автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Новая организация и технология инженерной подготовки территорий объектов нефтегазового строительства эрлифтным гидроподъемом грунта

VI о

о "2 :

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 624.131:622.692.4 (571.1)

На правах рукописи

ХОЛМОГОРОВ Анатолий Парфильевич

НОВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ ТЕРРИТОРИЙ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА ЭРЛИФТНЫМ ГИДРОПОДЪЕМОМ ГРУНТА

Специальность 05.15.13 - Строительства и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ в форме научного доклада по совокупности работ на соискание ученой степени доктора технических наук

Тюмень * 1998 г.

Работа выполнена в ОАО «НИПИинжнефтегазсярой» и в ОАО «Тюменънефтегазстрой».

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники, Кушнир Семен Яковлевич

доктор технических наук, профессор Спектор Юрий Иосифович

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники, Лауреат государственной премии РФ Коновалов Павел Александрович

доктор технических наук, профессор Малюшин Николай Александрович

ОАО «Сургуггрубопроводстрой» " 1998г. в 4& ч.

Ведущее предприятие:

Защита состоится " в ауд. _ на заседании диссертационного Совета Д 064.07.02

по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ" при Тюменском Государственном нефтегазовом университете.

Адрес: 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.

Автореферат разослан "

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.Д.Шантарин

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Строительству насосных, перекачивающих и компрессорных станций, нефтехранилищ, линейной части трубопроводов предшествует инженерная подготовка территорий.

В общем объеме строительных работ трудозатраты, время выполнения инженерной подготовки и сметная стоимость зависят от многих факторов. Для сопоставления и оценки доля этих затрат для различных регионов России приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Доля общих затрат, % (в строительстве 100%)

№ п/п Наименование региона Трудозатраты, чел./дн. от общих трудовых затрат на строительство Материальные, руб. от сметной стоимости объектов

1. Чечня 14 11

2. Татарстан 18 16,5

3. Поволжье 19 16,8

4. Оренбургская область 16 14,1

Резкий контраст с данными табл. 1 представляют анало-логичные данные по Тюменскому нефтегазовому региону, являющемуся главной топливно-энергетической базой страны. Связано это со специфическими, исключительно сложными грунтовыми условиями области. Так, из общей площади территории области (1млн.550тыс.км2) около 1 млн.км2 сложены

вечномерзлыми и многолетнемерзлыми грунтами, инженерная подготовка и строительство на которых регламентируются специальными нормами и требуют специальных методов проектирования и производства работ. Талые грунты по существующим критериям оценки практически все (исключая Юг области) относятся к категории слабых, содержат до 60 % пылева-тых частиц и склонны к морозному пучению. Поэтому в большинстве случаев они не могут служить естественными основаниями зданий и сооружений, а инженерная подготовка таких территорий затруднена.

Данные о доле трудовых и материальных затрат при инженерной подготовке территорий под строительство нефтегазовых объектов по отдельным районам Тюменской области приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Доля общих затрат, % ( в строительстве 100%)

№ п/п Наименование районов Трудозатраты, чел./дн. от общих трудовых затрат на строительстве объекта Материальные, руб. от сметной стоимости объектов

1. Нижневартовский 34 37,2

2. Нефтеюганский 33,5 36,7

3. Сургутский 32 35,1

4. Уренгойский 41,1 51,4

5. п/о Ямал (Ямбург) 64.1 67,1

6. Надымский 42.3 52,1

Из данных табл.2 следует, что доля трудовых затрат на инженерную подготовку территорий нефтегазовых объектов по Тюменскому региону колеблется от 32% (Сургутский район) до 64,1% (на п/о Ямал), а материальных - соответственно от 35,1% до 67,1%. Такие значительные затраты на инженерную подготовку территорий в нашем регионе обусловлены большими (исчисляемые млн.м3) объемами перемещаемого грунта и такими же потребностями в сыпучих материалах, запасов которых на территории Тюменской области (исключая Приполярный Урал) практически нет.

Анализ структуры затрат в общем балансе инженерной подготовки в регионе показал, что основную долю в нем составляют материалы. Это подтверждает гистограмма стоимости 1 тонны сыпучих материалов для различных районов Тюменской области (рис.1).

600.

I

0

3 е

1

б

I

0

1

о

а;

500

400

300

100-Г

>э

С О

" э

а 5с X и

* о ||

5-

>э

I £

£

§ а

5 £ о; о

II

¡д Гравий д Песок д Щебень [] Цемент

о ■а

£

Рис.1. Гистограмма стоимости 1 тонны сыпучих материалов в районах Тюменской области

Из гистограммы следует, что в районах Уренгоя, Надыма и Ямала стоимость 1 тонны цемента и щебня практически одинакова, а стоимость песка в три и более раза выше его стоимости в любом другом районе области.

Следует отметить, что даже имеющиеся в Тюменской области незначительные запасы песка являются, как правило, мелкими и пылеватыми. Использование их для инженерной подготовки территорий возможно лишь с целью поднятия планировочных отметок. Для использования таких песков в качестве оснований требуется дополнительный комплекс работ по улучшению их строительных свойств .

Очевидно, что выполнять инженерную подготовку территорий к строительству традиционными способами в Тюменском регионе, используя привозные сыпучие материалы, невозможно, а улучшение строительных свойств местных грунтов существующими методами экономически неэффективно. Из сказанного следует, что для Тюменского региона только использование местной "нетрадиционной" сырьевой базы может значительно сократить стоимость и сроки инженерной подготовки территорий.

Вместе с тем изучение геолого-литологических разрезов региона свидетельствует о наличии горизонтов песка и других нерудных материалов на всей территории области./см. табл.3/. При этом наиболее перспективные месторождения песка находятся на глубине от 20 м до 200 м.

Из таблицы следует, что только на указанных месторождениях запасы песка составляют более 2.5 млрд. м3. При этом 80% этих запасов составляют пески средней крупности и крупные, не склонные к морозному пучению и служащие надежными основаниями (материалы многочисленных изысканий, вы-

полненных НИПИинжнефтегазстроем, УралТИСИЗом, Томск-ТИСИЗом, ТюменьТИСИЗом идр.)..

Таблица 3.

№ п/п Наименование месторождения Глубина залегания, м Запасы, млн. м3.

мелких и пылеватых средних и крупных

1. Федоровское 0-20 20-45 120 - 190 195

2. Корамовское 0-20 90 - 100 115-145 112

3. Западно-Сургутское 0 - 18 24-62 90-150 184

4. Нижне-Сартымское 0-18 20-26 88 -140 174

5. Восточно-Сургутское 0-20 39-95 110- 180 191

6. Мегионское 0-14 19-42 68-111 164

7. Холмогорское 0-21 35-60 215

8. Самотлорское - 22 -140 191

9. Советско-Соснинское 0-12 25 -130 212

10. Таллинское 0-8 28 -144 118

11. Медвежье - 220-410 224

12. Уренгойское - 238-450 260

13. Ямбургское - 260 - 550 282

Однако, разработка местных карьеров существующими средствами гидромеханизации не эффективна: мощность карьеров из-за технической ограниченности земснарядов ис-

пользуется лишь на 30-40%, а месторождения песка с глубиной залегания более 20 м не используются вообще.

Учитывая это, на протяжении последних двух десятилетий в Тюменской области под руководством и при непосредственном участии автора были проведены широкомасштабные промышленные эксперименты по добыче песка с глубин от 20 до 350 метров с применением эрлифтно-землесосных комплексов и скважинной технологии (около 100 экспериментов).

В экспериментах использовались различные существующие эрлифтные установки, разработанные и изготовленные на базе серийно выпускаемых земснарядов, на базе болотохода «Тюмень», а также гидроэлеваторный эрлифтный комплекс в комплектно-блочном исполнении.

Автором изучены и использованы разработки и опыт ведущих ученых и специалистов в области организации и технологии строительства нефтегазовых объектов, а также добычи, транспорта и укладки грунта: В.Л.Березина, П.П.Бородав-кина, О.М.Иванцова, Я.М.Кагана, Л.Г.Телегина и др., опыт улучшения строительных свойств намывных песков и использования их в основаниях зданий и сооружений: П.А.Коновалова, С.Я.Кушнира, Н.С.Никифоровой, Н.Д.Кулебякина, В.В.Ми-хеева В.В.Чурманова, и др. Вопросам освоения месторождений песка и гравия с залеганием ниже 15-20 м посвящены работы: Т.В. Аренса, В.И.Михайлова, Д.Н.Шпака (добыча глубинных песков скважинными эрлифами), а в условиях угольной промышленности - работы Я.К.Антонова, В.Г.Гейера, Л.Н.Ко-зыряцкого, Н.Г. Логинова и др.

Анализ этих и работ других авторов показал, что теоретических и особенно экспериментальных разработок по проб-

леме недостаточно, а существующие оборудование, организация и технология эрлифтного метода не позволяют решить задачу добычи сыпучих материалов с глубины, превышающей 20 метров, их транспортировку и укладку в основания объектов. Поэтому проблема является актуальной, а ее решение позволяет резко сократить стоимость и сроки инженерной подготовки территорий под строительство объектов нефтегазового комплекса в Тюменском регионе.

Исследования по созданию нового эрлифтного оборудования, организации и технологии работ проводились в соответствии с отраслевой целевой комплексной программой Миннеф-тегазстроя "Индустриализация"(подпрограмма 2,4); 1982-1996 г.г., а в части оценки и расчетов искусственных оснований - по Целевой Комплексной Программе Госстроя СССР О.Ц.ОЭ1 "Строительство на намывных грунтах", а также по государственной научно-технической программе «Стройпрогресс"-2000 утвержденной Государственным комитетом СССР по науке и технике Постановлением № 527 от 5 июня 1990 г.

Поскольку в настоящем научном докладе невозможно осветить все аспекты этой крупной народно-хозяйственной проблемы, автор изложил основные результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса гидронамыва глубинных песков, разработки нового эрлифтного оборудования, организации и технологии выполнения работ по инженерной подготовке территорий, а также оценки работы неоднородных оснований с позиций теории консолидации грунтов.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью настоящей работы является решение крупной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение и заключающейся в теоретическом обосновании и разработке конструкции эрлифтного оборудования, организации и технологии работ инженерной подготовки территории объектов нефтегазового строительства в условиях Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Теоретические и экспериментальные исследования процесса эрлифтного гидроподьема и разработка конструкции нового эрлифтно-земленасосного комплекса (ЭЗК) на основе системного анализа и оптимизации технологических параметров.

2. Разработка организации и технологии инженерной подготовки территорий объектов нефтегазового комплекса глубинным гидронамывом грунта и оптимизация организационно-технологических параметров.

3. Анализ организационных схем эрлифтного гидроподьема грунта и установление области применения различных конструкций и экономической эффективности устройства намывных оснований методом эрлифтного гидроподьема грунта.

4. Исследование закономерностей процесса стабилизации неоднородных намывных оснований объектов нефтегазового строительства с позиций теории фильтрационной консолидации грунтов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые комплексно решена проблема добычи сыпучих материалов с больших глубин методом эрлифтного гидро-подьема. При этом на основе системного анализа и оптимизации конструктивных параметров разработаны новые конструкции эрлифтно-земленасосного оборудования, новизна которых признана государством (16 авторских свидетельств).

2. Результаты опытно-промышленных экспериментов и их анализ позволили впервые разработать организацию и технологию устройства искусственного намывного основания иод насосные и компрессорные станции, товарные парки, магистральные трубопроводы, вдольтрассовые и внутрипромыс-ловые автодороги, объекты нефтегазопромыслового назначения с использованием эрлифтного гидроподъема песков с больших глубин.

3. В работе впервые изучены закономерности консолидации намывных оснований, сложенных песками эрлифтного гидроподъема, подстилаемых торфами и их работа под нагрузками нефтегазовых объектов.

4. На основе выполненных автором исследований созданы 7 модификаций эрлифтно-землесосных комплексов на базе отечественных серийно выпускаемых земснарядов, в том числе на болотоходе "Тюмень" и в блочно-комплектном исполнении, что позволило значительно расширить область применения предложенной организации и технологии инженерной подготовки территорий объектов нефтегазового строительства.

На защиту выносится принципиально новый метод организации и технологии подготовки неоднородных оснований под компрессорные и насосные станции, товарные парки, магистральные трубопроводы, нефтегазопромысловые объекты, организованные эрлифтной разработкой глубоко залегаемых песков.

Практическая ценность работы заключается в создании комплекса эрлифтного оборудования, организации новой технологии инженерной подготовки территории к строительству нефтегазовых объектов в условиях Западной Сибири, позволяющих использование крупнозернистых песков, гравия и щебня, залегающих на глубине 20-200 м и ниже. Результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований послужили основой для разработки нового и модернизации существующего эрлифтного оборудования.

Практические рекомендации, сформулированные автором, использованы в следующих нормативно-технических документах:

- РД 39-0147323-001-88-Р."Инструкция по проектированию инженерной подготовки территории при обустройстве нефтяных промыслов на болотах" - Тюмень, Гипроттоменнеф-тегаз, 1988;

- ВСН 2-82-72. "Инструкция по индустриальной технологии и организации строительства наземных нефтепромысловых объектов на основе блочности". М: ВНИИСТ, 1977;

- "Руководство но организации поточного строительства наземных объектов в блочно-комплектном использовании". - М: ВНИИСТ, 1980;

- "Рекомендации по проектированию оснований, зданий и сооружений на намывных территориях Тюменской области". - М: НИИОСЛ, 1982;

- "Инструкция по эксплуатации эрлифтно-земле-насос-ных комплексов". М.: Роснефтегазстрой, 1993.

Полный комплект технической документации на эрлифт-но-землесосные комплексы ЭЗК-1, ЭЗК-1М, ЭЗК-1, ЭКГ-1, ЭМЗ-10, ЭЗКБ-1, ЭЗК-ЗДЗ 50/50Л, ЭЗК-13-1600/25 и результаты научных разработок были внедрены в ОАО «Тюменьнефте-газегрой» в 1983-1996 гг., в ОАО «Тюменьтрубопроводстрой» в 1987-1996 гг.:

- при инженерной подготовке территории Мамонтов-ской компрессорной станции, центрального товарного парка резервуаров, в пос. Каркатеевы Нефтеюганского завода круп-но-панешыгого домостроения, нефтепромысловых объектов Хохряковского месторождения;

- при строительстве Салымского участка нефтепровода «Хо лмогоры-Клин»;

- на опытном участке экспериментальной базы в г.Сургуте;

- при ликвидации аварийной ситуации на нефтепроводе «Нижневартовск-Парабсль-Кузбасс» (участок длиной 1200 м).

Фактический экономический эффект, полученный от внедрения результатов исследований, составил 23,6 млн. руб., из которых долевое участие автора составило более 8,5 млн. руб. (в ценах 1984 г.).

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось:

- на секции научно-технического Совета Миннефтегаз-строя (г. Москва, 1985 г.),

- на секции строительства областного Совета НТО НГП им.академика И.М.Губкина (г.Тюмень, 1987 г.),

- на научно-экономическом Совете объединения Запсиб-инжнефтегазстрой (г.Сургут, 1987 г., 1988 г., 1989 г., 1990 г.),

- на выездном совещании Госстроя СССР (г. Сургут, 1990 г.), техническом Совете Главтюменнефтегазстроя (г.Тюмень, 1985 г., 1986 г., 1987 г., 1989 г., 1993 г., на научно-техническом Совете АООТ «Тюменьнефтегазстрой»1994 г., 1995 г.),

- на научно-технических конференциях (г.Тюмень, 1978 г., г.Уфа, 1978 г.),

- на международных конференциях (г.Тюмень, 1997 г., г. Одесса, 1998 г.)

Структура и объем работы. Работа состоит из трех основных направлений, выводов и списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время, по данным Н.А.Малюшина, в России эксплуатируется 49,6 тыс.км магистральных нефтепроводов, 13,3 млн. м3 резервуарных емкостей и 403 нефтеперекачивающих станций. Протяженность магистральных нефтепроводов в Западной Сибири составляет 21 тыс. км. Только в ОАО «Сибнефтепровод» действует 28 нефтепроводов, протяженностью 10,2 тыс. км, эксплуатируются 83 НПС и 2,6 млн. м3 резервуарных емкостей, т.е. около 30% имеющихся в России. Это свидетельствует о больших объемах инженерной подготовки, которая в условиях Тюменского региона осложнена тремя факторами:

1. Отсутствием в регионе запасов нерудных материалов: песка, щебня, гравия. Транспортировка этих материалов из других регионов России на значительные расстояния с учетом слабо развитой транспортной схемы в Тюменской области делает проблему материалов глобальной.

2. Специфическими особенностями эксплуатации самих нефтегазовых объектов: динамические нагрузки на основания и фундаменты насосных и перекачивающих станций, циклические нагрузки на основания и фундаменты нефтехранилищ, коррозийная активность грунтов, как среды трубопроводов и др. К деформациям иустойчивости грунтовых оснований таких объектов действующие нормы пред ъявляют особые требования (допустимые неравномерные осадки, крены, амплитуды и др.).

3. Исключительно сложными инженерно-геологическими и грунтовыми условиями региона. Достаточно сказать, что 2/3 территории Тюменской области сложены вечномерзлыми грунтами, а 75% талых грунтов оставшейся 1/3 территории, по существующим критериям оценки, относятся к категории слабых и, следовательно, не могут служить естественными основаниями, так как обладают низкой несущей способностью и вы-

сокой деформируемостью.

Первое направление - Исследование процесса эрлиф-тного гидроподъема грунта и разработка конструкций эр-лнфтного оборудования на основе системного анализа конструктивных узлов и оптимизации технологических параметров.

Как было отмечено ранее, именно конструктивные и технологические параметры существующих землесосных снарядов не обеспечивают устойчивую гидродобычу нерудных материалов с глубин, превышающих 20 метров.

Под руководством автора и при непосредственном его участии за период с 1982 по 1996 гг. проведено более 100 опытных и опытно-промышленных экспериментов по гидродобыче и гидроподъему песка с глубин до 200 метров. При этом в различных районах испытания выполнялись разными типами эр-лифтно-землесосных комплексов.

Изучение автором физики самого процесса гидродобычи и анализ полученных экспериментальных данных позволили сделать вывод о невозможности глубинной устойчивой добычи песка и гравия существующими конструкциями земснарядов и соответствующим им технологиям. Автором предложен новый эрлифтный подход к решению проблемы: разработка грунта и его гидроподьем осуществляются под действием сил, возникающих при относительном движении воздуха и гидросмеси, за счет разности мощностей потока воздуха, вводимого в эрлифт, и смеси, выходящей из него.

На базе существующих земснарядов автором были разработаны эрлифтно-землесосные комплексы, конструктивные элементы которых при изготовлении опытных и промышленных образцов были исследованы и рассчитаны. Для расчета отдельных конструктивных узлов комплекса автором разработана блок-схема расчета, представленная на рис. 2.

Зумф Объем зумфа созуи.

Консистенция транспорт.пульпы. К тр.

> Консистенция подаваемой пульпы. К под.

Объем подаваемой пульпы сопод.

Консистенция пульпы К п.

Воздухо- Скорость пульпы У п.

отделитель Объем пульпы (an.

Объем воздуха «уеозд.

-о О. Давление пульпы на выходе Р вых.

Подъемная 1— Ш Давление пульпы на входе Рвх.

труба â' < Толщина стенки трубы

tz ш Эквивалентный диаметр Dm.

s bi о

ш •у Плотность смеси S си.

1— о Объем поступающей пульпы а» п.

Смеситель Длина пути смещения потоков Lan.

X ш t— Скорость подачи воды Уводы

Скорость подачи воздуха Veœd.

Диаметр воздухопровода </возд.

Всасывающее Диаметр подающего водопровода deoed.

устройство Суммарная площадь А отверстия S л

Диаметр зоны захвата Оз.

Рис.2. Блок-схема расчета конструктивных узлов эрлифтно-землесосных комплексов

В блок-схеме расчета выполнен системный анализ, где конструктивные узлы выделены по технологическому признаку. Конструкция каждого из узлов определена расчетом, в котором использованы расчетные параметры, указанные на схеме. Основой расчетов конструктивных узлов явилась общая теория эрлифтного гидроподьема грунта, однако в расчетах использованы новые корректирующие схему коэффициенты, полученные автором при выполнении экспериментальных работ.

Следует отметить, что вопросам теории, проектирования и эксплуатации эрлифтных установок посвящено достаточное количество статей, опубликованных различными авторами. Однако результаты этих разработок часто не сопоставимы и трудно поддаются систематизации и анализу. В диссертации впервые рассмотрена совместная работа системы «землесос-эрлифт». Известно, что землесос является рабочей системой с ограниченной возможностью регулировки технологических параметров. В то время как эрлифтная установка позволяет варьировать эти параметры в достаточно широком диапазоне.

Согласование совместной работы системы «землесос-эрлифт» выполнено по важнейшему параметру - производительности. Задаваясь производительностью землесоса, оптимизируется рабочая точка 1 на расходной характеристике эрлифт-ной установки (рис. 3).

Оптимизация проведена по энергетической характеристике - коэффициенту полезного действия эрлифта, допустимое рассогласование в пределах 15 % характеризуется точками 2 и 3.

Рис.3. Выбор рабочей точки на расходной характеристике эрлифтной установки

а) б)

Л =57м Н = до 1000 м а = 0,15-0,5

И = 200 м Н = 4-5м а= 0,75-0,8

Рис. 4. Схема расчета эрлифтного гидроподьема: а) при добыче угля; б) при глубинной добыче песка гравия 18

Условные обозначения:

H - возможная высота подъема пульпы над водой;;

h - абсолютная высота подъема пульпы до поверхности

воды.

h

а = _ - относительное погружение смесителя

H + h

H + h - полная высота подъема пульпы

Между тем, проектирование и расчет эрлифтных установок, предназначенных для глубинной гидродобычи и гидротранспорта песка, принципиально отличаются от применяемых в угольной промышленности (рис.4).

Из схем рис.4 следует, что они отличаются, в первую очередь, относительным погружением.

По результатам опытно-промышленных экспериментов относительные погружения при добыче угля составляет - 0,150,5, а в случае добычи песка и гравия - 0,75- 0,8. При этом процесс добычи угля из зумфа в шахте управляемый, а песка и гравия из глубинной скважины или со дна рек и озер - неуправляемый. Износ рабочих органов при добыче песка и гравия на порядок больше, чем при добычи угля.

На основе гидродинамической теории эрлифтов, базирующейся на уравнениях д вижения трехфазной системы «воздух-вода-твердые частицы грунта», предложен метод расчета, позволяющий определять расход воздуха и пульпы с учетом конструктивных и эксплуатационных параметров установок.

При этом исходными данными для расчетов являлись параметры трубопровода и внешние характеристики нагнета-

тельных устройств.

Положения предложенной методики расчета подтверждены результатами лабораторных и полевых испытаний комплексов.

Созданные автором эрлифтно-землесосные комплексы по техническим характеристикам значительно превосходят серийно выпускаемые в России землеснаряды и существующие за рубежом аналогичные комплексы.

Второе направление - Разработка организации и технологии инженерной подготовки территорий объектов нефтегазового строительства глубинным гидроподъемом грунта и оптимизация организационно-технологических параметров.

Вновь созданные эрлифтно-землесосные комплексы потребовали разработки новой организации и технологии производства работ по инженерной подготовке объектов нефтегазового строительства.

Для комплексной оценки проблемы организации и технологии работ, созданных эрлифтно-землесосных комплексов, автором выполнен системный анализ конструкции эрлифтно-землесосного комплекса (ЭЗК). При этом ЭЗК принят комплексной многофакторной системой, а подсистемами являются виды операций, выделенных по технологическому признаку. Основными технологическими операциями, в соответствии со схемой рис.5, являются разработка, гидроподъем и транспортировка грунта. Количественным выражением каждого элемента подсистемы служат характеристики комплекса, которые определялись как расчетным путем, так и экспериментально.

В процессе опытно-промышленных испытаний определялись: подача эрлифта, расход сжатого воздуха и воды на раз-

Рис.5. Схема системного анализа эрлифтно-землесосного комплекса

Рис. 6. Схема опытно-промышленной экспериментальной установки

1 - насадка; 2 - всасывающее устройство; 3 - смеситель; 4 - подъемная труба; 5 - воздухоотделитель; 6 - сливной трубопровод; 7 - зумф; 8 - понтон; 9 - трубопровод для закачки воздуха; 30 - компрессор; 11-задвижка; 12-манометр, 13 - насос подачи воды; 14-задвижка; 15-манометр; 20 - трубопровод для закачки воздуха; 16, 17, 18, 19, 21, 22 - КИП.

мыв. Схема опытио-промышлешгой экспериментальной установки приведена на рис. 6.(2,15,18,22].

В результате проведенных экспериментов получены следующие показатели, характеризующие работу ЭЗК: максимальная подача эрлифта по пульпе С, = 630 м3/ч; по песку 0Х = 248 м3/ч; расход воздуха Ов = 19,66 м3/мин; расход воды для размыва Сер = 356 м3/ч, высота подъема гидросмеси над уровнем водоема Н - 4м, глубина разработки песка 11 = 12 м. При этом диаметр подъемной трубы эрлифта составлял В = 0,3 м, а воздухо-подающей - 0 = 0,1 м. Относительное погружение смесителя эрлифта <Х~ 0,75, консистенция пудыты к - 38%.

По результатам замеров подачи пульпы (воды) и расхода воздуха получена расходная характеристика эрлифтного подъема комплекса (рис.3).

Необходимое качество экспериментов по определению подачи эрлифта, расхода воздуха и расхода воды выбиралось, исходя из необходимости получения достаточно малой относительной погрешности измерения. При этом количество измерений на одном уровне, необходимых для получения относительной погрешности Е<10 % и для обеспечения доверительной вероятности 0,9 - 0,95, составило не менее 5 и не более 9.

Впервые в результате выполненных экспериментов получены зависимости д от а для песчаной пульпы [2.3,15.16.22] (Рис.7.) Полученная выборка экспериментальных данных была обработана на ЭВМ с помощью стандартной программы. В результате получена зависимость:

q = 0,95 а 22

где: # - удельный расход воздуха при относительном погружении;

а - 0,75.

Величины удельного расхода воздуха для расчета можно определять по экспериментальной кривой 1 рис.7.

В зависимости от условий и рельефа местности следует различать намывы надводные и подводные. При надводном намыве грунт из потока пульпы осаждается на отложения ранее намытого грунта выше уровня воды или на естественный грунт. При подводном намыве, а также в условиях сильно заболоченных территорий, пульпа попадает в водную среду и осаждение грунта происходит как в обычном бассейне, т.е. за счет q выпадения частиц грунта в осадок .

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

ОДО 0,15 ОДО 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70

Рис. 7. Экспериментальная зависимость удельного расхода воздуха q от относительного погружения а;

1 - экспериментальная кривая, полученная автором при добыче песка;

2 - кривая при добыче угля.

2

1

Физическая сущность надводного и подводного намывов, процесс формирования отложений грунта при намыве изучены и освещены в работах Б. А. Воднина, H.IT. Колпапшикова, А.И. Огурцова, Б.М. Шкундина, А.П. Юдина. В этих трудах рассмотрена, в основном, технология возведения сооружений. Выполненные нами исследования показали, что при свободном растекании пульпы по откосу намываемого основания наблюдается веерообразное расширение потока в плане по мере удаления от места выпуска, очертание такого потока в плане соответствует параболе с вершиной у места выпуска. Ширина по-

Рис.8. Очертания потока при свободном растекании пульпы по откосу

1 - магистральный пульпопровод; 2 - граница разлива пульпы

25

Ширина потока пульпы, на расстоянии у, от места выпуска (в м) определяется:

где:

В - ширина потока пульпы, в конце откоса намыва, м

Ь - длина откоса, м

В процессе опытно-промышленных испытаний отрабатывалась организация работ ЭЗК. По мнению автора в цикле подготовительных работ, определенных СНиЛом 3.01.01-85, следует выделить:

Предподготовительный период, во время которого выполняется комплекс работ опережающей инженерной подготовки территорий строительства, включающий:

- изыскания карьеров глубинного грунта для добычи эр-лифтно-землесосными комплексами и скважинной технологией;

- сооружение искусственного основания компрессорных и насосных станций, товарных парков, временных дорог, магистральных трубопроводов;

- период стабилизации неоднородных оснований из намывного грунта и подстилающего торфяного слоя до требуемого нормами (7=0,9.

Подготовительный период, предшествующий началу основных строительно-монтажных работ, на компрессорных и насосных станциях, товарных парках и других объектах, в те-

чение которого производится выполнение работ, согласно СНиП.

На основании выполненного анализа, автором предложена технологическая структура производства работ по намыву узкопрофильных сооружений типа полотна вдольтрассовых автодорог, технологическая схема замыва коридора магистральных трубопроводов, всплывших на поверхность, а также намыва оснований под магистральные трубопроводы (рис.9).

Автором впервые разработаны технологические карты по замыву узкопрофильных сооружений безэстакадным торцевым способом с применением новых эрлифтао-землесосных технологий извлечения песка с глубины до 200 м и укладки его в основания объектов (рис. 10).[19]

Устойчивость магистральных трубопроводов, замытых песком на обводненных и заболоченных участках трассы, обеспечивается за счет балластирующей способности грунтов засыпки. На рис. 11 приведена зависимость удерживающей способности грунтов от их гранулометрического состава и диаметра трубопровода. (23]

Одним из преимуществ применения эрлифтно-земле-сосных комплексов является возможность их близкого расположения от объектов, что позволяет почти полностью исключить автомобильные перевозки грунта при инженерной подготовке территории, а грунт намывать непосредственно на объект (рис.12).

Расстояние, на котором может быть установлен комплекс, определяется глубиной разработкой карьера, характеристиками добываемого минерального грунта, технической возможностью комплекса по транспортировке пульпы и гидрогеологическими условиями разрабатываемого пласта.

Рис. 9. Технологическая схема замыва магистральных трубопроводов с применением

эрлифгно-землесосных комплексов

дорог низкоопорным способом.

1 - эрлифтный комплекс; 2- пульпопровод; 3 - обвалование профиля насыпи; 4 - дублирующее обва-^ лование из синтетического нетканного материала.

Рис. 11. Удерживающая способность грунта засыпки трубопроводов.

Условные обозначения:

Зона удерживающей способности при использовании: А - карьерного грунта; В - гидронамывного грунта; С - глубинного грунта.

Величина балластировки: I —расчетная; П - карьерным грунтом; Ш - гидронамывным грунтом; IV - глубинным грунтом. 30

Эрлифтно-землесосные комплексы по технологии разработки песчаных и песчано-гравийных месторождений можно условно разделить на две группы:

- комплексы, предназначенные для разработки и подъема песка и гравия со дна водоемов;

- комплексы, предназначенные для работ в полевых условиях.

Первая группа комплексов может быть использована для добычи песка и песчано-гравийной смеси со дна рек, озер и болот. При этом не только не наносится вред водоемам и их обитателям, но зачастую выполняется полезная работа по дноуглублению. Для рек и озер это может способствовать улучшению судоходства, а для болот - очистке воды.

Вторая группа комплексов предназначенная для работы в полевых условиях, где эрлифтно-землесосные комплексы непосредственно на болоте самостоятельно разрабатывают карьеры, из которых добывают песок и транспортируют его к месту укладки. Предложенная технология добычи песка и песча-но-гравшсЕЮй смеси в полевых условиях почти вдвое снижает ущерб, наносимый плодородному слою почвы земли при разработке карьера земснарядами.

При скважинной гидродобыче песка создаются благоприятные условия по обеспечению охраны окружающей среды. Отсутствие вскрышных работ позволяет сохранить культурный слой почвы, а затраты на рекультивацию почвы после применения скважинной гидродобычи незначительны по сравнению с разработкой месторождений открытым способом.

При разработке месторождений песка и песчано-гра-вийной смеси комплексами и скважинньши эрлифтами отсутствуют взрывные и погрузочные работы, а ликвидация доставки грунта автотранспортом на территории строительства ком-

31

прессорных и насосных станций, товарных парков, магист-альных трубопроводов практически исключает запыленность и загазованность атмосферы. [17]

Разработанная технология добычи песка и песчано-гра-вийной смеси позволяет применить оборотную систему водоснабжения, что в особенности ценно при скважинной добыче и добыче в полевых условиях, так как существенно уменьшается расход воды.[4,17]

Использование эрлифта дня поиска, разведки и добычи сыпучих полезных ископаемых (песка и гравия) из подводных и обводненных месторождений обусловлено простотой его устройства, обслуживания, высокой надежностью в работе, сравнительно небольшими расходами на его монтаж, эксплуатацию и ремонт.

В результате выполненных экспериментов установлено, что глубина разработки различными типами земснарядов составляет от 3 до 15 м. Эрлифтно-землесосные комплексы позволяют поднимать песчано-гравийные смеси из обводненных месторождений с глубины залегания пласта от 15-20 м до 200 м и более[3,4,5,21].

Землесосные снаряды имеют целый ряд существенных недостатков, основным из которых является абразивный износ грунтового насоса, из-за которого простои, связанные с его ремонтом, достигают 23-41% общего рабочего времени. Производительность земснарядов значительно снижается при содержании гравия в смеси более 20%, а при содержании гравия более 60% использование земснарядов становится нецелесообразным. Производительность грунтового насоса плохо поддается регулированию, в то время, как производительность эрлифта легко и плавно регулируется изменением расходов подаваемого в смеситель воздуха.

Автором выполнен методически чистый эксперимент, в результате которого стало возможным сопоставить и оценить различные схемы организации работ по инженерной подготовке в условиях компрессорной станции «Комсомольская», при этом были исследованы технологические схемы (рис. 12):

Рис. 12. Схемы организации инженерной подготовки территории компрессорной станции «Комсомольская».

1) с применением автотранспорта;

2) с применением автотранспорта и средств гидромеханизации;

3) с применением ЭЗК и станции подкачки воды;

4) с применением только эрлифтно-землесосных комплексов.

Таблица №4.

Технологические параметры различных вариантов организации инженерной подготовки территории компрессорной станции «Комсомольская»

Варианты организации работ Объем работ, м3 Требуемо е кол - во рабочих чел. Требуемое кол - во автотранспорта, шт. Требуемое кол-во строит-дорожной техники, шт. Стоимость 1м3 фунта, уложенного в насыпь, руб.. Затраты на объем работ, тыс.руб.

Вариант №1 200 62 25 4,0 4,75 950

Вариант№2 200 28 10 5,0 3,20 640

Вариант №3 200 10 1 2,2 1,70 340

Вариант №4 200 8 1 1,2 1,30 260

Из данных табл.4 следует, что вариант №4 намыва песка комплексом ЭЗК позволяет по сравнению с вариантом 1 сократить количество работающих почти в 8 раз, количество автотранспорта - на 24 единицы, а общие затраты - в 4 раза.

Для добычи минерального грунта автором разработаны и прошли опытно-промышленное освоение принципиально новые модификации эрлифтно-землесосных комплексов на базе серийно-выпускаемых земснарядов отечественного производства ЭРС-Г, ЛС-27, МЗ-10,350/50Л. Конструктивные решения комплексов различны и зависят от их назначения, мощности, привода. [2,16,18,20,30,32]

Первый вариант. Комплексы разработаны на базе действующих ЗРС-Г и МЗ-10, на которых отработаны различные конструктивные решения отдельных узлов и деталей (опуск-

ная колонна, зумф, воздухоотделитель, система охлаждения, база комплекса) и определена их область применения.

Второй вариант. Комплексы представляют собой сменное оборудование к земснарядам ЛС-27 и 350/50Л, смонтированное на отдельных понтонах и работают в различных режимах:

- земснаряд работает в пределах технической возможности;

- подключении сменного эрлифтного оборудования к земснарядам происходит в том случае когда технологические характеристики работы земснаряда по разработке грунта исчерпаны [2,15,20].

Третий вариант. Разработана принципиально новая технологическая установка в комплектно-блочном исполнении для добычи песчано-гравийной смеси с глубины до 70 м с применением гидроэлеватора.

Четвертый вариант. Разработаны эрлифтно-землесос-ные установки на базе болотохода «Тюмень» для добычи грунта с глубины до 30 м с дальностью транспортировки до 600 м. [18]

Автором определены зоны рационального использования эрлифтно-землесосных комплексов в зависимости от их технологических возможностей (рис. 13).

Для статистической обработки данных экспериментов выбрана математическая модель, представляющая собой регрессионное уравнение, отражающее взаимосвязь функционального признака У (коэффициент превышения продолжительности строительства) с рядом факторных признаков X: уровень специализации строительно-монтажных организаций, индустриализации проектных решений, обеспеченности проектами производства работ и т.п.

У~ Г(Х1;Х2....Хт)

Н,м

55 -------——---

ЭЗК-1Э-1600/25 ЭЗК-1 ЭЗК-1м

50 ЭЗК-10-120/20 I

45 ЭЗК-Э50-50 Л 1 3

40 ' ЭЗКБ-1 | 1"

___________________в.___

" _хп_____—XI__хл

» 1__:_____;____|__/

25 \ I

_______-__\ _ _в____

н ~ «

20 ее 5 §

11 (------О И----4----

,, ЭГМ-2000/65 5 > О 5 О

15---------------

Ю----------§1ЙЯ _.а_§---

5 _______|Щ 1\У

Ш-10 /

500 700 1500 2ООО 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

О га'/час

Рис.13. Зоны экономически выгодного использования комплексов.

Для возможности прогнозирования изменения коэффициента продолжительности строительства рассмотренных нефтегазовых объектов фактический статистический материал проанализирован как функция времени. Ежегодные статистические данные по рассматриваемым переменным усреднены пообъектно. Определена закономерность изменения факторов. Выполнен расчет тенденций по каждому рассматриваемому показателю на базе линейных уравнений трендов. Такой подход позволил значительно упростить уравнение множественной регрессии и связать функциональный признак со временем, что , в свою очередь, в отличие от методики ВНИИСТа, дало возможность выявить закономерность изменения продолжительности строительства и выполнить прогнозные расчеты.

ЭЗК-1Э-1600/25 ЭЗК-1 ЭЗК-1М

ЭЗК-10-120/20

ЭЗК-350-50 Л г

ЭЗКБ-1 о я о.

5 6 )

ожн

\ £ г> О со

н >Я ко « о Ж

ЭГМ-2000/65 в о. в о к 5 о

р. г р. ев Е ✓ к £ С ч Я С

ЗРОГ ЛС-27 ее ° в Е о 2 а ч * / В 8 « а

Ш-10 У, /

Уравнения множественной регрессии для каждого типа объектов (ДНС, КНС) рассчитаны в сигмалъном (стандартизированном) и натуральном масштабах.

В результате проведенных расчетов получены уравнения множественной регрессии в стандартизированном масштабе:

а) для дожимных насосных станций (ДНС)

Ьтс = 0,858^ + 0,395(7 - 0,412(9 + 0,908^

б) дня кустовых насосных станций (КНС)

^с = 0,5371* +0,341*« - 0,305(7 - 0,184(ц

В этих уравнениях коэффициенты перед признаками-аргуменгами 1; отражают степень влияния изменения значений каждого аргумента на функциональный признак.

Коэффициенты множественной регрессии в натуральном масштабе рассчитаны по формуле перевода

а; = № (§1 / 50 ,

61 - среднее квадратичное отклонение функционального признака;

6; - среднее квадратичное отклонение факториалыюго признака.

Величина свободного коэффициента (Х1 вычислялась из уравнения

«1 = У - «2X2 - о№ - 04X4 +......+ апхп,

где:

у - средняя арифметическая величина функционального признака;

Х2,ХЗ,Х4...Х„ - средние арифметические величины фак-ториальных признаков.

Рассчитанные коэффициенты et, позволяют составить уравнения множественной регрессии в натуральном масштабе.

Для дожимных насосных станций (ДНС) уравнение множественной регрессии и уравнения трендов ф актор иальных признаков в натуральном масштабе имеет соответственно вид

yi = - 0,645 + 0,706хб + 0,662x7 - 0,762х9 + 0,5хи,

где:

X« = 0,918 - 0,014t х9 = 0,436 - 0,028t

х-г = 0,844 - 0,019t Хн = 1,074 - 0,057t

или для ДНС получим:

У! = 0,768-0,0045t;

Для кустовых насосных станций (КНС) уравнение множественной регрессии и уравнения трендов факториальных признаков в натуральном масштабе имеет соответственно вид:

у2 =0,705 +0,004X5 +0,406X6 -0,287х7 -0,13хи,

где: х5 - 96,131 + 4,088t х7 = 0,642 + 0,007t Хб = 0,99 +0,022t хп = 1,732 - 0,024t

или получим в окончательном виде:

у2 = 1,135 + 0,0271

Рассчитанные п.о формуле

Rn = ^Fr^^r^ * r1)4+...+ß„ * rn

совокупные коэффициенты множественной корреляции

Rkhc = 0,935; Кднс = 0,997;

показывают высокую точность решений составленных уравнений.

Таким образом, уравнения множественной регрессии, полученные на основании рассчитанных линейных уравнений, преобразованы в уравнения, описывающие изменения коэффи-

циента превышения фактической продолжительности строительства над нормативной в зависимости от времени {.

Для ДНС числовой коэффициент перед I имеет отрицательный знак, поэтому сред не прогностическая линия имеет тенденцию к снижению, т.е. каждый из рассматриваемых фак-ториальных признаков уменьшается во времени (рис. 14).

Для КНС этот числовой коэффициент имеет положительный знак, поэтому факториальный признак имеет склонность к увеличению во времени. Таким образом, при сложившихся направлениях развития технико-экономических показателей, имеется тенденция к увеличению сроков строительства объектов (рис.15).

Анализ выявил тенденцию к увеличению во времени таких важных для КНС фазкториальных признаков, как коэффициент равномерности движения рабочей силы , коэффициент превышения фактической продолжительности подготовительного периода над нормативной Ха и обеспеченность строительства проектом производства работ (ППР) Ху.

Возрастание значения коэффициента превышения фактической продолжительности подготовительного периода над нормативной до 1988 года позволяет заключить, что шокенер-ная и организационно-технологическая подготовка строительства на таких объектах, как КНС, не всегда находится на должном техническом и организационном уровне. Выходом из положения является создание специализированных строительных организаций для инженерной подготовки строительных площадок.

При участии автора разработан исследован и прошел промышленные испытания метод вертикального замещения слоев, при котором глубинные пески откачивают на поверхность, а глинистые породы спускают на место песчаного слоя.

Кпр.ст.

Рис. 14. Диаграмма продолжительности строительства ДНС за период 1981-1993 г.г.

Условные обозначения: Кпрсг ■ коэффициент превышения фактической продолжительности строительства; I - динамика изменения фактической продолжительности строительств;

П - расчетная динамика изменения продолжительности строительства; 1П - среднепрогностическая линия продолжительности строительства; IV - границы доверительных интервалов,

Рис. 15. Диаграмма продолжительности строительства КНС за период 1986-1996 г.г.

Условные обозначения:

Кпрсг - коэффициент превышения фактической продолжительности строительства;

I - динамика изменения фактической продолжительности строительств;

II - расчетная динамика изменения продолжительности строительства;

III - среднепрогаостическая линия продолжительности строительства;

IV - границы доверительных интервалов.

V - желаемое изменение среднепрошостической линии

Внедрение новых технологических и организационных решений при добыче глубинного минерального грунта с использованием скважинных эрлифтов и эрлифтно-землесосных комплексов позволили:

- увеличить глубину разработки месторождения песка и гравия до 200 м;

- сократить штат обслуживающего персонала на 40%;

- ликвидировать сезонность гидронамывных работ;

- сократить потребность в тяжелых автосамосвалах для перевозки грунта на 90 %, строительно-дорожной техники на 50 %;

- использовать вторично ранее отработанные карьеры, и тем самым, значительно сократить объем подготовительных и вскрышных работ;

- снизить стоимость 1м3 добываемого песка на 50%, песчано-гравийной смеси почти в 10 раз;

- сократить капитальные затраты на сооружение объектов социальной сферы в 3-4 раза;

- сократить трудоемкость работ подготовительного цикла на 60-70%.

Экономический эффект от внедрения одного эрлифтно-землесосного комплекса составляет 350-400 тыс. руб. в год. скважинкою эрлифта - 200-300 тыс. руб. (в ценах 1984 г).

Подтвержденный эффект, полученный от внедрения результатов исследований, составил 23.6 млн. руб., из которых долевое участие автора составляет более 8,5 млн. руб. (в ценах 1984 г.).

Экономическая эффективность внедренных разработок очевидна. Внедрение в практику нефтегазового строительства скважинкой гидродобычи песка позволило определить основные показатели этого метода. Добыча из одной скважины глу-

биной 40-50 м составляет 2,3 тыс.м3 песка. Производительность скважины - 80- 40 м3/час гидросмеси или 20-60 м3/час. Гидронамыв песка при необходимости производится круглосуточно составом бригады из 16 человек. За год можно пробурить 50-70 скважин и намыть 100-150 тыс.м3 песка.

Еще более показательны затраты на выполнение ремонтных работ на объектах, построенных на намывных грунтовых основаниях различными технологическими схемами (табл.5

Таблица № 5

Основания, выпол-ненниеиз грунтов Срок консолидации основания (год) Срок экспл. (год) Величина осадки основания, м Затраты на вост. основания, илн. руб. Затраты на вост. благоустройства, млн. руб. Затраты на рем. сетей, млн. руб. Общие затраты, млн. руб Примечание

1. Основа-

ние,выпол- Толщина

ненное из торфяно-

карьерного го основа

фунта 1,5-2,0 1 0,27 4,24 8,2 2,72 15,27 ния под

2. Основа- насыпью

ние, выпол- 1,2 м

ненное из Толщина

гидрона- основа-

мывного ния из

фунта 1,0-1,5 1 0,16 1,91 22,9 0,82 5,2 фунта

3. Основа- 1,0 м

ние, вы-

полненное

из глубин-

ного песка 0,7 1 0,06 0,72 1,24 - 1,95

На трех идентичных объектах Западно-СургутскЪго нефтяного месторождения автором было проведено опытно-промышленное исследование, цель которого - определение затрат на ремонтные работы оснований, инженерных и техни-

ческих коммуникаций, дорог и проездов в результате осадок оснований. Экспериментом предусматривались выполнение на каждом объекте различных технологий подготовки оснований, сроки стабилизации и одинаковый срок эксплуатации. Результаты эксперимента показали, что затраты на выполнение ремонтных работ оснований, выполненных из глубинного грунта, в 6 раз меньше затрат, выполненных из грунта карьерного, а на благоустройство и дороги - в 6,8 раза. Затраты на ремонтные работы инженерных и технологических коммуникаций на основаниях из глубинного грунта практически отсутствуют.

По сравнению с другими способами разработка грунтов эрлифтными установками позволяет добывать пески с улучшенным зерновым составом, что приводит к существенному увеличению коэффициента фильтрации намывного песка и, как это будет показано далее, к ускорению процесса консолидации двухслойного основания «песок-торф».

Третье направление исследования - Теоретические основы решения инженерных задач работы неоднородных намывных оснований.

Грунтовые условия Тюменского региона и особенности их использования в качестве оснований подробно изложены в работах проф. П.А.Коновалова, проф. С.Я.Кушнира и др. Авторами выделены группы и подгруппы схем напластований грунтов в Западной Сибири, дано описание минеральных грунтов, торфов и заторфованных грунтов и их физико-механические и строительные свойства.

Изучение и анализ многочисленных геологических разрезов, выполненных различными проектными и изыскательскими организациями, свидетельствует, что только в исключительных случаях основания объектов нефтегазового строитель-

ства сложены однородным грунтом. При этом в плане и по глубине вид грунта и его состояние постоянно меняются. Из-за равнинного (бессточного) рельефа местности и значительного превышения осадок над испарениями для региона характерен высокий уровень грунтовых воя который колеблется от 0,5 и до 1,8 м в минеральных грунтах и от 0,0 до 0,3 м - в торфах. Так как подстилающие торфяные толщи грунта являются во-доупором, то в 85% случаях уровень грунтовых вод выше глубины заложения фундаментов, что обусловливает значительные затраты на гидроизоляцию фундаментов и обслуживание водоотводного оборудования.

В подавляющем большинстве случаев грунты Тюменского региона обладают низкой несущей способностью и по всем критериям оценки относятся к категории «слабых». Расчетное сопротивление минеральных грунтов не превышает 0,1 МПа, а торфов и заторфованных грунтов - 0,05 МПа считается предельным.

Для грунтов региона характерна высокая деформируемость. Так модуль деформации суглинков составляет всего 4,0-6,0 МПа, а торфа - 0,05-015 МПа

Наиболее важной и отличительной особенностью грунтов Тюменского региона является их пылеватость. Достаточно сказать, что содержание в них пылеватой фракции от 0,05 до 0,005 мм колеблется от 30% до 60%. Это обусловливает их склонность к морозному пучению. Опыт строительства в Тюменской области свидетельствует, что силы пучения значительные и составляют 0,32 МПа, а величина подъема грунта при пучении (по данным К.А.Хамидулина) - до 20% толщины промерзающего слоя грунта.

К особенностям использования грунтов региона в качестве оснований зданий и сооружений следует отнести и суровый климат с продолжительной холодной зимой и коротким

45

летом. Это является причиной значительной глубины сезонного промерзания грунтов. Нормативная глубина промерзания грунтов на Юге области составляет 1,5-1,7м, а на севере - до 3 метров и более. Фактические глубины промерзания, как правило, совпадают с нормативными, однако в холодные зимы они достигают 4 метров (Сургут, 1969 г.). Средняя глубина промерзания торфа - 0,5-0,7 метров, иногда до 1 метра.

Перечисленные особенности использования грунтов в качестве оснований в Тюменском регионе неизбежно влекут за собой трудности технологического характера и их удорожание. Вместе с тем они (эти особенности) обусловили необходимость опытной проверки и апробации практически всех традиционных методов улучшения строительных свойств грунтов в условиях региона (водопонижение, замена грунта, все виды уплотнения, закрепления, в том числе и электрохимическое, упрочнение и т.д.). Однако часто технологическая неосуществимость делают их применение экономически неэффективным.

Для повышения надежности сооружаемых компрессорных и насосных станций, товарных парков, временных дорог, магистральных трубопроводов в Западной Сибири необходимо возводить искусственные основания, используя для этих целей местные строительные материалы - песок.

Как было показано ранее, на всех осваиваемых месторождениях и трассах трубопроводов имеются запасы глубинных песков, разработка которых возможна только эрлифтно-землесосными комплексами. Перспективными являются месторождения песка с залеганием на глубинах 20-30 м, 80-150 и 200-260 м. Поэтому инженерная подготовка территорий к строительству гвдронамывом грунта определена как наиболее рациональная, а сложность и актуальность этой проблемы обусловили ее включение в Целевую Комплексную программу 46

0.1Д.031. Госстроя СССР.

В грунтовых условиях Тюменского нефтегазового региона при гидронамыве грунта мы всегда получаем двухслойное основание и, как правило, со слабым подстилающим слоем. Стабилизация таких оснований зависит от многих взаимосвязанных и изменяющихся во времени факторов, является сложной инженерной задачей, так как именно она определяет сроки и эффективность освоения месторождений. Это касается всех объектов нефтегазового строительства, в том числе и промысловых автомобильных дорог.

Таблица б.

Зерновой состав фунта,%

Размер частиц в мм.

0,25 0,25- <0,1 0,1 0,25 0,25- <0,1 0,1 0,25 0,25- <0,1 0,1

Местонахождение площадки Разработка фунта в карьере экскаватором, мм Намыв фунта земснарядами, мм Намыв фунта эрлифтами, мм

г.Нижневартовск г.Нефтеюганск г.Сургут п.Федоровка 7,2 40,8 52,0 7,2 40,2 52,4 6,9 41,2 51,9 7,4 40,1 52,5 63,1 35,5 1,4 63,0 35,3 1,7 61.0 37,1 1,9 64.1 32,6 3,3 79,3 20,1 0,6 77.0 22,3 0,6 82,3 17,2 0,5 86.1 13,5 0,4

Натурными экспериментами автором установлено, что грунты, добываемые эрлифтным методом с глубины 20 метров и более, имеют стабильный гранулометрический состав и отличаются повышенным содержанием частиц размером 0,25 мм и ния и оценки в таблице 6 приведен гранулометрический состав песка, добытый различными технологиями в различных районах Тюменской области [1.4,5,9].

Из таблицы следует, что по сравнению с другими ме-

•годами разработка грунтов эрлифтными установками позволяет добывать пески с улучшенным зерновым составом, что приводит к существенному увеличению коэффициента фильтрации намывного песка. Улучшение гранулометрического состава песка подтверждается также зависимостями плотности и влажности намывного грунта (рис. 16), полученными с помощью радиометрического анализа.

•V

Интенсивность намыва- 40 см/час.

Р2 (12

510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 150 2881

Рис. 16. Изменение во времени плотности и влажности грунта, намытого эрлифтами.

Условные обозначения: Р[с1} - кривая изменения плотности грунта, ТП с. Кар-катеевы;

Р2(12 - кривая плотности грунта, КС «Комсомольская»; \Уг - кривая влажности грунта, ТП с. Каркатеевы; ¡¥2 - кривая влажности грунта, КС «Комсомольская».

►

Анализ графиков на рис. 16 свидетельствует, что уплотнение слоя намытого песка во времени происходит неравномерно. Так, за 1,5 часа процесса намыва плотность скелета песка Рс1 изменилась от 0,49 до 1,7 г/смЗ, а после окончания намыва в течение 48 часов практически не изменилась. Аналогичная картина наблюдалась и в основании КС Комсомольская (соответственно 0,42-1.63 г/смЗ). Это говорит о том, что благодаря крупности песка и его высоким фильтрационным свойствам нагрузка практически сразу воспринимается скелетом грунта.

Влияние фильтрационных свойств песков на процесс консолидации уплотняемого слоя торфа в условиях Западной Сибири изучалось П.А.Коноваловым, И.Н.Кулебякиным, С.Я. Кушниром и др. Поскольку исследования, проведенные этими авторами, были связаны с карьерными песками и песками, намытыми земснарядами, то процессы стабилизации песков, намытых эрлифтным способом, потребовали более детального анализа.

С целью изучения особенностей деформирования и консолидации подстилающего торфяного основания, пригружен-ного слоем песка, намытого эрлифтным методом, автором выполнен комплекс лабораторных и натурных исследований.

Лабораторные эксперименты (1987-1990гт.) проводились на кафедре механики грунтов Тюменского инженерно-строительного института в специальном разборном лотке размером 2,0x0,6x0,6 м. Перемещение отдельных слоев торфа фиксировались глубинными марками, а поровое давление - по-ропьезометрами. Толщина подстилающего торфа и намывного песка составляли по 0,3 метра.

Натурные исследования проводились на девяти площадках.

Три площадки расположены в Нижневартовском районе, где толщина слоя торфа составляет 2,8-3,2 м; 6 площадок -в Сургутском районе с толщиной торфяного слоя 2,0-2.5 м. Толщина слоя намытого песка на всех площадках изменилась в пределах от 1.4-3.6 м.

Достаточно большой опытный материал позволил выявить динамику осадки торфяного основания и получить эмпирические зависимости для таких важных параметров торфяной толщи, как коэффициенты пористости и фильтрации.

Рис. 17 Изменение осадки торфяного основания под песчаной нагрузкой

1 - привозной из карьера (К ] = 1,5 м/сут.); ]

2 - намытый земснарядами (К 2 = 3,1 м /сут); ^ натурные испытания

3 - намытый эрлифтами (К 3 = 7 м /сут); ]

4 - мгновенная нагрузка р10 = 0,34 кг/см2 с нулевым фильтрационным сопротивлением.

Установлено, что уплотнение торфяных толп?, пригру-женных слоем пылеватых песков из карьера, в основном, заканчивается через 1,5-2,0 года, слоем пылеватых песков, намытых земснарядами - через 1,0-1,5 года, а слоем крупнозернистых песков, намытых эрлифтпыми установками, - через 5-6 месяцев после устройства основания, (рис. 17)

Критерием оценки стабилизации двухслойного намывного основания служит степень консолидации, определяемая из выражения:

$2

S2k(H)

где:

S2(H; t) - величина осадки поверхности торфа в момент Г;

SíkfH) - конечная осадка поверхности торфа.

Исследование осадки торфяного основания во времени позволило установить, что наиболее интенсивное уплотнение торфа начинается в верхнем (компрессионном) слое толщиной Нк (за 10-15 % времени условной стабилизации 70-75% конечной осадки), причем скорость уплотнения компрессионного слоя зависит от коэффициента фильтрации песчаной пригрузки.

Под компрессионным слоем подразумевается слой торфяной толщи, в котором имеет место значительное изменение пористости от нагрузки при достаточно высоких фильтрационных свойствах торфа.

Проведенные испытания позволили автору поставить и решить задачу консолидации торфяного основания, пригру-женного слоем песка.

В работе рассмотрена консолидация торфа под действием мгновенной нагрузки Pío, равной давлению слоя намытого песка (рис. 18), при этом фильтрационное сопротивление нагрузки равно нулю (штамп с отверстиями).

-/

/

о

ИШШИЬ

н*

я

. | | /' Компрессионный слой=- /{(

н

71

Н2

V.

у—7

/1

^ ¡(И ^11(1^1(1!

у ////////////////

Рис. 18. Расчетная схема консолидации основания под действием мгновенной нагрузки.

На основании теории фильтрационного уплотнения Тер-цаги-Герсеванова получено нелинейное дифференциальное уравнение одномерной задачи консолидации торфяной толщи:

(1 + <> [ др2 / -*1гГ*м/

др2

Ув *дЕ2 дрг

(1)

где:

Р2 - эффективное давление в торфе; уе - объемный вес воды;

Е2 = Е2 (р2 2) кК2 = К2 (р2 >' Я) - коэффициенты пористости и фильтрации торфа, зависящие от р2 и глубины Z залегания слоя (определяются эмпирически по результатам лабораторных и натурных исследований). 52

вид:

Начальное и граничные условия уравнения (1) имеют

Г р2 = 0 р2 = Рю

при * = О при 2= О при 1

(2)

муле:

Осадка слоя торфа толщиной II] находится по фор-

3, (Н,; ов" Ц ,1/ (3)

II -II.

1 + Е2 (0;Ж)

Конечная осадка слоя определяется следующим выра-

жением:

я

8ж = /Ег(о;г).Е;(Р„;г) дг ^ 1 + Е2 (0; г)

Н-11

Описанная уравнениями (1) - (2) задача консолидации торфа не поддается точному решению существующими методами, поэтому исследуется численно методом конечных разностей. Дискретизация уравнения проведена по неявной линейной схеме, относительно значений неизвестной функциир2 на верхнем временном слое. Значения нелинейных величин (коэффициенты пористости и фильтрации) брались на предыдущем временном слое. Решение ищется методом иггераций.

Шаг по глубине X принимался равным 10 сантиметрам, шаг по времени Г варьировался от 24 часов до 2 месяцев при устойчивой работе численной схемы. Сравнение результатов вычислений с опытными данными проведено для площадки № 9 при следующих расчетных параметрах:

Н - 220 см.; рю = 0,34 кг/см (давление слоя песка

толщиной Л —200 см с объемным весом у/ - 1,7 * 10"3 кг/см3) у,!= 10"3 кг/см3;

Е2 = 10,91 * ехр [ - 0,69 (р2 + 2,35 * 10 3 * X)]; К2 = 4,17. ехр [ - 1,3 (р2 + 1,61.10 2 * Щ (в

см./час)

Зависимость степени консолидации от времени показана на рис. 17 (кривая № 4), трафики изменения давления на различных глубинах приведены на рис. 19.

Таким образом, подтверждено существование компрессионного слоя, толщина которого Нк может быть определена из уравнения:

(Н; 0,15 . Т) - (Н- Нр; 0,15»Т) _0?() 82К (Н)

где:

Т - условное время полной консолидации.

Полученные численные результаты позволили выяснить зависимость скорости консолидации торфяного грунта от коэффициента фильтрации намывного песка. Вначале происходит быстрое уплотнение компрессионного слоя, приводящее к такому же быстрому выдавливанию воды из порового пространства торфа с дальнейшей ее фильтрацией через песок. [23]

Связь объема \¥ выдавленной воды с коэффициентом фильтрации К.1 песка определяется приближенным равенством: _

н

где: _

К - средний напор воды при фильтрации; А - толщина слоя песка; Л - площадь сечения фильтрации; 1ф - время фильтрации.

Время в сутках

Рис. 19. Изменение эффективного давления в торфе во времени

СП СЛ

При одинаковой степени консолидации и прочих равных условиях это соотношение принимает вид:

Ki * t,},» const.

Следовательно, применение крупнозернистых песков, добытых эрлифтными установками, позволяет получить значительный выигрыш по времени на начальном этапе строительства, а значит, сократить сроки подготовки территорий к строительству.

Основные выводы

1. Научно обоснована и в практике нефтегазового строительства Западной Сибири доказана эффективность применения эрлифтного метода гидроподьема грунта для инженерной подготовки площадок компрессорных и насосных станций, товарных парков, временных дорог, магистральных трубопроводов.

2. Разработана и доведена до численных значений методика расчета осадок намывного грунтового основания, выполненного из глубинных песков, подстилаемых торфом. Доказано, что интенсивное уплотнение торфяного слоя заканчивается в течение двух месяцев, за 15-20% времени условной стабилизации осадки достигают 70-75 % их конечного значения. Подтверждено существование компрессионного слоя, получена формула для определения его толщины. Установлена зависимость скорости консолидации от коэффициента фильтрации песка на первом этапе консолидации.

3. Впервые на основании системного анализа и оптимизации технологических параметров разработана новая организация и технология инжнерной подготовки нефтегазовых объектов эрлифтным гидроподьемом грунта.

4. Расчетами показано, что трубопроводы, замытые глубинным песком, обладают повышенной удерживающей способностью при вертикальных перемещениях трубопровода. Это позволяет обеспечить устойчивость положения трубопровода диаметром до 1420 мм включительно на заболоченных и обводненных участках без дополнительной балластировки. Удерживающая способность грунтов засыпки, добытых эрлифтным методом, на 25-30 % выше, чем грунтов намытых земснарядами, и на 60-70 % выше, чем карьерных грунтов.

5. Разработаны принципы организации поточной технологии инженерной подготовки территории компрессорных и насосных станций, товарных парков, временных дорог, магистральных трубопроводов, включая экономическую оценку использования различных вариантов технологий. Результаты исследований новых технологий инженерной подготовки территорий свидетельствуют, что технологический процесс при обогреве трубопроводов греющими элементами можно осуществлять круглогодично при круглосуточном режиме работ эрлифт-но-землесосных комплексов. Стоимость одного кубического метра добытого песка с применением новой технологии на 50% ниже по сравнению с гидродобычей, а гравия - почти в 10 раз по сравнению с его доставкой из Средней полосы России. Транспортные расходы сокращаются на 90 %, затраты на эксплуатацию дорожно-строительной техники - на 50 % по сравнению с традиционным вариантом.

6. При капитальном ремонте нулевого цикла компрессорных станций с использованием глубинного грунта затраты в 8 раз меньше, чем при использовании грунта, разработанного земснарядами. Фактический экономический эффект составил 23,6 млн.руб.; из них долевое участие автора - более 8,5 млн. руб. (в ценах 1984 г.).

Основное содержание доклада опубликовано в следующих работах:

1. Андриуцэ М.Д., Холмогоров А.П., Урсу В.Н. Совершенствование земляных работ в нефтепромысловом строительстве (монография). - Кишенев; Картя Молдованяска, 1990. -с.172-193.

2. Антонов Я.К. Холмогоров А.П., и др. Добыча нерудных материалов эрлифтами (монография). - М: Недра, 1993. -с.39-86; 129-150.

3. Холмогоров А.П. Организация и технология инженерной подготовки объектов трубопроводного транспорта // Учебное пособие - Уфа, 1994. -с. 1 -54.

4. Холмогоров А.П. Организация и технология сооружения грунтовых оснований объектов Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса (обзор). - Сургут: Сургутский государственный университет, 1997. -.1-76.

5. Холмогоров А.П. Улучшить подготовку строительства. // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1976. -№ 5. -с.32.

6. Холмогоров А.П.,ГалеевВ.Б., ЛещинскийС.Н. К вопросу проектирования и строительства нулевого цикла нефтепромысловых объектов в сложных природно-климатических условиях//Тезисы республиканской научно-технической и научно-методической конференции - Уфа: Ротапринт УНИ, 1978. -с.6-7.

7. Холмогоров А.П., СамусеваР.Ф. Разработка плана

подготовки нефтепромыслового строительства в Главтюмень-нефтегазстрое // «Нефтепромысловое строительство». М.: ВНИИОЭНГ, 1989. № 6 - с.4.

8. Холмогоров А.П., Галеев В.Б., Лещинский С.Н. Особенности технологических решений по подготовке территорий для строительства нефтепромысловых объектов // Тезисы Республиканской научно-технической и научно-методической конференции. - Уфа: Ротапринт УНИ, 1978. - с. 11-12

9. Холмогоров А.П. Об обустройстве нефтяных месторождений Среднего Приобья // Экспресс-информация «Строительство объектов нефтяной и газовой промышленности». - М.: НИПИЭСУнефтегазстрой, - 1997. - № 7 - с. 15-19.

10. Холмогоров А.П., Самусева Р.Ф. Расчет потребности ресурсов на стадии подготовки строительства нефтепромысловых объектов в рамках территориального Главка //Материалы 7 научно-технической конференции и научных сотрудников Тюменского инженерно-строительного института. - Тюмень: Ротапринт ТИСИ, - 1978. - с.15-18.

11. Холмогоров А.П., Шишкин В.И. Предподготовитель-ный период в строительстве // Экспресс-информация «Строительство объектов нефтяной и газовой промышленности» - М,: НИПИЭСУнефтегазстрой, - 1978. - № 6. -с. 8.

12. Холмогоров А.П., Межлумов A.A. Анализ продолжительности нефтепромысловых объектов в условиях Западной Сибири с использованием статистических и математических моделей // Экспресс-информация. - М.: НИПИЭСУнефтегазстрой, - 1980. - № 7. - с.3-9.

13. Холмогоров А.П., Чижевский М.В., Шпак Д.Н., Шлыков JI.A. Гидронамыв глубинного песка при сооружении

оснований и дорог. // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра,- 1982.-с.9-11.

14. Холмогоров А.П., Новиков Д.В., Гейер В.Г. и др. Эрлифтно-землесосный комплекс// «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, - 1987. - № 5. - с.22-23.

15. Холмогоров А.П. Опытно-промышленный эрлифтно-землесосный комплекс ЭЗК-1// «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1990. -№ 4. - с.42-44.

16. Холмогоров А.П., Козыряцкий Л.Н., Антонов Я.К., Холмогорова O.A. Эксплуатация эрлифтно-земснарядных комплексов Западной Сибири // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1990. - № 4 . с.42-44.

17. Холмогоров А.П. Влияние эрлифтно-землесосных комплексов на состояние окружающей среды // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1990. 8 - с. 31-32.

18. Холмогоров А.П. Промышленные испытания эр-лифтно-землесосных комплексов // «Механизация строительства». - М.: Стройиздат, 1990. - № 12 - с. 16

19. Холмогоров А.П. Гидродобыча глубинного песка для пригруза трубороводов на болотах // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1991. -№ 5 - с.8-12

20. Холмогоров А.П. Эрлифтно-землесосный комплекс ЭЗК-1400/20 // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1991. - с.26-27

21. Холмогоров А.П. Прокладка инженерных коммуникаций // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1993. -№ 12 - с.40

22. Холмогоров А.П., Козыряцкий Л.Н., Антонов Я.К. Эрлифтно-землесосный способ разработки со дна водоемов За-

падной Сибири песка //«Механизация строительства». -М.: Стройиздат, 1990. - № 6 - с.20

23. Холмогоров А.П. Стабилизация и формируемость оснований. //«Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1993.-№12-с.38-39

24. Холмогоров А.П. Оценка пригодности территории // «Строительство трубопроводов». - М.: Недра, 1993. - № 12 -с.37

25. A.C. № 1054544 (СССР) Устройство для скважин-ной гидродобычи полезных ископаемых / А.П.Холмогоров, Д.Н. Шпак, Л.А.Шлыков // БИ 1983. № 42 - с.9-10

26. A.C. № 1054545 (СССР) Устройство гидродобычи А.П. Холмогоров, Д.Н. Шпак, Л.А.Шлыков // БИ 1983. № 42

27. A.C.№ 1032226 (СССР) Эрлифт/А.П. Холмогоров, Л.А.Шлыков, Б.Л, Барский//БИ 1983. № 28

28. A.C. № 1099082 (СССР) Скважинный земснаряд /

A.П.Холмогоров, Д.Н. Шпак, В.Ж.Арене // БИ 1984. № 23

29. A.C. № 1657789 (СССР) Эрлифтная установка/А.П. Холмогоров, В.Г.Гейер, А.П.Володин //БИ 1991. № 23

30. A.C. № 1539265 (СССР) Эрлифтно-землесосный снаряд / А.П.Холмогоров, А.Д.Новиков, М.М.Карабачинский и др. // БИ 1990. №4

31. A.C. № 1622544 (СССР) Эрлифтно-землесосная система/А.П.Холмогоров, В.Г.Гейер, Г.С.Володин//БИ 1991.№3

32. A.C. № 1665101 (СССР) Эрлифт / А.П.Холмогоров,

B.Г.Гейер, Г.С.Володин //БИ 1991. № 27

33. A.C. № 1629626 (СССР) Эрлифт для подъема пульпы / А.П.Холмогоров, В.Г.Гейер, Л.Н.Козыряцкий // БИ 1991. №7

34. A.C. № 1749798 (СССР) Эрлифт для очистки резервуаров / А.П.Холмогоров, Г.С.Володин, Я.К.Антонов и др. // БИ 1992. №22

35. A.C. №1735610 (СССР) Воздухоотделитель / А.П. Холмогоров, Г.С.Володин, Я.К.Антонов // БИ 1992. № 19

36. A.C. №1728536 (СССР) Эрлифтная установка / А.П. Холмогоров, Г.С.Володин, В.Г.Гейер II БИ 1992. № 15

37. A.C. №1751436 (СССР) Эрлифтная установка / А.П. Холмогоров, Л.Н.Козыряцкий, Я.К.Антонов //БИ 1992.№28

38. A.C. №1751437 (СССР)Эрлифт/ А.П.Холмогоров, Г.С.Володин, Я.К.Антонов // БИ 1992. №28

39. A.C. №1751438 (СССР) Воздухоочиститель эрлифта / А.П.Холмогоров, Г.С.Володин, Я.К.Антонов // БИ 1992. № 18

40. A.C. №1751439 (СССР) Эрлифт / А.П.Холмогоров, Г.С.Володин, Я.К.Антонов // БИ 1992. № 28.