Особенности обустройства северных нефтяных и газовых месторождений России и основания и фундаменты зданий и сооружений объектов обустройства

1/2006

ШШИот

НиУР

ОСОБЕННОСТИ ОБУСТРОЙСТВА СЕВЕРНЫХ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РОССИИ И ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ ОБУСТРОЙСТВА

М.А. Минкин О.А. Потапова

раткая история развития технологических схем энергетического комплекса

Становлением нефтегазодобывающей отрасли в России можно считать период 30-50-е годов ХХв., когда начинали разрабатываться небольшие месторождения, расположенные в Саратовской, Куйбышевской, Оренбургской областях, Ухтинском районе республики Коми, в Тимано-Пе-чорском районе. Начиная с 50-60-х годов, когда в освоение стали вводиться более крупные месторождения (Северо-Ставропольское, Ше-белинское, Газлинское) и продолжая в 70-80-е годы, основным направлением развития газодобывающей промышленности в нашей стране стало освоение сибирских и северных гигантских месторождений и их сателлитов.

С развитием энергодобывающей отрасли, менялись и схемы сбора и внутрипромысловой обработки нефти и газа. При разработке газа на мелких месторождениях применялась индивидуальная схема сбора, при которой продукция добывающих газовых и газоконден-сатных скважин первично обрабатывается в прискважинном компактном очистном комплексе, после чего газ по шлейфу подается в газосборный коллектор и далее на газо-

сборный пункт (ГП), где производится его дальнейшая очистка и обработка. После газосборного пункта газ подается в единую транспортную систему - магистральный газопровод.

При добыче газа на крупных месторождениях, где большое количество скважин, и строительство для каждой скважины очистного комплекса нецелесообразно, были разработаны и введены в эксплуатацию групповые схемы сбора (централизованные и децентрализованные). В таких схемах газ из кустов скважин подается по шлейфам и газосборным коллекторам на установки комплексной подготовки газа (УКПГ), где проходит полную промысловую очистку и обработку, а затем поступает в магистральный газопровод. Для создания необходимого рабочего давления в магистральном газопроводе служат компрессорные станции (КС), установленные через каждые 100-150км по длине трассы. Основным сооружением КС является компрессорный цех, агрегаты которого обеспечивают требуемое давление подаваемого в магистральный трубопровод газа.

Нефть из скважин поступает на объекты сбора и обработки (сепара-ционные установки, промысловые насосные станции), затем ее направляют на термохимические уста-

новки и накапливают в резервуар-ных парках. Для сбора нефтяного и газового конденсата используют до-жимные насосные и компрессорные станции. Транспорт нефти из резер-вуарных парков к потребителю осуществляется по нефтепроводу подземной или надземной прокладки в зависимости от температуры передаваемого продукта, мерзлотно-грунтовых условий и многих других критериев.

Особенности освоения месторождений Севера

Наиболее крупные энергодобывающие объекты - нефтяные поля (Верхнечонское, Тарасовское, Каль-чинское, Западно-Малобалыкское, Иртышское, Салымское, Споры-шевское), газовые и газонефтекон-денсатные месторождения (Медвежье ГМ, Ямбургское ГНКМ, Уренгойское ГКМ, Заполярное ГНКМ, Песцовое ГНКМ, Бованенковское и Ха-расавэйское ГКМ), осваиваемые в последние десятилетия и освоение которых планируется ближайшие годы - расположены на территории Восточной и Западной Сибири и полуострова Ямал, являющейся крупнейшей нефтегазоносной провинцией России. В настоящее время более 90% добычи природного газа в нашей стране обеспечивается на территории Ямало-Ненецкого автономного округа. По сравнению с месторождениями, расположенными в центральной и южной частях страны, северные месторождения обладают рядом особенностей, затрудняющих их разработку и обустройство обслуживающих их комплексов. Среди основных из них можно выделить следующие:

- удаленность от промышленно развитых регионов, отсутствие развитой инфраструктуры (особенно в начале освоения). В связи с этим -

сложности с транспортировкой и значительные стоимости доставки на строительную площадку материалов, оборудования, рабочей силы;

- неблагоприятные географо-климатические условия рассматриваемой территории, выражающиеся в суровом климате, большом количестве рек и озер, высокой заболоченности, что затрудняет проходимость техники и ведение строительно-монтажных работ;

- сложные инженерно-геологические условия территории освоения и обустройства северных месторождений: наличие многолетне-мерзлых пород, пучинистых и про-садочных грунтов диктует требования по более детальному и тщательному изучению, учету и анализу данных инженерно-геокриологических изысканий при проектировании и строительстве объектов обустройства месторождений. Нарушение хрупкого термодинамического равновесия в результате воздействия сооружений, обеспечивающих добычу, переработку и транспортировку нефти и газа, на геосреду может привести к таким неблагоприятным криогенным процессам, как термокарст, термоэрозия, солифлюкция, морозобойное растрескивание и др. Даже система размещения эксплуатационных добывающих скважин выбирается исходя не только из результатов гидрогазодинамических расчетов, как на месторождениях других регионов, но и с учетом реальных инженерно-геокриологических условий территории.

Индустриализация - основное направление при строительстве объектов обустройства

Перечисленные выше основные сложности, возникающие при проектировании и строительстве комплексов обустройства месторождений

Крайнего Севера, влекут за собой значительные объемы капитальных вложений и их рост, что заставляет разрабатывать такие технические решения зданий и сооружений, которые учитывали бы особенности региона, гарантировали надежность эксплуатации объектов и сохранность окружающей среды, но при этом обеспечивали бы значительное снижение стоимости и трудоемкости СМР, уменьшение сроков строительства. Таким образом, успешное и экономичное развитие нефтегазовой отрасли в определяющей мере зависит от показателей строительства объектов этой отрасли.

Главным направлением проектирования и строительства зданий и сооружений добывающего, перерабатывающего и транспортного назначения является индустриализация - массовое применение блочно-комплектного метода строительства, унификация и типизация технологических потоков. Дальнейший шаг индустриализации - переход к типовым технологическим модулям заводского изготовления с обеспечением их блочно-комплектной поставки. Таким образом, многие объекты промысловой переработки и транспорта нефтяной и газовой промышленности в настоящее время возводятся по машиностроительному принципу - то есть сборка из различных блок-модулей полных технологических схем. При этом процессы по монтажу сооружений, проводимые непосредственно на строительной площадке -монтаж блочных комплексов и пуско-наладочные работы - могут проходить в минимально короткие сроки. Поскольку инженерно-геологические условия площадок освоения северных месторождений характеризуются как сложные, доля затрат на устройство оснований и фундаментов сооружений может достигать 60% и

более. При этом возрастает значение выбора надежного, экономичного и технологичного варианта конструкции фундамента и устройства основания.

Типы сооружений объектов нефтегазовой отрасли

Анализируя состав сооружений на добывающих (кустовые площадки, дожимные компрессорные станции), перерабатывающих (газосборные пункты, установки комплексной переработки газа, промысловые насосные станции, резервуарные парки) и транспортных (компрессорные станции, нефтеперекачивающие станции, магистральные нефте- и газопроводы) объектов технологической системы, можно выделить следующие группы сооружений по их конструктивным особенностям, назначению и способам возведения:

- компрессорные цеха, прессы и другие агрегаты;

- каркасные здания и здания с несущими стенами;

- блочно-комплектные сооружения;

- вертикальные цилиндрические резервуары;

- заглубленные и подземные сооружения;

- открытые площадки с расположенным на них технологическим оборудованием, емкостями для хранения различных продуктов, площадки для автомашин;

- пешеходные галереи, прожекторные мачты, дымовые трубы;

- внутриплощадочные, межпромысловые и магистральные трубопроводы.

Основные производственные цеха с расположенным в них технологическим оборудованием, а также здания гаражей, пожарных депо, закрытых складов и другие являются

каркасными зданиями (чаще всего со стальным каркасом). Через основной несущий элемент - колонны каркаса (нагрузки на колонны в сооружениях нефтегазовой отрасли обычно небольшие) - передаются нагрузки на фундаменты от покрытия, перекрытий, стен, а также ветровые, снеговые нагрузки, и нагрузки от кранового и легкого технологического оборудования.

Хранение нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, а также запасов воды для хозяйственных, производственных и противопожарных нужд производится в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах со сварной или рулонной стенкой, передающей нагрузки от хранимой жидкости на несущее фундаментное кольцо.

Здания котельных, технологических насосных, компрессорные и канализационные станции, операторные, очистные сооружения, трансформаторные подстанции чаще всего выполняются в блочно-ком-плектном исполнении. Нагрузки от блок-бокса и установленного в нем оборудования передаются через опорные части днища (точечное или рельсовое опирание) на фундаментную конструкцию.

Сооружения вспомогательного непроизводственного назначения, возводимые при промысловых объектах и компрессорных станциях -вахтовые жилые комплексы - чаще всего выполняются в виде малоэтажных зданий в крупнопанельном и объемно-блочном вариантах.

Основные технические решения по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений, традиционно применяющиеся при обустройстве месторождений.

Для территории Западной Сибири характерно несплошное распро-

странение вечномерзлых грунтов и их неустойчивый температурный режим, инженерно-геокриологические условия различных площадок строительства промысловых объектов существенно отличаются друг от друга, поэтому на различных участках строительства применяются способы сохранения устойчивости оснований зданий и сооружений как по принципу I, так и по принципу II (в соответствии со СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»).

При обеспечении устойчивости основания сооружения по принципу I (грунты основания сохраняются в мерзлом состоянии на весь период строительства и эксплуатации объекта), практически всегда фундаменты выполняются в свайном варианте. В отапливаемых зданиях должно устраиваться вентилируемое подполье высотой около 1-1,5м, которое ограничивает тепловой поток от сооружения на грунты основания, сохраняя их температурно-влажностный режим. Сваи, как правило, заглубляясь ниже кровли вечной мерзлоты, передают нагрузку на прочный, несжимаемый твердо-мерзлый грунт, являющийся прекрасным основанием для сооружения. Однако для рассматриваемого региона, как уже говорилось, не характерно сплошное по площади и по разрезу залегание вечномерзлых грунтов с постоянно низкими температурами, при которых они находятся в твердомерзлом состоянии. Грунты же, находящиеся в пластич-номерзлом состоянии, не обладают достаточной для восприятия нагрузок от сооружений несущей способностью и в связи с этим, требуют принудительного искусственного понижения температуры. Дополнительное охлаждение грунтов осуще-

ствляется с помощью охлаждающих установок сезонного или круглогодичного действия; конструкции и функциональные особенности охлаждающих устройств различаются в зависимости от фирмы-разработчика и производителя.

приводит к растеплению вечномерз-лых грунтов основания, начинающих обладать просадочными свойствами, в результате чего здания приходят в аварийное состояние.

При обеспечении устойчивости здания по принципу II, при котором

,11—з

слой сезонного промерзания

талый Грунт

я

кровля вечном ерзпьд грунтов

зона упрочненного / замораживанием грунта

/

охлаждающая установка

Рис. 1. Свайный фундамент каркасного здания на вечномерзлых грунтах несливающегося типа с обеспечением принципа I строительства и эксплуатации

Существуют технические решения, при которых отапливаемое здание, проектируемое по принципу I, выполняется с полами по грунту, и предотвращение от растепления и потери несущей способности грунтов основания предусматривается осуществлять с помощью горизонтальных охлаждающих систем - каналов, труб, охлаждающих установок. Но такие технические решения, как показывает практика, не очень надежны - возможное нарушение функционирования охлаждающих установок в процессе эксплуатации

грунты основания используются в талом состоянии в процессе строительства и эксплуатации, наиболее распространенным фундаментом под колонны каркаса, несущие конструкции резервуаров, емкостей, опоры мачт, трубопроводов, технологическое оборудование (в том числе, и агрегаты компрессорного цеха) также является свайный.

В качестве материалов фундаментных конструкций в основном применяется сталь. Ростверки, конструкции цокольного перекрытия, ложементы емкостей, трубопрово-

дов, опоры мачт, технологического оборудования выполняются из прокатных балок и листовой стали, сваи - из бесшовных горячедеформиро-ванных труб. Применение железобетонных конструкций на объектах обустройства месторождений Севера ограничено из-за сложности доставки изделий с заводов ЖБИ, находящихся в промышленно развитых регионах, и отсутствии инфраструктуры дорог, а также из-за стремления свести к минимуму «мокрые» процессы, связанные с изготовлением конструкций из монолитного железобетона на стройплощадке.

Конечно, существует опыт строительства вспомогательных сооружений объектов обустройства (блок-боксов, емкостей, и т.д.), обладающих небольшими нагрузками, а также зданий временного характера (к примеру, такими сооружениями являются практически все здания обустройства кустовых площадок), при наличии относительно прочных и несжимаемых грунтов основания, на малозаглубленных и даже поверхностных фундаментах. Однако в большинстве случаев основным техническим решением практически для всех видов сооружений является, как уже говорилось, свайное основание.

Недостатки применяемых технических решений и необходимость разработки новых конструкций фундаментов и способов устройства оснований

Применяемые при строительстве объектов топливно-энергетического комплекса технические решения обеспечивают необходимую прочность сооружений и обладают достаточной надежностью при строительстве и эксплуатации объектов. Однако свайное основание имеет и

свои недостатки: высокая трудоемкость возведения, неиспользованные в полной мере прочностные характеристики металла (несущая способность свай по грунту намного меньше несущей способности по материалу), дороговизна строительно-монтажных работ по устройству свайного поля, а следовательно, и низкая экономическая эффективность фундамента в целом; как крупный недостаток следует отметить и невозможность надежной защиты конструкции сваи от грунтовой коррозии, что особенно актуально для засоленных грунтов побережья северных морей (месторождения полуострова Ямал, резервуарный парк в районе поселка Варандей и др.). Указанные недостатки свай как основного варианта устройства оснований и фундаментов сооружений говорят о необходимости рассмотрения и разработки иных, более рациональных и экономически выгодных решений. Кроме того, нельзя отрицать и того факта, что на Севере существуют площадки строительства, инженерно-геокриологические условия которых таковы, что фундаменты мелкого заложения и поверхностные фундаментные конструкции должны стать реальной альтернативой традиционным сваям. Это касается участков залегания с поверхности твердо-мерзлых, непучинистых и непроса-дочных песчаных, крупнообломочных и других видов относительно прочных грунтов. Распространение засоленных грунтов, обладающих не только легкоразрушающимися структурными связями, но и коррозионной активностью по отношению к металлам и бетону, а также расположенные на глубине в несколько метров линзы криопэгов - сильно засоленного охлажденного грунта -говорят о необходимости как можно

меньшего их затрагивания техногенными воздействиями. Выполнение несущей конструктивной подсыпки и опирание на нее поверхностного фундамента или применение совместно с термостабилизацией (дополнительным охлаждением или теплоизоляцией) оснований мелко-заглубленного фундамента, опирающегося на кровлю вечномерзлых грунтов, окажет более щадящее воздействие на слабые, чувствительные породы, чем глубокое про-резание их толщи сваями.

В институте «Фундаментпроект» было проведено технико-экономическое сравнение нескольких типов фундаментов, свидетельствующее о том, что более выгодным по стоимостным и трудозатратным показателям в подавляющем большинстве случаев является фундамент мелкого заложения. Но одни только сметные показатели не могут яв-

ляться базой для принятия решения о выборе типа фундамента. С одной стороны стоит надежный, проверенный временем, отработанный в расчетах, проектировании и производстве способ устройства основания - свайный фундамент с термостабилизацией грунтов, с другой - новая для промышленныхзда-ний на Севере, кроме легких и временных сооружений, методика по их возведению на фундаментах мелкого заложения.

Установка основных производственных зданий на фундаменты мелкого заложения - альтернативный сваям вариант - практически не производится из-за сложностей с обеспечением необходимых прочностных и деформационных характеристик основания - прочный и практически несжимаемый вечно-мерзлый грунт залегает на сравнительно большой глубине. Кроме то-

цокольное перекрытие

кровля вечномерзлых в

^/грунто

зона упрочненного 4 + + + + + замораживанием тунга + + + + +

+ + + + + V ТТТ Т + + + +

+ + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + +

_|_ __I__L_l._l.-J__I__1__1_

Рис. 2 Фундамент мелкого заложения с опиранием на кровлю вечномерзлых грунтов при обеспечении принципа I строительства и эксплуатации

го, выполнение малозаглубленных фундаментов практически не применяется из-за сложности производства земляных работ в условиях Севера. По опыту строительных организаций можно сказать, что строителям проще (быстрее, доступнее) производить погружение свай, нежели заниматься сложными в северных условиях процессами по возведению качественной подсыпки, работами в котловане и работами по обеспечению инженерной защиты территории, требования по которой значительной выше, чем при свайном основании. Указанные факторы привели к тому, что на сегодняшний день имеется малая изученность и, как следствие, почти полное отсутствие опыта строительства и наблюдения в процессе эксплуатации сооружений на бессвайных фундаментах.

Таким образом, целью опытно-конструкторских работ по разработке и внедрению конструкций фундаментов и способов устройства основания, отвечающих всем требованиям надежной эксплуатации, технологичности и экономичности, должно стать устранение недоработок и недостатков фундаментов мелкого заложения и разработка технических решений поверхностных фундаментных конструкций, не предъявляющих столь высокие требования к основанию - подсыпке, инженерной защите территории, не требующие трудновыполнимых земляных работ и других обстоятельств, не позволяющих сейчас рассматривать свайные и бессвайные основания как альтернативные варианты.