Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния и условий обеспечения безопасной эксплуатации прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса на Крайнем Севере 9
1.1 Общие сведения о природных условиях и характеристика ресурсов углеводородов прибрежных месторождений региона 9
1.2 Анализ транспортной инфраструктуры для вывоза нефти и этапы развития прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса 18
1.3 Роль приповерхностной части многолетнемерзлых пород в обеспечении устойчивости инженерных сооружений нефтяного терминала 25
1.4 Разработка методики оценки устойчивости геокриологической среды для выбора площадки под строительство нефтеотгрузочного терминала 32
2 Исследование и разработка методов обеспечения устойчивости оснований прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса 37
2.1 Анализ и совершенствование технологий возведения в прибрежной арктической зоне грунтовых оснований под инженерными сооружениями и их защита 37
2.2 Исследование и обоснование типа фундамента для нефтяных резервуаров и оценка экономической эффективности их строительства 45
2.3 Определение температурного режима состояния грунтов, как основного фактора устойчивости оснований при эксплуатации нефтеотгрузочного комплекса 54
2.4 Обоснование применения фундамента с использованием системы термостабилизации 60
3 Обоснование и разработка методики инженерно геокриологического мониторинга для обеспечения безопасности и надежности функционирования берговых сооружений 68
3.1 Инженерно-геокриологический мониторинг, как инструмент обеспечения безопасности эксплуатации прибрежных нефтетранспортных сооружений 68
3.2 Анализ существующих методов инженерно-геокриологического мониторинга 71
3.3 Разработка методики инженерно-геокриологического мониторинга для обеспечения безопасности и надежности функционирования нефтеотгрузочного комплекса в прибрежной зоне 76
4 Анализ эффективности инженерно геокриологического мониторинга прибрежно морского нефтеотгрузочного комплекса 84
4.1 Экспериментальная апробация системы инженерно-геокриологического мониторинга 84
4.2 Оценка экономической эффективности проведения инженерно-геокриологического мониторинга 87
4.3 Область распространения и рекомендации по применению инженерно-геокриологического мониторинга 96
Заключение 98
Список литературы 100
Приложение Акт внедрения 117
- Общие сведения о природных условиях и характеристика ресурсов углеводородов прибрежных месторождений региона
- Анализ и совершенствование технологий возведения в прибрежной арктической зоне грунтовых оснований под инженерными сооружениями и их защита
- Обоснование применения фундамента с использованием системы термостабилизации
- Область распространения и рекомендации по применению инженерно-геокриологического мониторинга
Введение к работе
Актуальность работы
Одним из определяющих факторов роста добычи нефти в северной части Тимано-Печорской нефтегазовой провинции (ТПНГП) является наличие соответствующей транспортной инфраструктуры (северный маршрут), что в значительной мере предопределяет перспективы освоения нефтяных месторождений западной части Арктического шельфа России. В 2008 г. в районе Варандея впервые в мировой практике была реализована нефтеотгрузочная система в условиях замерзающего на длительное время моря.
Экстремальные условия эксплуатации Варандейского нефтеотгрузочного терминала (ВНОТ) (многолетнемерзлые породы (ММП), низкие температуры, интенсивные и протяженные во времени паводковые явления) на Крайнем Севере вызывают ряд осложнений, влияющих на устойчивость и безопасность эксплуатации инженерных сооружений.
Обеспечение безопасности функционирования инженерных объектов нефтегазового комплекса во многом определяется особенностями строения верхней части геологической среды и ее устойчивостью, которая, в свою очередь, зависит от состояния ММП. Изменение теплового режима ММП основания сооружений в процессе эксплуатации является причиной активизации опасных инженерно-геокриологических процессов. Практика показывает, что их развитие периодически приводит к возникновению аварийных ситуаций на объектах нефтегазовых комплексов с тяжелыми материально-техническими, экологическими, социальными и финансово-экономическими последствиями. Необходимость рассмотрения вопросов с точки зрения промышленной безопасности: определение потенциальных опасностей, характерных для Крайнего Севера, их анализ и разработка предложений по созданию технологии обеспечения надежности и безопасности эксплуатации инженерных сооружений прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса посредством управления термическим режимом грунтов оснований - одна из важнейших и актуальных проблем нефтегазовой отрасли региона. Одним из эффективных инструментариев решения этой задачи, а также снижения возможного эколого-экономического ущерба является инженерно-геокриологический мониторинг.
Теоретические основы прогнозирования управления температурным режимом в основаниях для обеспечения надежности эксплуатации в Арктике сооружений приведены в работах Э.Д. Ершова, C. Гарагуля, Л.H. Максимовой, А.Б. Чижова, М.А. Минкина и других ученых. Из зарубежных исследователей необходимо отметить исследования Thomas L., King L., Newton R. и др. Однако, в них не рассматривались вопросы организации, проведения, использования результатов инженерно-геокриологического мониторинга на объектах, расположенных в прибрежно-морских зонах Европейского Севера. В настоящей работе с учётом актуальности обеспечения безопасности инженерных сооружений в Заполярье на примере ВНОТ приведены особенности проведения геокриологического мониторинга.
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса в условиях Крайнего Севера на основе инженерно-геокриологического мониторинга и разработка обоснованных мероприятий на примере Варандейского нефтеотгрузочного терминала.
Основные задачи работы:
1. Выполнить анализ природно-климатических условий, техногенных факторов, влияющих на безопасность эксплуатации прибрежно-морских нефтеотгрузочных комплексов в арктических регионах;
2. Исследовать роль приповерхностной части ММП в обеспечении устойчивости инженерных сооружений. Выполнить геоэкологическое районирование территории с учетом распространения ММП и пораженности территории криогенными процессами для выбора площадки под строительство объектов нефтеотгрузочного терминала;
3. Совершенствовать технологии инженерной защиты прибрежно-морских сооружений от подтопления и опасных геокриологических процессов;
4. Обосновать и разработать методы инженерно-геокриологического мониторинга для обеспечения безопасности и надежности функционирования прибрежно-морских нефтеотгрузочных комплексов.
Методы решения поставленных задач
При выполнении исследований использованы результаты анализа опубликованных данных, материалы лабораторных и натурных исследований. Для анализа, статистической обработки результатов изысканий использовались стандартные компьютерные программы.
Научная новизна результатов работы
-
Систематизированы взаимные влияния верхней части геологической среды и прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса. Показана особая роль приповерхностной части ММП в обеспечении устойчивости инженерных сооружений Варандейского терминала.
-
Разработана методика геокриологического районирования с учетом устойчивости и степени защищенности геологической среды от техногенных воздействий в условиях прибрежной зоны Печорского моря для выбора площадки под строительство объектов нефтеотгрузочного терминала.
-
Предложен новый способ строительства технологических площадок в зонах распространения сезонно-промерзающих и многолетнемёрзлых пород, даны рекомендации по инженерной защите сооружений в прибрежной зоне.
-
Обоснован метод геокриологического мониторинга, направленного на повышение промышленной и экологической безопасности эксплуатации прибрежно-морских нефтеотгрузочных комплексов в арктической зоне.
Защищаемые научные положения:
-
Методика районирования с учетом устойчивости, степени защищенности верхней части геокриологической среды от техногенных воздействий и способ строительства технологической площадки на ММП в прибрежной зоне, позволяющие выполнить обоснованный выбор местоположения грунтовых оснований и повысить надежность эксплуатации арктического прибрежно-морского комплекса;
-
Результаты лабораторных и натурных исследований хладопроизводительности термостабилизаторов, обеспечивающих поддержание ММП под обогреваемыми резервуарами в мёрзлом состоянии;
-
Система комплексного инженерно-геокриологического мониторинга, направленная на обеспечение безопасной эксплуатации инженерных сооружений ВНОТ.
Практическая ценность результатов работы
-
Разработана методика инженерно-геокриологического мониторинга на арктических прибрежно-морских объектах, обеспечивающего оценку состояния верхней толщи геокриологической среды, оснований и фундаментов и повышающего эксплуатационную надежность и безопасность инженерных сооружений, расположенных в районе распространения ММП. Результаты работы приняты к использованию в ОАО «Варандейский терминал».
-
Разработан способ строительства технологических площадок для промышленных сооружений на сезонно-промерзающих грунтах или ММП.
-
Обоснованы рекомендации по защите технологических площадок от ветровой и волновой эрозии, от штормовых воздействий и ледовых подвижек для обеспечения надежности и безопасной эксплуатации сооружений, расположенных в прибрежных зонах арктических морей.
-
Даны рекомендации по проектированию, строительству, безопасному использованию аналогичных объектов в прибрежно-морских зонах арктических побережий.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на российских и международных конференциях и семинарах: конференции «Молодежь в реализации национальных проектов и морской доктрины России» (Архангельск, 2007); Международной конференции молодых ученых и специалистов «Экология - 2007» (Архангельск, 2007); VII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов организации группы «ЛУКОЙЛ» (Болгария, Бургас, 2007); XVII и XVIII Международных научных конференциях (школах) по морской геологии «Геология морей и океанов» (Москва, 2007, 2009); Всероссийской конференции с международным участием «Северные территории России: проблемы и перспективы развития» (Архангельск, 2008); Первом Всероссийском Инновационном Конвенте при поддержке федерального агентства по делам молодежи при Правительстве РФ (Москва, 2008), а также ежегодных научно-технических конференциях АГТУ (САФУ) (Архангельск, 2007 - 2010).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 163 наименования. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 15 таблиц.
Общие сведения о природных условиях и характеристика ресурсов углеводородов прибрежных месторождений региона
Территориально рассматриваемый прибрежно-морской нефтеотгрузочный комплекс (Варандейский терминал) расположен на северо-восточной окраине Русской равнины, в Большеземельской тундре, на южном берегу Баренцева моря. Административно он находится на территории Ненецкого автономного округа Архангельской области в 7,5 км северо-восточнее пос. Варандей (рис. 1.1). На территории рельеф равнинный, заболоченный. Абсолютные отметки колеблются от 0 до 7 метров. Морская часть находится в юго-восточной части Баренцева (Печорского) моря.
По климатическому районированию район относится к северной климатической зоне и характеризуется холодной и продолжительной зимой. Климат рассматриваемой территории формируется под воздействием циркуляционного режима атмосферы и радиационного баланса на фоне влияния морской акватории на прибрежную зону. Климат района имеет континентальный характер. Продолжительность зимы составляет 7-8 месяцев, лета около 3 месяцев, переходные сезоны весна и осень очень короткие, не более 1-2 месяца.
Световой режим характеризуется полярной ночью зимой и полярным днем летом. С конца апреля здесь начинается период белых ночей, который продолжается до середины августа.
Для рассматриваемого района характерна большая продолжительность холодного периода и малая - теплого [56]. Начиная с октября и по май, средние месячные температуры воздуха остаются отрицательными и лишь с июня по сентябрь - положительными. В любой месяц года может встречаться отрицательное значение температуры воздуха. Средняя годовая температура воздуха в районе отрицательная и составляет минус 5.5 С (табл. 1.1).
Ветровой режим юго-восточной части Баренцева моря относится к районам с высокой повторяемостью ветра. Режим ветра определяется характером атмосферной циркуляции при ее взаимодействии с подстилающей поверхностью. В зимний период ветровой режим определяется влиянием ложбины пониженного давления, простирающейся от района исландского минимума до восточной части Карского моря. Образующиеся при этом области пониженного и повышенного давления в западном секторе Арктики обуславливают преобладание ветров южного и юго-западного направлений [56]. Такой характер преобладания данных ветров наблюдается в течение всего зимнего периода. Летом характер распределения барических образований определяет преобладание ветров северных и северо-восточных направлений. В осенний период наблюдается преобладание южных и юго-западных ветров. В течение всего года средняя месячная скорость составляет 6.3 м/с (табл. 1.2).
Штили отмечаются достаточно редко. Максимальные скорости ветра (при 2-х минутном осреднении) составляют 34 м/с, при порывах максимальная скорость ветра достигает 40 м/с. Зимой в районе наиболее высокие средние месячные скорости отмечены при ветрах с южной и западной составляющей. Летом наиболее высокие средние месячные скорости отмечены при ветрах с западной и северной составляющей. Меньше средних на 0.8-1.1 м/с отмечены скорости при ветрах с северной и юго-восточной составляющей. На рисунке 1.2 представлена повторяемость направлений ветра в течение года по румбам [17].
Обычная интенсивность осадков невелика, летом она равна 0.4-0.6 мм/ч, а зимой 0.1 0.2 мм и менее. Устойчивый снежный покров появляется в конце октября начале ноября и сохраняется до конца мая - июня.
Основной рекой в районе расположения нефтеотгрузочного комплекса является Песчанка. Она представляет собой цепь крупных озер общей площадью 57.7 км2, соединенных между собой протоками и стоком в Баренцево море. Истоком реки Песчанки служит озеро Малый Торавей, имеющее площадь водного зеркала 14.2 км2. Ниже по течению располагаются озера Б. Торавей - 20.4 км2 и Песчанка - 23.1 км2. Гидрологические условия реки Песчанка определяются режимом стока поверхностных вод, колебаниями уровня моря, ледовым режимом реки и морского побережья. Водный режим в реке Песчанка подчиняется общим закономерностям формирования поверхностного стока в Болынеземельской тундре и зависит от условий питания. Основная часть стока приходится на весну и составляет в среднем 70-80% годового объема, что связано с прохождением в это время половодья. В летний период гидрологический режим подчинен приливно-отливным морским течениям. Приливно-отливные колебания уровня воды в море носят циклический характер и отмечаются 2 раза в сутки. Амплитуда колебаний уровня воды в реке под действием приливно-отливных течений уменьшается с установлением ледяного покрова на Баренцевом море. Припайный лед вдоль морского побережья препятствует действию приливно-отливных течений.
Процесс ледообразования на море протекает активно и, в среднем, во второй декаде ноября здесь отмечается устойчивый ледяной покров. Формирование припая начинается с образования ледяного заберега. Ширина припая вдоль берега не превышает нескольких сотен метров. Под действием ветров и течений припай подвергается частым взломам. Максимальной толщины лед достигает в третьей декаде апреля и составляет 100-110 см, но может колебаться в пределах 75-160 см. В пределах глубин от 2 до 12-14 м могут образовываться стамухи, с горизонтальными размерами 100 и более метров. В мелководном, прибрежном районе Печорского моря может образовываться неподвижный ледяной припай. Средняя продолжительность ледового периода составляет 247 дней. Безледовый период в среднем отмечается в период со второй декады июля по вторую декаду октября. Характеристика ресурсов углеводородов Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция, включающая территорию Республики Коми, Ненецкого АО, небольшой части Пермской области, а также прилегающей акватории Печорского моря общей площадью 446 тыс. км (в том числе акватории 123 тыс. км ), много десятилетий вызывает интерес как крупный центр нефтегазонакопления, на базе которого развивается региональный нефтегазодобывающий комплекс.
В Тимано-Печорском нефтегазоносном бассейне на авлакогеновой стадии в раннем палеозое зарождается много мелких очагов нефтегенерации, которые работают в разное время, что обусловливает многоообразие типов нефтей в отложениях этой стадии [13, 27, 46, 85]. На последующих этапах развития бассейна зарождаются последовательно мощные очаги нефтегазогенерации - Предуральский и Баренцевоморский, определяющие всю нефтегазоносность соответствующих комплексов отложений.
На территории северной части провинции выделяются следующие нефтегазоносные области (НТО): Малоземельско-Колгуевская, Печоро-Колвинская, Хорейверская, Варандей-Адзьвинская, Северо-Предуральская (рис. 1.3). Некоторыми исследователями еще выделяются Ижма-Печорская и Косью-Роговская нефтегазоносные области. Наибольшие ресурсы сосредоточены в Печоро-Колвинской НТО, по нефти наибольшие запасы сосредоточены в трех областях - Хорейверской, Варандей-Адьзвинской и Печоро-Колвинской НТО (рис. 1.4).
Северный экономический район, в состав которого входит ресурсный потенциал Ненецкого АО, по разведанным запасам занимает третье место в Российской Федерации. Основу запасов углеводородного сырья северной части ТПНГП составляют нефтяные месторождения (рис. 1.5).
Анализ и совершенствование технологий возведения в прибрежной арктической зоне грунтовых оснований под инженерными сооружениями и их защита
Для обеспечения в Арктике надёжной эксплуатации объектов, совершенствования технологий возведения инженерных сооружений, с участием автора за период с 2006 по 2011 г.г. были проведены комплексные исследования. Результаты проведённых исследований позволяют отметить следующее. Изучаемые в составе мониторинговых работ объекты: технологическая площадка, дороги, резервуары, трубопроводы, были запроектированы по действующим нормам, регламентам и, в основном, отражали специфику строительства, эксплуатации их на Крайнем Севере [54, 57]. И, тем не менее, как подтверждают многолетние наблюдения, в 1993 году из-за размыва морской береговой линии, разрушения сооружений, район Варандея был признан зоной стихийного бедствия [116]. С конца 80-х до 2000-х годов глубина размыва береговой зоны волновыми процессами достигла до 250- 320 м [3]. Недостаточный учёт специфических природно-климатических условий осваиваемого района, геокриологических, гидрологических и других особенностей (засоленность талых и мёрзлых грунтов, связь гидрологии суши с гидрорежимом Баренцева моря, выраженные стоки поверхностных вод в море), присущих, расположенному на побережье Баренцева моря ВНОТ, в совокупности приводят к существенным деформациям промерзания-оттаивания, как в теле площадки, так и непосредственно в основаниях под инженерными сооружениями. Наряду с отмеченными осложнениями на поверхности, откосах технологической площадки под воздействием водно-ветровой и водной видов эрозии имеются нарушения, зафиксированы просадки резервуаров, дорог и трубопроводов, ведутся работы и соответственно выделяются дополнительные средства (порядка 5% от капитальных затрат) на восстановление земляного сооружения до проектных показателей.
Возведение технологических площадок (отсыпок) с большими в плане размерами резко искажает направления, скорости стоков грунтовых и подземных вод. Это приводит к резкому переувлажнению грунтов в отсыпках, снижению их физико-механических свойств, к дополнительным затратам на ремонт как непосредственно, так и возведенных на них сооружений. По нашему мнению, проектирование земляных сооружений следует осуществлять при обеспечении организации горизонтальных стоков вод на контактах искусственных грунтовым оснований с прилегающими к ним участкам. Следует отметить, что в настоящее время существуют различные подходы решения данной проблемы. Известен способ строительства грунтового сооружения, предусматривающий применение в отсыпках капилляропрерывающих слоев из дорогостоящих материалов, например (щебня, древесины). Одним из применяемых на практике способов пропуска вод под сооружением является использование дренажных труб. Однако их нельзя использовать в районах Крайнего Севера, а тем более для объектов с большими в плане размерами.
При наличии на обводнённых территориях выраженных уклонов и интенсивных стоков поверхностных вод в различные периоды года происходят процессы дополнительного увлажнения грунтовых оснований под сооружениями, миграции влаги или к фронту промерзания, или отток её вниз при оттаивании. Интенсификация данных процессов отражается и на формировании теплового режима на обводнённых территориях. Процессы промерзания-оттаивания пылеватых грунтов приводят к максимально возможным деформациям, как тундровой поверхности, так и непосредственно инженерных сооружений. Приведенные выше осложнения можно устранить за счёт использования при возведении земляных сооружений высококачественных, дорогостоящих дорожно-строительных материалов и вяжущих, таких как цемент, известь, битум, щебень-клинец, синтетические тканые и нетканые материалы. Однако, применение этих материалов в грунтовых основаниях, как показала практика, приводит к многократному завышению затрат на строительство промысловых сооружений в арктических регионах.
Для оптимизации капитальных затрат, повышения надёжности их эксплуатации сооружений с участием автора подана заявка и получен приоритет на изобретение способа по строительству грунтового сооружения (технологической площадки) в зонах распространения сезонно-промерзающих и многолетнемёрзлых пород в прибрежной зоне [161].
Способ строительства грунтового сооружения на обводнённом участке включает возведение из грунта, упрочнённого вяжущим материалом, водопропускной системы, послойную отсыпку основной части сооружения, устройство на его поверхности подстилающего слоя и покрытия. При наличии на осваиваемом участке слабо напорных поверхностных вод в составе водопропускной системы возводят горизонтальные водоупорные и фильтрующие валики на высоту 0,3...0,5 м, а затем послойно отсыпают основную часть сооружения. При этом водоупорные валики, выполненные из слабо фильтрующего грунта, размещают параллельно, а фильтрующие валики перпендикулярно продольной оси сооружения.
В случаях значительных напоров поверхностных вод на сооружение одновременно с послойной отсыпкой объекта возводят вертикальные водоупорные, фильтрующие диафрагмы водопропускной системы. При этом водоупорные диафрагмы, выполненные из слабо фильтрующего грунта, размещают параллельно, а фильтрующие диафрагмы перпендикулярно продольной оси сооружения.
К отличительным признакам предлагаемого решения, по сравнению с другими способами, относятся следующие:
водопропускную систему при слабых напорах поверхностных вод возводят на высоту 0,3...0,5 м от подошвы сооружения;
в составе водопропускной системы одновременно возводят горизонтальные водоупорные и фильтрующие валики;
водоупорные валики размещают параллельно продольной оси сооружения и выполняют из слабо фильтрующего грунта, а фильтрующие валики перпендикулярно данной оси;
после возведения валиков производят послойную отсыпку основной части грунтового сооружения;
водопропускную систему в случаях значительных напоров поверхностных вод на сооружение возводят одновременно с послойной отсыпкой основной части объекта. При этом вертикальные водоупорные диафрагмы, выполняют из слабо фильтрующего грунта и размещают параллельно продольной оси сооружения. В тоже время фильтрующие диафрагмы размещают перпендикулярно данной оси.
Разработанный способ позволяет повысить устойчивость песчано-грунтовой отсыпки под фундаментами к внешним воздействиям, упростить и удешевить организацию инженерно-геокриологического мониторинга за счет сокращения элементов наблюдательной сети. Это решение позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты при освоении арктических регионов. Наряду с этим за счёт локального упрочнения, организации оттока влаги из сооружений, предлагаемое решение позволяет на 15...25% продлить их сроки эксплуатации.
С целью дополнительной защиты технологической площадки и безопасной эксплуатации, возведенных на ней инженерных сооружений, расположенных в районе береговой линии Печорского моря, ее необходимо дополнительно защитить от воздействия водно-ветровой эрозии и ледяных полей. Применяемые в настоящее время способы укрепления берегов от морской и ветровой эрозии, такие как волноломы, волнорезы, волногасители, противооползневые мероприятия, пескоудержание, формирование авандюн и т.д. [4] в условиях Арктики недостаточно эффективны. С целью защиты покровных отложений верхних террас, берегов арктических морей от ветровой, водной эрозии предлагается новый способ защиты морских террас, береговых откосов от ветровой и морской эрозии [162], разработанный в рамках Северного Арктического федерального университета. В данном способе, отверждение грунтов «тяжёлой» нефтью осуществляют на мозаично расположенных участках покровных отложений, при этом участки дополнительно закрепляют к подстилающим грунтам полыми термоокисленными анкерами и размещают в их полостях биологически приемлемые для рекультивации вещества, активизированные семена многолетних трав, саженцы растений (рис. 2.1).
Обоснование применения фундамента с использованием системы термостабилизации
Для исключения теплового влияния резервуаров на мерзлые грунты основания с участием автора предложен комплекс мероприятий инженерной защиты, который не позволит грунтам снижать свою несущую способность. Решить проблему надежности фундаментов в таких сложных условиях удалось с помощью термостабилизации - искусственного замораживания талых и мерзлых грунтов в основании резервуаров.
Температура нефти, хранящейся в резервуарах, составляет примерно +50 С. Так как нефть в этом регионе является смолисто-асфальтеновой с высокой температурой застывания, для ее нормальной транспортировки и отгрузки в танкера необходим подогрев. Для исключения теплового влияния резервуаров на мерзлые грунты с участием автора предложен комплекс мероприятий инженерной защиты, который не позволит грунтам потерять свою несущую способность.
Данное решение обеспечивается следующими инженерными мероприятиями:
1. Устройство под всей площадью грунтовой подушки слоя эффективной теплоизоляции. В качестве теплоизоляционного материала предусмотрены плиты из пенополистирола
2. Устройство системы принудительного охлаждения мерзлых грунтов основания с помощью стабилизаторов пластично-мерзлых грунтов (СПМГ), работающих за счет отрицательных температур воздуха в осенне-зимне-весенний период года и при работе компрессоров (при необходимости) в летний период года, обеспечивая требуемую несущую способность основания.
Конструкция фундамента вертикального стального резервуара объемом 50000 м3 (РВС-50000) включает в себя [28]:
- теплоизолирующий экран из экструдированного пенополистирола;
- песчаную насыпь (подушка);
- сборное железобетонное кольцо из дорожных плит, воспринимающие нагрузки от стенок резервуара;
- гидрофобный слой из рулонного материала.
В основании фундамента каждого резервуара смонтирована система термостабилизации грунтов, состоящая из 132 СПМГ (рис. 2.7).
Термостабилизаторы СПМГ-38/76 представляют собой герметический сосуд (испаритель) из нескольких секций труб диаметром 76 мм из нержавеющей стали, который соединяется с теплообменником. Шаг между термостабилизаторами определен из условия обеспечения постоянного мерзлого состояния грунтов основания и сохранения требуемых температур мерзлых грунтов в интервале глубин 3...6 м от отметки планировочной поверхности, а также предотвращения промораживания глубже 6 м, водонасыщенных засоленных грунтов, подстилающих мерзлый несущий слой. Температура промораживания составляет- 1,6 С.
Для работы при положительных температурах атмосферного воздуха между теплообменником и испарителем монтируется холодильный агрегат, замкнутый на второй контур термостабилизаторов. В качестве хладагента для СПМГ используется фреон R22. Под действием низких температур фреон, находящийся в верхней части стабилизатора конденсируется и затекает под основание резервуара, затем нагревается, отбирая тепло у грунта, переходит в газообразное состояние и поднимается в верхнюю часть термостабилизатора, отводя тепло от грунта в атмосферу.
В летний период года для конденсации хладагента используется компрессор. Испарители располагаются на отсыпанной песчаной подушке толщиной 200...300 мм. На верхний слой укатанной планировочной насыпи укладываются теплоизоляционные пенополистрольные плиты URSA несколькими слоями (рис. 2.8). Плиты из экструдированного пенополистирола URSA обладают одним из самых низких коэффициентов теплопроводности среди широко применяемых в строительстве утеплителей. Плиты не снижают свои теплоизолирующие свойства не только в условиях атмосферной влажности, но и при контакте с водой. Закрытая пористая структура плит и свойства поверхности гранул пенополистирола исключают капиллярные явления и обеспечивают минимальное водопоглощение, даже в условиях гидростатического давления. Такие плиты могут эксплуатироваться при непосредственном контакте с грунтом и грунтовыми водами. Точность геометрических размеров и незначительный вес плит позволяют достигнуть максимальной производительности труда при монтаже без применения специальных механизмов.Над ним устраивается песчаная подушка толщиной от 390 мм (под сборным железобетонным кольцом) до 890 мм (в центре резервуара) и под резервуар железобетонное основание из дорожных плит. С целью снижения интенсивности коррозионных процессов на днище резервуара укладывается гидрофобный слой из рулонного материала.
Применение совместно с термостабилизацией (дополнительным охлаждением или теплоизоляцией) поверхностных оснований мелкозаглубленного фундамента, опирающегося на кровлю вечномерзлых грунтов, окажет более щадящее воздействие на слабые, пластичные породы, чем глубокое прорезание их толщи сваями [64]. Тем самым достигается большая стабильность основания, на которое располагается нефтехранилище.
С учётом повышенных требований к безопасности объектов ВНОТ при эксплуатации в условиях высокотемпературных ММП, автором были проведены стендовые исследования хладопроизводительности различных по конструктивному исполнению термостабилизаторов (охлаждающих устройств - ОУ). Для этого были изготовлены теплоизолированная стальная ёмкость и четыре ОУ. Причем два из них были заправлены аммиаком-717, и два - фреоном-22. Все конденсаторные элементы ОУ имели съёмные насадки с различной площадью теплосъёма. Два испарительных элемента ОУ были выполнены вертикальными, а два имели наклон к горизонтальной плоскости порядка 5. Нижние части ОУ размещались в ёмкость с засолёной до 1,0 %, охлаждённой до минус 0,5 С водой. Конденсаторные элементы ОУ находились над ёмкостью (рис. 2.9).
В процессе испытаний конденсаторные части устройств обдувались воздухом, охлаждённым от + 20,0 до - 50,0 С. Скорость подачи воздуха изменялась от 0,5 до 25 м/с. Испытания включали регистрацию температур воздуха и воды, скорости движения воздуха. Наиболее представительные результаты стендовых испытаний приведены на рисунке 2.10,2.11.
Область распространения и рекомендации по применению инженерно-геокриологического мониторинга
Результаты диссертационной работы предлагают новый инструмент для решения задач в области управления эксплуатационной безопасностью при транспортировке нефти в прибрежно-морской зоне в условиях Крайнего Севера. Они могут использоваться для обоснования и совершенствования системы инженерно-геокриологического мониторинга прибрежно-морских нефтеотгрузочных сооружений с целью безопасной эксплуатации объектов и снижения экологического воздействия на геологическую среду и прогнозирования ее состояния. Накопленный первый такой опыт при сооружении и эксплуатации самого северного нефтяного отгрузочного терминала позволит полученные результаты эффективно использовать при строительстве аналогичных объектов в суровых условиях Арктического шельфа России.
В качестве рекомендаций по применению геокриологического мониторинга на других подобных объектах Крайнего Севера, следует отметить, что сеть геокриологического мониторинга должна строиться так, чтобы она обеспечивала сбор необходимого комплекса информации об изучаемом объекте. Кроме того, система мониторинга должна обеспечивать немедленное реагирование на возможные аварийные ситуации.
При дальнейшем освоении арктических регионов, необходимо учесть положительный опыт строительства и эксплуатации ВНОТ. При строительстве объектов в районах побережья Севера, для технологической площадки целесообразно использовать способ по строительству грунтового сооружения на обводнённом участке, включающий возведение водопропускной системы из грунта, упрочнённого вяжущим материалом, послойную отсыпку основной части сооружения, устройство на его поверхности подстилающего слоя и покрытия. Для защиты технологической площадки от ветровой и волновой эрозии, от штормовых воздействий и ледовых подвижек и с целью обеспечения безопасной эксплуатации сооружений рекомендуется применять технологические решения, предложенные в данной работе. При строительстве резервуаров с подогревом на ММП предпочтительнее применять поверхностные фундаменты с термостабилизацией грунтов в их основании. В период эксплуатации следует применять инженерно-геокриологический мониторинг, позволяющий получать объективные данные о состоянии верхней части геологической среды, оснований и фундаментов, контролировать, а если необходимо, обеспечивать конструктивную надежность, эксплуатационную безопасность сооружений в районах распространения ММП.
Похожие диссертации на Обеспечение безопасности прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса в условиях Крайнего Севера на основе геокриологического мониторинга : на примере Варандейского терминала
