Взаимодействие шлейфовых газопроводов с вечномерзлыми грунтами в теплый период года тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Горелов, Анатолий Сергеевич

• Горелов, Анатолий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горелов, Анатолий Сергеевич

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы освоения северных нефтегазоносных месторождений. Цель и задачи исследования.

1.1. Особенности освоения северных нефтегазовых месторождений и задачи механики мерзлых грунтов.

1.2. Объект исследования. Общие сведения и характеристики

Тюменского нефтегазового региона и Заполярного газоконденсатного месторождения.

1.2.1. Общая характеристика территории месторождения.

1.2.2.Геокриологические условия месторождения.

1.2.3. Особенности прокладки и режим работы трубопроводной системы ЗГНКМ.

1.2.4. Основные характеристики грунтов прокладки трубопроводов.

1.3. Анализ методов решения задач промерзания оттаивания) грунтов.

Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Тепловой режим шлейфов в теплый период времени года.

2.1. Система сбора продукции газовых промыслов ЗГНКМ.

2.2. Тепловой режим шлейфов в теплое время года с учетом растепляющего влияния метанолопровода.

2.3. Определение расчетных зависимостей и параметров.

2.4. Результаты численных расчетов.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Определение полной осадки оттаявшего под шлейфом грунта на

Ф участке растепления.

3.1. Зависимость толщины оттаявшего грунта под шлейфом от времени и расстояния до начальной отметки.

3.2. Определение осадки оттаивания грунтов.

3.3. Прогноз протекания осадок оттаивающего под шлейфом грунта во времени.

3.4. Определение осадки sp(z;x) консолидируемого грунта с использованием понятия «фильтрационного слоя».

3.5.Анализ полученных результатов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Силовое взаимодействие шлейфа с оттаивающим грунтом.

4.1. Выбор расчетной схемы силового взаимодействия шлейфа с оттаявшим грунтом.

4.2. Уравнение изогнутой оси трубопровода в случае оттаивающего грунта.

4.3. Система уравнений, описывающая осадку трубопровода для оттаивающего грунта.

4.4. Основные расчетные зависимости и результаты расчетов.

4.5. Расчет трубопровода на прочность при его осадке в оттаивающем грунте.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие шлейфовых газопроводов с вечномерзлыми грунтами в теплый период года»

Эксплуатационная надежность газотранспортной системы из-за значительной протяженности и неизбежности «старения» всегда была и остается в настоящее время актуальной научной и производственной проблемой.

Несмотря на то, что проблема надежности газопроводов постоянно находится в центре внимания руководителей подразделений и служащих нефтегазовой отрасли, на нефтегазопроводах России ежегодно происходит более 40тыс. аварий и отказов. При этом теряется более 3% добычи нефти и газа, а значительная доля причин связана с геотехническими проблемами трубопроводного транспорта.

Проблема обеспечения эксплуатационной надежности газопроводов значительно усложняется в связи с выходом нефтегазодобычи в Северные регионы страны. Среди факторов, формирующих напряженно-деформированное состояние трубопроводов, взаимодействие последних с промерзающими пучинистыми и вечномерзлыми грунтами является наименее изученными. Объясняется это сложностью процесса, так как морозное пучение относится к физико-механическим процессам, в результате которых промерзающий грунт в условиях гидро- и термодинамических изменений сам приобретает напряженно-деформированное состояние. Напряжения, возникающие в грунтах при пучении, смещают трубопроводы, изменяя их плановое и высотное положение. Такие деформации характерны для районов глубокого сезонного промерзания и распространения вечномерзлых грунтов.

Решение проблемы особенно актуально для Тюменского нефтегазового региона, где вечномерзлые грунты занимают площадь около 1 млн.км , а грунты с глубоким сезонным промерзанием составляют более 70% талых грунтов.

Существующие методы прогноза высотно-планового положения трубопровода недостаточно, по нашему мнению, учитывают процесс взаимодействия трубопровода с грунтами. Выполненные ранее нами исследования силового взаимодействия трубопровода с грунтами показали, что влиянием талых грунтов на напряженно-деформированное состояние стенки трубопровода в зоне изменения литологического разреза грунтов можно пренебречь. В указанной зоне, названной нами активной, не наблюдается значительного изменения радиуса изгиба трубопровода.

При промерзании грунтов и в условиях вечной мерзлоты степень влияния грунтового фактора на высотное положение трубопровода в активной зоне резко возрастает. Это обусловлено возможным действием сил морозного пучения в активной зоне и резким изменением свойств мерзлых грунтов по сравнению с талыми.

Учет этих изменений в пучинистых и вечномерзлых грунтах при расчете напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода является сложной и актуальной задачей.

В настоящей работе освещены выполненные автором исследования, теплового и силового взаимодействия шлейфовых газопроводов Заполярного газоконденсатного месторождения в теплый период года.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Горелов, Анатолий Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Поставлена и решена численными методами задача оттаивания мерзлого грунта вокруг системы «метанолопровод-шлейфовый газопровод» в теплый период времени года.

2. Определены расчетные параметры, связывающие эксплуатационные характеристики шлейфовых газопроводов и вдольтрассовых грунтов.

3. Для конкретных эксплуатируемых шлейфов определены длины участков растепления, изучена динамика оттаивания грунта и найдены регрессионные уравнения для толщины и осадки оттаявшего грунта.

4. На основе предложенной силовой модели получена система дифференциальных уравнений, описывающая продольно-поперечный изгиб газопровода на участках провисания и растепления.

5. Найденные уравнения упругой линии трубопроводов позволяют выделить опасные по максимальной величине эквивалентного напряжения участки шлейфового газопровода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горелов, Анатолий Сергеевич, 2004 год

1. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. - М.: Недра, 1991. - 287с.

2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1995. - 560с.

3. Ананенков А.Г., Конторович А.Э., Ермилов О.М., Дегтярев Б.В., Басниев К.С., Кононов В.И., Чугунов Л.С., Хилько В.А. Строительство и эксплуатация скважин и шлейфов в зоне ММП. // Газовая промышленность, 2003. №8. - С.35-38.

4. Балыбердина И.Т. Физические методы переработки и использования газа. М.: Недра, 1988. - 248с.

5. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория Базовых знаний, 2002.- 632с.

6. Бекиров Т.М., Берго Б.Г. Пересмотреть значение точки росы газа // Газовая промышленность, 1984. №10. - С.41-42.

7. Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 596с.

8. Бекиров Т.М., Мурин В.И. Оценка возможности допустимого содержания жидкой фазы в магистральных газопроводах // Газовая промышленность, 1995. №10. - С.25-28.

9. Беляев И.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. Часть 1. -М.: высшая школа, 1982. 327с.

10. Ю.Беляев И.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. Часть 2. -М.: высшая школа, 1982. 304с.

11. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. -М.: Недра, 1986.

12. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984.

13. Бухгалтер Э.Б. Метанол и его использование в газовойпромышленности. М.: Недра, 1986. - 238с.

14. Н.Виноградов С.В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. М.: Стройиздат, 1980.

15. Вихирев Р.И., Коротаев Ю.П., Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. М.: ОАО изд-во «Недра», 1998. - 479с.

16. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978.-447 с.

17. Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 2000г. - 463с.

18. Вялов С.С., Пекарская Н.К., Максимяк Р.В. О физической сущности процессов деформирования и разрушения глинистых грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1970. №1. - С.7-10.

19. Гаврин А.С. Новая энергетическая политика основа устойчивой экономики. - М: Нефть, газ, строительство, январь 2001г.

20. Геммерлинг А.В. Расчет стержневых систем. М.: Стройиздат, 1974.

21. Геотехнические вопросы освоения Севера. Перевод с анг. М.: Недра, 1983,551с.

22. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта. М.: недра, 1982.

23. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1971.

24. Гольдштейн М.Н., Царьков А.А., Черкасов И.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Транспорт, 1981. - 320с.

25. Гончаров Ю.М., Комзина А. А., Манков Е.Н. Особенности проектирования и устройства оснований зданий на мерзлых грунтах. -Л.: Стройиздат, 1980. 240с.

26. Горелов А.С, Кушнир С .Я., Горковенко А.И., Потапов А.Ю. Определение толщины оттаявшего мерзлого грунта под шлейфовым газопроводом в теплый период времени. // Известия вузов, «Нефть и газ». Тюмень: ТГНГУ, 2004.-№3.

27. Горковенко А.И. Исследование влияния сил морозного пучениягрунтов на напряженно-деформированное состояние трубопровода. — Дис. .канд.техн.наук. — Тюмень, 1999.- 115с.

28. Горшков Г.А., Трошин В.Н., Шалашилин В.И. Сопротивление материалов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 544с.

29. ГОСТ 25100 95. Грунты. Классификация / МНТКС. - М.: Издательство стандартов, 1995. - 30с.

30. Добыча, подготовка и транспорт природного газа и конденсата. Справочник / Ю.П.Коротаев, Г.Р.Гуревич, А.И.Брусиловский и др. -М.: Недра, 1984. т.4. - 360с.

31. Дубина М.М., Красовицкий Б. А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. — Новосибирск.: Наука, 1983.- 133 с.

32. Дурмитян А.Г. Газоконденсатные месторождения. М.: Недра, 1979. -230с.

33. Ермилов О.Н. и др. Физика пласта, добыча и подземное хранение газа. М.: наука, 1996.

34. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра, 1990. - 559с. 35.3арецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений.

35. М.: Стройиздат, 1988. 347с. Зб.Зарецкий Ю.К. К расчету осадок оттаявшего грунта. // Основания,фундаменты и механика гурнтов. 1968. - №3. - С.3-6. 37.3енкевич В.М. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975.

36. Иванов И. А. Эксплуатационная надежность магистральных трубопроводов в районах глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов. — Дис. .докт.техн.наук. Тюмень, 2002.-267с.

37. Иванов И.А., Антонова Е.О., Бахмат Г.В., Степанов О.А. Теплообмен при трубопроводном транспорте нефти и газа. М.: Недра, 1999. - 228с.

38. Иванов И.А., Горковенко А.И. Даниэлян Ю.С. Расчет температурных полей и тепловых потерь трубопроводов большого диаметра в сезонномерзлых грунтах // Тез.докладов Междун.конференции

39. Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты. Пущино, 2002. - С.38-41.

40. Инструкция по определению температурного режима вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов и прогнозирование последствий изменения тепловых условий на поверхности / Горбатиков В.А., Даниэлян Ю.С. и др. Тюмень: Гипротюменнефтегаз, 1991. - 47с.

41. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.Недра, 1980.

42. Истомин В.А., Квон В.Г., Якушев B.C. Инструкция по инженерным методам расчета условий гидратообразования. М.: ВНИИГаз, 1989. -85с.

43. Кабанов Н.И. Фазовое распределение и экологические вопросы использования метанола в качестве антигидратного реагента. М.: РАО «Газпром», 1996.

44. Казакова Н.В. Исследование напряжений земляного полотна промысловых автодорог силами морозного пучения. — Дис.канд.техн.наук. Тюмень, 2000.-147с.

45. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1971. - 576с.

46. Карнаухов Н.Н., Кушнир С .Я., Горелов А.С., Качур В.М., Громов В.Н. Исследование интенсивности диструкции мерзлых грунтов при подземной прокладке газопровода в условиях Чукотки. // Известия вузов, «Нефть и газ». — Тюмень: ТГНГУ, 2003. №1. — 76-83с.

47. Карнаухов Н.Н., Моисеев Б.В., Степанов О.А., Малюшин Н.А., Лещев Н.Н. Инженерные коммуникации в нефтегазодобывающих регионах Западной Сибири. Красноярск: Стройиздат, 1993. - 160с.

48. Карслоу Г. Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Высшая школа, 1964.

49. Катц Д. Руководство по добыче, транспорту и переработке природного газа. М.: Недра, 1964.

50. Киселев М.Ф. Теория сжимаемости оттаивающих грунтов под давлением. JL: Стройиздат, 1978. - 173с.

51. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. -М.: Наука, 1979.

52. Королев В.А. Термодинамика грунтов. М.: Изд-во МГУ, 1997. - 167с.

53. Коротаев Ю.П. Эксплуатация газовых месторождений. М.: Недра, 1975.

54. Кулачкин Б.И., Радкевич А.И., Александровский Ю.В., Остюков Б.С. Актуальные проблемы механики грунтов и геотехники. М.: 70 лет НИИОСП им. Н.М.Герсеванова (труды института), 2001г.

55. Кушнир С.Я., Горелов А.С. Проблемы эксплуатации газопроводных систем в условиях Тюменского Заполярья. // Сборник научных трудов: «Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России». — Тюмень: ТюмГНГУ, 2000г.-160-162с.

56. Кушнир С.Я., Горелов А.С., Горковенко А.И. Силовое взаимодействие шлейфового газопровода с оттаявшим мерзлым грунтом. // Известия вузов, «Нефть и газ». — Тюмень: ТГНГУ, 2004. №4.

57. Кушнир С.Я., Горковенко А.И., Иванов И.А. О взаимодействии трубопровода с пучинистым грунтом // Материалы региональной научно-технической конференции «Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли». Тюмень: ТГНГУ, 1998г. - С.63-66.

58. Лоусон Ч., Хентон Р. Численное решение задач методом наименьших квадратов. М.: Наука, 1986.

59. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1968. -599с.

60. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1971. - 560с.

61. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968. - 629с.

62. Мастепанов А.А., Шельф энергетический плацдарм XXI века. - М.: Нефть, газ, строительство, январь 2001 г.

63. Морозов В.Н. Магистральные трубопроводы в сложных инженерно-геологических условиях. Л.: Недра, 1987.

64. Мочалин А.И. Применение 8 функции Дирака к решению дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа / Сб. «Тепломассообмен в процессах испарения».- М.: Изд.АН СССР, 1958.

65. Основные концептуальные положения развития нефтегазового комплекса России. Нефтегазовая вертикаль. Специальный выпуск №1 (39), январь 2000г.

66. Основы геокриологии. Часть 4. Динамическая геокриология / Под.ред. Э.Д.Ершова. М.: Изд-во МГУ, 2001. - 688с.

67. Основы геокриологии. Часть 5. / Под.ред. Э.Д.Ершова М.: изд-во МГУ, 1999.-526 с.

68. Павлов А.В. Теплообмен промерзающих и протаивающих грунтов сатмосферой. М.: Наука, 1965.

69. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. М.: Наука, 1970. - 207с.

70. Порхаев Г.В., Александров Ю.А., Семенов Л.П., Шур Ю.Л. Пособие по теплотехническим расчетам санитарно-технических сетей, прокладываемых в вечномерзлых грунтах.-М.:Изд-во литературы по строительству, 1971.-73 с.

71. Порхаев Г.В., Фельдман Г.М., Федорович Д.И. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов. М.: Наука, 1964. - 1971с.

72. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача. М.: Недра, 1987. - 349с.

73. Ржаницын А.Р. Строительная механика. М., 1982.7 8. Роман Л.Т. Механика мерзлых грунтов. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. - 426с.

74. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана. Рига, 1967.

75. Саргсян А.Е., Демченко А.Т., Дворянчиков Н.В., Джингвелашвили. Строительная механика. М.: Высшая школа, 2000. - 416с.

76. СНиП 2.02.01 — 83*. Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1985. - 39с.

77. СНиП 2.02.04 — 88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 52с.

78. СНиП 2.05.06 — 85*. Магистральные трубопроводы / Госстрой России. М.: ГУЛ ЦПП, 1998. - 60 с.

79. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. М.: Госстрой России,2000. 57с.

80. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: Госстрой России,2001.-29с.

81. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Киев: Наукова думка, 1988. - 736с.

82. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.:1. Стройиздат, 1977. 552с.

83. Тартаковский Е.Е. Строительная механика трубопроводов. М.: Недра, 1967. - 220с.

84. Тимошенко С.П., Дж.Гудьер. Теория упругости. М., 1975.

85. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1977. 736с.

86. Требин Ф.А., Макагон Ю.Ф., Басилаев К.С. Добыча природного газа. -М.: Недра, 1976. -368с.

87. Трубопроводный транспорт газа / С.А.Бобовский, С.Г.Щербаков, Е.И.Яковлев и др. М.: Наука, 1976.

88. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ им.Баумана, 2001. - 592с.

89. Фельдман Г.М. Методические указания по расчетам температурного режима грунтов. Якутск: Ин-т мерзлотовед. СО РАН, 1985. - 70с.

90. Флорин В.А. Основы механики грунтов. М.: Госстройиздат, 1959. -т.1. - 543с.

91. Ходанович И.Е., Кривошеий Б.Л., Бикчентай Р.П. Тепловые режимы магистральных газопроводов.-М.:Недра, 1971.- 210с.

92. Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа, 1983. 288с.

93. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. — М.: Высшая школа, 1973. 446с.

94. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965.

95. Чикишев В.М. Исследование процесса силового взаимодействия линейной части трубопроводов с промерзающим грунтом. -Дис. .канд.техн.наук. — Тюмень, 1999.-142с.

96. Ширковский А.И. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. М.: Недра, 1979.

97. Anderson D.M., Pusch R., Penner E. Physical and thermal properties of frozen ground // Geotechnical Engineering for Cold Regions. N.Y.: McCraw-Hill, 1978.

98. Anderson D.M., Tice A.R. The unfrozen interfacial phase in frozen soil // Water Systems Ecol. Stud., 1973. (4)

99. Hoekstra P. Moisture movement in soil under temperature gradients with the cold-side below freezing // Water Res., 1966. Vol. 2, N 2.

100. Ladanyi B. Mechanics behavior of frozen soils // Proc. Intern. Symp. on Mech. Bech. of Structur. Media. Elsevier Sc. Publ. Co., Amsterdam., 1981.

101. Smith M.W., Tice A.R. Measurement of the unfrozen water content of soils comparison of N.M.R. and T.D.R. methods // USA CRREL. Techn. Hanover, 1988.

102. Wintercoru H.F. Discussion of suction force on soil upon freezing // Proc. Am. Soc. Civ. Eng. 81:6-9 Ser. PO. 656. 1955.