При эксплуатации подземных нефтепроводов, проложенных в криолитозоне, главную опасность представляет формирование вокруг них ореолов оттаивания грунта. Крупные включения подземного льда при оттаивании дают термокарстовые провалы и просадку грунта.
Без необходимых инженерных мероприятий это приводит к повреждению трубопровода и разливу нефтепродуктов. Ореол оттаивания, растущий в латеральном направлении, может быть также опасен и для объектов, находящихся рядом с трубопроводом: ЛЭП, притрассовые дороги и т.д.
Моделирование и расчет тепловых процессов в грунтах
Наилучшим способом оценки надежности инженерных мероприятий является компьютерное моделирование. При этом, для обеспечения высокой точности расчетов теплового взаимодействия нефтепровода и многолетнемерзлого грунта (ММГ) необходимо учесть ряд критичных для нефтепровода факторов:
- реальная геометрия моделируемых объектов
- неоднородное геолого-литологическое строение грунта с повторно-жильными льдами (ПЖЛ)
- изменение теплофизических свойств грунтов в результате фазовых превращений
- скорость оттаивания и промерзания
- изменение метеорологических условий во времени
- наличие теплоизоляционных материалов
- толщина и тип теплоизоляции трубы
- температура и скорость прокачиваемой по трубе нефти
- конструктивные особенности траншеи, в которой размещен нефтепровод
В отличие от существующих на рынке программных средств, Frost 3D от компании Simmakers позволяет прогнозировать ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода с учетом всех вышеперечисленных параметров.
Применение Frost 3D для расчета трубопровода ЗАО «Тюменьнефтегазпроект»
Постановка задачи
Рассчитать развитие ореола оттаивания при тепловом взаимодействии нефтепровода и ПЖЛ для участка трассы магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий Океан» (МН ВСТО-1) в течение 2-ух лет с сентября 2011 г.
Участок нефтепровода ВСТО-1. В пределах рассматриваемого участка присутствуют многолетнемерзлые породы со средней температурой –1.1oС. В них содержатся залежи подземных льдов мощностью до 4 м.
Цель
Определить геокриологическую опасность, численно выраженную величиной ореола оттаивания для подземного нефтепровода, залегающего в грунтах с ПЖЛ.
Новизна
Впервые численно в трехмерной постановке оценен ореол оттаивания вокруг нефтепровода, залегающего в грунтах с повторно-жильными льдами, с учетом многих факторов одновременно: изменяющихся во времени метеорологических условий, скорости и температуры прокачиваемой нефти, толщины и типа теплоизоляции трубы, конструктивных особенностей траншеи, в которой размещен нефтепровод.
Используемая математическая модель и численный метод
Для решения задачи было использовано нелинейное уравнение теплопроводности. Более подробно о решении уравнения можно узнать в разделе «Компьютерное моделирование искусственного замораживания грунтов».
Численное моделирование ореола оттаивания
Расчет был выполнен для следующей конфигурации: трубопровод проходит вдоль решетки ПЖЛ.
Конфигурация взаимного расположения нефтепровода и решетки ПЖЛ
Учитывались следующие геометрические параметры:
- Линейные размеры области моделирования: 25×25 м в горизонтальной плоскости и 15 м в глубину.
- Глубина залегания льдов: 0.7 м, мощность: 4.3 м.
- Толщина стенки трубы: 10 мм.
- Толщина теплоизоляции трубопровода: 70 мм.
Дискретизация области моделирования производилась на гексаэдрическую расчетную сетку, состоящую из 2 905 980 узлов.
Теплофизические характеристики инженерно-геологических элементов (ИГЭ) вокруг траншеи с нефтепроводом были заданы согласно таблице ниже:
|
Номер ИГЭ |
Грунт |
Мощность слоя, м |
Коэффициент теплопроводности талого и мерзлого грунта λT/λM , Вт/(м∙К) |
Объемная теплоемкость талого и мерзлого грунта СТ/СМ , кДж/(м3∙К) |
Объемная влажность грунта, м3/м3 |
| 1 | Торф |
0.7 |
0.5 / 2 |
3600 / 1300 |
0.33 |
| 2 | Торф преимущественно среднеразложившийся, пластичномерзлый, льдистый. Содержит ПЖЛ |
4.3 |
0.5 / 2 |
3600 / 1300 |
0.33 |
| 3 | Супесчано-суглинистый грунт, льдистый |
2.2 |
1.45 / 2.3 |
2867 / 2030 |
0.57 |
| 4 | Супесчано-суглинистый грунт с повышенным содержанием льда |
7.8 |
1.25 / 2.3 |
3160 / 205 |
0.42 |
Для повторно-жильных льдов задавалась теплоемкость, равная 1860 кДж/(м3∙К), а теплопроводность — 2.25 Вт/(м∙К).
Предполагалось, что нефть перекачивается по трубе при температуре +8oС, а средняя скорость ее прокачки составляет 30 тонн в год.
Результаты моделирования
По расчетам за 2 года установлено, что максимальное оттаивание грунта вокруг нефтепровода формируется в направлениях, в которых отсутствует теплоизолятор, и не превышает 0.9 м. Амплитуда годовых колебаний температурного поля в грунте в окрестности трубопровода варьируется в пределах 3–5oС.
В данном случае необходимо было получить результаты за 2 расчетных года, в то время как программный комплекс Frost 3D позволяет прогнозировать дальнейшее развитие ореола оттаивания на 5, 10 и 30 лет вперед.
Трехмерное температурное поле, рассчитанное в программе Frost 3D
Результаты расчета теплового поля в виде изолиний температур в поперечном сечении моделируемой области в августе
Результаты 3D-моделирования ореола оттаивания вокруг нефтепровода в многолетнемерзлом грунте
Ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода в сечении YZ в августе
Ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода в сечении YZ в январе
Стоит также отметить, что тепловое влияние нефтепровода не привело к таянию ПЖЛ под ним. Это обстоятельство связано с тем, что трубопровод располагается в траншее с техногенным грунтом, из которой удалили подземный лед и разместили теплоизоляционный материал.