Краткая история развития технологических схем энергетического комплекса

Становлением нефтегазодобывающей отрасли в России можно считать период 30—50-е годов XX в., когда начинали разрабатываться небольшие месторождения, расположенные в Саратовской, Куйбышевской, Оренбургской областях, Ухтинском районе республики Коми, в Тимано-Печорском районе. Начиная с 50—60-х годов, когда в освоение стали вводиться более крупные месторождения (Северо-Ставропольское, Шебелинское, Газлинское) и продолжая в 70—80-е годы, основным направлением развития газодобывающей промышленности в нашей стране стало освоение сибирских и северных гигантских месторождений и их сателлитов.

С развитием энергодобывающей отрасли, менялись и схемы сбора и внутрипромысловой обработки нефти и газа. При разработке газа на мелких месторождениях применялась индивидуальная схема сбора, при которой продукция добывающих газовых и газоконденсатных скважин первично обрабатывается в прискважинном компактном очистном комплексе, после чего газ по шлейфу подается в газосборный коллектор и далее на газосборный пункт (ГП), где производится его дальнейшая очистка и обработка. После газосборного пункта газ подается в единую транспортную систему — магистральный газопровод.

При добыче газа на крупных месторождениях, где большое количество скважин, и строительство для каждой скважины очистного комплекса нецелесообразно, были разработаны и введены в эксплуатацию групповые схемы сбора (централизованные и децентрализованные). В таких схемах газ из кустов скважин подается по шлейфам и газосборным коллекторам на установки комплексной подготовки газа (УКПГ), где проходит полную промысловую очистку и обработку, а затем поступает в магистральный газопровод. Для создания необходимого рабочего давления в магистральном газопроводе служат компрессорные станции (КС), установленные через каждые 100—150 км по длине трассы. Основным сооружением КС является компрессорный цех, агрегаты которого обеспечивают требуемое давление подаваемого в магистральный трубопровод газа.

Нефть из скважин поступает на объекты сбора и обработки (сепарационные установки, промысловые насосные станции), затем ее направляют на термохимические установки и накапливают в резервуарных парках. Для сбора нефтяного и газового конденсата используют дожимные насосные и компрессорные станции. Транспорт нефти из резервуарных парков к потребителю осуществляется по нефтепроводу подземной или надземной прокладки в зависимости от температуры передаваемого продукта, мерзлотно-грунтовых условий и многих других критериев.

Особенности освоения месторождений Севера

Наиболее крупные энергодобывающие объекты – нефтяные поля (Верхнечонское, Тарасовское, Кальчинское, Западно-Малобалыкское, Иртышское, Салымское, Спорышевское), газовые и газонефтеконденсатные месторождения (Медвежье ГМ, Ямбургское ГНКМ, Уренгойское ГКМ, Заполярное ГНКМ, Песцовое ГНКМ, Бованенковское и Харасавэйское ГКМ), осваиваемые в последние десятилетия и освоение которых планируется ближайшие годы – расположены на территории Восточной и Западной Сибири и полуострова Ямал, являющейся крупнейшей нефтегазоносной провинцией России. В настоящее время более 90% добычи природного газа в нашей стране обеспечивается на территории Ямало-Ненецкого автономного округа. По сравнению с месторождениями, расположенными в центральной и южной частях страны, северные месторождения обладают рядом особенностей, затрудняющих их разработку и обустройство обслуживающих их комплексов. Среди основных из них можно выделить следующие:

• удаленность от промышленно развитых регионов, отсутствие развитой инфраструктуры (особенно в начале освоения). В связи с этим – сложности с транспортировкой и значительные стоимости доставки на строительную площадку материалов, оборудования, рабочей силы;
• неблагоприятные географо-климатические условия рассматриваемой территории, выражающиеся в суровом климате, большом количестве рек и озер, высокой заболоченности, что затрудняет проходимость техники и ведение строительно-монтажных работ;
• сложные инженерно-геологические условия территории освоения и обустройства северных месторождений: наличие многолетнемерзлых пород, пучинистых и просадочных грунтов диктует требования по более детальному и тщательному изучению, учету и анализу данных инженерно-геокриологических изысканий при проектировании и строительстве объектов обустройства месторождений. Нарушение хрупкого термодинамического равновесия в результате воздействия сооружений, обеспечивающих добычу, переработку и транспортировку нефти и газа, на геосреду может привести к таким неблагоприятным криогенным процессам, как термокарст, термоэрозия, солифлюкция, морозобойное растрескивание и др. Даже система размещения эксплуатационных добывающих скважин выбирается исходя не только из результатов гидрогазодинамических расчетов, как на месторождениях других регионов, но и с учетом реальных инженерно-геокриологических условий территории.

Индустриализация – основное направление при строительстве объектов обустройства

Перечисленные выше основные сложности, возникающие при проектировании и строительстве комплексов обустройства месторождений Крайнего Севера, влекут за собой значительные объемы капитальных вложений и их рост, что заставляет разрабатывать такие технические решения зданий и сооружений, которые учитывали бы особенности региона, гарантировали надежность эксплуатации объектов и сохранность окружающей среды, но при этом обеспечивали бы значительное снижение стоимости и трудоемкости СМР, уменьшение сроков строительства. Таким образом, успешное и экономичное развитие нефтегазовой отрасли в определяющей мере зависит от показателей строительства объектов этой отрасли.

Главным направлением проектирования и строительства зданий и сооружений добывающего, перерабатывающего и транспортного назначения является индустриализация – массовое применение блочно-комплектного метода строительства, унификация и типизация технологических потоков. Дальнейший шаг индустриализации — переход к типовым технологическим модулям заводского изготовления с обеспечением их блочно-комплектной поставки. Таким образом, многие объекты промысловой переработки и транспорта нефтяной и газовой промышленности в настоящее время возводятся по машиностроительному принципу — то есть сборка из различных блок-модулей полных технологических схем. При этом процессы по монтажу сооружений, проводимые непосредственно на строительной площадке – монтаж блочных комплексов и пусконаладочные работы – могут проходить в минимально короткие сроки. Поскольку инженерно-геологические условия площадок освоения северных месторождений характеризуются как сложные, доля затрат на устройство оснований и фундаментов сооружений может достигать 60% и более. При этом возрастает значение выбора надежного, экономичного и технологичного варианта конструкции фундамента и устройства основания.

Типы сооружений объектов нефтегазовой отрасли

Анализируя состав сооружений на добывающих (кустовые площадки, дожимные компрессорные станции), перерабатывающих (газосборные пункты, установки комплексной переработки газа, промысловые насосные станции, резервуарные парки) и транспортных (компрессорные станции, нефтеперекачивающие станции, магистральные нефте- и газопроводы) объектов технологической системы, можно выделить следующие группы сооружений по их конструктивным особенностям, назначению и способам возведения:

• компрессорные цеха, прессы и другие агрегаты;
• каркасные здания и здания с несущими стенами;
• блочно-комплектные сооружения;
• вертикальные цилиндрические резервуары;
• заглубленные и подземные сооружения;
• открытые площадки с расположенным на них технологическим оборудованием, емкостями для хранения различных продуктов, площадки для автомашин;
• пешеходные галереи, прожекторные мачты, дымовые трубы;
• внутриплощадочные, межпромысловые и магистральные трубопроводы.

Основные производственные цеха с расположенным в них технологическим оборудованием, а также здания гаражей, пожарных депо, закрытых складов и другие являются каркасными зданиями (чаще всего со стальным каркасом). Через основной несущий элемент – колонны каркаса (нагрузки на колонны в сооружениях нефтегазовой отрасли обычно небольшие) – передаются нагрузки на фундаменты от покрытия, перекрытий, стен, а также ветровые, снеговые нагрузки, и нагрузки от кранового и легкого технологического оборудования.

Хранение нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, а также запасов воды для хозяйственных, производственных и противопожарных нужд производится в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах со сварной или рулонной стенкой, передающей нагрузки от хранимой жидкости на несущее фундаментное кольцо.

Здания котельных, технологических насосных, компрессорные и канализационные станции, операторные, очистные сооружения, трансформаторные подстанции чаще всего выполняются в блочно-комплектном исполнении. Нагрузки от блок-бокса и установленного в нем оборудования передаются через опорные части днища (точечное или рельсовое опирание) на фундаментную конструкцию.

Сооружения вспомогательного непроизводственного назначения, возводимые при промысловых объектах и компрессорных станциях – вахтовые жилые комплексы – чаще всего выполняются в виде малоэтажных зданий в крупнопанельном и объемно-блочном вариантах.

Основные технические решения по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений, традиционно применяющиеся при обустройстве месторождений

Для территории Западной Сибири характерно несплошное распространение вечномерзлых грунтов и их неустойчивый температурный режим, инженерно-геокриологические условия различных площадок строительства промысловых объектов существенно отличаются друг от друга, поэтому на различных участках строительства применяются способы сохранения устойчивости оснований зданий и сооружений как по принципу I, так и по принципу II (в соответствии со СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»).

При обеспечении устойчивости основания сооружения по принципу I (грунты основания сохраняются в мерзлом состоянии на весь период строительства и эксплуатации объекта), практически всегда фундаменты для каркасных зданий выполняются в свайном варианте. В отапливаемых зданиях должно устраиваться вентилируемое подполье высотой около 1—1,5 м, которое ограничивает тепловой поток от сооружения на грунты основания, сохраняя их температурно-влажностный режим. Сваи, как правило, заглубляясь ниже кровли вечной мерзлоты, передают нагрузку на прочный, несжимаемый твердомерзлый грунт, являющийся прекрасным основанием для сооружения. Однако для рассматриваемого региона, как уже говорилось, не характерно сплошное по площади и по разрезу залегание вечномерзлых грунтов с постоянно низкими температурами, при которых они находятся в твердомерзлом состоянии. Грунты же, находящиеся в пластичномерзлом состоянии, не обладают достаточной для восприятия нагрузок от сооружений несущей способностью и в связи с этим, требуют принудительного искусственного понижения температуры. Дополнительное охлаждение грунтов осуществляется с помощью охлаждающих установок сезонного или круглогодичного действия; конструкции и функциональные особенности охлаждающих устройств различаются в зависимости от фирмы-разработчика и производителя.

Рис. 1 Свайный фундамент каркасного здания на вечномерзлых грунтах несливающегося типа с обеспечением принципа I строительства и эксплуатации

Существуют технические решения, при которых отапливаемое здание, проектируемое по принципу I, выполняется с полами по грунту, и предотвращение от растепления и потери несущей способности грунтов основания предусматривается осуществлять с помощью горизонтальных охлаждающих систем – каналов, труб, охлаждающих установок. Но такие технические решения, как показывает практика, не очень надежны – возможное нарушение функционирования охлаждающих установок в процессе эксплуатации приводит к растеплению вечномерзлых грунтов основания, начинающих обладать просадочными свойствами, в результате чего здания приходят в аварийное состояние.

При обеспечении устойчивости здания по принципу II, при котором грунты основания используются в талом состоянии в процессе строительства и эксплуатации, наиболее распространенным фундаментом под колонны каркаса, несущие конструкции резервуаров, емкостей, опоры мачт, трубопроводов, технологическое оборудование (в том числе, и агрегаты компрессорного цеха) также является свайный.

В качестве материалов фундаментных конструкций в основном применяется сталь. Ростверки, конструкции цокольного перекрытия, ложементы емкостей, трубопроводов, опоры мачт, технологического оборудования выполняются из прокатных балок и листовой стали, сваи – из бесшовных горячедеформированных труб. Применение железобетонных конструкций на объектах обустройства месторождений Севера ограничено из-за сложности доставки изделий с заводов ЖБИ, находящихся в промышленно развитых регионах, и отсутствии инфраструктуры дорог, а также из-за стремления свести к минимуму «мокрые» процессы, связанные с изготовлением конструкций из монолитного железобетона на стройплощадке.

Конечно, существует опыт строительства вспомогательных сооружений объектов обустройства (блок-боксов, емкостей, и т.д.), обладающих небольшими нагрузками, а также зданий временного характера (к примеру, такими сооружениями являются практически все здания обустройства кустовых площадок), при наличии относительно прочных и несжимаемых грунтов основания, на малозаглубленных и даже поверхностных фундаментах. Однако в большинстве случаев основным техническим решением практически для всех видов сооружений является, как уже говорилось, свайное основание.

Недостатки применяемых технических решений и необходимость разработки новых конструкций фундаментов и способов устройства оснований

Применяемые при строительстве объектов топливно-энергетического комплекса технические решения обеспечивают необходимую прочность сооружений и обладают достаточной надежностью при строительстве и эксплуатации объектов. Однако свайное основание имеет и свои недостатки: высокая трудоемкость возведения, неиспользованные в полной мере прочностные характеристики металла (несущая способность свай по грунту намного меньше несущей способности по материалу), дороговизна строительно-монтажных работ по устройству свайного поля, а следовательно, и низкая экономическая эффективность фундамента в целом; как крупный недостаток следует отметить и невозможность надежной защиты конструкции сваи от грунтовой коррозии, что особенно актуально для засоленных грунтов побережья северных морей (месторождения полуострова Ямал, резервуарный парк в районе поселка Варандей и др.). Указанные недостатки свай как основного варианта устройства оснований и фундаментов сооружений говорят о необходимости рассмотрения и разработки иных, более рациональных и экономически выгодных решений. Кроме того, нельзя отрицать и того факта, что на Севере существуют площадки строительства, инженерно-геокриологические условия которых таковы, что фундаменты мелкого заложения и поверхностные фундаментные конструкции должны стать реальной альтернативой традиционным сваям. Это касается участков залегания с поверхности твердомерзлых, непучинистых и непросадочных песчаных, крупнообломочных и других видов относительно прочных грунтов. Распространение засоленных грунтов, обладающих не только легкоразрушающимися структурными связями, но и коррозионной активностью по отношению к металлам и бетону, а также расположенные на глубине в несколько метров линзы криопэгов – сильно засоленного охлажденного грунта – говорят о необходимости как можно меньшего их затрагивания техногенными воздействиями. Выполнение несущей конструктивной подсыпки и опирание на нее поверхностного фундамента или применение совместно с термостабилизацией (дополнительным охлаждением или теплоизоляцией) оснований мелкозаглубленного фундамента, опирающегося на кровлю вечномерзлых грунтов, окажет более щадящее воздействие на слабые, чувствительные породы, чем глубокое прорезание их толщи сваями.

Рис. 2 Фундамент мелкого заложения с опиранием на кровлю вечномерзлых грунтов при обеспечении принципа I строительства и эксплуатации (техническое решение, предложенное ФГУП «Фундаментпроект» для объекта Харасавэйского ГКМ)

В институте «Фундаментпроект» было проведено технико-экономическое сравнение нескольких типов фундаментов, свидетельствующее о том, что более выгодным по стоимостным и трудозатратным показателям в подавляющем большинстве случаев является фундамент мелкого заложения. Но одни только сметные показатели не могут являться базой для принятия решения о выборе типа фундамента. С одной стороны стоит надежный, проверенный временем, отработанный в расчетах, проектировании и производстве способ устройства основания – свайный фундамент с термостабилизацией грунтов, с другой – новая для промышленный зданий на Севере, кроме легких и временных сооружений, методика по их возведению на фундаментах мелкого заложения.

Установка основных производственных зданий на фундаменты мелкого заложения – альтернативный сваям вариант – практически не производится из-за сложностей с обеспечением необходимых прочностных и деформационных характеристик основания – прочный и практически несжимаемый вечномерзлый грунт залегает на сравнительно большой глубине. Кроме того, выполнение малозаглубленных фундаментов практически не применяется из-за сложности производства земляных работ в условиях Севера. По опыту строительных организаций можно сказать, что строителям проще (быстрее, доступнее) производить погружение свай, нежели заниматься сложными в северных условиях процессами по возведению качественной подсыпки, работами в котловане и работами по обеспечению инженерной защиты территории, требования по которой значительной выше, чем при свайном основании. Указанные факторы привели к тому, что на сегодняшний день имеется малая изученность и, как следствие, почти полное отсутствие опыта строительства и наблюдения в процессе эксплуатации сооружений на бессвайных фундаментах.

Таким образом, целью опытно-конструкторских работ по разработке и внедрению конструкций фундаментов и способов устройства основания, отвечающих всем требованиям надежной эксплуатации, технологичности и экономичности, должно стать устранение недоработок и недостатков фундаментов мелкого заложения и разработка технических решений поверхностных фундаментных конструкций, не предъявляющих столь высокие требования к основанию – подсыпке, инженерной защите территории, не требующие трудновыполнимых земляных работ и других обстоятельств, не позволяющих сейчас рассматривать свайные и бессвайные основания как альтернативные варианты.