Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)

Часть 1. Закономерности формирования полей динамических нагрузок в массивах грунтов оснований промысловых и транспортных сооружений на месторождениях нефти и газа.

Первая часть работы состоит из двух глав, в которых анализируются закономерности формирования полей динамических нагрузок в массивах дисперсных грунтов на месторождениях нефти и газа. В главе 1 рассмотрены основные источники динамических нагрузок на грунты в пределах нефтегазодобывающих комплексов - площадные (компрессорные и насосные станции), связанные с работой мощного высокочастотного оборудования, и линейные - автодороги и трубопроводы разного назначения. Эти сооружения создают постоянно существующее вибрационное поле разной интенсивности при концентрации полей напряжений вблизи пунктов сбора и перекачки нефти, насосных и компрессорных станций. Между тем, сейсмический фон этих участков нефтегазопромыслов пока еще плохо изучен, и поэтому в нашей работе было уделено особое внимание изучению техногенных вибраций в массивах прилегающих грунтов.

На территории месторождений Среднего Приобья нефтепромысловые сооружения с динамическими нагрузками, в том числе и наиболее интенсивными - газлифтные компрессорные станции, устанавливаются преимущественно на совмещенных массивных и рамных фундаментах на висячих сваях при расположении свай в группах на таком расстоянии, когда их динамическая реакция определяется в том числе и влиянием соседних свай. При таких конструкциях фундаментов основными излучателями волн напряжений в грунты основания служат сваи, и на первый план выходит характер динамической работы свай в группе.

Магистральные и локальные трубопроводы, вибрационные поля которых совершенно не исследованы, можно рассматривать в рамках тех же аналитических решений, что и свайные фундаменты, представляя их горизонтальной стержневой системой, находящейся под действием нагрузок от собственного веса, перекачиваемой жидкости, перепадов температур, грунтов обратной засыпки, а также балластных и фиксирующих устройств разной конструкции. При этом факторы, влияющие на динамическую реакцию свайных фундаментов и трубопроводов во многом совпадают.

Показано, что при анализе динамики как свайных и совмещенных фундаментов на сваях, так и трубопроводов, следует учитывать формирование вокруг каждой сваи или участка трубы зоны разупрочнения грунта, размеры которой и их зависимость от глубины до сих пор никем не были оценены. В связи с этим еще одной задачей нашего исследования было экспериментальное изучение зоны разупрочнения в массиве грунтов вокруг стержневой конструкции, являющейся источником динамического воздействия - типичного случая для фундаментов, принятых на территории Среднего Приобья.

Еще одним важнейшим источником вибрационных воздействий на территориях нефтегазовых месторождений является транспорт. Сведения о структуре и параметрах волн напряжений от транспорта в пределах нефтегазовых месторождений, которые могут обладать определенными особенностями по сравнению с другими автомагистралями, в опубликованной литературе отсутствуют, а поэтому любые данные их непосредственных измерений представляют большой интерес. В результате действия транспортных вибраций в массивах грунтов в непосредственной близости от автодорог возможно накопление деформаций, существенных для расположенных на этих грунтах различных сооружений. В связи этим принципиальное значение имеет правильное определение ширины зоны ощутимого влияния (в терминах скоростей колебаний грунтов или генерируемых дополнительных напряжений в грунтах) автодорог на территориях нефтегазопромыслов, где учет действия транспортных вибраций необходим. Поэтому оценка размеров этой зоны составляет одну из задач данной работы.

Исходя из опубликованных отрывочных данных и общих соображений о закономерностях распространения волн напряжений в реальных средах, можно обозначить следующие основные эффекты, имеющие место при переходе вибраций из фундамента в грунты основания: 1) спектральные максимумы колебаний смещаются в строну более низких частот, при наличии в исходном спектре возбуждения гармоник высокой частоты, они могут и просто выпадать из результирующего колебания в массиве; при квазигармоническом возбуждении частотный состав волны на границе фундамент/грунт не меняется; 2) амплитудные значения основных параметров колебания (виброскорости, ускорения) снижаются: это происходит в результате отражения части энергии от границы раздела сред с разными акустическим жесткостями (фундамент/грунт) и за счет распределения энергии воздействия между волнами разного типа, распространяющимися от этой границы в полубесконечной среде; 3) поскольку конструктивные элементы фундамента представляют из себя отражающие и преломляющие границы сред с разными акустическими жесткостями, то преобразование волн напряжений наиболее заметным образом происходит между элементами свайного фундамента; 4) изменение характера отражающих и преломляющих границ в системе фундамент/грунт может существенным образом изменить структуру и интенсивность поля напряжений техногенных вибраций, генерируемых сооружениями нефтегазодобывающих комплексов. Все эти эффекты следует принимать во внимание как при изучении поля вибраций нефтегазопромысловых сооружений, так и при разработке мер по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов в их основаниях.

В главе 2 анализируются имеющиеся данные об особенностях реакции дисперсных грунтов Среднего Приобья на динамические воздействия. Этим вопросам были посвящены работы В.Т. Трофимова, А.П. Мартынова, И.С. Бочаровой, Л.А. Горницкой, Г.Г. Зубкович, Р.С. Зиангирова, В.Н. Кутергина, Е.А. Вознесенского, В.Я. Калачева, В.Г. Коваленко, С.Д. Ефременко и др. Эти данные свидетельствуют о том, что породы региона могут терять от 5-10 до 80-95% первоначальной прочности, переходя в ряде случаев в разжиженное состояние. Степень разупрочнения грунтов Среднего Приобья подчиняется в целом описанным в специальной литературе закономерностям и для других связных грунтов и определяется двумя основными группами факторов: 1) параметрами внешнего динамического воздействия, 2) составом, строением и свойствами самого грунта. Так, разупрочнение грунтов региона закономерно возрастает по мере увеличения амплитуды и ускорения колебаний в связи с повышением энергии вибровоздействия, которое вызывает разрушение все более прочных связей, тогда как единого мнения по поводу влияния частоты вибрации на разупрочнение глинистых грунтов в настоящее время нет. Для ряда грунтов Среднего Приобья при участии автора установлено, что наибольшее разупрочнение верхнечетвертичных и голоценовых грунтов разного генезиса наблюдается при частоте около 20 Гц, что, вероятно, связано со специфическими особенностями структуры природных глинистых грунтов как среды распространения упругих колебаний.

Разбирая влияние дисперсности, влажности и содержания органического вещества на тиксотропное разупрочнение четвертичных грунтов Западной Сибири, отмечается, что результаты, полученные разными авторами, чаще всего практически несопоставимы и не согласуются между собой, так как нельзя сравнивать интегральные системы - природные грунты - по одному-двум параметрам. Необходим многофакторный анализ, основывающийся на статистических зависимостях.

Более подробно изучено влияние влажности на разупрочнение грунтов при вибрации. Роль различных видов воды в глинистых грунтах, ее влияние на их тиксотропные свойства были в основном рассмотрены уже в 60-х годах в работах Б.М. Гуменского. Многие исследования показали, что интенсивное тиксотропное разупрочнение начинается только при естественной влажности, превышающей предел раскатывания, и возрастает с ее увеличением. Другими авторами установлено, что увеличение влажности ускоряет процесс тиксотропного разупрочнения и для каждого грунта существует определенное ее значение, при котором отмечается максимальное его относительное разупрочнение при данных параметрах вибрации. А иногда зависимость разупрочнения грунта от его влажности в ряде случаев носит и более сложный характер.

Особенности тиксотропного восстановления природных глинистых грунтов Западной Сибири, структура которых была нарушена при динамическом воздействии, изучены еще слабо. В процессе восстановления природных грунтов их прочность, как правило, превышает исходную на 6-25%. Этот эффект четко выражен, что объясняется структурной перестройкой, изменением параметров порового пространства, увеличением количества контактов, а также эффектом <вибрационного упрочнения>, что приводит к образованию более равномерно упакованной и устойчивой структуры. Необходимо отметить, что в грунтах ненарушенного сложения отдачи влаги обычно не происходит, так как она имеет возможность полностью перераспределиться в условиях неполного, хоть и высокого по величине, водонасыщения грунта. В связи с тем, что механизм процессов разупрочнения и восстановления природных глинистых грунтов не полностью соответствует сложившимся на сегодняшний день представлениям о поведении идеальных тиксотропных систем (отсутствие <мгновенного> упрочнения, повышение прочности в ходе восстановления выше исходной, формирование более устойчивой к вибрации структуры), то Е.А. Вознесенским с соавторами (1985) предложено считать их квазитиксотропными дисперсными системами.

Исходя из выполненного в первой части работы анализа опубликованной литературы, определены 4 основных направления дальнейшего изучения динамических свойств дисперсных грунтов этого региона. Каждое из них включает ряд теоретических и экспериментальных исследований, решение которых представляет актуальную научно-практическую задачу. Первое направление - совершенствование лабораторных и особенно полевых методов изучения, что позволит получить надежный и, главное, сопоставимый фактический материал для значительных площадей территории Западной Сибири. Второе направление - проведение значительного количества корректных лабораторных экспериментов на грунтах ненарушенного сложения для выяснения влияния внешних и внутренних факторов на разупрочнение и восстановление грунтов и их взаимовлияния. Третье направление - исследование закономерностей разупрочнения и восстановления дисперсных грунтов Западной Сибири в массивах с помощью полевых методов. Это направление имеет огромнейшее практическое значение и требует быстрейшего развития и внедрения. И четвертое - изучение возможностей управления тиксотропными изменениями грунтов, в первую очередь - разработка надежных методов снижения величины их разупрочнения при динамических воздействиях.