Иванов В.А., Кузьмин С.В. и др. Сооружение подводных переходов магистральных трубопроводов Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

170

− устройство майны на всю ширину зеркала реки или водоема;

− вывод трубопровода в майну с последовательной стыковкой пле-

тей на берегу;

− укладку трубопровода на дно траншеи заливом в него воды.

В соответствии со второй схемой выполняется:

− монтаж трубопровода из секций длиной 30 – 36 м на льду по

створу перехода;

− устройство майны параллельно смонтированному трубопроводу;

− спуск трубопровода в майну и укладка его на дно траншеи зали-

вом в него воды.

Выбор схемы укладки зависит от несущей способности ледяного по-

крова. Если по ледяному покрову возможно перемещение машин и меха-

низмов, то целесообразно применять вторую схему, при недостаточной

прочности ледяного покрова – первую. При монтаже на льду трубопровод

выкладывают на лежки. Майну во льду устраивают непосредственно перед

укладкой трубопровода.

Для предотвращения сноса трубопровода течением во время его по-

гружения на дно траншеи используют оттяжки. Анкерные опоры для за-

крепления оттяжек устраивают на льду выше трассы перехода. Длина оття-

жек определяется в зависимости от глубины воды и принимается примерно

равной l

≈ 1,5H, где Н – глубина от поверхности льда до дна траншеи. Рас-

стояние от оси трубопровода до анкерной опоры определяется из выраже-

ния 3.19.

.1,1

HHll £+=

(3.19)

Для предотвращения зажатия трубопровода под действием течения у

нижней кромки льда в майне при опускании трубопровода закрепляют на

нем дополнительные оттяжки или в зависимости от скорости течения и

глубины воды направляющие упорные шесты. Анкерные опоры для оття-

жек вмораживаются или закрепляются другим способом на льду на указан-

ном расстоянии. На неглубоких реках и водоемах, при Н < 6 м, вместо от-

тяжек используют направляющие сваи, нижние концы которых погружают

в дно на 0,5 – 1 м, а верхние опирают на кромку льда.

Если монтаж трубопровода осуществляется на берегу, то дюкер ус-

танавливают в створ, перемещая по освобожденной от льда майне от одно-

го берега к другому. При достаточной прочности ледяного покрова тяго-

вые средства, с помощью которых трубопровод заводят в створ перехода,

могут передвигаться непосредственно на льду.

171

Рис. 3.33. Схема укладки трубопровода в плане и в профиль способом

свободного погружения

а – укладка в плане; б – укладка в профиль; 1 – трубопровод; 2 – майна;

3 – анкер оттяжки; 4 – оттяжки; 5 – наполнительный агрегат

При укладке трубопровода свободным погружением воду заливают в

него с одного конца через патрубок, а на другом конце воздух выпускается

через вантуз. По мере погружения трубопровода постепенно стравлива

ют

тросы-оттяжки, следя за тем, чтобы трубопровод не отклонялся от створа.

К укладке трубопроводов с опор, установленных на льду, прибегают

на водоемах со значительными глубинами и небольшими скоростями тече-

ния при наличии толстого прочного льда. Укладка трубопровода с опор в

зимних условиях упрощается, так как размещение опор на льду не вызыва-

ет затруднений.

Работы по укладке трубопровода с опор, установленных на льду, вы-

полняются в следующей технологической последовательности:

− монтаж нитки трубопровода на льду параллельно оси намеченной

прорези или монтаж плетей на берегу с последующим протаски-

ванием плетей трубопровода по льду и сваркой их в одну нитку;

− устройство майны для укладки трубопровода;

− установка опор на льду;

− погружение трубопровода на дно с промежуточных опор.

172

Напряжения изгиба, возникающие в трубопроводе при его удержа-

нии на поверхности воды с помощью опор, могут быть найдены по форму-

ле 3.20:

kql

(3.20)

где k – коэффициент, величина которого зависит от числа опор и со-

ставляет 0,1 – 0,125; q – нагрузка на единицу длины укладываемого тру-

бопровода; l – расстояние между опорами; W – момент сопротивления тру-

бопровода.

Для уменьшения нагрузки, передаваемой на ледяной покров установ-

ленными на нем опорами, укладываемый трубопровод оснащают разгру-

жающими цилиндрическими понтонами, число которых можно найти по

формуле 3.21:

Lmg

(3.21)

где L – длина укладываемого трубопровода; Р – грузоподъемность

одного понтона; т – масса единицы длины трубопровода в момент уклад

ки;

φ – коэффициент запаса (φ = 1,05 – 1,1); g – ускорение силы тяжести.

К укладке с опор, установленных на льду, приступают только при

наличии прочного льда. Укладывать нефтепроводы с опорных устройств

при значительных глубинах водоема, не допускающих использование спо-

соба свободного погружения с заливом воды, можно в два этапа.

На первом этапе трубопровод опускают заливом в него воды на до-

пустимую глубину, которая ограничивается тросами промежуточных опор.

Допустимая глубина определяется по формулам для укладки трубопровода

свободным погружением. На втором этапе трубопровод опускают с проме-

жуточных опор на дно водоема.

Недостатками способа укладки с промежуточных опор по сравнению

со способом протаскивания и способом свободного погружения являются:

− большое число материалов, необходимых для устройства опор;

− большие объемы такелажных и ледокольных работ, связанных со

значительными затратами;

− необходимость точной координации работы подъемных уст-

ройств на всех опорах, так как неравномерная загрузка опор мо-

жет привести к аварии при опускании трубопровода.

173

4.1. НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ

Наиболее распространенные траншейные способы сооружения под-

водных переходов трубопроводов наряду с их достоинствами имеют ряд

существенных недостатков и в полной мере не отвечают современным тре-

бованиям – необходимому уровню конструктивной надежности и защите

окружающей среды. Основными недостатками траншейного способа явля-

ются большой объем земляных и трудоемких водолазных работ, необходи-

мость громоздких, утяжеляющих пригрузов или других средств, удержи-

вающих трубопровод в проектном положении в обводненной траншее. Ме-

ханизированная разработка нижних слоев грунта береговых и русловых

участков переходов, особенно в сочетании с взрывными работами, наносит

ущерб экологическому состоянию водоемов. Значительный ущерб нано-

сится при строительстве переходов магистральных трубопроводов через

крупные реки [4].

После окончания строительства переходов часто не восстанавлива-

ются русла рек, происходит заболачивание поймы, обрушение берегов, на-

рушается гидрологический режим.

С учетом всех этих факторов одной из основных и все более актуаль-

ных задач, стоящих перед строителями магистральных трубопроводов, в

последние 20 лет стала задача создания методов и технологий, обеспечи-

вающих наименьшее нарушение окружающей среды, снижение трудоемко-

сти работ, сокращение сроков их выполнения. К таким методам относятся

наклонно-направленное бурение и микротоннелирование.

В России идея метода наклонного бурения возникла в 30-е годы два-

дцатого столетия. Она была реализована при прокладке коммуникаций

под автодорогами.

Метод строительства магистральных трубопроводов, отвечающий

современным требованиям, был разработан и внедрен в США. Основате-

лем метода является американский инженер Мартин Черрингтон.

В 1971 г. под р. Педжейро в Калифорнии методом наклонного буре-

ния корпорацией "Черрингтон" (Cherrington) был проложен трубопровод

диаметром 115,3 мм и длиной 231,6 м. После этого был открыт путь к ши-

рокому внедрению метода в практику. К 1992 г. было построено 2400 пере-

ходов, их диаметр возрос до 1200 мм, максимальная длина перехода дос-

174

тигла 1800 м, а общая длина построенных переходов превысила 800 км. К

этому времени в США 75 % переходов были построены по новой техноло-

гии.

В России первыми эту технологию использовали строители газопро-

водов, назвав ее наклонно-направленным бурением (ННБ).

В 1996 г. методом ННБ в АК "Транснефть" был построен переход че-

рез р. Корженец длиной более 400 м и диаметрам 1020 мм.

Преимущества метода ННБ:

− экологическая безопасность;

− минимальный объем вынутого грунта;

− долговечность;

− надежная защита от внешних механических повреждений;

− отсутствие опасности обнажения трубопровода при размывах ру-

сел 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, отно-

сятся:

− большие единовременные затраты на приобретение оборудова-

ния;

− необходимость глубокого (до 40 м от дна) геотехнического буре-

ния и гидрогеологических изысканий:

− сложность проходки в галечниковых, валунных, илистых и кар-

стовых 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 учи-

тываются следующие факторы:

− результаты инженерных изысканий, в состав которых входят гео-

дезическая съемка, геологические, гидрогеологические, гидро-

метрические, гидрометеорологические, геокриологические, эко-

логические изыскания, оценка магнитного фонового состояния;

− наличие и особенности хозяйственной инфраструктуры в районе

расположения перехода, состояние и условия эксплуатации гид-

175

ротехнических сооружений, условия взаимного влияния различ-

ных сооружений при их эксплуатации;

− характерные особенности местности.

Для строительства трубопроводов методом ННБ наиболее благопри-

ятны реки (при доступной ширине и геологии русла и берегов), имеющие

ленточно-грядовый, побочневый и ограниченно-меандрирующий типы ру-

слового процесса, а также русловую многорукавность, где русловые про-

цессы в рукавах развиваются по тому же типу. Существуют проблемы, свя-

занные с применением ННБ на реках, имеющих типы руслового процесса в

виде свободного меандрирования, незавершенного меандрирования и пой-

менной многорукавности. Эти условия характеризуются большими и труд-

но прогнозируемыми плановыми деформациями, широкой и низкой пой-

мой, 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, высо-

та, состояние берегов, скорости их размыва и др.), с последующим прогно-

зированием условий их дальнейшего развития и разработкой дополнитель-

ных мер по их стабилизации и предупреждению опасных русловых про-

цессов. Применение ННБ ограничено также на участках рек, русло и бере-

га 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 бу-

ровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров буро-

вого оборудования и протаскиваемого трубопровода (длины криволиней-

ного участка, диаметра и др.) осуществляется по различным технологиче-

ским схемам, имеющим определенные различия.

Сущность метода заключается в том, что по створу перехода под

руслом реки пробуривается скважина, по которой с берега на берег протас-

кивается трубопровод.

Общим для всех технологических схем является:

− бурение пилотной скважины;

− расширение скважины в один или несколько приемов в различ-

ных направлениях – прямом и обратном;

− протаскивание трубопровода в разработанную скважину.

Буровая головка установки ННБ наклонена таким образом, что по-

стоянное вращение буровой штанги в сочетании с нажимом создает прямо-

176

линейную скважину. В результате получается скважина заданной кривиз-

ны. Нажим без вращения приводит к отклонению штанги от заданного на-

правления.

При бурении в скальных породах вращение и нажим могут комбини-

роваться с ударным воздействием молота. Для разработки скальных пород

и других твердых формаций используется гидравлическая энергия им-

пульсных струй высокого давления, генерируемая гидрозабойным двигате-

лем [4].

Существуют установки направленного бурения, которые не требуют

для своей работы бурового раствора, что делает их особенно привлекатель-

ными 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 систе-

мой. На втором этапе в обратном или прямом направлении пилотную сква-

жину расширяют путем разбуривания. Расширение производят столько

раз, сколько необходимо, чтобы расширить скважину до диаметра уклады-

ваемой трубы. В случае прямого расширения буровую трубу присоединя-

ют 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 гидромонитор-

ного бурения помещается впереди расширителя и позволяет держать сква-

жину открытой для циркуляции бурового раствора. Для расширения пи-

лотной 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 дви-

жение буровой колонне. К выходному концу буровой колонны присоеди-

няется 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 произво-

дится калибровка скважины (зачистка и укрепление стенок) с помощью

цилиндрического расширителя. Окончательный диаметр подготовленной

скважины должен не менее чем на 25% превышать диаметр протаскивае-

мого трубопровода. В подготовленную траншею протаскивается трубопро-

вод. При устойчивых стенках скважины этап протаскивания можно со-

вместить с последним этапом расширения. Дюкер собирается на выходном

конце скважины и сваривается в единое целое. Специальный оголовок со-

177

единяется с дюкером и затем присоединяется к буровой колонне. Буровая

колонна с помощью бурового станка вытягивается назад, а бурильные тру-

бы удаляются по мере протаскивания дюкера.

Основным параметром механизма подачи буровой установки, харак-

теризующим ее эффективность, является усилие подачи вперед и назад.

Принцип работы бурового станка – вращение и возвратно-поступательное

движение буровой колонны.

В табл. 4.1 приведены параметры некоторых установок производства

США.

Технология первого поколения включает в себя ряд постоянно разви-

вающихся процессов, в совокупности называемых двухэтапной технологи-

ей – "технологией буровой и промывочной колонн", основанной на приме-

нении в работе двух колонн: буровой и промывочной. Буровая колонна ма-

лого диаметра (73 мм) с небольшим турбобуром продвигает буровую ко-

лонну на максимально возможное расстояние или до той точки снижения

скорости проходки, когда становится невозможным придание необходимо-

го направления турбобуру. В этот момент вокруг буровой колонны в сква-

жину проталкивается обсадная или промывочная колонна. Промывочная

колонна проталкивается до турбобура. Затем продвижение буровой колон-

ны возобновляется и проходка осуществляется путем телескопической по-

дачи.

Таблица 4.1

Тип установки

Jet Trac

8/60

DD-

160

Cherrington

60/300R

Тяговое (толкающее) усилие, т

Масса, т

Длина, м

Ширина, м

Максимальная длина бурения, м

Максимальный диаметр проходки,

Давление бурового раствора,

кг/см

(МПа)

Удельный расход бурового раство-

ра, л/мин

Объем резервуара бурового рас-

твора, м

10,2

4,6

5,9

1,8

280

175

103

(10)

115

4,0

72,6

36,5

14,68

2,44

900

800

105

(10,3)

1250

320 (с А-рамой)

модульного ис-

полнения (по

станине 2,4х13)

2000

1400

350

(34,3)

460

36,6

178

Промывочную или обсадную трубу применяют для снижения нагруз-

ки на буровую колонну, исключения возможности заклинивания буровой

колонны и предотвращения изгибания колонны под действием осевого

давления. Позже промывочную колонну стали использовать для расшире-

ния 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 рабо-

чей колонны. При этом бурение производится в один этап: исключается

необходимость наличия двух колонн. Корпорация "Черрингтон" разработа-

ла рабочую колонну внешней промывки, позволяющую бурить на большие

расстояния (более 1200 м) без применения промывочной колонны. Это хо-

рошо характеризует буровую колонну [19].

Для преодоления проблем обвала стенок скважины разработана на-

правляющая часть (первые 30 м буровой колонны) из высокопрочного ан-

тимагнитного 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 разме-

щение форсунок на долоте, что позволило достигнуть максимального раз-

рушения пород с использованием минимального количества бурового рас-

твора. Турбобуры по-прежнему применяются, но только в твердых поро-

дах, там, где грунты могут удерживать турбобуры большого диаметра, пе-

редающие 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/см

Процесс бурения установкой ННБ включает в себя четыре этапа

(рис. 4.1):

− 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.

179

Рис. 4.1. Схема 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 – траектория пилотной скважины; 5 – буровая головка; 6 – вертлюг;

7, 8, 9, 10 – расширители разных диаметров; 11 – трубопровод;

12 – оголовок для протаскивания; 13 – роликовая опора.