Мерзлые грунты ММГ (многолетние мерзлые грунты)

Введение

Актуальность работы. Согласно Энергетической стратегии России [6], изменение географии добычи углеводородов осуществляется за счет освоения месторождений Восточной Сибири, Дальнего Востока, полуострова Ямал, континентального шельфа арктических морей. Реализация стратегии потребует сооружения новой сети магистральных нефтепроводов для доставки сырья от мест добычи до потребителей внутри страны и при поставке на экспорт.
Значительная доля указанных территорий относится к районам распространения многолетнемерзлых грунтов, где строительство и эксплуатация нефтепроводов осложняется опасными геокриологическими процессами, которые могут привести к изменению напряженно-деформированного состояния трубопровода и стать причиной аварии. Строительство и эксплуатация магистральных нефтепроводов в условиях криолитозоны является крайне актуальной и активно изучаемой проблемой [2].
Цель работы – всесторонне охарактеризовать многолетние мерзлые грунты в рамках учета сложных природно-климатических условий при эксплуатации объектов транспортировки, хранения нефти, газа
Цель работы достигается благодаря выполнению следующих задач:
привести общие сведения о многолетних мерзлых грунтах (ММГ);
описать особенности прокладки и эксплуатации нефтепроводов в зоне ММГ;
проанализировать последствия эксплуатации подземных нефтепроводов на ММГ.


1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

На земном шаре многолетнемерзлые породы занимают около 25% суши и более 65% территории России (рис. 1).

Рис.1 – Распространенность многолетнемерзлых грунтов в России [5]

Строение многолетнемерзлых толщ сложное. По вертикальному разрезу отмечаются как сплошные многолетнемерзлые слои, так и толщи, не сливающиеся с подошвой слоя сезонного промерзания, и слоистые толщи, разделенные талыми слоями (рис. 2). Мощность многолетнемерзлых толщ составляет от нескольких метров у южной границы их распространения до полутора километров в северо-восточных регионах. В зависимости от характера распространения многолетнемерзлых пород по площади выделяются области сплошного, прерывистого и островного их развития. Сплошное распространение мерзлых пород характерно для северных районов.

Рис.2. Вертикальный разрез толщи многолетнемерзлых пород в направлении с юга на север: I - многолетнемерзлые толщи; II - сезонномерзлые толщи; 1а - слой сезонного промерзания; 1б - слой сезонного оттаивания; 2 - современные сливающиеся мерзлые толщи; 3 - современные несливающиеся мерзлые толщи; 4 - древние мерзлые толщи (а - сливающиеся, б - несливающиеся); 5- сквозные талики; 6- несквозные («ложные») талики. [5]

В целом, грунт называется многолетнемерзлым, если он имеет отрицательную или нулевую температуру, содержит в своем составе лед и находится в мерзлом состоянии в течение нескольких лет, но при определенным образом сложившемся температурном режиме окружающей среды, грунт оттаивает, а затем при изменении условий, приведших к оттаиванию, вновь замерзает. Многолетнемерзлые грунты вследствие наличия в них льдо-цементных связей при сохранении отрицательной температуры грунтов являются достаточно прочными природными образованиями.
В зависимости от непосредственного характера распространения многолетнемерзлых грунтов по площади выделяется пять групп распространения(рис.5):
Сплошного распространения (ММГ занимают более 95% территории, температура грунтов на этих территориях ниже -3 °С);
2Преимущественно сплошного распространения (ММГ занимают 90-95% территории, температура мерзлых грунтов в этих районах составляет от -0,5 до -3°С);
Прерывистого распространения (ММГ занимают 75-90% территории, температура мерзлых грунтов здесь составляет от - 0,2 до - 2 °С);
Массивно-островного распространения (ММГ занимают 25-75% территории, температура мерзлых грунтов в этих районах составляет от - 0,2 до -2 °С);
5. Островного и редкоостровного распространения (ММГ занимают менее 25 % территории, температура мерзлых грунтов на этих территориях выше -0,5 о С).
Классификация мерзлых грунтов зависит еще и от промежутка времени, через которое они оттаивают. Так к многолетнемерзлым грунтам, которые оттаивают раз в несколько лет, добавляются сезонномерзлые грунты. Сезонномерзлые грунты распространены практически везде, где температура воздуха имеет отрицательный характер в зимнее время. Глубина сезонного промерзания таких грунтов зависит от климатических особенностей района, состава пород, мощности снегового покрова и от других факторов

. Промерзают они по-разному – от нескольких метров (0,3-0,6 м) до 2-6 м, а при наступлении летнего времени года растаивают полностью [5].


2 Особенности прокладки и эксплуатации нефтепроводов в зоне ММГ

Основной составляющей магистрального трубопровода является линейная часть. Линейная часть трубопроводов прокладывается в различных географических, геологических, гидрологических и климатических условиях. Построенные по всему миру трубопроводы пересекают горные массивы, непроходимые болота, вечную мерзлоту, тундру, пустыни, водные просторы, моря и континенты.Российские нефтеперекачивающие компании эксплуатируют огромное количество нефтепроводов, которые проходят через участки многолетнемерзлых грунтов. Многие эксплуатируются недавно, но соответствуют требованиям технической и экологической безопасности:
1. Трасса трубопроводной системы «Восточная Сибирь - Тихий океан» имеет протяженность 4740 км, диаметр трубопровода 1020-1220 мм. Более 750 км трассы проходит на участках многолетнемерзлых грунтов;
2. Трасса строящегося трубопровода «Куюмба - Тайшет» имеет протяженность 679 км, проектная мощность 15 млн. т. в год. Более 20 км трассы проходит на участках многолетнемерзлых грунтов;
3. Трасса трубопровода «Заполярье − Пурпе – Самотлор» имеет протяженность 429 км, диаметр 1020 мм. Более 160 км трассы проложены в надземном исполнении, из-за сложных геологических условий, в том числе из-за многолетнемерзлых грунтов [5].
Все перечисленные трубопроводные системы далеко не весь перечень систем, которые контактируют с многолетнемерзлыми грунтами. Более подробно северные трубопроводы указаны на рис.6.

Рис.6 – Северные трубопроводные системы [3]

При строительстве трубопроводов могут применяться три конструктивные схемы (подземная, наземная, надземная). Согласно нормативным документам для магистральных трубопроводов рекомендуется подземная прокладка, это конструктивная схема наиболее распространена (более 95% от общей протяженности трубопроводов).
В настоящее время существуют два основных принципа строительства подземных трубопроводных сооружений на ММГ: принцип I – использование и сохранение грунтов оснований сооружений в мерзлом состоянии на протяжении всего периода эксплуатации; принцип II – использование мерзлых грунтов в оттаянном (предварительное оттаивание) или оттаивающем (допущение оттаивания) состоянии без выхода сооружений из проектного положения. На основании прогнозных теплотехнических расчетов было показано, что принцип I реализуем при наземной прокладке, а принцип II – при подземной. Выбор между I и II принципами строительства определяется на основании анализа данных инженерно-геологических изысканий и обосновывается многими факторами: распространенностью ММГ на площадке строительства, составом и температурным состоянием грунтов, реологическими, пучнистыми и просадочными свойствами грунтов и пр. При строительстве магистральных трубопроводов чаще применяется принцип I, при этом рекомендуется избегать участки с активными мерзлотно-грунтовыми процессами. В случае применения принципа II рекомендуется рассчитывать сооружение на прочность и устойчивость с учетом дополнительных напряжений от изгиба вследствие неравномерной осадки основания при оттаивании. Более тридцати лет назад были разработаны рекомендации по выбору конструктивной схемы трубопроводов в зависимости от категории ММГ (таблица 1). На грунтах I категории возможно использование любых способов прокладки. На грунтах II категории наземный и надземный способы прокладки могут применяться без ограничений, а подземная прокладка возможна лишь с применением средств инженерной защиты трубопровода. На грунтах III категории не рекомендуется размещать тепловыделяющие подземные трубопроводы. На грунтах IV категории 17 строительство подземных трубопроводов запрещено, а надземная конструктивная схема может быть использована в исключительных случаях.
Способы защиты трубопровода в зависимости от категории ММГ и конструктивной схемы трубопровода приведены в таблице 2.

Таблица 1 – Классификация ММГ [4]

Категория ММГ Тип грунта Характеристика просадки,
% глубины оттаявшего слоя
I категория Непросадочный Незначительная равномерная осадка (менее 2%)
II категория Малопросадочный Равномерная осадка (до 10–12%)
III категория Льдонасыщенный Наравномерная осадка (до 40%)
IV категория Высокольдистый Провалы, термокарсты, бугры пучения

Таблица 2 –Способы защиты трубопровода в зависимости от категории ММГ и конструктивной схемы трубопровода [4]

Категория ММГ Способы защиты

Подземная прокладка Наземная, подземная прокладка
I категория Не требуется Не требуется
II категория Охлаждение транспорти- руемого продукта;
балластировка трубопровода Не требуется
III категория Замена грунта основания Замена грунта основания
IV категория Строительство трубопровода запрещено Принятие мер по предотвра- щению разрушения трубо- провода


Опыт эксплуатации подземных магистральных нефтепроводов в зонах вечной мерзлоты показывает, что одним из основных факторов, резко снижающих эксплуатационную надежность этих инженерных сооружений, является тепловое воздействие нефтепроводов на многолетнемерзлые грунты