Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ I. Анализ строительных свойств торфяных грунтов и способов прокладки промысловых трубопроводов в условиях болот 18
1.1. Строительные и инженерно-геологические свойства торфяных грунтов Западно-Сибирского региона 18
1.2. Методы определения строительных свойств торфяных оснований 22
1.3. Анализ классификации торфяных оснований по проходимости строительной техникой, предложенной «Гипроспецгазом» совместно с Ленинградским гидрологическим институтом 28
1.4. Анализ существующих способов прокладки и закрепления промысловых трубопроводов на болотах 31
1.4.1. Анализ известных способов балластировки трубопроводов при подземной прокладке на болотах 3 8
1.4.2. Авторские разработки по конструктивным решениям прокладки промысловых трубопроводов в условиях болот 40 Выводы по разделу I: 44
РАЗДЕЛ II. Анализ способов прокладки промысловых трубопроводов в условиях многолетнемерзлых грунтов Западно -Сибирского региона 45
2.1. Строительные свойства многолетнемерзлых грунтов Западно-Сибирского региона и их действующая классификация 47
2.2. Анализ конструктивных решений прокладки промысловых трубопроводов в условиях ММГ 56
2.2.1. Схемы подземной прокладки трубопроводов 63
2.2.2. Схемы наземной прокладки трубопроводов 67
2.2.3. Схемы надземной прокладки трубопроводов 70
2.2.4. Схемы прокладки трубопроводов с применением технологических насыпей 74
2.3. Закрепление трубопроводов от всплытия в условиях ММГ 75
Выводы по разделу II: 78
РАЗДЕЛ III. Разработка расчетных методик и классификации торфяных оснований 79
3.1. Разработка методики расчета осадки торфяной залежи под трубопроводом 19
3.1.1. Экспериментальные исследования определения осадки торфяного основания от трубопровода 83
3.1.2. Разработка методики расчета величины осадки трубопровода на торфяном основании 88
3.2. Разработка методики определения механических характеристик торфяного основания под трубопроводом на основе опытных данных 94
3.3. Разработка методики расчета параметров торфяной засыпки трубопровода при его поперечных перемещениях на основании экспериментальных исследований 99
3.4. Разработка методики определения предельных касательных напряжений по контакту «труба-грунт» при продольном перемещении трубопровода в торфяном грунте 105
3.5. Разработка классификации торфяных оснований для оптимизации процесса прокладки промысловых трубопроводов 115
Выводы по разделу III: 124
РАЗДЕЛ IV. Разработка прогрессивных способов балластировки и закрепления трубопроводов от всплытия 126
4.1. Балластировка трубопроводов торфяным грунтом засыпки 126
4.2. Разработка конструктивных решений закрепления трубопроводов с применением геотекстильных материалов 126
4.2.1. Опыт использования геотекстильных материалов для балластировки трубопроводов 126
4.2.2. Исследование сопротивления грунта засыпки вертикальным перемещениям трубопровода при применении геотекстильных материалов 128
4.2.3. Разработка конструкций и методов балластировки трубопровода на основе связи геотекстиля и грунта засыпки 136
4.3. Экспериментальное исследование по использованию выстреливаемых и взрывных анкеров в условиях болот, разработка их конструкции и методов расчета 148
4.3.1. Перспективы использования выстреливаемых и взрывных анкеров 149
4.3.2. Экспериментальное определение несущей способности выстреливаемых анкеров авторской конструкции 152
4.3.3. Экспериментальное исследование возможности применения 122-мм орудия для закрепления трубопроводов выстреливаемыми анкерами 158
4.3.4. Экспериментальные исследования по определению параметров погружения выстреливаемых анкеров в грунт 163
4.3.5. Экспериментальные исследования параметров раскрытия поворотных лопастей выстреливаемого анкера 170
4.3.6. Разработка методики расчета массы заряда и технологии работ по его установке 175
Выводы по разделу IV: 194
РАЗДЕЛ V. Разработка новых конструктивных решений прокладки трубопроводов на торфяных грунтах 196
5.1. Разработка способа прокладки трубопровода с использованием торфа в качестве несущего основания 196
5.1.1. Экспериментальное исследование взаимодействия промысловых трубопроводов с растительным покровом при продольных и поперечных перемещениях 202
5.2. Разработка метода прокладки трубопровода самопогружением с замерзшей поверхности болота 205
5.2.1. Разработка метода фиксации трубопровода в проектном положении с помощью поплавковых опор 207
5.2.2. Опыт применения поплавковых опор для фиксации трубопровода в проектном положении 208
5.2.3. Разработка метода прокладки и расчета трубопровода с
помощью свайных опор с подвижным ригелем 210
5.3. Прокладка трубопроводов на болотах с помощью реактивных двигателей 213
5.4. Укладка трубопровода взрывом 221
5.5. Разработка методики расчета подъема трубопровода при проведении ремонтных работ без вскрытия траншеи 222
Выводы по разделу V: 227
РАЗДЕЛ VI. Экспериментальное исследование условий работы трубопроводов на ММГ 228
6.1. Экспериментальное изучение работы промысловых трубопроводов на ММГ, определение значения осадки наземных и подземных трубопроводов при оттаивании 228
6.2. Изучение физико-механических свойств многолетнемерзлых грунтов по трассе трубопровода на Русском нефтяном месторождении 238
6.2.1. Инженерно-геологическая оценка пород, находящихся в ределах трассы трубопровода 238
6.2.2. Характеристика нестабильности физических свойств грунта и её влияние на работу трубопровода в процессе эксплуатации 243
6.3 Экспериментальные исследования продольного перемещения моделей труб в мерзлых и оттаивающих грунтах 249
6.4. Экспериментальные исследования взаимодействия модели трубопровода с грунтом засыпки в поперечном направлении в оттаивающих мерзлых грунтах 258
6.5. Исследование теплового влияния трубопроводов на участки, сложенные многолетнемерзлыми грунтами 263
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ VI: 269
РАЗДЕЛ VII. Разработка классификации ММГ и расчетных методик 270
7.1. Разработка классификации ММГ и категорийности участков нефтепромысловых трубопроводов 270
7.2. Разработка методики определения НДС трубопровода на переходе через границу между различными грунтами 279
7.3. Разработка методики определения температурного поля в грунте вокруг многониточных трубопроводных систем 286
7.4. Разработка методики расчета зоны оттаивания под тепловыделяющими сооружениями при точной формулировке
нижнего граничного условия 292
Выводы по разделу VII: 296
РАЗДЕЛ XIII. Разработка методик расчета трубопроводов на болотах и ММГ на основе экспериментальных исследований автора 298
8.1. Разработка методики расчета величины напряженно- деформированного состояния трубопровода на торфяном основании 298
8.1.1. Методика определения пространственного положения трубопровода 304
8.1.2. Разработка численной реализации метода сглаживающих сплайнов 306
8.1.3. Разработка методики снижения уровня ошибок в измерении высотного положения оси трубопровода методом сглаживающих сплайнов 310
8.1.4. Определение напряженно-деформированного состояния трубопровода методом регуляризации Тихонова 316 8.2. Разработка методики расчета напряженного состояния трубопровода при поперечных перемещениях по его высотным
отметкам методом конечных элементов (КЭ) 319
8.2.1. Исходные предпосылки, обозначения, постановка задачи и общая схема решения 320
8.2.2. Разработка методики по определению рационального объема исходной экспериментальной информации 325
8.2.3. Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода на неоднородных ММГ 331
Выводы по разделу XIII: 335
Основные выводы по работе 336
Список использованной литературы: 338
Приложения:
Приложение Ш
- Анализ существующих способов прокладки и закрепления промысловых трубопроводов на болотах
- Схемы наземной прокладки трубопроводов
- Разработка методики определения механических характеристик торфяного основания под трубопроводом на основе опытных данных
- Опыт использования геотекстильных материалов для балластировки трубопроводов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Западно-Сибирский регион является главной базой топливно-энергетического комплекса России, а ее ведущей отраслью является нефтегазовая промышленность. Более 70% общероссийского баланса углеводородного сырья страны поставляется с северных промыслов Тюменской области. Известно что территория области имеет общую площадь земель около 1,5 млн. км , из них 1 млн. км - многолетнемерзлые грунты (ММГ). Талые грунты занимают 530000 км . На этой территории 80% грунты: слабые; мелкие пылеватые пески; водонасыщенные; суглинки; супеси и глины текучей и пластической консистенции; заторфованные; заболоченные территории.
В связи с этим большое значение приобретают вопросы строительства промысловых сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях. Известные методы строительства промысловых трубопроводов имеют ряд недостатков, один из которых - нарушение проектного положения трубопроводов, сооруженных в слабонесущих грунтах. Для решения вопросов по обеспечению сохранения проектного положения трубопровода становятся актуальными исследования и опытно-конструкторские работы, ориентированные на стабилизацию положения трубопровода за счет применения различных схем прокладки, совершенствования конструкций балластирующих грузов, прогнозирования осадки его основания, использование анкерных устройств и т.д.
Все это послужило основанием для разработки новых
технологических решений при проектировании и выборе наиболее
эффективных способов прокладки и балластировки трубопроводов на
болотах и ММГ с целью обеспечения их надежной работы. Институтом
ОАО «Гипротюменнефтегаз», являющимся генеральным
проектировщиком обустройства нефтяных месторождений Западной Сибири, при непосредственном и постоянном участии автора был
проведен комплекс научно-исследовательских, опытно-
экспериментальных и проектных работ по прокладке трубопроводов в условиях болот и на ММГ, которые в дальнейшем прошли длительную проверку в натурных условиях и нашли широкое применение при их проектировании и строительстве.
В связи с этим, актуальность диссертационной работы заключается в разработке теоретических основ новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов, прокладываемых в условиях распространения ММГ и болот, основывающихся на масштабных экспериментальных исследованиях и статистической обработке полученной информации.
Целью работы является разработка теоретических основ новых методов проектирования и сооружения нефтепромысловых трубопроводов Западной Сибири и их экспериментальное обоснование.
Задачи исследований.
1. На базе теоретических и экспериментальных исследований работы
трубопроводов в условиях болот и ММГ разработать классификацию
слабых грунтов для выбора оптимального способа прокладки в условиях
Западно - Сибирского региона, а именно: с максимальным использованием
несущей способности ММГ и торфяных грунтов.
2. Разработать теоретические основы для создания и внедрения
новых способов прокладки в условиях рассматриваемой местности:
самопогружением трубопроводов с оттаивающей поверхности при
фиксации их на проектных отметках поплавковыми или свайными
опорами с подвижным ригелем; с прогнозированием величины осадки и
изменения величины напряженно-деформированного состояния (НДС)
трубопровода в переходной зоне от мерзлого к оттаивающему грунту;
открыто по поверхности или в теплоизолирующем конверте с
компенсирующими участками; с использованием конверсионных
технологий (выстреливаемых и взрывных анкеров); реактивных
твердотопливных двигателей для локального перемещения трубопроводов по строительной трассе.
-
Определить эффективность работы грунтовой засыпки трубопровода при: закреплении мелкозаглубленными анкерными устройствами; усилении несущей способности грунтовой засыпки геотекстильным материалом; использовании анкерных устройств из гибких лент.
-
Разработать теоретические основы для математического моделирования: взаимодействия трубопровода с анкерами; взаимодействия трубопровода с грунтовой засыпкой в геотекстильной оболочке, размещенной в торфяных и многолетнемерзлых грунтах.
-
Определить расчетную модель торфяного основания трубопровода по результатам полевых и лабораторных испытаний.
-
Разработать теоретические основы для: расчета удерживающей способности выстреливаемых и взрывных анкеров; расчета удерживающей способности торфяной засыпки трубопровода.
Объектами исследования являются промысловые нефтепроводы, эксплуатируемые в условиях торфяных грунтов и ММГ.
Методика исследования. Поставленные задачи решались теоретически и экспериментально.
При проведении теоретических исследований использованы методы математического и регрессионного анализа, строительной механики и сопротивления материалов, механики грунтов, теории надежности, теории принятия решений, теории вероятности, механики разрушения, а также прикладные исследования по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту систем трубопроводного транспорта.
Исследования взаимодействия промысловых нефтепроводов с грунтами проводились в лабораторных и полевых условиях. Обработка опытных данных проводилась статистическими и регрессионными методами с использованием цифровой техники.
Научная новизна диссертационной работы.
-
Разработана классификация ММГ дополненная признаками характеризующими: неоднородность ММГ по «просадочности» и длине трубопровода; строительными свойствами в мерзлом и в оттаявшем состоянии, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.
-
Разработана классификация болот, имеющих сложное стратиграфическое строение залежи по глубине, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.
-
Получены функциональные зависимости для определения величины: силового взаимодействия трубопровода с торфяным грунтом и ММГ при продольных и поперечных перемещениях трубы; несущей способности анкеров; балластирующей способности грунтовой засыпки с геотекстильным материалом.
-
Установлены функциональные зависимости для определения физико-механических характеристик торфяных и многолетнемерзлых грунтов при их взаимодействии с трубопроводом: разработана методика расчета тепловой и механической осадки трубопровода на ММГ; разработана модель взаимодействия «труба - оттаивающий грунт», с учетом влияния на эту систему различных силовых воздействий; установлена функциональная зависимость для определения конечной осадки торфяного основания под нагрузкой в процессе эксплуатации трубопровода; установлена функциональная зависимость для определения величины коэффициента жесткости основания в зависимости от диаметра штампа для моделей с одним и двумя коэффициентами постели; разработана методика расчета нефтепромысловых трубопроводов с использованием торфа в качестве несущего основания.
5. Разработаны теоретические основы для создания и внедрения
новых технологических схем прокладки трубопроводов на болотах и
ММГ.
6. Разработаны теоретические основы для применения выстреливаемых и взрывных анкеров, получены функциональные зависимости для математического описания работы системы «анкер -трубопровод» и «анкер - грунт».
На защиту выносятся следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:
-
Классификация ММГ, дополненная классификационными признаками, характеризующими неоднородность ММГ по «просадочности» по длине трубопровода, строительными свойствами, в мерзлом и в оттаявшем состоянии, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.
-
Классификация болот, имеющих сложное стратиграфическое строение залежи по глубине, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.
-
Функциональные закономерности взаимодействия трубопроводов с грунтом засыпки в сложных инженерно-геологических условиях.
-
Разработанные теоретические основы конструктивных схем и технологий прокладки, закрепления трубопроводов на проектных отметках от всплытия на торфяных и многолетнемерзлых грунтах.
-
Результаты экспериментов и исследований, проведенных при эксплуатации промысловых трубопроводов по: функциональным зависимостям, полученным при изучении вопросов взаимодействия трубопровода с торфяным и многолетнемерзлым грунтом при продольных и поперечных перемещениях; несущей способности анкеров; грунтовой засыпке с геотекстильным материалом.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Разработанные теоретические положения, методики расчета и проведенные опытно-промышленные исследования по новым способам прокладки и закрепления на проектных отметках в слабонесущих и оттаивающих грунтах промысловых трубопроводов используются в
проектных институтах при проектировании и обустройстве нефтяных месторождений Западной Сибири:
Авторские разработки внедрены в проекты обустройства Самотлорского, Федоровского, Приразломного, Мало-Балыкского, Муравленковского, Суторминского, Сугмутского, Харампурского, Восточно-Таркасалинского, Приобского и других нефтяных месторождений.
Практические результаты, полученные в диссертационной работе, вошли в 13 нормативных документов, где наиболее значимые: Рекомендации по изысканиям и проектированию нефтепромысловых трубопроводов на болотах Западной Сибири. ВР-05-76 - 1976 г.; Справочные материалы по прочностному расчету промысловых трубопроводов в районах распространения вечномерзлых грунтов. СМ-48-79 - 1979 г.; Определение напряженного состояния трубопровода по его пространственному положению. Методики и программы. СТП 57.00.013-83 - 1983 г.; Проектирование промысловых трубопроводов, совмещенных с автодорогами в условиях вечномерзлых грунтов. СТП 51.101-85 -1985 г.; Проектирование промысловых стальных трубопроводов. ВСН 51-3-85/2.38-85. Мингазпром, Миннефтепром - 1986 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и совещаниях: II Всесоюзная научно-техническая конференция «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 1982 г.); II Зональная научно-техническая конференция Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983 г.); Научно-практическая конференция «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Благовещенск, 1986 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Тюменская нефть-вчера и сегодня» (Тюмень, 1997 г.); Международный семинар Европейской комиссии по программе ТЕРМИ «Повышение надежности нефтесборных сетей» (Нижневартовск, 1999 г.); II Научно-практическая конференция и IV всероссийская научно-практическая конференция «Окружающая среда»
(Тюмень: соответственно 1999 и 2001 гг.); Всероссийское совещание «Повышение надежности эксплуатации трубопроводных систем и насосно-компрессорных труб» (Нижневартовск, 2001 г.); Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008 г).
За предложение, исследование и внедрение в производство ряда решений по сооружению промысловых трубопроводов автор награжден медалями ВДНХ: серебряной - 1980 г., золотой - 1981 г.
Отдельные результаты работы обсуждались на семинарах ведущих
специалистов в Тюменском проектном институте нефтяной и газовой
промышленности (ОАО Гипротюменнефтегазе), Уфимском
государственном нефтяном техническом университете, Тюменском государственном нефтегазовом университете на межкафедральных семинарах (2008, 2009 гг.).
Публикации. Опубликовано 79 печатных работ, в том числе 4 научно-технических обзора, получено 45 изобретений, в журналах рекомендованных ВАК России 15 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 357 стр. машинописного текста состоит из введения, обзорной части, 8 глав, 114 рисунков, 68 таблиц, 22 приложений, основных результатов и выводов, списка литературы из 163 наименований.
Исследования проводились в лаборатории строительства трубопроводов института Гипротюменнефтегаз и на действующих промысловых нефтепроводах под научным руководством автора. В совместных изобретениях автору принадлежит постановка задачи и идея изобретения, роль автора в реализации изобретений отмечена в материалах принятой формы.
Анализ существующих способов прокладки и закрепления промысловых трубопроводов на болотах
Практические результаты, полученные в диссертационной работе, вошли ВІЗ нормативных документов, где наиболее значимые: Рекомендации по изысканиям и проектированию нефтепромысловых трубопроводов на болотах Западной Сибири. ВР-05-76 - 1976 г.; Справочные материалы по прочностному расчету промысловых трубопроводов в районах распространения вечномерзлых грунтов. СМ-48-79 - 1979 г.; Определение напряженного состояния трубопровода по его пространственному положению. Методики и программы. СТП 57.00.013-83 - 1983 г.; Проектирование промысловых трубопроводов, совмещенных с автодорогами в условиях вечномерзлых грунтов. СТП 51.101-85 - 1985 г.; Проектирование промысловых стальных трубопроводов. ВСН 51-3-85/2.38-85. Мингазпром, Миннефтепром - 1986 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и совещаниях: II Всесоюзная научно-техническая конференция «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 1982 г.); II Зональная научно-техническая конференция Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983 г.); Научно-практическая конференция «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Благовещенск, 1986 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Тюменская нефть-вчера и сегодня» (Тюмень, 1997 г.); Международный семинар Европейской комиссии по программе ТЕРМИ «Повышение надежности нефтесборных сетей» (Нижневартовск, 1999 г.); II Научно-практическая конференция и IV всероссийская научно-практическая конференция «Окружающая среда» (Тюмень: соответственно 1999 и 2001 гг.); Всероссийское совещание «Повышение надежности эксплуатации трубопроводных систем и насосно-компрессорных труб» (Нижневартовск, 2001 г.); Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008 г). За предложение, исследование и внедрение в производство ряда решений по сооружению промысловых трубопроводов автор награжден медалями ВДНХ: серебряной - 1980 г., золотой - 1981 г.
Отдельные результаты работы обсуждались на семинарах ведущих специалистов в Тюменском проектном институте нефтяной и газовой промышленности (ОАО Гипротюменнефтегазе), Уфимском государственном нефтяном техническом университете, Тюменском государственном нефтегазовом университете на межкафедральных семинарах (2008, 2009 гг.).
Публикации. Опубликовано 79 печатных работ, в том числе 4 научно-технических обзора, получено 45 изобретений, в журналах рекомендованных ВАК России 15 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 357 стр. машинописного текста состоит из введения, обзорной части, 8 глав, 114 рисунков, 68 таблиц, 22 приложений, основных результатов и выводов, списка литературы из 163 наименований.
Исследования проводились в лаборатории строительства трубопроводов института ОАО «Гипротюменнефтегаз» и на действующих промысловых нефтепроводах под научным руководством автора. В совместных изобретениях автору принадлежит постановка задачи и идея изобретения, роль автора в реализации изобретений отмечена в материалах принятой формы.
На защиту выносятся следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:
1. Классификация ММГ, дополненная классификационными признаками, характеризующими неоднородность ММГ по «просадочности» по длине трубопровода, строительными свойствами, в мерзлом и в оттаявшем состоянии, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.
2. Классификация болот, имеющих сложное стратиграфическое строение залежи по глубине, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода. 3. Функциональные закономерности взаимодействия трубопроводов с грунтом засыпки в сложных инженерно-геологических условиях.
4. Разработанные теоретические основы конструктивных схем и технологий прокладки, закрепления трубопроводов на проектных отметках от всплытия на торфяных и многолетнемерзлых грунтах.
5. Результаты экспериментов и исследований, проведенных при эксплуатации промысловых трубопроводов по: функциональным зависимостям, полученным при изучении вопросов взаимодействия трубопровода с торфяным и многолетнемерзлым грунтом при продольных и поперечных перемещениях; несущей способности анкеров; грунтовой засыпке с геотекстильным материалом.
Трубопроводы - протяженные сооружения, пересекающие участки с различными грунтовыми условиями. Район Западной Сибири, имеющий промысловые трубопроводы, охватывает таежную ботанико-географическую зону по обеим сторонам р. Оби в ее среднем течении. Для установления его категории, принятия конструктивных решений и выбора способов производства работ на болотах, важно знать строительные свойства торфяного грунта и их влияние на работу трубопровода. Грунты рассматриваемой территории подразделяются на: минеральные (глинистые и песчаные), заторфованные и торфяные. Условия прохождения промысловых трубопроводов в районе Среднего Приобья представлены на рисунке 1.1.
Торф в отличие от минеральных грунтов имеет специфические особенности, которые необходимо учитывать при расчетах: влагоемкость его в десятки раз больше влагоемкости минеральных грунтов, однако, несмотря на это, торф обладает большей связностью; по сопротивляемости сдвигающим усилиям он близок к некоторым минеральным грунтам в увлажненном состоянии, но сопротивляемость сжимающим силам значительно меньше.
Согласно данным изысканий степень разложения верховых торфов не превышает 45 %, зольность менее 8 %, относительная влажность в естественном состоянии от 86 до 93 %. Коэффициент начальной пористости (є0) не имеет постоянного значения и колеблется в пределах 5- -22 в зависимости от вида торфа.
В зависимости от полной влагоемкости Wn и степени разложения R торфяные грунты подразделяются на три вида: слаборазложившиеся (Wn 14r/r, R 20%); среднеразложившиеся (Wn=9-14 г/г, R=20-45%); сильноразложившиеся (4 Wn 9 г/г, R 45%).
Торфяные грунты относятся к группе органогенных пород и по относительному содержанию органических веществ (степени заторфованности q) делятся на: песчаные с примесью растительных остатков 0,03 д 0,1; глинистые с примесью растительных остатков 0,05 д 0,1; заторфованные грунты 0,1 q 0,6. При q 0,60 согласно [47, 56, 57, 58] они относятся к типу торфяных грунтов.
Анализ распределения видов и групп торфа показывает, что большинство болот района относятся к верховому типу, реже встречаются болота переходные и лишь незначительный процент составляют болота низинного типа. В водном питании верховых торфов решающую роль играют атмосферные осадки. Низинный торф приурочен преимущественно к пойменным террасам и формируется главным образом за счет грунтовых вод (табл. 1.1).
Схемы наземной прокладки трубопроводов
Предшествующие годы и в настоящее время при проектировании трубопроводов многие проектные институты используют классификацию болот, разработанную «Гипроспецгазом» совместно с Ленинградским гидрологическим институтом, в основу, которой положена проходимость болот для строительной техники. Однако наш опыт эксплуатации промысловых трубопроводов показал, что эта классификация торфяных оснований не позволяет оптимизировать процесс прокладки трубопроводов относительно несущей способности грунта.
По рекомендованной классификации тип болота определяется путем сравнения микроландшафта с эталонными фотографиями, как при дешифровке материалов аэрофотосъемки, так и в процессе изысканий и строительства [56, 65]. Однако болота Западной Сибири, на которых проектируется и строится большинство промысловых трубопроводов Западной Сибири, представлены в основном микроландшафтами комплексного типа — грядово-озерковым и грядово-мочажинно-озерковым. Согласно принятой классификации эти болота по проходимости относятся к III типу, где (согласно данным технической литературы) торф не может быть использован как основание под трубопровод. В связи с этим возникает необходимость прокладки трубопровода по минеральному дну, что затруднено на болотах большой глубины, или необходимо применение специальных конструктивных решений (прокладка в виде провисающей нити, на поплавках и др.) [51, 65, 131, 144].
В условиях Западной Сибири основной объем работ по строительству трубопроводов на болотах выполняется в зимнее время. Такой классификационный признак, как допускаемое удельное давление не дает ответа на вопрос возможности использования торфа в качестве основания под трубопровод, так как отсутствуют надежные методики расчета осадок трубопровода и возникающих при этом дополнительные напряжения изгиба. где h - толщина промерзшего слоя, см; Q - вес механизма в рабочем состоянии, т; К=9 - для гусеничных машин; К=11 - для колесных машин; сс=2 - для травяных болот; ос = безразмерный коэффициент, учитывающий изменение напряжений по глубине (1,6); /? - поправка (2-3 см) вводится при температуре воздуха выше 5С.
Лесные (верховые всех типов), моховые (сфагново-кустарниковые), мохово-лесные (переходные и верховые всех типов) I I Травяные (вейниково-осоковые и осоковые), травяно-моховые (низинные всех типов, переходные осоково-сфагновые), моховые (гипно-осоковые, сфагново-пушициевые, сфагново-кустарниково-пушициевые) I II Лесные (еловые и березовые), кустарничковые (кустарничково-осоковые, кустарничково-осоково-гипновые), травяные (осоково-пушициевые, верховые пушициевые) I III Лесные (сосново-березово-осоково-сфагновые) II II Лесные (сосново-березово-гипновые, сосново-осоково-сфагновые), травяно-лесные (низинные всех типов, кустарничковые ивовые и кустарничково-тростниковоосоковые), травяные (тростниково-осоковые и низинные пушицевые, травяно-моховые (переходные пушицево-сфагновые) II III
Лесные (черноольховые), травяные (хвощевые вахтовые, тростниковые, шейхцериевые) травяно-моховые (переходные и верховые шейхцериево-сфагновые), моховые (гипновые) III III
Комплексы различных болотных микроландшафтов III III Разработанная классификация болот по проходимости строительной техники, предложенная «Гипроспецгазом», не охватывает всего многообразия болот Западной Сибири и не позволяет обоснованно выбирать конструктивное решение по прокладке трубопровода. Такой классификационный признак, как допускаемое удельное давление, не позволяет рассчитывать величину осадки и напряженного состояния трубопровода на болоте. Отсюда следует, что классификация болот по проходимости строительной техники, предложенная «Гипроспецгазом», нуждается в дополнении.
Анализ существующих способов прокладки и закрепления промысловых трубопроводов на болотах
Характерные особенности сплошных болотных массивов на территории нефтяных месторождений Западной Сибири (глубина болот более 3 м, широкий диапазон изменения физико-механических свойств торфа по трассе, большое количество внутриболотных озер) намного осложняет выбор конструктивных решений прокладки промысловых трубопроводов. Традиционный способ укладки трубопроводов на минеральное дно на болотах с большими глубинами оказался экономически и технически нецелесообразным, поэтому для этих условий были приняты как основные -способы прокладки трубопроводов с использованием торфа в качестве несущего основания: подземной и наземной.
Анализ существующих способов прокладки нефтепромысловых трубопроводов в условиях сплошной заболоченности территории показал, необходимость разработки новых, универсальных для различных грунтовых условий схем прокладки. Постоянно чередующийся ландшафт поверхности болотных массивов (гряды, озера, мочажины, топи и т.д.) не позволяет применять однотипный способ прокладки по всей протяженности трассы. Поэтому для таких трасс целесообразно применение комплексной схемы прокладки с использованием известных конструктивных решений подземной и наземной прокладки, приведенных в табл. 1.7.
Для выбора оптимальной схемы прокладки трубопроводов при различных грунтовых условиях рядом ведущих проектных и научно-исследовательских институтов России были: изучены физико-механические характеристики торфа, влияющие на работу трубопровода; разработаны методики расчета торфяных оснований под трубопроводами.
Способы прокладки и конструктивные решения, нефтепромысловых трубопроводов на болотах Способ прокладки Характеристика Конструктивные решения
Подземный Трубопровод укладывается наглубину более диаметра трубы Укладка на: минеральный грунт; торфяное основание; свайные или поплавковые опоры в видебалочной системы в слое торфа; в слое торфа в виде провисающей нити; торфяное основание при усилении егопесчаными сваями или подушками; песчаный грунт с заменой торфа.
Наземный Трубопровод укладывается на глубину не более диаметра трубы Укладка: в насыпи из торфа или привозногоминерального грунта; в полунасыпи;на поверхность болота без обвалования; на поверхность болота с усилениемнесущей способности торфа песчанымисваями или подушками.
Надземный Трубопроводукладываетсявыше дневнойповерхностиземли на опоры Укладка на опоры: без компенсации продольныхдеформаций; с компенсацией продольных деформацийпри помощи компенсаторов; в виде самокомпенсирующихся контуров в виде провисающей нити.
Все проведенные мероприятия позволили с гарантированной степенью надежности применять комплексную прокладку трубопроводов в сложных условиях Западной Сибири, учитывая преимущества и недостатки каждого из проектных решений, приведенных в табл. 1.8.
Подземный. Укладка вминеральный грунт или торфяное основание Наименьшая полоса отвода в период эксплуатации. Наилучшая защита от механических повреждений и атмосферных влияний. Наиболее стабильные температурные условия. Значительная трудоемкость земляных работ. Появление дополнительных напряжений от осадки при укладке на торфяном основании. Необходимость балластировки. Сложность:выполнения изоляционно-укладочных работ;производства работ особенно в летний период;проведения ремонта и ликвидации аварий, особенно трубопроводов, уложенных на минеральное дно глубинных болот.
Укладка в видебалочнойсистемы в слоеторфа насвайных илипоплавковыхопорах Упрощение ремонта из-за фиксации на определенной глубине. Увеличение пролета по сравнению с надземной укладкой. Уменьшение объема земляных работ по сравнению с подземной укладкой на минеральное дно глубоких болот. Сложность строительно- монтажных работ по установке свайных опор. Появление новых технологических элементов по устройству опор.
Разработка методики определения механических характеристик торфяного основания под трубопроводом на основе опытных данных
При использовании петард для раскрытия в грунте лопастей выстреливаемых анкеров работы персонала организуются в следующей последовательности: петарда, снаряженная порохом и электродетонатором, устанавливается в анкер; провода электродетонатора подсоединяются к клеммам скользящих контактов, расположенных на корпусе анкера; скользяще контакты накрываются диэлектрической предохранительной крышкой; перед заряжанием пушки ГКП-МБ анкером, старший расчёта взимает из электроцепи разъем безопасности (схема электровзрывном цепи приведена на рис. 4.19; источник электропитания и разъем безопасности располагаются на установке с гарпунной пушкой; источник электропитания должен обеспечивать выдачу тока не менее А при сопротивлении внешних линий 10/12 Ом; анкер вставляется в ствол пушки и разворачивается таким образом, чтобы при его отстреле замыкались скользящие контакты; убедившись в надежном закреплении анкера в стволе пушки, старший расчёта изымает диэлектрическую предохранительную крышку из электроцепи подрыва петард; после удаления всего личного состава на безопасное расстояние старший расчёта вставляет разъем безопасности и производится отстрел анкера;
Наряду с рекомендуемым допустимо использование петард снаряженных порохом марки ДРП, весом 70/75 г. В этом случае воспламенение порохового заряда можно осуществлять огнепроводным шнуром с механическим воспламенителем ВШ, чека которого выдергивается тросовой тягой закрепленной на стволе пушки.
Описанный авторский способ приведения выстреливаемого анкера в рабочее положения позволяет существенно экономить время при проведении работ по закреплению трубопроводов на проектных отметках [118, 119, 120].
Разработка методики расчета массы заряда и технологии работ по его установке Смещение строительства трубопроводов в районы Западной Сибири, характеризующиеся значительной обводненностью и заболоченностью территории, а также рост объемов сооружаемых трубопроводов больших диаметров 1020 -1420 мм делает проблему закрепления трубопроводов от всплытия одной из самых главных. В связи с этим в трубопроводном строительстве последнее время ведутся активные поиски новых способов балластировки и закрепления.
Широко применялись при закреплении промысловых и магистральных трубопроводов выстреливаемые и забивные раскрывающиеся анкеры типа АР-401. В этих методах использовались раскрывающиеся анкеры, несущая способность которых в первом случае не превышает 6 т, во втором достигает 40 т. Закрепление трубопроводов раскрывающимися анкерами включает ряд технологических операций, основные из которых: погружение анкеров на избыточную глубину и приведение их в рабочее состояние путем частичного извлечения из грунта выдергивающей нагрузкой до полного раскрытия лопастей. Из-за второй операции теряется часть несущей способности, а также увеличиваются стоимость и сроки закрепления трубопроводов. На анкерах типа АР-401 при обратном ходе до раскрытия лопастей, равном 1,5 м, теряется более 23% несущей способности. Из-за значительного сопротивления лопастей затруднена забивка анкеров типа АР-401 в промерзший грунт.
Поиски способов установки лопастного анкера в рабочее положение без его подтягивания привели автора к идее раскрытия лопастей взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ).
Для выяснения возможности практического использования данного предложения был проведен патентно-литературный поиск, который сосредоточился в основном на вопросах устройства камуфлетных уширений в основании сваи, их экономической целесообразности, а также сведениях по подрывным работам в военном деле и различных областях народного хозяйства.
На основе анализа литературных источников сделан вывод об отсутствии прямых рекомендаций по вопросу использования зарядов взрывчатых веществ для раскрытия анкерных конструкций в грунте и о необходимости проведения исследовательских работ в этом направлении.
На первом этапе ставилась задача определения величины заряда ВВ в зависимости от требуемой величины раскрытия анкера и исследования работы металлоконструкции в условиях сильного бризантного действия взрыва.
При разработке конструкций взрывных анкеров возникают частные задачи, одновременное решение которых на макетах конструкций анкеров создает трудности по контролю результатов опытов и требует изготовления большого количества макетов анкеров с различными сочетаниями конструктивных параметров.
Поэтому было решено проводить опыты поэтапно: сначала с основными элементами анкеров, далее с их простейшими макетами, а затем с анкерами различных конструкций. Испытания анкеров и их элементов проводились сериями опытов.
В первой серии с контрольными пластинами закопанными в грунт (рис, 4.20), проводились опыты по подбору величины раскрывающих зарядов ВВ и толщины деревянных прокладок дня защиты этих пластин от бризантного действия взрыва.
Целью опытов первой серии было выявление величины и формы раскрывающего заряда в зависимости от заданной величины раскрытия опорных элементов анкера, а также подбор толщины защитных деревянных прокладок, когда прочность опорных элементов анкера становится недостаточной.
Опыты проводились с пластинами разной толщины и ширины. Консольная заделка пластины обеспечивалась путем защемления ее между двумя массивами. Длина консолей всех пластин была равна 600 мм, расстояние от заделки до середины заряда 450 мм. Данные 32 опытов представлены на графиках (рис. 4.23). Все заряды формовались из пластита ПВВ-4. В качестве защитных элементов использованы доски толщиной 27 мм. Заряды, отличные от квадратных формовались следующим образом. Длина всех зарядов принималась равной 300 мм (половина длины консоли). Треугольные заряды имели максимальную высоту у конца консоли. Прямоугольные заряды имели постоянную высоту от середины до конца консоли. Трапециевидные заряды имели длину верхнего основания равную высоте трапеции. Данные первой серий опытов позволили продолжить подбор величины зарядов дня раскрытия взрывного анкеров в песчаном грунте.
Опыт использования геотекстильных материалов для балластировки трубопроводов
На основании полученной зависимости можно сделать вывод о том, что оттаивающий грунт оказывает значительно меньшее сопротивление продольному перемещению трубы, чем мерзлый и обычный талый грунт. Как видно из графика (см. рис. 6.13), при начальной стадии оттаивания мерзлого грунта вокруг трубопровода, под действием его теплового излучения происходит резкое снижение сопротивления грунта продольным перемещениям трубы до определенной величины Rom характеризующейся «зоной наименьшего сопротивления», равной т преД.тіп- Диапазон наименьшего сопротивления требует дальнейшего уточнения. Эту зону в первом приближении можно ограничить диапазоном равным (0,03-0,3)RTp. В пределах этой зоны между трубой и грунтом возникает водно-грунтовая поверхность скольжения за счет разуплотнения и разжижения оттаивающего грунта, который обтекает поверхность трубы. Затем происходит постепенное увеличение сопротивления грунта продольным перемещениям трубы (зона ТуВ), за счет роста такой зоны и уплотнения оттаивающего грунта в зоне ореола оттаивания. При достижении ореола оттаивания равной мощности грунтовой засыпки сопротивление продольному перемещению трубы практически стабилизируется (зона Тст).
Как показали данные опытов, защемление трубы грунтом в начальный период оттаивания грунта вокруг трубы в 200-300 раз меньше, чем в мерзлом и в 3 раза меньше, чем в оттаивающих грунтах в конечный период растепления.
До начала и после окончания каждого из опытов производился отбор проб грунта с целью определения степени изменения свойств грунта в процессе его оттаивания. При этом свойства оттаивающего грунта отличались от свойств грунта до начала опытов в среднем на 2,5- 14%, как видно из табл. 6.11.
Экспериментальные исследования взаимодействия модели трубопровода с грунтом засыпки в поперечном направлении в оттаивающих мерзлых грунтах
Исследование взаимодействия трубопровода с грунтом засыпки в поперечном направлении является необходимым дня анализа напряженно-деформированного состояния подземного горячего трубопровода, проложенного в многолетнемерзлых грунтах (ММГ).
Анализ имеющейся литературы по данному вопросу показывает, что вопрос взаимодействия трубопровода с грунтом засыпки в поперечном направлении в оттаивающих мерзлых грунтах требует дополнительных исследований.
Вокруг горячего подземного трубопровода, проложенного в ММГ образуется талая зона грунта (ореол оттаивания), которая увеличивается в процессе эксплуатации трубопровода.
Подземные промысловые трубопроводы прокладываются в районах распространения ММГ в основном в деятельном слое грунта, поэтому они подвергаются в процессе эксплуатации циклически изменяющимся нагрузкам от давления грунта засыпки при его сезонном промерзании -оттаивании.
К основным факторам, отличающим взаимодействие трубопровода с ММГ от взаимодействия с обычными талыми, можно отнести просадку основания трубопровода, развивающуюся во времени и сезонное промерзание - растепление деятельного слоя грунта.
С учетом этих факторов была разработана методика проведения экспериментов по исследованию качественного характера взаимодействия модели трубопровода с грунтом засыпки в поперечном направлении. Для проведения экспериментов разработана и смонтирована установка (рис.6.14), которая была размещена в холодильной камере типа HKP-I.
Схема экспериментальной установки состоит из бака 1 размером 600x500x1000 мм с теплоизоляционным материалом 2, в баке 1 наморожена прослойка льда 3 и установлен отрезок трубы 4 длиной 490 мм, 0 108x4 мм. Труба 4 погружена в мерзлый грунт 5, который растепляется при помощи нагревательного элемента 6, установленного в трубе 4. Для измерения просадки основания трубы, под трубой установлена марка 7. Труба 4 жестко связана при помощи стержней 8 с динамометрами 9, которые в свою очередь крепятся к стержням 10 и швеллеру 11. Для замера ореола оттаивания вокруг трубы используются терморезисторы 12, установленные в трубках 13, марка 7 соединена прогибомерной проволокой 14 с прогибомером
С целью исключения смерзания проволоки 14 и стержней 8 с мерзлым грунтом 5, они заключены в трубки 16, 17. Для оттаивания мерзлого грунта сверху применяется греющая лента 18.
С целью поддержания заданной температуры мерзлого грунта использовался регулятор температуры РТ-2А, при помощи которого автоматически включался - отключался компрессор холодильной камеры и поддерживалась необходимая температура мерзлого грунта.
Для замера нагрузок, действующих на трубу, использовались динамометры растяжения ДОУ-01/2 с ценой деления 1 кГс. Замер осадки штампа под трубой производился прогибомерами с ценой деления 1 мм (точность измерения 0,05 мм).
В экспериментах использовался мелкозернистый песок с удельным весом Ууд = 2,65 г/см2, влажностью W = 24 % объемным весом Тгр =1,88 г/см3, углом внутреннего трения ф = 24С. Глубина заложения трубы в грунт была принята равной 20 см до верхней образующей трубы. Заданный ореол оттаивания поддерживается постоянным при помощи регулирования нагревательного элемента, находящегося в трубе и контролируется терморезисторами. Оттаивание мерзлого грунта сверху производится при помощи греющей ленты, уложенной на поверхности мерзлого грунта. Обратное промерзание сверху производится при помощи вентилятора, установленного в холодильной камере и направляющего поток холодного воздуха на поверхность оттаявшего грунта.
Похожие диссертации на Теоретические основы новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов в условиях Западной Сибири
