Tipovye_raschyoty_pri_sooruzhenii_i_remonte

где Нгр – нормативная глубина промерзания грунта, м; ε - коэффициент пористости грунта основания; γгр – удельный вес грунта основания, Н/м3. Cз.гр – сцепление закрепленного грунта, Н/м2.

Момент сил, стремящихся вывести покрытие из равновесия, определяется по формуле:

где Rt и Rc – пределы текучести льда на растяжение и сжатие, МПа, принимаются согласно табл. 5.10.

Таблица 5.10

Значение пределов текучести льда

Расчет каменной наброски производится в такой последовательности. Сначала определяется средняя масса отдельных камней mm, кг, из которых устраивает наброску, по формуле:

459

где ρm – плотность камня, кг/м3, принимается равной 3200 кг/м3; h – расчетная высота волны, м.

Средний размер камня Dm, м, определяется по формуле:

Толщина каменной наброски определяется по формуле:

Полученное значение tm округляется в большую сторону с точностью до 0,1 м. При толщине более 1 м покрытие из закрепленных грунтов становится неэкономичным и в этом случае целесообразно его заменить на покрытие из

железобетонных плит. Толщина плит определяется по формуле [115]:

где γб – удельный вес бетона, Н/м3.

Полученная величина tпл округляется в большую сторону с точностью до

0,05 м.

5.1.5. Расчеты параметров укладки трубопроводов при наклонно-направленном бурении

Существующие 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 пригрузов 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

460

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.

Одной из перспективных технологий строительства переходов через естественные и искусственные препятствия является бестраншейная технология прокладки магистральных трубопроводов, а в рамках бестраншейной технологии особый интерес представляет способ прокладки трубопровода под дном реки методом наклонно-направленного бурения ННБ.

Принципиальным отличием метода ННБ от обычного является то, что трубопровод при строительстве и эксплуатации не соприкасается с водной средой, которую он пересекает. Труба заглубляется на русловом участке практически на любую глубину, исключающую последующие внешние воздействия на него при любых прогнозируемых деформациях русла и берегов. Использование этого метода обеспечивает практически полную экологическую безопасность для водоемов в случае аварийных ситуаций.

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,

втом 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;

461

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.

Технические средства и методы, используемые при наклоннонаправленном бурении, во многом заимствованы из техники и технологии бурения скважин на нефть и газ.

Строительство переходов методом ННБ осуществляется в три этапа (рис.

5.14).

а

б

в

Рис.5.14. Основные этапы прокладки трубопровода методом наклоннонаправленного бурения:

а – бурение пилотной скважины; б – поэтапное расширение скважины; в – протаскивание плети рабочего трубопровода; 1 – буровая установка; 2 – буровая колонка из промывочных штанг; 3 – пилотные штанги; 4 – буровая головка; 5 – траектория пилотной скважины; 6 - вертлюг; 7, 8, 9, 10 – расширители разных диаметров; 11 – трубопровод; 12 – оголовок для протаскивания; 13 – роликовая опора; αвх – угол забуривания; αвых – угол выхода

•бурение пилотной скважины;

•расширение скважины вперед или назад, калибровка скважины;

462

• протаскивание трубной плети назад.

На первом этапе пробуривается пилотная, направляющая скважины, диаметр которой меньше диаметра трубопровода.

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 %. Расширение можно производить двумя способами: ходом вперед и ходом назад.

Как только скважины 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.

Третий этап – протаскивание трубопровода. Головная часть протаскивателя подсоединяется к бурильным трубам, проходящим по скважине к буровой установке. Протаскиватель 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.

В качестве буровой смеси, выносящей частицы разработанной породы в виде суспензии, используется бетонированный раствор, который впоследствии может быть отфильтрован в системе регенерации. Бетонитовый 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.

Выбор типа буровой установки по техническим параметрам (табл.5.11) производится с учетом условий строительства конкретного подводного перехода трубопровода: длины криволинейного участка перехода, диаметра и толщины стенки трубы, геологических условий в створе перехода, величины необходимых тяговых усилий для протаскивания трубопровода в скважину и других условий.

463

464

Таблица 5.11

Техническая характеристика буровых установок

464

Окончание табл. 5.11

Примечание:

2.Указан вес (максимальный) контейнера со станиной буровой установки.

3.С дополнительным трубопротаскивающим устройством («Л»-рама).

4.В зависимости от диаметра трубопровода.

Мощность буровой установки рекомендуется принимать из расчета обеспечения максимальных усилий для протаскивания трубопровода в скважину с коэффициентом запаса не менее 1,25.

Буровое оборудование выбирается исходя из условий:

•обеспечения проходки пилотной скважины и ее расширения в различных (в т.ч. скальных) грунтах;

•обеспечения надежности протаскивания к скважине рабочего трубопровода заданной длины и диаметра;

•возможности многократного использования бурового раствора (при значительных расходах бетонита) за счет его очистки и генерации;

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

5.1.5.1. Расчет тяговой нагрузки

Для ориентировочной оценки усилия протягивания, представляющего собой сумму эквивалентных весов бурильной колонны и трубопровода в скважине с весом части трубопровода на берегу при умножении слагаемых на соответствующие коэффициенты трения используется формула, не учитывающая особенности профиля скважины [83;127]:

где f* - коэффициент трения при вращении бурильной колонны; qобк – вес единицы длины бурильной колонны в буровом растворе; Lбк – трущая длина бурильной колонны; f – коэффициент трения при движении трубопровода по скважине, f =0,5; qо – вес единицы длины трубопровода с изоляцией в буровом растворе с заполнением или балластировкой; Dни – наружный диаметр трубопровода с учетом изоляционного покрытия; τо – динамическое напряжение сдвига бурового раствора, Lтс – длина части трубопровода в скважине; fоп – коэффициент трения при движении трубопровода на рельсовых опорах, fоп=0,05; qтр – вес единицы длины трубопровода с изоляцией; Lтб – длина части трубопровода на берегу.

Коэффициент трения для бурильной колонны может быть найден по следующей формуле:

466

где υr - окружная скорость точки поверхности бурильной колонны; υ - поступательная скорость протаскивания, равная:

где Dбк, dбк- соответственно наружный и внутренний диаметры бурильной колонны; ρст - плотность стали; ρбр- плотность бурового раствора.

Вес единицы длины заизолированного трубопровода, заполненного водой в буровом растворе:

где qб - вес воды в единице длины трубопровода при заполнении водой (балластировке); qв- выталкивающая сила, действующая на единицу длины трубопровода в буровом растворе, равная:

При оценке усилия протаскивания при трогании трубопровода в формуле (5.101) принимаются удвоенные значения коэффициентов трения.

Формула (5.101) позволяет определить усилие протаскивания в какой-то момент, когда часть трубопровода находится в скважине, а часть – на берегу.

В начальный момент протаскивания, когда весь трубопровод находится на берегу, усилие протаскивания определяется по формуле:

где αо – угол наклона оси трубопровода, уложенного на роликовые опоры, к горизонту; L - длина трубопровода; Tp - усилие, необходимое для

467

протягивания расширителя, зависит от типа расширителя и условий строительства.

Величины Tp для различных типов расширителей уточняются по мере накопления опыта строительства переходов.

В конечный момент протаскивания, когда весь трубопровод находится в скважине, а бурильная колонна – на берегу, усилие протаскивания определяется по формуле:

Для уточненного расчета тяговой нагрузки анализируется траектория бурения, при этом наиболее типичными являются следующие правила:

•состоящие: из двух граничных прямолинейных участков и центрального искривленного по радиусу участка (технология фирмы ВисМос);

•профили, включающие дополнительно центральную

прямолинейную вставку (технология фирмы Черрингтон, ООО

Транснефтьбурсервис).

Если позволяют условия проектирования, длина центральной вставки должна превышать 50 м (около пяти бурильных труб) в целях получения возможности корректировать профиль при бурении скважины.

Створ перехода следует выбирать с учетом геологических условий, блгоприятных для бурения скважины. Кроме этого, при выборе створа перехода следует учитывать:

•невозможность использования кривых механического гнутья рабочего трубопровода;

•необходимость при протаскивании рабочего трубопровода соблюдать соосность пробуренной скважины и трубопровода в месте его входа в скважину;

•угол наклона в местах входа и выхода скважины должны быть по

возможности в пределах 4-20° к горизонтали.

Эти пределы обусловлены в основном возможностями бурового оборудования. Установки для горизонтального бурения обычно рассчитаны на работу под углом 4-10°. Углы выхода должны быть рассчитаны так, чтобы облегчить опирание в точке перегиба, т.е. угол не должен быть настолько крутым, что протаскиваемую плеть пришлось бы поднимать на большую высоту для направления в скважину. Требуемый угол для трубопроводов большого диаметра обычно составляет менее 10°.

Проектные отметки верха трубопровода на переходе, запроектированном способом ННБ, следует назначать не менее чем на 3 м ниже предельного профиля по прогнозу деформаций русла и берегов пересекаемой водной преграды. Прогноз деформаций русла и берегов составляется на расчетный 3- кратный период эксплуатации перехода (100 лет).

Минимальное заглубление трубопровода в дно пересекаемой водной преграды должно быть достаточным для предотвращения выброса бурового

468