СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА КУСТОВОГО СВАЙНОГО ОСНОВАНИЯ ДЛЯ БУРЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF GROUP PILE FOUNDATION FOR BORING AND OPERATION OF WELLS IN OIL AND GAS DEPOSITS

Изобретение относится к области строительства, в частности к технологии возведения свайных фундаментов для пластичных подстилающих грунтов, и может быть использовано при кустовом бурении для разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений на сильно заболоченной местности в сложных природно-климатических условиях.
Известен свайный фундамент, включающий установку ростверка на свайный куст, при этом предварительно выполняют свайный куст из центральной и периферийной свай с ребристым стволом, боковую поверхность которого выполняют из прямолинейных участков, образующих торцевые грани ребер, и соединяющих их промежуточных участков, ростверк выполняют треугольным в плане, одну сваю располагают по его центру с ориентацией ребер в направлении вершин сечения ростверка, а остальные сваи располагают по углам сечения ростверка, при этом одно из ребер каждой периферийной сваи обращают к соответствующей вершине сечения ростверка (патент РФ №2002899, E02D 27/12). Недостатком его является высокая трудоемкость и стоимость строительства, низкие функциональные и эксплуатационные возможности.
Известен способ кустового строительства скважин, включающий сооружение основания, монтаж буровой установки, бурение скважин на кустовой площадке, при этом на отведенном участке со стороны последней запроектированной под бурение скважины производят частичное сооружение кустовой площадки, завозят и монтируют буровой станок в месте для бурения последней запроектированной скважины, одновременно с завозом и монтажом станка продолжают сооружать основание на отведенном участке с противоположной стороны, откуда будет вестись бурение первой запроектированной скважины, после сооружения остальной части кустовой площадки буровой станок и вышку перемещают по ряду на место бурения первой скважины (патент РФ №2169823, Е21В 15/00, Е21В 7/00, 2001.06.27). Анализ данного способа кустового строительства скважин свидетельствует, что предложенное решение может применяться лишь для торфяных болот и предполагает строительство фундамента традиционным способом, а именно производится выторфовка до подстилающих грунтов с последующей отсыпкой и уплотнением привозного, очень дорогостоящего намывного или карьерного песка. Способ строительства фундамента не является свайным и при глубине болота более 6 метров трудноосуществим. Неприемлем предлагаемый способ при типе болота, когда после торфяного слоя толщиной около 1 метра и до подстилающих грунтов находится жижа, не поддающаяся выторфовке и не дающая уплотняться привозному грунту. В результате можно получить плывун, на котором смонтировать буровую и пробурить куст практически невозможно, тем более за один зимний сезон.
При строительстве свайного фундамента перемещение бурового станка от последней проектной скважины к первой излишне, так как погружение свай начинается с первой проектной скважины и наращивается в размерах при одновременном монтаже буровой установки и привышечных сооружений, таких как очистная система, циркуляционная система (емкости) для бурового раствора, блок электростанций, насосный блок и т.д.
Известен способ строительства дороги на промороженном покрове болота в зимнее время, согласно которому насыпь земляного полотна отсыпают послойно, доставку грунта на линейно-протяженную строительную площадку для каждого технологического слоя выполняют транспортом, движущимся по ходу движения технологического потока, и с возвращением порожнего транспорта против хода движения технологического потока укладку грунта на основание, разравнивание и уплотнение осуществляют посредством построечной техники, при этом сооружение насыпи земляного полотна ведут последовательно - делянами, а перед сооружением каждого технологического слоя земляного полотна на деляне линейно-протяженную строительную площадку делят на продольные полосы с чередованием их в каждом слое попеременно, причем отсыпку первого слоя начинают с отсыпки средней полосы с опережениием отсыпки двух крайних полос, а отсыпку второго слоя начинают с двух крайних полос с опережением отсыпки средней полосы с последующим чередованием отсыпки полос в следующих слоях (патент РФ №2293814, Е01С 3/04, 2007.02.20). Недостатком является неусточивость полотна в связи с неравномерной отсыпкой грунтов, а также достаточно высокая стоимость строительства площадки на болотистой местности, так как в местностях, где глубина болота 8-10 метров и более, как правило, отсутствуют сухоройные песчаные карьеры, а доставка материалов для отсыпки увеличит стоимость строительства объекта.
Известен способ строительства основания для кустового бурения и эксплуатации скважин нефтегазовых месторождений в затопляемых зонах (патент №2215089 E02D 27/00). При строительстве основания в затопляемой зоне устанавливают заглубленные сваи-опоры с оголовками, которые располагают, как минимум, двумя парными симметричными рядами. На сваи-опоры на заданную высоту устанавливают опорные стойки, на которые монтируют ростверк в виде коробчатых блоков с разделением плит верхних оснований, а ростверк транспортируют к месту монтажа, где устанавливают на подготовленный свайный куст коробчатых блоков. На коробчатый блок на месте монтажа укладывают нависшими с двух сторон над коробчатым блоком плиты верхних оснований, которые состыковывают боковыми и торцевыми гранями. Затем производят заделку швов и замоноличивание стыков, при этом на запланированном месте площадки ростверка устанавливают с образованием технологического проема, а к образованной ростверка площадке, которую составляют, по меньшей мере, из двух состыкованных между собой ростверк, подводят эстакадные дороги. По внешним сторонам эстакадных дорог и площадки устанавливают ограждающие конструкции и герметичные бордюры для исключения выхода производственно-ливневых стоков за пределы основания, свайный куст готовят в зимнее время.
Недостатком известного изобретения является необходимость учета паводковых вод, сложность и материалоемкость конструкции, а также ненадежность ее работы в условиях вибрационных нагрузок. Кроме того, с учетом наличия течения паводковых вод на значительных территориях железобетонные конструкции с замоноличенными стыками и герметичные бордюры не обеспечат нежелательного воздействия на окружающую среду. При строительстве кустовой площадки по данному способу требуется большое количество специализированной техники: свайные агрегаты, автомобильные краны большой грузоподъемности и значительным вылетом стрелы, бетоносмесители, агрегаты прогрева бетона и т.д. Все это приведет к значительному удорожанию и, вероятнее всего, для месторождений с небольшими запасами будет экономически невыгодно.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в строительстве кустового свайного основания для любых пластичных подстилающих грунтов, в частности, на сильно заболоченной местности, глубиной 8-10 метров и более, и обслуживании скважин в процессе их эксплуатации при большой удаленности от ранее обустроенных промыслов в сложных природно-климатических условиях.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным изобретением, является сокращение продолжительности, стоимости и трудоемкости работ строительства кустового свайного основания, осуществление параллельных работ по строительству кустового основания и монтажа оборудования, повышение надежности и простоты в обслуживании скважин в процессе эксплуатации, сохранение окружающей среды.
Поставленная задача решается тем, что в способе строительства кустового свайного основания для пластичных подстилающих грунтов и эксплуатации скважин нефтегазовых месторождений в сложных природно-климатических условиях, включающем подготовку свайного куста с установкой на нем рядами свай с наголовниками, ограждение свайного куста, размещение ограждающих конструкций, согласно изобретению для подготовки свайного куста проминают и промораживают при минусовых температурах поверхностный грунт для получения слоя, обеспечивающего безопасное продвижение техники массой более 15 тонн, организуют площадку, на которой выполняют разбивку осей с подготовкой гнезд под каждую сваю и скважину, размещают базовую технику, состоящую из ходовых и опорных технических средств для установки свай, при этом на один конец сваи устанавливают съемный наголовник, на котором закрепляют тяговый трос, другой конец тягового троса пропускают через обводной блок опорного технического средства и закрепляют его на ходовом техническом средстве, противоположный конец сваи устанавливают в гнездо погружения и путем перемещения ходового технического средства, связанного с опорным техническим средством с посредством тягового троса, вдавливают сваю в грунт, после чего базовую технику устанавливают у следующего запланированного гнезда и каждую последующую сваю погружают в грунт с учетом обеспечения проектного шага между сваями и формирования продольных и поперечных рядов скважин относительно края площадки с образованием между ними центрального ряда свай, при этом установку и погружение свай начинают с центрального ряда края площадки, верхние части выступающих свай над поверхностью грунта жестко закрепляют крепежными средствами, затем ограждают листовым металлом по периметру внешнюю сторону кустового свайного основания, в центральной его части по всей длине площадки изготавливают металлический желоб, в качестве свай используют трубы.
Строительство кустового свайного основания выполняют последовательно в поперечном, продольном или в обоих направлениях, начиная с центральной сваи, т.е. сваи погружают в трех направлениях, наращивая свайное поле (площадку) до запланированных размеров. Для одновременного строительства свайного поля и монтажа буровой установки погружение свай начинают с края площадки, где планируют бурить первую скважину, наращивают свайное поле в трех направлениях, формируя при этом центральный ряд свай (их два) для скважин куста и эксплуатационной колонны.
В качестве свай используют металлические трубы (стандартные трубы) диаметром 200-400 мм и постоянного по высоте сечения с толщиной стенки 8-10 мм. Трубы диаметром менее 200 мм не обладают достаточной продольной жесткостью, а трубы диаметром более 400 мм изготавливают по специальному заказу, что нецелесообразно. По этой же схеме определяют и толщину стенок труб. Кроме того, нижний конец трубной металлической сваи при необходимости выполняют скошенным, а также он может быть оборудован деревянным башмаком длиной 0.5-4.0 метров и более, в зависимости от требуемой длины сваи и глубины ее захода в подстилающий грунт. Предпочтительно использовать трубы стандартной длины, т.е. 10 метров, которые при необходимости удлиняют свинчиванием или сваркой встык. Для строительства кустового свайного основания желательно использовать трубы одного типоразмера и формы. Подготовку свай: удлинение и наличие башмака - можно производить вне площадки для строительства куста.
Количество свай на площадке выбирают в зависимости от предполагаемых нагрузок по расчетному проекту, например, под куст скважин шаг между сваями по проекту 2 метра, а под жилой поселок - 3 метра. Площадку основания выполняют по направлениям и форме согласно заданному проекту. Причем установку и погружение свай в грунт начинают с центрального ряда (сваи) и ведут затем в продольном и поперечных направлениях относительно края площадки согласно проекту.
Целесообразно при формировании центрального ряда устанавливать и погружать в грунт трубы диаметром 426 мм. Погруженные в грунт трубы диаметром 426 мм являются направлениями в конструкции и устьями будущих скважин. Количество труб и расстояние между ними определяется проектом и соответствует количеству намечаемых скважин и расстоянию между ними. Трубы целесообразнее погружать в грунт одновременно с вдавливанием (погружением) свай, составляющих центральный продольный ряд площадки.
Глубина вдавливания металлической сваи зависит от глубины болота, свойств подстилающих грунтов и высоты, на которую сваи выступают над поверхностью грунта. Вдавливают сваю в грунт до глубины, когда достигается несущая способность, соответствующая проектной.
Для обеспечения жесткости и устойчивости кустового свайного основания закрепляют между собой выступающие части свай над грунтом в продольном и поперечном направлениях относительно движения станка и ряда будущих скважин посредством крепежных элементов.
В качестве крепежного материала выбраны негибкие элементы: труба, двутавровая балка, швеллер; обеспечивающие максимальную устойчивость и придающие определенную геометрическую форму основанию - площадке и перераспределяющие нагрузку свай между собой. Нагрузка (вес бурового станка, оборудования), передающаяся на сваю, будет частично перераспределяться на рядом расположенные сваи. Сечение или диаметр обвязывающего материала выбирают исходя из того, чтобы используемый материал не прогибался при максимально возможных нагрузках, а именно на шаге между сваями 2-3 метра.
Кроме того, например, в центральной части свайного основания, вдоль устьев проектируемых эксплуатационных скважин, устанавливают наклонно приспособление (желоб), предназначенное для сбора жидких отходов при бурении (глинистый раствор, подтеки нефти, химреагентов и других загрязняющих веществ и жидкостей) и атмосферных стоков. При этом желоб выполняют из металлического материала, на конце которого устанавливают приемник или резервуар для сбора отходов с их последующей утилизацией. Желоб изготавливают, например, из листового металла толщиной не менее 5 мм, так как такой металл обеспечивает максимальную герметичность и наиболее прост в изготовлении. Геометрические размеры желоба (ширина и длина) соответствуют габаритам буровой установки, количеству скважин в кусте и длине кустовой площадки. Желоб жестко закрепляют (сваривают) на трубах диаметром 426 мм, которые служат основанием (устьем) для будущих скважин.
Кустовую площадку ограждают с внешней стороны (по всему периметру), например, листовым металлом толщиной не менее 5 мм с заглублением его в грунт на глубину 30-40 см ниже уровня торфяного слоя для предотвращения попадания бурового раствора при бурении, нефти и пластовых вод при освоении и эксплуатации скважин на поверхность болота и растекания их за пределы кустовой площадки. На болоте, как правило, имеют дело с торфяным слоем. Если будет просто вода, то погруженная в воду на глубину 30-40 см стенка не позволит растекаться за пределы площадки нефтепродуктам за счет разницы удельных весов.
На подготовленное кустовое свайное основание, в зависимости от проектных решений, укладывают либо дорожные плиты, либо по поперечной обвязке металлических свай укладывают рельсовый путь. В некоторых случаях укладывают на свайное основание плиты, а поверх них - рельсовый путь для передвижения бурового станка. Ширину рельсового пути выбирают исходя из габаритных размеров вышечного и дизельного основания, размеров циркуляционной системы, насосного блока, других привышечных механизмов и она может быть максимально унифицирована для изготовления двух или трех типоразмеров тележек для перемещения бурового станка.
Площадку формируют прямоугольной формы с размерами по ширине, достаточными для размещения бурового станка и привышечных сооружений, а в длину - по количеству запроектированных скважин, которые бурят согласно проектному расчету.
Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где: на фиг.1 приведена схема погружения (вдавливания) сваи в грунт; на фиг.2 изображена схема расположения на глубине сваи в болотно-подстилающем грунте; на фиг.3 приведена схема расположения свайных рядов; на фиг.4 - расположение металлического желоба; на фиг.5 изображена схема продольной и поперечной обвязки свай.
Способ строительства кустового свайного основания и дальнейшую эксплуатацию скважин (эксплуатационных, нагнетательных, водозаборных и т.д.) нефтегазовых месторождений реализуют следующим образом.
На первом этапе - подготовительном - готовят строительную площадку для установки свай и монтажа буровой установки. С наступлением периода минусовых температур проминают и промораживают грунт, подъездные дороги (пути) и саму площадку при помощи легкой плавающей гусеничной техники (ГА3-71, ГТТ) до тех пор, пока глубина промерзания торфяного слоя не обеспечит безопасное передвижение более тяжелой техники (К-700, Т-170), вес которой свыше 15 тонн. С помощью данной техники в дальнейшем расчищают строительную площадку от снега и осуществляют последующую проминку болотного грунта. Разметку свайного поля проводят с помощью теодолита и мерной ленты по сетке, предусмотренной проектным расчетом. Пробуривают гнезда по мере необходимости согласно планово-проектной установке свай.
На втором этапе - осуществляют непосредственно вдавливание свай. На подготовленной площадке устанавливают ходовое техническое средство 1 (фиг.1) и опорное техническое средство 2. На верхнюю часть сваи 3 устанавливают наголовник 4 и на нем закрепляют один конец тягового троса 5, а другой конец троса 5 пропускают через обводной блок 6 опорного технического средства 2 и закрепляют на ходовом техническом средстве 1. Нижний конец сваи 3 размещают в подготовленном гнезде (на чертеже не указан). Перемещая ходовое техническое средство 1 и натягивая тем самым трос 5, поднимают сваю 3 до момента, когда опорное техническое средство 2 начинает приподниматься и упираться в упор 7, и вдавливают сваю 3 в подстилающий грунт 8 (фиг.2), при этом несущая способность сваи 3 достигает величины 7-8 тонн. При необходимости можно увеличить несущую способность сваи до 12-14 тонн с помощью воздействия на нее более тяжелой техники. При этом система: ходовое техническое средство 1, обводной блок 6, снабженный центрирующей рамой (на чертеже не указан) опорного технического средства 2, с тяговым тросом 5 и наголовником 4, при совместной работе обеспечивают ориентированное погружение сваи 3 в болотно-подстилающий грунт сквозь поверхностный слой 9 и болотную жижу 10 (фиг.2). При необходимости для облегчения входа в грунт при прохождении возможных препятствий нижний конец сваи 3 оборудуют деревянным башмаком 11. Затем опорный 2 и ходовой 1 технические средства перемещают к следующему запланированному гнезду согласно проекту и действия по формированию свайного поля повторяют действиям выше описанным согласно расчету по проекту. Для одновременного наращивания свайного поля, т.е. установку продольного ряда скважин 12 и поперечного ряда скважин 13 (фиг.3), монтаж буровой установки - установку и погружение свай в грунт начинают с края площадки 14 (фиг.3), где пробуривают первую скважину центрального ряда 15 края площадки 14. Строят площадку прямоугольной формы (пунктирная линия) с размерами по ширине, достаточными для размещения бурового станка и привышечных сооружений, а в длину - по количеству запроектированных скважин.
Одновременно с формированием центральных рядов 15 (их два: это ряд свай, наиболее близко расположенный к ряду будущих проектных скважин) вдавливают трубы 16 диаметром 426 мм для устьев проектных скважин (Скв.1; Скв.2; Скв.3; Скв.4 и т.д.) и ведут погружение свай от края площадки 14 по направлению погружения свай 17 в трех направлениях. Трубы 16 герметично обвязывают (сваривают) с днищем металлического желоба 18 (фиг.4). Данные трубы служат направлениями в конструкции будущих скважин, т.е. через эти направления затем бурят скважины и в дальнейшем спускают эксплуатационную колонну.
Третий этап - обвязка свай. После вдавливания в грунт первого ряда свай начинают процесс обвязки (продольное и/или поперечное крепление) свай. Выравнивают выступающие над уровнем грунта концы свай. Для того чтобы получить горизонтальную поверхность площадки, выступающую часть свай 3 обрезают. Отметки делают с использованием нивелира. Высота выступающей части не регламентируется и выбирается исходя из технической и технологической целесообразности. Затем выступающие над поверхностью грунта части свай обвязывают (труба продольной обвязки 19, фиг.5), т.е. закрепляют сваркой трубами диаметром 127 мм по направлению движения бурового станка 20 (фиг.2), т.е. по направлению от первой до последующих проектных скважин. По мере готовности продольных рядов осуществляют обвязку в поперечном направлении, труба поперечной обвязки 21 (продольное 19 и/или поперечное 21 крепление относительно направления движения бурового станка 20), с шагом сваи 22. При необходимости устанавливают укосины и косынки (на чертеже не показаны) для придания большей жесткости всей конструкции площадки.
Четвертый этап - сооружение металлического желоба. Желоб 18 с приемником для сбора отходов (на чертеже не указан), шириной 11 метров, изготавливают из листового металла толщиной 5 мм по всей длине кустового свайного основания и устанавливают в центральном ряду свай 15 (фиг.3) с уклоном в одну сторону, т.е. наклонно с возможностью стекания жидкости в емкость для сбора стоков. Днище желоба 18 герметично обвязывают (заваривают с трубами) с задавленными в качестве направлений трубами 16 - устьями будущих скважин (фиг.3, 4).
Кустовое свайное основание ограждают по периметру с внешней стороны (на чертеже не показано) листовым металлом толщиной 5 мм с заглублением листа на 35 см ниже уровня поверхностного (промерзшего) торфяного слоя 9 (фиг.2).
Пятый этап - заключительный. На готовое кустовое свайное основание, в зависимости от проекта, укладывают дорожные плиты. А для перемещения по свайному основанию бурового станка и оборудования укладывают по поперечной обвязке свай рельсовый путь.
Таким образом, готовое свайное поле имеет размеры 10×10метров, погруженные и обвязанные (продольные 19 и поперечные 21) сваи 3 обозначены пунктиром (Фиг.4 и фиг.5). Осуществляют монтаж буровой установки. В дальнейшем, при необходимости, свайное поле можно наращивать в трех направлениях.
Строительство предлагаемого свайного основания возможно для любых пластичных подстилающих грунтов (глина, песок и любые их сочетания), в которые возможно погружение свай. Такие основания целесообразно строить на сильно заболоченной местности, где отсутствуют грунты для отсыпки, где из-за сильной обводненности невозможно производить выторфовку.
Кроме того, эксплуатацию скважин пробуренных на таких площадках предполагается производить без строительства круглогодичных подъездных путей (очень дорого), т.е. каждый куст будет работать автономно. Основная доставка грузов будет осуществляться по зимникам, а оперативное обеспечение в летнее время - вертолетами.
По предложенному способу строительства свайного кустового основания с применением металлических полых труб финансовые затраты сокращаются приблизительно на 30%. За одну рабочую смену устанавливают до 40 свай. Срок строительства кустового свайного основания вместе с монтажом буровой установки составляет 4 месяца и его может строить для любого количества скважин при минимальной степени использования площади почвенного покрова. Для сравнения: строительство насыпного кустового основания на такой же болотистой местности, как правило, занимает не менее 3-х лет при условии работы только в зимнее время. Кроме этого, для бурения эксплуатационных, нагнетательных и водозаборных скважин строительство кустового свайного основания в заболоченной местности позволит осуществлять монтаж буровой установки параллельно со строительством кустового основания, а также использовать для бурения установки с автономным дизельным приводом.