CC BY
8Статья поступила в редакцию 16.09.13. Ред. рег. № 1760
The article has entered in publishing office 16.09.13 . Ed. reg. No. 1760
УДК 624.042.8:622.242.422 (262.81)
ОЦЕНКА КОМПЛЕКСНОГО ВЛИЯНИЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ГРУНТОВ ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩЕГО СВОБОДНОГО ГАЗА
А. С. Маштаков
Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ВолгоградНИПИморнефть» в г. Волгограде Россия, 400078, г. Волгоград, пр. Ленина, 96 Тел: +79616746400, e-mail: amashtakov@lukoilvmn.ru
Заключение совета рецензентов: 22.09.13 Заключение совета экспертов: 28.09.13 Принято к публикации: 03.10.13
Обосновывается необходимость учета геодинамических и геологических рисков (воздействие мелкозалегающего свободного газа на грунтовое основание, влияние циклических (динамических) нагрузок на сооружения, приводящие к понижению физико-механических свойств грунта) с целью повышения безопасной эксплуатации нефтяных платформ.
Ключевые слова: геодинамические риски, мелкозалегающий свободный газ, северная часть Каспийского моря, нефтяные платформы, самоподъемные буровые установки.
EVALUATION OF INTEGRATED INFLUENCE ON BEARING RESISTANCE OF HEAT CYCLING AND SHALLOW FREE GAS
A.S. Mashtakov
Branch of "LUKOIL-Engineering", LLC "VolgogradNIPImorneft" in Volgograd 96, Lenin Ave., Volgograd, 400078, Russia Tel.: +79616746400, e-mail: amashtakov@lukoilvmn.ru
Referred: 22.09.13 Expertise: 28.09.13 Accepted: 03.10.13
Necessity of consideration of geodynamic and geological risks (impact of shallow free gas in the subgrade, the effect of cyclic (dynamic) loads on structures, leading to decrease in physical and mechanical properties of the soil) in order to improve safe operation of oil.
Keywords: geodynamic risks, shallow free gas, north part of the Caspian sea, oil platform, jack-up rigs.
Александр Сергеевич Маштаков
Сведения об авторе: главный специалист по оценке инвестиционных проектов отдела инновационного развития морских проектов "Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ВолгоградНИПИморнефть» в г. Волгограде".
Область научных интересов: инженерная геология и геоэкология; основания и фундаменты, проектирование нефтяных платформ.
Публикации: 9.
Строительство и эксплуатация нефтегазодобывающих сооружений вызывают значительные качественные и количественные изменения в механизме, интенсивности, объемах и формах проявления природных процессов, часто являясь причиной активации и образования опасных техногенных процессов.
Аварийные деформации оснований нефтяных сооружений и появление многих опасных техногенных процессов возникают из-за ошибочных заключений изыскателей или проектировщиков, из-за отсутствия комплексных мероприятий инженерной защиты осваиваемых территорий, системы монито-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
ринга. По данным Британской Ассоциации нефтегазовой индустрии, на континентальном шельфе за последние 20 лет только на стационарных платформах произошло более 6000 несчастных случаев и опасных событий [1].
В работах зарубежных и отечественных исследователей отмечается, что при добыче нефти и газа, мелкозалегающий свободный газ создает потенциальные риски для искусственных конструкций, к которым относятся нефтяные платформы и самоподъемные буровые установки. Возрастание порового давления в газоносных слоях грунтах вызывает снижение несущей способности грунтового основания, либо может вызвать прорыв газа к поверхности дна, образование суффозионных воронок, приводящих к потере устойчивости и разрушению сооружений. Разгерметизация более глубоких газоносных залежей в ходе бурения может привести к прорыву газа по затрубному пространству, нарушая также устойчивость опорного основания нефтяных платформ. Аварии, вызванные вскрытием скоплений мелкозалегающего газа, имели место также при неглубоком поисковом и инженерно-геологическом бурении в Восточно-Сибирском и Черном морях, в том числе на нефтяных месторождениях Каспийского моря. При этом совместно с газом через ствол скважин выбрасывался большой объем водно-грунтовой смеси. Часто «выбросы газа» стимулируются при проведении специальных работ, таких как поднятие бурильной трубы или начало извлечения пробных образцов.
Газ в почве может находиться: как газ, растворенный в поровой воде (т.е. газ недонасыщен в поро-вой воде), как свободный газ (т.е. газ перенасыщен в поровой воде) или как газогидрат (т.е. соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа (клатраты)) [2]. Возрастание порового давления в газоносных грунтах при забивке свайных фундаментов нефтяных платформ, либо при постановке на дно самоподъемных буровых оснований вызывает снижение несущей способности грунтового основания, либо может вызвать прорыв газа к поверхности дна, образование суффозионных воронок, приводящих к потере устойчивости, превышение допустимых перемещений сооружений и разрушению конструкций. Разгерметизация более глубоких газоносных залежей в ходе бурения может привести к прорыву газа, нарушая устойчивость опорного основания.
В настоящее время возникает необходимость разработки методики по комплексному учету всех вышеперечисленных проблем при расчетах несущей способности свайных фундаментов нефтяных платформ и опорных колонн самоподъемной плавучей буровой установки (СПБУ). Актуальность данной задачи подтверждается ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» (№117-Ф3), регламентирующим нормы безопасности при осуществлении деятельности, связанной с проектированием, строительством и эксплуатацией гидротехнических сооружений.
В настоящее время в разработанных стандартах и нормах по проектированию гидротехнических сооружений (СП 58.13330.2012. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003, СП 23.13330.2011. Основания гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.02-85, СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85, и другие) учитывается, что «неблагоприятные свойства грунтов необходимо учитывать при наличии динамических и сейсмических воздействий», но не учитывается снижение несущей способности грунтов от влияния на них мелкозалегающего свободного газа. Тем более в современных нормативных правилах не сказано о комплексном влиянии на несущую способность грунтов динамических, сейсмических воздействий и воздействий свободного газа.
Проблема выбора методов анализа для оценки геодинамических рисков и рисков по влиянию мел-козалегающего опасного свободного газа в настоящее время является весьма актуальной. Если при расчете несущей способности оснований платформ проектные организации еще учитывают геодинамические риски, то учет влияния мелкозалегающего опасного свободного газа на грунты не производится из-за малой изученности данного процесса.
После проведенных исследований грунтов на Каспии выявлено, что верхняя часть грунтовой толщи (мощностью толщи грунта до 30 м) подвергается влиянию динамических (циклических) воздействий, следовательно, возможно разжижение грунтов.
Полученные данные, характеризующие динамическую прочность несвязных и связанных грунтов при циклических (динамических) воздействиях, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние динамического воздействия на физико-механические параметры грунта
Table 1
Influence of dynamic impact on physical & mechanical properties of soil
Физико-механические параметры грунтов Снижение показателя грунта при циклических воздействиях,%
Угол внутреннего трения ф от 5 до 15
Сопротивление недренированному сдвигу Си
Модуль деформации грунта Е
Из-за присутствия в грунтах мелкозалегающего свободного газа снижены физико-механические параметры грунта, которые приведены в табл. 2.
Из приведенных в табл. 1 и 2 данных видно, что суммарное значение понижения физико-механических показателей грунта при ледовых воздействиях и из-за присутствия в грунтах мелкозалегающего свободного газа составляет примерно 30%.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
А.С. Маштаков. Оценка комплексного влияния на несущую способность грунтов циклических воздействий
Таблица 2
Влияние мелкозалегающего свободного газа на физико-механические параметры грунта
Table 2
Impact of shallow lying free gas on physical & mechanical
Эти данные рекомендуется использовать в расчетах устойчивости сооружений при обустройстве месторождений на Каспии. Следует отметить, что полученные данные носят рекомендательный характер, а для конкретной площадки требуются дополнительные исследования каждого геологического элемента.
Был проведен анализ и прогноз аварийных ситуаций (для площадок размещения СПБУ и нефтяных платформ на шельфе Каспийского моря), когда «опасный свободный газ» «ухудшит» физико-механические свойства грунта. В расчетных геотехнических программных комплексах (в частности ПК Plaxis 3D Foundation) моделировались грунтовые условия площадок, гидротехническое сооружение и прикладывались внешние нагрузки (ветровые, волновые, сейсмические). Результатом данного исследования являлось получение и анализ величины пенетрации без снижения физико-механических свойств грунтов и после снижения. В табл. 3 представлены результаты значений пенетрации без снижения физико-механических свойств грунтов и после снижения.
В табл. 4 представлены результаты исследований осадок свайных фундаментов нефтяных платформ на грунте с учетом циклических воздействий, а также с учетом ухудшения физико-механических свойств грунта из-за влияния мелкозалегающего опасного свободного газа. Результатом данного исследования являлось получение и анализ величин осадок свайного основания нефтяных платформ без снижения физико-механических свойств грунтов и после снижения.
Физико-механические параметры грунтов Снижение показателя грунта из-за присутствия в грунтах мелкозалегающего свободного газа, %
Угол внутреннего трения ф до 20
Сопротивление недренированному сдвигу Си
Модуль деформации грунта Е
Таблица 3
Результаты исследования по снижению физико-механических (физ.-мех.) свойств грунтов
Table 3
Investigation results of reducing physical & mechanical properties of soil
Площадка постановки СПБУ Глубина моря (относительно уровня -28 м БС), м Величина пенетрации опорных ног СПБУ без снижения (физ.-мех.) свойств грунтов, м Величина пенетрации опорных ног СПБУ после снижения (физ.-мех.) свойств грунтов, м Допускаемая величина пенетрации, м Разница пенетраций, %
Северный Каспий (СПБУ «Астра»)
Структура "Западно-
Сарматская"
площадка № 1 10 1,9 2,4 7 21
площадка № 2 11 2,0 2,6 7 23
М/р "Сарматское" (площадка № 2) 13 2,0 2,4 7 17
Структура "Ракушечная"
(м/р им.В. Филановского)
площадка № 5бис 6 2,3 2,8 7 18
площадка № 7 7 2,6 3,1 7 16
площадка № 8 5 2,2 2,6 7 15
Структура "Широтная"
(м/р им. Ю. Корчагина) 12 2,9 3,5 7 17
(площадка № 5)
Центральный Каспий (СПБУ «Нептун»)
Структура "Хазри" (площадка № 1) 45 7,2 8,7 9 17
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Таблица 4
Результаты исследования по снижению физико-механических свойств (физ.-мех.) грунтов
Table 4
Investigation results of reducing physical & mechanical properties of soil
Площадка постановки СПБУ Глубина моря (относительно уровня -28 м БС), м Величина осадки свайного основания нефтяных платформ без снижения (физ.-мех.) свойств грунтов, мм Величина осадки свайного основания нефтяных платформ после снижения (физ.-мех.) свойств грунтов, мм Допускаемая величина пенетрации, мм Разница пенетраций, %
М/р им. В. Филановского
«Райзерный блок» 7,4 76 94 19
«Блок-кондуктор» 6,9 38 50 100 24
«Центральная
технологическая платформа» 7,2 58 78 25
Из результатов исследования по снижению физико-механических свойств грунтов (табл. 3 и 4) автором были сделаны следующие выводы:
- в Северной части Каспийского моря разница вдавливания опорных колонн между величинами пенетрации без снижения физико-механических свойств грунтов и после снижения составляет для разных площадок в пределах от 15 до 22% (из этого видно, что для площадок Северного Каспия запас допускаемой величины пенетрации опорных колонн СПБУ достаточно большой, но для площадок Центрального Каспия такой запас отсутствует);
- если не учитывать в расчетах наличие «опасного свободного газа», а также негативные его свойства в грунтах, то могут произойти аварии буровых установок;
- для площадок Центрального Каспия запас допускаемой величины осадки опорных оснований нефтяных платформ отсутствует (что также может привести к аварии СПБУ).
По результатам научных исследований сделаны следующие выводы:
- при расчетах несущей способности свайных фундаментов нефтяных платформ и опорных колонн СПБУ следует учитывать ухудшения несущей способности опорных оснований из-за комплексного влияния на них циклических, сейсмических воздействий и мелкозалегающего опасного свободного газа;
- учет снижения физико-механических свойств грунтов из-за присутствия в грунтах мелкозалегаю-щего свободного газа в расчетах несущей способности опорных оснований сооружений на шельфе рекомендуется включить в разделы нормативного документа «СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85».
Список литературы
1. Accident Statistics for Offshore Units on the UKCS 1990-2007 / The United Kingdom Offshore Oil and Gas Industry Association (Oil and Gas UK). 2009 (April).
2. Sills G.C., Wheeler S.J. The Significance of Gas for Offshore Operations // Continental Shelf Research. 1992. Vol. 12, No. 10. P. 1239-1250.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
