Сегодня, когда основная добычи углеводородов все больше сосредотачивается за чертой полярного круга, все большую актуальность получают разработки, направленные на эффективную и безопасную эксплуатацию инфраструктуры и объектов нефтегазодобычи. Как композиционные материалы помогают решать важные технологические задачи, возникающие при освоении месторождений Крайнего Севера?
Освоение природных ресурсов Севера и территорий с вечной мерзлотой является первоочередной государственной задачей, решение которой осложняется экстремальными климатическими условиями (Госпрограмма "Социально-экономическое развитие Арктической зоны РФ на период до 2020 года). Нефтехимическая промышленность играет существенную роль в мировой экономике, оказывая значительное влияние на ключевые отрасли промышленности, строительство и сельское хозяйство (Стратегия развития химического и нефтехимического комплекса на период до 2030 года). В связи с этим, вопросы проектирования и обустройства нефтегазовых месторождений в северных регионах РФ имеют стратегическую значимость.
Затраты на строительство и обустройство автомобильных дорог и кустовых площадок на месторождениях являются значительным фактором, определяющим уровень добычи и себестоимость нефти и газа. Опыт строительства земляного полотна автомобильных дорог и оснований кустовых площадок на некондиционных грунтах нефтегазовых месторождений северных регионов вследствие заболоченности территории и колебаний среднесуточных температур показывает, что срок их службы значительно меньше нормативного, а стоимость ремонта, содержания дорог и оснований кустовых площадок очень часто превосходит затраты на их строительство.
Одним из путей снижения ресурсоемкости строительства автомобильных дорог и оснований кустовых площадок является применение композиционных материалов на основе грунтов или укрепленных грунтов. Наибольшее использование в дорожных конструкциях получил цементогрунт, однако расширение его внедрения сдерживается дороговизной вяжущего, а так же неоптимальностью гранулометрического и химико-минералогического состава основных типов грунтов, распространенных в северном регионе. В результате композиционные материалы характеризуется сравнительно низкой прочностью и морозостойкостью, высокой остаточной пористостью, водопоглощением при обычных дозировках вяжущего (10-12%). Увеличение количества цемента приводит к снижению деформации и повышению хрупкости, трещинообразованию и нецелесообразно по технико-экономическим соображениям [1].
Поэтому возникает необходимость разработать новые составы для укрепления и стабилизации земляного полотна, обладающие высокой упругостью и хорошей адгезией к породе для применения в Северной климатической зоне и в районах вечной мерзлоты.
Кроме того, известно, что нефть и конденсат, впитываясь в грунт, загрязняют верхние слои почвы. В отдельных случаях нефть и конденсат непосредственно попадают в водоемы, при этом могут загрязняться и подземные воды. Для обеспечения экологической безопасности целесообразно создавать гидробарьерные экраны при обустройстве месторождений.
Традиционными способами создания гидробарьерных экранов на объектах нефтегазовых месторождений для защиты объектов от разрушения талыми и подземными водами являются: цементирование, силикатизация, холодная битумизация, замораживание, цементация и глинизация, которые реализуются в виде инъекций в земельное полотно или поверхностного нанесения. В условиях сезонного оттаивания-промерзания грунта эти способы малоэффективны, поскольку традиционные материалы в ходе замерзания – оттаивания разрушаются.
Для гидроизоляционных работ, в частности, для создания гидробарьерных экранов на нефтегазовых месторождениях в условиях Севера, перспективно применять в качестве армирующего слоя криотропные полимерные композиции с регулируемыми гидрофобными свойствами. Армирующий слой земляного полотна, скрепленный криогелеобразующей композицией, защищает слои грунта от смещений друг относительно друга, а также служит гидроизоляцией в ходе сезонных колебаний температур. Криотропный материал формируется после цикла замораживания – оттаивания в результате фазового перехода криогелеобразующей композиции из вязкотекучего состояния в упругое полимерное тело (криогель), способное к большим обратимым деформациям. С каждым циклом прочность криогеля увеличивается.
Мы предлагаем метод, который подразумевает под собой нагнетание в грунт основания дна траншеи через скважины строительного криогелеобразующего полимерного состава, который нагнетают с двух сторон так, что под основанием траншеи образуется прочная опорная система в виде пространственной решетки из грунта, связанного со строительным криогелем. Для гидроизоляционных работ, в частности для создания гидробарьерных экранов на нефтегазовых месторождениях в условиях Севера, перспективно применять в качестве армирующего слоя криотропные полимерные композиции с регулируемыми гидрофобными свойствами. Армирующий слой земляного полотна, скрепленный криогелеобразующей композицией, защищает слои грунта от смещений друг относительно друга, а также служит гидроизоляцией в ходе сезонных колебаний температур. Криотропный материал формируется после цикла замораживания – оттаивания в результате фазового перехода криогелеобразующей композиции из вязкотекучего состояния в упругое полимерное тело (криогель), способное к большим обратимым деформациям. С каждым циклом прочность криогеля увеличивается [2].
Введение в матрицу криогеля разных наполнителей позволит получить материал с улучшенными гидроизоляционными, теплоизоляционными и механическими свойствами. Таким образом, разработка новых составов криогелей и их применение на нефтегазовых месторождениях в условиях северных регионов позволит защитить объекты нефтегазового месторождения от разрушения и продлить их срок службы.
Строительный криогелеобразующий полимерный состав, нагнетаемый в грунт, вначале образует гель, затем при отрицательных температурах гель преобразуется в криогель, отличительной чертой, которой является: водонепроницаемость, высокая прочность, упругость и высокая адгезия к породе. Важно отметить, что многократное повторение циклов «замораживание – оттаивание» только улучшает физико-механические свойства строительного геля – увеличивается его прочность, при этом упругость сохраняется. Практическое применение строительного геля в перспективе достаточно высоко в связи с тем, что его можно изготовить непосредственно на производстве и закачивать в скважины с использованием стандартной техники.
Строительный криогелеобразующий полимерный состав предлагается нагнетать в грунт основания дна траншеи с двух сторон через скважины, пробуренные наклонно с целью создания прочной опорной системы в виде пространственной решетки. При этом элементами решетки будут являться цилиндры упрочненного грунта. В местах пересечения образуются узлы решетки, придающие ей пространственную прочность и устойчивость. Правая и левая решетки соединяются в средней части основания траншеи. Такое соединение решеток в упругую пространственную структуру дает возможность значительно увеличить общую прочность системы, позволяет воспринимать статические нагрузки трубопровода, равномерно их распределять и передавать на лежащие ниже слои грунта, тем самым исключать неравномерную осадку основания траншеи, предотвращая ее расползание.
Введение в матрицу криогеля разных наполнителей позволит получить материал с улучшенными гидроизоляционными, теплоизоляционными и механическими свойствами. Таким образом, разработка новых составов криогелей и их применение на нефтегазовых месторождениях в условиях северных регионов позволит защитить объекты нефтегазового месторождения от разрушения и продлить их срок службы.
Криогели образуются в системах полимер – вода с верхней критической температурой растворения (ВКТР) в процессе замораживания – оттаивания. В состав криогелей входят экологически безопасные продукты. Созданы новые формы криогелей – эффективного тампонирующего материала, значительно снижающего фильтрацию воды в пористой среде. Растворы полимеров с добавками электролитов или неэлектролитов при температуре 0 – 20 оС образуют гели, которые в циклах «замораживание – оттаивание» превращаются в криогели с высокой упругостью и хорошей адгезией к породе. Чем больше таких циклов, тем лучше становятся механические свойства криогеля: увеличивается его прочность, упругость, усиливается сцепление с породой [3].
В работе [3] было проведено исследование, связанное с определением оптимального состава «грунт+криогель», направленного на повышение несущей способности вечномерзлых грунтов (содержание криогеля в грунте должно быть не более 5%). В настоящей же работе предлагается рассмотрение результатов проведенных лабораторных испытаний уже на грунтах, характерных для Дальнего Востока, чем являются суглинки с влажностью около 30%.
В данном эксперименте есть особенность, связанная с улучшением свойств самих криотропных композитов. Механические, теплофизические и гидроизоляционные свойства образующихся криогелей зависят от состава, концентрации компонентов исходного раствора, молекулярной массы полимера, а также от режимов криогенной обработки исходных растворов. Показано [4-7], что введение в раствор ПВС различных веществ, способствует упрочнению гелей. В данной работе будет рассмотрен в качестве такого наполнителя технический углерод [8].
Для лабораторных испытаний были подготовлены образцы [9] различного состава (рисунок 4), компонентами которых являются: суглинок с влажностью 30%, криогель и технический углерод марки N774. Технический углерод добавляли для увеличения гидрофобных и механических свойств грунта. Технический углерод 30 г смешивали с 920 г грунта (влажность 30%) и 50 г криогеля. Аналогично готовили следующие композиции, состав которых указан в таблице 1.
В результате проведения испытаний зафиксировано, что наибольший предел прочности на одноосное сжатие наблюдается у смеси «суглинок+5% криогель+5% углерод» (рисунок 5).
В настоящее время в нормативных документах, определяющих порядок расчета напорных трубопроводов, указывается требование совместного расчета трубопровода и массива грунта. Данное требование правомерно, поскольку грунт для трубопровода является не только внешней нагрузкой, но и средой, в которой развиваются деформации линейного сооружения. В тоже время в нормативных документах нет указаний на то, как выполнять расчет. Неопределенность в нормативной базе осложняется необходимостью корректного проведения нелинейного анализа. Внутренние усилия в трубопроводе нелинейно зависят от сопротивления окружающего его массива грунта. Действие осевого температурного перепада и внутреннего давления продукта приводят к возникновению продольно-поперечного изгиба. Обозначенные проблемы служат причиной отказов в работе трубопроводов, причиняющихся урон окружающей среде. Актуальность проекта и его научная новизна и значимость заключается в том, что для преодоления перечисленных негативных факторов требуется проведение дополнительных исследований в области разработки методов расчета трубопроводов. Следует отметить также, что существуют условия, при которых затруднительно найти альтернативу методу конечных элементов. Анализируя существующие способы расчета трубопроводов под естественными и искусственными препятствиями, такие как: микрощитовая проходка, наклонно-направленное бурение, траншейная укладка трубопровода, вибропрокол и т.д., приходим к выводу, что данные технологии описанные с помощью МКЭ имеют как очевидные преимущества, так и недостатки, связанные с ограниченностью по граничным условиям. Данный метод весьма перспективен т.к. в дальнейшем для прокладываемого трубопровода имеется возможность обслуживания, т.е. контролирования его состояния. Теоретически МКЭ при соответствующей доработке можно применить для расчета трубопроводов, к тому же технологически МКЭ сравнительно легко реализуется. Использование метода конечных элементов для расчета трубопроводов требует научного обоснования и разработка технических решений по адаптации МКЭ для совместного расчета трубопроводов и морозного пучения грунтов, а также промерзающих грунтов в природных условиях. Ожидаемые научно-технические результаты позволят решить ряд проблем возникающих при обустройстве месторождений: укрепить и грунт под основание автомобильных дорог, а также стабилизировать грунт при обустройстве на нефтегазовых месторождениях.
Основными потребителями научно-технических результатов проекта будут компании, занимающиеся обустройством месторождений в частности: ООО «Сибстройнефтегаз» (г. Томск), ПАО «РОСНЕФТЬ» (г. Москва), ООО «Газпром трансгаз Томск» (г. Томск), ПАО «ЛУКОЙЛ» (г. Москва), ООО «Западно-Сибирская промышленная группа» (г. Новый Уренгой, ЯНАО). Исходя из прогнозных оценок, внедрение разработанных составов криогелей в практику обустройства месторождений обеспечит эффективную и безопасную эксплуатацию дорог и сооружений в условиях сезонно-мерзлых и вечномерзлых грунтов и снизит стоимость содержания дорог и оснований кустовых площадок. Разработанные в ходе выполнения НИОКР способы получения композиционных материалов на основе криогелей будут использованы для укрепления и создания высокоэффективных гидробарьерных экранов в многолетнемерзлых грунтах, а так же при строительстве, эксплуатации гидротехнических сооружений и систем, работающих в условиях Крайнего Севера. Технологии укрепления грунтов и создание высокоэффективных гидробарьерных экранов с применением композиционных материалов на основе криогелей можно применять как на стадии строительства и обустройства гидротехнических сооружений и систем, так и во время их эксплуатации и ремонта. Разрабатываемые способы можно реализовывать с использованием стандартного оборудования и техники.
Научная новизна проекта заключается в создании способов получения композиционных материалов на основе криогелей с наполнителями (грунты, горные породы, песок, строительные смеси и др.) и нанодисперсными добавками, влияющими на их физико-химические и структурно-механические характеристики (гиброфильность – гидрофобность, прочность, упругость и др.), использование концепции иерархических наноструктур для создания криотропных гелей. Улучшенные структурно-механические свойства указанных структур по сравнению с гелями на основе двухкомпонентных криогелей обеспечат инновационную составляющую способов. Составы композиционных материалов на основе криогелей, способы их получения и использования являются патентоспособными.
Разработка новых способов получения композиционных материалов на основе криогелей с регулируемыми физико-химическими свойствами позволит решить важные технические задачи, присутствующие на Крайнем Севере.
Литература
2. Лозинский В. И. Криотропное гелеобразование растворов поливиниловогоспирта / В.И. Лозинский // Успехи химии. – 1998. – Т.67, № 7. – С. 641–655..
3. Altunina, L.K., Kuvshinov, V.A., Dolgikh, S.N. Cryogels for plugging in cold and permafrost regions (2010) Gidrotechnika, (3), pp. 52-57.
4. Никулин Е.В. Применение криогелей для повышения несущей способности грунтов при сооружении магистральных трубопроводов // Актуальные проблемы науки и техники – 2021. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2021. – С. 173–175.
5. Алтунина Л.К., Бурков В.П., Бурков П.В., Дудников В.Ю., Осадчая Г.Г., Овсянникова В.С., Фуфаева М.С. Применение криогелей для решения задач рационального природопользования и эксплуатации объектов магистральных трубопроводов в условиях Арктики // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. − 2020. − №2 (10). − С. 173−185.
6. Алтунина Л.К., Бурков П.В., Бурков В.П., Дудников В.Ю., Осадчая Г.Г. Организационно-технические мероприятия по использованию криогелей для повышения несущей способности грунтов при строительстве и эксплуатации объектов трубопроводного транспорта // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. − 2019. − №9(2). − С. 164−173.
7. Манжай В.Н., Фуфаева М.С. Свойства криогелей и их применение в технологиях добычи и транспорта нефти // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2011. – № 6. – С. 102–107.
8. Кохановская О.А., Раздьяконова Г.И., Алтунина Л.К., Лихолобов В.А. Композитные криогели – новые конструкционные материалы для освоения Арктики // Новые материалы и технологии в условиях Арктики. – Ставрополь: Центр научного знания «Логос», 2014. – С. 322–327.
9. ГОСТ 12248.9-2020. Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости мерзлых грунтов методом одноосного сжатия. Введён 01.06.2021 г. – М.: Стандартинформ, 2020. – 22 с.
