Проэктирование подводного перехода методом ННБ. Проэктирование подводного перехода методом ннб
 Скачать 196.63 Kb.
|
|
ТЛ Проэктирование подводного перехода методом ННБ СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Подводный переход - особый конструктивный элемент линейной части магистрального трубопровода, который представляет потенциальную опасность для окружающей среды. Поэтому в свое время был выпущен ряд нормативно-технических документов, определяющих правила проектирования, строительства и эксплуатации подводных переходов, общим принципом которых является предупреждение аварийных разливов нефти или выхода газа при сохранении эффективности трубопроводной системы. Практика эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов показала, что для предотвращения серьезных аварий и своевременного проведения планово-предупредительного ремонта необходимо периодическое обследование технического состояния подводного перехода. Для анализа риска возникновения аварий важно определить набор типичных аварийных ситуаций, с той или иной степенью вероятности их возникновения в зависимости от старения металла труб, повреждения изоляции, размыва подводных переходов и других технических и антропогенных факторов. Система технического обслуживания и ремонта подводных переходов предусматривает организацию работ, обеспечивающую безопасность трубопроводов при надлежащем уровне контроля, выбор рациональных методов предупреждения аварийных ситуаций, а также готовность к их ликвидации. 1 Общая часть 1.1 Актуальность метода ННБ Наиболее распространенные траншейные способы сооружения подводных переходов трубопроводов наряду с их достоинствами имеют ряд существенных недостатков и в полной мере не отвечают современным требованиям - необходимому уровню конструктивной надежности и защите окружающей среды. Основными недостатками траншейного способа являются большой объем земляных и трудоемких водолазных работ, необходимость громоздких, утяжеляющих пригрузов или других средств, удерживающих трубопровод в проектном положении в обводненной траншее. Механизированная разработка нижних слоев грунта береговых и русловых участков переходов, особенно в сочетании с взрывными работами, наносит ущерб экологическому состоянию водоемов. Значительный ущерб наносится при строительстве переходов магистральных трубопроводов через крупные реки. После окончания строительства переходов часто не восстанавливаются русла рек, происходит заболачивание поймы, происходит обрушение берегов, нарушается гидрологический режим. Между тем крупные реки играют большую роль. Это и места нерестилищ, и кормовые угодья для рыб, и судоходные пути. С учетом всех этих факторов одной из основных и все более актуальных задач, стоящих перед строителями магистральных трубопроводов, в последние 20 лет стала задача создания методов и технологий, обеспечивающих наименьшее нарушение окружающей среды, при этом снизить трудоемкость работ и сократить сроки их выполнения. К таким методам относятся наклонно-направленное бурение. Преимущества метода ННБ: - экологическая безопасность, сохранность дна, берегов реки, водного режима реки за счет исключения подводных и береговых земляных, буровзрывных, берегоукрепительных и других работ; - отсутствие помех судоходству; минимальный объем вынутого грунта; значительное сокращение сроков строительства; уменьшение эксплуатационных затрат; - долговечность; - надежная защита от внешних механических повреждений, в том числе от воздействия льдов и якорей судов в результате более глубокого заложения трубопровода; - отсутствие опасности обнажения трубопровода при размывах русел рек; - возможность строительства: при отрицательных температурах, на ограниченных по площади строительных площадках, в стесненных условиях, под гидротехническими сооружениями и глубоко расположенными коммуникациями, в вечной мерзлоте. К недостаткам метода ННБ, ограничивающим его применение, относятся: - большие единовременные затраты на приобретение оборудования; - необходимость глубокого (до 40 м от дна) геотехнического бурения и гидрогеологических изысканий; - сложность проходки в галечниковых, валунных, илистых и карстовых грунтах; - повышенные требования к устойчивости береговых откосов. Несмотря на все недостатки, метод ННБ является одним из самых прогрессивных в строительстве подводных переходов. 1.2 Применение метода ННБ Для оценки возможности и целесообразности применения ННБ учитываются следующие факторы: - результаты инженерных изысканий, в состав которых входят геодезическая съемка, геологические, гидрогеологические, гидрометрические, гидрометеорологические, геокриологические, экологические изыскания, оценка магнитного фонового состояния; - наличие и особенности хозяйственной инфраструктуры в районе расположения перехода, состояние и условия эксплуатации гидротехнических сооружений, условия взаимного влияния различных сооружений при их эксплуатации; характерные особенности местности. Для строительства трубопроводов методом ННБ наиболее благоприятны реки (при доступной ширине и геологии русла и берегов), имеющие ленточно-грядовый, побочневый и ог-раниченно-меандрирующий типы руслового процесса, а также русловую многорукавность, где русловые процессы в рукавах развиваются по тому же типу. Существуют проблемы, связанные с применением ННБ на реках, имеющих типы руслового процесса в виде свободного меандрирования, незавершенного меандрирования и пойменной многорукавности. Эти условия характеризуются большими и трудно прогнозируемыми плановыми деформациями, широкой и низкой поймой, разновысотностью береговых склонов, что представляет большие сложности для ННБ. В этих условиях применение ННБ допускается только в случаях с незначительными параметрами русел этих рек (ширина, высота, состояние берегов, скорости их размыва и др.), с последующим прогнозированием условий их дальнейшего развития и разработкой дополнительных мер по их стабилизации и предупреждению опасных русловых процессов. Применение ННБ ограничено также на участках рек, русло и берега которых сложены из скальных пород выше IV категории прочности или грунтов с большим содержанием галечника (более 30 %) крупностью 5 -- 10 мм и валунов. Существуют и другие ограничения, которые необходимо учитывать при принятии решения о применении ННБ. Например, наличие в грунтах по трассе трубопровода карстов, обводненных песков, ила, оползней. 1.3 Строительство подводных переходов трубопроводов способом ННБ Строительство подводных переходов трубопроводов способом ННБ, в зависимости от характеристики водных преград, типа используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров бурового оборудования и протаскиваемого трубопровода (длины криволинейного участка, диаметра и др.), осуществляется по различным технологическим схемам, имеющим определенные различия. Сущность метода заключается в том, что по створу перехода под руслом реки пробуривается скважина, по которой с берега на берег протаскивается трубопровод. Общим для всех технологических схем является: - бурение пилотной скважины; - расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях - прямом и обратном; - протаскивание трубопровода в разработанную скважину. Буровая головка установки ННБ наклонена таким образом, что постоянное вращение буровой штанги в сочетании с нажимом создает прямолинейную скважину. В результате получается скважина заданной кривизны. Нажим без вращения приводит к отклонению штанги от заданного направления. При бурении в скальных породах вращение и нажим могут комбинироваться с ударным воздействием молота. Для разработки скальных пород и других твердых формаций используется гидравлическая энергия импульсных струй высокого давления, генерируемая гидрозабойным двигателем. Существуют установки направленного бурения, которые не требуют для своей работы бурового раствора, что делает их особенно привлекательными в том случае, когда рабочее пространство ограничено. Устройство управления процессом бурения размещается за долотом буровой колонны. При движении в скважине полученная с его помощью информация позволяет следить за траекторией и направлением бурения. Эта информация постоянно записывается наземной компьютерной системой. На втором этапе в обратном или прямом направлении пилотную скважину расширяют путем разбуривания. Расширение производят столько раз, сколько необходимо, чтобы расширить скважину до диаметра укладываемой трубы. В случае прямого расширения буровую трубу присоединяют как впереди, так и позади расширителя. Расширитель протаскивается, а какое-либо устройство (трактор, трубоукладчик) поддерживает тяговое усилие с выходной стороны, в то время как крутящий момент и вращение прилагаются со стороны входа. Расширяющий элемент для гидромониторного бурения помещается впереди расширителя и позволяет держать скважину открытой для циркуляции бурового раствора. Для расширения пилотной скважины до большого диаметра позади расширителя помещают невращающийся стабилизатор для правильного центрирования буровой трубы в скважине. Буровые трубы поочередно наращиваются в процессе бурения, а каретка станка обеспечивает поступательно-вращательное движение буровой колонне. К выходному концу буровой колонны присоединяется вертлюг; он необходим для обеспечения тягового усилия. В случае обратного расширения буровой станок тянет расширитель в направлении входа скважины и прилагает тяговое и вращательное усилие. Перед протаскиванием трубопровода при необходимости производится калибровка скважины (зачистка и укрепление стенок) с помощью цилиндрического расширителя. Окончательный диаметр подготовленной скважины должен не менее чем на 25 % превышать диаметр протаскиваемого трубопровода. В подготовленную траншею протаскивается трубопровод. При устойчивых стенках скважины этап протаскивания можно совместить с последним этапом расширения. Дюкер собирается на выходном конце скважины и сваривается в единое целое. Специальный оголовок соединяется с дюкером и затем присоединяется к буровой колонне. Буровая колонна с помощью бурового станка вытягивается назад, а бурильные трубы удаляются по мере протаскивания дюкера. 2. Расчетно-технологическая часть 2.1 Технология сооружения подводного перехода методом ННБ Процесс бурения установкой ННБ включает в себя четыре этапа: - бурение пилотной скважины; - расширение скважины вперед или назад; - калибровка скважины; - протаскивание дюкера ходом назад. На первом этапе пробуривается пилотная, направляющая скважина, диаметр которой меньше диаметра дюкера. Диаметр пилотной скважины не превышает 20 см. Бурение может производиться с использованием, например, струйной шарошки, которая с помощью гидравлической энергии бурового раствора размывает породы. При пилотном бурении используются различные системы навигации, предназначенные для проведения скважины по заданной траектории от ее входа до выхода. Второй этап - расширение скважины до необходимого размера. Диаметр скважины должен быть больше диаметра трубопровода на 30--50 %. При проходке не должно быть такой ситуации, когда диаметр пропускаемых по скважине каких-либо устройств равнялся бы диаметру скважины. Размер этих устройств должен быть значительно меньше диаметра скважины. Расширение можно производить двумя способами: 1) расширение ходом вперед. При этом способе буровой расширитель проталкивается со стороны входа скважины к ее выходу с помощью бурового става. Расширитель, размещенный на входной стороне, при своем вращении режет породы, увеличивая диаметр скважины и перпендикулярность ее к плоскости забоя; 2) расширение ходом назад. При этом способе расширитель с помощью буровой установки перемещается от выхода к входу. Третий этап бурения - калибровка. Как только скважина будет расширена до необходимого диаметра, барабанный расширитель, имеющий тот же диаметр, что и трубопровод, протаскивается по скважине. Скважина после этого будет, откалибрована и очищена от любых помех, которые могут существовать внутри расширенной скважины. На обоих концах барабанного расширителя имеются резцы, позволяющие расширителю вырезать и удалять вывалы, которые могут затруднять перемещение барабанного расширителя по скважине. Четвертый этап - протаскивание трубопровода. Головная часть протаскивателя подсоединяется к бурильным трубам, проходящим по скважине к буровой установке. Протаскиватель имеет шарнирный соединитель, позволяющий головной части изгибаться так, чтобы трубопровод мог пройти в скважину. Кроме того, протаскиватель оснащен спереди режущей головкой, для того, чтобы при встрече с каким-нибудь препятствием внутри расширенной скважины бурильные трубы смогли быть приведены во вращение и режущая головка смогла бы удалить препятствие и открыть дорогу для протаскивания трубопровода по скважине. Система проталкивания трубопровода состоит из цангового зажима, якорного устойства, системы поддержки трубопровода, системы полиспастов и лебедки. Размещается эта система на стороне выхода скважины и предназначена для облегчения работы буровой установки при проталкивании трубопровода по скважине. Система проталкивания может быть использована для разных диаметров труб. Технология сооружения подводного перехода методом наклонно-направленного бурения включает в себя несколько этапов: - подготовка строительных площадок и установка бурового оборудования; - подготовка плети трубопровода; - бурение «пилотной» скважины; - расширение скважины; - протаскивание плети трубопровода; - испытание подводного перехода; - утилизация отходов и рекультивация загрязненных земель. 2.1.1 Подготовка строительных площадок и установка бурового оборудования Участок по производству работ по наклонно-направленному бурению, расположенный по обеим берегам реки, представляет из себя две отдельных строительных площадки. Установка наклонно-направленного бурения доставляется на площадку в виде блоков. Размещение основных компонентов буровой установки (наклонной платформы, бурильных труб и передвижной будки оператора) привязывается к точке входа. Наклонная платформа буровой установки располагается на одной линии с направлением ствола скважины и смещена от точки входа назад на 8 м. Для восприятия нагрузки, развиваемой буровой установкой в процессе протаскивания плети трубопровода, перед передней кромкой буровой установки сооружается шпунтовая стенка глубиной 12 м и шириной 10 м. Для подготовки плети рабочего трубопровода будет использоваться площадка, длина которой соответствует длине бурения (850 м - исходя из предыдущего опыта применения метода ННБ на данном переходе), а ширина составляет 12 м. Передний конец подготавливаемой плети трубопровода должен отстоять от точки выхода не менее чем на 60 м, чтобы обеспечить место для складирования бурильных штанг, расширителей и для операций с ними. Рабочая площадка для сборки протягиваемого трубопровода должна быть расчищена, и выравнена в той степени, которая позволит проводить работы по выставлению роликоопор на грунтовое основание. 2.1.2 Подготовка плети трубопровода Подготовка плети трубопровода включает следующие технологические операции: - вывозка труб и раскладка труб; - сборка стыков и сварка плети трубопровода; - контроль качества сварных стыков; - изоляционные работы; - гидроиспытание плети (1-й этап) - до протаскивания; - расстановка роликоопор; - укладка плети на роликоопоры. В соответствии со СНиП 2.05.06.-85* участок переукладки отнесен к катогории Трубопровод на участке переукладки категории «В» должен быть подвергнут 100% контролю сварных стыков радиографическим методом. Технологические процессы монтажа и сварки трубопроводов должны выполняться в соответствии с требованиями. Защиту трубопровода от почвенной коррозии выполняет трехслойное изоляционное покрытие из экструдированного полиэтилена, толщиной не менее 3 мм, наносимое в заводских условиях. Изоляция сварных соединений производится манжетами из армированного стекловолокном термоусадочного полимерного материала типа DIRAX-40000-24, устанавливаемыми на эпоксидный праймер. Толщина манжеты после полной усадки составляет 3,5 мм. Конструкция изоляционного покрытия должна отвечать общим требованиям к защите от коррозии, согласно ГОСТ 25812-83. Изоляционное покрытие должно выдержать испытание на сплошность искровым дефектоскопом в соответствии с требованиями НТД. 2.1.3 Бурение пилотной скважины Бурение пилотной скважины будет осуществляться роторным методом бурения, которое осуществляется путем разрушения породы долотом, приводимым в движение ротором через буровую колонну. Изменение направления движения забойного инструмента происходит путем ориентирования отклонителя в нужном направлении и последующего осевого движения до закрепления траектории. Ориентирование отклонителя осуществляется путем поворота буровой колонны. Движение по прямой осуществляется при осевом движении и вращении буровой колонны одновременно. Внутри буровой колонны крепится кабель для съемки Dбк=0,127 м, толщиной стенки дбк=0,012 м. Характеристики используемой буровой колонны жестко не регламентированы. Основное требование - буровая колонна должна удовлетворять условиям прочности при проведении технологических операций строительства перехода. Характер изменения тягового усилия зависит от используемых бурильных труб, но на конечное значение усилия протягивания типоразмер применяемых бурильных труб не влияет, поскольку к этому моменту бурильная колонна находится на берегу. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на успех работ по бурению перехода, является качество бурового раствора. В процессе наклонно-направленного бурения буровой раствор выполняет следующие важнейшие функции: - водонасыщение и размягчение грунта и его последующее разрушение (размыв) давлением струй, истекающих из насадок на забойном буровом инструменте и расширителях; - вынос из скважины на поверхность частиц разбуренной породы; - уменьшение трения при вращении буровой колонны и работе бурового инструмента; - охлаждение и очистка бурового инструмента; - поддержание устойчивости стенок скважины, предотвращение обвалов и осыпей; - удержание частиц разбуренной породы во взвешенном состоянии при остановках бурения; - кольматация стенок скважины для предотвращения попадания грунтовых вод в полость скважины и поглощения бурового раствора окружающей породой. Буровой раствор, используемый при наклонно-направленном бурении, представляет собой суспензию соответствующим образом приготовленного глинистого порошка в воде. При этом в качестве глины используется бентонит, вода забирается из реки в районе строительства. Бентонит представляет собой пластичную, коллоидальную глину, состоящую в основном из монтмориллонита. Бентонит характеризуется такими параметрами как набухание и способность гелеобразования при диспергировании в воде. При набухании он увеличивает Основным параметром, характеризующим способность бентонита к набуханию, является выход бентонитового раствора, измеряемый в м3/т (т.е. в кубометрах раствора, получаемого из тонны глинопорошка при стандартных условиях). Объем получаемого бурового раствора, зависящий от характеристики бентонита, вязкости раствора и других параметров, должен составлять не менее 15 м3/т. Основными добавками, увеличивающими выход бентонитового раствора, являются кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и специальные полимеры, позволяющие увеличить выход раствора до 30-40 м3/т, то есть расход бентонита при той же вязкости раствора сокращается в 2-2,5 раза. 2.1.4 Расширение скважин Площадь поперечного сечения скважины должна быть больше поперечного сечения рабочего трубопровода. Поэтому перед протаскиванием трубопровода скважина должна быть расширена. Расширение скважины осуществляется путем последовательного протаскивания специальных устройств - расширителей, через ствол пилотной скважины. Расширители закрепляются на бурильной колонне в точке выхода ствола, приводятся во вращение и протаскиваются по направлению к буровой установке, благодаря чему производится расширение ствола пилотной скважины. 2.1.5 Протаскивание плети трубопровода Оголовок для протаскивания должен быть смонтирован на передний конец плети. Для изготовления оголовка требуется полусферическая заглушка. На заглушку будет наварена тяговая рама из конструкционной стали и кронштейн для закрепления переднего конца трубы кабеля связи. После завершения последнего прохода расширителя к концу буровой колонны у места выхода скважины последовательно присоединяются: калибратор, шарнир и оголовок плети. Шарнир служит для того, чтобы на плеть не передавался крутящий момент. Одновременно с вращением калибратора буровая установка тянет плеть на себя. В процессе протаскивания трубопровод перемещается по роликоопорам. Площадка в зоне выхода скважины должна быть тщательно спланирована для того чтобы трубоукладчики могли вывесить плеть перед входом в скважину по расчетной кривой, обеспечивающей изгибные напряжения в трубе не более допустимых и вхождение плети в скважину без перекоса. Для поддержания трубопровода в зоне входа в скважину используются мягкие полотенца. В процессе протаскивания плети необходимо регулировать ее вес (плавучесть) для уменьшения трения плети о стенки скважины. Протаскивание плети трубопровода осуществляется усилием, развиваемым которой расположен калибратор, который соединен с тяговым оголовком плети через вертлюг. При протаскивании секция труб опирается на опоры, снабженные роликами с полиуретановым покрытием для сведения к минимуму растягивающих усилий и предотвращения повреждения изоляции трубопровода. 2.2 Продольный профиль ствола скважины Построение продольного профиля трубопровода бестраншейными методами строительства, зависящего от характеристики водной преграды, параметров прокладываемого трубопровода, используемой техники и технологии бурения скважины, экологических условий района строительства и других факторов, выполняется при проектировании подводного перехода и может, при необходимости, уточняться перед началом работ с учетом дополнительных исходных данных по переходу и условиям строительства. Продольный профиль ствола скважины представляет собой пологую кривую, состоящую из сопрягаемых между собой прямолинейных и криволинейных участков с определенными радиусами, которые определяются радиусом естественного изгиба протаскиваемого трубопровода. Углы входа и выхода буровой головки относительно горизонта, протяженности прямолинейных и криволинейных участков, а также радиусы изгиба представляются в чертежах Рабочего проекта, в соответствии с которыми производится бурение пилотной скважины. При описании профиля приводятся параметры, позволяющие однозначно определить профиль скважины - углы входа и выхода бурильного инструмента, длины участков и радиусы искривления. Наиболее типичным являются профили: - состоящие из двух прямолинейных граничных участков и центрального, искривленного по радиусу, участка; - профили, включающие дополнительно центральную прямолинейную вставку. Если позволяют условия проектирования, то длина центральной вставки должна превышать 50 м (около пяти бурильных труб) в целях получения возможности корректировать профиль при бурении скважины. Длина перехода определяется расстоянием между точкой забуривания пилотной скважины и местом ее выхода и характеризуется углами входа и выхода бура. Границами русловой части подводного перехода, выполненного бестраншейным методом, являются точки входа и выхода скважины. Бурение пилотной скважины ведется в соответствии с чертежами Рабочего проекта. Трубопровод в грунтовой скважине необходимо проложить ниже линии предельного размыва по радиусу не менее радиуса упругого изгиба трубопровода. Радиус изгиба проектируемой скважины должен быть не менее радиуса упругого изгиба трубопровода. Минимально допустимые радиусы упругого изгиба, обеспечивающие прокладку трубопроводов без опасных напряжений в стеках трубы, должены соответствовать формуле: |