книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

Введение

-li-

мерзлых грунтов, что является сложной геотехнической про­ блемой развития нефтегазовой отрасли.

Из диаграмм следует, что Западно-Сибирский регион будет и впредь (до 2020 года) оставаться главным нефтедобывающим регионом страны, хотя многие крупные месторождения здесь вышли на поздние стадии разработки с падающей добычей. По­ тенциальная добыча «новых» нефтегазоносных регионов Евро­ пейского Севера, Восточной Сибири и Дальнего Востока кратно меньше, чем «старых». Однако, в соответствии с энергетической стратегией России, добыча нефти будет расти, но освоение «но­ вых» месторождений будет весьма затрудненным.

	2000г.		2020 г.
■	Западная Сибирь	■	Урало-Поволжье
□	Европейский Север	□	Дальний Восток
■	Восточная Сибирь	В	прочие месторождения

Рис.1. Планируемая структура добычи нефти (млн.т) по регионам России

всоответствии с энергетической стратегией

Всвязи со смещением нефтегазодобычи на Север уже в на­ стоящее время существует острая потребность в исследованиях, направленных на совершенствование методов проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты.

Эти исследования связаны с более точной и полной оценкой мерзлотных условий региона и построением на основе этих дан­ ных математических моделей, связывающих технические пара­ метры зданий и сооружений с природными условиями. Конеч­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 2 - объектов в условиях Севера

ной целью таких исследований в области вечномерзлых грунтов должна быть разработка простых и доступных для строительст­ ва, реконструкции и ремонта рекомендаций.

Отмеченные проблемы освоения северных территорий мо­ гут быть решены при условии обеспечения квалифицированны­ ми кадрами. Между тем до настоящего времени нет ни одного учебника для нефтегазовых вузов, в котором бы в полном объе­ ме были освещены специфические особенности нефтегазового строительства, собраны в едино теоретические основы и требо­ вания, действующих в настоящее время нормативных докумен­ тов.

Механика мерзлых грунтов является неотъемлемой частью прикладной науки «Геотехника», базирующейся на основных положениях геодинамики. При проектировании и строительстве сооружений на грунтах мерзлых, в отличие от талых, должны учитываться их реологические свойства, обусловленные темпе­ ратурой мерзлого грунта и временем действия нагрузки.

В настоящее время программа курсов механики мерзлых грунтов и принципов строительства на них инженерных соору­ жений значительно расширилась в связи с возможностью при­ менения ПЭВМ, позволяющих реализовать сложные математи­ ческие модели напряженно-деформированного состояния грунта и конструкций. Содержащиеся в учебнике сведения значительно развивают и формируют мировоззрение будущих инженеров.

Особую значимость знания механики мерзлых грунтов и принципов стротельства в условиях Севера приобретают при освоении и транспорте нефти и газа в Тюменском нефтегазовом комплексе, значительная часть территории которого (более 1 млн. км2) сложена мерзлыми грунтами.

Структура учебника включает основные разделы читаемых курсов полностью соответствует учебным планам и содержанию читаемых дисциплин, а также требованиям квалификационной характеристики инженера согласно ГОС ВПО по данной основ­ ной образовательной программе.

В настоящее время отсутствуют учебники, освещающие вопросы проектирования и строительства нефтегазовых объек­ тов в условиях вечномерзлых грунтов. В учебнике же впервые увязаны основные положения механики мерзлых грунтов и

Введение

-13-

принципы строительства на них с требованиями действующих в настоящее время нормативных документов.

Изложены закономерности работы мерзлых грунтов под нагрузкой с учетом ползучести и длительной прочности. В наи­ более сложном разделе, посвященном методам стабилизации мерзлого состояния грунтового основания, даны примеры ре­ шения конкретных задач.

Последовательно рассмотрены вопросы разработки мерзло­ го грунта, принципы проектирования и строительства нефтега­ зовых объектов в условиях мерзлых грунтов. Строительство нефтегазовых объектов и охрана окружающей среда выделены

вотдельные главы.

Вкачестве технических средств обучения при изучении ма­ териала дисциплины используются компьютер, компьютерные программы, позволяющие студентам реализовать разработанные алгоритмы расчета параметров грунтового основания, сложен­ ного мерзлыми грунтами, а также прочность конструкций фун­ даментов.

Самостоятельная работа студентов осуществляется при вы­ полнении студентами контрольных работ в соответствии с рабо­ чими программами дисциплин.

Текущий и итоговый контроль усвоенного материала учеб­ ника осуществляется рейтинговой оценкой знаний студентов в форме промежуточных аттестаций и коллоквиумов по каждому разделу дисциплины, а также при защите лабораторных и кон­ трольных работ.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -14- объектов в условиях Севера

РЕГИОНАЛЬНАЯ И ИСТОРИЧЕСКАЯ

ГЕОКРИОЛОГИЯ

На Земле многолетняя криолитозона занимает почти 40% поверхности суши, сезонное промерзание горных пород увели­ чивает эту площадь до 60% и более. Мерзлые горные породы имеются не только в высокоширотных приполярных районах, отличающихся на планете холодным климатом и вследствие этого суровыми природными условиями, но и во внутриконтиненталъных горных районах, в том числе и в экваториальной зоне, т.е. существуют на всех континентах земного шара.

К настоящему времени наиболее геокриологически изучен­ ной является территория бывшего СССР, более чем на 50% за­ нятая многолетнемерзлыми породами, протягивающимися ши­ рокой полосой от Кольского полуострова на северо-западе до Тихого океана на востоке и юго-востоке. Именно Россия являет­ ся родиной мерзлотоведения (геокриологии) как самостоятель­ ной науки, оформившейся еще в начале XX в. Уже в 1939 г. в системе Академии наук СССР был создан первый научный центр по изучению мерзлых пород - Институт мерзлотоведения им. В.А. Обручева. Ведущими учеными, стоявшими у истоков науки и наметившими дальнейшие пути ее развития, были М.И. Сумгин, Н.И. Толстихин, Н.А. Цытович, П.Ф. Швецов и др.

Теоретической основой региональной и исторической гео­ криологии являются закономерности формирования, развития и распространение многолетнемерзлых пород, мерзлотно­ геологических процессов и образований.

Региональная геокриология изучает зональные и регио­ нальные закономерности формирования среднегодовых темпе­ ратур пород, распространения многолетнемерзлых пород по площади и их взаимодействия с талыми породами; многолетне­

1. Региональная и историческая геокриология

-15-

го промерзания горных пород, их развитие во времени и по глу­ бине, формирования криогенного строения и льдистости мерз­ лых толщ, а также развитие криогенных геологических явлений [31].

1.1. Факторы, определяющие существование вечно­ мерзлых грунтов на Земле

Температурный режим верхней 10-20-метровой толщи многолетнемерзлых пород соизмерим с годовыми колебаниями температур грунтов. Комплекс мерзлотно-геологических (крио­ генных геологических) процессов и образований, быстро реаги­ рующий на короткопериодные изменения условий теплообмена на поверхности, служит показателем устойчивости (изменчиво­ сти) сезонно- и многолетнемерзлых пород. На этой основе мерз­ лые горные породы классифицируют по условиям теплообмена на поверхности и в мерзлой толще, по составу, льдистости, криогенному строению и возрасту.

Под собственно мерзлыми породами понимаются естест­ венно исторические геологические образования, характеризую­ щиеся отрицательной температурой и содержащие незамерзшую (пленочно-связанную) воду и лед, цементирующий минераль­ ные частицы или заполняющий пустоты, поры и трещины в по­ роде. К ним могут быть отнесены дисперсные породы (обло­ мочные, песчаные, глинистые, торфяные) и трещиноватые или выветрелые магматические, метаморфические и сцементиро­ ванные осадочные породы. Скопления льда и снега как назем­ ные (речные, озерные, морские, ледниковые и др.), так и под­ земные (пластовые, повторно-жильные, сегрегационные и др.) при этом рассматриваются как моно-минеральные горные поро­ ды, а лед - как специфический минерал.

Время начала существования горных пород в мерзлом со­ стоянии на территории России четко не установлено и вызывает острые дискуссии. Предполагается, что в разрезе мощных толщ на юге Западной Сибири и Европейского Севера слияния гори­ зонтов мерзлых пород по разрезу не произошло, в результате чего существуют двухслойные мерзлые толщи, разделенные

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 6 - объектов в условиях Севера

слоем талых пород мощностью от нескольких десятков до сотни метров и более.

Изучение геокриологических закономерностей формирова­ ния и развития многолетнемерзлых пород невозможно без ком­ плексных исследований, позволяющих охарактеризовать при­ родную среду с позиции мерзлотообразующих факторов и соб­ ственно мерзлотных характеристик, которые и составляют гео­ криологические условия изучаемой территории. При этом ос­ новной задачей исследований является выявление причинно- следствен-ных связей между отдельными мерзлотными характе­ ристиками и отдельными компонентами природной среды. Та­ кие двухсторонние связи, по В.А. Кудрявцеву, являются част­ ными закономерностями формирования сезонно- и многолетне­ мерзлых пород. Установленная в результате натурных наблюде­ ний и расчетов взаимосвязь между каждой мерзлотной характе­ ристикой и всем комплексом природной среды изучаемой тер­ ритории является общей закономерностью формирования мерз­ лотных условий.

Географический фактор. Существование и эволюция криолитозоны в значительной степени определяются географи­ ческими факторами зонального распределения тепла и влаги на Земле. Неравномерность распределения на поверхности Земли поступающей от Солнца лучистой энергии, преобразуемой в тепловую, создает значительно охлажденные области земной коры, тяготеющие к полюсам. Охлаждение проявляется в про­ мерзании земной коры, как в геологическом времени, так и в многолетнем и даже сезонном. Процессы промерзания и оттаи­ вания, охлаждения и нагревания пород, являющиеся основными в развитии криолитозоны, определяются климатом, т.е. резуль­ татом процессов в атмосфере, океане и на поверхности суши, достаточно постоянным для любого района земного шара.

Среди факторов, формирующих современный климат, есть постоянно действующие (Солнце как источник энергии, враще­ ние Земли вокруг Солнца и своей оси, положение материков и океанов), действующие продолжительное время (зональная и меридиональная форма циркуляции атмосферы) и действующие кратковременно (осадки, появление и сход снежного покрова, растительность). В результате совместного действия всех трех факторов создается климатический режим, основные характери­

1. Региональная и историческая геокриология

-17-

стики которого получают при осреднении фактических данных всех метеорологических наблюдений на Земле за много лег.

В геокриологии хорошо разработаны и широко использу­ ются методики, позволяющие изучать связи тепловых процес­ сов, протекающих в горных породах, с тепловыми процессами, протекающими на земной поверхности. Поэтому основные па­ раметры климата: радиационно-тепловой баланс поверхности, количество осадков по сезонам года, влажность воздуха, средне­ годовая температура и амплитуда колебаний среднемесячных температур воздуха, скорость ветра - входят в формулы для расчета таких, важных мерзлотных характеристик, как среднего­ довая температура горных пород и глубины их сезонного и мно­ голетнего промерзания и оттаивания.

Радиационный баланс Земля-атмосфера достигается в про­ цессе преобразования солнечной энергии на земной поверхно­ сти и в атмосфере, в результате которого устанавливается рав­ новесное состояние всей системы.

На рис. 1.1 представлены средние широтные величины со­ ставляющих теплового баланса системы Земля-атмосфера. Рас­ пределение сумм суммарной радиации по месяцам показывает, что в области многолетней мерзлоты зимой приход радиации является наименьшим на Земле.

Понижение значений радиационного баланса в полярных и приполярных районах Земли связано как с наименьшим прихо­ дом тепла суммарной солнечной радиации, так и с большими потерями радиации в результате отражения ее от снежного по­ крова (альбедо которого достигает 70 - 80% и более).

В восточных частях континентов, в связи с усилением суро­ вости климата, снег лежит дольше, что способствует общей по­ тере тепла радиации отражением.

Области распространения многолетнемерзлых пород хоро­ шо увязываются также с длительностью холодного периода (что соответствует продолжительности промерзания горных пород с поверхности). Областям сплошного развития мерзлоты в Север­ ной Америке и Азии соответствует длительность холодного пе­ риода от 300 до 240 дней, прерывистого от 240 до 200 дней, ост­ ровного от 200 до 180 дней.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых “ I о - объектов в условиях Севера

1 -------- 2 ........

4

Рис. 1Л. Средние широтные величины составляющих теплового баланса системы Земля - атмосфера.

1 - радиационный баланс системы Земля-атмосфера; 2 - изменения теплосо­ держания (накопление или потеря за рассматриваемый период) гидросферы; 3 - фазовые преобразования воды; 4 - перераспределение тепла горизонталь­ ными движениями в атмосфере и океанах.

1. Региональная и историческая геокриология

-19-

Длитеяьности холодного периода примерно соответствует и число дней со снежным покровом - важным климатическим элементом, являющимся мощным теплоизолятором.Теплый пе­ риод года (или сезон протаивания) также является важной кли­ матической характеристикой мерзлотных условий, оказываю­ щей значительное влияние на экологию криолитозоны и строе­ ние верхних горизонтов многолетнемерзлых пород. На арктиче­ ских островах длительность теплого периода составляет менее двух месяцев. Южнее, около границы сплошного распростране­ ния мерзлоты, менее 150 дней, а вблизи южной границы крио­ литозоны менее 180 дней.

Климатические условия характеризуют физическое состоя­ ние атмосферы в различных районах Земного шара. Это состоя­ ние значительно изменялось в прошлом и продолжает изменять­ ся в современную эпоху. Основным связующим звеном климата и процессов, происходящих в криолитозоне Земли, является те­ пловой поток в горные породы через земную поверхность. В его абсолютных значениях отражаются сезонные и географические особенности климата. Развитие представлений о качественной и количественной связях климата и многолетнемерзлых пород идет по линии увеличения числа привлекаемых при расчетах элементов для решения как прямых (взаимодействие климата и многолетнемерзлых пород) так и обратных (реконструкция палеоклиматических условий на основе изучения особенностей строения и температурного режима многолегнемерзлых пород) задач.

Растительный покров образует своеобразную переходную зону между литосферой, почвой и атмосферой. Наличие расти­ тельности обусловливает условия тепло- и влагообмена между почвой и атмосферой, различные для разных видов раститель­ ного покрова и отличные от тех, которые характерны для участ­ ков, где его нет. Растительность отражает и поглощает солнеч­ ную радиацию, испаряет и конденсирует влагу, замедляет ско­ рость ветра, повышает влажность воздуха, задерживает и акку­ мулирует снег. Мерзлые толщи и растительные покровы, как правило, развиваются в тесной взаимосвязи, реагируя на изме­ нения друг друга.

Широтная геокриологическая зональность, секториальность, высотная поясность, континентальность относятся к раз­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых *^U - объектов в условиях Севера.

ряду глобальных й региональных закономерностей формирова­ ния температурного режима пород и распространения тфиолитозоны. Вместе с тем локальные факторы, такие, как снежный по­ кров, растительность, экспозиция склонов, состав и свойства пород оказывают существенное влияние на формирование и распространение мерзлых толщ. Более того, повторяемость в пространстве форм рельефа типов растительности, пород опре­ деленного состава и других факторов так велика, что их крио­ формирующей ролью нередко определяются зональные или ре­ гиональные особенности криолитозоны больших территорий.

Различия в глубине промерзания литосферы и строении разреза криолитозоны обусловлены среди прочего и колебания­ ми климата, определяющими условия теплообмена на поверхно­ сти в течение позднеплиоцен - четвертичного периода сущест­ вования на Земле криолитозоны.

Существование сплошной по площади и разрезу криолито­ зоны связано с длиннопериодными колебаниями климата (с пе­ риодами 40, 100 тыс. лет и более). Средние температуры за та­ кие периоды (криохроны) были отрицательными, обеспечивая перманентное существование мерзлых толщ и непрерывное в настоящее время их вертикальное строение. Лишь на южной окраине Северной геокриологической зоны в голоценовый оп­ тимум наблюдалось частичное протаивание, сменившееся в позднем голоцене повторным промерзанием.

В Южной геокриологической зоне в результате этих коле­ баний формировались толщи многолетнемерзлых пород, полно­ стью или частично деградировавшие.

Глубина многолетнего промерзания пород, т.е. их мощ­ ность существующая в настоящее время, находится в зависимо­ сти от условий теплообмена, проявляющихся в существовании широтной - геокриологической зональности, как современной, так и прошлом, меридиональной секториальности и действую­ щей на их фоне высотной поясности.