Геоекологічні чинники аварійності нафтогазопроводів
і насосних станцій
Глікман А.Г.
НТФ "ГЕОФІЗПРОГНОЗ"
Санкт-Петербург
За
даними екологів на 1993 рік, в Росії щорічно відбувається близько 80 тисяч аварій
на трубопроводах. Вважається, що причини такої аварійності - в низькій якості
трубопроводів. Однак є підстави вважати, що без впливу геологічних
особливостей у зоні аварії тут не обходиться. Справа в тому, що, як давно
відмічено, буває так, що аварії повторюються в одних і тих самих місцях.
В
Насправді, якщо після ремонту, після того як був замінений ділянку труби, в
якому стався розрив, через деякий час відбувається розрив у тому ж
самому місці, і знову відбувається розрив у новому, щойно встановленому
ділянці труби, то мимоволі виникає припущення про те, що на
виникнення аварій впливає саме місце, де прокладена труба. Однак фізика
цього впливу була абсолютно незрозумілою.
Виявити
фактори, що сприяють виникненню аварійних ситуацій на трубопроводах і
насосних станціях, дозволило використання нового геофізичного методу --
спектрально-сейсморозвідувальних профілювання (ССП).
Спектральна
сейсморозвідка - це альтернативне сейсморозвідувальних напрям, в основі
якого лежать зовсім нові, раніше невідомі фізичні ефекти. Основний
інформацією при спектрально-сейсморозвідувальних роботах є спектр
сейсмосігнала [1].
Спектральна
сейсморозвідка використовує той факт, що за акустичними властивостями земна товща
являє собою не сукупність відображають кордонів, а сукупність
коливальних систем. Саме цей підхід і є кардинальним відзнакою
спектральної сейсморозвідки від традиційної.
В
відповідності з відомим методологічним принципом, дослідницький метод,
заснований на новому, раніше невідомому фізичному ефекті, обов'язково є
джерелом принципово нової інформації. Так, за допомогою методу ССП виявилося
можливим картування зон тектонічних порушень та вивчення їх властивостей.
Індикатором
наявності зони тектонічного порушення є воронкоподібний (V-подібний)
об'єкт на ССП-розрізі. Залежно від характеру тектонічного порушення, це
може бути не воронка, а тільки одна її утворює.
В
результаті використання ССП виявилося, що тектонічні порушення роблять
величезний вплив на багато сторін нашого буття, причому цей вплив не залежить
від потужності осадового чохла. Так, породний стовп, що знаходиться безпосередньо
над тектонічних порушенням, характеризується вкрай високою порушеною.
Порушеною ця такого рівня, що якщо при бурінні ми потрапляємо в цю зону,
керн взяти практично неможливо. Більш того, зі зростанням глибини матеріал не
ущільнюється, як це зазвичай буває, і навіть більше того, буровий інструмент може
просто провалюватися.
Будучи
в порушений, підвищено тріщинуватих стані, цей породний стовп має,
природно, підвищену піддатливість. Тобто, інженерні споруди,
спираються в цих зонах на грунт, будуть провалюватися. Ну, а довгомірні
об'єкти (залізничні насипи, трубопроводи), що перетинають зони тектонічних
порушень буде в цих зонах прогинатися і провисати.
На
рис.1а показаний ССП-розріз, отриманий при профілювання вздовж залізничної
насипу, по лінії, по якій передбачалася прокладка трубопроводу
( "продуктопроводу"). На цьому розрізі на довжиною 400м
промалювали три V-образних об'єкта. Тобто ми перетнули три зони
тектонічних порушень. Насправді, по факту, ділянка насипу, показаний на
рис.1, має три ділянки, де постійно доводиться підсипати гравій - 140-170м,
210-280м та 400-430м. Такі ділянки, де зони тектонічних порушень слідують
одна за одною, зустрічаються вкрай рідко. Так само рідко зустрічаються ділянки
насипу, де протягом 400м є цілих три ділянки, що вимагають регулярного
ремонту. Власне, саме тому ми й отримали доручення зробити там
профілювання методом ССП.
ССП-розріз
при профілювання уздовж залізничного насипу
Рис.1
Показавши
замовнику зв'язок між проблемою частих ремонтних робіт та наявністю зон
тектонічних порушень, ми стосовно майбутнього трубопроводу дали прогноз
того, що і труби в цих зонах будуть також вимагати періодичного
ремонту.
Влітку
2000-го року було зроблено профілювання уздовж 12-кілометрової ділянки під
Уфою траси газопроводу Уренгой-Новопсков, коли службам експлуатації стало
очевидно, що аварії там повторюються в одних і тих самих місцях. Дослідження
методом ССП показали, що дійсно, все що сталися на цій ділянці
аварії, припали на зони тектонічних порушень. На рис.2 наведено ССП-розріз,
пройдений поруч з місцем аварії на трубопроводі, поблизу з пікетом "1832
км ". Дві майже Паралельний утворюють V-подібних об'єктів є
індикацією зони тектонічного порушення.
Рис.2
На
рис.3 наведено ССП-розріз, пройдений поблизу з пікетом "1853 км",
також поряд з місцем аварії на трубопроводі. Тут аварія сталася в
розташування самого V-подібного об'єкта.
Рис.3
Цей
ознака аварійної (або передаварійному) ситуації підтвердився також і на інших
трубопроводах - каналізаційних, водопровідних і т.д.
Незважаючи
на неухильне виконання цієї ознаки, дуже заважало нерозуміння, чому
в цих зонах трубопроводи не просто провисають у зв'язку зі зниженою несучої
здатністю грунту, а неодмінно рвуться. Адже сталеві труби цілком могли б
провисати, прогинатися, і при цьому не втрачати герметичність. Відповідь прийшла з
Єкатеринбурга. Як виявив професор Сашурін А.Д. [2], в зонах тектонічних
порушень мають місце пульсації гірських порід. Ці пульсації мають планетарне
походження і амплітуда їх досягає 10 см. Наявність пульсації грунту призводить
до того, що довгомірний об'єкт, який перетинає зону тектонічного
порушення, спирається одночасно як на нерухомий, так і на пульсуючий
грунт. В результаті, він знаходиться під постійним знакозмінним насильством, що
обов'язково приведе до розвитку спочатку мікро, а потім і макротріщин.
Цей
процес наочно проявляється в рейкових шляхах. Там тріщини утворюються навколо
отворів, через які проходять милиці, рейки прикріплюються до шпал. І
відбувається це в одних і тих же місцях - в зонах тектонічних порушень.
Трубопроводи
покривають тисячі кілометрів, і уникнути перетинання ними зон тектонічних
порушень неможливо. Але знання механізму впливу цих зон на стан
трубопроводів безумовно допоможе знайти засіб нейтралізувати його. І особливо,
при переході під річками. Адже русла річок - це обов'язково зони тектонічних
порушень, і саме це визначає таку високу аварійність дюкерів.
І
ще один об'єкт, аварійність якого визначається впливом зон тектонічних
порушень. Мова про насосних станціях. Однак механізм аварійності тут
зовсім інший, ніж у випадку трубопроводів.
Руйнування
насосних станцій - не рідкість. Причому воно відбувається в результаті раптового
догляду в грунт окремих ділянок цих споруд. Зазвичай в якості причин
такої події називають неякісну забивання паль. Насправді, причина не
в цьому.
Особливістю
насосних станцій є наявність у них постійно вібруючих механізмів. Це
робить можливим формування техногенних землетрусів, які називають ще
гірськими ударами. Фізика гірських ударів дуже проста. Всім відома історія про
те, як зруйнувався міст в результаті проходу по ньому солдатів. Солдати йшли в
ногу, і частота ударів їх чобіт по мосту співпала з однією з власних частот
мосту. Тобто виник резонанс. При резонанс відбувається збільшення амплітуди
коливань, і при досить високій добротності коливальної системи амплітуда
може досягти значення, при якому настає руйнування коливальні системи.
У випадку з мостом - це руйнування мосту.
Коливальні
системи, що залягають в земній товщі, також можуть мати підвищену добротність.
Це має місце в зонах тектонічних порушень. І якщо в цій зоні виявиться
насосна станція, частота вібрації механізмів якої близька до власної
частоті опинилася там природного високодобротних коливальні системи, то
можливе виникнення резонансних явищ і, отже, формування
гірського удару. Гарний удар проявляється різким, удароподобним відходом у грунт
всій насосної станції або тільки частини її. При цьому відбувається різкий відрив трубопроводів,
і, як правило, все відбувається сполохопідобний.
Рис.
4
На
Рис.4 наведено ССП-розріз, отриманий при профілювання поблизу об'єкта,
що знаходиться під впливом гірничих ударів. Цей об'єкт - насосна станція
очисних споруд в с. Ольгине, СПб. Як видно, насосна станція знаходиться
в зоні тектонічного порушення. Тут слід звернути увагу на те, що
поблизу 170-го метра профілю сейсмосігнал містить дуже високодобротних
спектральну складову, що показано на рис. 4б. Частота цієї складової --
13 Гц. Поблизу цієї ж частоти опинилася і частота вібрації механізмів насосної
станції. В результаті, періодично виникають резонансні явища, амплітуда
коливань зростає настільки, що грунт руйнується, і насосна станція
поштовхом провалюється в нього.
До речі,
якщо повернутися до ріс.1b і с, то бачимо, що подібне явище можливо поблизу
150-го і 420-го метрів цього профілю. Воно й іноді відбувається, тому що
вплив на насип з боку рухається поїзда також носить періодичний,
динамічний характер, і при певній швидкості складу також виникнуть
резонансні впливу. При цьому відбуваються дуже специфічні краху
поїздів, коли насип миттєво руйнується, коли над зоною руйнування вже
проходить якась частина поїзда. Тобто з рейок сходить тільки друга частина
поїзда.
Розглянуті
тут аварії на трубопроводах і аварії насосних станцій відбуваються в зонах
тектонічних порушень, але обумовлені вони абсолютно різними процесами.
Що стосується трубопроводів, то усунути перетин ними зон тектонічних
порушень неможливо, і тут проблему потрібно вирішувати шляхом створення технології
укладання труб, яка могла б протистояти впливу з боку цих зон.
Насосні ж станції повинні будуватися поза зонами тектонічних порушень, і тоді
аварії, викликані геологічними факторами, вдасться виключити. Однак якщо
станція вже побудована, то проведення вимірювань безпосередньо на її території
допомогло б спіймати момент зародження гарного удару, оскільки збільшення
амплітуди, що передує гірничого удару, відбувається досить плавно.
Список літератури
Глікман
А.Г. "Фізика і практика спектральної сейсморозвідки" на веб-сайті
www.newgeophys.spb.ru
Сашурін
А.Д. "Сучасна геодинаміка та техногенні катастрофи." Сб доповідей
міжнародній конференції "геомеханіка в гірничій справі - 2002"
Єкатеринбург, ІГД УрВ РАН 19-21 листопада 2002 р, http://igd.uran.ru/geomech/,
оновлення 23.02.2003.
