Раствор для строительства подводных переходов трубопроводов методом горизонтально-направленного бурения щитом с использованием тоннелепроходческого комплекса в глинистых грунтах (варианты)
SOLUTION FOR CONSTRUCTION OF UNDERWATER PASSAGES OF PIPELINES BY HORIZONTAL DIRECTIONAL DRILLING USING SHIELD USING TUNNEL-AND-BORE COMPLEX IN CLAY SOILS (EMBODIMENTS)

Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится к растворам, применяемым в качестве промывочных жидкостей для строительства подводных переходов трубопроводов в глинистых грунтах методом горизонтально-направленного бурения щитом с использованием тоннелепроходческого комплекса.
Уровень техники
Традиционно при строительстве подводных переходов трубопроводов в глинистых грунтах тоннелепроходческим комплексом методом горизонтально-направленного бурения щитом (Direct pipe) в качестве гидравлического пригруза применяют воду или промывочные жидкости (растворы) на основе воды. Метод горизонтально-направленного бурения (метод Direct pipe) представляет собой одноэтапную операцию, реализуемую тоннелепроходческим комплексом, в котором дистанционно управляемая проходческая установка с гидравлическим пригрузом забоя присоединяется к дюкеру и устанавливается на роликовые опоры. Забой разрабатывается режуще-скалывающим инструментом - план-шайбой. Процесс бурения сопровождается подачей по соединительным линиям в призабойную зону раствора, используемого для промывки и выноса шлама по системе гидротранспорта, а также в качестве гидравлического пригруза забоя.
При прохождении глинистых грунтов, особенно твердых суглинков и глин, скорость тоннелепроходческого комплекса снижается в 2-3 раза, по сравнению с прохождением участков из несвязных грунтов. Это обусловлено тем, что вода (раствор) интенсивно взаимодействует с глинистым грунтом и повышает его влажность и текучесть, что провоцирует закупоривание отверстий на щите, возникновение сальников (налипания глинистых масс на план-шайбу), приводит к снижению способности выноса шлама по магистрали гидротранспорта. Результатом подобных процессов может стать потеря циркуляции жидкости, застревание и заклинивание план-шайбы, что приводит к невозможности дальнейшего выполнения работ.
Для избежания данных проблем используют различные компоненты для ликвидации осложнений, ингибиторы или стабилизаторы глин, смазочные добавки для смазки инструмента и стенок скважины для облегчения проходки, полимеры, загущающие буровой раствор для поддержания его необходимой вязкости.
Из уровня техники известен «Спиртовой буровой раствор» (патент РФ на изобретение RU 2501828 С1, опубликован: 20.12.2013, МПК: С09К 8/08), который относится к буровым растворам на водной основе и применяется при бурении нефтяных и газовых скважин, преимущественно при бурении неустойчивых глинистых пород. Буровой раствор включает (мас. %): глинопорошок ПБМВ (1,2), биополимер Сараксан (0,2), хлористый калий (0,5-1,1), ацетат натрия (2,5-3,1), анионную эмульсию Росфлок ПВ (2,1), триэтиленгликоль (9,8), талловое масло (11,3), бактерицид «Remacid» (0,1), воду - остальное. Известный состав обладает недостаточной стабилизирующей способностью по отношению к твердым суглинкам и глинам, что не обеспечивает эффективного предотвращения образование сальниковых отложений на план-шайбе.
L
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по составу и технологической сущности является «Буровой раствор на синтетической основе» (патент РФ на изобретение RU 2445336 С1, опубликован: 20.03.2012, МПК: С09К 8/08), включающий водный раствор многоатомного спирта (например, глицерина), биополимер, дисперсионную фазу в виде дисперсного мела, анионную эмульсию РОСФЛОК ПВ, соль-электролит - формиат натрия или ацетат натрия, бактерицид. Однако данный буровой раствор не позволяет укрепить глинистые грунты в скважине, повысить выносящую способность бурового шлама для предотвращения образование сальниковых отложений на план-шайбе и увеличить скорость прохождения тоннелепроходческого комплекса. Особенно неудовлетворительная эффективность известного состава проявляется при бурении грунтов, состоящих из твердых суглинков и глин, обладающих показателем текучести (I) меньше нуля (по ГОСТ 25100-2011).
Сущность изобретения
Задачей заявленной группы изобретений является получение состава раствора, применяемого в качестве промывочной жидкости для строительства подводных переходов трубопроводов тоннелепроходческим комплексом методом горизонтально-направленного бурения щитом (Direct pipe) в глинистых грунтах, в том числе в грунтах, состоящих из твердых суглинков и глин.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение возможности укрепления скважины в зоне залегания глинистых грунтов, повышение способности выноса бурового шлама, увеличение скорости прохождения тоннелепроходческого комплекса при горизонтально-направленном бурении щитом подводных переходов трубопроводов.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в состав раствора для строительства подводных переходов в глинистых грунтах входят вода, капсулирующий полимер, формиат натрия или ацетат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- РОСФЛОККВП
1-3;
- формиат или ацетат натрия
3-10;
- вода
остальное.
Кроме того, указанный технический результат достигается также за счет того, что в состав раствора для строительства подводных переходов трубопроводов в глинистых грунтах входят вода, капсулирующий полимер, формиат натрия или ацетат натрия, растительное масло при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- РОСФЛОККВП
1-3;
- формиат или ацетат натрия
3-10;
- растительное масло
3-15;
- вода
остальное.
В качестве растительного масла применено подсолнечное или рапсовое масло.
L
Второй вариант раствора наиболее эффективен при бурении грунтов, состоящих из твердых суглинков и глин, обладающих показателем текучести (I) меньше нуля (по ГОСТ 25100-2011).
В составе заявляемых вариантов раствора используются следующие соединения:
- РОСФЛОК КВП (в соответствии с ТУ 2458-002-22361394-2001) - высокомолекулярный гидролизный полиакриламид, представляющий собой анионную эмульсию, растворимую в воде. Образует гелеобразные структуры, тем самым препятствуя проникновению водной фазы глины в ее состав;
- формиат натрия (в соответствии с ТУ 2432-008-50685486-2004) или ацетат натрия (в соответствии с ТУ 2432-043- 07510508-2003), которые выполняют функцию ингибитора набухания и стабилизатора состояния глинистых сланцев;
- растительное масло (в соответствии с ТУ 9141-334-37676459-2015), выполняющее функцию усилителя действия солей монокарбоновых кислот (формиат и ацетат натрия), а также смазочной добавки и обладающее антифрикционными свойствами.
Эффективность предлагаемого решения обусловлена следующим. Особенностью существования полиакриламидов в водной среде является то, что структура их раствора при высоких градиентах сдвига, например, после прохождения в гидромониторных насадках, подвергается интенсивному разрушению. Поэтому раствор на основе капсулирующего полимера РОСФЛОК КВП теряет свои эксплуатационные свойства. Подобное явление называется также «старением» или «деградацией». Оно обусловлено тем, что разрушаются водородные связи, сформированные между водными оболочками растворенных молекул полиакриламидов, а вода, связанная ими, замыкает водородные связи, между отдельными молекулами воды в данной структуре. Структуре раствора придается дискретный характер, т.е. она начинает представлять собой дисперсионную среду и отдельные гидратированные молекулы полимера. Это обусловлено тем, что увеличивается индукционный период для образования водородных связей, тем самым как бы придается гидрофобность структуре воды, связанной полиакриламидами.
Однако наличие в составе раствора формиата или ацетата натрия предотвращает данное явление. Это обусловлено тем, что данные соединения при их концентрации, составляющей 3-10 мас. %, ведут себя в растворе как типичные электролиты. В силу этого они поляризуют водородные связи, созданные между растворенными в воде молекулами полиакриламидов. Увеличение поляризованности водородных связей в значительной степени снижает индукционный период для образования водородных связей. Это способствует приданию водородным связям большей гибкости, и увеличению их способности к быстрому восстановлению после произошедшего разрушения, тем самым способствуя сохранению эксплуатационных свойств водных растворов полиакриламидов.
Однако в силу того, что данные соединения образованы крупноразмерными ионами (ион формиата -  ион ацетата - ), то они способны наполнять пространственные гидратные структуры, созданные на основе водородных связей. Так как при связывании воды глиной формируются пространственные структуры, то ионы формиата или ацетата способны заполнять внутреннее пространство подобных структур с формированием краун-эфиров, которые относятся к соединениям включения.
Подобное управление поведением воды, связываемой глиной, позволяет одновременно снизить скорость поступления воды в глину, уменьшить величину ее набухания и скорость данного процесса. Образование гидратных соединений включений замедлит и даже полностью прекратит увлажнение глин из-за отсутствия каналов доступа для мономеров воды через водную структуру глины. Т.е. сочетания защитных реагентов в виде полимера (РОСФЛОК КВП) совместно с формиатом или ацетатом натрия создают в водной структуре глины гидратные соединения включения. Поэтому поверхность глинистых пород, при наличии оптимального компромисса между дисперсионными и химическими связями в ее водной структуре, способна стать гидрофобной и формировать в объеме глины гидратную структуру, объединяющую ее в единое, прочное целое.
Однако такое действие полиакриламидов и формиата или ацетата натрия будет характерно только для пластичных глин. Это обусловлено тем, что твердые глины более интенсивно впитывают воду, чем пластичные глины. Первым этапом взаимодействия воды с глиной является всасывание глиной воды и ее разбухание, вторым этапом является диспергирование гидратированных частиц глины. Для глинистых отложений, содержащих в своем составе глины с положительным показателем текучести, оба этих этапа в значительной степени растянуты во времени. Для глинистых отложений, содержащих глины с отрицательными значениями показателя текучести, указанные этапы, фактически, происходят одновременно из-за объемного разрушения глинистого грунта. Поэтому необходимо применить дополнительный стабилизатор, способный стабилизировать твердые глины, особенно с высоким показателем пластичности.
Подобную роль дополнительного стабилизатора способны выполнять многие органические неэлектролиты. Однако особенности реализации метода горизонтально-направленного бурения (метод Direct pipe) требуют применения экологически безопасных соединений, способных разрушаться под действием окружающей среды. К ним относятся природные растительные масла (подсолнечное, рапсовое).
Ограничениями по содержанию вводимых реагентов обусловлены тем, что при содержании полимера РОСФЛОК КВП более 3 мас. % раствор превращается в структурированный гель, который неприспособлен к перекачиванию и прохождению через гидромониторные насадки, а при содержании полимера РОСФЛОК КВП менее 0,5 мас. % раствор становится жидкостью, неспособной сохранить в стабильном состоянии эмульсии с растительным маслом.
Изучение устойчивости образцов глины велось по следующей методике. На основе суббентонита (Альметьевский глинопорошок) путем его смешения с водой и песком формировались образцы супеси, суглинка и глины с различными показателями текучести. Из полученных смесей прессовались таблетки диаметром 1 см и высотой 1 см. Для выравнивания влажности образцы выдерживались в эксикаторе в течение 1 недели. Подготовленные образцы закладывались в различные испытуемые среды, где выдерживались в течение времени, которое обеспечивало им устойчивое существование. Время устойчивого существования определялось визуально по отсутствию сколов, трещин, осыпания образцов, а также их набухания. Оптимальное время устойчивого существования образцов глины определялось на основании максимально возможного времени, необходимого для доставки выбуренного шлама на дневную поверхность - 2-3 часа.
Испытуемые растворы (промывочные жидкости) получали механическим смешиванием компонентов в заявленных пределах содержания компонентов.
Результаты экспериментов, приведенные в таблице, позволили установить оптимальную рецептуру раствора.
В таблице приведены реологические параметры растворов и состояние образцов глинистых грунтов. Составы растворов приведены в прилагаемой таблице. Состав растворов указан в мас. %, что соответствует количеству реагентов в граммах, необходимых для приготовления 100 г раствора.
Основными ограничениями для предлагаемых составов раствора оказались условия устойчивого существования самой жидкости. При избыточных концентрациях капсулирующего полимера РОСФЛОК КВП в объеме раствора формировался малопрокачиваемый гель, а при малых концентрациях указанного полимера при создании эмульсии с растительным маслом получаемая промывочная жидкость оказывалась нестабильной. В первую очередь, это обусловлено тем, что получаемая эмульсия имеет стабилизационную защиту структурно-механического типа.
Таким образом было установлено, что составы растворов, приведенные в пунктах 1-6 и 11-16 таблицы, для которых время устойчивого существования образца составляло 24 часа и более, обеспечивают возможность укрепления скважины в зоне залегания глинистых грунтов, повышают способность выноса бурового шлама, в результате чего увеличивается скорость прохождения тоннелепроходческого комплекса при горизонтально-направленном бурении щитом подводных переходов трубопроводов.