Способ протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине
PIPELINE PULLING METHOD IN HORIZONTAL WELL

Изобретение относится к строительству переходов магистральных трубопроводов методом горизонтально-направленного бурения (ГНБ), и может применяться в нефтегазовой промышленности при ремонте или прокладке магистральных трубопроводов под водными и другими естественными и искусственными преградами.
Метод ГНБ является одним из основных способов прокладки трубопроводов под крупными судоходными реками, автомобильными и железными дорогами в условиях необходимости значительного заглубления, при этом бурение осуществляется по заданной криволинейной траектории.
Использование метода ГНБ имеет ограничения (Спектор Ю.И., Мустафин Ф.М., Лаврентьев А.Е. Строительство подводных переходов трубопроводов способом горизонтально-направленного бурения. Учебное пособие. Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. - 208 с), обусловленные, прежде всего, тяговыми возможностями буровых установок. Так, из практики известно, что, например, установки с тяговым усилием 300000 кгс способны осуществить протаскивание трубных плетей приблизительно длиной до 1800 м при диаметре 250 мм, до 1200 м при диаметре 1020 мм или до 800 м при диаметре 1420 мм. Также ограничены геометрические параметры скважины, поскольку степень ее кривизны должна позволить протащить трубную плеть без излома и заклинивания. По имеющимся нормам радиус кривизны пилотной скважины не должен быть менее 1200 диаметров трубопровода (при толщине стенки не менее 1/50 диаметра).
Согласно требованиям проектных нормативов на переходах через естественные и искусственные преграды трубопроводам присваивается повышенная категория и применяются трубы с большей толщиной стенки, обладающие значительной жесткостью. В сочетании с максимальным наружным диаметром труб 1420 мм, применяемых на магистральных трубопроводах, данное обстоятельство приводит к тому, что при протягивании трубной плети в скважину она не поддается изгибу в той мере, которая необходима для следования по траектории расширенной скважины. В результате при протягивании трубопровода в скважину происходит ее отклонение от траектории, заданной пилотной скважиной. Это объясняется тем, что на начальном этапе протягивания трубная плеть недостаточно загибается в направлении своей верхней образующей и начинает забуриваться в нижний свод скважины. При этом возрастает тяговое усилие на буровой штанге, и дальнейшее перемещение трубной плети сопровождается работой буровой штанги в натяг, из-за чего происходит забуривание буровой штанги, а вслед за ней и трубной плети, в верхний свод скважины. В результате изоляционное покрытие труб повреждается и на металле труб возникают дефекты в виде вмятин, задиров и царапин.
Как следствие, в настоящее время наблюдаются многочисленные повреждения поверхности труб по верхней образующей при прокладке методом ГНБ трубопроводов DN 1400. Учитывая, что ремонт изоляционного покрытия труб на участке, уложенном методом ГНБ, невозможен, это приводит, в том числе, к дорогостоящей повторной укладке трубопровода.
Известен способ строительства подводных переходов газопроводов (Ведомственные нормы ОАО «Газпром». Строительство подводных переходов газопроводов способом направленного бурения. М: Иформационно-рекламный центр газовой промышленности (ИРЦ Газпром), 1998), включающий следующие этапы: бурение пилотной скважины, предварительное расширение скважины и протягивание трубопровода.
На первом этапе производят направленное бурение пилотной скважины небольшого диаметра по заданной траектории. При бурении используется гидромониторная буровая головка, либо забойный турбинный двигатель и шарошечное буровое долото. Для определения фактической траектории прохождения пилотной скважины в головной части буровой колонны устанавливают датчик (зонд) системы ориентирования. Сопла буровой головки расположены под углом к оси буровой колонны, и для задания требуемого направления буровую колонну поворачивают, меняя направление размыва. По мере продвижения пилотной буровой колонны концентрично поверх нее надвигается промывочная колонна, предотвращающая обрушение скважины над пилотной колонной и облегчающая движение пилотной колонны и бурового раствора.
На втором этапе скважину расширяют до диаметра, который позволит проложить трубопровод. После выхода буровой головки на противоположном берегу к буровой колонне (промывочной, а при ее отсутствии - к пилотной) прикрепляют расширитель и колонну с расширителем, вращая, вытягивают в направлении буровой установки. При этом с трубного берега непрерывно наращивают «хвост» буровой колонны, с тем, чтобы в скважине постоянно находилась колонна на всей ее длине.
На третьем этапе выполняют протягивание трубной плети в расширенную скважину. Трубную плеть, предварительно сваренную и заизолированную, испытывают на берегу, противоположном от буровой установки. К концу буровой колонны крепят расширитель, который через шарнир соединяют с тяговым оголовком плети, и плеть протаскивают в направлении буровой установки.
Недостаток известного способа заключается в том, что при сооружении переходов трубопроводов диаметром 1220 мм и более из толстостенных труб в ряде случаев происходит застревание трубной плети на этапе еепротягивания, а также наблюдаются повреждения защитного антикоррозионного покрытия и металла труб вследствие повышенной жесткости головной части трубной плети и ее отклонения от траектории, заданной пилотной скважиной.
Наиболее близким способом того же назначения по достигаемому результату (прототипом) является способ протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине под водными и другими естественными преградами (патент РФ №2323304, E02F 5/18, опубл. 27/04/2008), в котором поочередно протаскивают в заранее пробуренную и расширенную скважину два защитных футляра буровой установкой и перекрывают ими высокообразивные породы на входе и выходе скважины с помощью манжет-стопоров, предохранительно-направляющих манжет и извлекаемых спецпробок. Известный способ обеспечивает сохранение целостности изоляционного покрытия плети трубопровода при протаскивании по скважине, профиль которой сложен породами с большим содержанием галечника, либо иными твердыми породами в интервалах входа и выхода.
Недостатком указанного способа является то, что сооружаемый трубопровод предохраняют от возможного повреждения абразивными породами только на входе и выходе скважины. В то же время практика строительства показывает, что повреждения изоляции трубопровода и поверхности труб наблюдаются в основном не на входе и выходе перехода, а в той части, где скважина изменяет свою траекторию, то есть в его серединной части, где грунт так же может содержать высокоабразивные породы, как и в поверхностном слое. В известном способе головная часть трубной плети обладает той же жесткостью, что и основная ее часть, из-за чего головная часть не ложится по заданной траектории, а отклоняется от нее, изгибаясь в недостаточной мере и внедряясь во внешний свод скважины, что в особенности проявляется для трубопроводов большого диаметра (до 1420 мм) и повышенной толщины стенки (до 32 мм), обладающих значительной изгибной жесткостью.
Кроме того, известный способ не позволяет подтвердить отсутствие повреждений изоляции и поверхности трубы.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа, позволяющего обеспечить надежную прокладку магистральных трубопроводов на переходах через естественные и искусственные преграды.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание альтернативного способа протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине, расширение области применения способа: возможность его применения для прокладки трубопроводов с наружным диаметром до 1420 мм с повышенной толщиной стенки (до 32 мм) методом ГНБ, а также повышение надежности прокладки трубопроводов на переходах через естественные и искусственные преграды за счет снижения риска застревания трубопровода при протягивании, предотвращения повреждения труб и контроля сохранения целостности изоляционного покрытия труб.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине к головной части протаскиваемого трубопровода приваривают дополнительную трубу, диаметр которой равен диаметру протаскиваемого трубопровода, но обладающую меньшей изгибной жесткостью. Протаскивают трубопровод, начиная с головной части дополнительной трубы, в заранее пробуренную горизонтальную скважину с одновременным расширением упомянутой скважины до выхода из скважины всей длины дополнительной трубы. При отсутствии на дополнительной трубе недопустимых повреждений упомянутую трубу отрезают.
В предлагаемом способе протаскиваемый трубопровод снабжен головной тонкостенной частью, обладающей большей гибкостью, чем основной трубопровод, за счет чего снижается опасность повреждения изоляции и поверхности трубы вследствие ее отклонения от заданной траектории. Кроме того, упомянутая гибкая тонкостенная головная часть после протаскивания выходит на поверхность и служит индикатором наличия или отсутствия повреждений изоляции и внешней поверхности трубы в процессе продвижения по скважине.
На фиг. 1 изображен изгиб дополнительной тонкостенной трубы на входе в скважину.
На фиг. 2 - прохождение дополнительной тонкостенной трубой основной части скважины.
На фиг. 3 - выход дополнительной тонкостенной трубы из скважины.
Способ осуществляют следующим образом.
По проектной траектории согласно заданному расчетному профилю прокладки трубопровода бурят методом наклонного бурения пилотную горизонтальную скважину диаметром 90 мм. Бурение по заданной траектории осуществляют с использованием буровой установки, например, марки JET DRILL 3000.9 с тяговым усилием 300 тыс. кгс, на шасси «HITACHI», входящей в буровой комплекс HD-850, при помощи зонда с датчиками, вмонтированного в пилотную штангу за буровой головкой. Для увеличения продольной жесткости буровой колонны через 30-40 м от гидромониторной головки выполняют бурение промывочной буровой колонны диаметром 200 мм с коронкой диаметром 400 мм.
После выхода промывочной буровой колонны на противоположной от буровой установки стороне пересекаемой преграды бурение останавливают. Буровые штанги для бурения пилотной скважины и гидромониторную буровую головку демонтируют и удаляют из промывочной буровой колонны.
В стволе скважины оставляют только промывочную буровую колонну, к которой присоединяют расширитель пилотной скважины, имеющий бочкообразную форму и содержащий расположенные по окружности режущие элементы, а также струйные насадки для подачи бурового раствора, к которому, в свою очередь, присоединяют колонну тяговых штанг.
Выполняют протягивание расширителя пилотной скважины с закрепленными за ним тяговыми штангами до выхода расширителя пилотной скважины из ствола скважины со стороны буровой установки. Затем демонтируют расширитель пилотной скважины и присоединяют тяговые штанги напрямую к буровой установке.
В случае необходимости (в зависимости от того, какими породами сложен профиль скважины) возможно многократное расширение пилотной скважины с последовательным увеличением диаметра расширителя.
После выполнения необходимого количества предварительных расширений пилотной скважины осуществляют протаскивание трубопровода 1, совмещая протаскивание с заключительным расширением. Для этого к находящейся в скважине 2 тяговой штанге 3, с конца, противоположного буровой установке, крепят расширитель 4. Расширитель 4 выбирают таким образом, чтобы площадь поперечного сечения расширенной скважины 2 не менее чем на 25% превышала площадь поперечного сечения протаскиваемого трубопровода 1.
К расширителю 4 через вертлюг 5 при помощи серьги крепят тяговый оголовок 6, выполненный в виде стальной сферической торцевой заглушки, к которому приваривают тонкостенную трубу 7 такого же, как у протаскиваемого трубопровода 1, диаметра, но обладающую меньшей, чем у протаскиваемого трубопровода 1, изгибной жесткостью, например, имеющую толщину стенки, минимальную для данного диаметра труб согласно сортаменту.
Далее приложением тягового усилия буровой установки с одновременным вращением расширитель 4 протаскивают через скважину 2 в направлении буровой установки, расширяя ствол упомянутой скважины. По мере продвижения расширителя 4 в сторону буровой установки в скважину 2 затягивают тонкостенную трубу 7, к которой, в свою очередь, по мере ее продвижения последовательно приваривают кольцевыми сварными соединениями трубы основного протаскиваемого трубопровода 1.
Таким образом, вращая и протягивая посредством буровой установки тяговую штангу 3 через ствол скважины 2, втягивают в скважину расширитель 4 и протаскиваемый трубопровод 1. Благодаря наличию вертлюга 5 вращение тяговой штанги 3 и расширителя 4 не передается на протаскиваемый трубопровод 1.
Протягивание расширителя 3 вместе с протаскиваемым трубопроводом 1 осуществляют непрерывно, за исключением остановок, необходимых для наращивания очередной трубы.
Одновременно с протаскиванием производят балластировку протаскиваемого трубопровода 1.
После полного выхода из скважины 2 всей длины тонкостенной трубы 7 протаскивание трубопровода 1 останавливают и осматривают тонкостенную трубу 7 с целью обнаружения недопустимых повреждений (изоляционного покрытия и металла). В случае отсутствия повреждений тонкостенную трубу 7 отрезают и продолжают строительство трубопровода на прилегающих участках. В случае наличия недопустимых повреждений целиком извлекают протаскиваемый трубопровод 1 из скважины 2.