Геотехнический мониторинг как основа безопасной эксплуатации объектов добычи нефти и газа в условиях криолитозоны (на примере новопортовского месторождения)

10.04.2018
Источник: Журнал «PROнефть»

Geotechnical monitoring as a basis for the safe operation of oil and Gas production facilities in cryolite area (by the example of Novoportovskoye field)

УДК 622.276.012

Д.С. Паздерин, к.т.н
ООО «Газпромнефть-Ямал» 

Электронный адрес: Pazderin.DS@tmn.gazprom-neft.ru 

Ключевые слова: геотехнический мониторинг, многолетнемерзлые породы, криолитозона, надежность объектов, теплокарта  

D.S. Pazderin
Gazpromneft NTC LLC, RF, Salekhard  

The article contains the main provisions on the organization of geotechnical monitoring of permafrost. New methods of interpretation of long-term observations of stability of soils thermal state are offered. The concept of "heat map" in respect of construction of the temperature fields for large area objects is introduced. Some results of geotechnical monitoring at the Novoportovskoye oil and gas condensate field, including thermovision diagnostics of the devices of temperature stabilization of soils work capacity are presented.

Keywords: geotechnical monitoring, permafrost, cryolite area, objects reliability, heat map

DOI: 10.24887/2587-7399-2018-1-68-72

Введение

Реализация наиболее значимых нефтегазовых проектов в XXI веке тесно связана с развитием новых крупных центров добычи углеводородного сырья и обустройством новых систем трубопроводного транспорта, в основном расположенных на территории распространения многолетнемерзлых пород. Одним из таких крупных проектов является Новопортовское нефтегазоконденсатное месторождение (НГКМ), расположенное на п-ве Ямал, в 30 км от побережья Обской губы, в 250 км к северу от г. Надыма. Извлекаемые запасы месторождения категорий C1 и С2 составляют более 250 млн т нефти и конденсата, а также более 320 млрд м3 газа (с учетом палеозойских отложений). 

Основные положения

Природные особенности Новопортовского НГКМ обусловливают использование в качестве оснований для строительства площадных объектов многолетнемерзлые породы. Производственный опыт и литературные источники [1] свидетельствуют о том, что степень значимости отказов нефтедобывающих систем в криолитозоне из-за взаимодействия с многолетнемерзлыми породами сравнима со степенью значимости отказов по технологическим причинам. В настоящее время проектирование зданий и сооружений на основаниях из многолетнемерзлых пород с использованием грунтов по первому принципу регламентируется сводом правил СП 25.13330.2012. Суть расчетных операций заключается в проверке соотношений нагрузок и воздействий с применением соответствующего коэффициента запаса, часто не превышающего 1, 2 [2]. В качестве исходной информации используются материалы инженерных изысканий, проведенных до начала строительства. Все неучтенные и не исследованные в процессе изысканий факторы воздействия (например, тепловое воздействие зданий и сооружений в процессе эксплуатации, потепление климата) предполагается включить в %-ный запас надежности расчета.

Свод правил СП 25.13330.2012 требует от проектных, строительных и эксплуатирующих организаций обустройства сети наблюдений за температурным режимом оснований и деформациями инженерных сооружений. При этом в них не указано, каким образом следует использовать результаты наблюдений. В связи с этим возникает вполне обоснованный вопрос: адекватное ли количество материальных ресурсов (до 20 ) вложено в обеспечение механической надежности инженерного сооружения? Эксплуатирующие организации обычно уделяют недостаточное внимание режимному опросу сети геотехнического мониторинга.

Периодическое привлечение к данным работам сторонних организаций не позволяет определить степень опасности измеренных аномалий температурного поля грунтов оснований и планово-высотных положений. С целью усиления контроля этих опасных явлений, а также для минимизации воздействия на окружающую среду негативных факторов, связанных с добычей нефти и газа, в ООО «Газпромнефть-Ямал» создано подразделение, оснащенное необходимым современным оборудованием для геотехнического мониторинга на Новопортовском НГКМ в период строительства и эксплуатации объектов.

Виды наблюдений, осуществляемых в рамках выполнения геотехнического мониторинга, и их периодичность должны обеспечивать получение необходимого набора параметров, позволяющих:

• достоверно определить текущее состояние объекта;

• спрогнозировать возможное изменение ситуации в течение ближайших лет с целью выработки необходимых мероприятий по стабилизации ситуации.

В ходе геотехнического мониторинга ведется наблюдение за:

• температурой грунтов в основании зданий и сооружений;

• температурой воздуха в проветриваемом подполье;

• температурой окружающего воздуха и скоростью ветра;

• гидрогеологическим состоянием оснований;

• планово-высотным положением фундаментов. Проверяется работоспособность сезонно-действующих охлаждающих устройств (только в зимний период).

В связи с тем, что ввод в эксплуатацию сооружений еще продолжается, и грунты оснований переходят из естественного природного состояния в проектное, перечисленные выше работы необходимо выполнять с большей частотой, чем это предусмотрено в нормативной документации. Так, при полном переходе грунтов в проектный режим предусмотрено проведение геотехнического мониторинга один раз в квартал, в переходный период – ежемесячно.

С целью контроля деформаций свайных фундаментов предусмотрено режимное нивелирование всех зданий и сооружений. Нивелирование выполняется не реже двух раз в год – в период максимальных оттаивания (сентябрь-октябрь) и промерзания (апрель-май) грунтов .

Для получения информации о текущей климатической ситуации на Новопортовском месторождении проведен сравнительный анализ фактической температуры воздуха и данных, принятых при проектировании [3]. Результаты, полученные за период с 2006 по 2017 г. (см. таблицу), свидетельствуют о том, что в последнее десятилетие в исследуемом районе температура воздуха повышалась.

Этот факт негативно влияет на температурный режим грунтов оснований.

Основным превентивным параметром, определяемым при проведении мониторинга, является температура грунта в основании сооружений. Для ее определения на площадочных объектах (центральный пункт сбора (ЦПС) нефти, вахтовый жилой комплекс, газотурбинная электростанция, установка комплексной подготовки газа и др.), кустах нефтяных и газовых скважин, а также на линейных сооружениях (напорные нефтепроводы, сети нефтегазосборные и линии высоковольтные) устанавливаются специальные термометрические скважины (ТС). Согласно СП 25.13330.2012 ТС следует располагать у наружных фундаментов и в контуре сооружения, близко к его геометрическому центру. В ТС погружаются термометрические косы – многозонные цифровые датчики температуры [4], которые преобразуют измеренный сигнал в цифровой с последующей передачей его на устройство считывания, хранения и отображения данных контроллеры цифровых датчиков или логгеры. Как правило, ТС оборудуются стационарными термокосами, что позволяет минимизировать влияние человеческого фактора на корректность выполнения замеров (соответствие глубины расположения датчиков и времени выдержки термокос) и сократить время измерения.

Рис. 1. Изменение температуры грунта, измеренной в термометрических скважинах, расположенных под центральной частью здания (а) и у внешних границ его фундамента (б)

Результаты режимных наблюдений 

На рис. 1 представлены результаты наблюдения за температурой в термометрических скважинах, расположенных в контуре здания и у внешних границ фундамента общежития вахтового жилого комплекса Новопортовского НГКМ. Общежитие представляет собой блочно-модульное здание размером 51,0х14,0 м на вентилируемом подполье высотой 1,45 м. Высота насыпи – 2,6 м. Замеры температур выполнялись ежемесячно. Для графических построений использовалось программное обеспечение Surfer 13.

Такой формат представления результатов наблюдений позволяет контролировать изменение температуры многолетнемерзлых грунтов и оценивать достаточность мероприятий по поддержанию грунтов оснований в мерзлом состоянии. Как видно из рис. 1, температура грунтов у внешних границ фундамента в зимний период ниже, а в летний выше, чем под центром здания. Кроме того, максимальная глубина сезонного оттаивания (показана штриховой линией) под центральной частью здания на 20   меньше чем у внешних границ фундамента. 

Теплокарта 

Для оценки теплового состояния крупного площадного объекта специалисты отдела геотехнического мониторинга многолетнемерзлых пород строят теплокарты, представляющие собой результаты замеров температуры грунтов на заданной глубине по всему объекту, наложенные на генеральный план. Построение теплокарт в конце летнего периода позволяет выявить участки, требующие наибольшего внимания в процессе дальнейшего мониторинга. На рис. 2 приведена теплокарта для ЦПС Новопортовкого месторождения по состоянию на конец летнего периода – октябрь 2017 г. Теплокарта построена на основе замеров в 17 ТС. Следует отметить, что на данном объекте отсутствуют устройства для термостабилизации грунтов.

Для линейных сооружений строится температурный разрез на основе данных, полученных в ТС, расположенных вдоль основания.

Рис. 2. Теплокарта для ЦПС Новопортовского НГКМ 


Рис. 3. Распределение температуры грунта по глубине вдоль внутрипромыслового нефтепровода (дата измерения: 25.09.2017 г.)

Для построения теплового поля участка трубопровода (рис. 3) использованы данные 19 ТС. Полученное распределение температур позволяет количественно и качественно оценить тепловое состояние грунтов в основании нефтепровода и своевременно разработать корректирующие мероприятия по недопущению деградации многолетнемерзлых пород.

Следующим шагом в оценке геотехнического состояния объектов является расчет несущей способности свайных фундаментов и сопоставление ее с расчетной нагрузкой и проектной несущей способностью.

Сравнение указанных величин позволяет сделать вывод о резерве надежности оснований и фундаментов. 

Тепловизионная диагностика

 Основания многих сооружений Новопортовского НГКМ построены с использованием устройств термостабилизации многолетнемерзлых пород. В процессе эксплуатации этих сооружений необходимо выполнять диагностику работоспособности устройств, применяемых для термостабилизации грунтов (ТСГ). Для этого в зимний период (при температуре воздуха ниже 15 °С) надземные конденсаторные части устройств для ТСГ диагностируются с помощью тепловизора.


Рис. 4. Результаты диагностики систем ТСГ ВЕТ на резервуарах нефти РВС-20000:

а – снимок в инфракрасном свете (через тепловизор); б – фотоснимок

Признаком работоспособности систем ТСГ является положительная разница между температурой поверхности конденсатора системы и температурой воздуха. Как правило, сравнение проводят с температурой на поверхности ограждающих конструкций, попадающих в кадр тепловизора. На инфракрасном изображении (рис. 4, а) точками Sp1, Sp2, Sp3, Sp4 показаны температуры, которые анализируются. Видно, что температура Sp2 на поверхности конденсаторного блока совпадает с температурой Sp4 на ограждении, что свидетельствует о неработающем состоянии системы ТСГ (на момент тепловизионной диагностики система не запущена в работу), другие системы Sp1, Sp3 находятся в рабочем состоянии. 

Выводы

1. Комплексно оценить тепловое состояние крупного площадного объекта позволяют теплокарты, которые строятся на основе замеров температуры в ТС.

2. Геотехнический мониторинг путем организации контроля температурного режима грунтов оснований и получения данных сети нивелировочных марок дает возможность обеспечить безопасность зданий и сооружений и снизить риски, связанные с производственной и хозяйственной деятельностью ООО «Газпромнефть-Ямал». 

Список литературы

1. Системы температурной стабилизации грунтов оснований в криолитозоне: актуальные вопросы исследований, расчетов, проектирования, производства, строительства, авторского надзора и мониторинга/под ред. Г.М. Долгих / НПО «Фундаментстройаркос». – Новосибирск: Гео, 2014. – 214 с.

2. Попов А.П. Технология геотехнического мониторинга в криолитозоне // Инженерные изыскания. – 2009. – № 4. – С. 20-33.

3. Паздерин Д.С. Влияние глобального потепления на термостабилизацию грунтов основания заглубленного трубопровода в условиях многолетнемерзлых грунтов // Нефтяное хозяйство. – 2016. – № 7. – С. 106–108.

4. Амосова Е.В., Кропачев Д.Ю., Паздерин Д.С. Система мониторинга температур протяженных объектов в многолетнемерзлых грунтах // Газовая промышленность. – 2011. – № 06 (660). – С. 42–45.

5. Горелик Я.Б., Паздерин Д.С. Корректность постановки и решения теплотехнических задач по прогнозу динамики температурных полей в основании сооружений на многолетнемерзлых грунтах // Криосфера Земли. – 2017. – Т. XXI. – № 3. – С. 49–59. 

Reference

1. Sistemy temperaturnoy stabilizatsii gruntov osnovaniy v kriolitozone: Aktual'nye voprosy issledovaniy, raschetov, proektirovaniya, proizvodstva, stroitel'stva, avtorskogo nadzora i monitoringa (Systems of temperature stabilization of foundation soils in permafrost: Topical issues of research, calculation, design, manufacture, construction, supervision and monitoring): edited by Dolgikh G.M., Novosibirsk: Geo Publ., 2014, 214 p.

2. Popov A.P., Technology of geotechnical monitoring in permafrost (In Russ.), Inzhenernye izyskaniya, 2009, no. 4, pp. 20–33.

3. Pazderin D.S., The impact of global warming on the thermal stabilization of soil base of the buried pipeline in the conditions of permafrost soils (In Russ.), Neftyanoe khozyaystvo = Oil Industry, 2016, no. 7, pp. 106–108.

4. Amosova E.V., Kropachev D.Yu., Pazderin D.S., Temperature monitoring system for extended objects in permafrost soils (In Russ.), Gazovaya promyshlennost' = GAS Industry of Russia, 2011, no. 6 (660), pp. 42–45.

5. Gorelik Ya.B., Pazderin D.S., Correctness of formulation and solution of thermotechnical problems in forecasting temperature field dynamics in the foundations of constructions on permafrost (In Russ.), Kriosfera Zemli = Earth's Cryosphere, 2017, V. XXI, no. 3, pp. 49–59.


Авторы статьи:  Д.С. Паздерин, к.т.н
ООО «Газпромнефть-Ямал» 
Источник:  Журнал «PROнефть»

Возврат к списку