СПОСОБ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА ПОД ВОДНЫМ ПРЕПЯТСТВИЕМ
METHOD FOR LAYING OF PIPELINE UNDER WATER OBSTACLE

Изобретение относится к строительству, а именно к технологиям бестраншейной прокладки трубопроводов, и может быть использовано в нефтегазовой промышленности при прокладке или ремонте магистральных трубопроводов диаметром от 630 мм и более под водным препятствием.
Широко известен способ горизонтального направленного бурения, 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.ingestrov.ru/view/document/gnb-technology, http://www.podzem.ru/drilling/).
Способ включает: бурение пилотной скважины, которое осуществляется при помощи породоразрушающего инструмента - буровой головки со скосом в передней части и встроенным излучателем. Строительство пилотной скважины завершается выходом буровой головки в заданной 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 риммером 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 способа является то, что укладка стального трубопровода под препятствием и бурение осуществляется по радиусу естественного изгиба этого трубопровода, длина перехода при этом составляет не менее 700 метров. Кроме того, этим способом затруднена прокладка трубопровода в сложных грунтах - скалах, вечной мерзлоте, валунно-галечниковых грунтах высокой степени обводненности.
Известен способ микротоннелирования, широко описанный в сети Интернет fhttp://www.bamts.ru/technic/tehnology/microtunnel.php. http://krep.mccinet.ru/s33.htm, http://www.ingestrov.ru/view/document/mikrotunnelirovanie, http://www.sibdom.ru/article.php?id:=122). Способ микротоннелирования заключается в следующем. Вначале ведется подготовка стартовой и приемной шахт, минимальные размеры которых зависят от размера микрощита проходческого комплекса, а глубина определяется глубиной прокладки трубопровода. В стартовую шахту опускается домкратная установка, на которую монтируется микрощит и платформа с гидроцилиндрами для задавливания микрощита. Осуществляют проходку скважины на длину микрощита, затем к нему крепится отдельная секция трубы, которая залавливается в образованную скважину домкратной станцией. Далее производится наращивание трубопровода следующей секцией трубы. Направление проходки контролируется лазером. Когда микрощит выходит в приемную шахту, производится демонтаж установки.
Недостатками способа является необходимость подготовки стартовой и приемной шахт, что крайне затруднительно в условиях бурения в грунтах высокой степени обводненности, а также предусматривает прокладку трубопровода только по прямой или кривой в пределах естественного изгиба трубы.
Наиболее близким аналогом заявляемого способа является технология прокладки трубопровода «Direct Pipe», разработанная фирмой Herrenknecht AG (официальный журнал Российского общества бестраншейных технологий «РОБТ» №2, март 2008 г., с.40-42; http://www.herrenknecht.com/process-technology/research-development/direct-pipe.html), который объединяет преимущества способов горизонтального направленного бурения и микротоннелирования. Способ осуществляется следующим образом. Непосредственно на грунт устанавливается микротоннелепроходческий комплекс Herrenknecht, при этом не требуется подготовки специальных шахт. Трубопровод представляет собой плеть из отдельно сваренных секций труб, которые в последствии поэтапно сваривают в единую нить. Первую секцию трубы соединяют с буровой головкой микротоннелепроходческого комплекса. Через трубный стан к буровой головке прикладывается усилие подачи, необходимое для проходки, осуществляют проходку скважины на длину хода гидроцилиндров буровой головки, затем проталкивают трубопровод гидроцилиндрами микротоннелепроходческого комплекса на длину хода гидроцилиндров буровой головки. Из стартового приямка осуществляют проходку скважины и проталкивание трубопровода каждый раз на длину хода гидроцилиндров буровой головки до выхода буровой головки в проектную точку. При этом трубу прокладывают по прямой или по радиусу естественного изгиба трубы. Описанный способ выбран заявителем в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что укладка стального трубопровода под дном реки и, соответственно, бурение осуществляется либо горизонтально, либо по радиусу естественного изгиба этого трубопровода, который составляет 1200 его диаметров, то есть протяженность участка замены или прокладки трубы должен составлять не менее 700 метров, однако в большинстве случаев рельеф местности этого не позволяет. Очевидным недостатком является еще и то, что максимальная мощность домкратной установки (микротоннелепроходческого комплекса) не позволяет протянуть трубопровод длинной более 800 метров.
Технической задачей является создание более экономичного и универсального способа прокладки трубопроводов.
Техническим результатом является снижение затрат за счет снижения длины перехода и времени его осуществления, 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 в условиях сложного грунта - скалах, вечной мерзлоте, в грунтах различной степени обводненности.
Для достижения поставленной задачи в способе прокладки трубопровода под водным препятствием, включающем соединение буровой головки микротоннелепроходческого комплекса с первой секцией трубопровода, проходку скважины буровой головкой на длину хода гидроцилиндров буровой головки, проталкивание трубопровода гидроцилиндрами микротоннелепроходческого комплекса на длину хода гидроцилиндров буровой головки, дальнейшее последовательное наращивание трубопровода секциями, проходку скважины и проталкивание трубопровода каждый раз на длину хода гидроцилиндров буровой головки до выхода буровой головки в проектную точку, согласно изобретению прокладывают трубопровод, ось которого представляет собой параболу, составленный из изогнутых по оси на угол до 6 градусов секций, при этом бурение скважины осуществляется по радиусу изгиба трубопровода при помощи буровой головки, составленной из двух частей, каждая из которых имеет возможность поворота по оси на угол до 3 градусов. В процессе прокладки трубопровод балластируют водой.
Прокладка трубопровода, ось которого представляет собой параболу, составленного из изогнутых по оси на угол до 6 градусов секций, и бурение скважины по радиусу изгиба трубопровода позволяет значительно сократить длину перехода и, соответственно, снизить финансовые и трудовые затраты на проходку, а также расширяет область применения данного способа, в частности позволяет применять его в условиях сложного рельефа, например при пересечении малых рек, а также позволяет использовать данный способ в условиях сложного грунта.
Использование буровой головки, составленной из двух частей, каждая из которых имеет возможность поворота по оси на угол до 3 градусов, позволяет производить бурение по радиусу изгиба прокладываемого трубопровода.
Протягивание трубопровода с его балластировкой водой позволяет создать нулевую плавучесть трубопровода и обеспечить его стабилизацию в нижнем крайнем положении скважины при прокладке трубопровода в условиях сильно обводненных грунтов.
Кроме того, прокладка трубопровода, составленного из изогнутых по оси на угол до 6 градусов секций, и балластировка трубопровода водой позволяет во время прокладки трубопровода увеличить силу трения изогнутой трубы о скважину в момент работы гидроцилиндров, что значительно снижает нагрузку на домкратную станцию микротоннелепроходческого комплекса.
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 чертежами, где на фиг.1 представлена схема прокладки трубопровода; на фиг.2 - схема изгиба сегмента трубы.
Заявляемый способ прокладки трубопровода под водным препятствием осуществляется следующим образом.
На поверхность строительной площадки устанавливают оборудование - микротоннелепроходческий комплекс, включающий основной гидроцилиндр продавливания мощностью до 500 тн, обжимающий трубу механизм с поверхностью, сохраняющей изоляцию, узел подготовки и подачи бентонита, гидравлическую станцию и блок управления. Прокладываемый трубопровод 1, имеющий изгиб по оси до 6 градусов, сваривают на месте путем последовательной пристыковки секций в процессе протягивания трубопровода, при наращивании трубопровода производят исследование стыка, обезжиривание и гидроизоляцию. Для проходки скважины используют микротоннельную буровую головку 2, имеющую возможность изменять направление движения до 6 градусов по оси, составленную из двух частей, каждая из которых имеет возможность поворота по оси на угол до 3 градусов. Буровая головка снабжена режущим инструментом вращательного действия 3, а также гидроцилиндрами 4, обеспечивающими усилие подачи буровой головки во время проходки скважины.
Первую секцию трубопровода 1 приваривают к буровой головке 2, которая подается в точку бурения. Далее осуществляют проходку первого участка скважины на длину хода гидроцилиндров буровой головки. В процессе проходки скважины в зону бурения подается бентонит, который затем вместе с грунтом транспортируется на поверхность. После проходки буровой головки участка скважины основным гидроцилиндром микротоннелепроходческого комплекса осуществляют проталкивание секции трубопровода в скважину. Далее приваривают следующую секцию трубопровода, осуществляют проходку скважины буровой головкой на длину хода ее гидроцилиндров и проталкивают секцию в скважину. Описанную последовательность действий осуществляют до выхода буровой головки в проектную точку. Для обеспечения нулевой плавучести трубопровода и его стабилизации в скважине по мере увеличения длины скважины трубопровод балластируют водой.
Длина секций трубопровода составляет около 11,4 м, длина хода гидроцилиндра буровой головки - 1,1 м.
Под воздействием основного гидроцилиндра микротоннелепроходческого комплекса в процессе прокладки изогнутого по оси трубопровода на него оказывают действие силы:
1
F - сила реакции опоры (буровой головки),
2
F - сила реакции трубы,
3
F - результирующая сила, увеличивающая силу трения трубопровода о стенки скважины в момент работы гидроцилиндров буровой головки.
3
Воздействие силы F в момент работы гидроцилиндров буровой головки способствует надежной стабилизации положения трубопровода в скважине.
Для отслеживания и корректировки траектории движения буровой головки используется навигационная система.
Для различных видов грунтов могут быть использованы буровые головки с различной режущей частью.
В настоящее время разрабатывается проект прокладки газопровода «Грязовец-Ленинград 1» км 455.0-480.0 через р.Валя (ширина 34 м) и р.Сясь (ширина 42 м) Ленинградской области Тихвинского района. Реки имеют сложный рельеф - крутые берега. При расчете длины перехода получены следующие данные:
- при прокладке трубопровода диаметром 1220 мм по естественному радиусу изгиба трубы на глубине 3,5 м от дна реки длина перехода составит не менее 700 м с учетом рельефа местности;
- при прокладке трубопровода диаметром 1220 мм по заявляемому способу длина перехода составит не более 120 м.
Радиус изгиба одного сегмента трубы рассчитывается по следующей формуле:
R=L·360°/2πα,
где
R - радиус изгиба,
L - длина сегмента трубы,
π - постоянная величина,
α - угол отвода.
Очевидно, что прокладка трубопровода заявляемым способом даст высокий экономический эффект за счет значительного сокращения длины перехода, а также позволит в соответствии с проведенными исследованиями выполнить переход в условиях сложного рельефа местности.
Таким образом, заявляемый способ позволяет минимизировать длину перехода, а следовательно, сократить сроки и затраты на строительство. Способ позволяет за один проход буровой головки уложить трубу требуемого диаметра. По стоимости работ способ сопоставим с открытым способом укладки трубопроводов. Наиболее экономически целесообразно применять данный метод при строительстве переходов под малыми и средними реками, оврагами, железными дорогами.