CC BY
47
УДК 622.011.4
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10307
ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУНТА ПО ТРАССЕ НЕФТЕПРОВОДА МОХЭ - ДАЦИН
GEOCRYOLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE SOIL ALONG THE MOHE - DAQING MAJOR PIPELINE
И.И. Хасанов, Р.А. Шакиров, Лю Юцянь
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7017-081X, E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Резюме: Объектом исследования является характеристика грунтов по трассе нефтепровода Мохэ - Дацин, проложенного на территории округа Большой Хинган и автономного района Внутренняя Монголия на севере Китая. Установлены особенности и факторы, которые могут оказывать негативное влияние на состояние нефтепровода. Сделан прогноз оттаивания многолетнемерзлых грунтов вокруг подземного трубопровода в ближайшие 30 лет.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, термокарст, ВСТО, Китай.
Для цитирования: Хасанов И.И., Шакиров Р.А., Лю Юцянь Геокриологическая характеристика грунта по трассе нефтепровода Мохэ - Дацин // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 3. С. 33-36.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10307
Ilnur I. Khasanov, Ruslan A. Shakirov, Liu Yuqian
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7017-081X, E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Abstract: The object of the study is the characteristic of soils along the route of the Mohe-Daqing major oil pipeline, laid in the territory of the Greater Khingan District and the Inner Mongolia Autonomous Region on the north of China. The singularities and aspects that may negatively influence on the pipeline state are established. The forecast of thawing permafrost soils around the underground pipeline in the next 30 years is made.
Keywords: permafrost soils, thermokarst, ESPO, China.
For citation: Khasanov I.I., Shakirov R.A., Liu Yuqian GEOCRYOLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE SOIL ALONG THE MOHE - DAQING MAJOR PIPELINE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 1, pp.33-36.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-10107
В настоящее время одним из ключевых международных партнеров России в глобальной экономике является Китай. В условиях экономических противоречий между США и Китаем, особенно обострившихся в последние годы, продолжение укрепления российско-китайских отношений стало перспективным направлением развития экономики России. Одно из центральных аспектов такого сотрудничества - поставка российских энергоресурсов по магистральным трубопроводам. Примером реализации решения проблемы транспорта российской нефти китайским потребителям является трубопроводная система Восточная Сибирь -Тихий океан (Тайшет - Сковородино - Козьмино) (ТС ВСТО) с ответвлением Сковородино - Мохэ - Дацин.
Идея строительства Восточного нефтепровода из России в Китайскую Народную Республику (КНР) активно обсуждалась с конца XX века [1], но ее практическая реализация началась в 2009 году. Первые поставки российской нефти в КНР были начаты 1 января 2011 года компанией «Транснефть», а первоначальная мощность нефтепровода составила 15 млн т/год с увеличением к 2014 году до 20 млн/т. Трасса нефтепровода составила около 1000 км, из них 940 км - на территории Китая. По длине нефтепровода было построено пять нефтеперекачивающих станций (НПС) («Мохэ», «Тахэ», «Джагдачи», «Нэхэ», «Линьюань»). Вторая нитка нефтепровода была введена в эксплуатацию в начале 2018 года, что позволило вдвое увеличить производительность системы (до 30 млн т), а России - подтвердить свое лидерство среди поставщиков нефти в Китай [2].
Большая часть трубопровода (510 км) проходит в зоне высокоширотной многолетней мерзлоты [3] в особых геологических и климатических условиях (рис. 1). Многолетняя мерзлота Северо-Восточного Китая, расположенная на
I Рис. 1. Участок трассы нефтепровода Сковородино - Мохэ -I Дацин на территории КНР
юго-востоке криолитозоны Евразии, является термически неустойчивой и весьма чувствительной к внешним воздействиям (рис. 2) [4]. Развитие туризма на севере Китая (Мохэ) с уникальными для страны обширными лесами и возможностью наблюдения за полярным сиянием является подспорьем для проведения мероприятий по обеспечению надежности и устойчивости экологической безопасности региона. С целью дальнейшего изучения характеристик таяния и седиментации грунта была проведена комплексная оценка грунтов на различных участках прокладки нефтепровода начиная от Мохэ (поселок Амур) до населенного пункта
Рис. 2. Геокриологическая карта КНР [4]:
I - геокриологические зоны Восточного Китая,
II - геокриологические зоны Северо-Западного Китая,
III - геокриологические зоны Юго-Западного Китая
Якэши, расположенного в соседнем автономном районе Внутренняя Монголия.
Первый участок Амур 24 - станция Лесхоза (25 км) полностью характеризуется грунтами в виде многолетнемерзлых пород (ММП), за исключением некоторых районов таяния в местах протекания рек. Средняя годовая температура воздуха составляет -3,8 °С, почвы - (-1,8...-1,2) °С. Участки вечномерзлых грунтов с высоким содержанием незамерз-шей воды (до 36%) распространены на речных террасах, в поймах рек и горных долинах. В рассматриваемой области широко распространены слои почвы, подверженные замерзанию и оттаиванию, что особенно ярко проявляется на восточном берегу реки Амур, где наблюдается толстый слой мерзлой почвы. При недостаточной увлажняемости почвы возможно ее оседание и оттаивание. Участок 24 станция Лесхоза - Тахэ (135 км) характеризуется схожими геологическими характеристиками, но отличается наличием солнечных склонов в скалистых горах и зоной оттаивания на берегах реки Тахэ. Участки ММП с высоким содержанием незамерзшей воды распространены в районах вокруг населенного пункта Валаганджэн, находящегося на возвышенности относительно остальной территории Большого Хингана, пересекающейся с трассой нефтепровода. На рассматриваемой территории также имеются участки, склонные к оттаиванию (Валаганджэн - Тахэ) со среднегодовой температурой почвы (-0,7.-0,5) °С.
Участок Тахэ - Сунву (127 км) в основном проходит через горные долины, склоны и поймы. Разрез четвертичных отложений, характеризующийся выветренностью песчаных и гравийных почв, является показателем благоприятной среды для прокладки трубопровода. Верхняя граница ММП изменяется в зависимости от зоны прокладки нефтепровода: плоскогорья (2,0.2,7) м, горных хребтов (3,0.3,5) м или болот (1,5.2,0) м. Среднегодовая температура окружающей среды находится в пределах (-2,8.-2,2) °С и увеличивается по мере продвижения на юг. В то же время южные районы рассматриваемого участка (Хиньлинь, Таюань)
характеризуются наличием склонных к деформации и оттаиванию почв с повышенным содержанием льда.
Участок Сунву - Цюйцзин (84 км) расположен в переходной зоне от тундры к лесотундре. Среднегодовая температура воздуха находится в диапазоне (-2,2.-1,2) °С, температура грунта практически на всем протяжении с севера на юг не опускается ниже -1,2 °С. С учетом снижения высоты над уровнем моря от 700 до 400 м толщина ММП снижается, и большинство участков поверхности земли представляет собой болото. Как правило, глубина промерзания грунтов составляет (1,8.3,5) м и расположена отдельными элементами. Такие участки грунтов преимущественно подвержены оседанию вследствие оттаивания.
На участке Цюйцзин - Якэши (68 км) среднегодовая температура грунта не опускается ниже -0,5 °С, среднегодовая температура воздуха находится в пределах (-1,2.-0,4) °С. Район характеризуется переходом от сплошных ММП к отдельным редкоостровным зонам с различным содержанием воды в почве и неравномерным процессом оттаивания, которому сильно подвержены участки пролегания нефтепровода вследствие нагревания от транспортируемой нефти.
В целом выделение теплоты при транспорте нефти в почву в условиях криолитозоны имеет негативный эффект по причине формирования ореола оттаивания вокруг подземного магистрального нефтепровода. Температурное воздействие трубопровода с многолетнемерзлым грунтом влияет на несущую способность и надежность нефтепровода вследствие деградации грунта. Сезонные изменения температур вкупе с колебаниями рабочего давления и циклическими напряжениями, возникающими в ходе различных геологических процессов, за несколько лет эксплуатации могут стать источником повреждений в металле нефтепровода, способных полечь за собой деформации нефтепровода и изменения его напряженного-деформированного состояния.
Рассматриваемая проблема потенциально касается и российских трубопроводов, проложенных в Сибири, в том числе вблизи государственной границы с Китаем (Куюмба -Тайшет, ВСТО, Сковородино - Мохэ) [5]. Среди опасных геокриологических процессов, причиной которых является взаимовлияние магистральных нефтепроводов с многолет-немерзлыми грунтами, выделяются криогенное пучение грунтов, наледеобразование, процессы эрозии и термоэрозии, солифлюкция, оползнеобразование, а также термокарст как наиболее возможный процесс для рассматриваемого нефтепровода [6, 7]. Постоянная смена границы талого и мерзлого грунта и наличие участков с высоким содержанием подземного льда, при оттаивании которых образуются термокарстовые провалы, приводят к проседанию поверхности земли, возникновению отрицательных форм рельефа и их заболачиванию.
На основании данных, полученных при эксплуатации китайских нефтепроводов и исследовании климатических изменений округа Большой Хинган [8] были сделаны следующие выводы:
- размораживание многолетнемерзлых грунтов в зоне прокладки нефтепровода постепенно увеличивается с севера на юг. По мере уменьшения широты температура окружающей среды и грунта повышается и грунт, переувлажняемый талой водой, способствует возникновению процессов деформаций;
- почвы с высоким содержанием воды являются наихудшими с инженерной точки зрения. При малом содержании льда (воды) грунт менее подвержен процессу оттаивания.
Одним из направлений борьбы с возможными геокриологическими процессами является предварительное моделирование, позволяющее рассчитать ореол оттаивания нефтепровода в долгосрочной перспективе. С использованием нелинейного уравнения теплопроводности и уравнения теплопередачи для многослойной конструкции [9], теплофизических характеристик грунтов были рассчитаны средние значения глубины оттаивания вдоль нефтепровода в зависимости от геокриологического типа грунта в ближайшие 30 лет. Минимальные и максимальные ореолы оттаивания грунтов представлены на рис. 3 и 4 соответственно.
Модель ореола оттаивания неоднородна по всей длине рассматриваемого участка нефтепровода. Максимальная глубина оттаивания грунта (10,4 м) приходится на участки с кратковременно промерзающими грунтами, для которых характерно низкое содержание льда. В свою очередь, минимальная глубина оттаивания(0,1 м)при минимальной температуре -2 °С приходится на места прохождения трубопровода через подземные льды, что объясняется расходом большей части выделяемой теплоты на плавление льда.
Таким образом, на участке нефтепровода Мохэ - Дацин, проходящем в зоне многолетнемерзлых грунтов, существует вероятность оттаивания грунта и образования термокарста, способствующего деформации нефтепровода.
|Рис. 3. Минимальный ореол оттаивания грунтов, расположенных в зоне участка нефтепровода Мохэ - Дацин
-0,5 -1 -1,5 -2 Т, "С
1 -•- кратковременно промерзающие грунты
2 -»-сезонномерзлые грунты
многопетнемерзлые грунты
|Рис. 4. Максимальный ореол оттаивания грунтов, расположенных в зоне участка нефтепровода Мохэ - Дацин
---- 10 в 6 .4 2
2 3
0
-0,5 -1 -1,5 -2 Т, °С
кратковременно промерзающие грунты сезонномерзлые грунты многопетнемерзлые грунты
Полученное распределение позволяет своевременно провести мероприятия, направленные на поддержание рабочего состояния нефтепровода.
■1 -1,5
кратковременно промерзающие грунты сезонномерзлые грунты многопетнемерзлые грунты
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. История проекта ВСТО // Коммерсантъ. 2006. 27 апреля.
2. Строго в срок. В Китае началась коммерческая эксплуатация 2-й нитки нефтепровода Мохэ-Дацин. URL: https:// neftegaz.ru/news/transport-and-storage/204293-strogo-v-srok-v-kitae-nachalas-kommercheskaya-ekspluatatsiya-2-y-nitki-nefteprovoda-mokhe-datsin (дата обращения 29.09.2019).
3. Да-Хинган-Лин: Энциклопедия Китая. URL: https://infokitai.com/da-khingan-lin.html (дата обращения 29.09.2019).
4. Геворкян С.Г. Мерзлотоведение Китая в начале XXI века (обзор). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ merzlotovedenie-kitaya-v-nachale-xxi-veka-obzor (дата обращения 29.09.2019).
5. Гишкелюк И.А., Станиловская Ю.В., Евланов Д.В. Прогнозирование оттаивания многолетнемерзлых грунтов вокруг подземного трубопровода большой протяженности // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 1 (17). С. 2-27.
6. Железняк М.Н., Митин Ф.В. Геокриологические опасности по трассе нефтепровода ВСТО в пределах Чульманской впадины // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2007. Т. 4. № 2. С. 26-31.
7. Капитонова Т.А., Стручкова Г.П., Николаева М.В. и др. Тепловое влияние подземного трубопровода на окружающие мерзлые грунты // Межд. журн. прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 8. Ч.1. С. 9-12.
8. Lv Miao, Zhang Fang, Feng Shizhen. Climate changes in the Daxinganling mountains and its affection on agricultural in recent 36 years [J]. Meteorology Journal of Inner Mongolia, 2005, 3: 35-37.
9. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учеб. для вузов / под ред. А.А. Коршака. СПб.: Недра, 2008. 488 с.
REFERENCES
1. History of the ESPO project. Kommersant», 2006.
2. Strogo vsrok. VKitaye nachalas' kommercheskaya ekspluatatsiya 2-y nitkinefteprovoda Mokhe - Datsin (Strictly on time. The commercial operation of the 2nd line of the Mohe - Daqing oil pipeline began in China) Available at: https:// neftegaz.ru/news/transport-and-storage/204293-strogo-v-srok-v-kitae-nachalas-kommercheskaya-ekspluatatsiya-2-y-nitki-nefteprovoda-mokhe-datsin (accessed 29 September 2019).
3. Da-Khingan-Lin: Entsiklopediya Kitaya (Da-Khingan-Lin: Encyclopedia of China) Available at: https://infokitai.com/ da-khingan-lin.html (accessed 29 September 2019).
4. Gevorkyan S.G. Merzlotovedeniye Kitaya v nachale XXI veka (obzor) (Permafrost science of China at the beginning of the XXI century (review)) Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/merzlotovedenie-kitaya-v-nachale-xxi-veka-obzor (accessed 29 September 2019).
5. Gishkelyuk I.A., Stanilovskaya YU.V., Yevlanov D.V. Prediction of thawing of permafrost soils around a long underground pipeline. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov, 2015, no. 1 (17), pp. 20-27 (In Russian).
6. Zheleznyak M.N., Mitin F.V. Geocryological hazards along the ESPO pipeline within the Chulman Depression. Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M.K. Ammosova, 2007, vol. 4, no. 2, pp. 26-31 (In Russian).
7. Kapitonova T.A., Struchkova G.P., Nikolayeva M.V. Thermal influence of an underground pipeline on surrounding frozen soils. Mezhd. zhurnalprikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy, 2015, no. 8, pp. 9-12 (In Russian).
8. Lv Miao, Zhang Fang, Feng Shizhen. Climate changes in the Daxinganling mountains and its affection on agricultural in recent 36 years [J]. Meteorology Journal of Inner Mongolia, 2005, no. 3, pp. 35-37.
9. Korshak A.A., Nechval' A.M. Proyektirovaniye i ekspluatatsiya gazonefteprovodov [Design and operation of gas pipelines]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2008. 488 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Хасанов Ильнур Ильдарович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Шакиров Руслан Азатович, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Лю Юцянь, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Ilnur I. Khasanov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Ruslan A. Shakirov, Master Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Liu Yuqian, Master Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
