Шарафутдинов, З. З. Глубина заложения трубопровода при бестраншейном строительстве с применением технологии ГНБ (ННБ)

Глубина заложения трубопровода при реализации метода наклонно-направленного бурения

З. З. Шарафутдинов, д.т.н., ООО «НИИ Транснефть»

Р. А. Капаев, ПАО «Транснефть»

И. Р. Исламов, ООО «НИИ Транснефть»

В работе изложены положения, позволяющие определить оптимальную глубину заложения трубопровода при проектировании профиля подводного перехода магистрального трубопровода методом наклонно-направленного бурения. На основании положений механики гидравлического разрыва грунта показано, что становится возможным аналитическое определение глубины заложения трубопровода. Данное положение выведено из условия предотвращения прорыва бурового раствора на поверхность водной преграды при бурении пилотной скважины. Проведен анализ возможности прорыва бурового раствора на дневную поверхность, опираясь на прочностные свойства грунтов и величины касательных напряжений, возникающих на стенках скважины в процессе ее формирования.

Введение

В практической деятельности при сооружении подводных переходов магистральных трубопроводов широкое применение находят бестраншейные методы строительства, в частности наклонно-направленное бурение. Базовым требование при реализации метода наклонно-направленного бурения является обеспечение глубины заложения трубопровода, требуемой для данного метода. Данные требования в нормативных документах различаются. Необходимость заложения трубопровода на величину не менее 6 м от самой низкой отметки дна и не менее 3 м от ППР или прогнозируемого дноуглубления русла водной преграды определена в нормативных документах [1-4], другие источники [5-6] нормируют этот параметр величиной не менее 2 м от ППР [5-6] или значением не менее 10 наружных диаметров прокладываемого трубопровода [7-8].

Указанные технические подходы к определению глубины заложения трубопровода на сегодняшний день оправданы существующим опытом строительства подводных переходов. Недостатком представленных эмпирических подходов является отсутствие возможности учета физико-механических свойств грунтов, слагающих траекторию бурения скважины подводного перехода [9-16]. При этом необходимо отметить, что попытки оценить необходимую глубину заложения трубопровода аналитическим, т.е. расчетным методом, путем приложения существующего уровня знаний в области механики, в изученных авторами публикациях, отсутствуют.

Гидроразрыв грунта при строительстве скважин

Минимальные значения величины глубины заложения трубопровода в подводном переходе необходимо рассматривать через возможность проявления гидроразрыва грунта и вероятности выхода бурового раствора на дневную поверхность. Образование грифонов, т.е. внезапный прорыв бурового раствора на дневную поверхность, обусловлено гидравлическим разрывом грунта, которое возникает в силу превышения давления в формируемой скважине над прочностью стенок ее слагающих. Вследствие чего происходит раскрытие трещин в грунте, сопровождающееся резким увеличением объема бурового раствора, поглощаемого в процессе сооружения скважины. Проявление грифона, является одним из основных осложнений, которое способно значительно обострить технико-экологические проблемы при сооружении подводных переходов.

Предотвратить или в значительной мере снизить вероятность проявления грифонов можно реализовать путем выбора оптимального профиля подводного перехода, регулирования давления в строящейся скважине, опираясь на свойства слагающих скважину грунтов.

Проявление грифона на дневной поверхности

Обвал грунта, образованный вследствие проявления грифона	Выход бурового раствора на поверхность

В строительстве скважин для прогнозирования давления гидроразрыва широко применяется формула Итона, учитывающая только средние значения бокового и пластового давлений [15].

(1)

где обозначения формул 1-20 представлены в таблице 1.

Из формулы (1) видно, что она не учитывает пористость горных пород, связанную с ним их проницаемость, а также физико-механические характеристики грунта. В процессе гидроразрыва в стенках скважины действуют растягивающие напряжения, приводящие к разрушению связей, действующих между элементами грунта и последующего образования открытой, протяженной трещины – канала по которому прорывается буровой раствор. Наиболее опасным является гидроразрыв грунта на своде скважины и его распространение до дневной поверхности или выход в русло водной преграды (прибрежной зоне).

К настоящему времени выполнен значительный объем теоретических и практических исследований в области строительства скважин, проведения в них гидроразрыва пород для интенсификации добычи пластовых флюидов, но все полученные при этом решения носят частный характер. Для определения физико-механических параметров грунта, допускающих возможность образования протяженной трещины при гидравлическом разрыве грунта, воспользуемся положениями, разработанными А.Н. Поповым [15] на основе изучения напряженно-деформированного состояния стенок наклонно-направленных скважин.

В качестве основного условия предупреждения гидроразрыва принято требование, чтобы в стенках скважины не возникали растягивающие (тангенциальные) напряжения, превышающие его прочностные показатели. Применительно к предупреждению гидроразрыва в процессе бурения условие имеет вид:

(2)

В соответствии с методикой, разработанной Поповым А.Н. [15], расчет напряженного состояния ствола скважины производится в цилиндрической системе координат, где ось z совмещают с осью скважины и нормальное напряжение обозначается как σ_z, радиальное напряжение σ_r – в направлении радиус-вектора; тангенциальное напряжение σ_t – в направлении, перпендикулярном радиальному напряжению. Напряжения в наклонно-направленной и горизонтальной скважине определяются по двум точкам: в боковой части ствола – по точке А и в области свода – по точке В. В наклонно-направленных скважинах распределение напряжений в т. А и в т. В представлено на рисунке 3 и выражено в формулах 3, 4.

• в точке А (боковая часть скважины)
• в точке В (на своде скважины)
• в точке А (боковая часть скважины)
• в точке В (на своде скважины)

σ_z, σ_r, σ_t - нормальные напряжения, радиальное напряжения, тангенциальные напряжения в скелете породы стенки скважины, т. А – боковая часть скважины,

т. В – свод скважины.

Распределение напряжений в наклонно-направленной скважине [2]

С учетом напряженно-деформированного состояния стенок скважины давление гидроразрыва в наклонно-направленной скважине: в точке А и в точке В определяется по формулам 5 и 6 соответственно.

Долю площади опасного сечения, занятую скелетом грунта, определяют по формуле

В глинистых грунтах пористость принимают равной нулю. Это связано с тем, что вода, структурированная в ней, является частью структуры глины и ее продолжением. Другими словами, пористость в глинистых грунтах закрытая, не участвующая в процессах фильтрации жидкостей и газов.

Вертикальное напряжение в скелете грунта σ_3, МПа, определяют по формуле

Горизонтальное напряжение в скелете грунта σ₁, МПа, определяют по формуле

Условие недопущения гидроразрыва грунта определяется из условия:

,

(10)

Давление бурового раствора в скважине Р_c, МПа, определяют по формуле

гдеР_дин – динамическое давление бурового раствора в скважине, МПа.

Р_стат – статическое давление бурового раствора в скважине, МПа;

,

(12)

Эквивалентную плотность бурового раствора с содержанием бурового шлама , кг/м³, определяют по формуле:

,

(13)

Потери давления в бурильных трубах и в затрубном пространстве Рдин определяются по формулам 14.1 и 14.2 соответственно:

,	(14.1)
,	(14.2)

Опираясь на положения, разработанные Поповым, А.Н. и формулы 3-16 определим, что сама возможность гидроразрыва грунта является основным положением для выбора глубины заложения трубопровода в подводном переходе. Поэтому рассмотрим применение данных условий и определим величины минимальной глубины заложения подводного перехода трубопровода.

Глубина заложения подводного перехода трубопровода на основе положений о гидроразрыве грунта

Базовым условием недопущения гидроразрыва грунта является условие (10). Выполняя подстановку формулы (6) в условие (10), получим следующий результат:

(15)

Раскрывая формулу (15), получаем:

(16)

где – геостатическое давление грунта, МПа;

– боковое давление грунта, МПа;

Преобразуем формулу (16), выражая из геостатического и бокового давления грунта глубину заложения трубопровода Н_гр и упрощая выражение, получаем:

(17)

Анализируя выражение (19), определяем, что требуемая глубина заложения трубопровода зависит не только от давления в скважине, но и от прочностных характеристик грунта, возможности передачи горного давления на стенки скважин, а также от пористости грунта. Наличие проницаемых, т.е. пористых грунтов, усиливает возможность гидроразрыва грунта.

На практике величина давления в скважине меняется в диапазоне 0,5-1,5 МПа и крайне редко способна достичь значения более 2,0 МПа. Для проведения последующих расчетов рассмотрим скальные и дисперсные грунты по классификации ГОСТ 25100-2020. Применительно к монолитным, непроницаемым скальным грунтам формула (17) будет представлена в следующем виде:

(18)

Из рассмотрения представленной зависимости (18) следует, что чрезвычайно большую роль для возможности гидроразрыва играют прочностные показатели грунтов.

Рассмотрение величины предела прочности грунта τ_п необходимо вести с учетом напряженного состояния стенок скважины. Базовым подходом для определения величины τ_п является зависимость [12, 14]:

,	(19)
,	(20)

гдеτ_c0 – коэффициент сцепления, соответствующий величине предельного касательного напряжения σ_n, равного 0, МПа;

φ – угол внутреннего трения, град.

σ_n – нормальное напряжение, МПа;

σ_ср – среднее нормальное напряжение, МПа;

τ_max – максимальное касательное напряжение, МПа;

Для определения величины σ_ср необходимо учесть следующее. Отличие касательных напряжений в окрестности скважины от естественных обусловлено неравенствами естественных напряжений и давления бурового раствора в скважине. Заведомо соотношение их величин неизвестно, поэтому расчет выполняется исходя из условий неравенства, для точки В по зависимостям (4), выбирая условия для проведения дальнейших расчетов:

(21)

Опираясь на существующее техническое положение, что в формируемой пилотной скважине суммарное давление Pcне превышает величины 1,5 МПа, кроме случаев обвала грунта и запирания скважинного канала грунтом, а также при сопоставимости значений давлений в скважине и прочности грунта требования к глубине заложения трубопровода будут снижаться. Другим выводом из проведенных оценок будет являться то, что определение величины минимальной глубины заложения трубопровода из возможности осуществления гидроразрыва грунта необходимо рассматривать только для пористых (проницаемых) грунтов прочностью менее 2,5 МПа.

Таблица 1 – Применяемые обозначения в формулах 1-21

№	Обозначение	Параметр	Ед.изм.
1	2	3	4
1	Pгр	давление гидроразрыва грунта (открытие поглощения)	МПа
2	Pгр.А	давление гидроразрыва грунта (боковая часть скважины)	МПа
3	Pгр.В	давление гидроразрыва грунта (свод скважины)	МПа
4	Pг	геостатическое (горное) давление грунта	МПа
5	Pб	боковое давление грунта	МПа
6	Pc	давление бурового раствора в скважине	МПа
7	Pп	пластовое (гидростатическое) давление	МПа
8	Рдин	динамическое давление бурового раствора в скважине	МПа
9	Рстат	статическое давление бурового раствора в скважине	МПа
10	σz	нормальные напряжения	МПа
11	σr	радиальные напряжения	МПа
12	σt	тангенциальные напряжения	МПа
13	σ1	горизонтальное напряжение в скелете грунта	МПа
14	σ3	вертикальное напряжение в скелете грунта	МПа
15	τп	касательное напряжение (предел прочности)	МПа
16	τбр	напряжение сдвига, реализуемое в буровом растворе	МПа
17	ρп	средняя плотность частиц грунта,	кг/м3
18	ρбр	плотность бурового раствора	кг/м3
19	ρэкв	эквивалентная плотность бурового раствора с содержанием бурового шлама	кг/м3
20	µ	коэффициент Пуассона	-
21	с	доля площади опасного сечения, занятая скелетом грунта	доли.ед
22	n	пористость грунта	доли.ед
23		коэффициент бокового распора	-
24	сs	доля бурового шлама в буровом растворе	доли.ед
25	α	угол наклона скважины	град
26	g	ускорение свободного падения	Н/м2
27	hс	глубина относительно точки входа	м
28	l	длина интервала бурения	м
29	Dc	диметр скважины	м
30	d	диаметр бурильной трубы	м
31	φ	угол внутреннего трения грунта	град

Заключение

Грунты, слагающие ствол скважины подводного перехода, отличаются малой прочностью, а глубина залегания ствола скважины не превышает 6-20 м. В подобных горно-геологических условиях возможен гидроразрыв грунта и выход бурового раствора на дневную поверхность (образование грифонов). Поэтому существует необходимость в оптимизации глубины заложения подводного перехода трубопровода применительно к его инженерно-геологическим условиям строительства. Опыт практической деятельности, показывает, что предотвращение гидроразрыва традиционными методами, т.е. управлением величиной расхода бурового раствора, снижения его реологических параметров, является сложной и не всегда реализуемой технической задачей. Поэтому наиболее корректным техническим направлением является оптимизация профиля подводного перехода и глубины его заложения при прохождении участков пересечения русла водных преград и других технически сложных участков.

Положения о геомеханической модели строящегося перехода [1, 10, 15], показывают, что наиболее доступным и технически оправданным методом оптимизации профиля подводного перехода в процессе проектирования и определения глубины заложения трубопровода, является возможность определения величины гидроразрыва грунта в процессе строительства скважины.

Опираясь на результаты построения геомеханической модели по профилю подводного перехода, сопоставления значений давлений, реализуемых при строительстве подводного перехода и прочностных характеристик проходимых грунтов, следует, что чрезвычайно большую роль для возможности гидроразрыва играют прочностные показатели грунтов. При сопоставимости значений давлений в скважине и прочности грунта требования к глубине заложения трубопровода будут снижаться. Так, например, если давление в скважине будет приближаться к величине 1,5 МПа, то для грунтов с пределом прочности на одноосное сжатие более 2,5 МПа вопрос о возможности гидроразрыва грунтов можно не рассматривать. Таким образом, при сооружении подводных переходов, сложенных скальными и полускальными грунтами пониженной прочности по ГОСТ 25100-2020, отсутствует необходимость рассмотрения вопроса выбора глубины заложения трубопровода исходя из условия возможности реализации гидроразрыва грунтов.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1Шарафутдинов З.З. Строительство подводных переходов магистральных нефтепроводов методом наклонно-направленного бурения. – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2019. – 357с.: ил.

2РД-91.200.00-КТН-0226-20 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти

и нефтепродуктов. Переходы магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения. Нормы проектирования»;

3СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85* (с Изменением N 1);

4ANL/EVS/TM/08-1 Overview of the Design, Construction, and Operation of Interstate Liquid Petroleum Pipelines;

5Сальников А. В., Зорин В. П., Агиней Р. В. Методы строительства подводных переходов газонефтепроводов на реках Печорского бассейна [текст]: учеб. пособие / Ухта: УГТУ, 2008. 108 с.

6СП 341.1325800.2017 «Подземные инженерные коммуникации. Прокладка горизонтальным направленным бурением»;

7DVGW GW 304-2008 Rohrvortrieb und verwandte Verfahren;

8DWA-A-125E Pipe Jacking and Related Techniques;

9Shatalov D.A. Defining the limits of application of directional drilling technology during construction of pipeline underwater crossings /D.A.Shatalov, A.N. Sapsay, Z.Z. Sharafutdinov, D.R. Vafin //13 Pipeline Technology Conference, Berlin, 12-14 марта 2018, ESTREL CONVENTION CENTER, S. 1-13;

10Vafin D.R. Geomechanical modelling of construction conditions for trunk pipeline underwater crossings / D.R. Vafin, DA. Shatalov, Z.Z. Sharafutdinov //Pipeline Science and Technology, Vol. 1, № 1, June 2017, PP 65-79;

11Грим Р.Э. Минералогия и практическое использование глин. – М.: Мир, 1967. – 510 с. 

12Грунтоведение /Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. и др. Под ред. В.Т. Трофимова. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024с.

13Земляной А.А. Исследование процесса фильтрации водоизоляционных составов в проницаемые среды [Текст] /А.А. Земляной, С.Л. Голофаст, А.В. Трифонов, А.В. Белов, Е.Н. Козлов // Нефтяное хозяйство. – 2015. - №6. – С.72-75.

14Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968. – 629 с.

15Попов А.Н., Головкина Н.Н. Прочностные расчеты стенок скважины в пористых горных породах: Учебн. пособие. – Уфа: УГНТУ, 2001. – 70 с.

16Шарафутдинов З.З. и др. Строительство переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия /З.З. Шарафутдинов, Спектор Ю.И., Скрепнюк А.Б., Парижер В.И., Сорокин Д.Н. – Новосибирск: Наука, 2013. – 339с.

17. Щелкачев, В.Н. Подземная гидравлика [Текст] / В.Н. Щелкачев, Б.Б. Лапук. М.: Гостоптехиздат, 1949. – 524 с

18Jon Jincai Zhang, Applied Petroleum Geomechanics, 2019. – 534 p.

19Буровые и тампонажные растворы. Теория и практика: Справ. /З.З. Ша-рафутдинов и др. – СПб.: НПО «Профессионал», 2007. – 416 с

20 Пат. 2704658 Российская Федерация, МПК С09К 8/20. Буровой раствор для строительства скважин в неустойчивых глинистых и несцементированных грунтах и способ его получения / Р.А. Капаев, Д.Р. Вафин, Д.А. Шаталов, З.З. Шарафутдинов; заявитель и патентообладатель публичное акционерное общество «Транснефть» (ПАО «Транснефть»), Научно-исследовательский институт трубопроводного транспорта (ООО «НИИ Транснефть») №2017136076; заявл. 11.10.2017; опубл. 30.10.2019 Бюл. №31.

Источник Бестраншейные технологии. – 2022. - № 2 (8)