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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

6. Выполнить анализ и обобщение собранного фактического материала.

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

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

В работе обосновываются и выносятся на защиту следующие 5 основных положений:

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

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

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

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

5. Разработана принципиально новая карта динамической устойчивости грунтовых толщ Нижневартовского нефтегазоносного района, которая может использоваться для рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов, включающие как инженерно-технические, так и инженерно-геологические направления.

Научная новизна работы

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

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

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

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

5. Экспериментально показано существование зоны разупрочнения в массивах глинистых грунтов при динамических нагрузках от свайного фундамента, установлены размеры этой зоны и показана их зависимость от размера сваи и строения массива.

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

7. Разработана новая карта грунтовых толщ района, которая может использоваться для локализации участков развития динамически чувствительных грунтов, оптимального размещения нефтепромысловых объектов и для выбора рационального сочетания управляющих мероприятий применительно к разным массивам дисперсных грунтов в зависимости от уровня их динамической устойчивости.

Практическая значимость работы заключается:

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

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

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

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

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

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

7) в разработке инженерно-геологических и инженерно-технических мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района.

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

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

Общая характеристика использованного материала и личный вклад автора.

Основные положения работы и ее выводы основываются на результатах научных исследований автора по данной проблематике с 1984 года. Общее количество проведенных испытаний не поддается точному подсчету. Объем выборки, положенной в основу полученных выводов, составляет несколько тысяч частных значений, что позволяет рассматривать ее в качестве генеральной совокупности. Теоретическая, экспериментальная и аналитическая части исследования выполнены лично автором или при его непосредственном участии в отделе инженерных изысканий института НижневартовскНИПИнефть, ОАО НИЦ <Нефтегаз>, Тюменском государственном нефтегазовом университете, ОАО <НК <Роснефть>, а также в лабораториях кафедр инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова и геотехники Норвежского университета науки и технологии (NTNU, Тронхейм). Основные положения диссертации опубликованы в 26 работах, в том числе в двух монографиях (1 в соавторстве), одном учебном пособии (в соавторстве) и 23 статьях в отечественных журналах, в том числе 8 - в журналах, рекомендованных ВАК России для публикации основных положений диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Автор глубоко благодарен В.Т. Трофимову, В.Я. Калачеву, Е.А. Вознесенскому, Е.Н. Самарину, М.Л. Владову, М.Ю. Калашникову, А.В. Бершову, С.И. Грачеву, В.И. Шабунину, Е.С. Кушнаревой, Ф.А. Проворову и Д.В. Лагонской за постоянную и плодотворную помощь при выполнении исследований.

В 1998-2001 исследования по этой проблеме поддерживались грантом INTAS (Open 97-1493), в котором автор являлся соруководителем.