Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)

Работа посвящена решению важной и сложной проблемы современной инженерной геологии — оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов, испытывающих воздействие длительных вибрационных нагрузок. Эта научная проблематика охватывает целый рад специальных вопросов, включающих:

• закономерности формирования полей вибрации в массивах грунтов вблизи промышленных и транспортных источников,.

• методические пути моделирования этих воздействий в эксперименте,.

• природу и закономерности реакции грунтов на динамические нагрузки с учётом квазитиксотропных эффектов и виброползучести,.

• вопросы методики оценки динамической устойчивости грунтов в условиях их естественного залегания,.

• оптимизацию инженерно-геологических изысканий,.

• типизацию массивов дисперсных грунтов разного состава и состояния,.

• возможности управления реакцией массивов грунтов на динамические нагрузки.

В связи с этим, основное содержание работы заключается в исследовании природы и закономерностей поведения массивов дисперсных грунтов в условиях динамических нагрузок от сооружений нефтегазодобывающих и транспортных комплексов на примере обширной территории в Среднем Приобье, охватывающей площади целого ряда месторождений углеводородов, в том числе и крупнейшего в России — Самотлорского. В работе на основе собственных исследований автора выполнена инженерно-геологическая типизация широкого спектра грунтов и грунтовых толщ, проведена количественная оценка их реакции на возможные динамические нагрузки и предлагается принципиально новый и практически перспективный методический подход к оценке динамической устойчивости массивов грунтов на основе оптимального сочетания высокоточных лабораторных испытаний с хорошо обоснованными в нормативных документах полевыми методами инженерно-геологических изысканий. Высокая информативность и полезность предложенного подхода доказываются экспериментально на основе новых инженерных решений, внедренных в практику изысканий.

Актуальность проблемы, решению которой посвящена данная работа, обусловлена следующими главными причинами.

1. В современной инженерной геологии динамическая устойчивость массивов грунтов является мало изученной областью, в связи с чем новый экспериментальный материал о закономерностях и особенностях ее формирования и проявления чрезвычайно важен и интересен как для понимания главнейших факторов, определяющих и свойства массива, и его поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями, так и для дальнейшего развития теоретической базы грунтоведения в целом. Неоднократно отмечаемые в специальной литературе случаи заметного расхождения наблюдаемой реакции массивов грунтов на динамические нагрузки с прогнозируемой на основании высококачественных и часто весьма сложных лабораторных экспериментов на образцах подтверждают высокую актуальность этого направления научных исследований.

2. Несмотря на обширный опубликованный материал о закономерностях поведения различных грунтов при динамических воздействиях, в мировой практике инженерно-геологических изысканий отсутствует общепринятый методический подход к оценке динамической устойчивости грунтов в условиях их естественного залегания. Это не позволяет перейти к изучению ряда важных закономерностей поведения массивов грунтов в полях вибраций разной интенсивности, выявить влияние таких факторов как литологиче-ская, плотностная и влажностная неоднородность массивов, их напряженное состояние, а также упругих и демпфирующих свойств на их динамическую устойчивость. Между тем очевидно, что изучение динамических свойств грунтов в образце неминуемо игнорирует ряд важных факторов, например, естественное напряженное состояние, поскольку надежное определение его характеристик для целей корректного проведения лабораторных испытаний чрезвычайно затруднительно. Поэтому практически невозможно использование образцов «ненарушенного сложения» в точном значении этого понятия. Существующие же технические решения для проведения динамических испытаний грунтов в массиве крайне трудоемки, дорогостоянщ и не охватывают весь возможный круг инженерных задач, при решении которых требуется прямая оценка устойчивости грунтов при динамических нагрузках.

3. Проблема надежной оценки динамической устойчивости грунтов в массиве остается чрезвычайно актуальной в целом, но для проектирования и строительства нефтегазодобывающих сооружений она сегодня стоит особенно остро. Работа компрессорных и газ-лифтных станций, многочисленного нефтегазоперекачнвающего и нагнетательного оборудования, локальных и магистральных нефтесбориых трубопроводов, водоводов высокого давления, движение тяжелого транспорта, работа строительного оборудования формирует часто значительное по интенсивности и сложное по структуре вибрационное поле в массивах грунтов, служащих естественным основанием всех перечисленных сооружений. Дополнительные значительные сложности возникают при проектировании и эксплуатации объектов нефтегазодобычи в сейсмически активных районах и на морских акваториях, где они подвергаются циклическим ветровым, волновым, а также ледовым нагрузкам. Примеры печальных последствий, вызванных динамической неустойчивостью грунтов в основаниях зданий и сооружений бесчисленны. Известны, однако, успешные случаи использования динамической неустойчивости грунтов в ряде геотехнических технологии. Так, при забивке свай учитывают тиксотропное разупрочнение слаболитифицированных глинистых грунтов и последующее «засасывание» свай во время «отдыха», при вибропогруже-шш — разжижение водонасыщенных песков. При использовании электроразрядной геотехнической технологии устройства набивных свай и других фундаментных конструкций вблизи стенки скважины возникают высокие гидродинамические давления импульсного типа, что требует корректной оценки реакции грунтов основания на такие воздействия;

4. В связи с тем, что основной объем добычи углеводородов на территории России сосредоточен в Западной Сибири, где с поверхности широко распространены слаболити-фицированные высокоувлажненные дисперсные грунты преимущественно водного генезиса, служащие основаниями всех сооружений нефтегазодобывающих комплексов (НГК), проблема оценки динамической устойчивости грунтов именно этой территории настоятельно требует научно обоснованного и технически осуществимого решения. Одним из наиболее освоенных в этом отношении районов Западной Сибири, испытывающим высокую техногенную нагрузку от НГК, является Среднее Приобье, на территории которого в настоящее время разрабатывается свыше 50 нефтегазовых месторождений. Это обосновывает высокую актуальность решения проблемы динамической устойчивости грунтов в массиве именно для этой территории.

Важнейшей областью нефтегазодобычи в Среднем Приобье является территория Нижневартовского нефтегазоносного района, расположенная в пределах Аган-Вахского междуречья на правобережье Оби и включающая более десятка месторождений (Тюменское, Мегионское, Черногорское, Гунъёганское, Варьёганское, Тагринское, Ватинское, Нижневартовское, Ершовое, Хохряковское и др.), в том числе и крупнейшее в РоссииСамотлорское. Поэтому именно эта обширная территория была выбрана в качестве типовой («ключевой») для разработки и тестирования нового подхода к оценке динамической устойчивости дисперсных грунтов в массиве. Работы выполнялись на ряде месторождений Нижневартовского нефтегазоносного района — Самотлорском, Хохряковском, Нижневартовском, Ершовом, но кроме этого при характеристике массивов дисперсных грунтов региона использовались материалы, полученные на территории Среднего Приобья в пределах и других месторождений — Талинского, Приобского, Приразломного.

Цель работы. Основная цель работы заключается в новом решении актуальной проблемы инженерной геологии — надежной оценке динамической устойчивости грунтов в условиях естественного залегания на основе сочетания методов, доступных в практике инженерных изысканий в России, с привлечением инновационного энергетического подхода к решению задач современной динамики грунтов и применительно к крупной территории, испытывающей высокую динамическую нагрузку от сооружений нефтегазодобывающих комплексов — Нижневартовскому нефтегазоносному району, что определяет ее большое научно-практическое значение.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Изучить и обобщить опубликованный и фондовый материала по всем аспектам проблемы в основном за последние 40 лет.

2. Исследовать влияние параметров динамической нагрузки, природного напряженного состояния грунтов и их состава на особенности реакции массивов дисперсных грунтов на динамические нагрузки и сформулировать общие требования к методике исследований для получения однородных и воспроизводимых данных.

3. Разработать общий методический подход к оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов, включающий: а) определение наиболее перспективной комбинации полевых и лабораторных исследований динамической устойчивости грунтов, б) обоснование соотношения между получаемыми с их помощью показателями на основе практической оценки динамической устойчивости реальных массивов разных дисперсных грунтов.

4. Провести систематические экспериментальные полевые и лабораторные исследования различных грунтов, развитых на территории Нижневартовского нефтегазоносного района для выявления закономерностей их динамической деформируемости и прочности.

5. Провести прямые экспериментальные определения динамических нагрузок от объектов нефтегазодобывающих комплексов в массивах грунтов.

6. Выполнить анализ и обобщение собранного фактического материала.

7. Определить перспективные пути управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов рассматриваемой территории с учетом установленных закономерностей.

Новизна решения поставленных задач заключается в использовании принципиально нового инновационного подхода, который позволяет непосредственно использовать фундаментальные энергетические параметры процесса в качестве практических критериев деформирования грунтов в массиве и не имеет аналогов в мире.

Основные защищаемые положения работы. В работе обосновываются и выносятся на защиту следующие 5 основных положений.

1. Пространственно-временная плотность полей вибрации на территориях нефтегазовых промыслов Среднего Приобья характеризуется высокой неоднородностью и определяется взаимодействием всех существующих на них источников динамических нагрузок, размеры зон влияния которых достигают 80−100 м в плане на поверхности массивов грунтов и 15−16 м по глубине. При этом величина удельной энергии воздействия, поглощаемой массивами грунтов при распространении колебаний от различных объектов, может быть оценена на основе экспериментально определяемых показателей поглощения и измеренных параметров волн напряжений, что открывает возможность непосредственного применения энергетических критериев для характеристики динамической устойчивости грунтов в массиве.

2. Новый методический подход к оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов на основе сочетания методов, использующихся в практике инженерно-геологических изысканий в России, в комплексе с высокоточными лабораторными динамическими испытаниями на образцах. Преимущества этого оптимального в современных условиях методического приема заключаются: а) в простоте применения, б) в возможности получения научно обоснованной оценки динамической устойчивости грунтов в массовом порядке простыми, относительно дешевыми методами, обоснованными российскими стандартами, в) в возможности выделения в разрезе массивов динамически чувствительных разностей дисперсных грунтов и прогнозной оценки последствий их динамической неустойчивости без отбора образцов и без проведения специальных видов лабораторных или полевых работ.

3. Установлено, что в околосвайном пространстве фундаментов нефтепромысловых сооружений с динамическими нагрузками в массиве грунта существует определенная зона разупрочнения, размер которой в зависимости от параметров вибраций оборудования и свойств грунтов составляет от 5 до 8 диаметров отдельной висячей сваи. Это обуславливает неизбежное перекрытие зон разупрочнения соседних свай в группе, в связи с чем массив грунтов, включающий такой фундамент на висячих сваях, характеризуется пониженной несущей способностью.

4. Дисперсные грунты территории Нижневартовского нефтегазоносного района заметно различаются по своей динамической устойчивости, при этом в пределах верхних 4 м их массивов широко распространены разности, характеризующиеся невысокой энергоемкостью динамического деформирования, что требует учета прогнозных значений деформаций основания, вызываемых собственно динамическими усилиями от нефтепромыслового и перекачивающего оборудования, которые могут быть существенными при практически непрерывной работе этих машин в течение 10−20 лет.

5. Разработана принципиально новая карта динамической устойчивости грунтовых толщ Нижневартовского нефтегазоносного района, которая может использоваться для рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов.

Научная новизна работы.

1. Впервые показано, что энергетические критерии динамической устойчивости массивов грунтов могут быть надежно установлены экспериментально на основе результатов их статического зондирования с учетом некоторых стандартно определяемых характеристик.

2. Получены новые данные о количественных характеристиках динамических нагрузок, генерируемых в массивах грунтов нефтегазопромысловыми сооружениями, на основании которых выполнена прямая оценка энергии воздействия на массивы грунтов в основании этих сооружений.

3. Разработана новая региональная классификационная схема выделения в массиве разновидностей дисперсных грунтов по результатам статического зондирования, позволяющая проводить расчленение разреза при инженерно-геологической разведке с большей надежностью и детальностью, выявляя элементы с потенциально разной чувствительностью к динамическим воздействиям.

4. Разработан новый методический подход к оценке динамической устойчивости дисперсных грунтов в массиве на базе полевых методов, применяющихся в современной практике инженерно-геологических изысканий. Он позволяет выделять динамически чувствительные разности дисперсных грунтов в разрезе массивовпрогнозировать снижение их физико-механических показателей в зависимости от интенсивности воздействияоценивать возможные деформации основания в результате динамических нагрузок от работающего нефтепромыслового оборудования и проходящего транспорта на разных стадиях эксплуатации сооружений.

5. Получены новые данные о количественных характеристиках динамической устойчивости дисперсных грунтов крупной территории в Среднем Приобье — Нижневартовского нефтегазоносного района.

6. Экспериментально показано существование зоны разупрочнения в массивах глинистых грунтов при динамическом воздействии от свайного фундамента, установлены размеры этой зоны и показана их зависимость от размера сван и строения массива.

7. Разработана новая карта грунтовых толщ района, которая может использоваться для локализации участков развития динамически чувствительных грунтов, рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов.

Практическая значимость работы заключается:

1) в создании нового методического подхода, позволяющего оценивать динамическую устойчивость грунтов в массиве по данным полевых измерений методами статического и сейсмического зондирования и их статистически обоснованных корреляционных связей с энергетическим критериями динамической деформируемости и прочности грунтов;

2) в совершенствовании методики инженерно-геологических изысканий, определяющей оптимальный набор необходимых исследований для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве;

3) в доказательстве существования зоны разупрочнения в массивах грунтов вокруг стержневой конструкции (например, сван), являющейся источником динамического воздействия, а также ее размеров, что существенно для проектирования фундаментов, принятых на территории Среднего Приобья;

4) в разработке новой классификации грунтовых толщ территории Нижневартовского нефтегазоносного района, учитывающей вариации их состояния во времени, которая может использоваться при крупномасштабной типизации инженерно-геологических условий этого района нефтегазодобычи для гражданского и нефтепромыслового строительства;

5) в разработке новой региональной схемы расчленения массивов дисперсных грунтов по данным статического зондирования, которая в силу своей высокой представительности (несколько тысяч частных определений показателей состава и свойств) и надежной статистической обоснованности может непосредственно использоваться в изысканиях (для корректного выделения типа грунта по данным статического зондирования), а также для разработки и совершенствования региональных нормативных документов;

6) в создании карты динамической устойчивости грунтовых толщ и подхода к ее разработке, которая может использоваться для рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов.

Внедрение результатов работы. Предлагаемый методический подход и результаты исследований, положенные в основу настоящей работы, внедрены в разные годы Приобским НМЦИСИЗом, НижневартовскНИПИнефть, ООО «Фатум» и другими изыскательскими и проектными организациями в практику инженерных изысканий под газлифтные и компрессорные станции, автодороги, нефтеи газопроводы, водоводы высокого и низкого давления и прочие сооружения нефтегазовых промыслов на территориях Самотлорского, Хохряковского и Талинского месторождений в Среднем Приобье.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения и 3 основных частей, включающих 9 глав, в которых последовательно описываются динамические воздействия промысловых и транспортных сооружений месторождений нефти и газа и их влияние на устойчивость массивов дисперсных грунтов, дается характеристика принятого методического подхода и методов исследования, объекта исследований, анализируются полученные результаты и формулируются возможные подходы к управлению динамической устойчивости массивов грунтов рассматриваемой территории. Работа изложена на 340 листах, текст сопровождается 62 таблицами и 134 рисунками. Диссертация завершается выводами и списком цитированной в тексте отечественной и зарубежной литературы из 210 наименований.

выводы.

1. Нижневартовский нефтегазоносный район представляет собой область распространения аккумулятивных равнин, сложенных преимущественно водно-ледниковыми, озерно-аллювиальными и лагунными отложениями среднего плейстоцена, а также террас р. Оби и ее притоков, где преобладают атлювиальные и озерно-аллювиальиые геолого-генетические комплексы голоцена-верхнего плейстоцена. Основными зональными факторами формирования инженерно-геологических условий этой территории являются избыточное увлажнение, умеренная теплообеспеченность и широкое развитие древесной растительности, которые обусловили островное и редкоостровное развитие высокотемпературных многолетне-мерзлых пород.

2. Верхняя часть геологического разреза Нижневартовского нефтегазоносного района представлена преимущественно дисперсными грунтами: песками, супесями, суглинками и глинами. Основными факторами, определяющими показатели физико-механических свойств песчаных грунтов этой территории, являются вариации гранулометрического состава, связанные с различным содержанием тонкодисперсных фракций, характер типо-морфных включений (особенно количество разложившихся органических остатков) и условия обводненности территории. Свойства глинистых грунтов определяются в основном приуроченностью к разным геоморфологическим уровням, литологической однородностью массивов, степенью их заторфованности и водонасыщения.

3. Для территории Нижневартовского нефтегазоносного района, характеризующейся ярусным строением и четким соответствием верхней части геологического разреза определенному геоморфологическому уровню, по литологическому строению можно выделить 10 типов грунтовых толщ, сложенных аллювиальными, озерно-аллювиальными и озерно-флювиогляциальными песками, супесями, суглинками и глинами среднего плейстоцена-голоцена. При их дальнейшем классифицировании целесообразно рассматривать состояние толщ с учетом вариаций степени увлажнения во времени, что особенно актуально для при-бровочных участков, характеризующихся террасным режимом грунтовых вод. Такой подход позволяет выделить на рассматриваемой территории по совокупности признаков 43 типа грунтовых толщ.

4. Распространенные на рассматриваемой территории четвертичные дисперсные грунты могут быть надежно идентифицированы в разрезе массивов по данным статического зондирования с конусом II типа на основе новой статистически обоснованной (более 4000 определений) региональной классификационной схемы. Поскольку среднеквартильные интервалы разброса значений удельного сопротивления грунта под конусом и на муфте трения зонда, а также индекса типа поведения грунта перекрываются не более чем на 510% для различных по дисперсности и консистенции грунтов, то предложенная классификационная схема может широко использоваться при инженерно-геологических изысканиях на указанной территории.

5. Компрессорные станции разной мощности, трубопроводы и автодороги с тяжелым транспортом генерируют в приповерхностном слое массивов грунтов сейсмические волны, среди которых наибольшую долю энергии (не менее 86%) источника переносит поверхностная волна, длина которой составляет немногим более 7 м, а глубина распространения не превышает 15−16 м.

6. Вибрационное воздействие от мощных компрессорных газлифтных станций, использующихся на месторождениях Среднего Приобья для поддержания давления в нефтеносном пласте, ограничено расстояниями 60−80 м в плане и 15−16 м по глубине. На участках перекачивающих станций влияние каждого из насосных агрегатов в плане ограничивается расстоянием 60−80 м, но для двух совмещенных блоков распространяется на площадь 180×180 м в плане при той же глубине влияния. Влияние же автодороги на существующее в верхней части массива грунтов иоле напряжений в перпендикулярном к оси дороги направлении сказывается на расстоянии до 100 м.

7. Удельная энергия вибровоздействия от компрессорных станций и перекачивающего оборудования, приходящаяся на единицу объема прилегающего массива грунтов, составляет от 1.8 до 22.3 кДж/м в сутки. Ее количественная оценка позволяет перейти к непосредственному применению энергетических критериев для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве.

8. В пределах верхних 4 м массивов грунтов рассматриваемой территории широко распространены грунты, обладающие невысокой энергоемкостью динамического деформирования. Наиболее чувствительные к динамическому воздействию разности характеризуются критическими значениями удельной рассеянной энергии от 2.5 до 60 кДж/м3. Наличие таких грунтов требует непременного учета их поведения при проектировании нефтега-зопромысловых объектов с длительно действующими динамическими нагрузками даже умеренной интенсивности.

9. На месторождениях Среднего Приобья нефтепромысловые сооружения с динамическими нагрузками, в том числе и наиболее интенсивными — газлифтные компрессорные станции, устанавливаются на совмещенных массивных и рамных фундаментах на висячих сваях при таком расположении свай в группах, когда их динамическая реакция определяется в том числе и влиянием соседних свай. При таких конструкциях фундаментов основными излучателями волн напряжений в массивы грунтов служат сван, и на первый план выходит именно характер динамической работы свай в группе. Между тем, вокруг висячих свайных фундаментов с динамическими нагрузками в массиве грунтов формируется зона разупрочненного грунта, размеры которой составляют 5−8 диаметров сваи.

10. Объем разупрочненного грунта в околосвайном пространстве зависит от размеров сваи, параметров динамической нагрузки, глубины залегания и свойств грунтов. При этом:

• радиус формирующейся зоны разупрочнения снижается на 10−20% при наличии торфяного слоя мощностью не менее 2 м в силу высоких демпфирующих свойств торфа и изменения условий закрепления свай в массиве;

• зона разупрочнения грунта закономерно сокращается с увеличением глубины расположения сваи в толще грунта, что обусловлено как повышением затухания колебаний, так и ростом природного давления;

• с увеличением амплитуды вибрации разупрочнение грунта фиксируется на больших глубинах, поскольку интенсивность рассеяния энергии колебаний пропорциональна суммарной площади поверхности индентора и возрастает при его наращивании трубами;

• уменьшение радиуса зоны разупрочнения с глубиной происходит нелинейно, что обусловливается неоднородностью массива по глубине и приводит к формированию в разрезе зоны разупрочнения сложной конической конфигурации.

11. Получено надежное уравнение множественной регрессии, связывающее величину удельной рассеянной энергии (по данным динамических трехосных испытаний) с удельным сопротивлением грунта на муфте трения (по данным статического зондирования) и влажностью верхнего предела пластичности. Коэффициенты регрессии при всех переменных значимы, и она может использоваться для расчетов с доверительной вероятностью 85%, что позволяет использовать полученную зависимость для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве по данным статического зондирования.

12. Наиболее высокой динамической устойчивостью среди глинистых грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района обладают разности, характеризующиеся удельным сопротивлением на муфте трения зонда выше 100 кПа, что связано с появлением в них цементационных и переходных контактов, образовавшихся в процессе постседиментацион-ных преобразований и имеющих большую по сравнению с коагуляционными прочность.

Такое изменение типа структурных связей существенно увеличивает как удельную рассеянную энергию грунта, так и сопротивление грунта на участке боковой поверхности зонда, поскольку оба эти параметра грунта тесно связаны с его сдвиговой прочностью.

13. В области значений удельного сопротивления на муфте трения зонда до 100 кПа, что характерно для большинства массивов грунтов рассматриваемой территории, их динамическая устойчивость оказывается тесно связанной с величиной влажности грунта на пределе текучести, причем отчетливо нелинейным образом. Такой характер зависимости может быть объяснен одновременным влиянием содержания органического вещества и на динамическую устойчивость грунтов, и на влажность предела текучести.

14. Система мер по управлению динамической неустойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района может включать как инженерно-технические, так и инженерно-геологические мероприятия. Адекватными инженерно-техническими мерами могут быть снижение амплитуды возникающих в массиве волн напряжений за счет виброизоляции фундаментов или повышения поглощения колебаний самими грунтами, а также учет возможности и степени разупрочнения грунтов при расчете фундаментов. Среди инженерно-геологических мероприятий, направленных на изменение состояния и свойств динамически неустойчивых грунтов, наиболее перспективными являются методы электрохимической обработки грунтов, термического упрочнения и инъекционная химическая обработка грунтовых массивов.

15. Применение как инженерно-технических, так и инженерно-геологических способов управления динамической устойчивостью массивов грунтов можно рекомендовать при наличии в их составе динамически наименее устойчивых грунтов 1-ой группы, характерио зующихся энергоемкостью динамического деформирования менее 60 кДж/м. Для массивов грунтов 2−3 групп с энергоемкостью динамического деформирования до 270 кДж/м3 целесообразно применение лишь инженерно-технических мер управления, а при размещении сооружений на массивах динамически наиболее устойчивых грунтов (4−5 групп) с энергоемкостью динамического деформирования свыше 320 кДж/м использование специальных управляющих мероприятий нерационально.