image
energas.ru

Газовая промышленность Спецвыпуск № 1 2017

Геология и разработка месторождения

01.05.2017 11:00 РЕЗЕРВИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ОБЪЕКТОВ ГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА В КРИОЛИТОЗОНЕ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И ЛОКАЛЬНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В статье представлены данные динамики температур многолетнемерзлых грунтов (ММГ) в северных районах Западной Сибири на основе сравнения результатов геокриологических исследований 1970-х и 2000-х гг. Анализ результатов свидетельствует о существенном повышении среднегодовых температур мерзлоты в условиях изменения климата. В качестве решения, купирующего негативные последствия повышения среднегодовой температуры ММГ в зонах промышленной застройки, предложено резервирование надежности оснований и фундаментов с использованием современных технических средств термостабилизации.
Ключевые слова: ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ, НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ, ДИНАМИКА КЛИМАТА, СРЕДНЕГОДОВЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ, ПРОГНОЗ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ.
Открыть PDF


Основная часть добывающих мощностей ПАО «Газпром» расположена на Севере Западной Сибири в условиях распространения ММГ. В зоне распространения многолетней мерзлоты расположена и значительная часть газотранспортной системы. Освоение новых месторождений на п­ове Ямал осуществляется на территориях, характеризующихся сложными геокриологическими условиями: распространением высоко­льдистых мерзлых грунтов, в ряде случаев – засоленных, с низкой несущей способностью, вмещающих мощные залежи пластового и жильного льда. При этом устойчивость и механическая безопасность действующих, проектируемых и строящихся объектов в значительной степени определяются надежностью их оснований.

Многочисленные исследования климатологов и геокриологов свидетельствуют о наличии устойчивой многолетней тенденции повышения среднегодовых температур воздуха и ММГ в пределах большей части территории Российской Федерации, и эта тенденция несет дополнительные риски для устойчивости оснований и фундаментов. По данным Росгидромета, повышение среднегодовой температуры воздуха за период с 1976 по 2016 г. в среднем по территории России составило от 0,40 до 0,46 °С/10 лет [1].
Для Западно­Сибирского региона тренд потепления за последние 35–40 лет оценивается величиной 0,42 °С/10 лет.

1.png

Динамика климатических условий закономерно приводит к изменениям теплового состояния ММГ. Однако в связи с ликвидацией большей части исследовательских мерзлотных стационаров в Российской Арктике в 1990­е гг. данные об изменениях температурного режима ММГ под воздействием наблюдаемых изменений климата очень ограниченны.

В 2003–2014 гг. в связи с проектированием обустройства Бованенковского и Харасавэйского месторождений на п­ове Ямал и реконструкции объектов месторождения Медвежье, расположенного в северо­западной части Надым­Пуровского междуречья, на территории перечисленных месторождений выполнены значительные объемы инженерно­геологических изысканий, в процессе которых проводились инструментальные исследования температурного режима ММГ (термокаротаж скважин). Данные о температурном режиме мерзлоты дают возможность провести их сравнительный анализ с полученными ранее результатами инженерно­геологических изысканий и специализированных геокриологических исследований территорий.

Месторождение Медвежье вытянуто в субмеридиональном направлении на 120 км и пересекает две ландшафтно­климатические зоны: северную лесотундру и тундру. Согласно Мерзлотной карте Медвежьего газового месторождения масштаба 1:100 000 (1976 г.) в пределах месторождения выделены зоны:

• островного распространения ММГ со среднегодовыми температурами 0…–1,0 °С, приуроченная к южной его части (участки расположения газовых промыслов № 1, 3);

• прерывистого распространения ММГ со среднегодовыми температурами 0…–3,0 °С, приуроченная к центральной части месторождения (участки расположения газовых промыслов № 4–8);

• сплошного распространения ММГ со среднегодовыми температурами 0…–5,0 °С в северной части месторождения (газовый промысел № 9).

В пределах территории сплошного и прерывистого распространения ММГ наиболее высокие температуры мерзлых грунтов, близкие к 0 °С, фиксировались в пределах пойм и надпойменных террас рек, а также заболоченных поверхностей озерно­аллювиальных и морских равнин казанцевского и салехардского возраста. Наиболее низкие температуры – до –3,0…–5,0 °С – отмечались в пределах озерно­аллювиальной и морской равнин в верхней части водоразделов.

Сравнительный анализ динамики температурного режима ММГ за период с начала – середины 1970­х гг. до настоящего времени для месторождения Медвежье выполнен на примере участков газовых промыслов № 6, 7, расположенных в центральной части территории месторождения, и самого северного газового промысла № 9, расположенного за Полярным кругом.

Газовые промыслы № 6 и 7 расположены, соответственно, в пределах салехардской и казанцевских равнин, сложенных отложениями преимущественно глинистого состава, в зоне прерывистого распространения ММГ. Инженерно­геологические изыскания площадок газовых промыслов выполнены в 1971–1973 гг. экспеди­­ циями МГУ им. М.В. Ломоносова и института «Фундаментпроект».
В процессе изысканий установ­лено, что территория сложена ММГ преимущественно сливающегося типа. Среднегодовые температуры ММГ изменялись в диапазоне от –0,1 до –3,6 °С с преобладающим значениями –1,0…–2,0 °С. Согласно Мерзлотной карте Медвежьего газового месторождения масштаба 1:100 000 1976 г. участки расположения промыслов отнесены к территории со среднегодовыми температурами ММГ –1…–2 °С.

В 2007–2008 гг. в связи с проектированием реконструкции промыслов на их территории выполнен значительный объем инженерно­геологических изысканий. Бóльшая часть инженерно­геологических скважин пробурена на территории промплощадок и в пределах коридоров инженерных коммуникаций, т. е. на территории со значительными техногенными изменениями условий приповерхностного теплообмена, однако часть горных выработок пройдена на участках, не подверженных техногенному воздействию. Для сравнительного анализа теплового режима мерзлых грунтов выбраны результаты термокаротажа скважин, расположенных на расстоянии не менее 500 м от промплощадок, вне зоны теплового воздействия газопроводов газосборной сети, на участках с ненарушенными поверхностными покровами. Всего таких скважин, пробуренных в пределах участков с различными ландшафтными условиями, 35. Анализ результатов термокаротажа этих скважин продемонстрировал, что температуры мерзлых грунтов на глубине 10 м изменяются в диапазоне –0,2…–0,9 °С. Ни в одной скважине температура ММГ ниже –1,0 °С не зафиксирована. На ряде участков зарегистрированы ММГ с кровлей, заглубленной на 4,5¸6,5 м.

Газовый промысел № 9, самый северный на месторождении Медвежье, расположен в 20 км к северу от Северного Полярного круга, в пределах казанцевской морской равнины, сложенной отложениями преимущественно глинистого состава. На момент первичных инженерно­геологических изысканий, выполненных экспедициями МГУ им. М.В. Ломоносова в 1972 г.
и «ЮжНИИгипрогаз» в 1978 г., в пределах территории промысла зарегистрированы среднегодовые температуры мерзлых грунтов в диапазоне от –0,8…–4,5 °С с преобладанием температур в диапазоне –1,0…–3,0 °С. Наиболее низкие среднегодовые температуры ММГ были типичны для участков развития плоскобугристых торфяников в пределах водоразделов. На Мерзлотной карте Медвежьего газового месторождения масштаба 1:100 000 1976 г. диапазон изменения среднегодовых температур мерзлых грунтов территории газового промысла обозначен в пределах от –1,0 до –3,0 °С, на отдельных участках – от –3,0 до –5,0 °С.

В 2007–2008 гг. в связи с проектированием новой установки комплексной подготовки газа на территории газового промысла ООО «ТюменНИИгипрогаз» выполнен значительный объем инженерно­геологических изысканий. Изысканиями охвачена территория площадью около 50 км2. Пробурено 253 инженерно­геологические скважины глубиной 10–15 м, преимущественно на участках, не затронутых техногенными нарушениями, на вновь проектируемых промышленных площадках и трассах газопроводов, в пределах основных ландшафтов, характерных для исследуемого участка. Во всех скважинах выполнен термокаротаж. Анализ его результатов свидетельствует о том, что среднегодовые температуры ММГ на исследованной территории изменяются в диапазоне –0,1…–1,8 °С. При этом в большей части скважин (60 %) среднегодовые температуры мерзлых грунтов изменяются в диапазоне –0,4…–1,0 °С, в 24 % скважин зафиксированы температуры ММГ –1,0…–1,8 °С, в 15 % скважин – от –0,1 до –0,4 °С. Среднегодовая температура мерзлых грунтов ниже –2,0 °С (–2,1 °С)
зафиксирована в единственной скважине.

1_1.png

Повышение среднегодовых температур ММГ зафиксировано в пределах промплощадок газовых промыслов месторождения Медвежье в ходе проведения режимных термокаротажных наблюдений в скважинах в основаниях зданий и сооружений в рамках геотехнического мониторинга, осуществляемого на газовых промыслах на постоянной основе специализированной службой Инженерно­технического центра ООО «Газпром добыча Надым». Наиболее показательными примерами, иллюстрирующими описываемые изменения температурного режима ММГ, являются результаты режимного термокаротажа скважин в основаниях зданий, построенных на мерзлых грунтах с вентилируемыми подпольями. Эти результаты свидетельствуют о повышении среднегодовой температуры за период наблюдений с середины – конца 1980­х гг. приблизительно на 1,0 °С. Поскольку объекты месторождения построены и введены в эксплуатацию в 1970­х – начале 1980­х гг., к моменту начала режимных наблюдений за температурным режимом мерзлых грунтов в их основаниях были достигнуты квазистационарные условия теплообмена на поверхности площадок, соответствующие произошедшим изменениям ландшафтов после окончания строительства. В дальнейшем зафиксированные изменения температуры могли происходить только за счет динамики климатических условий, что подтверждает версию повышения среднегодовой температуры ММГ под воздействием климатических изменений.

Таким образом, анализ динамики температурного режима ММГ центральной и северной части территории месторождения Медвежье свидетельствует о том, что с начала – середины 1970­х гг. среднеинтегральные (фоновые) значения среднегодовых температур мерзлых грунтов повысились на 1,5¸2,5 °С.

В пределах промплощадок на участках застройки с плотными свайными полями (трубопровод­ные обвязки газоперекачивающих агрегатов, аппаратов воздушного охлаждения газа), где в зимний период формируется мощный снежный покров, существует прямое тепловое воздействие инженерных объектов на мерзлые грунты в их основаниях, повышение температуры ММГ еще более значительно – вплоть до перехода в талое состояние в верхнем интервале разреза до глубины 4–6 м.

Геокриологические исследования, выполненные на п­ове Ямал в 1960–1970­х гг., позволили охарактеризовать температурный режим территорий Бованенковского и Харасавэйского месторождений.

Рельефообразующими на территории Бованенковского и Харасавэйского месторождений являются песчано­глинистые отложения морского генезиса, средне­верхнеплейстоценового и голоценового возраста. В поймах рек Се­Яха и Морды­Яха, занимающих до 65 % территории Бованенковского месторождения, морские отложения перекрыты аллювием голоценового и современного возраста песчано­глинистого состава. Территория характеризуется сплошным распространением ММГ.

По состоянию на начало 1970­х гг. для водораздельных поверхностей была характерна среднегодовая температура мерзлых грунтов –7,0…–10,0 °С. В поймах крупных рек фоновые температуры грунтов изменялись преимущественно в диапазоне –5,0…–7,0 °С [2].

По результатам геокриологических исследований территории во второй половине 1980­х гг., выполненных институтом «ЮжНИИгипрогаз» при разработке технико­экономического обоснования обустройства Бованенковского месторождения, установлено, что среднегодовые температуры ММГ изменялись в диапазоне от –0,2 °С в зонах воздействия подрусловых таликов до –8,0 °С в пределах водораздельных поверхностей, при среднеинтегральном (фоновом) значении от –5,0 до –6,0 °С. Наиболее низкая температура грунтов – до –8,0 °С – была свойственна горизонтальным или выпуклым поверхностям морских террас вне зависимости от высотного положения.
В пределах котловин спущенных озер (хасыреев) среднегодовые температуры мерзлых грунтов изменялись от –2,0 до –6,0 °С. Для грунтов, слагающих обширные поймы рек, характерен широкий диапазон значений температуры, но фоновые значения были на 1,0–1,5 °С выше, чем на поверхностях морских террас, и составляли –3,5…–4,5 °С при минимальных значениях –5,0…–7,0 °С.

Согласно Геокриологической карте СССР [3] в пределах рассматриваемой территории для ММГ поверхностей водораздельных пространств характерны среднегодовые температуры ММГ –7,0…–9,0 °С, для долин крупных рек –5,0…–7,0 °С.

В 2003–2008 гг. в рамках проектирования обустройства Бованенковского месторождения ОАО «ВНИПИгаздобыча» с привлечением субподрядных организаций выполнен большой объем инженерных изысканий территории с охарактеризованием температурного режима ММГ. Для проведения настоящего исследования в целях сравнительного анализа из всего числа инженерно­геологических скважин сделана выборка 615 скважин, пробуренных вне зоны техногенного воздействия. Из них 558 пробурено в пределах пойм рек Морды­Яха, Се­Яха и их притоков, 57 – в пределах водораздельных поверхностей. Анализ результатов термокаротажа скважин показал, что преобладающие значения среднегодовых температур ММГ для месторождения (62 % скважин) находятся в диапазоне –2,0…–4,0 °С. На участках водораздельных пространств при этом преобладают температуры –4,0…–6,0 °С (63 %). Более чем в 30 % скважин зафиксированы среднегодовые температуры ММГ выше –4,0 °С. Температуры в диапазоне от –6,0 до –6,5 °С зафиксированы лишь в 6 скважинах.
В пределах пойм доля скважин, в которых зафиксирована температура –2,0…–4,0 °С, составила 65 %, скважин с температурой в диапазоне –4,0…–6,0 °С – 30 %. В 5 % случаев температура ММГ  была выше –2,0 °С.

В пределах территории Ха­расавэйского месторождения из 190 скважин, пробуренных в пределах водораздельных поверхностей морских террас вне зоны техногенного воздействия, в 149 (81 %) зафиксированы среднегодовые температуры ММГ в диапазоне –4,0…–6,0 °С. В 17 % скважин среднегодовые температуры грунтов составили –2,0…–4,0 °С.
Температура ниже –6,0 °С отмечена лишь в трех скважинах.

Таким образом, можно утверждать, что к настоящему времени фоновые температуры ММГ для водораздельных пространств рассматриваемых территорий составляют преимущественно –4,0…–6,0 °С, в долинах крупных рек – до –2,0…–5,0 °С. По отношению к температурам начала 1970­х гг. повышение составляет от 2,0 °С в долинах крупных рек до 4,0 °С в пределах водораздельных пространств.

В ходе выполнения инженерно­геологических изысканий территорий Бованенковского и Харасавэйского месторождений в целях оптимизации местоположения площадок расположения добывающих скважин и обоснования их конструкции в 1991–2008 гг. выполнены глубинные исследования строения толщи ММГ. Для этого на Бованенковском месторождении силами ООО «НТФ «Криос» пробурено 88 инженерно­геологических (мерзлотных параметрических) скважин глубиной от 150 до 550 м.
В 46 из них в 2005–2008 гг. выполнен термокаротаж. Для получения достоверных данных, исключающих возможность искажения результатов вследствие теплового возмущения температурного поля грунтов в результате бурения, термокаротажные исследования проводились повторно, с интервалом от нескольких месяцев до года.

На Харасавэйском месторождении в 2008 г. ООО «Геострой» на проектируемых кустовых площадках газовых скважин пробурены 54 скважины преимущественно глубиной 50 м, 28 из них также охарактеризованы термокаротажными исследованиями.

Анализ результатов термокаротажа свидетельствует о том, что современный уровень теплообме­на на поверхности не соответствует ранее сформировавшимся геотемпературным условиям.
На всех без исключения температурных кривых, построенных по результатам термокаротажа, в интервале глубин от поверхности до 50–60 м отмечаются «обратный» градиент температуры либо зона, характеризующаяся отсутствием градиента температуры (рис. 1), что подтверждает факт «разогрева» верхней части разреза ММГ.

Полученный фактический материал позволяет сделать вывод, что за последние 35–40 лет под воздействием динамики климата температурный режим ММГ на севере Западно­Сибирского региона претерпел существенные изменения. Фоновые значения среднегодовой температуры ММГ повысились на величину от 1,0 до 4,0 °С, что вполне закономерно с учетом наблюдаемого тренда повышения среднегодовой температуры воздуха и укладывается в рамки ранее выполненных прогнозов [4–6]. Наиболее значительное повышение среднегодовых температур ММГ отмечено в пределах п­ова Ямал.
В Надым­Пуровском междуречье повышение температур ММГ выражено в меньшей степени. Наиболее чувствительны к изменению климатических условий ландшафты, приуроченные к верхним частям водораздельных пространств, изначально характеризовавшиеся минимальными значениями среднегодовых температур мерзлых грунтов.

Таким образом, имеющиеся в настоящее время в литературе описания геокриологических условий севера Западной Сибири и геокриологические карты региона, содержащие сведения о среднегодовой температуре ММГ, основывающиеся, как правило, на результатах исследований 1960–1980­х гг., устарели и не отражают фактически сложившихся условий [7].

Продолжающиеся климатические изменения и вызванные ими изменения температурного режима ММГ являются значимым фактором, который должен учитываться при проектировании оснований и фундаментов промышленных и гражданских объектов. При этом действующие в Российской Федерации строительные нормы и правила не предполагают учета при проектировании объектов капитального строительства динамики мерзлотно­геологических условий участков застройки в процессе жизненного цикла объектов под воздействием климатических изменений.

Учитывая данную ситуацию, опираясь на результаты выполненных исследований динамики геокриологических условий на территории региона, специалисты ООО «Газпром добыча Надым», выполняющего функции заказчика по обустройству Бованенковского и Харасавэйского месторождений на п­ове Ямал, поставили перед собой задачу максимально купировать риски, связанные с возможной потерей устойчивости оснований и фундаментов объектов газового комплекса под воздействием повышения температур ММГ.

В рамках научно­технического сопровождения проектирования обустройства Бованенковского НГКМ по заданию ООО «Газпром добыча Надым» Институтом геоэкологии РАН им. Е.М. Сергеева выполнена научно­исследовательская работа «Анализ динамики климатических и гео­криологических условий Надым­Пур­Тазовского и Ямальского регионов и прогноз их изменения до 2050 г.». В рамках ее выполнения сделаны следующие выводы: в среднесрочной перспективе тенденция повышения среднегодовых температур воздуха и ММГ в регионе хозяйственной деятельности ООО «Газпром добыча Надым» сохранится; под воздействием потепления к 2050 г. в пределах п­ова Ямал прогнозируется повышение фоновых значений среднегодовых температур ММГ до значений –2,0…–3,0 °С.

Основываясь на данных прогнозах, а также на представленных результатах исследований многолетней динамики температурного режима многолетней мерзлоты под воздействием климатических изменений, специалисты ООО «Газпром добыча Надым» в заданиях на проектирование обустройства Бованенковского и Харасавэйского месторождений сформулировали требование о резервировании надежности оснований и фундаментов с учетом возможности повышения среднегодовой температуры воздуха и температуры ММГ на территории освоения в течение периода эксплуатации объектов. Данное требование утверждено ПАО «Газпром» в составе технических требований заказчика на проектирование объектов обустройства месторождений [8].

На основании задания заказчика генеральным проектировщиком (ПАО «ВНИПИгаздобыча») при проектировании фундаментов объектов обустройства расчеты теплового режима и, соответственно, несущей способности ММГ оснований обоснованы с учетом их прогнозного состояния на расчетный период эксплуатации. В расчетах предусматривается, что за период существования проектируемых объектов среднегодовая температура воздуха может повыситься на 1,5¸2,0 °С, т. е., по существу, предусматривается резервирование оснований и фундаментов надежности с поправкой на потепление климата, а также на возможные изменения условий теплообмена на поверхности территорий застройки (повышенное снегонакопление, тепловые потоки от зданий и сооружений). Фактически в основаниях строящихся объектов создаются массивы ММГ с программируемым тепловым состоянием и механическими свойствами. Обеспечение проектных мерзлотных условий достигается за счет использования современной теплообменной техники (парожидкостных термостабилизаторов различной конфигурации и мощности) (рис. 2).

Опыт первых лет эксплуатации объектов Бованенковского НГКМ продемонстрировал, что реализованный подход к обеспечению проектного теплового режима ММГ в основаниях промышленных объектов и, соответственно, несущей способности фундаментов себя оправдал.
В пределах промплощадок, изначально сложенных в ряде случаев пластично­мерзлыми грунтами с высокими отрицательными температурами, в основаниях ответственных производственных объектов под воздействием вентилируемых подполий и парожидкостных систем охлаждения формируются массивы твердо­мерзлых грунтов со среднегодовыми температурами –6,0…–8,0 °С, что подтверждается результатами проводимого на месторождении геотехнического мониторинга и является залогом надежного и долговременного обеспечения проектных требований к несущей способности фундаментов объектов добычи и подготовки газа к транспорту даже в условиях наличия тренда повышения среднегодовой температуры атмосферного воздуха и интенсивных техногенных воздействий.

 

Выводы

1. Многолетнее потепление, продолжающееся в течение последних 40 лет, привело к значительному повышению фоновых значений среднегодовых температур ММГ на севере Западной Сибири и продвижению на север границы распространения мерзлоты прерывистого типа.

2. С учетом того, что сохраняется тренд повышения среднегодовой температуры воздуха, выявленные тенденции динамики температурного режима ММГ должны учитываться при проектировании оснований и фундаментов объектов капитального строительства, что на сегодняшний день не отражено в соответствующей нормативной документации.

3. В рамках проектов обустройства Бованенковского и Харасавэйского месторождений на п­ове Ямал впервые в практике реализации масштабных инвестиционных проектов в Российской Арктике предусмотрено резервирование надежности оснований и фундаментов объектов с поправкой на многолетнее потепление. Осуществляется переход от концепции адаптации объектов к геокриологическим условиям территории к концепции управления геокриологическими условиями территории застройки, что позволяет обеспечивать надежность оснований и фундаментов зданий и сооружений в исключительно сложных мерзлотно­геологических условиях с учетом негативного воздействия на тепловой режим мерзлых оснований как глобальных климатических, так и локальных техногенных факторов [6].



← Назад к списку