11 мин
43
0

Применение криогелей при сооружении объектов нефтегазового сектора

Применение криогелей при сооружении объектов нефтегазового сектора

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.

1.jpg

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.

1.jpg

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].

1.jpg

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.

1.jpg

1.jpg

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.

1.jpg

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

1.    http://www.dissercat.com/content/stroitelstvo-avtomobilnykh-dorog-s-primeneniem-kompozitsionnykh-materialov-na-osnove-gruntov

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.



Статья «Применение криогелей при сооружении объектов нефтегазового сектора» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№12, Декабрь 2021)

Авторы:
Комментарии

Читайте также