ФГУП «Фундаментпроект», г. Москва
Минкин М.А., Кутвицкая Н.Б., Рязанов А.В.
Развитие нефтегазодобывающей отрасли и поддержка объемов добычи углеводородного сырья на высоком уровне сегодня напрямую связана с освоением труднодоступных территорий Крайнего Севера, одним из перспективных районов которого является Западная Сибирь. Одна из особенностей северных территорий – суровые климатические условия, определяющие широкое распространение вечномерзлых пород. Их наличие стало причиной чрезвычайной неустойчивости инженерно-геологической среды, быстро реагирующей на малейшее вмешательство со стороны человека, что сопровождается целым комплексом опасных мерзлотных процессов, негативным образом сказывающихся на устойчивость инженерных сооружений.
В условиях значительной удаленности и сложной природной обстановки затраты на обустройство и эксплуатацию северных нефтегазодобывающих объектов существенно возрастают. Причем значительная часть средств тратится на обеспечение эксплуатационной надежности инженерных сооружений, устойчивость которых в первую очередь зависит от надежности их фундаментов и оснований. Известно, что в районах распространения вечной мерзлоты стоимость фундаментов может достигать 70% от стоимости всего здания.
Практически на протяжении всего периода покорения Севера инженеры работают над созданием экономичных и надежных фундаментов. В этой связи одним из перспективных направлений является искусственное замораживание талых и охлаждение мерзлых грунтов оснований с целью повышения их прочности и защиты от оттаивания. К числу пионеров в этой области относится ФГУП «Фундаментпроект», сотрудники которого более тридцати лет работают над проблемой искусственного замораживания грунтов. Приобретенный опыт и имеющиеся наработки как нельзя кстати пришлись при освоении Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ), расположенного в районе с уникальной по своей сложности инженерно-геокриологической обстановкой, где на небольших площадях, зачастую в границах одного сооружения, интенсивно чередуются участки с талыми, вечномерзлыми высокотемпературными и вечномерзлыми низкотемпературными грунтами. Кроме того, с одной стороны наличие льдистых грунтов представляет потенциальную опасность развития термокарста при их оттаивании, а с другой стороны существует реальная опасность морозного пучения грунтов вследствие их достаточно глубокого сезонного промерзания-оттаивания.
Решить проблему надежности фундаментов в таких сложных условиях удалось с помощью термостабилизации - искусственном замораживании термостабилизаторами талых и понижении температур мерзлых грунтов в основании сооружений. Для этих целей в ФГУП «Фундаментпроект» разработаны и серийно выпускаются несколько моделей термостабилизаторов. Термостабилизатор – это парожидкостное устройство для охлаждения грунтов, представляющее собой металлическую герметично запаянную, заправленную хладагентом трубку диаметром от 36 до 57 мм, длиной от 6 до 10 м и более, состоящее из конденсатора с оребрением (надземной части длиной в пределах 1-2,5 м) и испарителя (подземной части длиной от 5 до 9 м и более). Функционирование осуществляется без внешних источников питания, только за счет переноса тепла вследствие испарения в испарителе хладагента и его поднятия в конденсаторную часть, где пар конденсируется, отдавая тепло, и стекает по внутренним стенкам трубы вниз. В качестве хладагента в ФГУП «Фундаментпроект» применяется экологически безвредный, не воспламеняющийся и взрывобезопасный фреон R22.
На большинстве объектов Заполярного ГНКМ были применены сезоннодействующие термостабилизаторы с одним вертикальным конденсатором (фото 1), функционирование которого происходит естественным образом в зимний период за счет отрицательных температур воздуха, а в летнее время (при положительных температурах воздуха) переходит в состояние покоя вследствие прекращения циркуляции хладагента. Эта модель термостабилизаторов использовалась для охлаждения грунтов под сооружениями с вентилируемыми подпольями высотой более 1 м, а также у опор эстакад трубопроводов. На участках с повышенной снегозаносимостью длина надземной части термостабилизатора может увеличиваться до 2,5 м и более.
Для сооружений с вентилируемым подпольем высотой менее 1 м, а также в целях увеличения холодопроизводительности была разработана и применена на Заполярном ГНКМ модель сезоннодействующего термостабилизатора с двойным V-образным конденсатором (фото 2).
Для термостабилизации грунтов под сооружениями, не имеющими вентилируемых подполий, например под емкостями, были разработаны термостабилизаторы с испарителем, изогнутым под небольшим углом к горизонтальной поверхности, что позволяет заводить испаритель под сооружение, оставляя конденсатор за контуром здания.
Специально для случаев, когда требовалось осуществлять охлаждение грунтов в летнее время была разработана модель термостабилизатора круглогодичного действия, который функционирует в зимнее время, как и сезоннодействующий термостабилизатор, за счет естественного холода, а в летний период одевается дополнительная насадка, осуществляющая съем тепла с конденсатора при положительных температурах воздуха. Насадка требует подключения к внешнему источнику электрического питания, быстро устанавливается, экономична в эксплуатации (фото 3).
Результаты температурных наблюдений доказали высокую эффективность применения термотабилизации. Так температуры грунтов в основании производственных корпусов УКПГ-1С понизились в 2-4 раза по сравнению с первоначальными значениями обеспечив необходимую надежность фундаментов. Общий эффект подтверждается существенным сокращением количества нештатных ситуаций по причине отказа фундаментов по сравнению с освоенными ранее северными месторождениями.
Применение искусственного охлаждения грунтов оснований позволяет существенно снизить сроки строительства сооружения, а также металлоемкость фундаментов за счет уменьшения длины и количества свай. Эффективность новых фундаментов, разрабатываемых в ФГУП «Фундаментпроект» в зависимости от типа сооружения составляет 10-30% по сравнению с традиционно применяемыми. Полученный опыт представляется весьма ценным для использования при обустройстве объектов добычи волонжинской залежи, а также на других месторождениях Крайнего Севера, включая Ямал.