CC BY
149
УДК 622.692.4.07
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10311
ПРОБЛЕМЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА УГЛЕВОДОРОДОВ В УСЛОВИЯХ МЕРЗЛОТЫ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
PROBLEMS OF PIPELINE HYDROCARBONS TRANSPORTATION IN PERMAFROST CONDITIONS AND WAYS OF THEIR SOLUTION
Н.А. Гаррис, О.Ю. Полетаева, Т.А. Бакиев
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7486-4491, E-mail: nina_garris@mail.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9602-0051, E-mail: ol612@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4069-0176, E-mail: tagirbak@mail.ru
Резюме: Сохранение мерзлоты при строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов представляет собой проблему. Искусственное промораживание грунта оснований не всегда бывает эффективным. Достаточный эффект достигается при комплексном подходе: соблюдении III принципа использования мерзлых грунтов в качестве основания и технологическом регулировании теплообмена трубопровода с окружающей средой. Правильный выбор способа прокладки трубопровода и регламента его эксплуатации способствует сохранности подстилающих мерзлых грунтов.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, техногенное воздействие, тепловое взаимодействие, ореол протаивания, III принцип проектирования, регулируемый теплообмен, теплогидравлический расчет, наземная прокладка.
Для цитирования: Гаррис Н.А., Полетаева О.Ю., Бакиев Т.А. Проблемы трубопроводного транспорта углеводородов в условиях мерзлоты и пути их решения // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 3. С. 64-67.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10311
В современном мире происходит стремительное развитие энергоемких производств, что, по скромным прогнозам, приведет к 2050 году к удвоенному потреблению энергии. С интенсивным освоением северных нефтегазоносных провинций, значительно удаленных от центральных районов потребления и переработки, все более актуальной становится топливная проблема, определяемая объемом добычи и магистрального транспорта нефти и газа - основных видов топлива на этот период.
Трудно переоценить значение области вечной мерзлоты, которая практически является стратегическим тылом экономики России, ее топливно-энергетической базой. Здесь находится более 30% разведанных запасов всей нефти страны и около 60% природного газа, огромные залежи каменного угля и торфа и т.д.
Мы имеем огромный опыт в области транспорта углеводородов на самые дальние расстояния по трубопроводам различной мощности. Но практика эксплуатации трубопроводных систем в районах мерзлоты показывает, что с продвижением центров добычи на север, в районы, сложенные многолетнемерзлыми грунтами, мы встречаем новые и все более сложные задачи, катастрофически увеличивается количество проблем, которые нередко нужно решать с ходу в процессе строительства трубопроводов. И нет никаких гарантий, что при последующей их эксплуатации
Nina A. Garris, Olga YU. Poletaeva, Tagir A. Bakiev
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7486-4491, E-mail: nina_garris@mail.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9602-0051, E-mail: ol612@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4069-0176, E-mail: tagirbak@mail.ru
Abstract: Staying of permafrost during the construction and operation of trunk pipelines cause a problem. Artificial freezing of the foundation soil is not always effective. A sufficient effect is achieved with an integrated approach: compliance with the III principle of using frozen soils as a base and technological regulation of heat exchange between the pipeline and the environment. The correct choice of the pipeline laying method and operational regulations contributes to the underlying permafrost soils safety.
Keywords: permafrost soils, technogenic impact, thermal interaction, thawing halo, III construction principle, controlled heat exchange, thermohydraulic calculation, ground laying.
For citation: Garris N.A., Poletaeva O.YU., Bakiev T.A. PROBLEMS OF PIPELINE HYDROCARBONS TRANSPORTATION IN PERMAFROST CONDITIONS AND WAYS OF THEIR SOLUTION. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 3, pp. 64-67.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10311
не возникнут новые вопросы, требующие незамедлительных решений.
В настоящее время, когда у нас в районах мерзлоты построены и введены в действие в тысячи километров магистральных трубопроводов, по которым транспортируются нефть и газ, мы не можем гарантировать их надежность и работоспособность по причине недостаточной изученности тех сложных процессов, которые происходят при взаимодействии трубопроводов с протаивающими и промерзающими грунтами в их основании [1, 2].
В создавшихся условиях удаленных районов Крайнего Севера, Восточной Сибири, арктического шельфа значительного успеха можно достигнуть только при использовании принципиально новых прорывных технологий с низкой энергоемкостью, а также при принятии прогрессивных конструкторских решений и новейшего высокотехнологичного оборудования.
Сохранить мерзлоту
Мерзлые грунты имеют свои особенности, определяющие непременную необратимую реакцию на техногенное воздействие при строительстве и последующей эксплуатации трубопроводов.
Освоение нефтегазоносных регионов вечной мерзлоты сопряжено с трудноразрешимыми проблемами, так как
техногенное вмешательство приводит к нарушению естественно протекающих криогенных процессов и растеплению мерзлых грунтов. Вследствие потери устойчивости, проседания и выпучивания подвергается разрушению дорогостоящая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефтегазопроводы протяженностью в десятки тысяч километров и др.
Поэтому одной из важнейших задач, решаемых на этапе проектирования трубопроводов, должно быть обеспечение реальной возможности технологического регулирования и сведения к минимуму теплового воздействия на мерзлоту путем правильного выбора способа прокладки трубопровода и регламента его эксплуатации.
Искусственное промораживание грунтов
Особым достижением в этом деле можно считать развитие и широкое внедрение современных технологий укрепления оснований сооружений магистральных нефтегазопроводов с помощью промораживающих естественно действующих трубчатых систем (СОУ, ВЕТ и ГЕТ).
На отечественных предприятиях освоено серийное производство разработанных конструкций опор, свай и термостабилизаторов; теплоизоляционных конструкций труб, оборудования и резервуаров. Всего в изготовлении данного вида оборудования и материалов задействовано более 20 промышленных предприятий [3].
Разработанные строительные технологии и конструкции внедрены при сооружении магистральных трубопроводов: Пурпе - Самотлор (протяженностью 430 км, из них 140 км заболоченных участков, 119 рек и водотоков), Куюмба -Тайшет (общей протяженностью 697 км) и др.
Нефтепровод Заполярье - НПС - Пурпе общей протяженностью 482 км (из них 314 км надземным, 168 км подземным способом) имеет более 19 000 опор на надземных участках. Протяженность участков многолетнемерзлых грунтов составила 316 км. Для минимизации теплового воздействия на мерзлоту 22 надземных вертикальных стальных резервуара сооружены на свайных фундаментах с проветриваемым подпольем и термостабилизацией грунтов основания [4].
Несомненно, использование промораживающих устройств для стабилизации как линейной части трубопроводов, так и площадочных сооружений весьма перспективное направление, так как соответствует принципу минимального теплового воздействия. Но практика показывает, что в этом деле требуется совершенствование не только соответствующих конструкций, но и режимов промораживания, поскольку при установке промораживающих устройств нарушается принцип невторжения в грунт.
В условиях мерзлоты очень важно соблюдать именно этот принцип, так как установка сезоннодействующих промораживающих устройств вызывает нарушение термодинамического равновесия вмещающего грунта.
На кафедре гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин УГНТУ выполнены соответствующие исследования, показавшие, что промораживание грунтов может стать причиной искусственно наведенных бугров пучения. В [5] опубликованы результаты и даны рекомендации по выбору безопасных скоростей промораживания несущего грунта опорных конструкций.
III принцип использования мерзлых грунтов в качестве основания
Принцип наименьшего вторжения в грунт пока не сформулирован в строительных нормах и правилах СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы, СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах и др. Но уже достаточно проработан и обоснован в многочисленных работах, результаты которых обобщены и опубликованы в открытой печати сотрудниками ПАО «Гипротюменнефтегаз» - ТП и НИИ НГП им. В.И. Муравленко [6, 7], УГНТУ [8-11], ООО «НИПИнефтегазстройдиагностика» [12] и др. Проведенные исследования на многолетнемерзлых грунтах в условиях Воркуты, Норильска, Игарки, Дудинки, Тикси и особенно северных газопроводов тех же трасс с Ямбургского месторождения на севере Западной Сибири показали, что надежность и долговечность сооружений тем выше, чем меньше нарушено природное мерзлотно-грунтовое состояние основания сооружения [12].
Частота отказов трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах минимальна при наземной прокладке. Это установленный факт. Работоспособность трубопровода при наземной прокладке подтверждается результатами длительного (превышающего 24 года), наблюдения и данными по интенсивности отказов газопровода Соленинское - Мессояха -Норильск диаметром 720 мм [13]. Интенсивность отказов на участках:
- с подземной прокладкой около 3,
- с надземной прокладкой 0,5.. .0,6 (суглинки,
торфяники),
- с наземной прокладкой 0,13.
Здесь особо отметим работы С.М. Соколова [6, 7] по выбору рационального способа прокладки трубопровода на многолетнемерзлых и торфяных основаниях, на основании которых разработаны и получили практическое внедрение способы прокладки трубопроводов, соответствующие III принципу:
- без снятия мохового покрова,
- самопогружением с замерзшей поверхности,
- открытая прокладка по поверхности в теплоизолирующем конверте.
В этом же направлении на кафедре гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин (ГТ) УГНТУ выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований, на основании которых разработаны регламент и методика регулирования теплового взаимодействия трубопровода с мерзлотой с учетом самопогружения трубопровода при протаивании грунта.
Наземный способ прокладки трубопровода по ненарушенному с поверхности мерзлому грунту является экономичным, позволяет свести к минимуму последствия техногенного воздействия и максимально сохранить структуру мерзлого массива и его свойства.
Технологическое регулирование
Регулирование теплообмена трубопровода с мерзлым массивом грунта имеет свои особенности.
В отличие от стандартных способов регулирования гидравлических режимов, которые широко практикуются на обычных трубопроводах, здесь имеется в виду регулирование размеров талика вокруг трубы, которое осуществляется
путем изменения интенсивности теплового воздействия со стороны трубопровода на вмещающий мерзлый грунт.
Для безопасной работы трубопровода необходимо обеспечить наличие небольшого, но достаточно стабильного талика вокруг трубы, так как при полном смерзании грунта трубопровод защемляется и при нарастании напряжений рвется.
Технологическое регулирование теплообмена регламентируется производительностью нефтепровода Q и сбалансированной температурой перекачки, что позволяет только за счет соблюдения заданного теплогидравличе-ского режима предотвратить прогрессирующее протаи-вание грунта под трубопроводом [11] и сделать процесс управляемым.
Расчет таких технологических режимов - как для подземных, так и наземных трубопроводов в насыпи - не представляет большой сложности, основан на использовании метода смены стационарных состояний и выполняется в соответствии с алгоритмом [14].
Особенности инженерного мерзлотоведения
Многолетнемерзлые грунты очень чувствительны к техногенному воздействию: и теплофизические, и механические свойства грунтов могут меняться на десятки процентов и даже в разы в результате разрушения криострук-туры грунта.
Необходимость экспериментального исследования сложнейших процессов, происходящих в грунте вокруг трубопровода, обусловленных фазовыми превращениями грунтовой влаги и ее передвижением под действием термодинамических сил, очевидна. Практика эксплуатации трубопроводов в мерзлоте показывает, насколько значительно
и губительно для обоих объектов это взаимодействие. Поэтому мы считаем, что аналитические решения задач теплового взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами в различных технологических процессах должны иметь экспериментальное подтверждение.
С этой целью кафедрой ГТ проводились серии экспериментов по теплообмену трубопровода с мерзлым грунтом в различных вариантах прокладки. Для этого на базе исследовательского центра создавались различные установки по изучению теплообмена трубопровода с мерзлыми, в том числе и пучинистыми грунтами, обводненными, со сложным литологическим составом [16].
Особенностью исследовательского центра является наличие реологической лаборатории, оборудование которой позволяет решать внутренние задачи трубопроводного транспорта углеводородов, в частности проводить исследования физико-химического воздействия для обеспечения транспортабельных свойств тяжелых нефтей, которые в перспективе предстоит добывать и транспортировать в районах мерзлоты [17].
Выводы
Многолетние исследования, проведенные на кафедре ГТ УГНТУ, положили начало новому направлению в развитии трубопроводного транспорта в районах мерзлоты. Полученные решения позволили разработать методику теплогидравлического расчета трубопровода, проложенного в мерзлоте при условии сохранности окружающей среды, и предложить технологический способ регулирования температуры перекачки с целью ограничения прогрессирующего протаивания грунта под трубопроводом и сохранения мерзлоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Хренов Н.Н. Сооружение северных трубопроводов. Взаимодействие с многолетнемерзлыми грунтами в макетах и на трассе. URL: http://neftegaz.ru/science/view/610 (дата обращения 07.11.2016). Строительство на вечной мерзлоте - потенциал в два триллиона долларов США. URL: https://ardexpert.ru/ article/3903 (дата обращения: 28.04.16).
Термостабилизация вечномерзлых грунтов https://www.npo-fsa.ru/proizvodstvo (дата обращения 05.01.2021). Лисин Ю.В., Сапсай А.Н., Суриков В.И. и др. Создание и реализация инновационных технологий строительства в проектах развития нефтепроводной структуры Западной Сибири (проекты «Пурпе - Самотлор», «Заполярье - Пурпе») // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, 2013. № 4 (12). С. 6-11.
Закирова Э.А., Гаррис Н.А. Как избежать выпучивания опор надземных трубопроводов в районах пучини-стых грунтов // Нефтегазовое дело. 2016. Т. 14. № 2. С. 85-92.
Соколов С.М. Теоретические основы новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов в условиях Западной Сибири: автореф. дис. д-ра техн. наук: 25.0019. Тюмень, 2009. 38 с.
Соколов С.М. Многолетнемерзлые грунты в качестве основания промысловых трубопроводов // Нефтяное хозяйство. 2008. № 10. С. 126-127.
8. Гаррис Н.А., Акчурина Э.А., Бахтизин Р.Н. Сопряженная задача теплообмена с инжекцией холода с поверхности земли // SOCAR Proceeding, 2018, № 2, p. 025-032.
9. Гаррис Н.А., Закирова Э.А. Третий принцип использования мерзлых грунтов в качестве основания трубопроводов // Территория «Нефтегаз». 2017. № 5. С. 70-78.
10. Гаррис Н.А., Колоколова Н.А. О выборе способа прокладки трубопроводов в районах вечной мерзлоты // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2013. № 1. С. 13-17.
11. Гаррис Н.А. Эксплуатация нефтепродуктопроводов в различных температурных режимах и загрузках при условии сохранности экологической среды: автореф. диа д-ра техн. наук: 05.15.13. Уфа, 1998. 48 с.
12. Димов Л.А. Строительство нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах в южной части криолитозоны Центральной и Восточной Сибири // Нефтяное хозяйство. 2008. № 2. С. 104-106.
13. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. М.: Недра, 2001. 467 с.
14. Гаррис Н.А., Кутлыева З.Р. Алгоритм регулирования процесса протаивания-промерзания грунта вокруг наземного трубопровода в условиях вечной мерзлоты // Нефтегазовое дело. 2018. Т. 16. № 6. С. 46-55.
15. Гаррис Н.А., Русаков А.И., Лебедева А.А. Расчет сбалансированного теплообмена нефтепровода в мерзлоте и определение радиуса ореола протаивания // Нефтегазовое дело. 2018. Т. 16. № 5. С. 73-80.
16. Глухова З.Р., Гаррис Н.А. Экспериментальное обоснование принципа строительства и эксплуатации наземного трубопровода самопогружением на мерзлоте // Нефтегазовое дело. 2020. Т. 18. № 2. С. 94-104.
17. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Бабаев Э.Р., Мамедова П.Ш. Влияние СВЧ-воздействия на изменение вязкости высоковязких тяжелых нефтей // НефтеГазоХимия, 2018. № 2. С. 25-27.
REFERENCES
1. Khrenov N.N. Sooruzheniye severnykh truboprovodov. Vzaimodeystviye s mnogoletnemerzlymigruntamivmaketakh i na trasse (Construction of northern pipelines. Interaction with permafrost soils in models and on the highway) Available at: http://neftegaz.ru/science/view/610 (accessed 07 November 2016).
2. Stroitel'stvo na vechnoy merzlote -potentsial vdva trilliona dollarovSSHA (Construction on permafrost is a potential of two trillion US dollars) Available at: https://ardexpert.ru/article/3903 (accessed 28 April 2016).
3. Termostabilizatsiya vechnomorzlykh gruntov (Thermal stabilization of permafrost soils) Available at: https://www. npo-fsa.ru/proizvodstvo (accessed 05 January 2021).
4. Lisin YU.V., Sapsay A.N., Surikov V.I. The creation and implementation of innovative building technologies in development projects in the pipeline structure of the Western Siberia (the project "Purpe - Samotlor", "Zapolyarye -Purpe"). Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta neftiinefteproduktov, 2013, no. 4(12), pp. 6-11 (In Russian).
5. Zakirova E.A., Garris N.A. How to avoid buckling of the supports of aboveground pipelines in areas of heaving soils. Neftegazovoye delo, 2016, vol. 14, no. 2, pp. 85-92 (In Russian).
6. Sokolov S.M. Teoreticheskiye osnovy novykh metodovsooruzheniya neftepromyslovykh truboprovodov vusloviyakh ZapadnoySibiri. Diss. dokt. tekhn. nauk [Theoretical foundations of new methods of construction of oilfield pipelines in the conditions of Western Siberia. Dr. tech. sci. diss.]. Tyumen, 2009. 38 p.
7. Sokolov S.M. Permafrost soils as bases of field pipelines. Neftyanoye khozyaystvo, 2008, no. 10, pp. 126-127 (In Russian).
8. Garris N.A., Akchurina E.A., Bakhtizin R.N. The coupled problem of heat transfer with injection of cold from the surface of the Earth. SOCAR Proceeding, 2018, no. 2, pp. 025-032 (In Russian).
9. Garris N.A., Zakirova E.A. The third principle of using frozen soils as the basis of pipelines. Territoriya «Neftegaz», 2017, no. 5, pp. 70-78 (In Russian).
10. Garris N.A., Kolokolova N.A. On the choice of a method for laying pipelines in permafrost areas. Transportikhraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2013, no. 1, pp. 13-17 (In Russian).
11. Garris N.A. Ekspluatatsiya nefteproduktoprovodov vrazlichnykh temperaturnykh rezhimakh izagruzkakh priuslovii sokhrannostiekologicheskoysredy. Diss. dokt. tekhn. nauk [Operation of oil product pipelines in various temperature regimes and loads under the condition of preservation of the ecological environment. Dr. tech. sci. diss.]. Ufa, 1998. 48 p.
12. Dimov L.A. Construction of oil pipelines on permafrost soils in the southern part of the cryolithozone of Central and Eastern Siberia. Neftyanoye khozyaystvo, 2008, no. 2, pp. 104 - 106 (In Russian).
13. Kharionovskiy V.V. Nadezhnost' i resurs konstruktsiy gazoprovodov [Reliability and resource of gas pipeline structures]. Moscow, Nedra Publ., 2001. 467 p.
14. Garris N.A., Kutlyyeva Z.R. Algorithm for regulating the process of thawing-freezing of the soil around the ground pipeline in permafrost conditions. Neftegazovoye delo, 2018, vol. 16, no. 6, pp. 46-55 (In Russian).
15. Garris N.A., Rusakov A.I., Lebedeva A.A. A. calculation of the balanced heat transfer of the pipeline in permafrost and determination of the radius of the halo of thawing. Neftegazovoye delo, 2018, vol.16, no. 5, pp. 73-80 (In Russian).
16. Glukhova Z.R., Garris N.A. Experimental justification of the principle of construction and operation of the onshore pipeline by its immersion in the permafrost. Neftegazovoye delo, 2020, vol. 18, no. 2, pp. 94-104 (In Russian).
17. Leont'yev A.YU., Poletayeva O.YU., Babayev E.R., Mamedova P.SH. Influence of microwave exposure on the viscosity of high-viscosity heavy oil. NefteGazoKhimiya, 2018, no. 2, pp. 25-27 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Гаррис Нина Александровна, д.т.н., проф. кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Полетаева Ольга Юрьевна, д.т.н., проф. кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Бакиев Тагир Ахметович, д.т.н., проф., завкафедрой гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Nina A. Garris, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Hydraulic and Gas Dynamics of Pipeline Systems and Hydraulic Machines. Ufa State Petroleum Technological University.
Olga YU. Poletaeva, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Hydraulic and Gas Dynamics of Pipeline Systems and Hydraulic Machines. Ufa State Petroleum Technological University.
Tagir A. Bakiev, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Hydraulic and Gas Dynamics of Pipeline Systems and Hydraulic Machines. Ufa State Petroleum Technological University.
