Аналитика



Бестраншейные технологии строительства трубопроводов

БЕСТРАНШЕЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ

6.1. НАКЛОННО - НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ

Наиболее распространенные траншейные способы сооружения подводных переходов трубопроводов наряду с их достоинствами имеют ряд существенных недостатков и в полной мере не отвечают современным требованиям — необходимому уровню конструктивной надежности и защите окружающей среды. Основными недостатками траншейного способа являются большой объем земляных и трудоемких водолазных работ, необходимость громоздких, утяжеляющих при-грузов или других средств, удерживающих трубопровод в проектном положении в обводненной траншее. Механизированная разработка нижних слоев грунта береговых и русловых участков переходов, особенно в сочетании с взрывными работами, наносит ущерб экологическому состоянию водоемов. Значительный ущерб наносится при строительстве переходов магистральных трубопроводов через крупные реки.

После окончания строительства переходов часто не восстанавливаются русла рек, происходит заболачивание поймы, происходит обрушение берегов, нарушается гидрологический режим. Между тем крупные реки играют большую роль. Это и места нерестилищ, и кормовые угодья для рыб, и судоходные пути.

С учетом всех этих факторов одной из основных и все более актуальных задач, стоящих перед строителями магистральных трубопроводов, в последние 20 лет стала задача создания методов и технологий, обеспечивающих наименьшее нарушение окружающей среды, снижение трудоемкости работ, сокращение сроков их выполнения. К таким методам относятся наклонно-направленное бурение и микротоннели-рование.

В России идея метода наклонного бурения возникла в 30-е

годы двадцатого столетия. Она была реализована при прокладке коммуникаций под автодорогами.

Метод строительства магистральных трубопроводов, отвечающий современным требованиям, был разработан и внедрен в США Основателем метода является американский инженер Мартин Черрингтон (фото 7, 8 на цветной вкладке) .

В 1971 г. под р. Педжейро в Калифорнии методом наклонного бурения корпорацией "Черрингтон'' (Cherrington) был проложен трубопровод диаметром 115,3 мм и длиной 231,6 м. После этого был открыт путь к широкому внедрению метода в практику. К 1992 г. было построено 2400 переходов, их диаметр возрос до 1200 мм, максимальная длина перехода достигла 1800 м, а общая длина построенных переходов превысила 800 км. К этому времени в США 75 % переходов были построены по новой технологии.

В России первыми эту технологию использовали строители газопроводов, назвав ее наклонно-направленным бурением (ННБ).

В 1996 г. методом ННБ в АК "Транснефть" был построен переход через р. Корженец длиной более 400 м и диаметром 1020 мм.

Преимущества метода ННБ:

экологическая безопасность, сохранность дна, берегов реки, водного режима реки за счет исключения подводных и береговых земляных, буровзрывных, берегоукрепительных и других работ;

отсутствие помех судоходству; минимальный объем вынутого грунта; значительное сокращение сроков строительства; уменьшение эксплуатационных затрат; долговечность;

надежная защита от внешних механических повреждений, в том числе от воздействия льдов и якорей судов в результате более глубокого заложения трубопровода;

отсутствие опасности обнажения трубопровода при размывах русел рек;

возможность строительства: при отрицательных температурах,

на ограниченных по площади строительных площадках, в стесненных условиях,

под гидротехническими сооружениями и глубоко расположенными коммуникациями, в вечной мерзлоте.

К недостаткам метода ННБ, ограничивающим его применение, относятся:

большие единовременные затраты на приобретение оборудования;

необходимость глубокого (до 40 м от дна) геотехнического бурения и гидрогеологических изысканий;

сложность проходки в галечниковых, валунных, илистых и карстовых грунтах;

повышенные требования к устойчивости береговых откосов.

Несмотря на все недостатки, метод ННБ является одним из самых прогрессивных в строительстве подводных переходов.

Для оценки возможности и целесообразности применения ННБ учитываются следующие факторы:

результаты инженерных изысканий, в состав которых входят геодезическая съемка, геологические, гидрогеологические, гидрометрические, гидрометеорологические, геокриологические, экологические изыскания, оценка магнитного фонового состояния;

наличие и особенности хозяйственной инфраструктуры в районе расположения перехода, состояние и условия эксплуатации гидротехнических сооружений, условия взаимного влияния различных сооружений при их эксплуатации; характерные особенности местности.

Для строительства трубопроводов методом ННБ наиболее благоприятны реки (при доступной ширине и геологии русла и берегов), имеющие ленточно-грядовый, побочневый и ог-раниченно-меандрирующий типы руслового процесса, а также русловую многорукавность, где русловые процессы в рукавах развиваются по тому же типу. Существуют проблемы, связанные с применением ННБ на реках, имеющих типы руслового процесса в виде свободного меандрирования, незавершенного меандрирования и пойменной многорукавности. Эти условия характеризуются большими и трудно прогнозируемыми плановыми деформациями, широкой и низкой поймой, разновысотностью береговых склонов, что представляет большие сложности для ННБ. В этих условиях применение ННБ допускается только в случаях с незначительными параметрами русел этих рек (ширина, высота, состояние берегов, скорости их размыва и др.), с последующим прогнозированием условий их дальнейшего развития и разработкой дополнительных мер по их стабилизации и предупреждению опасных русловых процессов.

Применение ННБ ограничено также на участках рек, русло и берега которых сложены из скальных пород выше IV категории прочности или грунтов с большим содержанием галечника (более 30 %) крупностью 5—10 мм и валунов.

Существуют и другие ограничения, которые необходимо учитывать при принятии решения о применении ННБ. Например, наличие в грунтах по трассе трубопровода карстов, обводненных песков, ила, оползней.

Строительство подводных переходов трубопроводов способом ННБ, в зависимости от характеристики водных преград, типа используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров бурового оборудования и протаскиваемого трубопровода (длины криволинейного участка, диаметра и др.), осуществляется по различным технологическим схемам, имеющим определенные различия.

Сущность метода заключается в том, что по створу перехода под руслом реки пробуривается скважина, по которой с берега на берег протаскивается трубопровод.

Общим для всех технологических схем является:

бурение пилотной скважины;

расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях — прямом и обратном;

протаскивание трубопровода в разработанную скважину.

Буровая головка установки ННБ наклонена таким образом, что постоянное вращение буровой штанги в сочетании с нажимом создает прямолинейную скважину. В результате получается скважина заданной кривизны. Нажим без вращения приводит к отклонению штанги от заданного направления.

При бурении в скальных породах вращение и нажим могут комбинироваться с ударным воздействием молота. Для разработки скальных пород и других твердых формаций используется гидравлическая энергия импульсных струй высокого давления, генерируемая гидрозабойным двигателем.

Существуют установки направленного бурения, которые не требуют для своей работы бурового раствора, что делает их особенно привлекательными в том случае, когда рабочее пространство ограничено.

Устройство управления процессом бурения размещается за долотом буровой колонны. При движении в скважине полученная с его помощью информация позволяет следить за траекторией и направлением бурения. Эта информация постоянно записывается наземной компьютерной системой. На втором этапе в обратном или прямом направлении пилотную скважину расширяют путем разбуривания. Расширение производят столько раз, сколько необходимо, чтобы расширить скважину до диаметра укладываемой трубы. В случае прямого расширения буровую трубу присоединяют как впереди, так и позади расширителя. Расширитель протаскивается, а какое-либо устройство (трактор, трубоукладчик) поддерживает тяговое усилие с выходной стороны, в то время как крутящий момент и вращение прилагаются со стороны входа. Расширяющий элемент для гидромониторного бурения помещается впереди расширителя и позволяет держать скважину открытой для циркуляции бурового раствора. Для расширения пилотной скважины до большого диаметра позади расширителя помещают невращающийся стабилизатор для правильного центрирования буровой трубы в скважине. Буровые трубы поочередно наращиваются в процессе бурения, а каретка станка обеспечивает поступательно-вращательное движение буровой колонне. К выходному концу буровой колонны присоединяется вертлюг; он необходим для обеспечения тягового усилия. В случае обратного расширения буровой станок тянет расширитель в направлении входа скважины и прилагает тяговое и вращательное усилие.

Перед протаскиванием трубопровода при необходимости производится калибровка скважины (зачистка и укрепление стенок) с помощью цилиндрического расширителя. Окончательный диаметр подготовленной скважины должен не менее чем на 25 % превышать диаметр протаскиваемого трубопровода. В подготовленную траншею протаскивается трубопровод. При устойчивых стенках скважины этап протаскивания можно совместить с последним этапом расширения. Дюкер собирается на выходном конце скважины и сваривается в единое целое. Специальный оголовок соединяется с дюкером и затем присоединяется к буровой колонне. Буровая колонна с помощью бурового станка вытягивается назад, а бурильные трубы удаляются по мере протаскивания дюкера.

Основными параметрами механизма подачи буровой установки, характеризующими ее эффективность, являются усилие подачи вперед и назад. Принцип работы бурового станка — вращение и возвратно-поступательное движение буровой колонны.

В табл. 10 приведены параметры некоторых установок производства США

До 1979 г. существовали установки первого поколения. Основные различия между технологиями ННБ первого и второго поколения заключаются в следующем.

Тип установки

Jet Тгас 8/60

DD-160

Cherrington 60/300R

Тяговое (толкающее)

10,2

72,6

320(с А-рамой)

усилие, т

Масса, т

4,6

36,5

18

Дл.ина, м

5,9

14,68

модульного исполнения (по станине 2,4x13)

Ширина, м

1,8

2,44

Максимальная дл.ина

280

900

2000

бурения, м

Максимальный диаметр

175

800

1400

проходки, мм

Давление бурового рас

103

105

350

твора, кг/см2 (МПа)

(Ю)

(10,3)

(34,3)

Удельный расход буро

115

1250

460

вого раствора, л/мин

Объем резервуара бу

4,0

19

36,6

рового раствора, м3

Технология первого поколения включает в себя ряд постоянно развивающихся процессов, в совокупности называемых двухэтапной технологией — "технологией буровой и промывочной колонн1', основанной на применении в работе двух колонн: буровой и промывочной. Буровая колонна малого диаметра (73 мм) с небольшим турбобуром продвигает буровую колонну на максимально возможное расстояние или до той точки снижения скорости проходки, когда становится невозможным придание необходимого направления турбобуру. В этот момент вокруг буровой колонны в скважину проталкивается обсадная или промывочная колонна. Промывочная колонна проталкивется до турбобура. Затем продвижение буровой колонны возобновляется и проходка осуществляется путем телескопической подачи.

Промывочную или обсадную трубу применяют для снижения нагрузки на буровую колонну, исключения возможности заклинивания буровой колонны и предотвращения изгибания колонны под действием осевого давления. Позже промывочную колонну стали использовать для расширения скважины и протаскивания трубопровода.

Использование мощных турбобуров большого диаметра невозможно из-за обвала пород стенок скважины вследствие вибрации.

Технология второго поколения основывается, в первую очередь, на применении измененной буровой колонны и называется технологией рабочей колонны. При этом бурение производится в один этап; исключается необходимость наличия двух колонн.

Корпорация '‘Черрингтон'' разработала рабочую колонну внешней промывки, позволяющую бурить на большие расстояния (более 1200 м) без применения промывочной колонны. Это хорошо характеризует буровую колонну.

Для преодоления проблем обвала стенок скважины разработана направляющая часть (первые 30 м буровой колонны) из высокопрочного антимагнитного сплава. Проблема вибрации, вызываемой турбобуром, была решена путем замены его на гидравлическое долото, которое разрушает перед собой породу и обеспечивает продвижение рабочего инструмента вперед без вращения. Кроме того, была изменена конфигурация и размещение форсунок на долоте, что позволило достигнуть максимального разрушения пород с использованием минимального количества бурового раствора. Турбобуры по-прежнему применяются, но только в твердых породах, там, где грунты могут удерживать турбобуры большого диаметра, передающие высокий крутящий момент, при собственной массе 450 кг.

Эта новая технология привела к новым достижениям, в том числе к тому, что наклонно-направленное бурение теперь может применяться в различных горных породах, таких, как гравий, щебень, известняк и гранит твердостью до 150 000 кг/см2.

Процесс бурения установкой ННБ включает в себя четыре этапа (фото 9):

бурение пилотной скважины; расширение скважины вперед или назад; калибровка скважины; протаскивание дюкера ходом назад.

На первом этапе пробуривается пилотная, направляющая скважина, диаметр которой меньше диаметра дюкера.

Диаметр пилотной скважины не превышает 20 см. Бурение может производиться с использованием, например, струйной шарошки, которая с помощью гидравлической энергии бурового раствора размывает породы. При пилотном бурении используются различные системы навигации, предназначенные для проведения скважины по заданной траектории от ее входа до выхода.

Второй этап — расширение скважины до необходимого размера. Диаметр скважины должен быть больше диаметра трубопровода на 30 — 50 %. При проходке не должно быть такой ситуации, когда диаметр пропускаемых по скважине каких-либо устройств равнялся бы диаметру скважины. Размер этих устройств должен быть значительно меньше диаметра скважины. Расширение можно производить двумя способами:

1)    расширение ходом вперед. При этом способе буровой расширитель проталкивается со стороны входа скважины к ее выходу с помощью бурового става. Расширитель, размещенный на входной стороне, при своем вращении режет породы, увеличивая диаметр скважины и перпендикулярность ее к плоскости забоя;

2)    расширение ходом назад. При этом способе расширитель с помощью буровой установки перемещается от выхода к входу.

Третий этап бурения — калибровка. Как только скважина будет расширена до необходимого диаметра, барабанный расширитель, имеющий тот же диаметр, что и трубопровод, протаскивается по скважине. Скважина после этого будет, откалибрована и очищена от любых помех, которые могут существовать внутри расширенной скважины. На обоих концах барабанного расширителя имеются резцы, позволяющие расширителю вырезать и удалять вывалы, которые могут затруднять перемещение барабанного расширителя по скважине.

Четвертый этап — протаскивание трубопровода. Головная часть протаскивателя подсоединяется к бурильным трубам, проходящим по скважине к буровой установке. Протаскива-тель имеет шарнирный соединитель, позволяющий головной части изгибаться так, чтобы трубопровод мог пройти в скважину. Кроме того, протаскиватель оснащен спереди режущей головкой, для того, чтобы при встрече с каким-нибудь препятствием внутри расширенной скважины бурильные трубы смогли быть приведены во вращение и режущая головка смогла бы удалить препятствие и открыть дорогу для протаскивания трубопровода по скважине.

Система проталкивания трубопровода состоит из цангового зажима, якорного устойства, системы поддержки трубопровода, системы полиспастов и лебедки. Размещается эта система на стороне выхода скважины и предназначена для облегчения работы буровой установки при проталкивании трубопровода по скважине. Система проталкивания может быть использована для разных диаметров труб.

В качестве буровой смеси, выносящей частицы разработанной породы в виде суспензии, используется бентонитовый раствор, который впоследствии может быть отфильтрован в системе регенерации. Бентонитовый раствор выполняет следующие функции:

размыв грунтов и удаление их из скважины; охлаждение и смазку режущего инструмента; укрепление стенок скважины на время производства работ; снижение трения рабочего трубопровода о стенки скважины и при его протаскивании;

снижение риска возможного повреждения изоляционного покрытия на трубопроводе при его протаскивании.

Для приготовления бурового раствора применяется бентонит — каменная порода, состоящая из глинистых материалов. Для применения в ННБ необходима глина, имеющая пластинчатую, кристаллическую структуру. Такому условию наилучшим образом отвечает натриевый монтмориллонит (бентонит). Этот материал используют потому, что он обладает уникальной способностью впитывать воду, по массе превышающую его собственную в 5 раз, и разбухать, в 12 раз превышая свой первоначальный объем. Для применения в бурении бентонит должен по своему качеству отвечать определенным требованиям, что достигается соответствующей обработкой и очисткой.

Для сохранения целостности скважины и улучшения скольжения при разбуривании и протаскивании необходимо выполнять три простых, но очень важных правила: контроль используемой воды; контроль вязкости; контроль за потерей жидкости; контроль вязкости бурового раствора.

Применяемая для приготовления бурового раствора вода должна иметь значение pH в пределах от 8,0 до 8,5.

На всех этапах ННБ необходимо поддерживать нужную вязкость для эффективного укрепления грунта и сохранения буровой скважины от разрушения.

Чрезмерная потеря воды из состава бурового раствора является причиной многих проблем буровых скважин. Чем выше потеря воды, тем больше риск ослабить грунт, вплоть до его разрушения и образования пробки (закупоривания скважины).

Оптимальный результат использования бентонита в составе бурового раствора достигается при тщательном перемешивании с водой, которая имеет значение pH 8,0 —8,5, низкое содержание кальция и температуру не ниже 4 °С. Для достижения необходимых свойств используют карбонат кальция и полимерные добавки. Количество бурового раствора и полимерных добавок регулируется в зависимости от типа грунта и типа бурового оборудования.

Полимерные добавки применяют с целью: увеличения выхода раствора; стабилизации процесса бурения; создания фильтрационной корки; улучшения смазывающих свойств; уменьшения сопротивления; увеличения прочности;

достижения необходимого уровня вязкости; достижения контролируемого уровня фильтрации; достижения взвешенности при бурении в тяжелых песках и гравии;

увеличения длины прямого и обратного бурения. Ассортимент буровых установок, предлагаемых изготовителями, очень широк: от компактных устройств, предназначенных для бурения скважин малого диаметра на короткие расстояния, до установок, способных прокладывать трубы значительного диаметра на расстояния в несколько сотен метров.

Столь же широк ассортимент предлагаемых систем управления, буровых головок, расширителей и различных сопутствующих инструментов и устройств.

Выбор типа буровой установки по техническим параметрам производится проектной организацией с учетом условий строительства конкретного подводного перехода: длины криволинейного участка, диаметра и толщины стенки трубы, геологических условий в створе перехода, величины необходимых тяговых усилий для протаскивания трубопровода в скважину и других условий.

Буровое оборудование (рис. 24) выбирают исходя из условий: обеспечения проходки пилотной скважины и ее расширения в различных (в том числе скальных) грунтах;

возможности многократного использования бурового раствора за счет его очистки и регенерации;

использования оборудования, допускающего его безаварийную эксплуатацию и открытое хранение на площадках в конкретных климатических условиях.

В комплект оборудования для наклонно-направленного бурения входят:

буровой станок; буровой насос; энергоблок; блок управления;

система приготовления и регенерации бурового раствора; буровая колонна;

забойный инструмент;

толкатель трубы;

оборудование системы навигации.

Основой буровой установки являются станина и буровая каретка. Станина с буровой кареткой часто выполняются отдельно от энергоблока, что расширяет возможности использования буровой установки в различных условиях строительства.

Гидравлические зажимы позволяют фиксировать бурильные трубы в процессе их соединения и разборки. Буровая каретка имеет двигатели, которые обеспечивают движение подачи буровой каретки вперед и назад. Механизм, содержащий зубчатую рейку и шестеренку, позволяет перемещать буровую каретку вверх и вниз, создавая необходимое усилие подачи. Угол наклона станины при бурении скважины может регулироваться от 0° (горизонтальное положение) и до максимального значения в 20°.

Буровая установка должна быть защищена от перемещений на грунте в процессе бурения, когда осуществляется подача вперед или назад. С этой целью используется анкерная система, которая смонтирована на буровой установке в нижней ее части.

С целью увеличения тягового усилия к буровой установке можно присоединять дополнительное устройство подачи назад.

Насос бурового раствора является частью установки ННБ на стороне входа; он обеспечивает гидравлической энергией процесс бурения, размывает породу струйным долотом или вымывает продукты резания при использовании трехшарошечного долота по твердым породам. Насос бурового раствора оптимизирует давление и расход бурового раствора в процессе бурения. Способность вымывать продукты бурения из забоя на поверхность позволяет поддерживать скважину в чистоте.

В качестве главного двигателя буровой установки используется, как правило, дизель, который снабжает ее и вспомогательное оборудование электрической и гидравлической энергией.

Блок управления выполнен таким образом, чтобы обеспечить бурильщику обзор бурового пространства. Кабина имеет большое окно и крышу для защиты от дождя. Есть возможность видеть раму с буровой кареткой и механизм соединения и развинчивания бурильных труб. В блоке управления больших установок предусмотрено место для специалиста, производящего съемку и расчеты траектории пробуриваемой скважины.




г Д10



ИНИК r zf

<z>    г    4

трубыг У


трубопровод, храниууихлде з


b>I]VEIi уров


В процессе наклонно-направленного бурения используются несколько различных конфигураций буровой колонны. Среди них существуют три основные конфигурации: "пилотная скважина1', "расширение", "протаскивание дюкера". Комбинация различных частей для используемой конфигурации буровой колонны зависит от нескольких факторов: тип пробуриваемой породы; диаметр и длина дюкера; прямое или обратное расширение;

необходимость в предварительной очистке скважины; тип соединения дюкера для протаскивания.

Все три основные конфигурации используют одни и те же компоненты. Тем не менее каждая из конфигураций имеет специфические особенности, присущие только определенной конкретной операции.

В зависимости от свойств и структуры грунта в качестве забойного инструмента используют:

для бурения рыхлых грунтов (супеси, суглинки, глины, пески) — гидроразмывающие насадки эжекторного типа (турбобуры), разрабатывающие забой промывочной жидкостью под давлением 4 МПа и более;

для бурения в грунтах средней твердости — буровые долота различного типа;

для бурения в твердых скальных грунтах — многошарошечные долота.

Для управления направлением бурения пилотной скважины существует система навигации или блок контроля. Система включает в себя: скважинный зонд, компьютер, приборы, показывающие положение в скважине, в некоторых установках имеется кабель, соединяющий скважинный инструмент с наземным компьютером. Этот блок помещается внутри бурового става в немагнитной переходной камере.

В тех случаях, когда вблизи точек входа и выхода скважины проходят стальные трубопроводы, сваи или другие металлические объекты, вызывающие искажение магнитного поля Земли, его использование оказывается невозможным. В этих случаях используют контур, размещенный на трассе скважины для создания искусственного магнитного поля, которое измеряется магнитометром, чувствительным к магнитному полю, и, если знать точное положение контура, то можно точно определить положение измерительного блока в скважине относительно контура.

Выходная информация, формируемая блоком контроля направления, отображает азимут, который определяет угол между осью скважины и направлением на магнитныи меридиан, положение отклонителя в буровой скважине относительно вертикали и угол наклона направления магнитного поля Земли относительно вертикали. Система измеряет напряженность магнитного поля Земли и показывает время, дату и температуру чувствительного элемента в скважине. Эта информация может дистанционно отображаться на панели индикации.

Основные функции системы приготовления и регенерации бурового раствора:

восстанавливает буровой раствор для повторного использования в дальнейшем;

поддерживает требуемые характеристики бурового раствора;

осуществляет функции приготовления, хранения и очистки бурового раствора;

обеспечивает резерв бурового раствора при аварийной ситуации, когда необходимо подать в скважину' большое количество бурового раствора.

Система не загрязняет окружающую среду, потому что все жидкости, используемые при бурении, находятся в резервуарах. Все вспомогательное оборудование резмещено внутри корпуса бака бурового раствора для облегчения транспортирования.

Оборудование для приготовления и регенерации бурового раствора содержит насосы, баки для бурового раствора, генератор, снабжающий энергией насосы, прокачивающие буровой раствор через систему, фильтры и систему вибрационных грохотов.

Система регенерации работает следующим образом: буровой раствор, поступающий из скважины, проходит вибрационный грохот, в результате чего удаляются крупные частицы. Затем буровой раствор проходит через фильтры грубой и тонкой очистки, удаляющие из бурового раствора большинство мельчайших частиц, после чего буровой раствор опять поступает в бак для приготовления раствора.

Бак для приготовления раствора оснащен мешалкой, струйной воронкой и насосом.

При строительстве трубопроводов методом ННБ существуют некоторые особенности.

Перед началом работ при реализации сложного проекта в конкретном проблемном регионе необходимо уделить время для надлежащего планирования и подготовки дорогих превентивных мер. Три простых, но часто упускаемых из внимания правила помогут сохранить целостность скважины и улучшить скольжение при ее разбуривании и протаскивании трубопровода:

1)    контроль используемой воды;

2)    контроль вязкости бурового раствора;

3)    контроль за потерей воды из бурового раствора.

Потеря устойчивости формы протаскиваемого трубопровода может произойти при комбинации растягивающего напряжения, вызванного осевой нагрузкой, напряжения изгиба вследствие искривления скважины и напряжения от давления жидкости или газа, транспортируемого по трубопроводу. В результате происходит образование гофр или даже сплющивание поперечного сечения, что приводит к разрушению трубопровода. При проектировании трубопроводов, сооружаемых способом направленного бурения, должны проводиться исследования возможной потери устойчивости формы, подбор физико-механических характеристик труб и расчет усилий и напряжений при их протаскивании и дальнейшей эксплуатации.

Для балластировки трубопровода в скважине используется заполнение протаскиваемой трубы водой. Эта труба не перемещается вместе с трубопроводом, она как бы выползает из него. Заполнение производится только в трубах большого диаметра, но так, чтобы трубопровод не стал слишком тяжелым. Иногда в трубопроводе размещается полиэтиленовая труба, которая и заполняется водой, постепенно продвигаясь в нем. При необходимости прикладывать дополнительное усилие применяется трубопротаскивающее устройство, так называемая А-рама. При работе с помощью А-рамы начало протаскивания обязательно идет от буровой установки.

Оператор буровой установки прикладывает необходимое начальное усилие, в течение некоторого времени сохраняет его постоянным (50 % от максимального паспортного усилия), затем по радио дает сигнал на А-раму. Протаскивание начинается, и после того, как труба пошла, дается сигнал на буровую установку. При этом усилие на буровой установке не нарастает, так как труба должна двигаться равномерно. Это делается еще и для того, чтобы трубу не поднимало вертикальной составляющей силы протаскивания сильно к верху скважины.

При работе с расширителями на обоих берегах должна соблюдаться синхронность в работах. Тяговое устройство (трактор, установка, лебедка) должно работать только при вращающейся трубе. Каждый цикл работ должен заканчиваться в удобной точке. Это может быть, например, расстояние, равное длине буровой штанги (9 м).

Реактивный крутящий момент возникает в трубе и направлен против направления вращения трубы. Особенно критический момент наступает, когда оператор на установке хочет быстро изменить направление бурения. Когда оператор уже прекратил вращение, труба еще вращается за счет сил скручивания. При работе с трубой на противоположном конце у людей должна быть ясность, вся ли труба раскрутилась. Это фиксируется прибором у оператора-бурильщика. Даже при небольшом крутящем моменте могут быть несчастные случаи. У оператора есть два способа снять реактивный крутящий момент:    1    — вращать трубу назад на 1—2

оборота; 2 — продвигать трубу в скважину поступательно.

Раскручивание особенно опасно при работе с тисками на противоположном берегу (длинные ручки которых могут быть причиной травмы).

Чем мягче породы, тем меньше должны быть остановки. Часто при протаскивании приходится останавливаться, чтобы приварить очередную секцию. Во время остановки (на момент остановки) записываются все показания приборов — при бурении пилотной скважины и ее расширении.

Срыв бурения может произойти по разным причинам. Наиболее типичные из них:

неправильный показатель pH водьт;

неправильный показатель вязкости бурового раствора; буровой раствор используется не в обоих процессах — бурении пилотной скважины и обратном протаскивании;

добавление полимера в воду до того, как добавлен бентонит;

нагнетание раствора до того, как он будет полностью выработан;

перемешивание и нагнетание раствора "в полете", т.е. до того, как он будет полностью готов;

слишком быстрое обратное протаскивание; раствор не выходит наружу скважины, т.е. нет циркуляции;

чрезмерный изгиб буровой трубы;

слишком неровная траектория бурения с большим количеством изгибов и поворотов, создающих трение;

использование расширителя со слишком маленьким диаметром;

использование в неплотных грунтах расширителя для плотных грунтов.

Подводные переходы, построенные методом ННБ, имеют срок эксплуатации до 50 лет. Поэтому изоляционное покрытие труб, прокладываемых методом ННБ, должно быть усиленного типа. Этого же требуют и условия протаскивания. Конструкция покрытия (толщина, материалы) выбирается с учетом характеристики грунтов, назначения трубопровода, условий воздействия на изоляцию сил трения при протаскивании в скважине.

Защита трубопроводов от коррозии, исходя из возможных изменений коррозионных условий при длительных сроках эксплуатации нефтепроводов, должна осуществляться комплексно: защитными и изоляционными покрытиями и средствами электрохимической защиты.

Физико-механические свойства изоляционного покрытия (сопротивление ударной нагрузке, отслаиванию и сдвигу, прочность на разрыв и др.) после нанесения его на трубы в заводских условиях и изоляции сварных стыков плетей в полевых условиях должны соответствовать требованиям ГОСТ Р51164-98.

Одновременно с защитой трубопровода от коррозии с помощью изоляционного покрытия применяется и электрохимическая защита.

Для проектирования и строительства подводных переходов методом ННБ необходимо комплексное изучение природных условий района строительства с целью получения необходимых и достаточных материалов.

В состав инженерных изысканий при строительстве или капитальном ремонте подводных переходов методом ННБ входят: геодезическая съемка, геологические, гидрологические, гидрометрические, гидрометеорологические, геокриологические, экологические изыскания и камеральная обработка полученных данных.

Полученные в результате инженерных изысканий и обработанные материалы должны быть достаточны для выбора проектной организацией варианта строительства перехода трубопровода способом ННБ.

Особенное внимание необходимо уделять участкам с неблагоприятными геологическими условиями. К таким условиям относятся: прерывистость и разрывы пластов, наличие скальных пород или большого количества гравия, наличие карстовых пород и оползней, интенсивные русловые и береговые деформации, наличие многочисленных протоков и островов. На таких участках, а также на криволинейных участках предполагаемого перехода следует бурить разведочные скважины на расстоянии друг от друга не более 100 м.

Как бы часто ни бурились разведочные скважины, есть опасность "не заметить1' такие препятствия, как валуны, пустоты, разломы, сбросы или слои грунта с химическим загрязнением.

Существуют технологии изысканий, отображающие картину подземных условий по всей трассе.

Эффективность разведочных скважин значительно увеличивается при размещении в них геофизических приборов и проведении исследований подземного пространства между скважинами различными геофизическими методами.

Сейсмические и электромагнитные методы требуют источников высокочастотной вибрации и приборов, фиксирующих резонанс, отражение и преломление волн в грунте. Исследование отраженной волны позволяет идентифицировать препятствия. Недостаток методов в том, что существуют шумовые помехи антропогенного происхождения и высокое поглощение сейсмической энергии на сбросах, в разломах и многопустотной среде.

Магнитометрическая съемка является легким, непроникающим методом поиска подземных объектов, обладающих магнитной характеристикой.

Измерение удельного сопротивления грунтов позволяет идентифицировать подземные объекты и пустоты.

При геофизическом испытании подземных газов на поверхности в определенном порядке размещаются газовые пробоотборники. Если в массиве присутствует загрязненный грунт, выделяемые им газы довольно быстро достигают поверхности, причем граница их выделения строго соответствует области загрязненного грунта. Различия в химическом составе газов позволяют определять тип загрязнения.

Проведение геологических изысканий возможно с помощью геофизических приборов, размещаемых в предварительно пробуренной горизонтальной скважине или в существующем трубопроводе, расположенном в интересующей зоне.

При предварительном выборе вариантов расположения участков переходов должны приниматься во внимание следующие факторы:

расположение поблизости указанных в материалах населенных пунктов, промышленных предприятий, отдельных зданий и сооружений, железных и автомобильных дорог и прочих объектов;

ведомственные требования о минимальных расстояниях от сооружений до нефтепровода;

характер береговых очертаний водной преграды; предполагаемая протяженность перехода; магнитное фоновое состояние; данные инженерных изысканий.

Окончательный выбор участка перехода осуществляется комиссией, создаваемой заказчиком. При этом учитываются и анализируются следующие факторы:

топография, застроенность и перспектива освоения прилегающей к переходу местности и водной акватории;

геологическая характеристика, составленная по вариантам створов переходов;

параметры водной преграды, состояние и прогноз развития русловых и береговых процессов в створе перехода; конструктивная надежность перехода;

техническая возможность и экологическая допустимость строительства перехода в намеченном створе;

технико-экономические показатели строительства перехода.

6.2. МИКРОТОННЕЛИРОВАНИЕ

Микротоннелирование — второй по распространенности метод бестраншейного строительства трубопроводов. Этот метод основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционно управляемого проходческого щита (рис. 25).

Проходческий щит в форме конусной рабочей головки, снабженной системой зубьев, кулаков и дробильных выступов, механически перерабатывает грунт и таким образом бурит отверстие, через которое будет прокладываться трубопровод. По мере перемещения щита вперед грунт скапливается в открытой передней части, где конусный щит дробилки дробит его и перемещает в камеру смешивания с вымывате-лем бурильной установки. Транспортировка отработанного грунта выполняется в виде вымывающей смеси через технологические трубопроводы в рабочую шахту. Передняя часть щита шарнирно соединяется с блоком удаления отработанного грунта, а силовые цилиндры, которые соединяют обе части, позволяют направлять установку в любую сторону. Контроль за трассой и направлением бурения осуществляется с помощью лазера, которым непрерывно управляет компьютер. Установка вместе с укладываемыми трубами протаскива-

Рис. 25. Схема прокладки трубопровода методом микротоннелирования:

t — бурение пилотной скважины, 6    — поэтапное расширение скважины;

в — протаскивание плети рабочего трубопровода; 1 — буровая установка,

2 — буровая колонка из промывочных штанг, 3 — пилотные штанги, 4 — траектория пилотной скважины, 5 — буровая головка, 6 — вертлюг, 7, 8, 9, 10 — расширители разных диаметров, 11 — трубопровод, 12 — оголовок для протаскивания, 13 — роликовая опора, а — угол забуривания 6°, (3 — угол выхода 5°

ется блоком силовых цилиндров, установленных в рабочей шахте, по мере бурения. Производительность силовых цилиндров и скорость их передвижения синхронна переработке грунта бурильной головкой. Непрерывное отслеживание оператором значения давления на грунт, крутящего момента бурильной головки и параметов движения бурового раствора позволяет непрерывно контролировать процесс прокладки трубопровода. Бурильная головка имеет систему форсунок высокого давления, которые позволяют подкрепить процесс бурения гидравлическим вымыванием грунта буровым раствором.

135

Проходческий щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в заданном прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.

Микротоннелирование может применяться при любых грунтовых условиях и любой степени обводненности грунтов.

Управление процессом строительства микротоннеля производится из кабины, находящейся на поверхности. Местонахождение и ориентация щита контролируется с помощью лазерной системы.

Микротоннельные машины в основном применяются при строительстве коротких (100 — 300 м) тоннелей, однако в практике строительства подводных переходов различных трубопроводов были реализованы проекты, где длина тоннеля составляла около 3000 м. Основной параметр в тоннелестроении — это диаметр. Современные производители предлагают установки диаметром от 200 мм до 14 м.

Для проходки микротоннелей используются щиты различной остастки и компоновки. Возможно, например, размещение силового агрегата внутри щита, либо на поверхности земли. Кроме того, в зависимости от категории грунта, изменяется вид и твердость режущих кромок рабочего органа. Для транспортировки породы из тоннеля на поверхность ис-пользуютя также различные способы. Если грунт не обводнен, то можно применять щит со шнековым устройством, обеспечивающим транспортировку отработанной руды на поверхность. Если же грунты обводнены, либо возможно их обводнение в процессе работ, применяют щит с гидропри-грузом. При этом способе водно-бентонитовый раствор прокачивается по трубопроводам, вынося на поверхность отработанную руду.

Построенный таким образом тоннель можно эксплуатировать в качестве канализационного коллектора, водовода либо проложить в нем стальной трубопровод, транспортирующий нефть, газ или любой другой продукт.

Так же, как и при ННБ, при микротоннелировании объем земляных работ незначителен только для строительства стартовой и конечной шахт. При необходимости прокладки длинного или криволинейного участка трубопровода строятся промежуточные шахты. Достоинства микротоннелирования такие же, как и наклонно-направленного бурения.

При применении микротоннелирования необходимо учитывать инженерно-геологические и гидрологические условия. Оборудование выбирают в зависимости от этих условий и

диаметра трубопровода. Например, такие грунты, как пески и глины средней плотности легко перерабатываются и не требуют специальных бурильных щитов (головок). Локально имеющийся ил в твердопластичном виде не создает проблем, лишь требует применения специальных добавок в буровой раствор. Если на месте строительства встречается однородная скала, то определяют ее твердость по шкале Моса, плотность и дают общую оценку качества скалы по месту нахождения проб. Количество пробуренных контрольных скважин зависит от предполагаемой длины бурения тоннеля и сложности геологической структуры. Если длина бурения должна быть около 100 м, то обычно достаточно пробурить по одной скважине на точке начала и конца участка. Если результаты тестирования при разведочном бурении покажут, что имеется однообразная структура грунта на обоих концах, тогда в дополнительных исследованиях нет необходимости. В случае каких-либо отклонений, прерывности геологических слоев, наличия скал или большого скопления щебня необходимо выполнить дополнительное разведочное бурение.

После окончания разведочного бурения рекомендуется забетонировать скважины во избежание потери бурового раствора во время собственно бурения микротоннеля.

Микротоннельная установка представляет собой комплекс агрегатов, взаимодействующих при строительстве микротоннеля. В состав установки входят следующие агрегаты:

бурильная головка, состоящая из бурильного щита, конусной дробилки и камеры смешивания. В головке находятся: электродвигатель, гидравлический насос, гидравлический двигатель привода бурильного щита, три силовых цилиндра управления, пульт управления, электропровода, провода управления, трубопровод питания и трубопровод вдавливания, насос вымывателя, откачивающий грунт от головки в стартовую шахту;

главная станция вдавливания, которая состоит из рамы и двух силовых гидроцилиндров;

гидравлический агрегат, который питает главную и промежуточные станции вдавливания.

Глава 7 ликвидация аварий  »
Библиотека »