Выявление закономерностей взаимодействия северных трубопроводов с геологической средой по материалам аэрокосмических съемок

Созданный в 70−80-е годы на протяжении трех пятилеток трубопроводный транспорт нефти и газа сегодня превратился в крупную отрасль экономики России, от бесперебойной работы которой зависит энергоснабжение всего народного хозяйства и поставки за рубеж.

Стоимость построенных трубопроводов составляет около ста миллиардов рублей в ценах 70-х г. г., поэтому обеспечение надежной эксплуатации этой трубопроводной системы представляет актуальную и значительную народно-хозяйственную задачу, требующую для своего научно-технического решения усилий многих исследователей.

Планирование ремонтных работ, затраты на которые стремительно возрастают, должно вестись на основе диагностических данных технического состояния трубопроводов.

Целью наших исследований является разработка методических основ и практическая реализация элементов системы технической диагностики линейной части магистральных газопроводов и мониторинга окружающей среды в сложных физико-географических условиях (ФГУ).

Значительное взаимодействие магистральных трубопроводов и «слабых» грунтов северных районов Сибири определяет новое научное направление, в котором объектом исследования выступает геотехническая система, состоящая из технической и природной подсистем.

Тесная связь, существующая между природой и такими инженерными сооружениями как магистральные трубопроводы (МТ), позволяет рассматривать их как особый класс природно-технических систем, в котором природная и техническая подсистемы объединяются единством социально-экономических функций. Исследования особенностей их функционирования и прогнозирование их возможного поведения должны вестись с точки зрения обеспечения заданного нормативного состояния обеих подсистем.

Предметом исследования являются закономерности взаимодействия названных подсистем.

В настоящее время взаимодействие указанных подсистем при сооружении магистральных газопроводов учитывается недостаточно. Проектирование этих сооружений включает два существенных этапа: выбор трассы, основанный на изучении ключевых участков местности в их естественном состоянии, и проектирование с прочностным расчетом. Между тем, опыт свидетельствует, что после строительства происходят сильные эволюционные изменения местности. Например, местность заболачивается на многие сотни метров вдоль газопровода, что приводит к быстрому разрушению крепежных сооружений, газопроводы всплывают, перемещаются по дневной поверхности, возникают дополнительные механические напряжения на закрепленных участках и повышается вероятность критических ситуаций. Ясно, что знание закономерностей заболачивания в зависимости от типов местности, литологии и др., выраженное в математической форме, позволило бы уже на этапе проектирования существенно изменить методику выбора трасс, методику и машинные программы прочностного расчета. Сказанное об этапе проектирования в равной мере относится и к ответственному этапу составления оптимального графика планово-предупредительного ремонта при эксплуатации магистральных газопроводов.

Важным приложением исследований взаимодействия является развитие научно обоснованной методики решения задач охраны природной среды. В этой связи следует подчеркнуть, что повышение надежности работы трубопроводов будет служить и делу охраны природы в регионе.

Изложенное выше свидетельствует о том, что постановка исследований в данном направлении не является чисто формальной, умозрительной. Она опирается на эмпирические материалы, полученные в ходе обширных и дорогостоящих физических экспериментов, и на современные методы машинной обработки.

Анализ существующих работ по учету природных факторов при проектировании, сооружении и эксплуатации магистральных трубопроводов показывает, что задача эта еще не решена. Качественная, с некоторыми количественными характеристиками, оценка природных компонентов и их взаимосвязи, изучение природных процессов без учета технического состояния сооружения, исследование линейной части трубопровода на ограниченных по площади и природным условиям полигонах оказываются недостаточно эффективными.

Информацию об изменении природных условий во времени при взаимодействии трубопровода с окружающей средой необходимо получать путем дешифрирования материалов повторных аэрофотосъемок по трассам, поскольку только аэрофотосъемка может дать достаточное количество информации.

Использование материалов периодических аэрофотосъемок трасс трубопроводов, являясь одним из важнейших элементов мониторинга самого сооружения и окружающей среды, может дать информацию для оценки технического состояния трубопровода и динамики его изменения только при условии успешного решения методических проблем проведения аэрофотосъемок, дешифрирования и математического анализа результатов дешифрирования.

Рассмотренные соображения определили структуру диссертационной работы, в которой, наряду с традиционными обзором и постановкой задачи исследований, выделились следующие разделы: анализ существующих методов аэрокосмических съемок, рассмотрение особенностей применения для решения практических задач оценки состояния трубопроводов, обобщение опыта проведения съемок и использования материалованализ методов тематической обработки материалов аэрокосмических съемок на основе практического опыта работ, разработка методики оценки состояния северных газопроводов, примеры проведенных работ по трассам Надым-Пунга, Уренгой-Сургут-Челябинск, Ямбург-Ныда, коллектор Уренгойского ГКМразработка методики математического моделирования взаимодействия по данным аэрокосмических съемок и наземных работ, оценка применимости различных методов обработки, выявление закономерностей взаимодействия для рассматриваемых трасс северных газопроводов.

— 176-Выводы по главе.

1. Конечной целью задачи обработки материалов съемок должна быть выработка рекомендаций по использованию в практических и научных целях полученных данных путем тематической интерпретации, анализ местности по воздействию на нее при строительстве и эксплуатации трубопровода, прогнозирование динамики изменения местности под влиянием техногенных воздействий путем построения прогнозных формализованных моделей.

2. Проведенные исследования состояния газопровода Надым-Пунга, проложенного в типичных для северо-таежной подзоны природных условиях, позволили сделать не только частные, но и общие выводы о состоянии взаимосвязанных элементов трубопроводной ГТС, а также решить ряд важных практических вопросов, а именно: оценить влияние различных компонентов природной среды на состояние МГ, изучить взаимосвязи этих компонентовисследовать динамику процессов обводнения-заболачивания и связанных с ними мерзлотных условий на трассах МГпутем оценки вариаций различных сочетаний ПТЯ и ПАК на трассе выделить природно-техногенные единицы более высокого ранга (типов ландшафтов) и произвести их классификацию. Определить возможность дешифрирования этих единиц на космических снимках, имея конечной целью составление карт прогноза состояния газопроводов.

3. Установлено наличие инвариантных закономерностей взаимодействия трубопровода с окружающей средой, использование которых служит надежным основанием для составления карт оценки территории по условиям эксплуатации, выработки рекомендаций по ремонту и решению других практических задач: подтвердилась правильность ландшафтного подхода при оценке взаимодействия трубопровода с местностьюанализ регрессионных уравнений позволил оценить влияние различных компонентов на техническое состояние магистрального газопровода, изучить взаимосвязи этих компонентов;

— протяженность по трассе неблагоприятных (для северо-таежной подзоны) типов местности (в которых происходят необратимые изменения природных условий под влиянием магистрального трубопровода) составляет около 15% длиныразрушение обвалования происходит повсеместно и действует, практически независимо от качества строительства и ландшафтных особенностей территории. Ведущим фактором в определении степени разрушения обвалования является срок эксплуатации. Необходимо разработать и применить технические решения и методы строительства, обеспечивающие устойчивость насыпи и обвалованияследствием связи заболачивания (обводнения) с мерзлотными условиями наблюдается их параллельное изменение в результате взаимодействия с трубопроводом. Восстановление заболоченности до прежнего уровня влечет за собой изменение геокриологических условий также до некоторого уровня, при котором наблюдается их соответствие комплексу природных факторов в определенных типах местности. Изменение геокриологических условий идет медленнее, чем заболачивание-осушениев ряде случаев состояние сооружения нельзя признать удовлетворительным. Это является следствием деформации трубопровода, вызванной тремя группами факторов, связанными с:

1) ошибками проектирования, несоблюдением строительных норм и правил;

2) несоблюдением технологических правил эксплуатации;

3) разрушающим действием природной среды.

Факторы разных групп действуют не изолированно друг от друга, а в тесной взаимосвязи. Очевидно, исключить воздействия природной среды на трубопровод при всем желании невозможно — оно будет наблюдаться и при идеальной прокладке и эксплуатации. В этом смысле факторы 1 -й и 2-й группы как бы создают фон, на котором проявляется влияние факторов 3-й группычем несовершеннее проектирование, строительство и эксплуатация, тем шире спектр воздействий природных факторов, глубже их проявлениепо данным дешифрирования установлено, что зоны перехода, особенно между «контрастными» классами типов местности (I-IY, II-III, 1−1П) отличаются наихудшим техническим состоянием трубопровода. При проектировании это обстоятельство также необходимо учитывать для обеспечения устойчивости трубопроводаучитывая физиономичность типов местности, возможно построение по материалам аэрокосмических съемок карт прогноза роста заболоченностис учетом прироста средней величины заболоченности в III и IY классах, соответственно, в 25 и 40%, прирост величин пригрузов для обеспечения устойчивости трубопровода в целом по трассе (с учетом длин участков III и IY классов) может составить порядка 5%, обеспечение устойчивости может быть достигнуто за счет перераспределения количества пригрузов по длинедля «благополучного» I класса достаточно пригруза грунтом (с трамбованием насыпи, использования перемычек из нетканых материалов и т. д., иначе из-за местных обводнений траншеи, особенно в первые 2−3 года эксплуатации может произойти всплытие) — протяженность участков I класса по трассе составляет около 60%- рост заболачивания по трассе, практически, не зависит от применяемого конструктивного решения при подземной прокладкепри проведении наших исследований по изучению заболачивания по трассам магистральных газопроводов было установлено, что «ранжирование» типов местности по классам, существенно различающихся по величине роста заболачивания после строительства, позволило получить, на наш взгляд, очень интересную зависимость роста заболоченности по трассе от залесенности, что дает возможность построения карт прогноза заболоченности (для северо-таежной подзоны) по трассе магистрального газопровода на основе автоматизированного выявления лесной растительности по материалам космических съемокпроведенные исследования позволяют перейти к заключительной стадии работ — оценочному картографированию территории по условиям строительства магистральных трубопроводов.

4. Полученные результаты — это первый этап работы. В последующие годы и по настоящее время происходило и происходит дальнейшее исследование имеющихся и поступающих исходных данных, расширение географии исследований, включение в анализ данных по более северным и южным участкам трасс. Исследования выявляют влияние на состояние трассы множества параметров, характеризующих местность, конструктивные решения й технологию строительстваопреде.

— 180 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Энергообеспечение России и поступление денег от экспорта энергоносителей в значительной степени зависит от добычи газоконденсата и нефти в северных районах Западной Сибири. Крупнейшие месторождения газа, такие как Медвежье, Уренгойское, Ямбургское, Заполярное находятся за Полярным кругом в зоне распространения вечномерзлых грунтов.

В предыдущие годы создан значительный потенциал добычи и транспортировки газа. Протяженность магистральных трубопроводов для транспортировки газа из указанных месторождений составляет около 35 тысяч погонных километров. Большинство трубопроводов перешагнуло рубеж эксплуатации в 15 лет. Около трети работает более 20-ти лет.

Опыт эксплуатации северных газопроводов показал очень высокую зависимость надежности эксплуатации от динамики изменений в системе трубопровод — окружающая среда. Учитывая высокую взаимозависимость технической и природной подсистем, следует говорить о существовании класса северных геотехнических систем.

Анализ механизма взаимодействия трубопроводов с окружающей средой и дифференциация природно-технических условий по длине трубопровода позволяет выработать рекомендации по обеспечению надежной эксплуатации линейной части. Здесь необходимо сделать несколько замечаний. При строительстве трубопроводов в южных и средних широтах надежность эксплуатации обеспечивается работоспособностью стенки трубопровода. Отсюда традиционное внимание к процессам сварки, изоляции, коррозии трубопровода. Фактически все методы диагностики направлены на оценку динамики изменения качества изоляции (определение потенциала труба-грунт и др.) и потери металла при коррозии (внутритрубная дефектоскопия), а также стресс-коррозия. В северных районах, где проходит около трети всех российских трубопроводов, фактически отсутствует коррозия металла. Чрезвычайно слабые грунты севера Западной Сибири с их большой водонасыщенностью не способны удержать трубопроводы на проектных отметках. Трубопроводы всплывают, перемещаются на дневной поверхности, получают недопустимо высокий уровень напряженно-деформированного состояния (НДС). К этому добавляются воздействия при процессах морозного пучения, термоэрозии, растепления мерзлоты и др.

Таким образом, сложилась ситуация, когда северные трубопроводы повсеместно находятся в непроектном положении. Причем динамика изменения внешних условий и воздействия на трубопровод очень высоки.

С другой стороны, все нарушения и процессы носят приповерхностный характер, поэтому чрезвычайно эффективно применение метода аэрокосмических съемок.

Нами проводились съемки трасс северных трубопроводов с 1975 г. За этот период было отснято и проанализоровано около 15 тысяч погонных километров трубопроводов. Использовались все имеющиеся в стране виды аппаратуры для съемок и обработки. Спектрозональная, инфракрасная, многозональная фотосъемки, тепловая, радиолокационная и сверхвысокочастотная (СВЧ) локационная съемки в различных диапазонах, сканерная съемка, космические съемки всех масштабов и видов, система анализа изображения, разработанные самостоятельно, и используемые комплексы программ цифрового анализа изображения. Анализ материалов съемок с использованием методов некорректно поставленных задач и ландшафтове-дения позволил выявить инвариантные закономерности дифференциации динамики взаимодействия трубопровода с окружающей средой и составлять прогнозные карты устойчивости трубопровода в различных ландшафтных условиях северных территорий. Учет таких условий позволяет выделить потенциально-опасные участки с высоким уровнем и динамикой изменения НДС трубопровода [99].

Полевые натурные исследования, проводимые нами на трассах северных газопроводов, направлены на оценку уровня НДС трубопровода и создания прогноза его изменения с учетом развития неблагоприятных природно-технических процессов.

Для оценки уровня НДС трубопровода нами использовались в значительной степени измененные с учетом задач метода тензометрии, магнитометрии, рентгеновский метод определения напряжения*. Данные физических измерений и определения пространственного положения трубопровода фотограмметрическими и геофизическими методами служат исходными для проведения расчетов на прочность методом конечных элементов с целью построения расчетно-экспериментальной модели, соответствующей.

Результаты этих исследований не включены в диссертацию. условиям конкретного участка (с учетом прогноза воздействий от морозного пучения и др. процессов). Моделируя на компьютере различные варианты ремонта по схеме «что будет, если.», мы вырабатываем рекомендации по ремонту трубопроводов для обеспечения надежной эксплуатации.

Вторым направлением выработки рекомендаций является повторная балластировка трубопровода, на которую ежегодно тратятся значительные средства (1 погонный метр повторной балластировки стоит от 30 до 80 $ США). Здесь рекомендации основаны на модели взаимодействия трубопровода и прогнозируемой динамики обвалований в различных ландшафтных условиях.

По оценкам ПО Уренгойгазпром экономический эффект от внедрения рекомендаций только на линейной части коллектора Уренгойского газокон-денсатного месторождения (1000 км) составляет 70,783 млн.рублей. Методы диагностики, базирующиеся на чрезвычайно широком круге современных научно-технических дисциплин, таких как: аэрофотосъемка, космическая съемка, дистанционное зондирование, ландшафтоведение, мерзлотоведение, геоботаника, инженерная геология, физические методы измерения напряжений металла труб, расчеты прочности, надежности, остаточного ресурса, географические информационные системы (ГИС), математические методы решения некорректно поставленных обратных задач, математическая статистика, проектное и сметное дело, — сформировались в новую научную дисциплину — диагностика северных трубопроводных геосистем. Успех в диагностике линейной части трубопроводов в значительной степени зависит от знаний и правильной реализации всех указанных дисциплин. Тем более, что результаты могут меняться от успешного применения комплекса методов на каждом этапе исследований.

По результатам исследований опубликовано около 100 статей, обзоров, монографий, сделано около 20 докладов на различных совещаниях, конференциях и Международных симпозиумах. Получены отраслевые премии РАО «Газпром».

Методические основы рассмотрены в методических рекомендациях [100,101,102].

— 183 -Научная новизна.

1. Разработан рациональный комплекс аэрокосмических и наземных методов для решения задач оценки и прогноза состояния трубопроводных геотехнических систем Севера на различных стадиях эксплуатации.

2. Предложена система оценки и прогноза состояния северных трубопроводов на основе комплекса показателей технического состояния (рост заболоченности и обводнения, разрушение обвалования, обнажение трубопроводов), выявляемых по материалам аэрокосмических съемок.

3. Установлены закономерности взаимодействия трубопроводов с геологической средой по материалам аэрокосмических съемок.

Защищаемые положения.

1. Разработана комплексная технология диагностики состояния северных трубопроводных геотехнических систем, включающая:

— рациональный комплекс аэрокосмических и наземных методов для получения информации о состоянии трубопроводов и окружающей среды;

— методики автоматизированной обработки результатов различных съемок для оценки устойчивости трубопроводных геотехнических систем.

2. Теоретически обоснован и реализован геоэкологический подход к изучению взаимодействия системы «трубопровод — окружающая среда», позволивший:

— выявить инвариантные закономерности влияния компонентов природной среды (типы местности, заболачивание, рельеф, мощность и свойства многолетнемерзлых пород, литологический состав 1 и 2 слоя отложений, уровень грунтовых вод, рельеф и уклоны и др.), конструктивных решений (способ прокладки, заглубление трубопровода, температура перекачиваемого продукта) на динамику состояния трубопроводов;

— построить модели взаимосвязи этих компонентов для оценки и прогноза состояния магистральных трубопроводов и геологической среды в виде систем уравнений, сетевых графиков, аналитических зависимостей и др.;

— разработать методики оценочного тематического картографирования по материалам аэрокосмических съемок с использованием методик автоматизированной обработки информации.