CC BY
40
УДК [622.279.04+622.279.04]:622.83
Перспективные технологии повышения несущей способности грунтов в основании шельфовых сооружений и береговых объектов нефтегазового комплекса
С.И. Голубин1, К.Н. Савельев1*
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: K_Saveliev@vniigaz.gazprom.ru
Ключевые слова:
надежность и безопасность шельфовых сооружений, нефтегазовый промысел, фундаменто-строение,
укрепление грунта, цемент,
добавки на основе синтетических цеолитов, отходы производства.
Тезисы. Освоение российского шельфа Арктики и Дальнего Востока является многоплановой инженерно-технической задачей, которая предполагает использование сложного технологического и добычного оборудования, техники и технологий. Высокие требования к надежности сооружений, быстрый темп работ и сжатые сроки предопределяют необходимость применения передовых технологий в области геотехники, а именно фундаментостроения и укрепления грунтов.
В статье проанализирован мировой опыт укрепления грунтов при реализации различных шельфовых проектов в сложных инженерно-геологических условиях, в частности, с использованием технологий DSM (англ. deep soil mixing), MIDOS Pile (англ. mixed drilled offshore steel pile) и др. Применение и адаптация данных технологий на шельфe Российской Федерации требуют решения определенных технико-экономических задач, в том числе сокращения капитальных затрат на увеличение несущей способности оснований (включая стоимость работ и материалов).
Авторами представлены результаты исследований по укреплению грунтов с применением добавок на основе синтетических цеолитов, вырабатываемых и утилизируемых в других технологических процессах ПАО «Газпром». В целом эксперименты показали, что внесение в укрепляемый цементом грунт добавки из отходов синтетических цеолитов положительно сказывается на укрепляемых образцах грунта и позволяет добиться требуемой прочности как при внесении равного количества цемента, так и при внесении меньшего количества цемента с дополнительным введением более дешевой добавки. Использование отходов синтетических цеолитов может снизить затраты на укрепление слабых грунтов по технологии DSM за счет сокращения расхода основного строительного материала - цемента.
Освоение морских нефтегазовых месторождений на шельфе Арктики и Дальнего Востока является сложной инженерно-технической задачей. Помимо решения широкого спектра вопросов, связанных с проектированием и строительством морских нефтегазопромысловых сооружений (МНГС), обустройство шельфовых месторождений в условиях их удаленности и изолированности зачастую требует создания с нуля береговых и инфраструктурных объектов - портовых сооружений для отгрузки, хранения и перевалки строительных материалов и технологического оборудования, нефтеналивных терминалов и терминалов отгрузки сжиженного природного газа (СПГ), резервуарных парков, береговых технологических комплексов и т.д.
При выполнении строительно-монтажных работ на акватории и создании сопутствующей береговой инфраструктуры необходимо обеспечить высокий темп работ, что продиктовано влиянием природно-климатических условий как на сами работы, так и на необходимое транспортно-логистическое обеспечение. Одним из важных факторов, определяющих проектные решения и темпы строительства, являются инженерно-геологические условия площадок размещения объектов. Географическое положение, генезис и условия формирования могут негативно сказываться на составе, строении и свойствах береговых отложений и донных грунтов, потенциально служащих основанием сооружений. Как правило, такие грунты представляют собой мелкодисперсные песчаные, глинистые отложения и илы с большим содержанием органики, не получившие в естественных условиях формирования достаточного
уплотнения. К негативным свойствам таких грунтов можно отнести:
• низкую прочность;
• высокую пористость;
• сильную сжимаемость;
• длительную консолидацию во времени.
В то же время при проектировании и строительстве МНГС и объектов береговой инфраструктуры к их основаниям и фундаментам предъявляются высокие требования надежности, обусловленные как технологическими параметрами, так и необходимостью безопасной и безаварийной эксплуатации сооружений на всем протяжении жизненного цикла. По этой причине в сложных инженерно-геологических условиях необходимо применять специальные технические решения, направленные на повышение несущей способности оснований сооружений, например:
• предпостроечное уплотнение грунтов (укаткой, трамбовкой, пригрузкой с применением геотекстильных ленточных дрен и др.);
• прорезку толщи слабых грунтов сваями и оболочками большого диаметра с целью ан-керовки или передачи нагрузок от сооружения на более плотные грунты основания;
• замену слабых грунтов в основании сооружений на грунты с требуемыми строительными свойствами.
И если применение для МНГС стальных свай и опор в виде свай-оболочек большого диаметра (рис. 1) является надежным, а порой единственно возможным решением с технико-экономической точки зрения, то замена слабых грунтов на грунты, отвечающие требованиям проекта, с последующим их уплотнением не всегда оправдана по причинам:
• отрицательного воздействия строительных работ на окружающую среду. Замена грунтов в береговой части и на акватории - это «грязный» процесс (использование земснарядов, дампинг и т.д.);
• дорогостоящего производства работ вследствие необходимости мобилизации большого количества строительной техники и затрат на доставку грунта с заданными строительными свойствами к месту производства работ, его укладку и уплотнение;
• поиска площадок складирования с последующей доставкой и утилизацией извлеченного «некондиционного» грунта на подводных отвалах либо полигонах твердых бытовых отходов (ТБО).
Рис. 1. Сваи-оболочки большого диаметра
Такой, казалось бы, традиционный метод повышения несущей способности грунтов оснований, как предпостроечное уплотнение пригрузкой с применением геотекстильных ленточных дрен, тоже не всегда оправдан. Он используется в основном для создания береговых насыпей, дамб, искусственных земляных сооружений (островов) на шельфе и требует значительного резерва кондиционного грунта, а самое главное - времени (до нескольких лет) на самоуплотнение (консолидацию) грунтов оснований, что зачастую не укладывается во временные рамки реализации проекта.
Исходя из наличия отмеченных проблем можно заключить, что для повышения несущей способности грунтов наряду с традиционными для отечественной инженерной практики методами необходимо применять новые, но уже успевшие доказать свою надежность и эффективность при реализации шельфовых проектов по всему миру технологии повышения несущей способности и укрепления грунтов.
В настоящее время при реализации проектов на шельфе за рубежом широко используются следующие технологии повышения несущей способности и укрепления грунтов:
• SCP (англ. sand compaction piles) и GCP (англ. gravel compaction piles) - повышение несущей способности грунта путем создания в укрепляемом массиве щебеночных (GCP) либо песчаных (SCP) вертикальных свай-столбов диаметром до 1,4 м и длиной до 50 м. Как правило, SCP и GCP используются на морских глубинах до 100 м с применением самоходных барж со специализированными установками для выполнения работ по устройству свай-столбов. Сущность метода заключается в погружении рабочего инструмента
в мягкие грунты основания до проектной глубины с последующей подачей на забой через приемный бункер и подающую трубу щебня или песчано-гравийной смеси с дальнейшим пошаговым извлечением обратным ходом подающей трубы, виброуплотнением поданного материала в забое и постепенным формированием сваи-столба. В итоге на необходимой площади формируется массив уплотненного грунта, армированного вертикальными щебеночно-песчаными сваями-столбами с повышенной несущей способностью;
• DSM (англ. deep soil mixing) - глубинное перемешивание грунта, заключающееся в его механическом разрушении путем погружения и вращения в грунте режущего рабочего инструмента, установленного на буровой колонне, с последующим перемешиванием и внесением через буровую колонну неорганических вяжущих (цемента, извести, активных зол уноса) [1]. При этом в массиве формируются грунтоцементные сваи-столбы диаметром до 2 м и длиной до 50 м. Самоходные баржи (рис. 2) со специализированными установками для смешивания грунта позволяют выполнять работы по устройству грунтоцементных свай-столбов на открытых акваториях глубиной до 200 м.
Технология DSM, в отличие от технологий SCP и GCP, не зависит от наличия в районе производства работ грунтовых строительных материалов, а потому является наиболее универсальной. В данном случае единственный строительный материал, который необходим для выполнения работ, - это цемент либо альтернативное неорганическое вяжущее вещество. Расход цемента может варьироваться от 100 до 400 кг/м3 в зависимости от типа
т.
:
Рис. 2. Самоходные баржи с установками для создания свай-столбов по технологии DSM
укрепляемого грунта и прочности, которую следует получить. До недавнего времени применение технологии DSM сдерживалось в основном отсутствием строительной техники, однако за последнее десятилетие необходимое оборудование стало выпускаться многими ведущими производителями, такими как Komatsu, Liebherr, Bauer и др.
Сегодня за рубежом без укрепления грунтов не обходится практически ни один проект строительства в сложных грунтовых условиях, ввиду того что предпостроечное (на этапе инженерной подготовки территории) укрепление грунтов по технологии глубинного перемешивания ведет к снижению капитальных затрат на возведение как самих сооружений, так и их фундаментов. Востребованность данной технологии наглядно отражает пример строительства завода и отгрузочного терминала СПГ Sabine Pass в США (рис. 3), где по технологии DSM выполнено укрепление грунтов на площади более чем 400 га.
В настоящее время технология глубинного перемешивания совершенствуется в направлении решения комплексных и сложных инженерно-технических задач. Так, компанией Bauer разработаны буровая установка и технология MIDOS Pile (англ. mixed drilled offshore steel pile) устройства свай на шельфе. MIDOS Pile представляет собой совокупность специальной буровой установки и непосредственно стальной оболочки, которая и является сваей, со смонтированным на ней «теряемым» открытым стальным наконечником-уширением, в котором в момент погружения находится режущий инструмент, позволяющий погружать сваю, одновременно перемешивая грунт с вносимым в него цементом. За счет наличия отверстий в нижней части оболочки и того, что диаметр «теряемого» наконечника больше диаметра моносваи, после производства работ и извлечения бурового инструмента свая оказывается окруженной цементогрунтом, т. е. происходит цементация контакта «свая-грунт», что обеспечивает лучшее сцепление сваи с окружающим грунтом и, как следствие, повышает ее способность выдерживать вдавливающие и выдергивающие нагрузки [2]. При этом сама технология является экологически чистой, так как излишки бурового шлама подаются на судно, с которого ведется погружение сваи, с возможностью последующей утилизации. Сваи по указанной технологии могут
Рис. 3. Завод и отгрузочный терминал СПГ Sabine Pass в США
устанавливаться на глубинах до 2000 м, иметь диаметр от 2 до 3 м, длину - от 30 до 45 м и использоваться для установки различных шель-фовых сооружений, в том числе платформ и технологического оборудования подводного добычного комплекса.
Несмотря на бурное развитие технологии DSM, на сегодняшний день актуальным остается вопрос снижения расхода неорганического вяжущего (цемента, извести и т.д.) без потери итоговой прочности укрепляемого грунта. Как отмечалось ранее, основным строительным материалом, от которого зависит стоимость работ по укреплению грунта, является именно вяжущее.
В рамках изучения возможности снижения расхода неорганического вяжущего авторами статьи исследовано влияние на итоговую прочность грунтов комплексной добавки к неорганическому вяжущему (цементу), основой которой являются отходы газовой промышленности - синтетические цеолиты, водные алюмосиликаты щелочных или щелочноземельных металлов, соответствующие формуле MeOAl2O3nSiO2H2O (где Ме - ион металла). На сегодняшний день образование и накопление в газоперерабатывающем секторе ПАО «Газпром» отходов синтетического цеолита происходят за счет следующих процессов:
• замены отработанных катализаторов гидроочистки, риформинга, процессов получения
серы на объектах производства Астраханского газоперерабатывающего завода;
• замены синтетического цеолита при адсорбционной очистке и осушке газа на оренбургских газоперерабатывающем и гелиевом заводах;
• замены дезактивированного цеолитно-го катализатора СГ-3П-М и дезактивированного катализатора СГК-1/Hydex-G (сроки службы в обоих случаях - 5 лет);
• облагораживания моторных топлив ЛКС-35-64 на Сургутском заводе стабилизации газового конденсата.
Доля отходов синтетических цеолитов (адсорбентов) в газоперерабатывающем секторе ПАО «Газпром», по данным за 2015 г., составляет 2 %, что примерно равно 4 тыс. т (рис. 4) [3].
Отработанные цеолиты вывозятся на специализированные полигоны ТБО, где захораниваются. Решение задачи повторного использования отработанных синтетических цеолитов позволит сократить затраты на их размещение и хранение, а также снизит негативное воздействие на окружающую среду. В связи с этим задача переработки и последующего использования отработанных синтетических цеолитов в качестве добавки к основному вяжущему материалу при укреплении грунтов оснований является актуальной.
В качестве основного компонента опытной комплексной добавки авторами статьи были
Отходы:
■ строительства и ремонта -35%
■ эксплуатации, зачистки и промывки оборудования для хранения, транспортировки и обработки нефти и нефтепродуктов - 4 %
■ производства нефтепродуктов (аминовый шлам) - 23 %
■ нефтепродуктов - 1 %
■ катализаторов - 7 %
■ сорбентов - 2 %
■ лом и отходы черных и цветных металлов -17%
■ коммунальные и подобные коммунальным на производстве - 8 %
■ прочие - 3 %
Рис. 4. Структура образования отходов в газоперерабатывающем секторе ПАО «Газпром»
по группам (2015 г.)
выбраны отработанные синтетические цеолиты типов МаХ и СаА как наиболее распространенная в соответствующей области продукция отечественной промышленности. Результаты исследований в области укрепления грунтов [4] показали, что внесение добавки в виде измельченных гранул отработанных синтетических цеолитов в количестве 1 % по массе вносимого цемента позволило при том же расходе цемента, но без добавки, повысить прочность образцов укрепляемых:
• суглинка до 14 %;
• супеси до 43 %;
• песка до 23 %.
***
В целом эксперименты показали, что внесение в укрепляемый цементом грунт добавки из отходов синтетических цеолитов положительно сказывается на образцах грунта и позволяет добиться требуемой прочности как при внесении равного количества цемента, так и при внесении меньшего количества цемента с дополнительным внесением более дешевой добавки. Использование отходов синтетических цеолитов позволит удешевить работы по укреплению слабых грунтов с помощью технологии DSM за счет снижения расхода основного строительного материала - цемента.
Список литературы
1. The deep mixing method: principle, design
and construction / Coastal Development Institute of Japan. - Lisse; Abingdon; Exton (PA); Tokyo: A.A. Balkema Publishers, 2002. - 123 с.
2. Spagnioli G. Latest technological developments in offshore deep mixing for piled oil and gas platforms / G. Spagnioli et al. // Proc. of the ASME 33rd International conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2014), San Francisco, California, USA.
3. Многополярная энергия: экологический отчет ПАО «Газпром» за 2015 г. -
М.: ПАО «Газпром», 2015.
4. Голубин С.И. Повышение прочности слабых грунтов при обустройстве морских нефтегазопромысловых сооружений
и объектов береговой инфраструктуры на шельфе Дальнего Востока / С.И. Голубин, К.Н. Савельев // Газовая промышленность. -2017. - № 1 (747). - С. 20-25.
Promising soil improvement technologies aimed at increasing of foundation bearing capacity for offshore and coastal oil-gas facilities
S.I. Golubin1, K.N. Savelyev1*
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: K_Saveliev@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. Realization of offshore projects in the Arctic and at the Far East of Russia is a complex engineering task, which needs a complicated technological and industrial equipment, machinery and technology. High demands on reliability of objects and structures, the pace and timing of a project make using advanced geotechnical technologies, namely in foundation engineering and technologies of soil improvement. Analysis of world experience
in offshore soil improvement makes conclude that construction in difficult engineering-geological conditions could not be complete without usage of modern soil stabilization technologies like DSM (deep soil mixing), MIDOS pile (mixed drilling steel piles), etc. Application and adaptation of these technologies on the shelf-territory of Russian Federation requires solution of certain technical and economic challenges, including reduction of the capital costs of work and materials used to increase bearing capacity of foundations. The article presents results of research on soil improvement by application of additives based on synthetic zeolites which are being produced and used in other processes of Gazprom PJSC. In general, the experiments showed that introduction of additives made of waste synthetic zeolites into cement positively affects the strengthening of the soil samples and allows reducing cement volume. Studies showed that the application of waste synthetic zeolites will reduce the costs of DSM soil improvement by lowering of cement consumption, which is a basic material for soil improvement.
Keywords: reliability and safety of shelf facilities, oil-gas field, foundation engineering, soil improvement, cement, additives based on synthetic zeolites, industrial wastes.
References
1. COASTAL DEVELOPMENT INSTITUTE OF JAPAN. The deep mixing method: principle, design and construction. Lisse; Abingdon; Exton (PA); Tokyo: A.A. Balkema Publishers, 2002.
2. SPAGNIOLI, G. et al. Latest technological developments in offshore deep mixing for piled oil and gas platforms. Proc. of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2014), San Francisco, California, USA.
3. Multipolar energy [Mnogopolyarnaya energiya]: ecologic report of Gazprom PJSC. Moscow: Gazprom PJSC, 2015. (Russ.).
4. GOLUBIN, S.I. and K.N. SAVELYEV. Strengthening weak soils while outfitting marine oil-gas field constructions and coastal facilities offshore the Far East [Povysheniye prochnosti slabykh gruntov pri obustroystve morskikh neftegazopromyslovykh sooruzheniy i obyektov beregovoy infrastruktury na shelfe Dalnego Vostoka]. Gazovayapromyshlennost'. 2017, no. 1(747), pp. 20-25. ISSN 0016-5581. (Russ.).
