WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

ГОРЕЛОВ АНАТОЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ШЛЕЙФОВЫХ ГАЗОПРОВОДОВ С ВЕЧНОМЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2004

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Кушнир Семен Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Земенков Юрий Дмитриевич кандидат технических наук Жевагин Алексей Иванович

Ведущая организация: ООО «Сургутгазпром», г.Сургут

Защита диссертации состоится 11 июня 2004г. в 1500 час.

на заседании диссертационного совета Д _212.273.02_ при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ по адресу 625039, г.Тюмень, ул.Мельникайте, 72.

Автореферат разослан « 06 » мая _2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Челомбитко С.И.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение эксплуатационной надежности газопроводов при освоении газовых месторождений северных регионов страны существенно усложняется. Одной из причин, вызывающей такое усложнение, является недостаточная изученность теплового и силового взаимодействия газопроводов и грунтов с учетом большого многообразия последних. Возможные пучения грунтов в холодный период и их оттаивания в теплый период приводят к изменению высотно-планового положения газопроводов и соответствующему изменению их напряженнодеформированного состояния. Оттаивание грунтов под газопроводами особенно существенно для многолетне- и вечномерзлых грунтов, поскольку может привести к нарушению первого принципа эксплуатации мерзлых грунтов как оснований.

Решение проблемы особенно актуально для Тюменского нефтегазового региона, где вечномерзлые грунты занимают площадь около 1млн.км2, а грунты с глубоким сезонным промерзанием составляют более 70% талых.

Значительный объем добычи газа и газоконденсата в условиях Севера требует применения антигидратных ингибиторов, в качестве которого в условиях Заполярного газоконденсатного месторождения является метанол. Подача метанола на кусты скважин осуществляется централизовано по метанолопроводам, проложенным параллельно на небольшом расстоянии от шлейфовых газопроводов. Высокая температура метанола в теплый период времени приводит к растеплению многолетнемерзлых грунтов под шлейфами, их осадке и к возникновению значительных дополнительных продольных напряжений в стенках газопроводов.

Поскольку уровень эквивалентных напряжений является одним из критериев безопасной эксплуатации газопроводов, то нахождение их в указанных условиях является актуальной научной проблемой.

В связи с этим целью настоящей работы является: исследовать влияние растепляющего действия метанолопровода в теплый период времени года на осадку шлейфового газопровода и возникающие вследствие этого изменения напряженно-деформированного состояния в его стенке.

Основные задачи исследования:

- Рассчитать температурное поле грунта системы «метанолопроводшлейфовый газопровод» в теплый период времени года.

- Определить толщину и осадку оттаявшего мерзлого грунта под шлейфовым газопроводом.

- Разработать модель силового взаимодействия шлейфового газопровода с оттаявшим грунтом.

- Рассчитать дополнительные продольные напряжения в стенке шлейфового газопровода при его осадке и определить эквивалентные напряжения.

Научная новизна выполненных исследований:

- Решена задача растепления мерзлого грунта под шлейфовым газопроводом с учетом теплового влияния метанолопровода.

- Определена толщина оттаивающего грунта и его осадка под шлейфовым газопроводом в условиях мерзлых грунтов.

- Найдено эквивалентное напряжение в стенке шлейфового газопровода при его осадке в оттаявшем мерзлом грунте.

Практическая ценность работы заключается в том, что автором на основе исследования теплового и силового взаимодействия шлейфового газопровода с мерзлыми грунтами в реальных условиях ЗГКМ выявлено существенное влияние осадки шлейфовых газопроводов на уровень напряжений в их стенке. Это позволяет выявить опасные (по максимальным значениям эквивалентные напряжения) участки трубопроводов и организовать на них дополнительные наблюдения (мониторинг) в теплый период времени, что значительно повысит эксплуатационную надежность шлейфовых газопроводов в условиях вечномерзлых грунтов.

На защиту выносятся.

Результаты исследования теплового и силового взаимодействия шлейфовых газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами в теплый период года.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на: научно-практической конференции по проблемам транспорта в Западно-Сибирском регионе, г.Тюмень, ТГНГУ, 2001г.; на научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2002г.; на международном научно-практическом семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы в нефтегазодобывающей отрасли» (г.Тюмень, 2002г.); на юбилейной научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2003г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 114 страницах, содержит _29_рисунков и _12_таблиц. Список литературы включает _107_ наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе на основе анализа обозначенных энергетической стратегией России на период до 2020 года уровней добычи нефти и газа и их распределения по регионам страны показано, что в ближайшей перспективе (50-70лет) Западная и Восточная Сибирь будут оставаться основными нефтегазодобывающими регионами. При этом оценена роль Тюменского нефтегазового комплекса в структуре ТЭК России и обоснован выбор объекта исследования - Заполярное газоконденсатное месторождение.

В главе показано, что до настоящего времени тепловое и силовое взаимодействие шлейфовых газопроводов в условиях многолетнемерзлых грунтов практически не изучалось. На основании этого определены основные направления настоящего исследования.

Во второй главе отмечается, что газовые шлейфы ЗГНКМ проходят через участки вечномерзлых грунтов и с целью недопущения оттаивания грунта под шлейфами применяется их высококачественная теплоизоляция (из = 0,033Вт/мК, из = 60мм) с дополнительным обустройством песчаной подушки толщиной 20см по дну траншеи.

Однако значительное растепление грунта может быть вызвано расположенным параллельно шлейфу метанолопроводом, поскольку подаваемый метанол имеет температуру наружного воздуха, существенно положительную в теплый период времени года.

На рис.1 приведена расчетная схема для определения температурного поля t(x;y;z;)z=const оттаивающего грунта в некотором поперечном сечении с координатой z.

н, t ( ) н Ox t =t(x,y,z, ) z=const Hм Hш A l мш (z, ) G,t г г Hт Г l G,t (z, ) м м мо Dш Dиз Г D 2 м шлейф метанолопровод песчаная подушка Н =0,2м п кровля вечномерзлых грунтов y Рис.1.Поперечное сечение трубопроводов Для решения задачи выбран энтальпийный подход к описанию процесса оттаивания мерзлого грунта, следствием чего является следующее уравнение температурного поля:

t t t [C(t) + Lф (t - tф )] = + (1) (t) (t), x x y y где (t - tф) - дельта-функция от аргумента (t - tф), а объемная теплоемкость грунта С(t) и его теплопроводность (t) определяются следующими выражениями:

Cт,t tф (талый грунт) т, t tф C(t) = (2) С,t < tф (мерзлый грунт) (t) =, t < tф м м (tф и Lф - температура начала таяния и теплота таяния грунта).

Числовые значения tф, Ст, Си, т, м и ф определяются по СНиП 2.02.04-88 на основании известной величины суммарной влажности wtot мерзлого грунта.

Граничные условия задачи (1) для сечения z=const имеют следующий вид:

t - т = н [tн () - t] при у = 0, (3) y 2из[tг (z; ) - t] t = -т при (х;у)Г1;

n Dш + 2из Dиз ln Dш t = tм(z;) при (х;у)Г2. (4) Поскольку коэффициент конвективного теплообмена н на открытой поверхности имеет значение н 25Вт/м2К, то граничное условие третьего рода (3) может быть заменено на граничное условие первого рода:

t = tн() при у = 0. (5) При определении начального условия уравнения (1) предполагается, что температура t мерзлого грунта на большом удалении от трубопроводов, а также при у = 0 равняется tф, что позволяет использовать известное решение Форхгеймера для одиночного трубопровода:

t(x;y;z;0)z=const = tF(x;y) (6) (в момент времени = 0, соответствующий началу теплого периода, тепловое воздействие метанолопровода на грунт отсутствует).

Решение системы уравнений (1) - (6) может быть найдено при известных зависимостях tг(z;) и tм(z;), которые сами являются предметом определения.

В связи с этим было проведено сопряжение температурного поля грунта t(x;y;z;)z=const с температурами газа tг(z;) и метанола tм(z;) следующим образом (рис.2):

t ( ) н l z O1 O x t =t (x,y,z, ) Hш Hм A L -длина участка растепления т y Dиз D ш G,t t г г (z, ) г t ( ) l;

г t ( ) D G,t l;

м м м (z, ) t =t ( ) м м м кровля вечномерзлых грунтов Рис.2. Схема оттаивания грунта по длине трубопроводов в теплый период времени 1. В сечении z0 = 0 (вход для метанолопровода и выход для шлейфа) известны следующие зависимости по времени:

// по эксплуатационным данным шлейфа;

tг (0;) = tг () (7) (0;) = tн () - температура наружного воздуха.

tм Дополнительные зависимости (7) полностью определяют процесс оттаивания грунта и позволяют рассчитать его температурное поле t(x;y;0;) в любой момент времени, а также найти линейные тепловые потоки шлейфа и метанолопровода в сечении z = 0 по следующим формулам:

t q (0; ) = ds lг т n Г(8) qlм (0; ) = - т t ds.

n Г 2. Затем выбирается шаг по длине шлейфа (метанолопровода) и для следующего поперечного сечения с координатой z1= вычисляются температуры газа и метанола:

Gг Срг // г t (l;) = tг () + qlг (0;) l (9) tм (l;) = tн () - Gм См, qlм (0;) l где Gг, Gм, Срг и См - массовые расходы газа и метанола и их удельные теплоемкости.

3. По найденным зависимостям tг(;) и tм(;) рассчитывается температурное поле грунта t(x;y;;), находятся линейные тепловые потоки qг(;), qм(;) и температуры tг(2;), tм(2;) для сечения z2 = 2 и т.д.

В качестве объектов изучения в диссертационной работе выбраны шлейфы №105 и 115 как наиболее характерные для ЗГНКМ (УКПГ-1с).

Ниже приводятся расчетные параметры и зависимости для шлейфа №115:

Дж 3,, t 00 C, Дж м3 К wtot = 0,30; tф = 00С; Lф = 1,34 ·108 ; C(t) = м2,48 106 Дж, t < 00C, м3 К Вт 1,68, t 00C, кг кг м К (t) = Gг = 31,6 ; Gм = 4,30 10-2 ; (10) с с 1,86 Вт, t < 00C.

м К Дж Дж Cрг = 2,22 103 (при t = +150C) Cм = 1,92 103 (при t = +100C);

кг К кг К Вт из = 0,033 ; из = 60мм; Dш=325мм; Dиз=445мм; Нш=Н0=1,1м;

м К н t () =19,0sin(0,785) (0 т = 4мес) Нм=1,35м; мш= 0,7м;

// // () = t =14,10 С;

г tг / t = 150 С; L = 1,7км (длина шлейфа).

г Время является текущим месячным временем, отсчитываемым с конца мая. Продолжительность теплого периода времени [tн()00С] // принята равной т = 4месяца. Поскольку изменение температуры tг () является незначительным, то проведено её усреднение за время т.

Численное решение задачи оттаивания грунта вокруг шлейфа и метанолопровода на основе системы уравнений (1)-(9) и расчетных данных (10) выполнено на кафедре механики грунтов и оснований ТГНГУ.

Результаты расчетов представлены на рис.3 и рис.4, где показаны положения фронтов оттаивания в выбранных поперечных сечениях и графики изменения температуры метанола по координате z и времени.

Рис.3. Оттаивание грунта вокруг шлейфа №115 в теплый период времени 1) = 0; 2) = 0,5; 3) = 1,0; 4) = 1,5; 5) = 2,0; 6) = 2,5; 7) = 3,0; 8) = 4,t t 20.0 20.18.0 18.16.0 16.14.=0,5мес 14.0 =1,5мес 12.12.10.10.8.8.6.6.4.4.2.2.z, м z, м 0.0.0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 а) б) t t 20.0 20.18.0 18.16.0 16.=4,0мес =2,5мес 14.0 14.12.0 12.10.0 10.8.0 8.6.0 6.4.0 4.2.0 2.z, м z, м 0.0 0.0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 в) г) Рис.4. Распределение температуры по длине метанолопровода в теплый период времени (шлейф №115) Анализ эксплуатационных данных шлейфов показал, что распределение температуры газа по их длине носит линейный характер, не зависящий от времени :

// / // z tг (z; ) = t + (t - t ) (11) г г г L / (L - длина шлейфа; t - усредненная за теплый период температура г / t ()).

г Зависимость (11) позволяет упростить процедуру нахождения qг и уменьшить объем вычислений.

В третьей главе рассматривается вопрос определения осадки s(z;) оттаявшего грунта под шлейфом. По результатам второй главы выяснено, что в начальный период времени (н 0,5мес для обоих шлейфов) происходит оттаивание мерзлого грунта песчаной подушки и только после времени н начинается растепление мерзлого суглинка под шлейфом.

Поскольку осадка песчаной подушки практически равна нулю, то во всех дальнейших уравнениях и зависимостях время отсчитывается от значения н.

Анализ численных результатов, проведенных во второй главе, показал, что основное растепление мерзлого суглинка под шлейфом приходится на относительно короткий участок Lт (100-350м), названный участком растепления.

Выполненные исследования позволили получить следующие регрессионные уравнения для толщины hт(z;) оттаявшего суглинка под шлейфом:

Ahт (z;) = z - exp-, 0 3,5мес 1 1 + A(12) h/ () = h(;) = А 1 - exp-, 0 3,5мес.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.