390/resources10120128 Buslaev G., Tsvetkov P., Lavrik A. et al. Ensuring the Sustainability of Arctic Industrial Facilities under Conditions of Global Climate Change. Resources. 2021. Vol. 10. N 12, p. 1-15. DOI: 10.3390/resources10120128 Рязанов А.В., Усачев А.А. Особенности расчета температурного режима многолетнемерзлых грунтов оснований буронабивных свай мостовых переходов // Фундаменты. 2021. № 4 (6). С. 49-51. Ryazanov A.V., Usachev A.A. Features of calculating the temperature regime of permafrost soils of the foundations of bored piles of bridge crossings. Fundamenty. 2021. N 4 (6), p. 49-51 (in Russian). Рязанов А.В. Особенности проектирования фундаментов сооружений на многолетнемерзлых грунтах в условиях потепления климата // Фундаменты. 2021. № 1 (3). С. 10-13. Ryazanov A.V. Features of the design of foundations of structures on permafrost soils in a warming climate. Fundamenty. 2021. N 1 (3), p. 10-13 (in Russian). Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621485. Описание массива данных среднемесячной температуры воздуха на станциях России / О.Н.Булыгина, В.Н.Разуваев, Л.Т.Трофименко, Н.В.Швец. URL: www.meteo.ru/data/156-temperature#описание-массива-данных (дата обращения 06.09.2022). Bulygina O.N., Razuvaev V.N., Trofimenko L.T., Shvets N.V. Certificate of state registration of the database N 2014621485. Description of the data set of the average monthly air temperature at Russian stations. URL: http://meteo.ru/data/156-temperature#описание-массива-данных (accessed 06.09.2022) (in Russian). Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621201. Описание массива данных характеристики снежного покрова на метеорологических станциях России и бывшего СССР / О.Н.Булыгина, В.Н.Разуваев, Т.М.Александрова. URL: www.meteo.ru/data/165-snow-cover#описание-массива-данных (дата обращения 06.09.2022). Bulygina O.N., Razuvaev V.N., Aleksandrova T.M. Certificate of state registration of the database N 2014621201. Description of the data set of snow cover characteristics at meteorological stations in Russia and the former USSR. URL: http://meteo.ru/data/165-snow-cover#описание-массива-данных (accessed 06.09.2022) (in Russian). Груза Г.В., Бардин М.Ю., Платова Т.В. и др. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2016 год. М.: Росгидромет, 2017. 70 с. Gruza G.V., Bardin M.Yu., Platova T.V. et al. The report on the peculiarities of the climate in the territory of the Russian Federation for 2016. Moscow: Rosgidromet, 2017, p. 70 (in Russian).