СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ
METHOD AND DEVICE FOR TRENCHLESS LAYING OF PIPELINES

Изобретение относится к буроукладочному устройству для бестраншейной укладки трубопровода, например, диаметром более чем 350 мм или же более чем 500 мм, имеющему буровую головку для отделения горной породы, причем буровая головка имеет присоединительный элемент для направляющей бурильной колонны и присоединительный элемент для последующего элемента буроукладочного устройства, имеющему вращательный элемент и соединительный участок в качестве присоединительного элемента для трубопровода, и способу бурения и укладки для бестраншейной укладки трубопровода, в котором вдоль заданной линии бурения изготавливают направляющий ствол скважины от начальной точки до целевой точки, причем направляющий ствол скважины образуется посредством продвижения направляющей буровой головки с направляющей бурильной колонной менее 800 мм, в котором после достижения целевой точки к концу направляющей бурильной колонны присоединяют буроукладочную головку, которую соединяют с трубопроводом и посредством которой буровую скважину расширяют и одновременно посредством вытягивания направляющей бурильной колонны из буровой скважины на одной стороне и/или путем введения трубопровода в скважину укладывают трубопровод.
Такое устройство и такой способ известны из ЕР 2447462. ЕР 2447462 раскрывает способ бестраншейной укладки трубопровода. Проводят направляющее бурение HDD-способом от начальной до целевой точки. В целевой точке направляющую бурильную колонну соединяют с чистиком. Чистик расширяет скважину до окончательного диаметра. Между чистиком и трубопроводом расположен вращательный элемент, так что чистик может поворачиваться вместе с направляющей бурильной колонной, в то время как трубопровод втягивают без вращения. Трубопровод вводят в скважину посредством передвижного устройства, в то время как на противолежащей стороне элементы направляющей бурильной колонны извлекают из скважины. Область применения раскрытого способа указана как для не слишком твердого грунта. При этом недостатком является то, что, как видно по фигурам, чтобы обеспечить отгрузку отделенной чистиком буровой мелочи, требуется значительный перерез.
Из ЕР 0360321 также известен так называемый способ HDD (горизонтальное направленное бурение), причем для бестраншейной укладки трубопровода под препятствием вдоль заданной линии бурения проделывают направляющий ствол скважины от начальной точки до целевой точки. Затем на направляющей бурильной колонне на целевой стороне устанавливают чистик, который соединен с подлежащим укладке трубопроводом. Посредством вращения направляющей бурильной колонны чистик приводят в действие. Продвижение чистика при одновременном втягивании трубопровода происходит за счет извлечения направляющей бурильной колонны. При этом чистик выполнен так, что на стороне соединения с трубопроводом он закрыт. В буровой линии предусмотрена лишь одна отгрузочная линия для отгрузки отделенного грунта в сочетании с суспензией для смазки трубопровода, оставления открытой скважины и для отвода буровой мелочи. На передней стороне чистик выполнен открытым, так что отделенная чистиком земля может входить в чистик и там может отводиться в смеси с водой. Сам чистик представляет собой цилиндрическое тело, которое на своей передней стороне имеет зубья, посредством которых отделяется грунт. Применение этого способа ограничено рыхлой горной породой, то есть неустойчивым строительным грунтом, таким как почвы, пески или тому подобное.
DE 19808478 также раскрывает способ бестраншейной укладки труб. При этом также проводят бурение направляющего ствола скважины способом HDD от начальной до целевой точки. В целевой точке направляющую бурильную колонну горизонтального направленного бурения соединяют с машиной для бурения микротуннелей, на которой выдерживающим растяжение образом расположен трубопровод. Машина для бурения микротуннелей отделяет грунт и отводит его по нитке трубопровода. Здесь также раскрыто применение способа в рыхлой горной породе.
US 5269384 раскрывает способ и устройство для расширения и очистки буровой скважины. При этом также с помощью горизонтального направленного бурения изготавливают направляющий ствол скважины. Затем на направляющей бурильной колонне устанавливают чистик. За чистиком предусмотрен трубопровод, который по существу соответствует диаметру направляющей бурильной колонны. Для отгрузки отделенного чистиком грунта предусматривают насос с эффектом Вентури, который приводится в действие посредством буровой суспензии. За счет возникающего на стороне всасывания насоса разрежения буровая мелочь за чистиком всасывается и отгружается по трубопроводу. Применение описанного здесь способа и описанного здесь устройства оценивается как благоприятное, прежде всего, тогда, когда из-за нестабильных условий буровой скважины или же бурения в рыхлой горной породе буровая мелочь не может выводиться лучше за счет повышения скорости течения бурового раствора, так как это в указанных условиях ведет к размывам в стенке буровой скважины. В качестве области применения здесь указывается бурение и укладка в рыхлой горной породе. Конструкция бурильного устройства оказалась очень сложной и непрактичной, прежде всего в более твердых горных породах.
Недостатком в этих устройствах и способах является то, что они применимы только в рыхлой горной породе. Кроме того, не является возможным производить контролируемую отгрузку буровой мелочи. Это, в частности, пытаются компенсировать за счет того, что работают с частично значительными перерезами.
Задача изобретения заключается в том, чтобы создать буроукладочное устройство и способ, с помощью которых преодолеваются указанные выше недостатки.
В отношении буроукладочного устройства решение согласно изобретению предусматривает, что за буровой головкой предусмотрен транспортный участок, на котором предусмотрен по меньшей мере один приемный элемент для приема отделенной горной породы, и предусмотрен функциональный участок, на котором расположен насос для всасывания и отгрузки отделенной буровой головкой буровой мелочи и на котором расположен соединительный участок, и что вращательный элемент расположен между буровой головкой и функциональным участком, так что функциональный участок и буровая головка являются развязанными по вращению.
При этом благоприятно, что является возможным отгружать буровую мелочь целенаправленно. Кроме того, неожиданным образом оказалось, что за счет этой конструкции является возможным укладывать трубопроводы, прежде всего в устойчивой горной породе без необходимости предусмотрения значительного перереза.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что в случае буровой головки речь идет о головке для бурения восстающих выработок или о расширительной буровой головке с режущими роликами. За счет этого укладка трубопровода в твердой горной породе становится особенно просто возможной.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что транспортный участок является соединенным с функциональным участком посредством щитового участка. Кроме того, является благоприятным, что щитовой участок относительно функционального участка выполнен подвижным, предпочтительно с возможностью перемещения, особо предпочтительно посредством гидравлических цилиндров. С помощью гидравлического управления гидравлических цилиндров они могут быть благоприятным образом использованы в качестве аварийно-спасательного инструмента. За счет переменного давления на цилиндры заклинивший участок трубопровода может быть снова освобожден встряхиванием. Благодаря щитовому участку улучшается отгрузка буровой мелочи. Благодаря гидравлическим цилиндрам простым образом улучшается подвижность буроукладочного устройства в буровой скважине. Кроме того, является благоприятным, что на щитовом участке предусмотрен по меньшей мере один режущий инструмент. За счет этого еще имеющаяся при определенных условиях в стенке скважины рыхлая горная порода просто отделяется. Это приводит к уменьшению износа.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что гидравлический цилиндр предусмотрен в качестве измерительного элемента. За счет этого простым образом становится возможным регистрировать тяговое усилие или же преобладающее трение. Кроме того, через регистрацию поршня может регистрироваться искривление в устройстве. Также через регистрацию искривления может быть проведено дополнительное измерение буровой скважины.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что предусмотрено смазочное устройство, которое предпочтительно расположено за приемным участком или же на приемном участке и/или функциональном участке, причем для этого предусмотрены выпускные отверстия для выпуска смазочного средства, предпочтительно буровой суспензии.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что приемный элемент является всасывающим элементом, предпочтительно всасывающим патрубком и/или всасывающей воронкой. За счет этого становится возможным или же облегчается отсос буровой мелочи. Кроме того, является благоприятным, что на всасывающем элементе предусмотрен разделительный элемент по размеру зерна буровой мелочи. Этот разделительный элемент функционирует как ограничитель размера зерен. За счет этого предотвращается засорение транспортного трубопровода или же насосов слишком крупными частицами твердого вещества или крупными кусками.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что в случае с транспортным участком речь идет о вращающемся корпусе с впускными участками, причем впускные участки предпочтительно выполнены в виде лопаток с интегрированными впускными отверстиями. Кроме того, является благоприятным, что в случае насоса речь идет о струйном насосе.
Альтернативное техническое решение изобретения предусматривает, что в случае насоса речь идет о центробежном насосе. Обоими этими вариантами буровая мелочь отводится с малым износом и эффективно при незначительных затратах. Кроме того, является благоприятным, что вращательный элемент выполнен так, что через вращательный элемент является прокачиваемой буровая промывочная жидкость.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что бурение и укладка является производимой в твердой горной породе со средней твердостью более 150 МПа, предпочтительно более 200 МПа.
В отношении способа бурения и укладки решение согласно изобретению предусматривает, что отделенная буровой головкой буровая мелочь гидравлически захватывается за буровой головкой буроукладочного устройства и отводится из буровой скважины с помощью расположенного в буровой скважине насоса, что укладка происходит в устойчивой горной породе со средней твердостью более 150 МПа, предпочтительно более 200 МПа, причем укладывается, прежде всего, трубопровод диаметром более 350, 500 или 800 мм.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что в качестве буровой головки применяют головку для бурения восстающих выработок, предпочтительно, с режущими роликами.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что в случае трубопровода речь идет о трубопроводе из соединенных между собой выдерживающим растяжение образом участков труб, причем в качестве участков труб используют бурильные трубы или рабочие трубы, которые укладывают либо отдельно, в звенья из нескольких участков труб, либо как полностью подготовленный трубопровод.
Благоприятное техническое решение изобретения предусматривает, что в случае буроукладочной головки речь идет о буроукладочном устройстве вышеописанного вида.
Далее изобретение описывается более детально в связи с чертежами.
На фиг. 1 - вид в разрезе первой формы осуществления устройства согласно изобретению, и
на фиг. 2 - вид в разрезе второй формы осуществления устройства согласно изобретению.
Фиг. 1 показывает буроукладочное устройство 10 согласно изобретению в буровой скважине 100. Буровая скважина 100 расположена в твердой горной породе 101. Буровой скважине 100 предшествует направляющий ствол 102 скважины, который был выполнен способом горизонтального направленного бурения от начальной точки (не показана) до целевой точки (не показана) с помощью соответственно подходящего бурового устройства. Наряду с направляющим стволом 102 скважины, на фиг. 1 изображена направляющая бурильная колонна 103. Буроукладочное устройство 10 состоит из буровой головки 11, которая имеет присоединительный элемент 12 для подсоединения направляющей бурильной колонны 103. В области 104 расширения на буровой головке расположены режущие ролики 13. Они находятся в зацеплении с забоем 105 в процессе бурения и укладки. На задней стороне буровой головки 11 предусмотрен присоединительный элемент 14, на котором с буровой головкой 11 соединен вращательный элемент 15. Вращательный элемент 15 служит для отцепления буровой головки относительно трубопровода 110, который расположен на задней стороне буроукладочного устройства 10.
На своей противолежащей стороне вращательный элемент 15 через присоединительный элемент 16 соединен с приемным элементом 17. Приемный элемент 17 состоит из основного корпуса 18 и щитового участка 19, который расположен подвижно относительно основного корпуса 18. Для соединения между основным корпусом 18 и щитовым участком 19 предусмотрены гидравлические цилиндры 20, которые через соединительные элементы 21,22 соединены с основным корпусом 18 на одной стороне и щитовым участком 19 на другой стороне. Щитовой участок 19 на своей внутренней стороне имеет конически сужающийся приемный участок 23. Внутри приемного участка 23 расположен приемный элемент 24, который в форме осуществления согласно фиг. 1 выполнен как всасывающий патрубок. Передняя часть 25 всасывающего патрубка вдается через приемный участок 23 щитового участка 19 в приемное пространство 26. За приемным элементом 17 и прочно соединенный с ним расположен функциональный участок 27, внутри которого находится насос 28. Всасывающий патрубок 24 соединен с насосом трубопроводом 29. В трубопроводе 29 между насосом 28 и всасывающим патрубком 24 расположен распределительный элемент 30. Он, в частности, соединяет всасывающий патрубок с насосом 28.
Кроме того, предусмотрен еще один всасывающий патрубок 37, который является составной частью отсоса 36. Через отсос 36 отсасывают мелкие фракции буровой мелочи, которые осаждаются на забое 109 скважины. За счет этого предотвращается скопление мелких фракций буровой мелочи на забое 109 скважины, что, как оказалось, при отложении на забое 109 скважины может приводить к заклиниванию участка труб. Этот отсос мелких фракций подсоединяют к распределителю 30 или же прямо к трубопроводу 29 всасывающего патрубка 24.
Кроме того, предусмотрено смазочное устройство 40. Для этого, например, распределитель 30 соединен с трубопроводом (не показан), который подает смазочное средство в буровую скважину. Тогда, как например, показано на фиг. 1, предусмотрен трубопровод 38, отходящий от распределителя 30, который соединен с выпускными отверстиями 39 для выдачи смазочного средства. Эти выпускные отверстия 39 предусмотрены по периметру.
На задней стороне насоса 28, соответственно стороне откачки насоса, расположен транспортный трубопровод 31. По транспортному трубопроводу 31 отделенная буровой головкой 11 буровая мелочь (не показана) откачивается вместе с буровым раствором (не показан). Затем на земной поверхности буровую мелочь отделяют от бурового раствора, и буровой раствор снова подают в буровую скважину. На задней стороне функционального участка 27 предусмотрен присоединительный элемент 32 для соединения трубопровода 110 с буроукладочным устройством 10.
Посредством вращения направляющей бурильной колонны 103, например в направлении 106 вращения, вращают буровую головку 11. Одновременно через направляющую бурильную колонну 102 в направлении 107 тяги производят тяговое усилие на буроукладочное устройство 10, так что буровая головка 11 своими режущими роликами 13 прижимается к забою 105 и за счет вращения в направлении 106 вращения продвигается через забой и при этом отбивает массив твердой горной породы 101. Отделенная буровая мелочь промывается выдаваемым на режущих роликах буровым раствором за буровой головкой 11.
Дополнительно, через насос 28 и всасывающий патрубок 24 буровой раствор засасывается, и таким образом осуществляется транспортировка буровой мелочи от забоя к всасывающему патрубку.
Дополнительно или в качестве альтернативы, через трубопровод 110 может производиться толкающее усилие в направлении 108 подачи, например, с помощью так называемого труботолкателя в качестве подающего устройства (не показано), за счет которого, с одной стороны, трубопровод 110 вводится в буровую скважину 100, а с другой стороны, также имеется возможность вдавливать режущие ролики 12 в забой 105. За счет предусмотрения вращательного элемента 15 (шарнирное соединение) буровая головка 11 и трубопровод 110 или же расположенные за ними компоненты буроукладочного устройства 10 расцепляются относительно вращения.
В случае с показанной на фиг. 1 буровой головкой 11 речь идет о так называемой головке для бурения восстающих выработок. С ее помощью твердая горная порода 101 за один проход расширяется так, что трубопровод вводится прямо в буровую скважину. На обращенной к буровой головке 11 стороне приемного участка 23 расположены выпускные отверстия 33 для промывочной жидкости и/или буровые долота 34. И на задней стороне буровой головки 11 также предусмотрены выпускные отверстия 35 для промывочной жидкости. С помощью выпускных отверстий 33,35 для промывочной жидкости находящаяся на забое 109 буровой скважины буровая мелочь или же находящаяся в приемном пространстве 26 буровая мелочь приводится в движение, так что может происходить всасывание во всасывающий патрубок 24 через насос 28.
Буровые долота 34 служат, во-первых, для лучшего приема более крупной буровой мелочи, а во-вторых, для отделения все еще находящейся на забое 109 буровой скважины или же выступающей из стенки 111 скважины и еще не полностью отделенной горной породы или же рыхлой горной породы.
Фиг. 2 показывает альтернативную форму осуществления буроукладочного устройства 10. И здесь также предусмотрена буровая скважина 100 в твердой горной породе 101 с направляющим стволом 102 скважины, на котором находится направляющая бурильная колонна 103. Направляющая бурильная колонна 103 через присоединительный элемент 12 закреплена на буровой головке 11 с режущими роликами 13. На задней стороне буровой головки 11 находится присоединительный элемент 14 для вращательного элемента 15. Он через присоединительный элемент 16 соединен с приемным элементом 17. На приемном элементе 17 расположены выпускные отверстия 33 для промывочной жидкости и режущий инструмент 34. На задней стороне буровой головки 11 предусмотрены выпускные отверстия 35 для промывочной жидкости. За приемным элементом 17 изображен функциональный участок 27 в неразрезанном представлении. Внутри функционального участка 27 предусмотрен насос 28. На задней стороне функционального участка 27 предусмотрен присоединительный элемент 32, на котором закреплен трубопровод 110. Приемный элемент 17 предусмотрен без щитового участка 19. Такое применение может быть предусмотрено тогда, когда имеется твердая горная порода 101, при которой не нужно рассчитывать на обрушения, так что приемное пространство 26 может оставаться без щитовой облицовки. Введение трубопровода 110 буроукладочным устройством 10 согласно фиг. 2 происходит аналогично устройству 10 согласно фиг. 1.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ