OilGasService
Влияние климатических изменений на условия эксплуатации магистральных нефтепроводов
ПАО «Транснефть» является крупнейшей в мире трубопроводной компанией в области транспортировки нефти и нефтепродуктов. Общая протяженность магистральных нефтепроводов, эксплуатирующихся организациями системы «Транснефть», составляет более 67 тыс. км. География нефтепроводов и нефтепродуктопроводов настолько широка, что затрагивает практически каждый субъект Российской Федерации с различными природно-климатическими условиями, зачастую сложными и уникальными (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения нефтепроводов ПАО «Транснефть»
Организациями системы «Транснефть» эксплуатируются надземные (рис. 2) и подземные магистральные нефтепроводы, причем подземные нефтепроводы эксплуатируются как с опиранием на грунт или скальную породу (рис. 3), так и на подземные подвесные опоры нефтепровода (рис. 4).
Рис. 2. Участок магистрального нефтепровода, расположенный надземно на опорах
Необходимость эксплуатации магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями ставит вопрос изучения изменений климата и влияния этих процессов на эксплуатацию магистральных нефтепроводов.
Рис. 3. Участок магистрального нефтепровода, расположенный подземно с опиранием на грунт
Только анализ изменений климата позволит адаптировать технические решения по прокладке магистральных нефтепроводов к фактическим условиям эксплуатации. Необходимо отметить, что результаты климатических наблюдений и модельные прогнозы климата не всегда доступны с требуемой территориальной и/или временной детализацией. Данная проблема актуальна не только для субъектов Российской Федерации, но и для многих регионов мира [1] с учетом местной специфики.
Рис. 4. Участок магистрального нефтепровода, расположенный подземно на подвесных опорах
При проведении анализа влияния изменений климата на условия эксплуатации магистральных нефтепроводов необходимо в первую очередь определить взаимосвязь между контролируемыми климатическими параметрами и изменением условий эксплуатации магистральных нефтепроводов. При этом следует различать изменение условий эксплуатации для магистральных нефтепроводов, расположенных на многолетнемерзлых грунтах, и магистральных нефтепроводов, расположенных на талых грунтах. В рамках настоящей статьи рассмотрим только магистральные нефтепроводы, расположенные на многолетнемерзлых грунтах, так как они являются одними из наиболее сложных с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации. Протяженность таких участков составляет 611 км при общей протяженности нефтепроводов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов в 7 075 км (магистральные нефтепроводы, проложенные в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, отмечены на рис. 1 синим пунктиром).
Взаимосвязь между контролируемыми климатическими параметрами и изменением условий эксплуатации магистральных нефтепроводов предлагается рассматривать по следующим группам:
Изменение теплового баланса в системе «грунт – атмосфера». В рамках настоящей статьи для данной группы рассмотрим следующие зависимости:
- изменение температуры грунтов вследствие изменения температуры наружного воздуха;
- изменение глубины деятельного слоя грунтов (слоя сезонного промерзания и слоя сезонного оттаивания) вследствие изменения температуры наружного воздуха;
- изменение теплообмена на границе «грунт – воздух» вследствие изменения толщины и продолжительности залегания снежного покрова.
Изменение условий работы технических средств. В рамках настоящей статьи для данной группы рассмотрим следующие зависимости:
- изменение холодопроизводительности термостабилизаторов грунтов вследствие изменения скорости ветра и температуры наружного воздуха;
- изменение продолжительности работы термостабилизаторов грунтов в зимний период вследствие изменения температуры наружного воздуха.
Рассмотрим каждую подгруппу более подробно.
Изменение температуры грунтов вследствие изменения температуры наружного воздуха
В работе [2] проведен анализ изменений среднемесячной и среднегодовой температур наружного воздуха на основании данных метеонаблюдений на 21 метеостанции, которые расположены в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов магистральных нефтепроводов «ВСТО‑1», «ВСТО‑2», «Заполярье – НПС «Пурпе» и «Куюмба – Тайшет», входящих в перечень Всемирной метеорологической организации за период с 1966 по 2021 гг. (рис. 5).
Рис. 5. Карта расположения метеостанций, результаты замеров на которых использованы при проведении исследований в рамках работы [2]
По результатам анализа установлено, что на всех рассматриваемых метеостанциях за период наблюдений температура имеет тренд к повышению. Среднемноголетняя динамика повышения температуры наружного воздуха для рассматриваемых метеостанций составляет от 0,028 °C/год до 0,067 °C/год, что соответствует повышению от 0,84 до 2,01 °C за 30 лет и от 1,40 до 3,35 °C за 50 лет, т. е. повышение температуры воздуха может достигать более 3 °C за период эксплуатации магистральных нефтепроводов (магистральные нефтепроводы «Уренгой – Холмогоры» и «Тарасовское – Муравленковское» введены в эксплуатацию в 1987 г. и эксплуатируются по настоящее время).
Многолетняя тенденция повышения температуры наружного воздуха приводит к изменению теплового баланса и создает условия для повышения температуры грунтов, что, в свою очередь, может приводить к негативным последствиям при эксплуатации магистральных нефтепроводов. Во-первых, для магистральных нефтепроводов, проложенных надземным или подземным способом с использованием свайных опор, повышение температуры многолетнемерзлых грунтов приводит к снижению несущей способности свайного основания. Расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности, которое является составляющей несущей способности свайного основания, обратно пропорционально температуре грунта. Во-вторых, для магистральных нефтепроводов, проложенных подземным способом без использования свайных опор, повышение температуры многолетнемерзлых грунтов приводит к увеличению скорости развития ореолов оттаивания под нефтепроводом, что, в свою очередь, может привести к увеличенным (непроектным) просадкам нефтепровода.
Изменение глубины деятельного слоя грунтов (слоя сезонного промерзания и слоя сезонного оттаивания) вследствие изменения температуры наружного воздуха
Изменение температуры наружного воздуха также влияет на изменение глубины слоя сезонного оттаивания и слоя сезонного промерзания. Для магистральных нефтепроводов, проложенных на опорах, данный факт приводит к необходимости учета изменения глубины деятельного слоя в период эксплуатации магистрального нефтепровода при расчете несущей способности свай.
По результатам анализа изменений температуры грунта на различных глубинах по данным 13 метеостанций, расположенных на территории Республики Саха (Якутия), установлено, что на 10 из 13 метеостанций в диапазоне глубин 1,6 м, 2,4 м и 3,2 м зафиксировано многолетнее повышение максимальной температуры грунтов в течение года, что, при расположении границ сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоя на данных глубинах, свидетельствует об увеличении сезонно-талого слоя (для многолетнемерзлых грунтов сливающегося типа) и об уменьшении сезонно-мерзлого слоя (для талых и многолетнемерзлых грунтов несливающегося типа). Многолетняя динамика изменений температуры грунта на глубине 2,4 м по данным метеостанции г. Якутск приведена на рис. 6. Пропуски на графике означают отсутствие доступных измерений по данным с метеостанции.
Рис. 6. Многолетняя динамика изменения температуры грунта на глубине 2,4 м
Источник: по данным метеостанции г. Якутск
На данном графике явно прослеживается смещение границы сезонно-талого слоя на глубину более 2,4 м. За период до 1985 г. на глубине 2,4 м грунты преимущественно находились при отрицательных температурах, при ее амплитуде на данной глубине более 3 °C. Данный факт может свидетельствовать о том, что большинство тепла, попадающего в грунт в теплый период года, уходило на его нагрев до температур фазового перехода, однако на переход грунта в талое состояние данного тепла не хватало (граница сезонно-талого слоя располагалась выше 2,4 м). С 1985 г. по начало 2000‑х гг. амплитуда годовых колебаний температуры резко сократилась при приближении температур грунта к 0 °C. Начиная с 2005 г., амплитуда годовых колебаний температуры вновь возросла при устойчивом переходе грунтов в талое состояние в летние периоды с сохранением многолетнего тренда увеличения температуры. Данный факт может свидетельствовать о том, что тепла, поступающего в грунт, достаточно для перевода его в талое состояние и дальнейшего нагрева (граница сезонно-талого слоя устойчиво располагается ниже глубины 2,4 м).
Изменение теплообмена на границе «грунт – воздух» вследствие изменения толщины и периода залегания снежного покрова
Снежный покров, формируемый в зимний период, оказывает сильное теплоизоляционное влияние на границе «грунт – воздух». При этом, помимо «прямого» изменения теплообмена на границе «грунт – воздух», снег может оказывать косвенное влияние на теплообмен при изменении эффективной теплопроводности грунтов в период оттаивания снежного покрова, поступления оттаявшей воды в грунт, и изменения альбедо поверхности ввиду изменения периода года, в который снежный покров залегает.
При анализе данных метеостанций в различных субъектах Российской Федерации не выявлено закономерности изменения толщины снежного покрова и продолжительности его залегания. Например, по данным метеостанции г. Сковородино с 2017 по 2021 гг. (рис. 7) ежегодно фиксировалось увеличение максимальной толщины снежного покрова при отсутствии общей тенденции изменения продолжительности его залегания.
Рис. 7. Изменение максимальной толщины снежного покрова и периода года, в который снежный покров существует
Источник: по данным метеостанции г. Сковородино
При этом зависимость между изменением толщины снежного покрова и изменением температуры подстилающих грунтов нелинейна. В соответствии с учебником [3], снежный покров в значительной степени изменяет характер радиационно-теплового баланса на поверхности. Снежный покров оказывает два основных воздействия:
– охлаждающая роль снега за счет высокого альбедо по сравнению с поверхностью грунтов;
– теплоизолирующая роль за счет низкой теплопроводности снега.
При малой мощности снега преобладает его роль как отражателя солнечных лучей, а теплоизолирующие свойства незначительны. Снег в этом случае является охлаждающим фактором. При увеличении мощности снега до определенных величин преобладает его отепляющее влияние. При последующем увеличении мощности снега до определенных величин большое количество тепла идет на его таяние, и значительная часть солнечных лучей отражается его поверхностью. Кроме того, мощный слой снега требует продолжительного периода для полного таяния, в течение которого держится на поверхности земли нулевая температура. В итоге снег в этом случае является охлаждающим фактором для грунтов. При последующем увеличении слоя снега, с определенной величины мощности он не успевает растаять в летний период. Образуются снежники и ледники, поверхность которых круглый год отражает значительную часть солнечных лучей, в результате чего верхний слой литосферы ещё более охлаждается, однако, магистральные нефтепроводы, эксплуатируемые организациями системы «Транснефть», не проложены в таких районах.
Условия эксплуатации протяженных линейных объектов, в том числе магистральных нефтепроводов, изменчивы. Это иллюстрирует пример различного снежного покрова на смежных участках нефтепровода, расположенных на склонах, ориентированных на юг и на север, на возвышенностях и в долинах рек, что сильно влияет на процесс накопления и схода снежного покрова. Следует отметить, что изменение условий формирования снежного покрова может быть вызвано объектами нефтепроводов и изменением микроформ рельефа (канавы, насыпи и т. п.). Приведенные обстоятельства не позволяют при моделировании каждого отдельного участка трассы магистрального нефтепровода принимать результаты снегомерной съемки на метеостанциях, входящих в перечень Всемирной метеорологической организации, без поправок.
Таким образом, для определения динамики изменения параметров снежного покрова требуется обустройство вдоль трасс магистральных нефтепроводов постов снегомерной съемки, а возможно и автоматизированных метеостанций с последующим проведением дополнительных исследований на основании полученных данных.
Изменение холодопроизводительности термостабилизаторов грунтов вследствие изменения скорости ветра и температуры наружного воздуха
Холодопроизводительность термостабилизаторов грунта зависит в первую очередь от теплообмена между конденсаторной частью и наружным воздухом. Теплообмен, в свою очередь, зависит как от температуры наружного воздуха, так и от скорости ветра. Результаты анализа изменения скорости ветра на рассмотренных метеостанциях не показывают какого‑либо однозначного изменения в большую или меньшую сторону в течение года, в отличие от температуры наружного воздуха.
Как было показано выше, за период с 1966 по 2021 гг. на всех рассматриваемых метеостанциях за период наблюдений температура наружного воздуха имеет тренд к повышению. При этом количество отрицательных градусочасов работы ТСГ ежегодно сокращается на величину от 60,33 °C в час/год до 401,75 °C в час/год, что соответствует на величину от 1 810 до 12 053 °C в час за 30 лет, и от 3 017 до 20 088 °C в час за 50 лет. Если принять в качестве среднемноголетнего количества отрицательных градусочасов среднее значение за последние 20 лет, то сокращение количества отрицательных градусочасов работы ТСГ достигает 14% за 30 лет и 23% за 50 лет.
На рис. 8 приведено изменение отрицательных градусочасов по данным метеостанции п. Тазовский. В качестве температуры включения термостабилизатора грунта была определена температура –7 °C. В зависимости от используемых на объектах термостабилизаторов грунта данная температура может отличаться в большую или меньшую сторону. Кроме того, прослеживается взаимосвязь уменьшения количества отрицательных градусочасов работы ТСГ по тренду от градуса северной широты расположения метеостанции – чем севернее метеостанция, тем больше уменьшение количества отрицательных градусочасов работы термостабилизаторов грунта.
Рис. 8. Изменение количества отрицательных градусочасов работы термостабилизаторов грунта Источник: по данным метеостанции п. Тазовский
Изменение продолжительности работы термостабилизаторов грунтов в зимний период вследствие изменения температуры наружного воздуха
Кроме изменения холодопроизводительности термостабилизаторов грунта, рассмотренного выше, изменения климата также влияют и на период их работы в течение года. Данный факт свидетельствует как о том, что период, в течение которого холод поступает в грунт, сокращается, так и о том, что период, когда тепло поступает в грунт ввиду «отключения» термостабилизаторов грунта, увеличивается. Например, по данным метеостанции Тарко-Сале, продолжительность работы термостабилизаторов грунта сокращается на 0,25 дн./год, по данным метеостанции Чульман – на 0,16 дн./год. Таким образом, за 30 лет эксплуатации магистральных нефтепроводов продолжительность работы термостабилизаторов по данным рассматриваемых метеостанций сократится на величину до 4% от средних значений за последние 20 лет, а за 50 лет – до 7%. При этом, помимо общей тенденции к сокращению продолжительности работы термостабилизаторов грунта, выявлено их циклическое изменение по закону, близкому к гармоническому, с периодом колебаний 15–20 лет. На рис. 9 приведено изменение продолжительности работы термостабилизаторов грунта в течение года и его сглаживание методом скользящего среднего за период 6 лет.
Рис. 9. Изменение продолжительности работы термостабилизаторов грунта
Источник: по данным метеостанции п. Тазовский
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что изменение климата влияет на условия эксплуатации магистральных нефтепроводов, и его необходимо учитывать на стадии проектирования путем формирования гипотез/сценариев.
Кроме того, нормативными документами федерального уровня устанавливаются требования к необходимости учета изменяющегося климата. Данные требования устанавливаются как в нормативных документах, выпущенных более 30 лет назад, так и в новых, выпускаемых в настоящее время.
- РСН 67–87 [4] определено, что составление прогноза изменений температурного режима грунтов является необходимым элементом инженерно-геологического обоснования строительства (реконструкции, расширения) объектов народного хозяйства в районах распространения вечномерзлых грунтов. При этом установлена необходимость использования изменяющихся во времени климатических параметров при прогнозировании температурного режима многолетнемерзлых грунтов.
- СП 116.13330 [5] требует учитывать потепление климата на период эксплуатации строительных объектов.
- СП 36.13330 [6] требует учитывать такие климатические параметры, как температура наружного воздуха, скорость ветра, солнечная радиация.
- ГОСТ Р ИСО 14090 [1] определены основные принципы, требования и рекомендации, связанные с адаптацией к изменениям климата. При этом указано, что в первую очередь важно провести оценку риска, основанную на тенденциях изменения климата и климатических явлениях, произошедших за прошедший временной период, а затем сосредоточиться на анализе рисков, связанных с климатическими трендами и климатическими явлениями, прогнозируемыми на весь срок действия принятого решения.
- СП 25.13330 [7] определено, что прогноз воздействия объектов строительства на природные условия осуществляется на весь период строительства и эксплуатации зданий и сооружений, и должен устанавливать возможность изменения теплового режима многолетнемерзлых грунтов района строительства и прилегающих территорий вследствие изменения климата.
Рассмотренные выше нормативные документы указывают на необходимость прогнозирования климатических параметров на будущий период, однако в нормативных документах отсутствуют методики прогнозирования климатических параметров для отдельных объектов. При этом существуют модели прогноза изменения климата на глобальном уровне (планете в целом или отдельных континентах), однако механизмы перехода от глобальных моделей к региональным отсутствуют. Кроме того, существующие методики предполагают использование одной из существующих моделей выброса парниковых газов в атмосферу, при этом единой общепринятой модели не существует, в связи с чем прогноз климатических изменений имеет значительную вариативность, что подтверждается докладами межправительственной группы экспертов по изменению климата. Например, в пятом [8] и шестом (последнем на текущий момент) [9] докладах отражено, что к 2100 г. ожидается повышение средней глобальной приземной температуры. Только при реализации жесткого сценария смягчения воздействий парниковых газов, выбросов загрязняющих атмосферу веществ и землепользования, возможно снижение средней глобальной приземной температуры, начиная со второй половины XXI в. Но даже при реализации жесткого сценария смягчения средняя глобальная приземная температура будет выше, чем в настоящее время. Температура в Арктическом регионе будет повышаться более быстро, чем средняя глобальная величина, и при реализации сценария с очень высокими выбросами парниковых газов может достигать 12 °C к 2081–2100 гг. в сравнении с 1986–2005 гг.
СП 131.13330 [10] установлены климатические параметры по различным субъектам РФ, которые необходимо использовать при проектировании зданий и сооружений. Сравнение фактических и нормативных климатических параметров показало, что фактические параметры отличаются в худшую сторону от предлагаемых сводом правил с точки зрения сохранения многолетнемерзлых грунтов. Например, в работе [11] определены тренды изменения температуры наружного воздуха на основании данных, полученных с 85 метеостанций, расположенных в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов. По результатам анализа полученных трендов установлено, что на 83 метеостанциях превышение трендов изменения среднегодовой температуры наружного воздуха данных СП 131.13330 [10] зафиксировано в период с 1980 по 1992 гг., а по 2 метеостанциям за все время наблюдений значение среднегодовой температуры воздуха выше данных, регламентированных указанным сводом правил. Данный факт говорит о том, что если при проектировании магистральных нефтепроводов руководствоваться этим сводом правил, то большую часть времени основания магистральных нефтепроводов будут находиться в менее благоприятных условиях, чем было определено при проектировании. Например, фактическая холодопроизводительность термостабилизаторов грунта за последние 20 лет меньше холодопроизводительности, учитываемой при расчетах на стадии проектирования, на величину от 16% (по данным метеостанции п. г. т. Чульман) до 46% (по данным метеостанции г. Тайшет).
Таким образом, при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов необходимо учитывать изменение климата путем прогнозирования климатических параметров, используя ряды метеонаблюдений за прошедшие периоды. Отдельно при прогнозировании условий эксплуатации магистральных нефтепроводов необходимо учитывать наличие аномально теплых или аномально холодных лет. Причем наличие таких периодов, если климатические параметры в эти годы сильно отличаются от климатических параметров, заложенных при моделировании, может вносить коррективы в условия эксплуатации магистральных нефтепроводов. Например, на рис. 6 при общей тенденции увеличения максимальных температур грунта на глубине 2,4 м наблюдаются также отдельные отклонения максимальных годовых температур в течение года в большую или меньшую стороны, что может свидетельствовать, в том числе, об увеличенном (или, наоборот, уменьшенном) поступлении тепла в грунт вследствие аномально теплых и аномально холодных годов. При этом определение причин нехарактерного изменения температур грунта на различных глубинах является темой отдельных исследований.
Аномально теплые или аномально холодные года могут влиять на условия эксплуатации магистральных нефтепроводов как «в режиме реального времени», так и «отложенно». Влияние «в режиме реального времени», например, может проявляться в том, что в аномально холодную бесснежную зиму свайные опоры магистральных нефтепроводов может выпучить за счет сил морозного пучения, так как сами силы будут выше «обычного», и длина сваи, по которой они действуют, будет больше, так как малое количество снега не будет препятствовать поступлению холода в грунт. «Отложенное» влияние, например, может проявляться в том, что в аномально теплый год грунт растеплится настолько сильно, что недопустимые просадки магистрального нефтепровода наступят ранее срока конца его эксплуатации ввиду заметного увеличения ореола оттаивания грунта, или ввиду снижения холодопроизводительности термостабилизаторов грунта они не смогут обеспечить температурный режим грунтов для требуемой несущей способности свайного основания к концу последующего летнего периода.
Ввиду того, что при среднесрочном и долгосрочном моделировании невозможно спрогнозировать наличие аномально теплых или аномально холодных лет, их возможно учитывать статистически. При этом способ учета должен зависеть от целей и задач каждой организации. Например, одним из вариантов учета является закладывание в модель аномально теплых или холодных лет с учетом частоты их повторения за прошлый период. Учитывать их целесообразно в начале и конце каждого из таких периодов в зависимости от того, когда это приведет к наихудшим последствиям для конкретного объекта.
Другим вариантом может быть учет аномально теплых или холодных лет путем моделирования набора различных вариантов (различных сценариев наступления данных аномально теплых или холодных лет). На этапе эксплуатации объектов принимать управленческие решения по обеспечению их безопасной эксплуатации в зависимости от фактических климатических условий. Первый способ позволит заложить запас при проектировании, однако данный вариант более дорогой с точки зрения реализации надежных технических решений «на все случаи жизни». Второй способ менее дорогой, однако он требует быстрого реагирования на меняющуюся ситуацию и реализацию технических решений или компенсирующих мероприятий уже в ходе эксплуатации объектов. Кроме того, данный способ позволит учесть фактические грунтовые условия в основании нефтепроводов путем калибровки расчетных математических моделей по данным натурных наблюдений.
Выводы
Как показано в настоящей статье, на основании данных с метеостанций за период со второй половины XX в. по настоящее время, фактический климат имеет тренд к потеплению. Для магистральных нефтепроводов, расположенных на многолетнемерзлых грунтах, изменения климатических параметров приводят к ухудшению условий их эксплуатации. Причем условия эксплуатации ухудшаются как напрямую, например, за счет повышения температуры наружного воздуха и, как следствие, повышения температуры грунтов, так и косвенно, за счет изменения условий работы термостабилизаторов грунта.
Нормативными документами федерального уровня по проектированию и эксплуатации магистральных нефтепроводов регламентируется необходимость учета изменения климатических параметров, однако в них отсутствуют методики прогнозирования на будущий период для отдельных объектов.
Изменения климатических параметров можно учитывать различными способами. С одной стороны, можно заложить большой «запас» при проектировании, который позволит сохранить магистральный нефтепровод в проектном состоянии в течение всего срока его эксплуатации вне зависимости от изменения климатических параметров. С другой стороны, данный «запас» можно сократить до минимального уровня и «в режиме реального времени» принимать управленческие решения для сохранения или приведения магистральных нефтепроводов в проектное положение. Какой из способов выбрать – каждая организация решает сама, основным условием является только обеспечение безопасности условий эксплуатации как для людей, так и для окружающей среды.
Авторы: