автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Концепция автодорожного обеспечения эффективного функционирования системы трубопроводов Западной Сибири

Президиум ВАК Россжи

(решеше\9ffr.,N1 нрисудилучейувд с^южьДОКТОР/

_/ябх^ш тху к

Начальник ушфбЯММшу&ЬК России

Министерство общего и профессионального образования РФ Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

КРЕТОВ Валерий Андреевич

КОНЦЕПЦИЯ АВТОДОРОЖНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДОВ ЗАПАДНОЙ

СИБИРИ

Специальность: 05.15.13-Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

05.23.11-Строительство автомобильных дорог и аэродромов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: д.т.н., профессор Иванов В.А.,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, Академик Академии транспорта, д.т.н., профессор Казарновский В.Д.

Тюмень, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................7

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ В

• СВЯЗИ С УСЛОВИЯМИ ДОРОЖНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ............11

1.1 .Особенности климатических, инженерно-геологических,

гидрологических и геотехнических условий территории ...............11

1.2.Существующие методы трассирования трубопроводов.................. 19

1.3. Анализ особенностей существующих автомобильных дорог

на территории ЗСНГК...........................................................31

1 АВременные дороги для строительства трубопроводов....................39

1.5.Анализ отечественного и зарубежного опыта дорожного обеспечения строительства и эксплуатации трубопроводов при освоении нефтегазовых месторождений.....................................46

1.6.Удельный вес затрат на дорожный комплекс в общих

затратах на выполнение мероприятий по добыче нефти и газа.........60

1.7.Транспортная составляющая в экономических показателях строительства трубопроводов..................................................63

1.8.Концепция системного подхода к проблеме повышения эффективности строительства и эксплуатации трубопроводов.........68

Глава 2. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНЙЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПЛАНИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ СЕТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ

ДОРОГ В РЕГИОНЕ..............................................................80

2.1.Разработка научно-методических основ количественной оценки локальной хозяйственной активности и прогноза изменений в

работе единой региональной дорожной сети при различных

вариантах ее развития............................................................80

2.1.1 .Моделирование локальной хозяйственной активности.............80

2.1.2.Моделирование работы единой региональной

дорожной сети...............................................................82

2.1.3.Локальная оценка эффективности использования

природных ресурсов........................................................91

2.2.Исследование путей совершенствования методологий учета природных физико-геологических условий при формировании оптимальных трасс сети подъездных путей к

трубопроводам и дорог общего пользования...............................95

Глава 3. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ РАСЧЕТА ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ОЦЕНКИ УСЛОВИЙ ТЕМПЕРАТУРНОГО ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В СЛОИСТЫХ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВАХ............................................... 107

3.1.Исследования общего механизма процессов температурного трещинообразования в конструкциях подъездных

путей к трубопроводам.........................................................108

3.2.Термореологические модели и модели прочности дорожно-строительных материалов и мерзлых грунтов...........................119

3.3.Температурные напряжения в нарушенных полуограниченных массивах при гармонических колебаниях температуры.................124

3.4. Шаг трещин......................................................................126

3.5. Температурные трещины в массиве........................................130

3.6. Трещины расслоения...........................................................133

3.7.Термореологические и контракционные свойства мерзлых дисперсных грунтов насыпей и оснований.................................138

3.8.Моделирование термонапряженного состояния и

трещинообразования в многослойных конструкциях дорожных

одежд и земляного полотна промплощадок и подъездных

путей трубопроводов...........................................................143

Глава 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЖЕСТКИХ

ОСНОВАНИЯХ................................................................152

4.1 .Предварительные замечания..................................................152

4.2.Построение расчетной схемы и получение расчетных зависимостей для оценки трещиностойкости асфальтобетонного покрытия на

основании из жестких плит...................................................153

4.3.Основные пути повышения температурной трещиностойкости

покрытия в рассматриваемой конструкции.................................158

4.4.Анализ влияния конструктивных параметров на повышение трещиностойкости покрытий..................................................159

4.4.1. Влияние «свободного контакта».......................................159

4.4.2.Влияние размера плит....................................................162

4.4.3. Влияние толщины покрытия...........................................163

4.5.Существующие предложения по способам повышения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий на сборных

или трещиноватых основаниях в свете изложенных теоретических

положений .......................................................................164

Глава 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕСТНЫХ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЕТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В

ЗСНГК..............................................................................178

5.1.Исследование условий применения местных фунтов, укрепленных вяжущими, при строительстве подъездных путей трубопроводов.... 178 5.1.1 .Вступительные замечания................................................178

5.1.2.Анализ существующего опыта укрепления грунтов цементом в

дорожных конструкциях...................................................179

5.2.Исследования условий утилизации для дорожных целей техногенных нефтегрунтов, образующихся вследствие аварийных

выбросов нефтепроводов.......................................................184

5.2.1 .Предварительные соображения.........................................184

5.2.2. Экспериментальные исследования дорожно-строительных свойств материала, получаемого на основе техногенного нефтегрунта................................................................189

5.2.3.Конструктивные решения, предусматривающие использование техногенных нефтегрунтов...............................................195

5.3. Разработка практических рекомендаций по контруктивно-технологическим и организационным решениям при строительстве дорожных одежд промысловых дорог с максимальным

использованием местных укрепленных грунтов.......................... 198

5.3.1.Обоснование рациональной геометрии стыкового узла...........198

5.3.2.0птимизация размеров плит по приведенным затратам...........207

5.3.3.Рекомендуемые типовые конструкции дорожных одежд со сборными цементогрунтовыми основаниями для технологических дорог Западно-Сибирского нефтегазового комплекса.....................................................................217

5.3.4.Вопросы организации производства цементогрунтовых плит

и строительства дорожных одежд с их применением...............219

5.3.5.Рекомендации по технологии и организации работ по утилизации техногенных нефтегрунтов для цепей

дорожного строительства................................................232

Главаб. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕРЗЛОКОМКОВАТЫХ ГРУНТОВ КАК

МАТЕРИАЛА НАСЫПЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ...............249

6.1. Сущность проблемы...........................................................249

6.2. Исследование термореологических и контракционных свойств

мерзлокомковатых грунтов насыпей......................................251

6.2.1 .Вводные замечания.....................................................251

6.2.2.Механические свойства мерзлокомковатой супеси при растяжении и растрескивании........................................252

6.2.3.Температурные деформации мерзлокомковатых грунтов......270

6.3.Моделирование термонапряженного состояния и

трещинообразования в многослойных конструкциях дорожных

одежд на земляном полотне из мерзлокомковатых грунтов...........283

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................................290

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................291

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении трех последних десятилетий, включая и период резкого экономического спада, нефтегазовые регионы Западной Сибири являются основными экспортерами углеводородного сырья и поставщиками валюты в Россию.

Добываемые на территории ЗСНГК нефть и газ поставляются по трубопроводам как за рубеж, так и большинству отечественных потребителей.

Десятки тысяч километров трубопроводов проходят только по территории Западной Сибири, соединяя сотни месторождений с магистральными трубопроводами и с потребителями.

Сложнейшие природно-климатические условия ЗСНГК, обусловленные наличием сотен больших и малых рек, сильной заболоченностью и заозеренностью, наличием вечной мерзлоты, коротким строительным сезоном и многими другими факторами, являются одними из основных причин, снижающими эффективность функционирования всего ЗСНГК и трубопроводного хозяйства в первую очередь.

Следующей основной причиной, отрицательно влияющей на экономическую эффективность освоения и эксплуатации нефтегазовых месторождений, идущей вслед за природно-климатическими условиями, является слабая транспортная обеспеченность региона.

Отсутствие подъездных путей не только тормозит освоение новых месторождений и строительство дополнительных трубопроводов, но и приводит к значительному их удорожанию, повышая себестоимость углеводородного сырья и снижая эффективность работы.

В наибольших размерах это сказывается на строительстве и эксплуатации трубопроводов, являющихся линейными сооружениями и максимально зависящих как от природных условий, так и от наличия подъездных путей.

Дальнейшее развитие нефтегазового комплекса будет определяться, в основном, вводом новых месторождений, значительно более удаленных от развитых и обустроенных районов нефтегазодобычи, в связи с чем общий уровень транспортных расходов в трубопроводном хозяйстве будет значительно возрастать как в абсолютных цифрах, так и в процентном отношении от стоимости углеводородного сырья.

В связи с этим, проблема повышения эффективности строительства и эксплуатации трубопроводов в услбвиях ЗСНГК за счет дорожной составляющей является на сегодня одной из самых актуальных.

Блок дорожных вопросов, в составе рассматриваемой проблемы, связанных между собой условиями строительства и эксплуатации, наличием и свойствами дорожно-строительных материалов, методами трассирования дорог, их расчетов и проектирования, предусматривающего предотвращение преждевременного разрушения, и многое другое, требует комплексного решения. Без решения этих взаимосвязанных проблем снять с повестки дня вопросы транспортного обеспечения ЗСНГК не возможно, а значит нельзя повысить эффективность строительства и эксплуатации трубопроводов.

Целью настоящего исследования является разработка концепции повышения эффективности и эксплуатационной надежности систем трубопроводов Западной Сибири за счет автодорожного обеспечения. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выполнить анализ особенностей функционирования систем трубопроводов Западной Сибири и степень влияния автодорожного обеспечения на эффективность их работы;

- разработать научно-обоснованную концепцию совместного планирования оптимальных сетей подъездных путей трубопроводов и дорог общего пользования;

- разработать основные положения теории температурного трещинообразования в дорожных конструкциях. Установить функциональные

зависимости трещииостойкости дорожных одежд от их конструктивно-технологических параметров и свойств материалов;

- изучить процессы трещинообразования в массивах, сложенных мерзло-комковатыми грунтами;

- обеспечить повышение эффективности устройства подъездных путей к трубопроводам за счет комплексного решения материаловедческих, конструктивных и технологических задач;

- создать по результатам выполненных исследований нормативно-техническую базу и обеспечить внедрение основных положений работы в практику проектирования, строительства и эксплуатации промысловых дорог.

Научная новизна заключается в разработке стратегии эффективного развития и функционирования трубопроводной системы Западной Сибири во взаимодействии с автодорожным обеспечением. Такая стратегия предопределяет совместное развитие сети подъездных путей трубопроводов и дорог общего пользования.

На основе разработанной теории температурного трещинообразования многослойных дорожных конструкций получены зависимости, позволяющие прогнозировать образование и развитие трещин в конструктивных слоях дорожных одежд и земляного полотна. Такой подход позволил автору разработать трещиностойкие конструкции дорожных одежд, новизна которых защищена авторскими свидетельствами, и предложить технологию их применения на подъездных путях трубопроводов.

Впервые исследованы термореологические свойства мерзлокомковатых грунтов и специфика процесса трещинообразования в них.

Достоверность результатов научных исследований подтверждена материалами проведенных в большом количестве экспериментов, выполненных как в лабораторных условиях, так и при опытном строительстве, а также опытом широкого производственного внедрения при проектировании и

строительстве объектов в Западной Сибири и других регионах страны, с учетом данных многолетних наблюдений за их состоянием.

Практическая значимость работы заключается в комплексном рассмотрении блока вопросов, включая:

- методы расчета и проектирования;

- материаловедческую часть;

- вопросы организационного ведения работ и охраны окружающей среды.

Это позволяет осуществить решение крупной народно-хозяйственной задачи.

Результаты выполненных автором исследований на протяжении пятнадцати лет используются в Западной Сибири при устройстве технологических дорог и дорог общего пользования.

В соответствии с разработанными «Инструкциями», «Рекомендациями», «Методическими рекомендациями» запроектированы и построены сотни километров дорог в Тюменской области, Ямало-Ненецком и Ханты-Мансийском автономных округах.

Основные положения диссертации докладывались на Всероссийских, Всесоюзных, Международных совещаниях, семинарах, конференциях в Тюмени, Салехарде, Н-Уренгое, Ханты-Мансийске, Москве, Ростове-на-Дону, Омске, Суздале, Воронеже, Елонайте (Канада) и др.

Материалы диссертации опубликованы в 47 научных трудах. Диссертация состоит из Введения, 6 глав, основных выводов по работе, списка литературы и 5 приложений.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ В СВЯЗИ С УСЛОВИЯМИ ДОРОЖНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

1.1. Особенности климатических, инженерно-геологических, гидрологических и геотехнических условий территории

Нефтегазодобывающие районы Западной Сибири расположены в 1-й и в средней части П-й дорожно-климатических зон (лесоболотная зона ЗападноСибирской низменности) и характеризуются повышенным увлажнением верхних слоев грунта весной и осенью.

Общие черты температурного режима характеризуются суровой зимой, сравнительно непродолжительным, но теплым летом, короткими переходными сезонами, поздними весенними и ранними осенними заморозками с резкими колебаниями температур в течение года, месяца и даже суток.

Большие температурные амплитуды воздуха, особенно проявляющиеся в переходный период от весны к лету в связи с вторжением арктического воздуха, могут сменять жаркую погоду холодом. Среднемесячная температура наиболее холодного в году месяца января составляет -22°С и самого жаркого -июля, +17°С. Абсолютный минимум температуры достигает -абсолютный максимум +35 С.

Устойчивый период со среднесуточной температурой воздуха выше наступает в начале первой декады мая. Наступление отрицательных температур воздуха наблюдается в первой декаде сентября. Продолжительность безморозного периода составляет от 55 до 135 дней, продолжительность снегового покрова - от 180 до 230 дней. Глубина сезонного промерзания

грунтов на площадках, расчищенных от снега и растительного покрова, колеблется от 2,5 до 4 метров.

Территория представляет часть обширной инженерно-геологической области крупных речных долин, основными элементами строения которой являются пойма и надпойменные террасы.

Особенность инженерно-геологических условий строительства рассматриваемой территории определяется главным образом избыточным увлажнением грунтов и сильной заболоченностью водораздельных пространств.

Болота преимущественно сложены верховыми торфами. На отдельных участках в придонном слое встречаются залежи переходного и низинного торфа.

Глубина болот по месторождениям различна. Так, если на Самотлорском месторождении глубина болот доходит до 12 м, то на Федоровском - не превышает 3 м. Болота сложены относительно однородными торфами, и основной характеристикой, влияющей н