Строительство автомобильных дорог с применением композиционных материалов на основе грунтов и отходов бурения: На примере нефтедобывающих районов Западной Сибири

Сеть автомобильных дорог Западной Сибири находится в стадии становления, и ее развитие сдерживается недостаточностью финансовых и материальных ресурсов. В районах добычи нефти и газа сеть автомобильных дорог представлена дорогами общего пользования и ведомственными дорогами нефтяников и газовиков, причем большая часть опорной сети дорог общего пользования создается на основе бывших промысловых дорог. Автомобильные дороги, предназначенные для транспортного обеспечения добычи нефти и газа, в соответствии с ВСН 26−90 подразделяются на внутренние промысловые, проектируемые с учетом норм СНиП 2.07.05−85 (V п — III п категории), обеспечивающие связь нефтепромысловых объектов месторождений, и автомобильные дороги, формирующие сеть общего пользования, проектируемые по нормам СНиП 2.05.0285 (IV — II категории) — межпромысловые, соединяющие поселки (месторождения) между собой, с городами, базами, железной дорогой, речными портами и аэропортами.

В годы интенсивного освоения (1980;1990 гг.) Западно-Сибирского нефтегазового комплекса (ЗСНГК) затраты на автомобильно-дорожную составляющую занимали примерно 1/3 от общих издержек в нефтедобывающей промышленности, годовой ввод промысловых дорог составлял более 1000 км. Например, в 1981;1985 гг. было построено более 2000 км автомобильных дорог с твердым покрытием и около 3000 км грунтовых и грунтово-лежневых дорог. После периода спада добычи и капиталовложений (1991;1995 гг.), в конце 90-х годов вновь наблюдается прирост инвестиций и добычи нефтив связи с необходимостью освоения удаленных месторождений возрастает роль автомобильных дорог.

Таким образом, стоящиеся на месторождениях ЗСНГК автомобильные дороги, как важная часть его транспортной инфраструктуры, являются значительным фактором, определяющим уровень добычи и себестоимость нефти и газа, а так же существенным слагаемым сети дорог общего пользования. Например, протяженность автомобильных дорог на начало 2000 года по Ханты-Мансийскому автономному округу составляет 18 022,7 км, из которых 1585 км — общего пользования и 16 437,7 км — ведомственные, проходящие в основном по месторождениям.

Поэтому совершенствование конструкций и технологий, снижение стоимости и материалоемкости строительства автомобильных дорог в районах нефтедобычи является важной народнохозяйственной проблемой, актуальной как для нефтегазовых компаний, так и для государственных органов управления дорожной отраслью, в связи с острым дефицитом средств и совместным финансированием ряда объектов в настоящее время.

Одним из путей снижения ресурсоемкости строительства автомобильных дорог в ЗСНГК, в связи с отсутствием местных каменных материалов, является применение композиционных материалов на основе грунтов (КМ), или укрепленных грунтов (УГ). Наибольшее использование в дорожных конструкциях получил цементогрунт (ЦГ), однако расширение его внедрения сдерживается дороговизной вяжущего, а так же неоптимальностью гранулометрического и химико-минералогического состава основных типов грунтов, распространенных в регионе. Укреплению, как правило, подвергаются мелкие и пылеватые однородные, гидронамывные пески, с кислой реакцией среды. В результате КМ характеризуется сравнительно низкой прочностью и морозостойкостью, высокой остаточной пористостью, водопоглощением при обычных дозировках вяжущего (10−12%). Увеличение количества цемента приводит к снижению деформативности и повышению хрупкости, трещинообразованию и нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. Поэтому имеется необходимость проведения дальнейших исследований по улучшению физико-механических показателей УГ, в частности, с учетом известных рекомендаций по укреплению песков, не содержащих глинистых фракций, цементом совместно с тонкодисперсными добавками, добавками нефти, органических веществ, отходов промышленности.

На промыслах ЗСНГК накапливается большое количество отходов бурения (ОБ) -отработанных буровых растворов (ОБР) и шламов (БШ), в состав которых входит глинисто-коллоидная фаза, нефть, химическииповерхностно-активные вещества. Проблема утилизации ОБ до настоящего времени не решена, накапливающиеся в шламовых амбарах на кустовых площадках ОБ являются одним из основных факторов неблагоприятного воздействия на окружающую среду в районах нефтедобычи.

По данным Комитета по охране окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа (1997г, экспертная оценка Л.В. Михайловой), от общего объема нефти, попадающего в водоемы, 35% приходятся на размывы и протечки шламовых амбаров, происходит так же углеводородное и ионно-солевое загрязнение почв, поверхностных и грунтовых вод. В конце 80-х годов, по данным Главтюменьнефтегаза, в 5000 не рекульл тивированных амбаров общий объем ОБР превышал 4 млн. м, с ежегодной наработкой ОБР до 1 млн.т. В последующие годы, в связи со значительными затратами на ликвидацию амбаров, снижением объемов проходки и частичным внедрением безамбарного бурения, выход и запасы ОБР и БШ сократились. В настоящее время наблюдается стабилизация и прирост объемов бурения, добычи, производится инвентаризация отходов. По экспертным оценкам, к 2000 году ежегодное накопление ОБР и БШ составляет более 300 тыс. м3, остаются не рекультивированными более 2000 старых амбаров. В этих условиях важное значение имеет разработка эффективных способов утилизации ОБ, обеспечивающих их обезвреживание.

Состав ОБ и ранее проведенные исследования по их отверждению вяжущими, опыт применения КМ в дорожном строительстве показывают, что ОБ представляют интерес с точки зрения их использования в конструкциях автомобильных дорог. Однако каких-либо системных исследований в данном направлении в регионе не проводилось, и реализация идеи утилизации ОБ в дорожных конструкциях не возможна без изучения и научного разрешения совокупности вопросов, составивших избранную для исследования проблему — о влиянии комплекса отходов на характеристики и свойства КМ, эффективности обезвреживания ОБ, способах подготовки и применения ОБ в дорожном строительстве.

Диссертация содержит теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструктивно-технологических решений по строительству автомобильных дорог с применением КМ на основе грунтов, ОБ и вяжущих в нефтедобывающих районах Западной Сибири, и направлена на уменьшение потребности в привозных дорожно-строительных материалах, эффективную утилизацию ОБ. Научная новизна работы заключается в том, что.

— впервые исследовано влияние добавок ОБ на характеристики КМ. Экспериментально установлено модифицирование песчаного грунта при добавке ОБР, доказана возможность улучшения физико-механических показателей КМ при оптимальной дозировке ОБ;

— получены математические модели, адекватно описывающие свойства укрепленных грунтов в зависимости от факторов состава и технологии;

— предложены и апробированы методики определения составов ОБ, проектирования и контроля составов КМ, оценки степени обезвреживания ОБ, установлены рациональные составы КМ, обеспечивающие экономию вяжущего и обезвреживание ОБ;

— обоснованы пути применения ОБ в дорожных конструкциях и разработаны способы строительства, апробированные в производственных условиях. Новизна предлагае8 мых технических решений подтверждена A.C. СССР № 1 545 679 «Способ укрепления грунта».

На защиту выносятся:

— результаты экспериментальных исследований свойств КМ на основе грунтов, ОБ и вяжущих;

— теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения в качестве добавки при укреплении грунтов ОБ, содержащих монтмориллонитовую фазу, без ухудшения физико-механических характеристик КМ;

— способы строительства промысловых дорог с применением ОБ — рациональные составы КМ, конструкции и технологии.

Работа выполнена на кафедрах автомобильных дорог Санкт-Петербургского ГА-СУ и Тюменской ГАСА в рамках программы «Нефть и газ Западной Сибири» по проблеме 07 «Автомобильно-дорожные проблемы Западной Сибири», а так же по теме 9.2.1.4 программы «Архитектура и строительство» Государственного комитета РФ по высшему образованию (Министерства образования РФ).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате проведенных научных исследований обоснованы способы строительства автомобильных дорог с применением КМ на основе грунтов и ОБ для условий Западной Сибири. Разработанные материалы, конструкции и технологии направлены на решение таких важных прикладных задач, как уменьшение потребности в привозных дорожно-строительных материалах, эффективную утилизацию и обезвреживание ОБ.

2. Анализ номенклатуры и составов ОБ показал, что основными компонентами ОБР являются глинистая фаза, добавки нефти и (или) полимеров, ПАВ. Интегральной характеристикой твердой фазы ОБР — тонкодисперсного шлама и глинопорошка,-предложено считать емкость ионного обмена по поглощению кальция, определяемую в динамических условияхзначения емкости обмена составили 5,4−8,4 ммоль/г, выявлена возможность укрепления грунта с добавкой ОБ цементом без введения извести.

3. Разработаны теоретические предпосылки, позволяющие объяснять и прогнозировать процессы структурообразования и связывания загрязняющих веществ в системе грунт-ОБ-вяжущее с позиций основополагающих теорий укрепления грунтов: коллоидно-химической, ТСВВ. На основе анализа теоретических моделей приняты ряд ограничений по соотношению компонентов КМ, позволяющих управлять свойствами композиций.

4. Экспериментальные исследования влияния ОБ на свойства КМ подтвердили теоретические положения и показали, что при введении оптимального количества ОБР происходит модифицирование исходных грунтов (повышается рН, плотность, сопротивление сдвигу) и улучшение физико-механических показателей УГ — повышение прочности в среднем на 20−40%, повышение морозостойкости, снижение водопо-глощения и жесткости материала. Модуль упругости образцов ЦГ с добавкой ОБР на 1000−1200 МПа меньше, чем у равнопрочных образцов песчаного ЦГ. Установлены рациональные дозировки ОБР, обеспечивающие «створ» улучшения показателей УГ, назначаемые по твердой (глинистой) фазе (до 5−7%) и нефти (до 4−6%). Установлено, что получение ЦГ с требуемыми и улучшенными показателями (класса прочности по СН 25−74, марки по ГОСТ 23 558–94) обеспечивается за счет добавки ОБР при сниженной на 10−20% дозировке вяжущего. Получены математические модели, описывающие зависимости свойств УГ от составов и их взаимосвязь.

5. В ходе опытного строительства апробированы конструктивно-технологические решения по применению КМ с ОБ в дорожном строительстве, в производственных условиях подтверждены результаты лабораторных исследований. Отработаны методика определения составов ОБ, способы подготовки и применения ОБ, определены граничные условия использования ОБР. Обоснована и апробирована струйная технология введения ОБР с применением агрегата ЦА-320, позволяющая инъектиро-вать ОБР на заданную глубину.

6. Уточнена методика определения степени обезвреживания ОБ в КМ по оценке двух последовательных водных вытяжек, получаемых при испытаниях на морозостойкость или длительное водонасыщение. Высокая степень связывания загрязняющих веществ (до 95−100% по нефти, до 85−95% по ХПК) обеспечивается при содержании вяжущего в композиции не менее 6−8% и соотношении цемент: ОБР в пределах 0,6−0,3.

7. Реализация предлагаемых способов строительства дорог с применением ОБ не требует капиталовложений, т.к. технология основана на использовании базовых дорожных машин и специальной техники нефтяников, имеющейся в ЗСНГК. Строительство опытных участков и опытно-промышленное внедрение результатов исследований показало эффективность предлагаемых решений, обеспечивающих снижение расхода вяжущего (до 50 и более т на 1 км дороги) и утилизацию ОБ. Экономическая эффективность с учетом необходимых издержек и снижения затрат на хранение ОБ и рекультивацию амбаров составила 12,4 тыс. руб. на 1 км дороги (цены 1991 г.).

8. Разработаны практические рекомендации, в которых указаны пути применения ОБ в дорожном строительстве, рассмотрены конструктивные решения, требования к материалам, способы строительства. Предложены методики подготовки и определения составов ОБ, проектирования и контроля составов КМ, оценки степени обезвреживания ОБ, правила технологии и контроля качества, природоохранные мероприятия.

9. Дальнейшие исследования в данной области целесообразно направить на углубление изучения взаимодействия и структурообразования в системе грунт — ОБвяжущее, с учетом влияния времени и средыэкологические аспекты утилизации ОБ, с учетом новых реагентов и технологий буренияна расширение ассортимента и поиск вяжущих и добавок, улучшающих свойства КМ и интенсифицирующих связывание загрязнителей.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ИО ПРИМЕНЕНИЮ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ПРОМЫСЛОВЫХ ПЛОЩАДОК.

5.1. Общие положения.

Настоящие рекомендации предназначены для опытно-промышленного внедрения конструктивно-технологических решений по строительству автомобильных дорог и промысловых площадок с применением КМ на основе местных грунтов, вяжущих и ОБ в условиях ЗСНГК, во II и 1з дорожно-климатических зонах. Не допускается использование ОБ при строительстве дорог в поймах, водоохранных зонах и прибрежных полосах рек и в охраняемых территориях (заповедниках).

Данная разработка обоснована исследованиями и опытным строительством, выполненными Тюменской ГАСА совместно с Санкт-Петербургским ГАСУ, СИБ-НИИНП, «Гипротюменьнефтегазом» и другими организациями на нефтяных месторождениях Тюменской области [83]. В основу предлагаемых технических решений положены методы комплексного укрепления песчаных и слабосвязных грунтов, преимущественно портландцементом, с добавками ОБР и БШ, в частности — способ укрепления грунта по A.c. № 1 545 679.

Разработанные практические рекомендации направлены на решение следующих прикладных задач:

— расширение номенклатуры грунтов, пригодных для укрепления (например, одноразмерных песков с кислой реакцией среды);

— экономии цемента на 10−20% по сравнению с обычной нормой для УГ;

— получение КМ с требуемыми или улучшенными характеристиками прочности, водои- морозостойкости, деформативности;

— эффективной утилизации ОБ, снижения затрат на содержание и рекультивацию шламовых амбаров, улучшение экологической обстановки.

В совокупности данные факторы обеспечивают повышение эффективности автодорожного обустройства территории, разбуривания и обустройства месторождений, снижение себестоимости добычи нефти. Внедрение разработанной технологии в практику нефтепромыслового и дорожного строительства не требует значительных капиталовложений, т.к. она основана на использовании имеющейся специальной техники.

Рекомендации распространяются на промысловые (внутренние) дороги и площадки и могут использоваться при проектировании и строительстве участков автомобильных дорог, формирующих сеть общего пользования, проходящих в непосредственной близости от месторождений. Строительство участков должно осуществляться по согласованным индивидуальным проектам производства работ. При использовании ОБ должны соблюдаться требования всех действующих нормативных документов по проектированию и строительству автомобильных дорог, промысловых площадок, охране природы и труда.

В настоящих рекомендациях изложены технологические и материаловедческие особенности, обусловленные применением ОБ, общестроительные нормы не приводятся.

5.2. Конструктивные решения и расчетные характеристики композиционных материалов.

Композиции на основе грунтов, вяжущего (цемента), ОБ, с учетом опытного строительства, рекомендуется применять в конструктивных элементах (рис. 5.1):

1. В основаниях под сборными и монолитными цементобетонными покрытиями.

2. В верхних и нижних слоях оснований нежестких дорожных одежд усовершенствованного капитального или облегченного типа с асфальтобетонным или чернощебе-ночным покрытием.

3. В качестве морозозащитных и капилляропрерывающих слоев.

4. В краевых укрепительных полосах и для укрепления обочин.

5. В дорожных одеждах переходного (низшего) типа с устройством поверхностной обработки или грунтового защитного слоя на автодорогах (подъездах к кустам и т. д.) и площадках с низкой интенсивностью движения (до 100 авт./сутки).

Возможны различные сочетания перечисленных конструктивных слоев, а так же объединения облегченных конструкций основания (устраиваемых в виде продольных полос) с обработкой грунта ОБР, что дает двукратное снижение потребности в цементе. При соответствующем технико-экономическом обосновании могут применяться другие вяжущие, минеральные и органические — известь, гудрон, битум и т. п.

При использовании ОБ, не содержащих вредных активных компонентов в количествах, установленных в региональных нормах ПДК для почв и водоемов, допускается использование композиций ОБ с грунтами без вяжущих или при их минимальном содержании в качестве активных добавок (3−5%) в следующих конструктивных элементах:

1. При обработке верхней части и слоев земляного полотна, возводимого из гидронамывных и одноразмерных песков, для обеспечения уплотнения и предотвращения «сухой распутицы».

2. При устройстве покрытий «низшего типа» на дорогах V категории с применением ОБР, БШ (при необходимости — цемента).

3. При обработке активной зоны земляного полотна путем инъектирования ОБР (или ОБР с цементом) на глубину 0,5−1,0 м.

4. Розлив ОБР по поверхности свежеуложенного цементогрунтового слоя для «ухода» в процессе набора прочности.

Проектирование дорожных конструкций, конструирование, определение размеров, расчет толщины слоев выполняются в соответствии с действующими нормативными требованиями СНиП 2.05.02−85, ВСН 46−83, ВСН 197−91, ВСН 26−90, типовыми проектами и проектами — аналогами с традиционными УГ. Требуемые расчетные физико-механические показатели КМ с добавками ОБ назначаются в соответствии с проектом и должны отвечать нормативам СН 25−74, ВСН 46−83, ГОСТ 23 558–94.

Ориентировочно состав и характеристики ЦГ с добавкой ОБР могут приниматься по табл. 5.1 с обязательным лабораторным подбором составов, определением физико-механических характеристик и степени связывания загрязняющих компонентов ОБ. Как правило, соответствующая проектному классу прочность обеспечивается при сниженной дозировке цемента в ЦГ с ОБР по сравнению с традиционными УГ Дополнительно следует учитывать ряд общих рекомендаций:

— при укреплении обочин ОБ не должны вводиться в прибровочную полосу шириной 0,5 м;

— толщины конструктивных слоев назначаются в пределах 0,15- 0,25 м.

— конструктивные слои дорожных одежд переходного и низшего типов с применением ОБ могут устраиваться на первой стадии строительства взамен более дорогостоящих для обеспечения ускоренного ввода автомобильных дорог;

— при устройстве конструктивных слоев методом смешения на дороге ширину обрабатываемой ОБ полосы рекомендуется назначать на 0,2−0,Зм меньше ширины укрепленного слоя с каждой стороны;

178 не допускается применение ОБ в подтопляемой части дорожной конструкции.