1 стр. из 1

Проблема безопасности инженерных сооружений и окружающей среды наиболее остра в районах со сложными ландшафтно-экологическими и инженерно-геологическими условиями, в которых начинается крупномасштабное строительство трубопроводов. Речь идет прежде всего о сооружении системы газопроводов на Ямале и о строительстве нефтепровода Восточная Сибирь — Тихий Океан (ВСТО). Серия статей Николая Николаевича Хренова «Сооружение северных трубопроводов» подготовлена специально для «НГП» и посвящена в первую очередь природно-техническим аспектам взаимодействия «холодных» и «теплых» трубопроводов с многолетнемерзлыми грунтами, а также конструктивным решениям строительства северных трубопроводов, обеспечивающим их надежную и длительную эксплуатацию.

Северная газотранспортная система. Вчера и сегодня

Развитие газовой промышленности в Западной Сибири начиналось с мощного газового фонтана из первой разведочной скважины, пробуренной на территории Западной Сибири в п. Березово летом 1953 г. Этот фонтан доказал наличие запасов углеводородов в Западной Сибири и дал начало интенсивному освоению месторождений нефти и газа в регионе. Освоение месторождений Березовского района, а затем уникальных месторождений севера Тюменской области определило формирование северной газотранспортной системы.

Она развивалась по мере освоения месторождений-гигантов: Медвежьего, Уренгойского, Ямбургского, Заполярного. Здесь впервые в отечественной и мировой практике стали применяться трубы диаметром 1420 мм на рабочее давление 75 кг/кв. см, осваивались новые технологии прокладки труб через крупные водные преграды, такие как река Обь, имеющая в пойменной части ширину 20 км. Строительные работы на болотистой Западно-Сибирской низменности, непроходимой летом, велись преимущественно в зимний период в условиях очень низких температур, в сложнейших природных и геологических условиях. И отнюдь не по самой совершенной технологии, при многочисленных проектных недоработках и нарушениях, с жесткими директивными сроками сдачи.

В 1966 г. был введен в эксплуатацию первый газопровод «Игрим — Серов», подавший потребителям промышленного Урала первый тюменский газ. 1973 г. — началось освоение месторождения Медвежье, от которого была запитана мощная газотранспортная система «северные районы Тюменской области — Урал» (СРТО — Урал). Впервые тюменский газ поступил к потребителям центральных районов европейской части страны. С 1980 по 1985 гг. продолжилось форсированное развитие газовой промышленности Западной Сибири за счет освоения Уренгойского месторождения: были выведены на проектную мощность газопроводы Уренгой — Грязовец, Уренгой — Петровск, Уренгой — Новопсков и немного позднее газопроводы ужгородского экспортного направления. С 1985 г. началось освоение Ямбургского месторождения и, соответственно, строительство 8-ниточной системы газопроводов по направлению Ямбург — Центр. 1 октября 2001 г. пришел первый газ с Заполярного месторождения. В настоящий момент месторождение выведено на проектную мощность 100 млрд куб. м в год и компенсирует падение добычи на Медвежьем, Уренгойском и Ямбургском месторождениях.

Сегодня эксплуатируется 21-ниточная система газопроводов (в основном из труб диаметром 1420 мм на рабочее давление 75 атм.), по которой газ месторождений-гигантов севера Тюменской области поступает следующим звеньям цепи ЕСГ — «Уралтрансгазу», «Перьмтрансгазу» и «Севергазпрому». Общая протяженность газопроводов, включая магистральные коллекторы месторождений в однониточном исчислении, составляет более 40 тыс. км. Из них 28 тыс. проходят в условиях многолетнемерзлых грунтов и болот, число пересечений водных преград более 250, в том числе пойменная и русловая часть реки Обь шириной до 22 км.
В 1968 г. была пущена первая нитка газопровода Мессояха — Норильск, проложенного в сложных арктических условиях, для обеспечения энергоснабжения норильского горно-обогатительного комбината. По предложению ВНИИ строительства магистральных трубопроводов, была применена надземная прокладка со слабоизогнутыми компенсационными участками.

В 1968 г. был запущен газопровод Таас — Тумус — Якутск, проходящий по районам распространения многолетнемерзлых грунтов.

Экстремальные трассы северных газопроводов: выбор конструкции
Главной задачей в области обеспечения безопасности при строительстве и эксплуатации линейных сооружений является предупреждение развития опасных процессов с целью предотвращения аварий. Трубопроводы имеют особенности, связанные с технологией транспорта газа, которая значительно влияет на выбор и исходные требования к трубопроводной конструкции. Это положение включает и обратную связь: за счет выбора соответствующей конструкции может быть получена оптимальная технология транспорта продукта. Так, прокладка подземных газопроводов в многолетнемерзлых грунтах ставит условие снижения температуры газа, поступающего в магистраль из компрессорной станции, до температур грунта во избежание растепления грунтов. Если это требование не удовлетворяется, то может быть предложен альтернативный вариант — надземная прокладка с сохранением естественного температурного режима криогенной толщи.

Трассы северных газопроводов характеризуются экстремальными температурными данными и сложными геокриологическими условиями. Подземный газопровод в силу технологических особенностей вносит дополнительные возмущения в температурный режим грунтов и способствует развитию явлений пучения, термокарста и т. п.

К надземным трубопроводам помимо требований на трубы предъявляются дополнительные требования как к строительной конструкции. Для трубопроводов на свайном основании при проектировании выдвигаются требования к выбору трассы, подготовке свайного основания, монтажным работам. При сооружении трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах большое внимание уделяют производству работ по свайному основанию, а именно: противопучинным мероприятиям, сохранности тундрового покрова и т. п. Неучет этих факторов приводит к потере устойчивости свайного основания, различным эрозионным процессам на трассе и, как следствие, к низкой надежности эксплуатации самого трубопровода. Особое внимание на стадии проектирования уделяется и конструкциям опор надземного многопролетного газопровода. Такой трубопровод подвержен колебаниям от ветровой нагрузки, перемещениям от температурных перепадов и т. д. Наряду с обычными требованиями обеспечения прочности опор необходимо использовать также опорные конструкции, которые могут регулироваться, например, по высоте для выбора зазора между трубопроводом и опорой, исключать биение трубопровода об опоры, иметь низкое трение поверхностей «опора — трубопровод».

В условиях тундры и лесотундры России наиболее опасны мерзлотные процессы, резко активизирующиеся под влиянием техногенного воздействия на ландшафты, в том числе термокарст, пучение грунтов, термоэрозия, заболачивание с последующим подтоплением и размывом сооружений, наледеобразование, солифлюкция.

Экологические последствия аварий магистральных трубопроводов

Аварийные ситуации природно-технической системы приводят не только к остановке производственной деятельности и материальному ущербу, связанному с деформациями инженерных сооружений, но и к разрушению окружающей среды. В условиях разработки, эксплуатации нефтегазовых месторождений и при транспортировке нефти и газа по своим экологическим последствиям наиболее опасны аварии, сопровождающиеся выбросами и разливами жидких, газообразных или смешанных углеводородных фракций, продуктов их переработки и соответствующих экологически вредных компонентов. К числу основных причин подобных аварий относится не только брак, допущенный при заводском изготовлении оборудования, нарушении строительных технологий и норм эксплуатации, но и естественный износ оборудования, а также развитие природно-техногенных процессов, связанных с ошибками при размещении и проектировании сооружений.

Однако если ущерб для инженерных сооружений, возникающий при подобных авариях, связывается лишь с материальными потерями, то их экологические последствия для жизнеобеспечения по степени тяжести трудно сопоставимы с производственными потерями, поскольку зона аварийного поражения охватывает все компоненты среды обитания.

В процессе строительства и эксплуатации трубопроводных геотехнических систем (ГТС) происходит вживание их техногенных элементов в естественную природную среду. Часто это осуществляется с нарушением динамического равновесия, сопровождающимся активизацией опасных природных процессов, оказывающих существенное негативное влияние на техническое состояние трубопроводов и приводящих нередко к аварийным ситуациям. К подобным «реакциям отторжения» природной средой техногенного воздействия относятся просадка или всплытие (выпучивание) сооружений, активизация мерзлотных, эрозионных, оползневых процессов и процессов обводнения — заболачивания на трассах магистральных и промысловых трубопроводов различного назначения. Сказанное особенно характерно для легко ранимых и практически невосстанавливающихся ландшафтов севера Западной и Восточной Сибири, где высокая чувствительность северной природы очень быстро превращает экологические проблемы строительства и эксплуатации в технологические и экономические.

Будущее: создание систем трубопроводов в сложных условиях Севера

В России это прежде всего трубопровод Бованенково — Байдарацкая Губа — Ухта и вторая очередь нефтепровода Восточная Сибирь — Тихий Океан ( ВСТО).

От Бованенковского ГКМ запроектирована система магистральных газопроводов из трех ниток диаметром 1420 мм на давление 11,8 МПа, прокладываемых по полуострову с переходом через Байдарацкую губу. Пятиниточный переход через губу предполагается из труб диаметром 1220 мм.

На всем протяжении трасса проходит по многолетнемерзлым грунтам с температурой –6–70 С. Водонасыщенность грунтов доходит до 80%. Льдистость составляет 15–30%, пластовые залежи льда достигают толщины нескольких десятков метров, встречаются креопеги. Трасса пересекает большое число рек и ручьев, впадающих в Карское море. Весьма сложны также природные условия створа перехода через Байдарацкую губу.

Газ по полуострову планируется транспортировать охлажденным до отрицательных температур, что не исключает развития неблагоприятных инженерно-геологических процессов. Большую сложность представляет обеспечение устойчивости положения «холодного» газопровода в таликах, при пересечении русел рек. При отрицательной температуре газа происходит многолетнее промерзание, сопровождающееся выпучиванием газопровода.

Интенсивно происходящие процессы морозного пучения могут вызывать большие деформации трубопровода. Многие участки трассы подвержены обводнению, что вызывает всплытие трубопровода.

В настоящее время для подземного или наземного строительства газопроводов в таких условиях практически нет надежных инженерных решений, гарантирующих обеспечение общей и продольной устойчивости трубопровода, а следовательно, нет и гарантии обеспечения их надежной эксплуатации.

Трасса нефтепровода ВСТО проходит в сложных инженерно-геологических, климатических и экологических условиях, при этом наличие разнообразных форм рельефа, ландшафтов, состава и свойств пород, широкое распространение многолетней мерзлоты и высокая сейсмичность отдельных районов создадут значительные трудности при строительстве. На всем протяжении трасса пересекает 83 тектонических разлома.

На территории, прилегающей к трассе нефтепровода, развито большое количество экзогенных геологических процессов, среди которых следует особо выделить комплексы склоновых (селей, обвалов и осыпей) и криогенных (пучение, термокарст, наледи, солифлюкция и курумы) процессов, что существенно усложнит условия строительства и эксплуатации нефтепровода.

Трасса во многих местах проходит в болотистой местности, по косогорным и оползневым участкам, в вечномерзлых, а также скальных и полускальных грунтах. Сочетание перечисленных условий определяет сложность для проектирования и строительства нефтепровода.

Проявление процессов пучения (бугры пучения) отмечаются в долинах рек, на участках, сложенных влажными дисперсными грунтами.

Основная черта климата в районе прохождения магистрали — резкая континентальность, особенно в районах Забайкалья. Зимой вся территория трассы находится под преобладающим воздействием холодных и сухих воздушных масс, формирующихся в области развития мощного сибирского антициклона. Зима на большей части территории длительная, малоснежная и очень холодная. Лето относительно короткое, но в большинстве районов теплое. Средние температуры воздуха в январе составляют –20–24° С с абсолютным минимумом до –49° С, а июльские температуры — +16–180 С с максимумом +36° С. Количество зимних осадков составляет 150 мм, летних 250–300 мм.

В горной части территории контрастность климата усиливается за счет более низких зимних температур воздуха, которые в январе составляют –33–35° С при минимуме –58° С. Летние температуры воздуха напротив несколько ниже при средних значениях около +14° С с максимумом более +30° С. Годовое количество осадков достигает 400–600 мм, из которых более 2/3 выпадает летом в виде дождей. Дополнительные различия в климате центральной части территории существуют за счет возникновения «котловинного эффекта», который обусловлен наличием впадин байкальского типа и глубоко врезанных речных долин. В этих депрессиях зимой формируются мощные температурные инверсии в условиях Сибирского антициклона: температура воздуха в котловинах падает до –40–50° С при маломощном (10–20 см) снежном покрове и штилевой погоде. При инверсиях температура воздуха повышается с увеличением абсолютной высоты и достигает максимума в интервале высот 800–1100 м. Выше наблюдается нормальное понижение температур воздуха с высотой. С высотой возрастает также количество выпадающего снега и активность ветра, что приводит к ветровому перераспределению и уплотнению снежного покрова и, как следствие — существование многочисленных снежников в высоких горах и ледников (хребет Кадар).

Гидрографическая сеть рассматриваемой территории представляет собой разветвленную систему рек, ручьев и озер. На своем протяжении трасса нефтепровода пересекает 733 водных объекта, принадлежащих бассейнам рек Лены, Енисея, озера Байкал и реки Амур. Подавляющее большинство пересекаемых рек (более 80% от общего числа) относится к малым рекам и ручьям шириной до 10 м. Трасса пересекает 12 рек шириной более 75 м, в числе которых: Ангара, Илим, Лена, Киренга, Витим, Олекма.

Реки Байкальской горной страны носят горный характер и протекают в глубоких и узких ущельях, образуя пороги и каменные перекаты. Речная сеть Прибайкалья принадлежит бассейну озера Байкал, хорошо развита. Одной из крупных речных систем Байкала является река Верхняя Ангара, пересекаемая трассой. Сток Ангары хорошо зарегулирован озером Байкал, Иркутским и Братским водохранилищами.
Для большинства участков переходов через крупные и средние реки характерны активные русловые и пойменные переформирования. Наибольшую сложность для строительства нефтепровода могут представить переходы через реки, для которых характерны меандрирующие русла, а также реки с прогнозируемым разрушением берегов от 1до 5 м в год.

Для некоторых участков трассы значительную опасность представляют селевые потоки. Наибольшую опасность представляют сели по притокам рек Кунерма, Гоуджекит, Муякан. Максимальной селеопасностью обладают ручьи и реки с площадями водосбора 4–5 и 15–30 кв. км. Сейсмичность участка чрезвычайно высокая.

Сочетание геологических и геоморфологических особенностей трассы создает огромные сложности для проектирования и строительства нефтепровода.

В пределах Республики Бурятии трасса нефтепровода пересекает Байкало-Становую складчатую позднепротерозойскую зону, в пределах которой выделяются Байкало-Олекминское мегаподнятие, а также Северо-Байкальская и Муйская межгорные рифтогенные впадины.

Характерной особенностью Байкальской рифтовой зоны являются высокогорность и контрастность рельефа, высокая насыщенность активными тектоническими разломами и высокая сейсмическая активность. Байкальская рифтовая зона, объединяющая систему межгорных впадин и окружающих их горных хребтов-поднятий, относится к области интенсивного горообразования с резко дифференцированными новейшими и современными движениями.

Стоимости строящихся трубопроводов очень высоки и составляют, по различным оценкам, по $10–15 млрд. Стоимость километра — около $6 млн. Это самые дорогие инженерные сооружения страны, проходящие в самых сложных природных условиях.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!