Строительство подводных переходов нефтепроводов способом наклонно направленного бурения

Современные методы строительства ППМН

Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естествен- ные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.

Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естественные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.

Обеспечение стабильного функционирования, надежности и безопасности магистральных нефтепроводов входит в ряд первоочередных задач при их строительстве и эксплуатации любой трубопроводной системы.

С точки зрения эксплуатационной надежности МН к участкам с повышенным риском эксплуатации можно отнести переходы через естественные и искусственные преграды.

Повышенный риск эксплуатации любого подводного перехода по сравнению с основной частью магистрального трубопровода определяется не сколько вероятностью возникновения аварийной ситуации, сколько большими экологическими проблемами и экономическими затратами на устранение ее
последствий.

Сроки ликвидации отказов на ППМН во много раз превышают аналогичные показатели на сухопутной части нефтепроводов, а их ремонт по сложности и затратам сопоставим со строительством нового.
В настоящее время в системе ОАО «АК «Транснефть» эксплуатируется свыше тысячи ППМН общей протяженностью около 2 тыс км (включая пойменные участки).

Более 400 переходов представляют собой двух- и трехниточные конструкции, более 1200 сооружены траншейным методом, в том числе переходы через такие крупные реки, как Волга — протяженностью от 2300 до 8200 м (8 ниток), Енисей — 800 м (3 нитки), Обь — от 735 до 1230 м (14 ниток), Кама — от 830 до 5090 м (10 ниток).
При выборе места пересечения трубопроводом водных и других преград учитываются многие факторы: направление и особенности трассы, а также характеристики преграды. Например, в случае пересечения МН водной преграды — это тип руслового процесса, ширина и глубина водоема, водный режим, состояние береговых склонов, геологическое строение русла, берегов, поймы и пр.
При проектировании ППМН через водные преграды разработчики опираются на данные гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом специфики эксплуатации в данном районе ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, которые могут оказать влияние на режим водной преграды в месте перехода, планируемых дноуглубительных работ, а также на требования по охране водных ресурсов.

В мировой практике строительства ППМН наиболее широкое применение получили методы их прокладки, которые условно можно разделить на две группы: траншейные и бестраншейные.

Одним из самых распространенных методов строительства ППМН является траншейный метод (рис. 1). Он включает в себя подводную разработку траншеи специальной землеройной техникой (земснаряды, грунтососы, гидромониторы, скреперы и т. д.) и одновременно с этим подготовку дюкера (дюкер — часть магистральной трубы, проходящая через водную преграду, изолированная, обернутая футеровочной рейкой и утяжеленная пригрузами). Применяются три основных метода укладки трубопровода в подводные траншеи: протягивание по дну; погружение с поверхности воды трубопровода полной длины и укладка с плавучих средств и опор.
Каждый из перечисленных методов укладки имеет свои недостатки, основным из которых является большой объем подводно-технических и земляных работ, связанных с разработкой траншеи, однако при определенных условиях имеют ряд преимуществ. Чаще всего траншейный метод строительства подводных переходов применяется в случаях невозможности использования бестраншейных методов, характеризующихся рядом ограничений.

БЕСТРАНШЕЙНЫЕ МЕТОДЫ
В настоящее время широкое распространение получили бестраншейные методы строительства подводных переходов магистральных трубопроводов: наклонно направленное бурение, микротоннелирование, тоннелирование, вантовые и др.
При использовании бестраншейных технологий строительства подводных переходов отсутствуют недостатки традиционных методов, уменьшается неблагоприятное воздействие на окружающую среду, в том числе гидрологию водоемов, повышается надежность трубопровода.

Наклонно направленное бурение Строительство подводных переходов методом наклонно направленного бурения (ННБ), в зависимости от характеристик водных преград, технических характеристик используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров протаскиваемого трубопровода (длины криволинейного участка, диаметра и др.), осуществляется по различным технологическим схемам.

Общими для всех технологических схем являются основные этапы ННБ:
— бурение пилотной скважины;
— расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях;
— протягивание трубопровода в разрабатываемую скважину.

Данный метод позволяет обеспечить высокую надежность построенного объекта; сохранение природного ландшафта и экологического баланса в месте проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов; значительное уменьшение риска аварийных ситуаций и, как следствие, гарантию длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.
Применение ННБ имеет ряд ограничений: сложные инженерно-геологические условия, большая протяженность перехода и диаметр укладываемой трубы.
В России были построены единичные переходы протяженностью более 1000 м с диаметром труб не более 1020 мм. Основная масса построенных переходов диаметром труб 1020-1420 мм имеет протяженность не более 500-700 м. Другим ограничением метода ННБ являются сложные геологические условия: галечниковые грунты, грунты с включением валунов, карстовых полостей, скальные, илистые грунты. Эти факторы в совокупности с конструктивными параметрами буровых установок и технологии бурения определяют возможность или невозможность строительства того или иного объекта методом ННБ. Микротоннелирование Метод микротоннелирования (рис. 2) основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционного управляемого проходческого щита. Микротоннельный
щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.
Преимуществами микротоннелирования (так же как и метода ННБ) является отсутствие отрицательного воздействия на русловые процессы пересекаемой водной преграды; надежная защита руслового участка ППМН от размыва и высокая степень защиты трубопровода от механических повреждений, обеспечиваемая прокладкой трубопровода на глубине не менее 7 м от дна и значительно ниже линии предельного размыва русла реки; сохранение экологического баланса в месте проведения работ; отсутствие воздействия на режим судоходства и пр.
Однако микротоннелирование имеет следующие сложности при проходке:
— в трещиноватых доломитах есть большой риск заклинивания трубного става, в связи с относительно высокой прочностью породы и опасностью возникновения неравномерного горного давления;
— на границе перехода из прочных пород в зону карстового образования при малейшем отклонениищита от заданной траектории резко возрастают усилия продавливания всего трубного става (заклинивание), при превышении которых будет происходить разрушение секций трубного става;
— при преодолении карстовых участков возникает большая степень риска отклонения трубного става от проектной траектории прокладки микротоннеля, что повлечет за собой изменение проектного положения и расчетной схемы трубопровода;
— стандартная конструкция труб не предусматривает связи растяжения в стыках, поэтому заклинивание может привести к раскрытиюстыка и прорыва грунта вмикротоннель при проходке в слабых грунтах.
Тоннелирование

При сооружении ППМН тоннельным методом используют щитовую проходку защитного кожуха-обделки, состоящего из отдельных колец, которые, в свою очередь, собираются из блоков- сегментов (или тюбингов) под защитой проходческого щита. Для продвижения проходческого комплекса в конструкции щита предусматриваются щитовые домкраты, которые отталкиваются от каждого вновь собранного кольца обделки, тем самым разрабатывая грунт и освобождая место для монтажа следующего кольца обделки. При проходке тоннеля производится первичное и контрольное нагнетание, в результате которого заполняются возможные трещины и пустоты вокруг обделки тоннеля.
Преимущества тоннельного метода прокладки схожи с преимуществами метода микротоннелирования, но при сравнении этих двух методов оказывается, что у первого отсутствуют недостатки, присущие методу микротоннелирования. Тем не менее негативное воздействие на ППМН окружающего грунта, изменение инженерно-геологических условий, к примеру, образование или развитие карстовых полостей, может нарушить целостность сооружения и привести к серьезным экологическим последствиям. Во избежание возможных негативных последствий требуется разработка специальных мероприятий и технических решений, предотвращающих аварийные ситуации при строительстве и способствующих нормальной эксплуатации сооружения и сохранению окружающей среды.

ПОДВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ МН ВСТО
Целесообразность применения того или иного метода строительства ППМН определяется с учетом анализа всех возможных факторов, существенно влияющих нанадежность и безопасность трубопровода. Причем в рамках одного проекта строительства могут применяться практически все методыпрокладки ППМН. В этом плане показательным является реализация проекта нефтепровода ВСТО. Трубопровод пересекает около 530 водотоков, в том числе такие крупные реки, как Ангара, Лена, Алдан, Туолба, Чульман, Уда, Топорок, а также Усть-Илимское водохранилище и др.
Сооружение нефтепровода ведется в крайне сложных природно-климатических условиях, таких как заболачивание, наледи, карсты, криогенное пучение, оползневые участки, значительные температурные перепады (от -50 до +50 оС), в районах с повышенной сейсмичностью и наличием мерзлых грунтов.
Анализ характеристик естественных пересечений МН той или иной преграды, геологических условий и многих других факторов предопределил применение как траншейных, так и бестраншейных методов прокладки ППМН. Следует подчеркнуть,
что при проектировании объектов нефтегазотранспортных систем экологическая
составляющая в большинстве случаев является определяющим фактором при выборе
того или иного технического решения.
Технические решения по пересечению водных и других преград нефтепроводом ВСТО принимались применительно к каждому конкретному случаю.

ФОРСИРУЯ ЛЕНУ
Строительство ППМН ВСТО через р. Лену, а именно способ прокладки перехода, вызвало широкий общественный резонанс. После анализа всех возможных способов прокладки проектировщики выбрали траншейный способ строительства перехода через р. Лену как наиболее апробированный в разных грунтовых условиях и имеющий хорошо отлаженную
технологию строительства.
На подготовительном этапе проектирования ППМН проработали пять вариантов местоположения пересечения нефтепроводом р. Лены. В результате анализа вариантов был принят переход ниже г. Олекминска. Выбор створа перехода в данном месте реки обусловлен несколькими причинами, наиболее существенными из которых являются устойчивость русла, его прямолинейность и симметричная форма поперечного сечения, что свидетельствует об отсутствии условий для изменения положения русла и наилучшей
пропускной способности данного участка.
По результатам геологических изысканий установлено, что особенности геологических пород в пределах русла не позволяют осуществить строительство ППМН бестраншейными методами проходки.
В прибрежной и подрусловой части на глубине 10 м и более отмечено наличие карстовых проявлений, дресвяных и щебенистых грунтов. Проходка микротоннельного щита по сильнотрещиноватым породам создает избыточное давление, что ведет к чрезмерному нагружению и заклиниванию режущего инструмента. Эти же факторы являются ограничениями применения метода наклонно направленного бурения при строительстве данного перехода. Кроме того, отсутствует опыт строительства ППМН бестраншейными методами в данных природно-климатических условиях.
При траншейном методе прокладки трубопровод не попадает в зону карстового поражения, расположенную на глубине ниже 10 м, тем самым исключаются его просадка, оголение и провисы.
Для безопасности эксплуатации ППМН через р. Лену был разработан ряд технических решений:
— применение трубы из стали повышенной прочности с увеличенной толщиной стенки до 29 мм;
— диагностика сварных поперечных швов в объеме 200% радиографическим методом, 100-процентный контроль визуально-измерительным методом и 100-процентный ультразвуковой контроль.
Кроме того, был разработан специальный Регламент технической эксплуатации подводного перехода магистрального нефтепровода ВСТО через р. Лену, в котором определены требования по контролю за техническим состоянием ППМН при эксплуатации и природоохранные мероприятия, в том числе мониторинг состояния водного объекта, атмосферного воздуха и почвы, а также мероприятия, направленные на сохранение растительного сообщества и предотвращение развития возможных опасных экзогенных геологических процессов.

Из вышеизложенного следует, что принятый комплекс инженерно-технических мероприятий при траншейном способе прокладки подводного перехода через р. Лену гарантирует обеспечение экологической и промышленной безопасности эксплуатации нефтепровода в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации. Другие методы строительства подводного перехода в данных геологических условиях не
обеспечивают безопасного производства работ и эксплуатации перехода в дальнейшем.
Проект перехода получил положительное заключение экологической экспертизы, экспертизы промышленной безопасности, Ростехнадзора РФ, а также федеральных и
региональных органов власти.
Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность ППМН, что увеличит срок их безотказной работы.

Источник

Проектирование подводного перехода методом ННБ

Актуальность применения метода наклонно-направленного бурения в строительстве подводных переходов трубопроводов. Технология сооружения подводного перехода. Расчет длины скважины трубопровода. Анализ риска аварийных ситуаций и план их ликвидации.

Рубрика	Строительство и архитектура
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	04.05.2015
Размер файла	124,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА «МОСТЫ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА МЕТОДОМ ННБ

по дисциплине «Проектирование и строительство трубопроводов через водотоки»

1.1 АКТУАЛЬНОСТЬ МЕТОДА ННБ

1.2 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ННБ

1.3 СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ ННБ

2. РАСЧЕТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 ТЕХНОЛОГИЯ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА МЕТОДОМ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ

2.1.1 ПОДГОТОВКА СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДОК И УСТАНОВКА БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1.2 ПОДГОТОВКА ПЛЕТИ ТРУБОПРОВОДА

2.1.3 БУРЕНИЕ ПИЛОТНОЙ СКВАЖИНЫ

2.1.4 РАСШИРЕНИЕ СКВАЖИН

2.1.5 ПРОТАСКИВАНИЕ ПЛЕТИ ТРУБОПРОВОДА

2.2 ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

2.3 РАСЧЕТ ДЛИНЫ СКВАЖИНЫ ТРУБОПРОВОДА

3. ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ЧАСТЬ

3.1 ОХРАНА ТРУДА

3.2 АНАЛИЗ РИСКА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

3.3 ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

3.4 ПЛАН ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Курсовая работа содержит 1 лист чертежа формата А1, пояснительную записку на 33 листах формата А4, включающую 1 рисунок, 1 таблицу, 9 литературных источников.

Объектом исследования является проектирование подводного перехода методом наклонно-направленного бурения.

Цель работы — расчет подводного перехода, пройденного методом ННБ.

Расчет перехода включает в себя:

— расчет длины скважины трубопровода;

— составление характеристики перехода (в табличной форме);

— подбор по основным параметрам скважины установки для выполнения работ.

Подводный переход — особый конструктивный элемент линейной части магистрального трубопровода, который представляет потенциальную опасность для окружающей среды. Поэтому в свое время был выпущен ряд нормативно-технических документов, определяющих правила проектирования, строительства и эксплуатации подводных переходов, общим принципом которых является предупреждение аварийных разливов нефти или выхода газа при сохранении эффективности трубопроводной системы. Однако разработчики этих документов не могли предусмотреть на много лет вперед всех возможных сценариев развития ситуации на подводных переходах, что в ряде случаев привело к значительным экономическим потерям.

Практика эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов показала, что для предотвращения серьезных аварий и своевременного проведения планово-предупредительного ремонта необходимо периодическое обследование технического состояния подводного перехода.

Для анализа риска возникновения аварий важно определить набор типичных аварийных ситуаций, с той или иной степенью вероятности их возникновения в зависимости от старения металла труб, повреждения изоляции, размыва подводных переходов и других технических и антропогенных факторов.

Система технического обслуживания и ремонта подводных переходов предусматривает организацию работ, обеспечивающую безопасность трубопроводов при надлежащем уровне контроля, выбор рациональных методов предупреждения аварийных ситуаций, а также готовность к их ликвидации.

1.1 АКТУАЛЬНОСТЬ МЕТОДА ННБ

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 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 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 микротоннелирование.

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;

— 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.

1.2 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ННБ

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.

1.3 СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ ННБ

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.

2.1 ТЕХНОЛОГИЯ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА МЕТОДОМ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ

Процесс бурения установкой ННБ включает в себя четыре этапа:

— бурение пилотной скважины;

— расширение скважины вперед или назад;

— 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 диаме тра 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.

Технология сооружения подводного перехода методом наклонно-направленного бурения включает в себя несколько этапов:

— подготовка строительных площадок и установка бурового оборудования;

— подготовка плети трубопровода;

— бурение «пилотной» скважины;

— протаскивание плети трубопровода;

— испытание подводного перехода;

— утилизация отходов и рекультивация загрязненных земель.

2.1.1 ПОДГОТОВКА СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДОК И УСТАНОВКА БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Участок по производству работ по наклонно-направленному бурению, расположенный по обеим берегам реки, представляет из себя две отдельных строительных площадки. Установка наклонно-направленного бурения доставляется на площадку в виде блоков.

Размещение основных компонентов буровой установки (наклонной платформы, бурильных труб и передвижной будки оператора) привязывается к точке входа. Наклонная платформа буровой установки располагается на одной линии с направлением ствола скважины и смещена от точки входа назад на 8 м. Для восприятия нагрузки, развиваемой буровой установкой в процессе протаскивания плети трубопровода, перед передней кромкой буровой установки сооружается шпунтовая стенка глубиной 12 м и шириной 10 м.

Для подготовки плети рабочего трубопровода будет использоваться площадка, длина которой соответствует длине бурения (850 м — исходя из предыдущего опыта применения метода ННБ на данном переходе), а ширина составляет 12 м. Передний конец подготавливаемой плети трубопровода должен отстоять от точки выхода не менее чем на 60 м, чтобы обеспечить место для складирования бурильных штанг, расширителей и для операций с ними. Рабочая площадка для сборки протягиваемого трубопровода должна быть расчищена, и выравнена в той степени, которая позволит проводить работы по выставлению роликоопор на грунтовое основание.

2.1.2 ПОДГОТОВКА ПЛЕТИ ТРУБОПРОВОДА

Подготовка плети трубопровода включает следующие технологические операции:

— вывозка труб и раскладка труб;

— сборка стыков и сварка плети трубопровода;

— контроль качества сварных стыков;

— гидроиспытание плети (1-й этап) — до протаскивания;

— укладка плети на роликоопоры.

В соответствии со СНиП 2.05.06.-85* участок переукладки отнесен к катогории Трубопровод на участке переукладки категории «В» должен быть подвергнут 100% контролю сварных стыков радиографическим методом. Технологические процессы монтажа и сварки трубопроводов должны выполняться в соответствии с требованиями.

Защиту трубопровода от почвенной коррозии выполняет трехслойное изоляционное покрытие из экструдированного полиэтилена, толщиной не менее 3 мм, наносимое в заводских условиях.

Изоляция сварных соединений производится манжетами из армированного стекловолокном термоусадочного полимерного материала типа DIRAX-40000-24, устанавливаемыми на эпоксидный праймер. Толщина манжеты после полной усадки составляет 3,5 мм. Конструкция изоляционного покрытия должна отвечать общим требованиям к защите от коррозии, согласно ГОСТ 25812-83. Изоляционное покрытие должно выдержать испытание на сплошность искровым дефектоскопом в соответствии с требованиями НТД.

2.1.3 БУРЕНИЕ ПИЛОТНОЙ СКВАЖИНЫ

Бурение пилотной скважины будет осуществляться роторным методом бурения, которое осуществляется путем разрушения породы долотом, приводимым в движение ротором через буровую колонну. Изменение направления движения забойного инструмента происходит путем ориентирования отклонителя в нужном направлении и последующего осевого движения до закрепления траектории. Ориентирование отклонителя осуществляется путем поворота буровой колонны. Движение по прямой осуществляется при осевом движении и вращении буровой колонны одновременно. Внутри буровой колонны крепится кабель для съемки D_бк=0,127 м, толщиной стенки д_бк=0,012 м. Характеристики используемой буровой колонны жестко не регламентированы. Основное требование — буровая колонна должна удовлетворять условиям прочности при проведении технологических операций строительства перехода. Характер изменения тягового усилия зависит от используемых бурильных труб, но на конечное значение усилия протягивания типоразмер применяемых бурильных труб не влияет, поскольку к этому моменту бурильная колонна находится на берегу.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на успех работ по бурению перехода, является качество бурового раствора. В процессе наклонно-направленного бурения буровой раствор выполняет следующие важнейшие функции:

— водонасыщение и размягчение грунта и его последующее разрушение (размыв) давлением струй, истекающих из насадок на забойном буровом инструменте и расширителях;

— вынос из скважины на поверхность частиц разбуренной породы;

— уменьшение трения при вращении буровой колонны и работе бурового инструмента;

— охлаждение и очистка бурового инструмента;

— поддержание устойчивости стенок скважины, предотвращение обвалов и осыпей;

— удержание частиц разбуренной породы во взвешенном состоянии при остановках бурения;

— кольматация стенок скважины для предотвращения попадания грунтовых вод в полость скважины и поглощения бурового раствора окружающей породой.

Буровой раствор, используемый при наклонно-направленном бурении, представляет собой суспензию соответствующим образом приготовленного глинистого порошка в воде. При этом в качестве глины используется бентонит, вода забирается из реки в районе строительства. Бентонит представляет собой пластичную, коллоидальную глину, состоящую в основном из монтмориллонита. Бентонит характеризуется такими параметрами как набухание и способность гелеобразования при диспергировании в воде. При набухании он увеличивает Основным параметром, характеризующим способность бентонита к набуханию, является выход бентонитового раствора, измеряемый в м 3 /т (т.е. в кубометрах раствора, получаемого из тонны глинопорошка при стандартных условиях).

Объем получаемого бурового раствора, зависящий от характеристики бентонита, вязкости раствора и других параметров, должен составлять не менее 15 м 3 /т.

Основными добавками, увеличивающими выход бентонитового раствора, являются кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и специальные полимеры, позволяющие увеличить выход раствора до 30-40 м 3 /т, то есть расход бентонита при той же вязкости раствора сокращается в 2-2,5 раза.

Площадь поперечного сечения скважины должна быть больше поперечного сечения рабочего трубопровода. Поэтому перед протаскиванием трубопровода скважина должна быть расширена.

Расширение скважины осуществляется путем последовательного протаскивания специальных устройств — расширителей, через ствол пилотной скважины.

Расширители закрепляются на бурильной колонне в точке выхода ствола, приводятся во вращение и протаскиваются по направлению к буровой установке, благодаря чему производится расширение ствола пилотной скважины.

2.1.5 ПРОТАСКИВАНИЕ ПЛЕТИ ТРУБОПРОВОДА

Оголовок для протаскивания должен быть смонтирован на передний конец плети. Для изготовления оголовка требуется полусферическая заглушка. На заглушку будет наварена тяговая рама из конструкционной стали и кронштейн для закрепления переднего конца трубы кабеля связи.

После завершения последнего прохода расширителя к концу буровой колонны у места выхода скважины последовательно присоединяются: калибратор, шарнир и оголовок плети. Шарнир служит для того, чтобы на плеть не передавался крутящий момент. Одновременно с вращением калибратора буровая установка тянет плеть на себя. В процессе протаскивания трубопровод перемещается по роликоопорам. Площадка в зоне выхода скважины должна быть тщательно спланирована для того чтобы трубоукладчики могли вывесить плеть перед входом в скважину по расчетной кривой, обеспечивающей изгибные напряжения в трубе не более допустимых и вхождение плети в скважину без перекоса. Для поддержания трубопровода в зоне входа в скважину используются мягкие полотенца.

В процессе протаскивания плети необходимо регулировать ее вес (плавучесть) для уменьшения трения плети о стенки скважины.

Протаскивание плети трубопровода осуществляется усилием, развиваемым которой расположен калибратор, который соединен с тяговым оголовком плети через вертлюг. При протаскивании секция труб опирается на опоры, снабженные роликами с полиуретановым покрытием для сведения к минимуму растягивающих усилий и предотвращения повреждения изоляции трубопровода.

2.2 ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

Построение продольного профиля трубопровода бестраншейными методами строительства, зависящего от характеристики водной преграды, параметров прокладываемого трубопровода, используемой техники и технологии бурения скважины, экологических условий района строительства и других факторов, выполняется при проектировании подводного перехода и может, при необходимости, уточняться перед началом работ с учетом дополнительных исходных данных по переходу и условиям строительства.

Продольный профиль ствола скважины представляет собой пологую кривую, состоящую из сопрягаемых между собой прямолинейных и криволинейных участков с определенными радиусами, которые определяются радиусом естественного изгиба протаскиваемого трубопровода. Углы входа и выхода буровой головки относительно горизонта, протяженности прямолинейных и криволинейных участков, а также радиусы изгиба представляются в чертежах Рабочего проекта, в соответствии с которыми производится бурение пилотной скважины.

При описании профиля приводятся параметры, позволяющие однозначно определить профиль скважины — углы входа и выхода бурильного инструмента, длины участков и радиусы искривления.

Наиболее типичным являются профили:

— состоящие из двух прямолинейных граничных участков и центрального, искривленного по радиусу, участка;

— профили, включающие дополнительно центральную прямолинейную вставку.

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

Длина перехода определяется расстоянием между точкой забуривания пилотной скважины и местом ее выхода и характеризуется углами входа и выхода бура. Границами русловой части подводного перехода, выполненного бестраншейным методом, являются точки входа и выхода скважины. Бурение пилотной скважины ведется в соответствии с чертежами Рабочего проекта.

Трубопровод в грунтовой скважине необходимо проложить ниже линии предельного размыва по радиусу не менее радиуса упругого изгиба трубопровода.

Радиус изгиба проектируемой скважины должен быть не менее радиуса упругого изгиба трубопровода. Минимально допустимые радиусы упругого изгиба, обеспечивающие прокладку трубопроводов без опасных напряжений в стеках трубы, должены соответствовать формуле:

R min = 1200 * Дн,

где Rmin — радиус минимального изгиба трубопровода, м;

Дн — наружный диаметр трубопровода.

Проектная величина заглубления трубопровода составляет не менее 3 м от линии предельного размыва русла реки и не менее 8 м от наименьшей отметки дна.

Точка входа буровой колонны (выхода рабочего трубопровода) принимается с учетом оптимального размещения бурового комплекса, удобства выполнения буровых работ и работ по монтажу рабочего трубопровода, а также с учетом уменьшения тяговых усилий. Предпочтительно, чтобы протаскивание в скважину трубопровода велось с более высокого берега к более низкому, и буровой комплекс располагался для рек Ухта и Печора на правом берегу.

2.3 РАСЧЕТ ДЛИНЫ СКВАЖИНЫ ТРУБОПРОВОДА

Для определения расстояния и между точками входа и выхода трубопровода в горизонтальной проекции и общей длины трубопровода, укладываемого способом ННБ, необходимо найти ширину прогнозируемого профиля размыва по верху и по низу Вп и bn соответственно (точки 1,2,3,4).

Схема построения подводного перехода трубопровода диаметром 1420 мм через реку представлена на рисунке 1.

— ширина, зеркала воды Во, м. Во = 48,1 м;

— ширина русла между береговыми кромками В1, м. В1 = 67 м;

— прогнозируемые величины отступления береговых склонов:

— правого Д Вр₂, м. Д Вр₂ = 0,2 м;

— заложения откосов береговых склонов:

— прогнозируемая глубина размыва дна от наинизшей его отметки Д hp . Д hр = 0,16м.

Рисунок 1 — Схема построения продольного профиля трубопровода, прокладываемого способом ННБ

B_n, b_n — ширина проектного профиля размыва соответственно по верху и по низу; В_р — ширина прогнозируемого профиля размыва русла по береговым бровкам; В1 — ширина русла между бровками берегов; Во — ширина русла при УВВ 10 % обеспеченности; Д Вр1, Д Вр2 — прогнозируемые величины отступления береговых склонов; Д Вз1, Д Вз2 — запасы к прогнозируемым значениям отступления берегов; m₁, m₂ — заложения откосов береговых склонов; R_к — радиус криволинейной искусственного изгиба трубопровода; h_р — прогнозируемая глубина размыва дна от наиболее низшей его отметки; h_з — запас к прогнозируемой глубине размыва дна; НТс — нижняя точка оси скважины БС; До — наинизшая отметка дна реки

Ширина проектного профиля размыва по верху, Вп, м,

Вn= В1 + Д Вр1 + Д Вз1 + Д Вр2 + Д Вз2, (1)

где Д Вз₁, Д Вз₂ — запасы к прогнозируемым значениям отступления берегов, м;

Д Вз₁ должен удовлетворять условию,

Д Вз1 >m1 * Д hз, (2)

где Д hз — запас к прогнозируемой глубине размыва дна, м;

где Дн — наружный диаметр трубопровода, м; Дн = 1,42 м;

Д hз = 2 * 1,42 = 2,84 м;

Д Вз₁ > 0,22 * 2,84 м;

Принимаем Д Вз₁ = 0,7 м.

Д Вз₂ должен удовлетворять условию,

Д Вз2 >m2 * Д hз, (3)

Принимаем Д Вз₂ = 0,3 м.

Вn = 67 +1,2 + 0,7 +0,2 + 0,3 = 69,4 м.

Ширина проектного профиля размыва по низу bn, м,

bn = Вn — Н1 * m1 — H2 * m2, (4)

где Н1 — разница высот наинизшей отметки профиля размыва относительно высоты левого берега, м;

Н1 = Нб1 + Д hp + Д hз, (5)

где Нб₁ — высота левого берега относительно наинизшей отметки дна, м;

где Д₁ — высотная отметка левого берега, м; Д₁ = 128,90 м;

Д₀ — высотная отметка дна БС, м; Д₀ = 97,40 м.

Нб₁ = 128,9 — 97,4 = 31,5 м;

Н₁ = 31,52 + 0,16 + 2,84 = 34,52 м;

Н₂ — разница высот наинизшей отметки профиля размыва относительно высоты правого берега, м;

Н2 = Нб2 + Д hp + Д hз, (7)

где Нб₂ — высота правого берега относительно наинизшей отметки дна, м;

где Д₂ — высотная отметка правого берега, м; Д₂ = 110 м;

Нб₂ = 110 — 97,4 = 12,6 м;

Н₂ = 12,6 + 0,16 + 2,84 = 15,6 м;

bn = 69,4 — 34,52 * 0,22 -15,6 * 0,090 = 60,402 м.

Радиус кривой искусственного изгиба трубопровода, Rк, м;

Rmin — радиус минимального изгиба трубопровода, м;

Rmin = 1200 * 1,42 =1700 м,

Диаметр скважины необходимой для протаскивания трубопровода, Дс, м,

Дс = 1,25 * 1,42 = 1,8 м.

Угол скважины в точке 2, б₂, град,

б₂ = arcsin (60,402/2*1700)= 1,02є

Угол скважины в точке 3, б ₃, град,

б₃ = arcsin (60,402/2*1700)= 1,02є

Нижняя точка оси скважины БС, НТс, м,

НТс = До — Д hp — Д hз — (Дс/2)-(bn*tg б2,3/2), (9)

НТс = 97,4 — 0,16 — 2,84 — (1,8/2) — (60,402*tg1,02є/2)=92,96 м

Угол входа скважины, б ₄, град,

б4 = arcscos ((R-Д2+HTc)/R), (10)

б₄ = arcscos ((1700-110+92,96)/1700)=8,12є

Угол выхода скважины, б ₁, град,

б1 = arcscos ((R-Д1+HTc)/R), (11)

б₁ = arcscos ((1700-128,9+92,96)/1700)=11,8є

Протяженность от нижней точки оси скважины до входа скважины по горизонтальной проекции, L_n,вx, м,

Ln,вx = (R — (Д2 — НТс)) * tg б4, (12)

Протяженность от нижней точки оси скважины до выхода скважины по горизонтальной проекции, L_n,выx, м,

Ln,выx = (R — (Д1 — НТс)) * tg б1, (13)

Расстояние между точками входа и выхода трубопровода (горизонтальная проекция), L, м,

L = Ln,вx + Ln,выx, (14)

L = 240 + 348,5 = 588,5 м.

Общая протяженность бурения скважины, S, м,

S=(3,14*2*1700*( 11,8+ 8,12))/360=591 м

Пилотная скважина состоит из одного криволинейного участка по дуге окружности.

Вход в скважину происходит под углом б₄ = 8,12 о к плоскости горизонта, длина участка S = 591 м по дуге окружности с радиусом R = 1700 м с выходом на поверхность под углом б ₁ = 11,8 о плоскости горизонта.

Геометрические характеристики перехода через реку сведены в таблицу 1.

Источник