способ прокладки трубопровода под водным препятствием

Формула изобретения

1. Способ прокладки трубопровода под водным препятствием, включающий бурение пилотной скважины, расширение скважины и протягивание плети трубопровода, отличающийся тем, что протягивают плеть трубопровода, составленную из изогнутых по оси труб, при этом бурение пилотной скважины осуществляют по радиусу изгиба плети трубопровода, плеть трубопровода протягивают в два этапа, причем сначала протягивают первую часть плети до достижения ею крайнего нижнего положения в скважине, балластируют первую часть плети заполнением ее водой, приваривают вторую часть плети и продолжают протягивание.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутри протягиваемой плети трубопровода размещают трубку для подачи воздуха в передний конец плети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано, в частности, в нефтегазовой промышленности при прокладке или ремонте магистральных трубопроводов под водным препятствием.

Известен способ подземной прокладки трубопроводов, включающий заготовку на поверхности земли звеньев (плетей) из нескольких труб, опускание их с помощью автокранов или лебедок на подготовленное основание траншеи, рихтовку, соединение звеньев сваркой, заделку монтажных стыков (раструбов), гидравлическое или пневматическое испытание трубопроводов (Большая советская энциклопедия: «Советская энциклопедия», 1969-1978 гг.).

Известна технология бескопочно-бесподъемной прокладки трубопроводов (Журнал «Промышленно-строительное обозрение», №92, апрель 2006 г., http://www.spbpromstrov.ru/92/33.php). Способ осуществляется следующим образом: грунт по трассе расчленяют системой продольных и поперечных щелей на пригодные к перемещению грунтовые блоки при помощи машины с тросовой пилой. Грунт разрезают на глубину до 4 м в зависимости от заложения трубопровода. Щели нарезаются по длине рабочего участка трассы длиной не менее 60-80 диаметров трубопровода. Внутри трубопровода монтируют балластировочную плеть из тяжелых катучих грузов, шарнирно соединенных между собой, и с тяговой лебедкой, установленной в конце трубной плети. По длине плети устанавливают гибкие технотканевые анкеры, охватывающие трубопровод поверху и выходящие на поверхность через продольные щели трассы. При перемещении балластировочной плети внутри плети трубной, лежащей по оси трассы на поверхности, происходит раздвижка грунтовых блоков в стороны от оси трассы с их подъемом, опускание трубной плети на проектную отметку и «самозакрытие» под собственным весом блоками околотрубных пазух в грунте.

Описанные выше способы неэффективны при прокладке трубопроводов под препятствием, например рекой, так как ведут к нарушению экологического пространства, а также велика вероятность всплытия и появления коррозии металла.

Существуют также бестраншейные технологии прокладки трубопроводов, например известна технология продавливания грунта (http://tractotechnik.com.ua/grundomat.htm). При помощи пневматического уплотняющего молота под землей создается пустое (полое) пространство, в которое затягиваются сразу или позднее преимущественно безмуфтовые короткие и длинные трубы диаметром до 260 мм, а также металлические трубы (например, стальные) и кабели на длину до 50 м и более в зависимости от типа грунта. Эта технология позволяет пересекать подземные коммуникации, подводить коммуникации к домам, устанавливать анкерные крепления, обходить препятствия.

Наиболее близким аналогом является способ горизонтального направленного бурения широко описанный в сети Интернет (http://www.polimer-resurs.ru/razdel_gnb/info_gnb.htm, http://www.gnbrt.ru/index-m-56-p-63.htm, http://vis-mos.ru/index.php?section=11, http://www.ingestroy.ru/view/document/gnb-technology, http://www.podzem.ru/drilling/). Заявителем в качестве прототипа выбран способ горизонтального направленного бурения, описанный на сайте http://www.ingestroy.ru/view/document/gnb-technology.

Способ включает следующие этапы: бурение пилотной скважины, которое осуществляется при помощи породоразрушающего инструмента - буровой головки со скосом в передней части и встроенным излучателем. Буровая головка с гибкой приводной штангой, что позволяет управлять процессом строительства пилотной скважины и обходить выявленные на этапе подготовки к бурению подземные препятствия в любом направлении в пределах естественного изгиба протягиваемой рабочей нити (плети трубопровода). Строительство пилотной скважины завершается выходом буровой головки в заданном проектом точке. После завершения пилотного бурения осуществляется расширение скважины. При этом буровая головка отсоединяется от буровых штанг и вместо нее присоединяется риммер - расширитель обратного действия. Приложением тягового усилия с одновременным вращением риммер протягивается через створ скважины в направлении буровой установки, расширяя пилотную скважину до необходимого для протаскивания трубопровода диаметра. Далее осуществляется протягивание трубопровода. На противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая к протягиванию плеть трубопровода. К переднему концу плети крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие вертлюгом и риммеру, и в то же время не передает вращательное движение на трубопровод. Таким образом, буровая установка затягивает в скважину плеть протягиваемого трубопровода по проектной траектории.

Недостатком прототипа является то, что укладка стального трубопровода под дном реки и, соответственно, бурение осуществляется по радиусу естественного изгиба этого трубопровода, который составляет 1200 его диаметров, то есть протяженность участка замены или прокладки трубы должна составлять не менее 600-700 м, а при прокладке магистральных трубопроводов диаметром 1020-1200 мм участок замены будет составлять более 1,2 километра, однако в большинстве случаев рельеф местности этого не позволяет. Кроме того, для протягивания труб больших диаметров (1020-1200 мм) необходимо достаточно мощное и дорогостоящее оборудование с усилием около 400 тн. Все это ведет к значительному увеличению трудовых и финансовых затрат.

Технической задачей является создание более экономичного и универсального способа прокладки трубопроводов.

Техническим результатом является снижение затрат за счет использования для прокладки трубопроводов менее мощного и более дешевого оборудования, расширение области применения данного способа, а именно возможность его применения при прокладке трубопровода под водным объектом в условиях сложного рельефа местности, в частности при пересечении малых рек, а также при замене и ремонте труб большого диаметра.

Для достижения поставленной задачи в способе прокладки трубопровода под водным препятствием, включающем бурение пилотной скважины, расширение скважины и протягивание плети трубопровода, согласно изобретению, протягивают плеть трубопровода, составленную из изогнутых по оси труб, при этом бурение пилотной скважины осуществляют по радиусу изгиба плети трубопровода, плеть трубопровода протягивают в два этапа, причем сначала протягивают первую часть плети до достижения ею крайнего нижнего положения в скважине, балластируют первую часть плети заполнением ее водой, приваривают вторую часть плети и продолжают протягивание.

Также для достижения поставленной задачи внутри протягиваемой плети трубопровода размещают трубку для подачи воздуха в передний конец плети.

Протягивание плети трубопровода, составленной из изогнутых по оси труб, позволяет за счет собственной массы изогнутой части плети, поднятой над землей во время протягивания, создать дополнительное тяговое усилие, что дает возможность снизить тяговое усилие применяемого оборудования, а значит, использовать менее мощное и более дешевое оборудование.

Бурение скважины по радиусу изгиба протягиваемой плети трубопровода позволяет сократить протяженность участка от начальной до конечной точки расположения подземной части трубопровода, в результате чего значительно снизить финансовые и трудовые затраты на бурение, а также расширяет область применения данного способа, в частности позволяет применять его в условиях сложного рельефа, например при пересечении малых рек.

Протягивание первой части плети трубопровода с ее балластировкой путем заполнения водой позволяет на первом этапе протягивания создать нулевую плавучесть трубопровода, а на втором этапе обеспечивает стабилизацию плети трубопровода в нижнем крайнем положении скважины.

Размещение внутри протягиваемой плети трубопровода трубки для подачи воздуха позволяет создать на втором этапе протягивания воздушную полость в передней части плети и обеспечить отток воды в плети в крайнюю нижнюю точку плети трубопровода для обеспечения ее стабилизации в нижнем положении скважины.

Патентные исследования не выявили способов, характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанный способ соответствует критерию "новизна".

Использование совокупности отличительных признаков также не известно, что говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Кроме того, предлагаемый способ может быть использован в промышленных масштабах и найдет применение, в частности, при прокладке или замене трубопроводов больших диаметров в нефтегазовой промышленности, т.е. характеризуется критерием "промышленная применимость".

Сущность заявляемого технического решения поясняется схемами, где на фиг.1 изображен этап протягивания первой части плети трубопровода, на фиг.2 - протягивание второй части плети трубопровода (трубка для подачи воздуха не показана).

Заявляемый способ прокладки подземных коммуникаций под препятствием осуществляется следующим образом.

В соответствии с данным способом сваривают две отдельные части плети, каждая из которых состоит из нескольких изогнутых по оси труб. Бурение пилотной скважины осуществляют при помощи буровой головки со скосом в передней части, в процессе бурения скважина заполняется пульпой. При формировании пилотной скважины используется система локации, с помощью которой определяется положение буровой головки с точностью до 5 см. Бурение скважины 1 осуществляют по радиусу изгиба протягиваемой плети трубопровода (фиг.1). Расширение скважины проводят поэтапно, начиная с диаметра 200 мм и заканчивая диаметром, на 25-30% превышающим диаметр трубопровода.

В плеть трубопровода помещают тонкостенную трубку 2 из ПНД и закрепляют ее у переднего края трубопровода 3, который заглушают.

Далее осуществляют процесс протягивания плети трубопровода в скважину. Для этого один конец трубы закрепляют за буровым инструментом 4, а другой, в связи с изогнутостью трубы, поднимают на высоту до 20 метров, после чего начинают затягивание трубы с усилием F_тяг. За счет массы поднятой над землей части плети трубопровода 3 и, соответственно, возникающей силы F_mg создается суммарное усилие F ₁, способствующее втягиванию плети трубопровода в скважину (фиг.1).

После протягивания первой части плети трубопровода осуществляют ее балластировку путем закачивания в ее полость воды 5, обеспечивая вертикальную стабилизацию и минимальную плавучесть плети.

После того как будет втянута первая часть плети, к ней приваривают вторую часть плети трубопровода 6 (фиг.2), при этом подачу воды прекращают и продолжают затягивание уже цельной плети в скважину 1. При этом, пройдя нижнюю точку скважины, передний конец плети трубопровода 3, благодаря наличию осевого изгиба труб, начинает подниматься вверх и заполняется воздухом, поступающим по размещенной внутри трубопровода трубке 2. Поступление воздуха способствует оттоку воды по трубопроводу в крайнее нижнее положение. В результате поступления воздуха в переднем конце плети трубопровода 1 образуется воздушная полость 7. При этом аналогично первому этапу протягивания на втором этапе также присутствует дополнительное усилие, воздействующее на протягиваемый трубопровод, возникающее за счет большой массы поднятой над землей части плети трубопровода.

Заявляемый способ был испытан и впервые использован при замене подводных переходов магистрального газопровода ОАО «Тюменьтрансгаз». Диаметр магистральных труб 1000-1200 мм, поэтому при применении известного метода горизонтального направленного бурения, при котором ведется укладка трубопровода под дном реки по естественному радиусу загиба трубы - 1200 диаметров, протяженность участка замены составила бы 1200-1440 метров. Однако, в силу сложности рельефа, протяженность этого участка должна быть в пределах 500-700 метров. Поэтому был применен заявляемый способ, позволяющий выполнить эти требования.

В частности, был осуществлен ремонт подводного перехода трубопровода диаметром 1020 мм через реку Малая Сосьва газопровода «Игрим-Серов». Первоначально были проведены геологические исследования и произведена разбивка трассы. В это же время велась подготовка труб к сварке, которая проходила в два этапа. Сначала была сварена плеть из пяти труб длиной 11,5 метров каждая с углом изгиба 3°. Вторая плеть была сварена из четырех труб. На основании данных, полученных после сварки труб, была рассчитана фактическая кривая скважины для бурения.

Все работы по бурению и протягиванию трубопровода осуществлялись модернизированной установкой ГНБ «Contractors 5015» с тяговым усилием 37 тонн. При формировании пилотной скважины была использована система локации «ECLIPS».

Процесс пилотного бурения занял в общей сложности 10 часов. Расширение скважины проводилось поэтапно, начиная с диаметра 200 мм и заканчивая диаметром 1500 мм, после расширений диаметром 500 и 1500 мм производился контроль скважины с использованием излучателя «ECLIPS». Всего скважина была расширена и откалибрована 15 раз.

В первую плеть трубы из пяти сваренных труб была помещена трубка 2 из ПНД диаметром 315 мм с тонкой стенкой, которая была закреплена в передней части плети, а передний торец трубопровода был заглушен.

Передний конец первой части плети трубопровода 3 был закреплен за буровым инструментом, а другой - поднят на высоту до 20 метров (фиг.1). Первая часть плети была затянута в скважину в течение трех часов. После окончания втягивания первой части плети трубу заполнили водой.

Далее была проведена сварка двух частей труб, после чего было осуществлено окончательное втягивание плети трубопровода в скважину, при этом в трубку 2 подавался воздух, который на втором этапе протягивания после прохождения трубопроводом крайней нижней точки скважины способствовал образованию в передней части трубопровода воздушной полости 6 и оттоку воды в крайнее нижнее положение плети трубопровода.

Предварительно была рассчитана тяговая сила оборудования F_Т для трубопровода диаметром 1020 мм по формуле Ньютона для определения силы сопротивления среды, которую нужно преодолеть движущемуся в ней телу

где С - коэффициент лобового сопротивления;

- плотность среды;

v - относительная скорость тела и жидкости;

S - площадь поперечного сечения тела в направлении, перпендикулярном направлению движения (миделевое сечение).

Установлено, что коэффициент лобового сопротивления С зависит от значения величины числа Рейнольдса

Re= ·1·V/ , где 1 является характеристикой линейных размеров тела, т.е. С=f(Re).

Обе величины С и Re являются безразмерными. Для трубы круглого сечения число Рейнольдса равно

Re= Dv/ ,

где D - диаметр трубы.

То значение числа Рейнольдса, которое получается при скорости движения трубы в скважине, равной критической, т.е. при такой наименьшей скорости (<1 м/с), когда ламинарное течение переходит в турбулентное, равно Re= Dv_кр/ .

Для трубы круглого сечения - Re _кр.=2300.

Если - плотность пульпы (вода, бентонит, полимер, грунт) принять ориентировочно в 2 раза больше плотности воды, то _п=2000 кг/м³

S - площадь сечения

S=3.14·(0,501 м) ²=0,82 м²

где V=L/t=57,5 м/3 ч 0,006 м/с,

L - длина трубы,

t - время затягивания трубы.

Как показывают исследования, формула Ньютона применима только в некотором интервале значения скоростей. В том случае, если скорость движения тела относительно мала (<1 м/с), основную роль играют силы вязкости и лобовое сопротивление оказывается пропорциональным не квадрату, а первой степени скорости движения, поэтому

Рассчитанное тяговое усилие при применении заявляемого способа значительно меньше тягового усилия способа горизонтального направленного бурения, что позволяет использовать более дешевое оборудование.

Всего на выполнение всех работ было затрачено 2 недели.

Настоящая технология является перспективной при осуществлении капитального ремонта подводных переходов участков магистральных трубопроводов, особенно под малыми реками со сложным окружающим рельефом.