книги / Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов

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 кормойые 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;

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 наклонно­ направленном 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).

Рис.5.14. Основные этапы прокладки трубопровода методом наклонно­ направленного 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; авк- угол забуривания; а вих - угол выхода

•бурение пилотной скважины;

•расширение скважины вперед или назад, калибровка скважины;

• 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.

Техническая характеристика буровых установок

(Herrenkne

cht,

Германия)

Примечание:

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

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

4.В зависимости от диаметра трубопровода.

протягивания расширителя, зависит от типа расширителя и условий строительства.

Величины Тр 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 1 0 °

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 ( 1 0 0 лет).

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

раствора при строительстве и для устойчивого положения незабалластированного, пустого трубопровода.

Допустимое отклонение места выхода пионерной скважины от проектного створа на противоположном берегу не должно превышать площади, равной 3 х 3 м. Допустимое отклонение места выхода скважины не должно превышать 1% ее длины и должно быть указано в проекте перехода.

Расчетный радиус кривизны для дуговых участков, используемых при сооружении объектов методом ГНБ, определяется по следующей формуле:

где R - радиус кривизны дуговых участков, м; DHau - номинальный диаметр трубы, м.

Эта зависимость была определена в течение многолетней практики горизонтального бурения и представляет собой эмпирическое выражение, основанное на обеспечении технологичности принятого решения.

Минимальное расстояние между параллельными трубопроводами, прокладываемыми способом ННБ, зависящее от точности системы ориентации в бурильной колонне, должно быть не менее 10 м. Такое же минимальное расстояние должно проектироваться между новым трубопроводом, прокладываемым ННБ, и существующим трубопроводом. Расстояния проверяются после бурения пионерной скважины до ее расширения и протаскивания рабочего трубопровода.

Пусть профиль перехода состоит из двух прямолинейных участков длиной L\ и Lj и одного криволинейного длиной Ь2Угоп забуривания а^, угол выхода авых.

Суммарная тяговая сила, требуемая для укладки трубы, определяется посредством суммирования индивидуальных сил, требуемых для протаскивания трубы по каждому прямолинейному и криволинейному участку профиля скважины (рис. 5.15).

Для рассматриваемого участка натяжение левого конца определяется по уравнению равновесия статических сил:

где Т2 - натяжение в левом конце отрезка, требуемое для преодоления сопротивления трения; Т\ - натяжение в правом конце отрезка; это натяжение может быть нулевым на первом отрезке скважины, либо может определяться по сопротивлению трубы, остающейся на роликах; Fmp - сила трения между трубой и грунтом; Рсопр - гидравлическое сопротивление между трубой и вязким буровым раствором; qQ- эффективный (погруженный) погонный вес одного метра трубопровода плюс вес внутреннего содержимого (если трубопровод заполнен водой); L - длина отрезка; а - угол оси прямолинейного

отрезка относительно горизонтали (нулевой угол соответствует горизонтали, 90 -вертикали).

Слагаемое со знаком ± разрешается в следующем порядке: (-), если Т2направлено вниз по скважине; (+), если Т2 направлено вверх по склону;

(0 ), если участок скважины горизонтален, а —0 .

Рис.5.15. Модель участка трубопровода в скважине

Определим усилие для конечного момента протягивания, когда весь трубопровод, состоящий из двух прямолинейных и одного криволинейного участков находится в скважине, а колонна буровых труб на берегу, усилие сопротивления расширителя равно нулю.

Сила сопротивления перемещению трубопровода в вязкопластичном буровом растворе на единицу длину определена по формуле:

Запишем выражение (5.11 1 ) в развернутом виде.

Первый расчетный участок профиля длиной L\ представляет собой прямолинейный участок входа трубопровода в скважину.

Усилие на прямолинейном участке:

Второй расчетный участок профиля представляет собой криволинейный участок профиля длиной Ь2с радиусом искривления R.

Усилие на криволинейном участке:

Т2 =Т{ A + \ \ - f 2) (A cosaax- c o s a eba)

(5.114)

+ 2 • F ■(А • s in a „ - s in a mx)] G + R p 0 ■