Введение к работе
актуальность работы. Интенсивное развитие нефтегазового комплекса (НТК) страны - основополагающей Сазы топливной энергетики, иефте- и газохнмической промышленности обуславливаем широкомасштабное освоение новых месторождений углевсдородного сырья, строительство сети мощных нефте-, газо- и продуктопрово-дов с насосными, компрессорными станциями и другими объектами подземного и наземного базирования.
В инженерном и экологическом плане специфика объектов НТК характеризуется рядом особых факторов: высокой единичной мощностью; значительной протяженностью трубопроводных систем; по-жаро- и ьзрывоопасностью транспортируемых продуктов; высоким уровнем энергонапряженности; разнохарактерностью природно-климатических условий и ландшафтов; в которых осуществляется строительство и эксплуатация объектов НТК, по географически, гео-логоминералогическим, геокриологическим и другим особенностям.
Месторождения Западной Сибири и Крайнего Севера определяют основные возможности страны по углеводородному сырью. За последние 20 лет здесь сформировался Западно-Сибирский нефтегазовый комплекс, открыто более 400 месторождений нефти и газа, из которых на сегодня введено в эксплуатацию около 120. Общие капитальные вложения за 1985-89 годы превысили 130 млрд. рублей. В 1995 году здесь будет добыто более 70Х газа и 65Х нефти. Протяженность только магистральных трубопроводов составляет на сегодня в СССР более 300 тыс. км. Ежегодно в стране проісладивалось 21-23 тыс. км трубопроводов.
Шфтегазодобывамщй комплекс последовательно смешается все дальше к северу, все более дорогим становится углеводородное топливо и возрастает цена ошибок планирования, проектирования и инженерно-строительных решений, как с точки зрения затрат, так и в плане экологических последствий освоения. В этих условиях требуется отход от привычных стереотипов технологии нефтегазового строительства, поиск нестандартных технических и организационных решений, учитывающие с максимальной полнотой специфику экосистем и экстремальных условий Арктики.
Важнейсее место в вопросах научного и практического обеспечения инженерно-строительных процессов нефтегазового освоения
Крайнего Севера имеют мерзлотные явленая, закономерности их распространения, понимание их реакции; вносимые в природную среду техногенными воздействиями.
Специфика формирования природно-техничееких геосистем (HIT) в условиях Крайнего Севера отражает и своеобразный характер ограничений:
- процессы пучения могут оказать достаточно неблагоприят
ное воздействие на поверхность дорог, аэродромов и различных
площадок для гражданской и промышленной застройки, фундаментов
инженерных сооружений;
солифлюкционный процесс существенно затрудняет хозяйственное освоение территории и их необходимо учитывать при про-ектированиии и строительстве объектов на склонах;
особое внимание при освоении территории следует обращать на динамику и прогноз процессов морозобойного растрескивания и жильного льдообразования. процессов термокарста по всем типам подземных льдов, так как их воздействие может привести к наиболее катастрофическим последствиям на участках строительства, прокладки нефте- и газопроводов и прочих линейных сооружений, подземных коммуникаций;
эрозионная деятельность Еременных водотоков приводит к сильному расчленению рельефа, в результате которого образуются различного размера промоины, балки, овраги. Стнммулятором расчленения рельефа и в особенности оврагообразования является застройка территории нефтегазовыми объектами. Именно здесь в результате бессистемной езды транспорта, а, следовательно, уничтожения растительного покрова и нарушения естественной структуры грунта, на склонах наблюдается оплывание грунта и развитие оврагов;
изменение береговых мелей рек и образование отмелей в результате абразии представляет потенциальную угрозу линейно-протяженным объектам, пересекающим эти реки, поскольку местный размыв и потеря устойчивости трубопровода могут привести к полному его разрушению.
Игнорирование этих взаимосвязей, недостаточное изучение последствий нарушения естественных процессов тепло- и массооб-мэна уже приводило к авариям на северных газовых месторождениях (Ьйдвежье, Месоояха) и представляет серьезную опасность для
всех действующих и строящихся объектов НТК в криолитозоне.
При решении инженерных задач строительства объектов НТК в криолитозоне происходит смыкание чисто инженерных задач оСьг.пч ценна качества, надежности и устойчивости сооружений с экологи ческими задачами максимального сохранения природных геосистем
Проблемам, связанным со строительством в условиях расп ространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ), посвящ?но значи тельное количество работ советских и зарубежных ученых, в том числе: по вопросам эволюции и динамики мерзлотных процессов и естественных условиях (В. А. Кудрявцев, А. И. Попов, В. В. Баулин, В. Т.Трофимов, И. А. Некрасов, В.И. Соломатин, KULllfyp, Е. С. Гречищев, Л. С. Гарагуля, С. ЫФотиев, Д. Браун, К.Эверетт, Р.Берг и др. : и осложненных техногенными и антропогенными факторами, в том числе в области механики грунтов, строительства и теплового взаимодействия объектов и ММГ (С. С. Вялов, Е А. Цытович.П. И. Мельников, Г. В. Порхаев, ЕЙ. Салтыков. Н. А. Перетрухин, Х.Р. Хакимов, Р. М, Каменский, Э. Д. Ершов, Г. М. Фельдман, К Ф. Войтковский, КХ А. Белли, Т. Певе, Г. Хау, Д. Вебер и др.).
Однако, в указанных исследованиях и разработках основное внимание уделяется устойчивости сооружений во взаимодействии с МЫТ и, в тоже время, не в полной мере отражены экологические аспекты воздействий нефтегазового строительства на природную среду.
Решением задач восстановления нарушенных территорий в районах Крайнего Севера занимались Е А.Траве, Д. Браун, А. В. Павлов, Н. Г. москаленко, Л. Е Ильина, О. В. Ребристая, В. В. Смирнов, Ю. Л. Щур, Л. Блисе, П. Веббер и др.
Основной акцент в указанных исследованиях направлен на многолетние ( в основном геоботанические ) мероприятия и не полиостью учитывает специальные инженерные методы по стабилизации и обеспечению благоприятных условий восстановления биогеоценозов тундры.
В области сооружения трубопроводов и наземных нефтегазовых объектов на ММГ с учетом природоохранных требований плодотворно работали Л. Г. Телегин, 0. М.Иванцов, П. П. Бородавкин, Э. Д. Ясин, Б. Л. Кривошеий, Л. С. Гарагуля, Р. Крейг, Е. Чемберлен, Е. Хванг, .Т. Винсон и др.
Вместе с тем, вопросы адаптации нефтегазовых объектов к
рзгиональным особенностям природной среды криолитозоны, стабилизация экзогенных процессов или их предотвращения до настоящего времени были проработаны недостаточно и не учтены в действующих нормативах.
Ito развитию общих проблем и методологических основ экологии и фундаментальных принципов эволюции экосистем большой вклад внесли И. Т. Оролов, Е Е Моисеев, В. В. Крючков, С. М. Успенский, Е. Е. Сыроечковский, Р. Рикфлес, Е.Одум и др., тем не менее, применительно к проблемам сохранения экологического баланса в нефтегазоносных регионах Крайнего Севера и развития основополагающих концепций для решения прикладных (инженерных) проблем экологии адекватных решений практически не разработано.
Таким образом, проблема экологически безопасного обустройства и освоения нефтегазоносных месторождений в районах со сложными природно-климатическими, инженерно-геологическими и геокриологическими условиями является исключительно актуальной не только регионального, ло и общегосударственного масштаба.
цель и задачи исследований. Главной целью диссертационной работы является разработка и совершенствование научно-методологических основ и организационно-технологических решений для комплексного ин.кенерно-экологического обеспечения строительства объектов нефтегазового комплекса в районах Крайнего Севера, отвечающего современным требованиям охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов, качества, надежности и экологической безопасности обгектов.
Исследования, охватившие длительный этап освоения северных газоконденсатних месторождений, рассчитаны на предстоящий продолжительный период работы отрасли в арктической зоне и ориентированы на совершенствование и создание новых экологически безопасных технологических комплексов и организационно-управленческих структур нефтегазового строительства в криолитозоне.
Указанные цели достигнуты автором при решении задач по следующим основным направлениям:
1. Исследования механизмов влияния на природную среду криолитозоны технологических процессов нефтегазового . строительства, а также особенностей теплофизического и механического взаимодействия подземных трубопроводов с ММГ с учетом природосбере-
гакэдих конструктивно-технологических решений при их сооружен!;;!.
-
Разработка и совершенствование теоретических основ инженерной экологии нефтегазового строительства и нормативно-технических решений, обеспечивающих экологическую безопасность осваиваемых регионов Крайнего СеЕера.
-
Совершенствование существующих и создание новых технологий, строительной техники и транспорта наземного и трубопроводного строительства и защиты природной среды с учетом современных требований по охране природы и особенностей районов залегания многолетнемерзлых грунтов.
-
їормирование эффективных организационно-управленческих структур для планирования управления и контроля природоохранной деятельности на всех стадиях формирования объектов нефтегазового комплекса с учетом экологических и экономических факторов.
научная новизна выполненных исследований. Научная новизна результатов исследований заключается прежде всего в приоритетном развитии методологии природосберегающего строительства нефтегазовых объектов в условиях криолитозоны с теоретико-экспериментальным обоснованием организационно-технологических и конструктивно-технических решений. Выполнение исследования позволили определить принципиально новые пути решения проблемы экологической совместимости интенсивного нефтегазового строительства с региональными особенностями и адаптационными свойствами природной среды экологически уязвимых районов.
Впервые разработаны и обоснованы общие принципы и методологические основы прикладной теории инженерно-экологического обеспечения нефтегазового строительства в криолитозоне, опирающейся на предложенные интегральные критерии устойчивости и экологической безопасности нефтегазотранспортных природно-технических геосистем и комплексные модели их формирования.
Разработана модель взаимодействия термически активных трубопроводов, закрепленных вмораживаемыми анкерами, с ММГ, в которой впервые учитывается положительное влияние ореола оттаивания в формировании эффекта самокомпенсации трубопроводов. На основании предложенной модели разработан метод определения области рационального применения дисковых анкерных устройств и методика оценки теплового влияния в элементах системы "трубо-
провод анкер - грунт".
Разработана расчетно-аналитическая модель накопления антропогенных изменений и развития экологически экстремальных ситуаций в нефтегазотранспортной природно-технической геосистеме, на основе которой создана методика прогнозирования экологических отказов.
Впервые в системе инженерно-экологического обеспечения предложены и обоснованы новые понятия опережающей инженерно-экологической подготовки территорий и трасс строительства в криолитозоне и инженерно-биологической стабилизации криогенных процессов на ММГ, введение которых привело к пересмотру традиционной концепции сооружения нефтегазовых объектов на Крайнем Севере.
Разработана методика адаптации базовых технологических процессов наземного и трубопроводного строительства к природно-территориальным ограничениям, на основе которой определены нормативно-технические требозания и разработан параметрический ряд строительных машин, механизмов и транспорта нового поколения для сооружений нефтегазовых объектов в условиях Крайнего Севера.
Разработана имитационная многофакторная модель управления природоохранной и ресурсосберегающей деятельностью в проектировании и строительстве нефтегазовых объзктов, которая позволяет обеспечить рациональный выбор и оптимизацию управленческих решений, организационной структуры планирования, управления и контроля на всех этапах формирования объектов.
Предложен и обоснован метод сбалансирования строительного цикла во временном и пространственном интервалах с определением зон максимального и минимального экологического риска по критерию минимизации техногенных нарушений (расчетному коэффициенту рационального землепользования).
Предложена концептуальная модель формирования эколого-эко-номической результативности нефтегазового строительства, которая увязывает характеристики нормативно-допустимого и реального ущерба с экономическим стимулированием труда по критериям рационального землепользования.
Разработанная автором и реализуемая на практике система комплесного инженерно-экологического обеспечения строительства нефтегазовых объектов позволила определить пути решения крупной
научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, связанное с экологически безопасным развитием топливно-энергетического комплекса страны.
Результаты системных исследований и разработок, выполненных под научно-методическим руководством и при участии автора, явились основой отраслевых целевых комплексных программ "Экология нефтегазового строительства на 1985-1990 гг. и на период до 1995 г.", "Трубопровод", и "Новые машины". При их практической реализации с непосредственным участием автора были разработаны и внедрены основные технические и организационно-технологические решения экологически безопасного строительства нефтегазовых объектов Ямбургского ГКМ, системы газопроводов "Ямбург-Центр" и проекта обустройства месторождений п-ва Ямал:
новые природосберегающие конструктивно-технологические решения по закреплению трубопроводов в ММГ при помощи вмораживаемых анкеров на 260 км системы магистральных газопроводов "Ямбург-Центр", что позволило сэкономить 5 тыс. тонн железобетона на каждый километр трассы, снизить в 2,0-й,3 раза техногенное воздействие и экологический ушерб в полосе отвода за счет сокращения объема транспортных операций;
параметрический ряд трубопроводостроительных технологий, строительных машин и транспорта нового поколения, минимизирующего негативное воздействие на почвенно-растительный покров в районах Крайнего Севера, являющийся нормативной базой для проектно- конструкторских организаций;
новый способ и комплекс оборудования для бестраншейной прокладки трубопроводов под препятствиями методом направленного бурения. С его применением построено пять переходов диаметром до 720 мм и протяженностью до 200 м через водные преграды;
- методы инженерно-биологической стабилизации нарушенных
ландшафтов, позволившие на 30-35% сократить затраты на природо-
восстановительные работы при освоении нефтегазовых месторожде
ний в криолитозоне. Эффективность методов и технологии инженер
но-биологической стабилизации подтверждена практическим приме
нением на площади более 120 га нарушенных земель Ямбургского
и Медвежьего месторождений;
- организационно-техническая структура функционального контроля и управления природоохранными и ресурсосберегающими мероприятиями при создании нефтегазовых систем на всех стадиях жизненного цикла
Результаты исследований и разработок автора вопли в следующие нормативно-технические документы, регламентирующие различные аспекты инженерно-экологического обеспечения нефтегазового строительства: "Рекомендации по определению мощности и потенциала долговременного потока. Р5-91-86". - М.: ВНИИСТ, 1986; "Рекомендации по определению оптимальных границ использования тру-бопроводостроителькых подразделений различной технической производительности. Р5-92-86". - М.: ВКИИСТ, 1986; "Руководство по природоохранной деятельности в системе Миннефтегазстроя СССР", 1988; "Ведомственные строительные нормы. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Охрана окружающей среды. ВОН 014-89/Миннефтегазстрои". - М.: ВНИИСТ, 1989; "Методические указания по организации и проведению экологической экспертизы проектно-конструкторской, нормативно-технической и технологической документации в системе строительства объектов нефтяной и газовой промышленности". - Ы.: ВНИШШтехоргнефте-газстрой, 1990; Государственный стандарт 17.1.10-90. "Охрана поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами при транспортировании их по магистральным трубопроводам". Миннефтегазпром, Миннефтегазстрой, Госстрой СССР, 1990; "Природоохранный регламент нефтегазового строительства в районах Крайнего Севера Западной Сибири". ГГК "Газпром", 1990.
Разработаные с участием автора учебные программы, пособия и методические рекомендации используются в системе подготовки и повышения квалификации кадров в области нефтегазового строительства.
Сактичеекий экономический эффект от внедрения законченных разработок составил 106 млн. рублей при долевом участии автора более 3,7 млн. рублей.
апробация равоты. Основные положения работы, научные выводы и практические рекомендации докладывались и обсуждались на международных симпозиумах "Методы производства работ в условиях отрицательных температур" (г. Эспоо, Финляндия, 1985г.), "Проб-
лемы сбора, подготовки и магистрального транспорта нефти" (г. Уфа, 1988г.), "Геокриологические исследования в арктических районах" (г. Надым, 1989г.), "Трубы и сварка" (г. Москва, 1989г.); международных конференциях "Координация исследований в Арктике" (г.Ленинград, 1988г.), "Зимние дороги" (Норвегия, 1990 г.); всесоюзных научно-практических конференциях и семинарах (г. Нижневартовск, 1979г. , г. Иркутск, 1985г. , г. Москва, 1981, 1984,1987гг., г. Надым, 1988г., г. Магадан, 1989г.); отраслевых экологических семинарах ( г. Москва, г. Ленинград, г. Надым, г. Оренбург, г. Подольск - 1989-1990гг.); Научном совете по криологии Земли АН СССР (г. Москва, 1989-1990 гг.); научном семинаре АН СССР по комплексным проблемам развития энергетики (г. Москва, 1989- 1990 гг.); заседаниях Научно-технического совета Миннефтегазстроя СССР (1987-1990гг.); совместных межведомственных совещаниях (1985-1990гг.).
объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глаз, выводов и приложений. Список литературы включает 217 наименований. Общий объем работы 331 страница основного текста (в том числе 63 рисунка и 16 таблиц).
публикация работы. По материалам диссертации опубликовано во всесоюзных и отраслевых изданиях 63 печатные работы, в том числе 4 книги, 13 брошюр, 12 авторских свидетельств и 8 нормативных документов.
