2. Изменение инженерно-геологических условий под воздействием нефтегазоносного освоения территории. Вопрос пучения грунта в связи со строительством линейных сооружений на территории Западной Сибири

Более 30 лет продолжается штурмовой характер освоения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. За это время из недр Земли извлечены миллиарды тонн нефти, триллионы кубических метров природного газа, более 10 млрд. тонн попутных вод; в продуктивные пласты для поддержания пластового давления закачаны миллиарды кубических метров различных природных и технических агентов заводнения — поверхностных и подземных вод различного качества, попутно добываемых и сточных вод, физико-химических агентов для повышения нефтеотдачи пластов и восстановления производительности скважин. Разработка месторождений ведется бессистемно и бесконтрольно. На всех стадиях освоения — от поисково-разведочного процесса, бурения добывающих и нагнетательных скважин, их эксплуатации, транспортировки углеводородного сырья, переработки, сооружения и эксплуатации нефтегазовых хранилищ и пр. идет колоссальное вмешательство человека в природную среду, нарушается созданное геологическими эпохами экологическое равновесие. Невиданная урбанизация северных регион привела к огромным изменениям природных условий, последствия которых трудно прогнозируемы, а порой и просто непредсказуемы.

Разработка месторождений нефти и газа сопровождается строительством трубопроводов и населенных пунктов с обширной сетью коммуникаций.

При траншейной укладке и эксплуатации в суровых климатических условиях различных коммуникаций пучение грунта считается одним из наиболее опасных мерзлотных физико-геологических явлений, обусловливающих деформацию сооружений. Аналитических зависимостей, по которым можно было бы определить выпучивание отдельных систем, располагающихся на данной глубине, находящихся в различной мерзлотно-грунтовой среде, обладающих упругими свойствами и являющихся одновременно переменными по величине и знаку источником тепла, в настоящее время не существует. Имеющиеся на этот счет формулы выражают данное явление лишь в существенно упрощенном виде. Они позволяют установить пучение грунта без учета инженерного фактора как функцию от режима промерзания, простейших физических и теплофизических характеристик отложений. Разработка более совершенных систем задерживается из-за недостатка надежных критериев в виде экспериментальных данных.

Комплексные исследования и опытные работы, которые будут рассмотрены в данной спецглаве, проводились геологическим факультетом МГУ в одном из районов Западной Сибири.

Исследования показали, чтоб область наиболее значительного проявления процессов пучения в районе, как в естественной обстановке, так и при инженерном воздействии, охватывает всю левобережную пойму реки, за исключением узкой внешней ее полосы, в пределах прибрежной отмели – берегового вала, сложенного с поверхности супесями и песками, в отличие от пылеватых суглинков, типичных для остальной территории. Суглинки повсеместно развиты на пойме не только в плане, но и разрезе активного слоя сезонного промерзания-протаивания. Грунт классифицируется как пылеватый средний суглинок. Заметное увеличение дисперсности поверхностных отложений наблюдается в пониженных участках поймы. Здесь преобладают пылеватые тяжелые суглинки сизовато-серого цвета с хорошо выраженной горизонтальной слоистостью. В суглинках четко прослеживаются прослои бурого торфа небольшой мощности.

Мерзлотные условия изученной территории отличаются рядом особенностей. Внутренние, относительно удаленные от современного русла реки учатски поймы повсеместно слагаются многолетнемерзлыми породами с температурами в подошве слоя годовых теплооборотов, изменяющимися чаще всего от -0,3 до -0,6С. Грунты при столь высокой температуре по облику своему приближаются к твердомерзлой, но не пластичномерзлой разновидности. Коэффициент водо-льдонасыщения близок к 1, в кровлемноголетнемерзлой толщи отмечаются частослоистые тонкошлировые криотекстуры, которые на глубине переходят в толстошлировые. На отдельных участках, располагающихся близ тылового шва, современные условия теплообмена приводят при том же вещественном составе и криогенном сложении порол к формированию среднегодовых температур до -1,0 -1,5С. Максимальные глубины сезонного протаивания-промерзания равны 2,0 – 2,5 м. Для внутренней части поймы обычным является разобщение слоя зимнего промерзания с многолетней мерзлотой. Роль несливающейся мерзлоты, точнее, той талой зоны, которая сохраняется в зимнее время, двояка: с одной стороны, она служит при пучении грунта своего рода поставщиком дополнительной влаги, а с другой – является амортизирующей средой, в которой расслабляются напряжения, возникающие при промерзании отложений. Конечный результат зависит от состава слагающих пород, их свойств, условий промерзания, гидрогеологического режима вод таликовой зоны.

Наиболее пестрыми и динамичными мерзлотные условия представляются в озерных котловинах. Под водоемами, характеризующими средней глубиной около 4 м и достигающими глубин 11-13 м, многолетнемерзлые толщи отсутствуют. Мелководья и участки, подтопляемые в паводок, слагаются как талыми, так и высокотемпературными мерзлыми породами, нередко связанными постепенными переходами. В отдельных случаях наблюдается тенденция увеличения площадей, занятых мерзлыми породами, за сокращения размеров таликов. Новообразования мерзлоты по материалам 3-летних режимных исследований обнаруживаются в целом ряде пунктов. Температура пород в озерных котловинах составляет около 0С, глубина промерзания-протаивания 0,7-1,7 м.

Важными компонентами природной среды, определяющими интенсивность пучения в данных климатических условиях, являются: влажность сезоннопромерзающих отложений, изменения влажности по периодам года, динамика влажностного режима поля на различных участках.

На участках, примыкающих к береговому валу и сложенных супесчаными грунтами, техногенное воздействие привело к повсеместному увлажнению грунта.

Многие показатели указывают на принадлежность отложений низкой поймы к категории пучиноопасных. Наиболее интенсивно пучение происходит на участках новообразований мерзлоты в озерных котловинах.

В результате наблюдений по строительным площадкам выявилось различие в поведении конструкции системы, что позволяет сделать выводы:

- тепловое воздействие сооружения способно привести к усилению процесса пучения примерно в 2,5 – 4,0 раза;

- приближенные формулы, по которым обычно определяется пучение грунта в естественных условиях, не могут быть признаны удовлетворительными при прогнозировании выпучивания различных заглубленных конструкций с упругими свойствами и тепловым влиянием;

- существенное различие имеется между расчетным и фактическим пучением грунта в естественных условиях на уровне модели.