Шарафутдинов, З. З. Влияние отдельных факторов на процесс протаскивания трубопровода при сооружении подводных переходов

Влияние отдельных факторов на процесс протаскивания трубопровода при сооружении подводных переходов

Шарафутдинов З. З., ООО «НИИ Транснефть»

Исламов И. Р., ООО «НИИ Транснефть»

Капаев Р. А. , ПАО «Транснефть»

Урманчеев С. Ф., ИМех УФИЦ РАН

Первостепенная задача при сдаче подводного перехода, сооружаемого методом наклонно-направленного бурения, – успешное протаскивание дюкера в построенную скважину. Поэтому предотвращение технологических осложнений и аварийных инцидентов при строительстве трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях –крайне важная и ответственная инженерно-техническая задача.

В работе рассматриваются основные выводы и положения, полученные в результате изучения процессов протаскивания трубопровода при строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов, анализируются причины возникновения осложнений.

Введение

Строительство переходов трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях сопровождается рядом технологических осложнений, проявляющихся как в процессе сооружения скважины перехода, так и в процессе протаскивания трубопровода в построенную скважину.

Для осуществления процесса протаскивания наиболее нежелательны осложнения, связанные с изменением профиля подводного перехода. Так, например, в процессе формирования скважины прохождение участков, сложенных грунтами разной прочности, приводит к образованию интервалов, характеризующихся уступами на границе чередования грунтов с различными физико-механическими характеристиками. Работы по сооружению скважин в условиях залегания гравийно-галечниковых и щебенистых грунтов характеризуются крайне неустойчивым состоянием стенок формируемой скважины. При этом крупные фракции не выносятся из скважины, а скапливаются на ее нижней образующей, создавая неравномерно распределенные нагромождения по длине скважины. Все эти факторы способствуют отклонению фактического профиля скважины от ее проектного положения.

Следует ожидать, что основными причинами возрастания тяговых усилий являются изменения, внесенные в профиль перехода при сооружении перехода в интервалах залегания неустойчивых грунтов и грунтов, в значительной степени различающихся по прочности. Поэтому необходимо оценить уровень влияния локальных изменений профиля перехода на процесс протаскивания трубопровода. Для этого рассмотрим роль различных факторов, влияющих на состояние ствола скважины, изучим их уровень влияния на процесс протаскивания трубопровода.

Факторы, лимитирующие процесс протаскивания трубопровода в построенную скважину

Из результатов изучения изменения величины тяговых усилий при протаскивании трубопровода [6] следует, что на величину реализуемых усилий оказывает влияние закладываемый профиль перехода, весовые характеристики трубопровода, тип грунта, в котором была построена скважина.

На локальные изменения проектного профиля подводного перехода в процессе сооружения скважины подводного перехода способны привести следующие условия:

• Наличие по профилю перехода зон, несовместимых по инженерно-геологическим условиям с процессом сооружения подводного перехода;
• Несоблюдение технологических норм бурения.

Проблемы проявляются через действие следующих факторов:

• Несоответствие компоновки бурильной колонны условиям бурения;
• Несоответствие конструкции и вооружения породоразрушающего инструмента (расширителей) физико-механическим свойствам разбуриваемых грунтов;
• Погрешности работ при бурении пилотной скважины или ее расширения из-за чередования по профилю перехода грунтов, резко различающихся по физико-механическим свойствам;
• Недостаточная эффективность применяемого бурового раствора для укрепления несцементированного грунта на стенках скважины и его выноса из скважины;
• Наличие крупнообломочных включений и валунов, карстовых полостей, пропластков твердых пород.

Все эти факторы в процессе наклонно-направленного бурения прямо или опосредованно влияют на усложненность процесса протаскивания трубопровода в построенную скважину [1-6].

Сам процесс протаскивания трубопровода характеризуется следующим. Изменение тяговых усилий в процессе протаскивания не подчиняется строгим закономерностям. Наибольшая интенсивность роста тяговых нагрузок часто отмечается на начальном этапе протаскивания (на спуске головного участка трубопровода). На заключительном этапе протаскивания величина тягового усилия при протаскивании трубопровода мало меняется, иногда даже снижается. Отношение тягового усилия в конце протаскивания к его максимальной величине для отдельных переходов отражено в таблице 1. Из приведенных примеров видно, что фактические нагрузки при протаскивании трубопровода в скважине нередко не согласуются с базовым положением любого расчетного метода, и максимальное значение тягового усилия соответствует конечной стадии протаскивания.

Таблица 1. Отношение тягового усилия в конце протаскивания к максимальной его величине для отдельных переходов

В таблице 2 приведены усредненные значения удельного тягового усилия при протаскивании трубопроводов на различных переходах в зависимости от литологических условий в построенных скважинах. Из таблицы видно, что наиболее сильное влияние на величину тяговых усилий оказывают диаметр протаскиваемого трубопровода и тип грунта, в котором была построена скважина. При этом удельные тяговые усилия резко возрастают при прохождении несцементированных грунтов, а также при увеличении диаметра протаскиваемого трубопровода.

Таблица 2. Удельные тяговые усилия при протаскивании трубопровода в скважины, построенные методом наклонно-направленного бурения

№ п/п	Диаметр трубопровода, мм	Удельные тяговые усилия, кН/м
		Устойчивые монолитные грунты	Неустойчивые, несцементированные грунты
1	2	3	4
1	377	0,7	-
2	530	1	3,7
3	720	1,4	2,7
4	820	1,4	2,5
5	1020	2	4,3
6	1220	2,6	-

Осложнения в процессе протаскивания трубопровода связаны в основном с прохождением криволинейных участков скважины в грунтах, склонных к обрушению, главным образом, в гравелисто-галечниковых грунтах и при наличии в них крупнообломочных включений. На этих участках отмечается значительное увеличение нагрузок при одновременном снижении скорости протаскивания.

При анализе результатов, приведенных в таблицах 1 и 2, возникает закономерный вопрос: почему возникают значительные отличия между величинами тяговых усилий в конце протаскивания, а также при протаскивании в устойчивых и неустойчивых грунтах? Данные, приведенные в таблице 1, в первую очередь говорят о незначительном влиянии величины сил трения на значения тягового усилия, развиваемого в процессе протаскивания. Это свидетельствует о том, что кроме весовых характеристик протаскиваемого трубопровода наиболее значимую роль для осуществления процесса протаскивания трубопровода играют препятствия, сформированные в скважине при прохождении неустойчивых грунтов. То есть, наиболее значительное влияние на усилие протаскивания оказывают усилия, необходимые для деформирования трубопровода в процессе преодоления данных препятствий в скважине.

Таким образом, можно сделать вывод, что на усилие протаскивания трубопровода в построенную скважину кроме влияния веса протаскиваемого трубопровода, сил трения между трубопроводом и проходимыми грунтами, наибольшее влияние оказывают силы, необходимые для упругого деформирования трубопровода в процессе его протаскивания. Поэтому для процесса протаскивания трубопровода столь значительную роль играют значения радиуса кривизны закладываемого в проектах профиля подводного перехода и балластировка трубопровода в процессе его протаскивания в построенную скважину [4, 5].

Влияние препятствий, сформированных при расширении пилотной скважины на процесс протаскивания трубопровода

Рассмотрим более подробно вопросы низкой эффективности буровых растворов и прохождения грунтов с резко различающимися физико-механическими свойствами. Так, например, применяемые буровые растворы способствуют накоплению крупноразмерных фракций грунта на нижней образующей скважины из-за отсутствия у бурового раствора физической возможности для выноса частиц размером более 2-4 см из ствола скважины и формированием в скважине барьеров в виде дюн. Для них будет характерно действие двух случаев.

• При малой прочности и сниженной плотности (менее 2000 кг/м³) грунта, значительных объемах шлама в скважине будут образоваться грунтовые пробки, в которых трубопровод продавливается с выносом части взвешенного грунта в кольцевое пространство между трубой и стенками скважины.

Изучение влияния роли грунтовых пробок на процесс протаскивания трубопровода показывает следующее [6]. Значение предела текучести для среды с незначительным коэффициентом сцепления невелико, и для водонасыщенного грунта можно считать, что силы веса трубы достаточно для продавливания образовавшегося скопления. Данный вывод справедлив только для достаточно медленных процессов, характерных при протаскивании трубопровода.

Рисунок 1. Тяговое усилие при различных размерах слоя обрушившегося грунта [6]

Анализ изменения значений тягового усилия для процесса протаскивания трубопровода через участок обрушившегося грунта приведен на рисунке 1. Длина участка обрушения в расчетах принята равной 5 м. Если обрушения в скважине не произошло (b = 0), то тяговое усилие линейно возрастает с увеличением длины участка трубопровода, находящегося в скважине (зеленая прямая на рисунок 2 [6]). При небольших размерах обрушения (при b =0,4 м, что соответствует заполнению полости скважины на 25%) наблюдается незначительное локальное увеличение тягового усилия для преодоления участка обрушения. В случае, когда высота слоя обрушившегося грунта достигает 50% диаметра скважины (b = 0,8 м), то необходимо приложить тяговое усилие, которое практически в два раза больше тягового усилия при протаскивании трубопровода по скважине без обрушения. Если же принять во внимание, что в области обрушения увеличивается взаимодействие между трубопроводом и грунтом, то увеличения тягового усилия может быть более значительным. Критическое влияние значения объема грунта, обрушившегося в скважину, приобретает лишь при заполнении диаметра скважины не менее чем на 80 см.

• При значительной прочности частиц грунта и их высокой плотности (более 2300 кг/м³) барьер на нижней образующей скважины будет отклонять направление движения трубопровода по стволу скважины.

Рассмотрим детально, каким образом происходит изменение тяговых усилий, вплоть до блокировки процесса протаскивания при прохождении неустойчивых грунтов. В процессе протаскивания трубопровода возникновение осложнений может быть связано с изменением траектории движения, реализуемого трубопроводом в скважине. Одним из случаев отклонения траектории движения трубопровода в построенной скважине является наличие шламовых подушек на основе крупноразмерных частиц выбуренного грунта, образованных в результате недостаточного выноса выбуренной породы или обрушения стенок скважины. На таких участках отмечается значительное увеличение нагрузок при одновременном снижении скорости протаскивания.

Рисунок 2.Запирание трубопровода при наползании на зону с накопленным буровым шламом. Пунктирные линии – недеформируемый участок трубопровода; сплошные линии – деформируемый участок трубопровода

Ситуацию, возникающую при протаскивании трубопровода с учётом возникшего препятствия в построенной скважине можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 2. Запирание в скважине трубопровода происходит в силу действия следующих причин. Трубопровод является достаточно жесткой конструкцией, интервал жесткости которой определяется весом трубопровода, модулем упругости металла и величины прикладываемого тягового усилия. Поэтому при контакте трубопровода в скважине с жестким препятствием он, отклоняясь от препятствия, в силу действия законов механики, преодолевает его и продолжает свое движение уже по измененной траектории. В результате чего протаскиваемый трубопровод входит в контакт со стенками скважины. Подобная последовательность событий при протаскивании трубопровода способна как значительно увеличить величину тягового усилия, необходимого для протаскивания, так и блокировать движение трубопровода. Реализуемый результат будет определяться размером препятствия в скважине, его прочностью. Критические значения высоты слоя грунта (шлама), создавшего не разрушаемое препятствие, через которое невозможно прохождение трубопровода, приведены в таблице 3 [6]. Критическая длина недеформируемого участка трубопровода меняется в зависимости от диаметра протаскиваемого трубопровода, в диапазоне значений 10-18 м.

Таким образом, действие законов механики, жесткость трубопровода, а также, следовательно, величина критической длины недеформируемого участка трубопровода (L) говорит в этом случае об изменении направления движения трубопровода и неизбежном его взаимодействии со сводом (или стенкой) скважины. В результате действия рассмотренных факторов в дальнейшем произойдет блокировка движения трубопровода в монолитных грунтах или обвалом стенок скважины с последующей блокировкой движения трубопровода в несцементированных грунтах.

Таблица 3. Критическая высота обрушившегося грунта [6]

Из проведенного анализа следует, что главной причиной для возрастания тяговых усилий в процессе протаскивания трубопровода являются процессы, происходящие при расширении пилотного ствола скважины и изменения, внесенные ими в профиль перехода, геометрические параметры проходного сечения скважины. Поэтому необходимо найти инструментальные методы и методики, позволяющие оценить состояние ствола скважины перед осуществлением процесса протаскивания трубопровода.

Заключение

На основании оценки влияния различных факторов на процесс протаскивания трубопровода, а также нарушения геометрии скважины из-за различных препятствий в скважине в виде накопленного объема грунта, состоящего из частиц, не обладающих между собой сцеплением, можно сформулировать следующие утверждения:

• Увеличение тяговых усилий в процессе протаскивания трубопровода возникает на участках скважины, представленных неустойчивым грунтом, а также накоплением шлама выбуренного грунта, что обусловлено упруго-деформативными характеристиками трубопровода и увеличением степени механического взаимодействия протаскиваемого трубопровода с грунтом.
• Критическое влияние на процессы протаскивания трубопровода приобретает значение объема грунта, обрушившегося в скважину лишь при заполнении скважины не менее чем на 80 см. Значимое влияние на процесс протаскивания трубопровода оказывает высота неразрушаемого слоя грунта в обрушившейся скважине. Его критическая высота в среднем составляет около 100 мм.
• При сооружении подводного перехода методом наклонно-направленного бурения значительную часть шлама из скважины удалить невозможно. Поэтому необходимо его перераспределить по стволу скважины и не давать ему скапливаться в отдельных интервалах.
• Для преодоления трубопроводом препятствий в скважине в виде дюн, наносов несцементированного грунта необходимо усилить контроль над состоянием ствола скважины в процессе сооружения подводного перехода.

Источники:

• Строительство переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия / З.З. Шарафутдинов [и др.]. Новосибирск: Наука, 2013. 339 с.
• Шарафутдинов З.З. Строительство подводных переходов магистральных нефтепроводов методом наклонно-направленного бурения. – М: ООО «Издательский дом Недра», 2019. – 357 с.:
• Сапсай А.Н. Работоспособность бурильной колонны при строительстве подводных переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения / А.Н. Сапсай, З.З. Шарафутдинов, С.Ф. Урманчеев // Нефтяное хозяйство, 2018, №5, С. 88-92;
• Сапсай А.Н. Определение оптимального радиуса кривизны скважин для сооружения подводного перехода / А.Н. Сапсай, З.З. Шарафутдинов, С.Ф. Урманчеев // Нефтяное хозяйство, 2019, №2, С. 90-93;
• Шарафутдинов З.З. Инженерно-технические проблемы протаскивания трубопровода в скважину подводного перехода / З.З. Шарафутдинов, А.Н. Сапсай, Д.А. Шаталов, Р.А. Капаев, Д.Р. Вафин //Нефтяное хозяйство, 2018, №10, С. 114-119;
• Геомеханическое моделирование условий строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов / Вафин Д.Р. Комаров А.И., Шаталов Д.А., Шарафутдинов З.З. // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2016. № 4 (24). С. 54-64.

Источник Бестраншейные технологии. – 2019. - № 2 (2)