аспирант Садыкова Р.М., профессор Крапивский Е.И.

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,г.Санкт-Петербург, Россия

Специфика сооружения трубопроводов, транспортирующих смесь сжиженных углеводородных газов, в вечной мерзлоте

На Ямале сосредоточено около 20 % российских запасов природного газа. На полуострове и прилегающих акваториях открыто 11 газовых и 15 нефтегазоконденсатных месторождений, разведанные и предварительно оцененные запасы газа которых составляют порядка 16 трлн. куб. м, перспективные и прогнозные ресурсы газа — около 22 трлн куб. м. Запасы конденсата оцениваются в 230,7 млн тонн, нефти — в 291,8 млн тонн. В ближайшей перспективе Ямал станет основным районом добычи газа в России и одним из крупнейших в мире.

Компанией ОАО «НОВАТЭК» реализуется проект «Ямал СПГ» - масштабный комплекс по производству сжиженного природного газа (СПГ) на полуострове Ямал на базе Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения. Большинство месторождений Ямала являются газонефтеконденсатными, причем содержание нефти и конденсата составляет 5 - 10 массовых процентов. Проект предусматривает ежегодное производство и морскую транспортировку около 40 млн. тонн СПГ, 2,2 млн. тонн газового конденсата и 3,5 млн. тонн нефти в год. Поэтому кроме танкеров для перевозки сжиженного природного газа необходимы еще и нефтетанкеры ледового класса. Уже в 2016 году должен быть построен завод по сжижению газа производительностью около 15 млн. тонн в год. Выход завода на проектную мощность в 2018 г.

На Нефтегазовом факультете Горного университета ведется разработка альтернативного варианта поставок части добываемой продукции, с целью снижения объемов транспортировки СПГ по Северному морскому пути (СМП). Для этого мы предлагаем сжиженную смесь метана, газового конденсата, нефтяного газа, ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов) транспортировать по низкотемпературному трубопроводу, в котором учтены особенности нефтегазоконденсатных месторождений Арктики. Для обеспечения возможности транспортировки газовой смеси по магистральным трубопроводам при допустимых температурах (минус 50 0С) и давлениях (до 12 МПа) к метану в заданной пропорции (5 – 10 %) добавляются нестабильный газовый конденсат и нефть с разрабатываемого месторождения. Предварительное название технологии LHG-MIX PipeLine Transportation (магистральный трубопроводный транспорт сжиженной газовой смеси – условное название и сокращение).

В настоящей работе рассмотрены некоторые особенности строительства трубопроводов сжиженной смеси углеводородных газов в условиях многолетнемерзлых пород.

Для снижения объемов транспортировки СПГ по Северному морскому пути (СМП) в зимний период мы предлагаем:

1) построить подземный низкотемпературный трубопровод Тамбей - Бованенково диаметром 720 мм и длиной 200 км (рис. 1) для перекачки части добываемой продукции на установку комплексной подготовки газа на Бованенковском месторождении;

2) на УКПГ Бованенковского месторождения предлагается разделить смесь на метановую составляющую газовый конденсат и нефтяную составляющую;

3) после регазификации метан и этан целесообразно закачать в действующий газопровод Бованенково-Ухта, газовый конденсат (бутан, пропан, пентан и гексан) в специальных цистернах отправить по железной дороге (Бованенково - Обская – Лабытнанги – Печора - Ухта) на Сосногорский газоперерабатывающий завод (около Ухты).

Это позволит:

- отказаться от транспортировки ШФЛУ и нефти по Северному морскому пути в страны Азиатско-тихоокеанского региона;

- загрузить Сосногорский газоперерабатывающий завод конденсатом (ресурсная база – Вуктыльское газоконденсатное месторождение практически выработано);

- загрузить Ухтинский НПЗ нефтью.

Рисунок 1 – Схема маршрута проектируемого низкотемпературного трубопровода Тамбей - Бованенково

На всем протяжении трасса Тамбей - Бованенково проходит по многолетнемерзлым грунтам с температурой минус 5 - минус 7 0С. Водонасыщенность грунтов доходит до 80 %, льдистость составляет 15 - 30 %, пластовые залежи льда достигают толщины нескольких десятков метров, встречаются криопэги. Трасса пересекает большое число мелких озер, рек и ручьев. В зимний период и озера и реки промерзают до дна.

Строительство трубопровода сжиженных углеводородных газов будет производиться в зимний период. Предусматривается предварительное охлаждение грунта термосваями (рис. 2) до температуры минус 20 - 30 0С, для уменьшения теплоотдачи от грунта к трубопроводу (по опыту работы нефтепровода Транс – Аляска, где в сходных климатических условиях зимний период грунт охлаждается до аналогичных температур). После пуска перекачиваемой смеси вдоль трассы трубопровода поддерживается отрицательная температура, что исключает подтягивание влаги к фронту промерзания  из окружающей грунтовой среды.

Большое значение имеет исследование проектируемой трассы трубопровода с целью выявления глубины оттаивания многолетней мерзлоты в летний период, определения несущей способности грунтов.

Для этой цели используется бурение мелких скважин с последующим анализом керна и обследование трассы комплексом геофизических исследований, включающих в себя: электротомографию, сейсмотомографию и георадиолокационное зондирование. Геофизические исследования позволяют выделить границы многолетнемерзлых пород, а также уточнить положение литологических границ между скважинами [3].

Рисунок 2 – Результаты сейсмотомографии и электротомографии [3]

На рисунке 3 показан профиль траншеи подземного низкотемпературного трубопровода. Для поддержания низкой температуры вдоль трассы трубопровода планируется использовать замораживание околотрубного пространства трубопроводов зимой с помощью специальных винтовых термосвай (с вертикальной и горизонтальной испарительной частью, с нагревательным элементом), использование высококачественной заводской пенополиуретановой тепловой изоляции и холодильных установок, совмещенных с перекачивающими станциями на определенных расстояниях вдоль трубопровода. Непосредственно на трубопроводе для дополнительной тепловой изоляции будет использоваться пенополистирол или вспененный каучук.

Рисунок 3 – Профиль траншеи подземного низкотемпературного трубопровода

1 – насыпь (естественный и привозной грунт), 2 – теплоизоляция (из пенополиуретана), 3 – теплоизоляционный слой, 4 – набивка, 5 – винтовая термосваи, 6 – настил (песок)

Действие термосвай основано на охлаждении грунта вокруг трубопровода в зимний период, за счет низкой температуры наружного воздуха. Термосвая наполнена хладагентом, в качестве которого использован безводный аммиак. Для повышения теплообмена между термосваей и атмосферным воздухом в верхней части термосваи установлены радиаторы из прессованного алюминия [4].

Когда температура наружного воздуха ниже температуры грунта, жидкий аммиак, находящийся в нижней части термосваи, начинает испаряться. Пары поднимаются в верхнюю часть сваи и там конденсируются. Охлажденный конденсат паров аммиака стекает по стенкам сваи, охлаждая ее и через нее – расположенный вокруг нее грунт. Описанный цикл испарения и конденсации аммиака повторяется до тех пор, пока температура нижней части термосваи не будет ниже температуры ее верхней части.

Достоинством описанного решения является его функционирование без внешних источников энергии, а отсутствие каких-либо подвижных деталей исключает необходимость ремонта и контроля.

Для первоначального захолаживания трубопровода предусматривается дополнительное охлаждение жидким азотом (порционная подача) в период пуска.

По обе стороны уложенного в траншею трубопровода, в необходимых местах (при положительной или слабо отрицательной температуре грунта в летнее время) предусмотрен монтаж труб систем замораживания диаметром 150 мм, заполняемые рассолом в качестве хладагента. Станции замораживания, работающие на электроэнергии, должны располагаться вдоль трассы трубопровода. Расстояние между станциями определяется тепловым расчетом. Строительство целесообразно вести только в холодные месяцы (октябрь-апрель) в целях сведения к минимуму ущерба тундре.

Пересечения водных преград низкотемпературным трубопроводом осуществляется наземным способом с усиленной тепловой изоляцией на опорах, располагаемых по обе стороны водного препятствия с расположенными внутри них термосваями для повышения надежности перехода. Возможность подводной прокладки трубопровода требует дополнительного анализа и экспериментальных работ. Для исключения всплытия трубопровода в ряде случаев наряду с тепловой и антикоррозионной изоляцией планируется использование обетонированных труб.

Катодная защита от коррозии не предусматривается, так как температура трубопровода ниже минус 40 0С. В проблемных местах будет уложена анодная защита в виде алюминиево-магниевых протекторов, привариваемых к трубопроводу.

Существующие сорта сталей марки Х70 и Х80, применяемые при строительстве трубопроводов «Бованенково - Ухта», ВСТО и «Северный поток» работоспособны при вышеуказанных давлении и температуре.

Затраты на строительство 1 километра предлагаемого трубопровода составят около 10 млн. долл. Для сравнения, стоимость 1 км газопровода Бованенково - Ухта составляет 14 млн. долл., а нефтепровода Транс - Аляска – 9,5 млн. долл.

Стоимость каждого танкера ледового класса – 300 млн. долл., а атомного ледокола – 1500 млн. долл.

Из проведенного исследования следует, что предложенный способ комбинированной транспортировки СПГ по СМП и смеси сжиженных углеводородов по подземным магистральным трубопроводам позволит на треть сократить количество ледоколов и танкеров, существенно сократить затраты на транспорт газа и газового конденсата.

 

Литература:

1.  Полозов А.Е. Повышение прочности низкотемпературных теплоизолированных трубопроводов : дис. д-ра технич. наук. К. – М., 2004. – 349 с.

2. Хренов Н.Н.  Оценка конструктивной надежности переходов через талики на трассе газопроводов Бованенково - Байдарацкая губа // Газовая промышленность. 2009. №4. С.51-53.

3. Полевые работы. Пример 12. Определение кровли многолетнемерзлых пород геофизическими методами. / Сайт программы ZOND. URL: http://zond-geo.ru/examples/field-works/polevyie-rabotyi-primer-12/

4. Construction of the Trans-Alaska Pipeline System/ Academic Dictionaries and Encyclopedias. URL: http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/11574310