Шарафутдинов, З. З. Выработка подходов к выбору буровых установок для сооружения подводных переходов методом ГНБ (ННБ)
Выработка подходов к выбору буровых установок для сооружения подводных переходов методом наклонно-направленного бурения
Шарафутдинов З.З. д.т.н., ООО «НИИ Транснефть»; Исламов И. Р., ООО «НИИ Транснефть», Груздев В. А., ООО «НИИ Транснефть»
Аннотация
Для выбора мощности буровых установок, обеспечивающих успешное протаскивание трубопровода, изучены результаты протаскивания трубопроводов на переходах, сооруженных методом наклонно-направленного бурения (далее ННБ), рассмотрена их взаимосвязь с инженерно-геологическими условиями строительства.
В результате определены требования к мощности буровых установок, применяемых при строительстве переходов, к величине коэффициента запаса для тяговых усилий, обеспечивающих успешное протаскивания трубопровода в скважину подводного перехода, а также к величине нормативного допуска к диаметру построенной скважины по отношению к протаскиваемому трубопроводу.
Изучение процессов протаскивания магистральных трубопроводов при сооружении подводных переходов показывает, что увеличение тяговых усилий при протаскивании трубопровода в построенную скважину связано с влиянием дополнительного сопротивления со стороны участков скважины, которые характеризуются наличием: уступов (ступенек) в интервалах сопряжения разных инженерно-геологических групп грунтов, различающихся по прочности; интервалов обрушения несцементированных грунтов; участков, на которых происходит накопление крупноразмерных включений.
Появление различных препятствий в построенной скважине приводит к тому, что создаваемое усилие протягивания трубопровода в значительной мере затрачивается на его деформацию в процессе движения. Снижение затрат усилий на деформацию протаскиваемого трубопровода приводит к значительному снижению усилий, реализованных при протаскивании трубопровода в построенную скважину.
Введение
Результатом сооружения подводного перехода методом ННБ является трубопровод, проложенный в скважине. Обзор результатов процесса протаскивания трубопровода в подводных переходах, сооруженных методом ННБ, показывает, что усложнённость процесса протаскивания трубопровода в виде: резкого возрастания тяговых усилий, созданных аварийных инцидентов преимущественно привязана к следующим случаям [1-4]:
- Прохождения криволинейных участков скважины в грунтах, склонных к обрушению и присутствия в скважине крупнообломочных фракций грунтов;
- Отклонением ствола расширенной скважины от проектного положения, смещением оси трубопровода относительно оси скважины в процессе ее движения в скважине;
Зафиксированные проблемы обусловлены изменением траектории движения трубопровода в построенной скважине. Изменение направления движения трубопровода в скважине в свою очередь является результатом взаимодействия трубопровода с препятствиями в скважине вследствие наличия технологических проблем в процессе ее сооружения. Все это увеличивает значения тягового усилия, необходимого для протаскивания трубопровода.
Практическая деятельность по реализации метода ННБ требует нормирования методов выбора мощности применяемых буровых установок для успешного протаскивания трубопровода в построенную скважину применительно к тем или иным инженерно-геологическим условиям. Поэтому необходимо определить взаимосвязь между величинами тяговых усилий, реализуемых в процессе сооружения подводных переходов, с инженерно-геологическими условиями их строительства, а также с конструктивными параметрами протаскиваемого трубопровода.
Особенности изменение тяговых усилий в процессе протаскивания трубопровода в построенных скважинах
На первом этапе изучения процессов протаскивания трубопровода в построенную скважину подводного перехода было решено рассмотреть значимость отдельных факторов на процесс протаскивания. Для примера рассмотрим результаты сооружения подводных переходов через реки Суворошь (Дн=1020 мм) и Иоссер (Дн=820 мм). На рисунке 1.1 и 1.2 приведены тяговые усилия, реализованные в процессе сооружения подводных переходов через реку Суворошь и Иоссер, наложенные одновременно на профиль перехода.
Рисунок 1.1.Нагрузки, реализованные при протаскивании трубопровода при сооружении подводного перехода через реку Суворошь и профиль данного перехода
Рисунок 1.2.Нагрузки, реализованные при протаскивании трубопровода при сооружении подводного перехода через реку Иоссер и профиль данного перехода
Предварительный анализ величин тяговых усилий протаскивания трубопровода, реализованных в процессе строительстве подводных переходов методом ННБ в ПАО «Транснефть», показывает, что строгого обобщения значений тяговых усилий, реализованных при протаскивании трубопровода, осуществить невозможно. Это обусловлено как индивидуальностью процесса строительства каждого перехода, так и уровнем влияния различных факторов на процесс строительства каждого подводного перехода.
Обобщение результатов по тяговым усилиям, реализованных при строительстве подводных переходов
С учетом полученных предварительных выводов рассмотрим конечные результаты по тяговым усилиям, реализованных в строительстве подводных переходов методом ННБ в ПАО «Транснефть» за период с 2000 по 2018 гг. Результаты строительства подводных переходов были рассмотрены нами в зависимости от устойчивости грунтов, представляющих скважину подводного перехода. В ООО «НИИ ТРАНСНЕФТЬ» разработано РД-91.040.00-КТН-132-18, в рамках которого предложено разделять подводные переходы по категории сложности их выполнения методом ННБ. Предлагается рассматривать 5 групп подводных переходов, различающихся по инженерно-геологическим условиям строительства. Данные категории получены на основании изучения величин цикловой скорости строительства подводных переходов методом наклонно-направленного бурения [4]. Все построенные подводные переходы были распределены на 2 группы: переходы, построенные в устойчивых грунтах (соответствуют 1-2 категориям сложности строительство по классификации РД-91.040.00-КТН-132-18) и переходы, построенные в неустойчивых грунтах (соответствуют 3-5 категориям сложности строительство по классификации РД-91.040.00-КТН-132-18).
Для дальнейшего анализа результатов строительства подводных переходов по величине реализованных тяговых усилий отбросим из рассмотрения переходы с наиболее высокими величинами реализованных тяговых усилий при протаскивании трубопроводов. Нехарактерно высокие тяговые усилия объясняются наличием технологических осложнений по стволу скважины, а нехарактерно низкие – строительством скважин в устойчивых грунтах с большими радиусами криволинейных участков, оказывающими минимальное сопротивление при протаскивании.
При оценке значений тяговых усилий, наблюдается значительный разброс их значений вследствие сложности сопоставления геологических условий, в которых они строились, а также проблем, которые возникают при сооружении скважин с различным диаметром и длиной. Поэтому было решено применить для оценки усилий протаскивания трубопровода усредненные геометрические характеристики протаскиваемого трубопровода в виде конструктивного параметра L*D, м2, протаскиваемого трубопровода, где L – длина перехода, м, D – диаметр трубопровода, м.
Для повышения плотности значений тяговых усилий построим графики максимальных (пиковых) тяговых усилий протаскивания в зависимости от конструктивного параметра L*D без учёта нехарактерно высоких и нехарактерно низких значений тяговых усилий. Усредненные графические зависимости максимальных тяговых усилий протаскивания, полученных в процессе сооружения подводного перехода в зависимости от конструктивного параметра L*D протаскиваемого трубопровода приведены на рисунке 1.3.
При сопоставлении значений тяговых усилий при сооружении переходов в устойчивых и неустойчивых грунтах, возникает закономерный вопрос: чем обусловлены столь значительные отличия между значениями тяговых усилий при протаскивании трубопроводов в устойчивых (переходы 1-2 категории сложности) и неустойчивых (переходы 3-5 категории сложности) грунтах?
Как мы знаем из общих положений по механике процесса протаскивания трубопровода в построенную скважину, на усилие протаскивания трубопровода в построенную скважину оказывают влияние вес протаскиваемого трубопровода, силы трения между трубопроводом и проходимыми грунтами, а также силы, необходимые для упругого деформирования трубопровода в процессе его движения при преодолении криволинейных интервалов по стволу скважины и сформированных в скважине препятствий. Из этого можно сделать единственный вывод. Снижение затрат усилий на деформацию протаскиваемого трубопровода приводит к почти двукратному снижению усилий, реализованных при протаскивании трубопровода в построенную скважину. Поэтому для протаскивания трубопровода столь значима роль геометрических параметров построенной скважины и, как следствие, правильно выбранная технология их сооружения, обеспечивающая требуемые геометрические параметры скважины [4].
Рисунок 1.3 Усреднённые зависимости тяговых усилий протаскивания от конструктивного параметра L*D протаскиваемого трубопровода в устойчивых и неустойчивых грунтах
Исходя из полученных зависимостей тяговых усилий протаскивания от конструктивного параметра L*D протаскиваемого трубопровода в устойчивых и неустойчивых грунтах (рисунок 1.3), можно определить значения усреднённых тяговых усилий протаскивания для каждого диаметра трубопровода в зависимости от длины трубопровода и устойчивости слагаемых скважину грунтов.
Выбор мощности буровых установок по величине тягового усилия
Усреднённые тяговые усилия протаскивания для каждого диаметра трубопровода в зависимости от длины трубопровода и устойчивости слагаемых скважину грунтов, полученных на основе обработки результатов строительства подводных переходов приведены в таблицах 1.1 и 1.2.
Из начального анализа этих данных видно, что полученные значения тяговых усилий буровых установок для сооружения подводных переходов 1-2 категории сложности и 3-5 категории сложности различаются примерно в два раза. Это говорит, что коэффициент запаса по тяговому усилию Кт=2, применяемый для строительства подводных переходов методом ННБ, является правомерным и обосновывается существующими практическими результатами. Данный коэффициент запаса по тяговому усилию будет справедлив для переходов строящихся в грунтах переходов 1-2 категории сложности, а также при аналитических проектных расчетах величины тяговых усилий протаскивания трубопровода, не учитывающих состояние скважины после ее строительства.
Таблица 1.1 Усреднённые тяговые усилия протаскивания для каждого диаметра трубопровода в устойчивых грунтах (соответствуют 1-2 категориям сложности строительству согласно РД-91.040.00-КТН-132-18 )
| № п/п | Dн, мм | Протяжённость трубопровода, м | |||
| от 0 до 300 | от 301 до 600 | от 601 до 1000 | от 1001 до 1500 | ||
| Тяговое усилие, тс | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 530 | 25 | 45 | 75 | 115 | |
| 720, 820 | 35 | 70 | 115 | 175 | |
| 1020 | 45 | 90 | 145 | 215 | |
| 1220 | 55 | 105 | 175 | 255 | |
Таким образом, анализ и сопоставление данных таблиц 1.1, 1.2, рисунка 1.5 дает возможность сделать вывод, что при выработке требований к мощности буровых установок, необходимых для протаскивания трубопровода в неустойчивых грунтах 3-5 категории сложности, применение коэффициента запаса по тяговому усилию, равного Кт=2 будет уже избыточно, т.к. в реализованных значениях тяговых усилий содержится поправка на усложненность строящегося перехода.
Опираясь на результаты таблиц 1.1 и 1.2, рисунка 1.5, можно говорить, что для успешного строительства подводных переходов главной инженерно-технической задачей является задача создания ствола скважины с требуемыми геометрическими параметрами как по кривизне профиля, так и по диаметру.
Таблица 1.2Усреднённые тяговые усилия протаскивания для каждого диаметра трубопровода в неустойчивых грунтах (соответствуют 3-5 категориям сложности строительству согласно РД-91.040.00-КТН-132-18)
| № п/п | Dн, мм | Протяжённость трубопровода, м | |||
| от 0 до 300 | от 301 до 600 | от 601 до 1000 | от 1001 до 1500 | ||
| Тяговое усилие, тс | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 530 | 50 | 100 | 160 | 240 | |
| 720, 820 | 75 | 150 | 250 | 370 | |
| 1020 | 95 | 185 | 310 | 460 | |
| 1220 | 110 | 220 | 370 | 550 | |
При существующих нормативных значениях 20% допуска по диаметру скважины к диаметру трубопровода задача успешного протаскивания трубопровода для переходов 1-2 категории сложности строительства подводных переходов будет успешно решена. В то время как для переходов 3-5 категории сложности 20% нормативного допуска по диаметру построенной скважины для успешного протаскивания трубопровода могут оказаться недостаточным вследствие наличия препятствий для движения трубопровода по стволу скважины.
Для снижения влияния на тяговые усилия протаскивания возможного уменьшения диаметра скважины при обрушении неустойчивых грунтов, целесообразно нормировать величину коэффициента допуска диаметра строящейся скважины по отношению к диаметру протаскиваемого трубопровода в зависимости от категории сложности строительства подводного перехода. В настоящее время, согласно существующей нормативной документации по строительству подводных переходов методом ННБ окончательный диаметр скважины Dc, м, должен приниматься в диапазоне:
(1.1)
где – наибольший внешний диаметр трубопровода (включая защитное покрытие и изоляцию).
В зависимости от категорий технологической сложности строительства подводного перехода, считаем возможным принимать следующие окончательные диаметры скважин, исходя из номенклатуры типоразмеров применяемых расширителей:
1, 2 категории: DC =1,2 DH;
3, 4 категории: DC =1,4 DH;(1.2)
- DC =1,6 DH.
Таким образом, изучение тяговых усилий по протаскиванию трубопроводов, реализованных при строительстве подводных переходов, показало возможность выработки требований к выбору буровых установок для сооружения подводных переходов методом ННБ. Основой для выбора буровых установок могут являться результаты обобщения тяговых усилий при протаскивании трубопровода, представленные в таблице 1.3 с обязательной корректировкой требований по коэффициенту запаса по диаметру строящейся скважины (условие 1.2).
Выводы
- Изучение результатов протаскивания магистральных трубопроводов при сооружении подводных переходов показывает, что возрастание тяговых усилий при протаскивании трубопровода происходит вследствие неудовлетворительного состояния ствола скважины, который приводит к увеличению затрат усилий на дополнительную деформацию трубопровода в процессе его движения по скважине. Снижение затрат усилий на деформацию протаскиваемого трубопровода приводит к почти к двукратному снижению усилий, реализованных при протаскивании трубопровода в построенную скважину;
- Усредненные значения тяговых усилий буровых установок для сооружения подводных переходов 1-2 категории сложности и 3-5 категории сложности различаются примерно в два раза. Поэтому коэффициент запаса Кт=2 по тяговому усилию для строительства подводных переходов методом ННБ является правомерным и обосновывается существующими практическими результатами.
- Для успешного сооружения переходов 3-5 категории сложности и протаскивания в них трубопровода недостаточно применения 20% нормативного допуска к диаметру построенной скважины по отношению к протаскиваемому трубопроводу. При сооружении подобных переходов необходимо изменять технический подход к выбору требуемого диаметра скважины.
- В зависимости от категорий технологической сложности строительства подводного перехода, считаем возможным принимать следующие окончательные диаметры скважин исходя из номенклатуры типоразмеров применяемых расширителей:
- Усредненные тяговые усилия для переходов 3-5 категории сложности строительства могут являться общей основой для выбора буровых установок, осуществляющих сооружение подводных переходов методом ННБ.
1 – 2 категория: DC =1,2 DH;
3, 4 категория: DC =1,4 DH;
5 категория: DC =1,6 DH.;