Обеспечение безопасности прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса в условиях крайнего севера на основе геокриологического монит о ринга (на примере варандейского терминала)

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Бурков Денис Владимирович

Обеспечение безопасности

прибрежно-морского

нефтеотгрузочного комплекса

в условиях крайнего Севера на основе

геокриологического мониторинга

(на примере Варандейского терминала)

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена в Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В. Ломоносова (САФУ имени М.В. Ломоносова)

Научный руководитель	доктор геолого-минералогических наук, профессор Губайдуллин Марсель Галиуллович
Официальные оппоненты:	Нугаев Раис Янфурович, доктор технических наук, профессор, ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов», главный научный сотрудник отдела «Гидродинамическое моделирование технологических процессов в добыче нефти» Дудников Юрий Владимирович, кандидат технических наук, Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Республике Башкортостан, руководитель Управления
Ведущая организация	ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Защита состоится 20 сентября 2012 г. в 1600 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном
унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов»
(ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 20 августа 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

1. 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.
2. 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.
3. Предложен новый способ строительства технологических площадок в зонах распространения сезонно-промерзающих и многолетнемёрзлых пород, даны рекомендации по инженерной защите сооружений в прибрежной зоне.
4. Обоснован метод геокриологического мониторинга, направленного на повышение промышленной и экологической безопасности эксплуатации прибрежно-морских нефтеотгрузочных комплексов в арктической зоне.

Защищаемые научные положения:

1. 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;
2. Результаты лабораторных и натурных исследований хладопроизводительности термостабилизаторов, обеспечивающих поддержание ММП под обогреваемыми резервуарами в мёрзлом состоянии;
3. Система комплексного инженерно-геокриологического мониторинга, направленная на обеспечение безопасной эксплуатации инженерных сооружений ВНОТ.

Практическая ценность результатов работы

1. 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».
2. Разработан способ строительства технологических площадок для промышленных сооружений на сезонно-промерзающих грунтах или ММП.
3. 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.
4. 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.

Краткое СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе рассмотрены и проанализированы основные условия, влияющие на безопасность и осложняющие эксплуатацию прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса.

Большая часть природных ресурсов России находится в районах Крайнего Севера, и проблемы обеспечения инженерно-экологической безопасности инфраструктуры в условиях распространения ММП, изменения климата следует относить к числу приоритетных научных задач. В прибрежной зоне района исследований находится целый ряд достаточно крупных месторождений (рисунок 1).

Рисунок 1 Месторождения углеводородов прибрежно-шельфовой зоны

Печорского моря

При транспортировке углеводородного сырья с месторождений северной части России, в том числе на экспорт, в течение многих десятилетий стратегически приоритетны были трубопроводные системы, слабоориентированные на морские варианты транспортировки. Сейчас же разработка основных нефтяных и газовых месторождений РФ все более смещается в сторону прибрежных территорий и арктического шельфа, что значительно повышает значение прибрежно-морских коммуникаций.

В 2008 году впервые в мировой практике в условиях замерзающего моря НК «ЛУКОЙЛ» вблизи пос. Варандей была введена в эксплуатацию уникальная транспортно-технологическая система по вывозу нефти с месторождения северной части ТПНГП на мировой рынок, подтвердившая возможность транспортировки нефти через акватории арктических морей.

Специфика эксплуатации этого уникального прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса определяется суровостью климата, а также геологическими особенностями и условиями, осложняющими эксплуатацию ВНОТ. От реакции ММП на внешние воздействия во многом зависит устойчивость геологической среды северных геосистем, которая определяется ее способностью к сохранению и восстановлению своих свойств, обеспечивающих нормальные условия функционирования и жизнеобитания путем самоочищения от природного и техногенного влияния.

Многолетнемёрзлые породы являются наиболее нестабильным компонентом геологической среды, от которого зависят устойчивость и надёжность
безопасного функционирования возведённых на них инженерных объектов. С учетом пространственно-временных характеристик развития ММП в условиях заполярной тундры предлагается следующая градация устойчивости геологической среды к распространенности криогенных геологических процессов: устойчивое состояние (категория I); умеренно устойчивое состояние (II); слабоустойчивое состояние геологической среды (III); региональное неустойчивое состояние геологической среды (IV).

В соответствии с этой градацией с участием автора выполнена оценка состояния геологической среды на основании результатов мелко- и среднемасштабных съемок по изучению распространения ММП и пораженности территории криогенными процессами в районе площадки берегового резервуарного парка (БРП) ВНОТ (рисунок 2).

а) б)

а) ландшафтные условия и развитие экзогенных геологических процессов:

1 – ледниковая равнина; 2 – озерно-морская равнина; 3 – прибрежно-морская равнина;

4 – заболачивание; 5 – термокарст; 6 – эоловые процессы; 7 – интенсивная абразия; 8 – овраги; 9 – оползни; 10 – термоэрозионные уступы; 11 – участки вспучивания грунтов; б) состояние геологической среды: 1 – устойчивое; 2 – умеренно устойчивое; 3 – слабоустойчивое

Рисунок 2 Схема эколого-геологических условий Варандейского района

Как видно из рисунка 2, территория исследуемого района характеризуется преимущественно средней и слабой интенсивностью развития экзогенных процессов (это соответствует I и II категориям устойчивости геологической среды). Состояние геологической среды оценивается как умеренно устойчивое. Данные результаты, полученные с участием автора, позволили обосновать наиболее благоприятное место для площадки под строительство ВНОТ.

На основании исследований, проведенных с участием автора, здесь выделяются четыре геолого-геоморфологических уровня с различным строением грунтовой толщи: морской пляж, низкая лайда, высокая лайда и первая морская терраса (таблица 1). Криогенная толща в районе исследования имеет сложное строение и представлена мерзлыми и охлажденными породами.

Таблица 1 Типы и физико-механические свойства грунтов

Геолого-геоморфологический уровень	ИГЭ*	Наименование грунта	Состояние грунта	Влажность, %	Плотность, г / см3	Коэфф. пористости
Низкая лайда пляж	В.20.в.3.2	Песок мелкий, сильнозасоленный, насыщенный водой, средней плотности	Охлажд.	19,0	2,10	0,50
	В.24.в.3	Супесь охлажденная, сильнозасоленная, текучая	Охлажд.	23,2	2,02	0,61
	В.28.в.2	Суглинки охлажденные, сильнозасоленные, полутвердые	Охлажд.	19,5	2,10	0,52
Высокая лайда	А.20.3.2	Песок мелкий, насыщенный водой, средней плотности	Талое	17,5	2,04	0,52
	В.21.в.3	Песок пылеватый сильнозасоленный, насыщенный водой	Охлажд.	22,1	2,02	0,60
	В.28.в.4	Суглинок охлажденный, сильнозасоленный	Охлажд.	22,4	2,06	0,56
	В.42.в.б	Ил суглинистый, сильнозасоленный, слабозаторфованный	Талое	28,0	1,95	0,75
	Г.20.1.1	Пески твердомерзлые, слабольдистые	Талое	21,0	2,05	0,56
	Г.50.а.2.1	Супесь слабозасоленная, пластично-мерз-лая, слабольдистая	Охлажд.	22,5	1,97	0,64
Первая морская терраса	Г.21.1.1	Песок пластично-мерз-лый, слабольдистый	Талое	18,7	1,95	0,61
	Г.21.а.2.1	Песок слабозасоленный, пластично-мерз-лый, слабольдистый	Охлажд.	24,3	2,00	0,64
	Г.32.а.2.1	Суглинок тяжелый, слабозасоленный, пластично-мерзлый, слабольдистый	Охлажд.	20,2	2,05	0,57
Примечание. * Индексация инженерно-геологических элементов.

Площадка резервуаров относится к северному участку тундры с отметками естественной поверхности от 1,4 до 5,0 м. По всей площадке распространены многолетнемерзлые грунты с температурами от минус 0,5 °С до минус
2,8 °С. Грунты до глубины 3…11 м находятся в твердо- и пластично-мерзлом состояниях. Далее залегают охлажденные (в талом состоянии) засоленные грунты со степенью засоленности от 0,09 % до 1,03 %.

Многолетнемерзлые породы претерпевают естественные изменения на протяжении длительного времени. Техногенные воздействия способны резко активизировать естественную динамику этих изменений за счет формирования теплового поля вокруг инженерных сооружений (Г.В. Порхаев, Н.А. Цытович, С.С. Вялов, П.И. Мельников, В.А. Кудрявцев, Е.С. Мельников, С.Е. Гречищев, В.Р. Цибульский, А.А. Коновалов, М.М. Дубина, L. Thomas и др.). Для постановки и решения задач безопасности эксплуатации БРП ВНОТ, а также для выявления направленности и степени влияния хозяйственного освоения территории на мерзлотную обстановку необходимо:

• особое внимание уделить отсыпке (подготовке) производственной площадки и выбору типа фундамента для нефтяных резервуаров;
• разработать методы инженерно-геокриологического мониторинга для нефтеотгрузочного комплекса.

Проведенный автором анализ эксплуатации объектов нефтегазового комплекса в районах распространения ММП свидетельствует о том, что в Западной Сибири, например, ежегодно происходит около 35 тыс. аварий на нефте- и газопроводах, в том числе связанных с потерей устойчивости фундаментов и деформацией опор. Имеются многочисленные примеры частичного или полного разрушения жилых и промышленных зданий при изменениях в их основаниях водно-теплового режима ММП. Все это свидетельствует о возможных деформациях оснований эксплуатируемых резервуаров и подчеркивает актуальность рассматриваемой автором проблемы обеспечения безопасности ВНОТ.

Вторая глава посвящена особенностям устройства оснований и фундаментов нефтяных резервуаров ВНОТ и разработке оптимальных по стоимости технологий их возведения и эксплуатации. В условиях Крайнего Севера широкое применение находит возведение производственных сооружений и объектов нефтедобычи на поверхности насыпных грунтовых площадок. Возведение технологических площадок (отсыпок) больших в плане размеров 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 (порядка 5 % от капитальных затрат). По мнению автора, проектирование земляных сооружений следует осуществлять при обеспечении организации горизонтальных стоков вод на контактах искусственных грунтовых оснований с прилегающими к ним участками. Следует отметить, что в настоящее время существуют различные подходы к решению данной проблемы. Известен способ строительства грунтового сооружения, предусматривающий применение в отсыпках капилляропрерывающих слоёв 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 больших в плане размеров.

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, синтетических тканых и нетканых материалов. Однако применение этих материалов в грунтовых основаниях, как показала практика, приводит к многократному завышению затрат на строительство в арктических регионах.

Для оптимизации капитальных затрат, повышения надёжности эксплуатации сооружений с участием автора подана заявка и получен приоритет на изобретение (Способ строительства грунтового сооружения на обводненном участке). Данное решение включает возведение водопропускной системы из грунта, упрочнённого вяжущим материалом, послойную отсыпку основной части сооружения, устройство на его поверхности подстилающего слоя и покрытия. В составе водопропускной системы возводят горизонтальные водоупорные и фильтрующие валики высотой 0,3…0,5 м, а затем послойно отсыпают основную часть сооружения. При этом водоупорные валики, выполненные из слабофильтрующего грунта, размещают параллельно, а фильтрующие валики перпендикулярно продольной оси сооружения. 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.

С целью дополнительной защиты технологической площадки и безопасной эксплуатации возведенных на ней инженерных сооружений, расположенных в районе береговой линии Печорского моря, ее необходимо защитить от воздействия водно-ветровой эрозии и ледяных полей. 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, разработанный в САФУ. При данном способе отверждение грунтов 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 (рисунок 3).

Рисунок 3 Способ защиты морских террас от ветровой и морской эрозии

Предлагаемое решение позволяет исключать применение дорогостоящих дорожно-строительных материалов. Для защиты береговой линии от воздействия штормовых явлений и ледовых подвижек также существуют технические способы. Специалистами САФУ предлагается решение, основная идея которого заключается в том, что в летние штормовые периоды морская вода, достигая верхней точки приурезового откоса, проходя через дренирующие слои искусственного щебня, резко теряя свою разрушительную энергию, сбрасывается обратно в море. При весенних подвижках ледяных полей на дамбу происходят перемещение льдин по пологому склону приурезового откоса к верхней части сооружения и аккумуляция льда на верхних террасах побережья. В начале летнего периода происходят таяние льда и сброс воды в море (рисунок 4). Предлагаемое решение имеет следующие преимущества: строительство, эксплуатация дамб могут осуществляться при резких колебаниях уровня вод в береговых откосах и водоёмах; упрочнение тела дамбы обоймой из грунтовой смеси, сетками, «жёсткой» стержневой арматурой позволяет при штормовых, ледовых воздействиях на сооружение обеспечить надёжность его эксплуатации на побережьях арктических морей; наличие в нижней части изолирующей обоймы водосборного коллектора и водосбросных труб позволяет поддерживать в теле грунтовой насыпи постоянный влажностный режим и обеспечить прочностные и деформационные свойства дамбы; решение позволяет исключить применение дорогостоящих дорожно-строительных материалов, а также на 30…40 % снизить объёмы земляных, транспортных работ.

1 – отсыпка песчаного основания; 2 – слой искусственного щебня; 3 – нижняя часть обоймы; 4 – сетка; 5 – водоприемный коллектор; 6 – водосточные трубы; 7 – грунтовая насыпь;
8 – искусственный щебень; 9 – рабочее покрытие дороги; 10 – бордюры с отверстиями
для пропуска атмосферных осадков; 11 – берег; 12 – слой искусственного щебня;
13 – фильтрующая ткань; 14 – местный грунт; 15 – анкеры; 16 – стержневая арматура;
17 – анкерные пластины

Рисунок 4 Поперечный разрез гидротехнической дамбы

Эти технические решения в совокупности позволят в значительной мере обеспечить надежность и безопасную эксплуатацию сооружений, расположенных в прибрежных зонах арктических морей.

Следует отметить, что температура хранения нефти в резервуарах составляет 50 °С. В связи с этим устойчивость грунтовых оснований может быть нарушена в результате повышения температуры в подстилающих мерзлых грунтах. В условиях прибрежной зоны Печорского моря целесообразнее применять подход, при котором грунты основания используются в мерзлом состоянии. Для сохранения мерзлого состояния грунтов в основании резервуаров применяют свайный фундамент с устройством вентилируемого подполья и фундамент поверхностного типа, предусматривающий использование охлаждающих устройств.

Проведенные в соответствии с нормативными документами
(СНиП 2.02.03-85, СНиП 2.02.04-88, СНиП 3.02.01-87) расчеты подтвердили возможность использования в районе ВНОТ различных типов фундаментов. Однако при сравнении капитальных затрат на выполнение свайных фундаментов и поверхностного типа с термостабилизаторами целесообразным оказывается использование последних (см. таблицу 2).

Таблица 2 – Сравнительный расчет стоимости строительства фундаментов

под РВС-50000 м3

Виды работ	Свайный фундамент, млн руб.	Поверхностный фундамент с термостабилизаторами, млн руб.	Разность затрат, млн руб.
Земляные работы	0,286	0,539	0,253
Свайные работы	50,279	-	50,279
Система температурной стабилизации грунтов	-	34,308	34,308
Дополнительные и вспомогательные работы	3,012	3,059	0,047
Итого:	53,577	37,906	15,671

При анализе безопасности эксплуатации двух типов фундаментов установлено следующее. Свайные фундаменты в высокотемпературных ММП имеют низкую несущую способность и не исключают оттаивание грунтов в основании резервуаров. Следует отметить, что в процессе эксплуатации резервуаров на свайных фундаментах емкостью 10 000 м3, входящих в состав ВНОТ
с 2000 г., были зафиксированы недопустимые осадки (до 25 см), приведшие на одном из них к аварийному состоянию. В случае применения резервуаров емкостью 50 000 м3 и более риск возникновения аварийной ситуации многократно возрастает. С учетом вышеизложенного для обогреваемых резервуаров на ММП в данном районе целесообразно применять поверхностные фундаменты с термостабилизацией грунтов в основании. Это и было реализовано с использованием новых технологий поддержания грунтовых оснований под обогреваемыми резервуарами в мёрзлом состоянии.

Анализируя результаты инженерно-геокриологических изысканий, выполненных при участии автора, необходимо отметить следующее. На глубине 5,3…14,5 м под верхними слоями в ММП прибрежной зоны встречаются так называемые криопэги, не обладающие необходимой для безопасной эксплуатации сооружений несущей способностью. Грунты с требуемой для строительства объектов ВНОТ несущей способностью залегают на глубине 10 и более метров.

Как показали результаты мониторинговых исследований, выполненных с участием автора за период с 2006 по 2011 гг., недостаточный учёт специфических природно-климатических условий осваиваемого района в совокупности приводит к существенным деформациям промерзания-оттаивания как в теле площадки, так и непосредственно в основаниях под инженерными сооружениями. Поэтому сохранение исходного состояния толщи ММП является основой для обеспечения безопасности объектов ВНОТ.

Для исключения теплового влияния резервуаров на мерзлые грунты основания с участием автора предложен комплекс мероприятий инженерной защиты, которые исключают снижение несущей способности грунтов оснований сооружений. Данную проблему можно успешно решить за счет использования термостабилизаторов, применяемых специалистами организаций «Фундаментпроект» и «Фундаментстройаркос». Пример использования термостабилизаторов приведен на рисунке 5. В данном решении фундаменты поверхностного типа передают нагрузку от резервуаров на грунтовое основание, охлаждаемое термостабилизаторами. В результате работы термостабилизаторов формируется «монолитная льдогрунтовая плита», обеспечивающая заданную несущую способность.

Для контроля необходимого температурного режима ММП и своевременного устранения непредвиденных тепловыделений под резервуарами и фундаментами необходимо проводить режимные геокриологические наблюдения за динамикой изменения теплового режима грунтовых оснований. Создание сети комплексного инженерно-геокриологического мониторинга грунтов под основаниями как инструментария оценки эффективности предложенных с участием автора мероприятий позволило эффективно управлять геокриологической средой и обеспечить эксплуатационную безопасность сооружений ВНОТ.

Рисунок 5 Вертикальный разрез конструкции фундамента

поверхностного типа с системой термостабилизации

грунтового основания

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 R22. Все конденсаторные элементы ОУ имели съёмные насадки с различными площадями теплосъёма. Два испарительных элемента ОУ были выполнены вертикальными, а два имели наклон к горизонтальной плоскости порядка 5о. Нижние части ОУ размещались в ёмкости с засоленной до 1,0 % и охлаждённой до минус 0,5 оС водой. Конденсаторные элементы ОУ находились над ёмкостью (рисунок 6).

1 – стальная емкость, заполненная охлажденной водой; 2 – теплоизоляция; 3 – охлаждающее устройство с вертикальным испарителем; 4 – охлаждающее устройство с наклонным

испарителем; 5 – вентилятор; 6 – поток холодного воздуха; 7 – жалюзийная решетка

Рисунок 6 – Вертикальный разрез экспериментальной установки

В процессе испытаний конденсаторные части устройств обдувались воздухом, охлаждённым от 20 оС до минус 50 оС. Скорость подачи воздуха изменялась от 0,5 до 25,0 м/с. Испытания предусматривали регистрацию температур воздуха и воды, скорости движения воздуха. Наиболее представительные результаты стендовых испытаний приведены на рисунках 7, 8.

Исследованиями было установлено следующее. Применение различных хладонов для заправки ОУ влияет на их хладопроизводительность. При выборе агентов необходимо учитывать характеристики их пожаровзрывоопасности. Эффективность работы ОУ с вертикальным и наклонным испарителями существенно отличается и зависит от площади теплосъёма конденсаторной части. Однако резкое увеличение её площади приводит к повышению материалоёмкости и стоимости изготовления. Поддержание максимальных градиентов температур между охлаждаемой средой и наружным воздухом для повышения производительности ОУ также приводит к необходимости применения дополнительного слоя дорогостоящей теплоизоляции. Из вышеприведенного очевидна необходимость совершенствования применяемых в настоящее время конструкций.

Рисунок 7 – Графики зависимости охлаждения жидкости (Qохл)

от соотношения площадей конденсатора (Fк)

и испарителя (Fи) вертикальных (а) и наклонных (б)

стабилизаторов, заполненных фреоном – R22

и аммиаком – 717

а – ОС с вертикальным испарителем, б – с горизонтальным испарителем

Рисунок 8 – Графики зависимости охлаждения жидкости (Qохл)

от градиента температур между конденсаторной

и испарительной частями ОС (Т), заполненных

аммиаком – 717 и фреоном – R22

В третьей главе приведены основные положения технологии оснащения и использования сети инженерно-геокриологического мониторинга, обеспечивающей измерение и оценку состояния грунтовых оснований и фундаментов поверхностного типа для резервуаров.

Выполненный автором анализ показывает, что инженерно-геокриологический мониторинг, как правило, проводится для грунтов, залегающих на глубинах более 10…12 м, например, в районах Аляски, Якутии. Вместе с тем, термический режим верхних горизонтов криолитозоны является определяющим фактором устойчивости инженерных сооружений. Он служит индикатором современных климатических колебаний и формируется под воздействием двух основных факторов: температуры приземных слоев атмосферы и свойства снежного покрова. В связи с этим особое значение приобретает необходимость проведения специальных инженерных геокриомониторинговых исследований верхней части разреза. Вопросы, касающиеся обоснования методики и технологий проведения мониторинга площадных инженерных сооружений в прибрежно-морской переходной зоне, в настоящее время проработаны в недостаточной степени, и поэтому разработка такого вида инженерно-геокриологического мониторинга является актуальной задачей.

Инженерно-геокриологический мониторинг грунтов в основании резервуарного парка включает комплекс наблюдений за водно-тепловым режимом грунтов в основаниях, деформациями фундаментов, а также работой охлаждающих устройств для поддержания проектного режима в процессе многолетней эксплуатации объектов на ВНОТ.

Сеть инженерно-геокриологического мониторинга площадки резервуарного парка РВС-50000 (4 шт.) ВНОТ, предложенная и реализованная при участии автора, состоит из глубинных реперов (Rр), грунтовых (ГМ) и деформационных марок, гидрогеологических скважин, термометрических скважин и поперечников.

Наблюдения за температурами грунтов основания резервуаров производятся в вертикальных термометрических скважинах наружных (ТСн) и внутренних (ТСв) и горизонтальных термометрических поперечниках (ТП). Термометрические скважины установлены у каждого резервуара: пять под днищем, четыре по контуру резервуара (рисунок 9). Термометрический поперечник представляет собой горизонтальную металлическую трубу, уложенную вдоль центральной оси резервуара в направлении, перпендикулярном уложенным термостабилизаторам. Для измерения температур грунтов в термометрических скважинах и поперечниках используются температурные датчики, собранные в термокосы. Концы термокос выводятся в основании резервуаров до ближайших шкафов управления, расположенных по контуру основания резервуаров. Рекомендованный при участии автора порядок размещения температурных датчиков по глубине и площади грунтовых оснований под резервуарами приведен на рисунке 10. В термометрических скважинах температурные датчики установлены с периодичностью 1 м, а в термометрическом поперечнике – 3 м.

Рисунок 9 Схема расположения термометрических скважин

1 – термоскважина наружная ТСН; 2 – термокоса ТК-10; 3 – теплоизоляционный

слой; 4 – грунтовая засыпка; 5 – защитная стенка; 6 – стенка резервуара;

7 – термометрический поперечник; 8 – стабилизатор пластично-мерзлых грунтов;

9 – термокоса внутренняя (азимутальная); 10 – термокоса внутренняя (центральная);

11 – днище резервуара

Рисунок 10 Схема расположения термометрических датчиков

в основании резервуара

О температурном состоянии грунтового основания под резервуарами и на периферии можно судить по соответствующим измерениям распределения температур в массиве грунта как по глубине, так и в различных точках горизонтов.

Наблюдения за деформациями основания и фундаментов резервуаров ведутся при помощи глубинных реперов, грунтовых марок и деформационных марок наружных (НМ) и внутренних (ВМ). Деформационные марки НМ жестко крепятся снаружи к конструкциям защитного резервуара, ВМ к днищу основного резервуара и внутренней стенке защитного резервуара. Грунтовые марки устанавливаются в планировочной насыпи резервуарного парка вблизи резервуаров. Глубинные реперы образуют исходную геодезическую сеть, предназначенную для оценки деформаций резервуаров и планировочной насыпи по деформационным и грунтовым маркам. Конструкция реперов приведена на рисунке 11. Предложенная автором система наблюдений за высотными отметками деформационных марок (8 шт.), установленных по периметру резервуара, позволяет определить значения просадок.

Рисунок 11 Устройство глубинных реперов и гидрогеологических скважин

Дополнительно организовано наблюдение за пучением грунта отсыпки. Для наблюдения за пучением грунта устанавливаются грунтовые марки. Грунтовые марки для измерения вертикальных деформаций грунтов поверхностного типа устанавливаются на поверхности земляного сооружения.

Наблюдения за уровнем грунтовых вод ведутся при помощи гидрогеологических скважин. В гидрогеологическую скважину устанавливается гидрогеологическая трубка с закрытым нижним концом. В нижней части трубы имеется отстойник, на уровне возможного движения сезонно-талых и надмерзлотных вод – перфорация. Гидрогеологические скважины также служат в целях забора воды для химического анализа ее состава.

Измерения деформаций и температур грунтов проводятся ежемесячно, а измерения уровня грунтовых вод во время весеннего снеготаяния и осенних дождей. Результаты измерений фиксируются в специальном журнале.

Выполнение предусмотренных технических решений по термостабилизации грунтов, а также контроль состояния грунтов позволяют обеспечить несущую способность, устойчивость и долговечность фундаментов и самих сооружений, а также свести к минимуму воздействие на ММП. Перечисленные виды исследований на объекте ведутся в полном объеме. Результаты проведённых исследований представлены в четвертой главе.

Четвертая глава посвящена анализу эффективности разработанной автором методики инженерно-геокриологического мониторинга.

В качестве примера на рисунке 12 представлены графики изменения температуры грунтов в основании резервуара (термометрического поперечника и скважины, расположенной в центре).

Рисунок 12 Температурный режим грунтов в основании резервуара

Для каждого датчика определена среднегодовая температура и построена зависимость изменения температуры в течение года. Расчеты выполнены по каждому году. Система температурной стабилизации грунтов обеспечивает температурный режим в диапазоне минус 5,5… минус 10 оС. Все остальные термометрические скважины (наружные, внутренние) также соответствуют данному диапазону. Аналогичная картина наблюдается и для остальных резервуаров. Фактически температурные отклонения должны соответствовать диапазону минус 3… минус 12 оС. В нашем случае температурный режим грунтов удовлетворяет данным значениям, что подтверждает эффективность применения термометрического мониторинга грунтов основания резервуаров.

Анализ значений абсолютных высотных отметок деформационных марок за период наблюдений (таблица 3) позволяет отметить, что они находились на одном уровне и не вышли за пределы допустимых значений. Это свидетельствует об эффективности предлагаемой системы инженерно-геокриологического мониторинга.

Таблица 3 – Абсолютные отметки наружных марок РВС-11

Дата	Абсолютные отметки наружных марок РВС, м
	1	2	3	4	5	6	7	8
28.08.2008	7,016	7,018	7,020	7,104	7,083	7,086	7,034	7,019
28.08.2009	6,735	6,738	6,734	6,740	6,748	6,765	6,765	6,775
28.08.2010	6,728	6,718	6,720	6,730	6,740	6,750	6,753	6,766

Кроме того, в качестве дополнительной информации о состоянии грунтов в геокриологический мониторинг прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса диссертантом предложено включить наблюдения за уровнем грунтовых вод (УГВ), который позволяет судить не только о возможном растеплении грунтов, лежащих в основании резервуара, но и получить информацию о химическом составе вод и об их нефтяном загрязнении. В четырех скважинах, расположенных по одной у каждого резервуара, уровень грунтовых вод за наблюдаемый период практически не изменялся (таблица 4). Следует отметить, что указанные уровни в гидрогеологических скважинах установились в начальный период эксплуатации резервуаров.

Таблица 4 – Изменение УГВ в наблюдательных скважинах

Дата замеров	Уровень воды в скважинах, м
	ГС-1 (РВС-11)		ГС-2 (РВС-12)		ГС-3 (РВС-14)		ГС-4 (РВС-13)
01.10.2008	0,30	вода	0,18	вода	0,38	вода	0,40	вода
01.10.2009	0,25	вода	0,10	вода	0,30	вода	0,36	вода
01.10.2010	0,33	вода	0	пусто	0,28	вода	0,30	вода

Это свидетельствует о том, что воздействия на основания резервуаров со стороны талых вод (грунтовых вод) незначительны. Кроме того, проводимый химический анализ воды подтверждает отсутствие нефти в грунтовых водах (отбор производится в осенне-весенний период).

Таким образом, технологические и методические разработки по инженерно-геокриологическому мониторингу для Варандейского нефтяного отгрузочного терминала, предложенные и внедренные с участием автора, позволяют получать объективные данные о состоянии верхней части геологической среды и тем самым контролировать и обеспечивать эксплуатационную надежность и безопасность инженерных сооружений, расположенных в районе распространения ММП. При этом, выполненные автором расчеты показывают, что затраты на проведение инженерно-геокриологического мониторинга составляют порядка 5 млн рублей в год против 24 млн рублей расходов, связанных с ликвидацией возможной аварийной ситуации. Это еще раз доказывает необходимость проведения мониторинга с целью своевременного выявления осложнений и проведения профилактических мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации производственного объекта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и рекомендации

1. Исследованы особенности геологического строения района Варандейского нефтяного отгрузочного терминала, определяющие сложность его промышленного освоения, влияющие на безопасность эксплуатации прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса.
2. Проанализированы процессы, происходящие в вечномерзлых грунтах этого района. Выполнено геоэкологическое районирование территории с учетом распространения ММП и пораженности территории криогенными процессами. Территория характеризуется преимущественно средней и слабой интенсивностью развития экзогенных процессов, обусловленных геокриологическими условиями. Состояние геологической среды оценивается как умеренно устойчивое. Результаты районирования учтены при выборе площадки под строительство Варандейского нефтеотгрузочного терминала.
3. Проведены исследования для обоснования устройства оснований и фундаментов нефтяных резервуаров прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса и разработаны предложения, направленные на обеспечение устойчивости и целостности грунтовых оснований и фундаментов в условиях ММП. Получено решение о выдаче патента на изобретение «Способ строительства грунтового сооружения на обводнённом участке» от 01.06.2012. Способ предусматривает возведение водопропускной системы из грунта, упрочнённого вяжущим материалом, послойную отсыпку основной части сооружения, устройство на его поверхности подстилающего слоя и покрытия. В рамках работы предлагается использовать технические решения, разработанные в Северном (Арктическом) федеральном университете, 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.
4. Обоснованы технология обустройства сети и методика проведения инженерно-геокриологического мониторинга состояния грунтовых оснований фундаментов поверхностного типа для резервуаров в условиях ММП с целью обеспечения безопасности эксплуатации инженерных сооружений Варандейского нефтеотгрузочного терминала.
5. Результаты научно-исследовательской работы приняты к использованию на Варандейском нефтеотгрузочном терминале. Предлагаемые в работе методы позволяют достичь значимых результатов по обеспечению безопасной эксплуатации аналогичных объектов в прибрежно-шельфовой зоне Российской Арктики.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Бурков Д.В., Губайдуллин М.Г. Геоэкологический мониторинг сооружений северного морского нефтеотгрузочного терминала // Нефтепромысловое дело. М.: ВНИИОЭНГ, 2009. № 4. – С. 38-43.
2. Бурков Д.В., Губайдуллин М.Г. Геокриологический мониторинг Варандейского прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса в Ненецком автономном округе // Нефтегазовое дело. 2010. Т. 1. С. 36-39.
3. Бурков Д.В., Губайдуллин М.Г. Обеспечение инженерно-экологической безопасности эксплуатации прибрежно-морского нефтеотгрузочного комплекса в условиях Крайнего Севера // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. 2011. Вып. 4 (86). С. 158-163.

Прочие печатные издания

4. Бурков Д.В. Оценка воздействия на окружающую среду при отгрузке нефти на Варандейском терминале // Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Европейского Севера России: Сб. научн. тр. / АГТУ. – Архангельск, 2007. Вып. 2. С. 7-13.
5. Вахаев В.Г., Губайдуллин М.Г., Козякова Е.С., Бурков Д.В. Анализ типов фундамента для нефтяных резервуаров Варандейского терминала с целью снижения воздействия на многолетнемерзлые породы // Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Европейского севера России: Сб. научн. тр. / АГТУ. – Архангельск, 2007. Вып. 2. С. 13-22.
6. Бурков Д.В. Применение современных технологий при сооружении берегового нефтехранилища на Варандейском терминале // Экология – 2007. Матер. Междунар. конф. – Архангельск: ИЭПС УрО РАН, 2007. – С. 10-12.
7. Бурков Д.В., Вахаев В.Г., Губайдуллин М.Г. Инженерно-геологические условия в районе морских сооружений Варандейского нефтяного терминала // Геология морей и океанов. Матер. XVII Междунар. научн. конф. (школы) по морской геологии. – М.: ГЕОС, 2007. – Т. II. С. 206-208.
8. Бурков Д.В., Бодин Н.А., Губайдуллин М.Г. Система инженерно-геокриологического мониторинга береговых сооружений Варандейского терминала // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. научн. тр. / АГТУ. Архангельск, 2007. Вып. 73. – С. 27-32.
9. Бурков Д.В., Вахаев В.Г. Геоэкологический мониторинг подводных сооружений на Варандейском нефтяном терминале // Вестник Архангельского государственного технического университета. Серия «Прикладная геоэкология». – Архангельск: АГТУ, 2008.
   Вып. 74. – С. 136-140.
10. Губайдуллин М.Г., Бодин Н.А., Бурков Д.В. Геоэкологический мониторинг сооружений Варандейского нефтяного терминала // Северные территории России: проблемы и перспективы развития. Матер. Всеросс. конф. с международным участием. Архангельск: ИЭПС, 2008. – С. 357-360.
11. Бурков Д.В., Губайдуллин М.Г. Система геоэкологического мониторинга северного морского нефтеотгрузочного терминала // Сб. реферативной информации ученых АГТУ о результатах НИР и НИОКР, рекомендованных к практическому использованию. Архангельск: АГТУ, 2008. – С. 70-71.
12. Бурков Д.В., Губайдуллин М.Г. Геоэкологический мониторинг Варандейского морского нефтяного терминала // Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе. Матер. междунар. научн.-техн. конф. М.: Нефть и газ, 2009. С. 70-71.
13. Губайдуллин М.Г., Бурков Д.В. Геоэкологический мониторинг Варандейского терминала для вывоза нефти Северным морским путем с месторождений Ненецкого автономного округа // Геология морей и океанов. Матер. XVIII Междунар. научн. конф. (школы) по морской геологии. – М.: ГЕОС, 2009. – Т. IV. С. 223-227.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 16.08.2012 г. Бумага писчая.

Заказ № 209. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.