CC BY
41
Ключевые слова:
геотехнический
мониторинг,
магистральный
трубопровод,
теплотехнический
расчет,
многолетне-
мерзлый грунт,
термометрическая
скважина,
геокриологический
прогноз.
УДК 622.691.4.05(98):622.831.312
Управление эксплуатационной надежностью магистральных трубопроводов в криолитозоне на основе анализа данных геотехнического мониторинга и прогнозного математического моделирования
С.И. Голубин
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: S_Golubin@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. В настоящее время география добычи углеводородов такова, что их транспорт осуществляется через регионы с особыми природными условиями, которые характеризуются наличием мно-голетнемерзлых грунтов (ММГ). Грунты криолитозоны при термомеханическом взаимодействии с магистральными трубопроводами (МГ) создают определенные риски и проблемы с точки зрения обеспечения эксплуатационной надежности МГ. Особую потенциальную опасность представляют подводные переходы и их береговые участки, которые характеризуются ММГ высокой льдистости, со значительными осадками при оттаивании. Для комплексного контроля, прогнозирования и управления состоянием литотехнической системы «МГ - грунт» с целью обеспечения эксплуатационной надежности МГ на всех стадиях его жизненного цикла в обязательном порядке должен проводиться геотехнический мониторинг. В частности, система геотехнического мониторинга литотехнических систем в криолитозоне предусматривает устройство термометрических скважин, с помощью которых в режиме реального времени проводятся сбор и накопление данных об изменении температуры ММГ, вмещающего трубопровод.
Накопленные данные термометрических наблюдений могут быть использованы как для оценки геокриологических условий в момент проведения мониторинговых работ, так и для геокриологического прогноза, предполагающего анализ особенностей поведения литотехнической системы в процессе эксплуатации МГ. По результатам такого анализа могут быть рекомендованы мероприятия, исключающие или ограничивающие последствия нарушения природного равновесия в литотехниче-ской системе, опасные для сооружения и природной среды. Одним из методов геокриологического прогноза является математическое моделирование. Данные термометрии служат индикатором для подтверждения точности математического моделирования.
В статье представлен и проанализирован массив данных многолетних наблюдений за температурным режимом береговых участков подводного перехода МГ Бованенково - Ухта через Байдарацкую губу, выполнен регрессионный анализ изменения температуры на рассматриваемом участке, выявлен тренд изменения температуры. Обработанные данные сопоставлены с результатами математического моделирования литотехнической системы «МГ - грунт», проведена корректировка входных параметров математической модели, выполнен долгосрочный прогноз.
Магистральный газопровод Бованенково - Ухта (далее - МГ) является одним из самых масштабных и сложных проектов за всю историю трубопроводного строительства в мировой и отечественной практике; в ходе строительства применены передовые технологии и оборудование. МГ представляет собой двухниточную систему общей протяженностью каждого газопровода около 1200 км (с учетом резервных ниток подводных переходов через Байдарацкую губу). Использовались трубы из стали К65 (Х80) с внутренним гладкостным покрытием. Основной диаметр труб -1420 мм. Рабочее давление - 120 атмосфер. Строительство МГ началось в 2008 г. Линейная часть газопровода и первоочередные компрессорные станции введены в эксплуатацию в 2012 г. Строительство остальных компрессорных станций завершено в 2013-2014 гг. Прокладка МГ на всем его протяжении осуществлена в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, а именно в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ). Чувствительность ММГ к техногенным воздействиям в период строительства и эксплуатации МГ
влияет на эксплуатационную надежность МГ. Деградация ММГ, вмещающих МГ, сопровождающаяся просадками оттаявших грунтов за счет собственного веса при фильтрации воды, отжимаемой из пор, может спровоцировать изменение проектного положения трубопровода и, как следствие, привести к потере его устойчивости. Особенно опасными являются прибрежные и субаквальные участки, которые, как правило, сложены сильно льдистыми и сильно сжимаемыми при оттаивании грунтами.
Уральский и ямальский берега Байдарац-кой губы представлены хорошо выраженной террасированной поверхностью и сложены верхнеплейстоценовыми и голоценовыми отложениями. Выделяются следующие морфо-метрические уровни:
• III терраса высотой 22.. .35 м, сложенная морскими или дельтовыми осадками;
• II терраса высотой 11.20 м, в строении которой принимают участие морские или озерно-аллювиальные отложения;
• I терраса верхнеплейстоцен-голоцено-вого возраста высотой 4.9 м, сложенная морскими и аллювиально-морскими и озерно-болотными отложениями - преимущественно песками с супесями, суглинками и торфом;
• маршевые периодически затопляемые поверхности (лайда), современные береговые формы пляжа и мелководья.
Как правило, в пределах акватории грунты водонасыщенные и находятся в текучем
и текучепластичном состоянии. В береговой зоне пляжа и на суше грунты находятся в мерзлом состоянии. Для покровного комплекса, развитого на суше, характерно наличие мощных эпигенетических жил. Сильно развиты полигонально-жильные образования и пластовые льды.
Помимо сплошного распространения ММГ эксплуатация береговых участков МГ осложнена активными деформациями береговой линии вследствие термоабразии. Процесс термоабразии необратим, он развивается неравномерно и характеризует изменение профиля уральского и ямальского берегов Байдарацкой губы. Активные абразионные процессы происходят в безледный период в результате теплового и гидродинамического воздействия на мерзлые породы берегов и дна. Большую часть года берега и прибрежно-шельфовая полоса дна консервируются припаем, что обусловливает неравномерность и замедление процессов термоабразии.
Берег в районе МГ по характеристикам соответствует типичным аккумулятивным берегам, сложенным песчаными и песчано-гравийными наносами. Отступание береговой линии в створе перехода МГ на ямальском берегу Байдарацкой губы относительно невелико и составляет 1,0.1,5 м в год в силу высокой устойчивости берега и его слабой динамики во времени. Прогноз динамики отступания ямальского берега Байдарацкой губы представлен на рис. 1.
Динамика отступания береговой линии в створе перехода МГ на уральском берегу
Рис. 1. Прогноз динамики профиля береговой линии в районе створа трассы МГ (ямальский берег Байдарацкой губы) на период его проектирования, строительства и эксплуатации (2006-2040 гг.)
Байдарацкой губы отличается большей сложностью. Так, скорость абразии в створе перехода МГ составляет 2,0...3,0 м в год. Прогноз динамики отступания уральского берега Байдарацкой губы в створе МГ представлен на рис. 2.
Для защиты подводного перехода МГ через Байдарацкую губу от размывов при отступании береговой линии за счет абразии на весь период эксплуатации проектом предусмотрено устройство коффердамов (рис. 3) - защитных перемычек из шпунтовых свай, в которые уложен трубопровод.
Следует отметить, что в процессе строительства коффердама и укладки МГ в открытой траншее в зимнее время произошло естественное локальное промораживание донных грунтов на мелководье и в приурезной зоне, сопровождающееся новообразованиями ММГ с более низкими температурами по сравнению с естественными фоновыми температурами ММГ в зоне коффердамов. Данный факт выявлен в ходе полевых геофизических исследований, выполненных ООО «МГУ Геофизика» в 2012 г. на уральском и ямальском береговых участках. Новообразования ММГ в зоне коффердамов достаточно хорошо прослеживаются на геоэлектрических разрезах, построенных по результатам электромагнитных зондирований (рис. 4).
Данный факт только подтверждает то, что подводный переход МГ через Байдарацкую губу, в том числе ямальский и уральский участки, осложненные деградирующими ММГ
и активной абразией берегов, представляет собой «живую» литотехническую систему -сложную, восприимчивую к малейшим техногенным воздействиям и активно изменяющуюся во времени. Для комплексного контроля, прогнозирования и управления состоянием литотехнической системы «МГ - грунт» с целью обеспечения эксплуатационной надежности МГ на всех стадиях его жизненного цикла в обязательном порядке должен проводиться геотехнический мониторинг [1, 4]. В частности, сеть геотехнического мониторинга лито-технических систем в криолитозоне предусматривает устройство термометрических скважин, с помощью которых в режиме реального времени проводятся сбор и накопление данных об изменении температуры ММГ, вмещающего трубопровод.
Рис. 3. Береговой участок подводного перехода МГ через Байдарацкую губу, вид на коффердам (ямальский берег Байдарацкой губы)
2 6
л о
и К
X
о а
я X
2 о
-2
-4
-6
-200
Год: — 2006 -— 2040
ч
V V
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 Удаление от береговой линии, м
Рис. 2. Прогноз динамики профиля береговой линии в районе створа трассы МГ (уральский берег Байдарацкой губы) на период его проектирования, строительства и эксплуатации (2006-2040 гг.)
4
2
0
L 0 Г10 20
Акватория
Естественные ММП G29-2
150
Расстояние, м
Состояние ММП
1000 100 Мерзлые
■
- 10 Вяломерзлые,
переходные
1 1 Охлажденные
Граница ММП
Акватория K1-3--
100
Расстояние, м
Рис. 4. Ямальский (а) и уральский (б) береговые участки подводного перехода МГ через Байдарацкую губу: поперечный геоэлектрический разрез на коффердаме.
УЭС - удельное электрическое сопротивление
¡1
б
Сеть геотехнического мониторинга береговых участков подводного перехода МГ через Байдарацкую губу включает в себя следующие элементы:
• деформационные марки на трубопроводе;
• грунтовые деформационные марки;
• термометрические скважины.
Деформационные марки на трубопроводе представляют собой систему из двух инклинометрических датчиков, оборудованных локальным коммутатором, дополнительно выполняющим функцию связующего контроллера. Деформационные марки соединяются последовательно с помощью геофизического кабеля с обеспечением троирования линии. Грунтовая деформационная марка представляет собой стальную трубку, погруженную в грунт на глубину 3 м, с анкером на конце. Термометрическая скважина - это термотрубка, погруженная в грунт на 11 м и оборудованная 10-метровой термометрической косой с 10 датчиками, логгером и модулем передачи данных ZigBee. В модуле ZigBee используется механизм беспроводной передачи пакетов данных стандарта IEEE 802.15.4 «Wireless personal area network (WPAN)». В качестве элементов
питания логгеров и модулей ZigBee используются хорошо зарекомендовавшие себя при работе в экстремальных низкотемпературных условиях Ямала литиевые батареи формата BAT[D]SL-780/T 3.6V производства фирмы Sonnenschein Lithium GmbH.
Накопленные данные термометрических наблюдений могут быть использованы как для оценки геокриологических условий в момент проведения мониторинговых работ, так и для геокриологического прогноза, когда анализируются особенности поведения литотехниче-ской системы в процессе эксплуатации газопровода. На основе такого анализа можно рекомендовать мероприятия, исключающие или ограничивающие последствия нарушения природного равновесия в литотехнической системе, которые могут повлиять на эксплуатационную надежность МГ. Одним из методов геокриологического прогноза является математическое моделирование [2, 3]. Данные термометрии служат индикатором для подтверждения точности математического моделирования (рис. 5).
Математическое моделирование литотехнической системы «МГ - грунт» выполнялось
15 10 5 0 -5
Л А. А
п га
к > (Ч ) \ Ч 1 J
/ V / V4 V / V * й 1, /
Г Р \ 7 I г
и Г 1 № и \
№ 1р
V» V
0 -1 -2 -3 -4 -5
/ \ и
\\ / / \
V (
\ у
-4 -5
-4
— натурные данные — результаты моделирования
Дата
Рис. 5. Сравнение данных распределения температур в ММГ согласно натурным наблюдениям с данными моделирования на ямальском берегу Байдарацкой губы. Глубина регистрации показаний от дневной поверхности, м: а - 0,5; б - 4,5; в - 6,5; г - 8,5
а
б
в
г
Рис. 6. Прогнозное распределение температур в коффердаме ямальского берега Байдарацкой губы на август 2019 г.
в соответствии с РСН 67-871 в программном комплексе Оеойеа13Б, предназначенном для расчета промерзания-оттаивания и динамики температуры грунтов, взаимодействующих с инженерными сооружениями и внешней средой. Участки моделирования подбирались в непосредственной близи термометрических скважин для того, чтобы выполнить верификацию и калибровку расчетной модели с массивом накопленных показаний температур по глубине.
Сравнительный анализ данных изменения температур на различных глубинах, полученных в ходе моделирования рассматриваемой литотехнической системы, с данными многолетних наблюдений в термометрической скважине показывает, что созданная модель лито-технической системы «МГ - грунт» на рассматриваемом участке позволяет с приемлемой точностью выполнять долгосрочный прогноз состояния и изменений в литотехнической системе, а именно изменения температур ММГ (см. рис. 5). Выбросы на графике и расхождение в разнице температур между прогнозной моделью и фактически наблюденными данными на поверхности (см. рис. 5а) обусловлены сложностью учета фактического теплообмена на поверхности ввиду неравномерного снегонакопления, изменения температур воздуха и скоростей ветра в годовом цикле, а также определением теплофизических параметров по данным нормативных документов2, что, несомненно, сказывается на точности расчетов [5].
1 См. РСН 67-87. Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами.
2 См. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.
На рис. 6 представлена графическая интерпретация результатов прогнозного моделирования распределения температурных полей в районе коффердама. Видно, что дорога, построенная к коффердаму после 2012 г., способствует сохранению новообразований ММГ в ходе строительства (см. рис. 4). При этом в зоне прокладки МГ наблюдается деградация ММГ, что также подтверждается данными термометрии.
В целом результаты многолетних натурных наблюдений на береговых участках подводного перехода МГ через Байдарацкую губу в сопоставлении с результатами прогнозного моделирования указывают на то, что ММГ, вмещающие трубопровод, имеют устойчивый тренд к повышению температур как на береговых участках, так и в приурезной зоне. Деградация ММГ на береговых участках подводного перехода МГ через Байдарацкую губу может негативно отразиться на надежности трубопровода, что необходимо учитывать в процессе его эксплуатации.
Исследования, описанные в настоящей статье, направлены на создание программного аналога (цифрового двойника) реальной литотехнической системы, эксплуатируемой в сложных природно-климатических и геокриологических условиях.
Список литературы
1. Великоднев В.Я. Геотехнический мониторинг состояния трубопроводов с помощью волоконно-оптических кабельных систем / В.Я. Великоднев, С.И. Голубин, М. Л. Николаев // Геотехника. - 2011. - № 5. -С. 22-29.
2. Великоднев В.Я. Тепловое и механическое взаимодействие подземного газопровода
с многолетнемерзлыми грунтами и методы его геотехнического мониторинга / В.Я. Великоднев, С.И. Голубин,
B. С. Каленский // Инженерные изыскания. -2011. - № 9. - С. 54-60.
3. Голубин С.И. Математическое моделирование теплового взаимодействия подземного газопровода с многолетнемерзлыми грунтами полуострова Ямал / С.И. Голубин // Инженерная геология. - 2009. - № 4. -
C. 20-27.
4. Патент на полезную модель ЯИ 139945 и1. Устройство геотехнической диагностики
и мониторинга магистральных трубопроводов в криолитозоне / В.В. Небабин, Р.Р. Кучумов, С.И. Голубин и др.; патентообладатель -ООО «Газпром ВНИИГАЗ» / заявка 11.03.2013; публикация 27.04.2014.
5. Пустовойт Г.П. Влияние способа получения исходных данных на прогнозные теплотехнические расчеты при проектировании в криолитозоне / Г.П. Пустовойт,
Э.С. Гречищева, С.И. Голубин и др. // Криосфера Земли. - 2018. - Т. 22. - № 1. -С. 51-57.
Controlling operation reliability of trunk pipelines in a permafrost zone on the grounds of geotechnical monitoring and predictive mathematical modelling
S.I Golubin
Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation E-mail: S_Golubin@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. Nowadays, geographical spread of hydrocarbon production makes organize transportation of such products through the regions with special natural environment characterized by presence of permafrost. During the thermal-mechanical interaction with trunk pipelines, the subsoil in the permafrost zone creates particular risks and challenges related with support of operational reliability of the pipelines. Especial potential danger comes from the underwater crossings and their onshore sections, which are quite icy and generate much moisture while defrosting. To carry out complex control, prediction and administration of a "trunk pipeline - subsoil" lithologic-technical system status, the permanent geotechnical monitoring of the pipeline should be done in order to provide its operational reliability during all the stages of its lifetime. In particular, a system of geotechnical monitoring of lithologic-technical permafrost systems supposes drilling of thermometric wells for real-time collection and accumulation of data about changing of the permafrost temperature around the pipeline.
Accumulated data of thermometric observations can be applied either for estimation of the geocryologic situation when monitoring is done, or for making a geocryological forecast when the special behavior of the named lithologic-technical system during operation of the pipeline is analyzed. According to the results of such studies some measures excluding or limiting the dangerous aftereffects of natural balance disturbance could be recommended. Mathematical modelling is one of the methods of geocryological predicting. The thermometric data are the indicators used for validation of accuracy of mathematical modelling.
The article presents and analyzes a data array of longstanding observations of temperatures at the onshore sections of the underwater line of the Bovanenkovo-Ukhta pipeline across the Baydaratskaya Bay. It includes the regression analysis of temperature changes at the named section, and a found-out temperature trend. First, the processed data have been compared with the results of mathematical modelling, then the input parameters of the model have been corrected, and a longstanding prognosis has been made.
Keywords: geotechnical monitoring, trunk pipeline, calculated heat performance, permafrost, thermometric well, geocryological forecast.
References
1. VELIKODNEV, V.Ya., S.I. GOLUBIN, M.L. NIKOLAYEV. Geotechnical monitoring of pipelines using optical fiber cable systems [Geotekhnicheskiy monitoring sostoyaniya truboprovoda s pomoshchyu volokonno-opticheskikh kabelnykh system]. Geotekhnika. 2011, no. 5, pp. 22-29. ISSN 2221-5514. (Russ.).
2. VELIKODNEV, V.Ya., S.I. GOLUBIN, V.S. KALENSKIY. Thermal and mechanical interaction between an underground pipeline and the permafrost, and methods for its geotechnical monitoring [Teplovoye i mekhanicheskoye vzaimodeystviye podzemnogo gazoprovoda s mnogoletnemerzlymi gruntami i metody yego geomekhanicheskogo monitoringa]. Inzhenernyye Izyskaniya. 2011, no. 9, pp. 54-60. ISSN 1997-8650. (Russ.).
3. GOLUBIN, S.I. Mathematical modelling of thermal interaction between an underground pipeline and the permafrost of Yamal Peninsular [Matematicheskoye modelirovaniye teplovogo vzaimodeystviya podzemnogo gazoprovoda s mnogoletnemerzlymi gruntami poluostrova Yamal]. Inzhenernaya Geologiya. 2009, no. 4, pp. 20-27. ISSN 1993-5056. (Russ.).
4. GAZPROM VNIIGAZ LLC. Device for geotechnical diagnostics and monitoring of trunk pipelines in the permafrost zone [Ustroystvo geotekhnicheskoy diagnostiki i monitoringa magistralnykh truboprovodov v kriolitozone]: utility model. Inventors: Nebabin, V.V., R.R. Kuchumov, S.I. Golubin et al. Appl.: 11 March 2013, publ.: 27 April 2014. RU 139945 U1. (Russ.).
5. PUSTOVOYT, G.P., E.S. GRECHISHCHEVA, S.I. GOLUBIN et al. Way of initial data acquisition affecting the prognostic design calculations of thermal performance in the permafrost zone [Vliyaniye sposoba polucheniya iskhodnykh dannykh na prognoznyye teplotekhnicheskiye raschety pri proyektirovanii v kriolitozone]. Kriosfera Zemli. 2018, vol. 22, no. 1, pp. 51-57. ISSN 1560-7496. (Russ.).
