Опыт исследования эксплуатации системы газопроводов «Заполярное» 

Кутвицкая Н.Б., Рязанов А.В. (ФГУП «Фундаментпроект»).

    Введение.

  Заполярное нефтегазоконденсатное месторождение (ЗНГКМ) – один из крупнейших газодобывающих комплексов ОАО «Газпром», в структуру которого на сегодняшний день входят три газовых промысла. Промышленная инфраструктура промыслов включает в себя площадки установок комплексной подготовки газа (УКПГ) со вспомогательными объектами, кусты газовых скважин, системы газопроводов-шлейфов и автодорог.

    Заполярное месторождение находится на севере Западной Сибири за Полярным Кругом в пределах Пур-Тазовского междуречья. Суровый резкоконтинентальный климат района со среднегодовыми температурами воздуха -8,5°С обусловил существование здесь многолетнемерзлой толщи (ММТ) мощностью от 200 до 450 м. Территория характеризуется приблизительно равным распространением многолетнемерзлых пород (ММП) как сливающегося типа, так и несливающегося с глубиной залегания кровли большей частью в интервале 4,5-8,0 м. Среднегодовые температуры грунтов (на глубине 10 м) колеблются от +0,2…0°С в местах значительного погружения кровли ММП до –4,6°С под торфяниками. Интервал наиболее распространенных значений температур грунтов на глубине 10 м от –0,3 до –1,5°С. Глубина сезонного промерзания (оттаивания) пород изменяется от 0,5 м в пределах торфяников до 1,5-2,0 м – в породах минерального состава.

     В пределах Заполярного месторождения развиты такие опасные мерзлотные процессы, как пучение, термокарст, заболачивание, подтопление, эрозия и термоэрозия, заметно активизирующиеся в процессе обустройства и эксплуатации газопромысловых объектов. В ходе первых лет эксплуатации газодобывающих скважин, в результате растепления окружающих многолетнемерзлых грунтов практически на всех кустовых площадках образуются приустьевые воронки глубиной и диаметром до нескольких метров (рис. 1), происходит осадка свайных опор газопроводов обвязки газовых скважин, а также газосборных коллекторов (рис.2). 

Рис. 1. Результаты сейсмоакустического профилирования вечномерзлых грунтов вокруг газодобывающих скважин 

Рис. 2. Деформация ростверка свайного основания приустьевой обвязки и скользящей опоры  газосборного коллектора.

     В связи с повышенным снегонакоплением вокруг эстакад газопроводов наблюдается растепление вечномерзлых грунтов в основании опор газосборных коллекторов кустовых площадок, сопровождающееся выпучиванием или осадкой свай.

     Другой проблемой является оттаивание вечномерзлых грунтов в основании газопроводов шлейфов, прокладка которых выполнена подземным способом. Температура транспортируемого ими газа равна +15˚С. Как следствие, происходит осадка трубопроводов, о которой можно судить по деформациям трубы на участках надземной прокладки, сопряженных с участками подземной прокладки, а также на участках переходов из подземной прокладки в надземную. Примером такого поведения трубопроводов служат их выходы с площадок кустов газовых скважин (см. рис.3) и переходы из подземной в надземную часть в зоне «В» УКПГ.

Рис. 3. Участок перехода газосборного коллектора из надземной прокладки в подземную на выходе из кустовой площадки.

     По результатам обследования, проведенного при восстановлении проектного положения газопроводов в зоне «В» УКПГ-1С, было установлено, что под трубопроводами подземной прокладки произошло растепление и оттаивание многолетнемерзлых грунтов, сопровождающееся их осадкой в основании и обводнением грунтов обратной засыпки. При этом оттаивание грунтов за три года эксплуатации достигло 1.5…3 м от нижней образующей труб с осадкой грунтов более 0.5 м.

  По результатам маркшейдерской съемки, выполненной до начала проведения восстановительных мероприятий, подъем труб над ростверками надземных опор в зоне «В» составил: по ЗПА-1 до 130 мм, по ЗПА-2 до 520 мм. Максимальные деформации, связанные с подъемом труб наблюдаются на надземных опорах среднего ряда. Деформационные марки, установленные на участках подземной прокладки газопроводов в зоне «В» УКПГ-1С, подтверждают выводы о развитии осадок, величина которых уже в первые годы эксплуатации достигла 10-20 см. (см. рис. 4).

Рис. 4. Подъем газопровода на участке надземной прокладки вследствие развития осадок на сопряженном с ним участке поземной прокладки.

     Анализировалось тепловое взаимодействие газопроводов с вечномерзлыми грунтами при отсутствии каких-либо инженерных мероприятий по защите от оттаивания мерзлых грунтов, включающих их термостабилизацию, теплоизоляцию и закрепление трубы на проектном положении. Выявлено, что дополнительно к осадке за счет оттаивания мерзлых грунтов добавляется осадка труб в разжиженных грунтах под собственным весом (из-за отрицательной плавучести) и веса вышележащих грунтов. В результате, при постепенном погружении трубы в зону ее теплового влияния будут попадать вечномерзлые грунты более глубокого залегания. Их оттаивание будет способствовать дальнейшему опусканию газопровода. Такое деформирование вызывает уже на начальном периоде эксплуатации напряжения в трубах, расчетные значения которых близки к предельным для данной марки труб на участках перехода от надземной в подземную прокладку, а также на участках перехода от сильнопросадочных грунтов (например, льдогрунтов) к малопросадочным.

     С целью стабилизации положения подземной части  газовых  коллекторов  зоны «В»  в кратчайшие сроки были выполнены строительные работы со вскрытием и  переукладкой трубопроводов. В результате восстановлено их проектное положение на опорах из грунтовых обойм, упакованных в геотекстиль. В соответствии с разработанными техническими решениями проведена теплоизоляция трубопроводов кольцевым теплозащитным  экраном из полиуретана с сопротивлением теплопередаче 2.66 Вт/м2хºС, выполнена обратная засыпка привозным сухим грунтом. С целью проведения мониторинга за фактическим состоянием подземной части газопроводов были установлены  деформационные марки и обустроены дополнительные термоскважины.

     Другой сложной проблемой, с которой столкнулись в процессе эксплуатации газопромысловых объектов, является переувлажнение и заболачивание  технологических площадок УКПГ, кустов газовых скважин, насыпей автодорог. Возведение общепланировочных насыпей технологических площадок и насыпей автодорог приводит к нарушению и перераспределению естественного поверхностного стока. Формируются участки заболачивания. Происходит подтопление и переувлажнение самих насыпей, и, как следствие, существенное изменение теплового баланса грунтовой поверхности, в значительной степени способствующее отклонению температурного режима грунтов от проектного. Таким образом, ухудшаются свойства грунтов оснований, возникает опасность для нормальной эксплуатации фундаментов и сооружений в целом.

     Перераспределение поверхностного стока насыпями выражается в том, что образуются концентрированные вдоль насыпи водные потоки, в результате которых происходит разрушение откосов насыпей, формирование оврагов.

     Неорганизованный отвод поверхностных вод от насыпных сооружений зачастую нарушает условия нормальной эксплуатации газопроводов шлейфов, затопляя трассу газопроводов и активизируя эрозионные процессы. Подобные ситуации наблюдались на участке подхода шлейфов газопроводов к площадке УКПГ-1С, а также на участке пересечения насыпи автодороги с газопроводами шлейфами № 101, 104 и 105, где вследствие неорганизованного стока поверхностных вод происходило интенсивное оврагообразование вдоль трассы газопроводов вплоть до их полного обнажения (рис. 5).

Рис. 5. Овражная эрозия вдоль трассы газопроводов № 101, 104, 105.

     Опыт решения проблем

     В целях оперативного решения возникших в ходе эксплуатации объектов месторождения проблем совместными действиями специалистов ООО «Ямбурггаздобыча» и ФГУП «Фундаментпроект» был разработан и реализован комплекс мероприятий инженерной защиты объектов добычи и подготовки газа.

     Для стабилизации газопроводов обвязки газовых скважин на проектных отметках была разработана длиннопролетная поддерживающая конструкция, опирающаяся на свайные опоры, находящиеся за пределами радиуса оттаивания многолетнемерзлых грунтов. В долгосрочной перспективе грунты в основании свайных опор поддерживаются в мерзлом состоянии с помощью парожидкостных термостабилизаторов (рис. 6). Оптимальная длина длиннопролетной конструкции была определена на основании прочностных расчетов с учетом удаления свайных опор на расстояние от газовой скважины, достаточное для обеспечения их устойчивости в мерзлых грунтах при минимальном количестве термостабилизаторов. Опытные длиннопролетные конструкции, установленные у газовых скважин кустовой площадки № 108 продемонстрировали эффективность и надежность данного технического решения.

Рис. 6. Длиннопролетная конструкция, поддерживающая газопроводы обвязки газовой скважины в устьевой части в проектном положении (куст № 108 ГП-1С).

     Достаточно сложной проблемой, с которой столкнулась служба эксплуатации - это обеспечение проектного положения газопроводов шлейфов на участках их подземной прокладки в условиях оттаивания многолетнемерзлых пород в основании под действием положительных температур транспортируемого продукта. Укладка в основании газопроводов мешков из геотекстиля, заполненных песком, не способствовала удержанию газопроводов в проектном положении. Более эффективным решением оказалась укладка с определенным шагом теплозащитных экранов в основании газопроводов.

     Для обеспечения нормального эксплуатационного режима объектов УКПГ-1C была разработана и внедрена система многоуровневой инженерной защиты (рис.7).

Рис. 7. План-схема комплексной многоуровневой системы инженерной защиты.

     Суть системы заключается в обеспечении проектных свойств грунтов насыпи и улучшении свойств грунтов ее основания путем осуществления следующих мероприятий. На первом уровне защита предусматривает отвод дождевых и талых вод с поверхности насыпи с помощью внутриплощадочной водоотводной системы во внеплощадочные водоотводные канавы, располагающиеся вдоль откосов насыпи. На втором уровне осуществляется отвод грунтовых вод из тела насыпи и осушение насыпных грунтов посредством устройства дренажных слоев. Отвод грунтовых вод также осуществляется во внеплощадочные водоотводные канавы. На третьем уровне происходит отвод поверхностных вод с прилегающей к насыпи территории по внеплощадочным канавам и сброс их в сторону естественных понижений рельефа. На следующем уровне, в случае необходимости, реализована защита от подтопления грунтовыми водами. Для этого устроены противофильтрационные льдогрунтовые завесы.

     Реализация такого подхода позволила в течение 1-2-х лет нормализовать обстановку в пределах площадки УКПГ-1С (ри.8). Отмечено осушение общепланировочной насыпи, практически отсутствуют следы водно-эрозионного разрушения поверхности площадки и прилегающей территории, наблюдается снижение активности процессов морозного пучения, термокарста и т.д. 

Рис. 8. Подходы газопроводов шлейфов до и после проведения восстановительных мероприятий.

Рис. 9. Откосное армирование геосинтетическими материалами насыпей автодорог.

     Кроме того, для защиты откосов насыпей кустовых площадок и автодорог от разрушения водноэрозионными процессами была опробована технология рекультивации откосов с применением биоматов типа БТ-CO/100 (рис. 10).

Рис. 10. Рекультивация откосов насыпи кустовой площадки № 123.

          Выводы

     В ходе обустройства и первых лет эксплуатации месторождения был разработан и реализован комплекс мероприятий инженерной защиты объектов. Его эффективность подтверждена отсутствием аварийных ситуаций, связанных с отказом геотехнических систем на протяжении семи лет активного функционирования Заполярного ГНКМ. В результате существенно сократились эксплуатационные затраты по сравнению с другими месторождениями, эксплуатация которых осуществляется в аналогичных условиях.

     Выполненные исследования позволили разработать комплекс мер по защите площадок УКПГ от подтопления и заболачивания. Обеспечена устойчивость тел насыпей площадок и автодорог в условиях затапливаемых территорий; стабилизация проектного положения газопроводов в случае растепления вечномерзлых грунтов в основании; защита от термоэрозии и оврагообразования насыпей подъездных автодорог, а также трасс газопроводов; обеспечена устойчивость свайных опор  газопроводов устьевых газовых скважин.

     Разработан ряд рекомендаций по проектированию инженерной защиты газопромысловых объектов. Полученный опыт особенно актуален в связи с продолжающимся освоением Заполярного месторождения при обустройстве двух промыслов валанжинской залежи и выхода ОАО «Газпром» на месторождения полуострова Ямал.