Способ бестраншейной прокладки трубопровода и труба для бестраншейной прокладки трубопровода
TRENCHLESS PIPELINE LAYING METHOD AND PIPE FOR TRENCHLESS PIPELINE LAYING

Изобретение относится к области прокладки трубопроводов для текучих сред, в частности для нефте- и газопроводов, и может быть использовано при сооружении участков трубопроводов, прокладываемых, например способом Direct pipe, в том числе на переходах трубопроводов через естественные и искусственные препятствия.
Среди бестраншейных методов прокладки нефтегазпороводов можно выделить три наиболее часто применяемых технологии: горизонтальное направленное бурение (ГНБ), микротоннелирование и комбинированный метод – Direct pipe.
Технология ГНБ позволяет прокладывать нефтегазопроводы через естественные и искусственные преграды с заданными параметрами, используя непрерывный контроль процесса бурения и корректировку трассы в процессе строительства.
Недостатком метода является то, что ГНБ не может осуществляться в монолитных скальных породах, либо в грунтах, с высокой концентрацией валунов, также ограниченный изгиб буровых штанг для ГНБ не дает возможность выполнять короткие и неглубокие корректировки в направлении скважины (до 5 м).
Другим методом бестраншейной прокладки нефтегазопроводов является микротоннелирование – технология, не требующая выполнения работ открытым способом, что, как и методом ГНБ, сводит к минимуму воздействие на окружающую среду, транспортные системы и системы жизнеобеспечения. Данный метод отличается высокой степенью точности строительства и позволяет осуществлять прокладку трубопроводов почти в любых условиях.
Сущность технологии микротоннелирования заключается в том, что прокладка труб в грунте осуществляется проходческой машиной – щитом. Поступательное движение машины обеспечивается за счет мощной домкратной станции, установленной в стартовой шахте на глубине, необходимой для прокладки трубопровода. Домкратная станция передает толкающее усилие к щиту через колонну труб, которая наращивается по мере продвижения вперед. Для осуществления технологии необходимо строительство двух шахт - стартовой и приемной.
Главным недостатком данной технологии, является необходимость создания стартовой и приемной шахт, причем размер стартовой шахты должен обеспечивать установку в нее полноразмерной секции прокладываемого трубопровода, как правило длина 10–12 метров, а также возможность только прямолинейного перемещения прокладываемого трубопровода. При этом, непосредственно в стартовой шахте свариваются трубы одна за одной со всеми необходимыми испытаниями, что существенно увеличивает время проведения работ, исключая параллельные производственные процессы.
Указанных недостатков во многом лишен метод бестраншейной прокладки стальных трубопроводов большого диаметра Direct Pipe, который представляет собой одноэтапную операцию, во время которой рабочее пространство требуется только вблизи стартового котлована. Причем котлован представляет собой наклонный заглубленный участок трассы трубопровода. Плеть труб, которая заранее сваривается, испытывается и выкладывается на стройплощадке, продавливается в грунт в один этап, что позволяет прокладывать трубопроводы на большие дистанции за короткое время. Разработка грунта ведется дистанционно управляемой микротоннелепроходческой установкой также, как и при обычной прокладке трубопровода методом микротоннелирования. Управляющие и транспортные линии для извлекаемого грунта располагаются внутри рабочей трубы на специальных колесных рамах, которые обеспечивают быстрый монтаж и демонтаж. Во время процесса проходки тоннеля разработанный в забое режущим инструментом грунт транспортируется системой гидротранспорта на сепарационную установку, вода, очищенная от выработанного грунта, используется многократно. Контроль скорости проходки, местоположение и величина давления грунта на груди забоя ведется ежесекундно, при необходимости каждый параметр может корректироваться. Необходимое усилие для продавливания трубопровода в грунт достигается за счет специального доталкивателя, системы гидравлических домкратов, зажимающих и поступательно проталкивающих трубу в тоннель, который располагается в непосредственной близости от точки входа буровой установки на поверхности или в приямке.
Для снижения усилий продавливания через специальные устройства микротоннелепроходческой установки вовнутрь проделанного тоннеля подается смазывающая жидкость, например бентонитовый раствор, который предназначен для снижения силы трения прокладываемой трубы о стенки пробуренного тоннеля и, соответственно, снижения усилия продавливания трубы.
Однако существенным недостатком метода является то, что бентонитовый раствор подают только в головную часть плети труб, прокладываемых методом Direct Pipe, а по мере продвижения плети труб требуемое смазывающее действие подаваемого бентонитового раствора снижается практически до нулевых значений. При этом значительно повышается сила трения прокладываемой плети труб о стенки пробуренного тоннеля, что требует соответствующего повышения усилий системы гидравлических домкратов для проталкивания плети труб в тоннель и ограничивает общую возможную протяженность прокладываемого тоннеля ввиду нехватки мощности гидравлической системы, обеспечивающей процесс прокладки трубопроводов методом Direct Pipe.
Также повышается вероятность повреждения защитной оболочки труб в процессе продавливания плети труб по тоннелю.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа бестраншейной прокладки трубопровода, позволяющего увеличить протяженность прокладываемого методом Direct Pipe трубопровода, и создание конструкции трубы для реализации разработанного способа.
Техническим результатом, получаемым в результате реализации предлагаемого в изобретении способе с применением конструкции труб, предназначенной для реализации предлагаемого способа, является повышение эффективности производимых работ по бестраншейной прокладки трубопровода.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что плеть из труб, снабженных защитным композитным покрытием, продавливается в тоннель, вырабатываемый проходческим комплексом, расположенным впереди плети из труб. Причем вовнутрь проделанного тоннеля на внешнюю поверхность прокладываемой плети из труб по транспортирующим каналам, расположенным внутри защитного композитного покрытия труб, подают смазывающую жидкость. При этом подача осуществляется на проектных расстояниях от проходческого комплекса.
В частном случае в качестве смазывающей жидкости используют бентонитовый раствор.
Также задача решается, а технический результат достигается тем, что труба для бестраншейной прокладки трубопровода через естественные и искусственные преграды снабжена защитным композитным покрытием, в котором расположены каналы, предназначенные для транспортировки и для подачи смазывающей жидкости на внешнюю поверхность труб.
В частном случае в качестве материала защитного композитного покрытия используют бетон.
Также в качестве материала защитного композитного покрытия могут быть использованы такие материалы, как полимербетон, композитный бетон, армированный фиброй, серобетон и подобные материалы.
При этом каналы для подачи смазывающей жидкости снабжены элементами вывода смазывающей жидкости на внешнюю поверхность композитного покрытия.
Продавливание плети из труб в тоннель, вырабатываемый проходческим комплексом, расположенным впереди плети из труб, позволяет избежать осыпание тоннеля, которое может возникнуть в случае разнесения процесса создания тоннеля с последующим выводом проходческого комплекса и продавливания плети из труб в созданный тоннель. Это повышает эффективность, что увеличивает производительность работ по прокладыванию трубопровода.
Подача смазывающей жидкости вовнутрь проделанного тоннеля на внешнюю поверхность прокладываемой плети из труб по транспортирующим каналам позволяет значительно уменьшить силу трения внешней поверхности плети из труб о поверхность создаваемого тоннеля на всем протяжении их взаимодействия.
Выполнение плети из труб с композитным покрытием, защищает сами трубы от внешнего воздействия, а также позволяет расположить в толще композитного покрытия транспортирующие каналы для подачи смазывающей жидкости на внешнюю поверхность плети из труб.
Использование бентонита, природного глинистого минерала, который может образовывать плотный гель, способствует значительному уменьшению силы трения внешней поверхности плети из труб о поверхность создаваемого тоннеля, а нетоксичность и химическая стойкость бентонита, позволяет его использовать в качестве смазывающей жидкости.
Уменьшение силы трения при продавливании плети труб в тоннель позволяет снизить энергоемкость процесса, уменьшить воздействие жестких элементов грунтов, например галечника, камней, скальных грунтов и т.п., на внешнюю защитную поверхность труб, и таким образом достигнуть технического результата, а именно повышение эффективности производимых работ по бестраншейной прокладки трубопровода.
Выполнение трубы для бестраншейной прокладки трубопровода через естественные и искусственные преграды с композитным покрытием, защищает сами трубы от внешнего воздействия жестких элементов грунтов, например галечника, камней, скальных грунтов и т.п.
Расположение в композитном покрытии каналов, предназначенных для транспортировки смазывающей жидкости и для подачи смазывающей жидкости на внешнюю поверхность плети труб позволяет создать конструкцию трубы, решающую вопрос уменьшения силы трения внешней поверхности плети из труб о поверхность создаваемого тоннеля равномерно на всем протяжении их взаимодействия, что снижает энергоемкость процесса бестраншейной прокладки трубопровода, а также уменьшает усилие воздействия жестких элементов грунтов, например галечника, камней, скальных грунтов и т.п., препятствующее прокладке трубопровода методом Direct Pipe.  Таким образом достигается технический результат изобретения, который заключается в повышение эффективности производимых работ по бестраншейной прокладки трубопровода большого диаметра.
В последующем заявляемое изобретение поясняется подробным описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее решение, примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 – изображена схема работы способа бестраншейной прокладки трубопровода через естественные и искусственные преграды;
фиг. 2 – изображен разрез стыка труб с транспортирующими каналами;
фиг. 3 – изображен разрез с размещенным элементом вывода смазывающей жидкости на внешнюю поверхность композитного покрытия труб;
фиг. 4 – изображена обетонированная труба с элементом вывода, расположенным в средней части трубы;
фиг. 5 – изображена обетонированная труба с элементом вывода в виде кольца;
фиг. 6 – изображен вариант исполнения кольца для вывода смазывающей жидкости на внешнюю поверхность композитного покрытия труб.
Схема работы способа бестраншейной прокладки трубопровода изображена на фиг.1.
В конкретном описываемом примере в качестве смазывающей жидкости предложен бентонит, как наиболее часто встречающийся материал, применяемый для подобных работ. Однако это не исключает и использование предлагаемого способа с другим смазывающим материалом.
Цифрами на схеме работы способа обозначены:
1 - плеть труб головного блока подачи бентонита;
2 - проходческий комплекс;
3 - обетонированная труба;
4 - плеть труб с дополнительными блоками подачи бентонита;
5 - транспортирующие каналы;
6 - элементы вывода смазывающей жидкости;
7 - узлы стыков труб дополнительных блоков подачи бентонита.
Согласно предлагаемому изобретению, для осуществления прокладки трубопровода вся плеть прокладываемых труб условно делится на две части, а именно плеть 1 обетонированных труб 3 головного блока подачи бентонита, включающая проходческий комплекс 2 и обетонированные трубы 3, и плеть 4 обетонированных труб 3 с дополнительными блоками подачи бентонита.
1
Следует понимать, что вышеуказанное деление условно, так как длина головного блока 1 подачи бентонита через проходческий комплекс 2 зависит от грунтов, через которые производится прокладка трубопровода. Учитывая разнообразие проходимых грунтов, в каждом случае, бентонит, подаваемый через проходческий комплекс 2, по-разному распределяется между внешней поверхностью плети 1 труб 3 головного блока подачи бентонита и внутренней поверхностью тоннеля. Однако в любом случае на расстоянии L, которое составляет около 150 метров от проходческого комплекса 2, наличие бентонита настолько мало, что уже практически не влияет на силы трения внешней поверхности прокладываемых труб 3 о поверхность создаваемого тоннеля.
Для уменьшения сил трения и улучшение скольжения прокладываемого трубопровода предназначена плеть 4 труб 3 с дополнительными блоками подачи бентонита.
Эта плеть 4 состоит из труб 3, снабженных защитным композитным покрытием, в котором расположены каналы 5, предназначенные для транспортировки бентонита, часть из которых снабжена элементами 6 вывода бентонита для подачи его на внешнюю поверхность труб 3. Плеть 4 выполнена из труб 3, соединяемых узлами 7 стыков. Узлы 7 стыков выполнены с возможностью соединения транспортирующих каналов 5 между собой, что позволяет заполнять их бентонитом, закачивая его в торцевое отверстие последней трубы 3 плети 4. Также в узлах 7 стыков труб 3 установлены элементы 6 вывода бентонита.
n
n
Элементы 6 вывода бентонита располагаются на проектируемых расстояниях L и находятся не во всех трубах 3. Расстояния Lявляются расчётными и зависят, например от грунтов, через которые производится прокладка трубопровода, объема и скорости подаваемого транспортирующими каналами 5 бентонита, скорости прокладки.
Таким образом, предлагаемый в изобретении способ обеспечивает наличие смазывающей жидкости, в конкретном случае бентонита, по всей внешней поверхности труб 3 прокладываемого трубопровода.
Это значительно уменьшает силы трения, возникающие на границе внешней поверхности прокладываемых труб 3 и внутренней поверхности тоннеля, улучшая скольжение, что позволяет прикладывать меньшие усилия для проталкивания труб 3 в тоннеле, тем самым увеличивая эффективность проводимых работ.
Далее приведены варианты выполнения труб 3 для бестраншейной прокладки трубопровода большого диаметра, предназначенные для реализации способа бестраншейной прокладки трубопровода большого диаметра, предлагаемого в изобретении.
Различные возможные, но не ограничивающие предлагаемые варианты трубы 3 для бестраншейной прокладки трубопровода большого диаметра через естественные и искусственные преграды, показаны на фиг.2, фиг.3 и фиг.4.
В описании приведен пример, где в качестве защитного композитного материала применен бетон. Однако возможно применение и других композитных материалов, например таких как полимербетон, композитный бетон, армированный фиброй, серобетон и т.п.
Вариант обетонированной трубы 3, представленной на фиг.2, состоит из проводящей трубы 8 с защитным покрытием 9, на котором размещен бетонный слой 10, покрытый внешним защитным покрытием 11.
Внутри бетонного слоя 10 установлены транспортирующие каналы 5, выполненные, например в виде трубок или иной формы. Конструктивно и технологически перед созданием бетонного слоя 10 транспортирующие каналы 5 могут быть прикреплены к проводящей трубе 8. Закрепление возможно проводить как вплотную к проводящей трубе 8, так и используя прокладки или арматуру (арматурный каркас), на чертежах не показано.
Транспортирующие каналы 5 могут быть изготовлены и различных материалов. Они могут быть как пластмассовыми, так и металлическими.
Сами транспортирующие каналы 5 могут иметь проходную площадь от 75 мм², при этом оптимальным вариантом являются каналы с проходной площадью 314 мм².
Транспортирующие каналы 5 выполнены выходящими за торец бетонного слоя 10, что позволяет их соединять в процессе соединения труб 3 в плети. При этом некоторые каналы 5 могут быть снабжены элементами 6 вывода смазывающей жидкости. В процессе доставки с завода до места производства работ, а также до начала работ элементы 6 вывода должны быть закрыты заглушками 12.
Сборку труб 3 в плети возможно произвести следующим образом. После сварки проводящих труб 8 место сварки защищают манжетой 13. Затем соединяют транспортирующие каналы 5 соединительной трубкой 14, используя, например сварку или пайку установленных поверх транспортирующих труб 5 и соединительных трубок 14 манжеты 15, как это показано на фиг. 2, вырывы А и Б. Возможны и другие способы соединения транспортирующих трубок 5.
После соединения транспортирующих трубок 5 производят заливку узла стыка труб 3 компаундом или иным быстротвердеющим протектором.
В заранее спроектированных местах на выходящие за торец бетонного слоя 10 транспортирующие каналы 5 устанавливают элементы 6 вывода смазывающей жидкости, например форсунки, с одетыми на них транспортными заглушками 12.
Другой вариант исполнения трубы 3 с транспортирующими каналами 5 представлен на фиг.4. В этой конструкции элемент 6 вывода смазывающей жидкости расположен в средней части слоя 10 бетонного покрытия трубы 3 по ее длине и представляет собой проходной тройник с отверстием для вывода смазывающей жидкости на внешнюю поверхность трубы 3. Отверстие для вывода смазывающей жидкости после изготовления трубы 3 закрывают транспортной заглушкой 12. Преимуществом такого выполнения трубы 3 является то, что она полностью изготовлена в заводских условиях, имеет стандартную конструкцию. Для подачи смазывающей жидкости достаточно снять необходимые транспортные заглушки 12.
Также вариантом исполнения трубы 3 с транспортирующими каналами 5 может быть конструкция, представленная на фиг.5, включающая в себя кольцо 16 с центральным круговым каналом 17. Вариант выполнения кольца 16 дополнительно представлен на фиг.6. Кольцо 16 имеет проходные отверстия 18, выполненные в двух торцевых поверхностях 19 кольца и выходные отверстия 20, предназначенные для вывода смазывающей жидкости на внешнюю поверхность трубы 3. Проходные отверстия 18 позволяют подсоединять к кольцу транспортирующие каналы 5.  Выходные отверстия 20 закрыты транспортной заглушкой 12. Снимают только необходимые транспортные заглушки 12 перед входом плети труб 3 в тоннель и при соединении с последующими транспортирующими каналами 5. За счет наличия кругового канала 17, объединяющего транспортирующие каналы 5 происходит дублирование их работы в случае, например непроходимости какой-либо из транспортирующих каналов 5, возникшей, например из-за пробки.
Возможны и другие варианты исполнения трубы 3 для бестраншейной прокладки трубопровода.
Таким образом в описании приведены способ бестраншейной прокладки трубопровода и варианты конструкции труб 3, позволяющие реализовать предложенный в изобретении способ.
Предложенный в изобретении способ позволяет повысить эффективность производимых работ по бестраншейной прокладки трубопровода.
Использование предложенного в изобретении способа с применением метода Direct Pipe для бестраншейной прокладки трубопровода создает ряд весомых преимуществ. Среди них сокращение временных затрат на производство работ из-за повышения скорости проходки за счет снижения сил трения между прокладываемой плетью труб и тоннелем, возможность использования метода практически в любых геологических условиях и прокладка трубопроводов на более протяженные дистанции.