Теоретические основы новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов в условиях Западной Сибири тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, доктор технических наук Соколов, Сергей Михайлович

• Соколов, Сергей Михайлович
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Соколов, Сергей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ I. Анализ строительных свойств торфяных грунтов и способов прокладки промысловых трубопроводов в условиях болот

1.1. Строительные и инженерно-геологические свойства торфяных грунтов Западно-Сибирского региона

1.2. Методы определения строительных свойств торфяных оснований

1.3. Анализ классификации торфяных оснований по проходимости строительной техникой, предложенной «Гипроспецгазом» совместно с Ленинградским гидрологическим институтом

1.4. Анализ существующих способов прокладки и закрепления промысловых трубопроводов на болотах

1.4.1. Анализ известных способов балластировки трубопроводов при подземной прокладке на болотах

1.4.2. Авторские разработки по конструктивным решениям прокладки промысловых трубопроводов в условиях болот 40 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ I: 44 РАЗДЕЛ II. Анализ способов прокладки промысловых трубопроводов в условиях многолетиемерзлых грунтов Западно -Сибирского региона

2.1. Строительные свойства многолетиемерзлых грунтов ЗападноСибирского региона и их действующая классификация

2.2. Анализ конструктивных решений прокладки промысловых трубопроводов в условиях ММГ

2.2.1. Схемы подземной прокладки трубопроводов

2.2.2. Схемы наземной прокладки трубопроводов

2.2.3. Схемы надземной прокладки трубопроводов

2.2.4. Схемы прокладки трубопроводов с применением технологических насыпей

2.3. Закрепление трубопроводов от всплытия в условиях ММГ

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ II:

РАЗДЕЛ III. Разработка расчетных методик и классификации торфяных оснований

3.1. Разработка методики расчета осадки торфяной залежи под трубопроводом

3.1.1. Экспериментальные исследования определения осадки торфяного основания от трубопровода

3.1.2. Разработка методики расчета величины осадки трубопровода на торфяном основании

3.2. Разработка методики определения механических характеристик торфяного основания под трубопроводом на основе опытных данных

3.3. Разработка методики расчета параметров торфяной засыпки трубопровода при его поперечных перемещениях на основании экспериментальных исследований

3.4. Разработка методики определения предельных касательных напряжений по контакту «труба-грунт» при продольном перемещении трубопровода в торфяном грунте

3.5. Разработка классификации торфяных оснований для оптимизации процесса прокладки промысловых трубопроводов 115 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ III: 124 РАЗДЕЛ IV. Разработка прогрессивных способов балластировки и закрепления трубопроводов от всплытия

4.1. Балластировка трубопроводов торфяным грунтом засыпки

4.2. Разработка конструктивных решений закрепления трубопроводов с применением геотекстильных материалов

4.2.1. Опыт использования геотекстильных материалов для балластировки трубопроводов

4.2.2. Исследование сопротивления грунта засыпки вертикальным перемещениям трубопровода при применении геотекстильных материалов

4.2.3. Разработка конструкций и методов балластировки трубопровода на основе связи геотекстиля и грунта засыпки

4.3. Экспериментальное исследование по использованию выстреливаемых и взрывных анкеров в условиях болот, разработка их конструкции и методов расчета

4.3.1. Перспективы использования выстреливаемых и взрывных анкеров

4.3.2. Экспериментальное определение несущей способности выстреливаемых анкеров авторской конструкции

4.3.3. Экспериментальное исследование возможности применения 122мм орудия для закрепления трубопроводов выстреливаемыми анкерами

4.3.4. Экспериментальные исследования по определению параметров погружения выстреливаемых анкеров в грунт

4.3.5. Экспериментальные исследования параметров раскрытия поворотных лопастей выстреливаемого анкера

4.3.6. Разработка методики расчета массы заряда и технологии работ по его установке

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ IV:

РАЗДЕЛ V. Разработка новых конструктивных решений прокладки трубопроводов на торфяных грунтах

5.1. Разработка способа прокладки трубопровода с использованием торфа в качестве несущего основания

5.1.1. Экспериментальное исследование взаимодействия промысловых трубопроводов с растительным покровом при продольных и поперечных перемещениях

5.2. Разработка метода прокладки трубопровода самопогружением с замерзшей поверхности болота

5.2.1. Разработка метода фиксации трубопровода в проектном положении с помощью поплавковых опор

5.2.2. Опыт применения поплавковых опор для фиксации трубопровода в проектном положении

5.2.3. Разработка метода прокладки и расчета трубопровода с помощью свайных опор с подвижным ригелем

5.3. Прокладка трубопроводов на болотах с помощью реактивных двигателей

5.4. Укладка трубопровода взрывом

5.5. Разработка методики расчета подъема трубопровода при проведении ремонтных работ без вскрытия траншеи 222 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ V: 227 РАЗДЕЛ VI. Экспериментальное исследование условий работы трубопроводов на ММГ

6.1. Экспериментальное изучение работы промысловых трубопроводов на ММГ, определение значения осадки наземных и подземных трубопроводов при оттаивании

6.2. Изучение физико-механических свойств многолетнемерзлых грунтов по трассе трубопровода на Русском нефтяном месторождении

6.2.1. Инженерно-геологическая оценка пород, находящихся в пределах трассы трубопровода

6.2.2. Характеристика нестабильности физических свойств грунта и её влияние на работу трубопровода в процессе эксплуатации

6.3 Экспериментальные исследования продольного перемещения моделей труб в мерзлых и оттаивающих грунтах

6.4. Экспериментальные исследования взаимодействия модели трубопровода с грунтом засыпки в поперечном направлении в оттаивающих мерзлых грунтах

6.5. Исследование теплового влияния трубопроводов на участки, сложенные многолетнемерзлыми грунтами 263 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ VI: 269 РАЗДЕЛ VII. Разработка классификации ММГ и расчетных методик

7.1. Разработка классификации ММГ и категорийности участков нефтепромысловых трубопроводов

7.2. Разработка методики определения НДС трубопровода на переходе через границу между различными грунтами

7.3. Разработка методики определения температурного поля в грунте вокруг многониточных трубопроводных систем

7.4. Разработка методики расчета зоны оттаивания под тепловыделяющими сооружениями при точной формулировке нижнего граничного условия

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ VII:

РАЗДЕЛ XIII. Разработка методик расчета трубопроводов на болотах и ММГ на основе экспериментальных исследований автора

8.1. Разработка методики расчета величины напряженно-деформированного состояния трубопровода на торфяном основании

8.1.1. Методика определения пространственного положения трубопровода

8.1.2. Разработка численной реализации метода сглаживающих сплайнов

8.1.3. Разработка методики снижения уровня ошибок в измерении высотного положения оси трубопровода методом сглаживающих сплайнов

8.1.4. Определение напряженно-деформированного состояния трубопровода методом регуляризации Тихонова 316 8.2. Разработка методики расчета напряженного состояния трубопровода при поперечных перемещениях по его высотным отметкам методом конечных элементов (КЭ)

8.2.1. Исходные предпосылки, обозначения, постановка задачи и общая схема решения

8.2.2. Разработка методики по определению рационального объема исходной экспериментальной информации

8.2.3. Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода на неоднородных ММГ 331 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ XIII: 335 Основные выводы по работе 336 Список использованной литературы: 338 ПРИЛОЖЕНИЯ:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов в условиях Западной Сибири»

Актуальность проблемы. Западно-Сибирский регион является главной базой топливно-энергетического комплекса России, а ее ведущей отраслью является нефтегазовая промышленность. Более 70% общероссийского баланса углеводородного сырья страны поставляется с северных промыслов Тюменской области. Известно что территория области имеет общую площадь земель около 1,5 млн. км , из них 1 млн. км л многолетнемерзлые грунты (ММГ). Талые грунты занимают 530000 км . На этой территории 80% грунты: слабые; мелкие пылеватые пески; водонасыщенные; суглинки; супеси и глины текучей и пластической консистенции; заторфованные; заболоченные территории.

В связи с этим большое значение приобретают вопросы строительства промысловых сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях. Известные методы строительства промысловых трубопроводов имеют ряд недостатков, один из которых -нарушение проектного положения трубопроводов, сооруженных в слабонесущих грунтах. По суммарным затратам на обустройство месторождений и обеспечения высоких темпов их освоения промысловые трубопроводы занимают значительную долю, рис. 1. 2 3 4

Рисунок 1. Затраты на комплексное обустройство месторождений 1 - нефтесборные трубопроводы; 2 - газосборные трубопроводы; 3 - водоводы; 4 - объекты обустройства (площадочные объекты, автомобильные дороги, объекты электроснабжения и т.д.).

Известные методы строительства промысловых трубопроводов имеют ряд недостатков, к которым относятся отсутствие гарантии на длительное сохранение проектного положения трубопроводов, сооруженных в слабонесущих грунтах. Для решения вопросов по обеспечению устойчивого положения трубопровода в проектно-строительном положении становятся актуальными вопросы исследования и опытно-конструкторские работы, ориентированные на стабилизацию положения трубопровода за счет применения различных схем прокладки, совершенствования конструкций балластирующих грузов, прогнозирования осадки основания, анкерных устройств и т.д. Структура затрат по этим видам работ при строительстве промысловых трубопроводов представлена на рис.2.

3,9%

И I ■ 2 3 4

Рисунок 2. Структура затрат по видам работ и материалам при строительстве трубопроводов:

1 - стоимость черной трубы с заводской изоляцией; 2 — прочие работы по укладке трубопровода (земляные работы, сварка, укладка в траншею, испытание, переходы через естественные и искусственные препятствия); 3 - устройство балластировки; 4 - устройство конструктивных узлов и задвижек.

Проблемы строительства промысловых трубопроводов представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Проблемные вопросы прокладки промысловых трубопроводов

Все это послужило основанием для разработки новых технологических решений при проектировании и выборе наиболее эффективных способов прокладки и балластировки трубопроводов на болотах и ММГ с целью обеспечения их надежной работы. Институтом ОАО «Гипротюменнефтегаз», являющимся генеральным проектировщиком обустройства нефтяных месторождений Западной Сибири, при непосредственном и постоянном участии автора был проведен комплекс научно-исследовательских, опытно-экспериментальных и проектных работ по прокладке трубопроводов в условиях болот и на ММГ, которые в дальнейшем прошли длительную проверку в натурных условиях и нашли широкое применение при их проектировании и строительстве.

В связи с этим, актуальность диссертационной работы заключается в разработке теоретических основ новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов, прокладываемых в условиях распространения ММГ и болот, основывающихся на масштабных экспериментальных исследованиях и статистической обработке полученной информации.

Целью работы является разработка теоретических основ новых методов проектирования и сооружения нефтепромысловых трубопроводов Западной Сибири и их экспериментальное обоснование.

Задачи исследований.

1. На базе теоретических и экспериментальных исследований работы трубопроводов в условиях болот и ММГ разработать классификацию слабых грунтов для выбора оптимального способа прокладки в условиях Западно -Сибирского региона, а именно: с максимальным использованием несущей способности ММГ и торфяных грунтов.

2. Разработать теоретические основы для создания и внедрения новых способов прокладки в условиях рассматриваемой местности: самопогружением трубопроводов с оттаивающей поверхности при фиксации их на проектных отметках поплавковыми или свайными опорами с подвижным ригелем; с прогнозированием величины осадки и изменения величины напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода в переходной зоне от мерзлого к оттаивающему грунту; открыто по поверхности или в теплоизолирующем конверте с компенсирующими участками; с использованием конверсионных технологий (выстреливаемых и взрывных анкеров); реактивных твердотопливных двигателей для локального перемещения трубопроводов по строительной трассе.

3. Определить эффективность работы грунтовой засыпки трубопровода при: закреплении мелкозаглубленными анкерными устройствами; усилении несущей способности грунтовой засыпки геотекстильным материалом; использовании анкерных устройств из гибких лент.

4. Разработать теоретические основы для математического моделирования: взаимодействия трубопровода с анкерами; взаимодействия трубопровода с грунтовой засыпкой в геотекстильной оболочке, размещенной в торфяных и многолетнемерзлых грунтах.

5. Определить расчетную модель торфяного основания трубопровода по результатам полевых и лабораторных испытаний.

6. Разработать теоретические основы для: расчета удерживающей способности выстреливаемых и взрывных анкеров; расчета удерживающей способности торфяной засыпки трубопровода.

Объектами исследования являются промысловые нефтепроводы, эксплуатируемые в условиях торфяных грунтов и ММГ.

Методика исследования. Поставленные задачи решались теоретически и экспериментально.

При проведении теоретических исследований использованы методы математического и регрессионного анализа, строительной механики и сопротивления материалов, механики грунтов, теории надежности, теории принятия решений, теории вероятности, механики разрушения, а также прикладные исследования по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту систем трубопроводного транспорта.

Исследования взаимодействия промысловых нефтепроводов с грунтами проводились в лабораторных и полевых условиях. Обработка опытных данных проводилась статистическими и регрессионными методами с использованием цифровой техники.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Разработана классификация ММГ дополненная признаками характеризующими: неоднородность ММГ по «просадочности» и длине трубопровода; строительными свойствами в мерзлом и в оттаявшем состоянии, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.

2. Разработана классификация болот, имеющих сложное стратиграфическое строение залежи по глубине, позволяющая принять оптимальное решение при выборе способа прокладки трубопровода.

3. Получены функциональные зависимости для определения величины: силового взаимодействия трубопровода с торфяным грунтом и ММГ при продольных и поперечных перемещениях трубы; несущей способности анкеров; балластирующей способности грунтовой засыпки с геотекстильным материалом.

4. Установлены функциональные зависимости для определения физико-механических характеристик торфяных и многолетнемерзлых грунтов при их взаимодействии с трубопроводом: разработана методика расчета тепловой и механической осадки трубопровода на ММГ; разработана модель взаимодействия «труба - оттаивающий грунт», с учетом влияния на эту систему различных силовых воздействий; установлена функциональная зависимость для определения конечной осадки торфяного основания под ч нагрузкой в процессе эксплуатации трубопровода; установлена функциональная зависимость для определения величины коэффициента жесткости основания в зависимости от диаметра штампа для моделей с одним и двумя коэффициентами постели; разработана методика расчета нефтепромысловых трубопроводов с использованием торфа в качестве несущего основания.

5. Разработаны теоретические основы для создания и внедрения новых технологических схем прокладки трубопроводов на болотах и ММГ.

6. Разработаны теоретические основы для применения выстреливаемых и взрывных анкеров, получены функциональные зависимости для математического описания работы системы «анкер - трубопровод» и «анкер - грунт».

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Разработанные теоретические положения, методики расчета и проведенные опытно-промышленные исследования по новым способам прокладки и закрепления на проектных отметках в слабонесущих и оттаивающих грунтах промысловых трубопроводов используются в проектных институтах при проектировании и обустройстве нефтяных месторождений Западной Сибири:

Авторские разработки внедрены в проекты обустройства Самотлорского, Федоровского, Приразломного, Мало-Балыкского,

Муравленковского, Суторминского, Сугмутского, Харампурского, Восточно-Таркасалинского, Приобского и других нефтяных месторождений.

Практические результаты, полученные в диссертационной работе, вошли в 13 нормативных документов, где наиболее значимые: Рекомендации по изысканиям и проектированию нефтепромысловых трубопроводов на болотах Западной Сибири. ВР-05-76 - 1976 г.; Справочные материалы по прочностному расчету промысловых трубопроводов в районах распространения вечномерзлых грунтов. СМ-48-79 - 1979 г.; Определение напряженного состояния трубопровода по его пространственному положению. Методики и программы. СТП 57.00.013-83 - 1983 г.; Проектирование промысловых трубопроводов, совмещенных с автодорогами в условиях вечномерзлых грунтов. СТП 51.101-85 - 1985 г.; Проектирование промысловых стальных трубопроводов. ВСН 51-3-85/2.38-85. Мингазпром, Миннефтепром - 1986 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и совещаниях: II Всесоюзная научно-техническая конференция «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 1982 г.); II Зональная научно-техническая конференция Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983 г.); Научно-практическая конференция «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Благовещенск, 1986 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Тюменская нефть-вчера и сегодня» (Тюмень, 1997 г.); Международный семинар Европейской комиссии по программе ТЕРМИ «Повышение надежности нефтесборных сетей» (Нижневартовск, 1999 г.); II Научно-практическая конференция и IV всероссийская научно-практическая конференция «Окружающая среда» (Тюмень: соответственно 1999 и 2001 гг.); Всероссийское совещание «Повышение надежности эксплуатации трубопроводных систем и насосно-компрессорных труб» (Нижневартовск, 2001 г.); Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008 г).

За предложение, исследование и внедрение в производство ряда решений по сооружению промысловых трубопроводов автор награжден медалями ВДНХ: серебряной - 1980 г., золотой - 1981 г.

Отдельные результаты работы обсуждались на семинарах ведущих специалистов в Тюменском проектном институте нефтяной и газовой промышленности (ОАО Гипротюменнефтегазе), Уфимском государственном нефтяном техническом университете, Тюменском государственном нефтегазовом университете на межкафедральных семинарах (2008, 2009 гг.).

Публикации. Опубликовано 79 печатных работ, в том числе 4 научно-технических обзора, получено 45 изобретений, в журналах рекомендованных ВАК России 15 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 357 стр. машинописного текста состоит из введения, обзорной части, 8 глав, 114 рисунков, 68 таблиц, 22 приложений, основных результатов и выводов, списка литературы из 163 наименований.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Соколов, Сергей Михайлович

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ XIII:

1. Разработана уточненная методика расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода на торфяном основании.

2. Разработана методика сглаживания ошибок измерений высотного положения оси трубопровода при определении его напряженного состояния методом сглаживающих сплайнов.

3. Разработана методика расчета напряженного состояния трубопровода при поперечных перемещениях по его высотным отметкам методом конечных элементов.

4. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода на неоднородных ММГ.

ОАО «ТЮМЕНСКИЙ ПРОЕКТНЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ИМ. В.И. МУРАВЛЕНКО»

На правах рукописи

СОКОЛОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НОВЫХ МЕТОДОВ СООРУЖЕНИЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ

ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ tUi

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Тюмень 2009