Закрытый способ строительства трубопроводов через водные преграды

Исходя из возросших требований экологической безопасности, проблема надежности переходов трубопроводов через водные преграды является наиболее актуальной.

Строительство и реконструкция подводных переходов трубопроводов традиционными траншейными методами, как правило, требуют выполнения большого объема земляных работ, наносящих значительный ущерб окружающей среде из-за нарушения целостности берегов и дна реки, а проведение буровзрывных работ в скальных грунтах резко отрицательно сказывается на ихтиофауне. К закрытому способу строительства переходов через водные преграды относятся следующие бестраншейные методы: наклонно-направленное бурение (ННБ) и микротоннелирование (МТ).

Метод ННБ применяется при пересечении водоемов (реки, каналы, озера, болота) как альтернатива траншейной или воздушной прокладке. Иногда традиционные методы просто неприменимы. Рассмотрим основные преимущества метода ННБ по сравнению с траншейным методом прокладки.

1. Бóльшая надежность построенного объекта. Трубопровод, уложенный в скважину, находится в массиве ненарушенного грунта на большой глубине – ниже прогнозируемых русловых деформаций. При этом просадки, всплытия и другие изменения положения трубопровода исключаются. Что касается подводных переходов, проложенных в траншеях, то такие переходы подвергаются в период эксплуатации оголению, выпучиванию или всплытию.

2. Сокращение эксплуатационных затрат. Исключаются водолазные обследования, отпадает необходимость периодических работ по ликвидации размывов и ремонту берегоукреплений. Известно, что именно размывы являются головной болью организаций, эксплуатирующих подводные переходы, проложенные в траншеях. Ежегодно на засыпку размывов, подсадку, ремонт берегоукреплений тратятся огромные средства.

3. Сокращение сроков строительства. Например, при траншейном методе строительства перехода через реку диаметром 1020 мм и длиной 800 м весь период строительства, включая организационно-технологические мероприятия, составляет около 8 месяцев, а собственно подводно-технические работы – не менее 3 месяцев. При прокладке такого же перехода методом ННБ общий срок строительства составит 3 – 4 месяца, а собственно бурение и протаскивание – 2 – 4 недели.

4. Круглогодичность строительства. В связи с отсутствием землечерпательных работ график строительства не зависит от времени года. При траншейном методе строительства график работ находится в зависимости от ледового режима, периода половодья, от режима судоходства, а для водохранилищ – от режима изменения уровня воды. При ННБ, как правило, строительные площадки находятся на достаточном возвышении, чтобы не зависеть от изменения уровня воды или наличия ледового покрова, а также не создается никаких помех судоходству.

5. Экологическая чистота строительства. Водоем и его берега не затрагиваются строительством. Не нарушается естественный ландшафт, флора и фауна водоемов. В последнее десятилетие это преимущество становится особенно важным, и в ряде регионов России местные природоохранные органы просто запрещают земляные работы на многих реках. При традиционном же способе замутнение воды в ходе земляных работ оказывает негативное влияние на популяции рыб, нарушение берегов ведет к необходимости строительства берегоукрепительных сооружений, уродующих ландшафт, а объемы срезок и перемещений грунта составляют сотни тысяч, а иногда и миллионы кубометров.

6. Сокращение материалоемкости объекта за счет исключения балластировки. Например, при траншейной прокладке вес чугунных или железобетонных пригрузов, устанавливаемых на плеть перехода диаметром 1020 мм, составляет 130– 150 т на 100 м трубы.

Технические ограничения в применении метода ННБ следующие:

1. Ограничения по геологическим условиям. Предпочтительными для применения метода ННБ являются связные однородные грунты – суглинки, супеси, алевриты. Несколько сложнее выполнять бурение в плотных глинах, водонасыщенных песках, однородных скальных породах. Наибольшую сложность для бурения представляют грунты с большим содержанием гравия (более 30 %), а также грунты, содержащие булыжники и валуны. Весьма рискованным является также бурение в зоне водоносных пластов.

2. Ограничения по максимальной длине и диаметру перехода. Это ограничение связано, в первую очередь, с тяговыми возможностями буровых установок. Как показывает практика, установки с тяговым усилием 300 т способны осуществить протаскивание плетей приблизительно длиной до 1800 м при диаметре 250 мм, до 1200 м – при диаметре 1020 мм или до 800 м при диаметре 1420 мм. Кроме рисков, возникающих при протаскивании, с увеличением длины и диаметра скважины увеличиваются риски обвала скважины в процессе расширения. Кроме того, от длины скважины зависит абсолютная погрешность при задании направления пилотной скважины.

3. Ограничения по погодным условиям. Жестких ограничений для выполнения ННБ по погодным условиям нет, однако при отрицательных температурах требуются мероприятия по защите технологической воды и бурового раствора от замерзания – строительство укрытий, теплоизоляция технологических трубопроводов.

4. Ограничения по геометрии скважины. Кривизна скважины должна позволить протащить плеть без излома и заклинивания. Обычно радиус кривизны пилотной скважины не должен быть менее 1200 диаметров трубопровода (при толщине стенки не менее 1/50 диаметра). Имеются также определенные ограничения по углам входа и выхода скважины, разности высот входа и выхода, и некоторые другие, но они не являются критическими и всеобъемлющими, а связаны с параметрами конкретного бурового оборудования.

Прокладку переходов методом ННБ осуществляют в три стадии (рис. 12.6).

Рис. 12.6 – Основные этапы процесса наклонно-направленного бурения

 

На первой стадии производят направленное бурение пилотной скважины небольшого диаметра по заданной траектории. При бурении используется гидромониторная буровая головка, либо забойный турбинный двигатель и шарошечное буровое долото (шарошечное долото может применяться и без забойного двигателя, в этом случае роторное бурение осуществляется непрерывным вращением бурильной колонны). Для определения фактической траектории прохождения пилотной скважины в головной части колонны устанавливают датчик (зонд) системы ориентирования.

Сопла буровой головки расположены под углом к оси колонны, и для задания требуемого направления буровую колонну поворачивают, меняя направление размыва. По мере продвижения пилотной колонны концентрично поверх нее может надвигаться промывочная колонна, предотвращающая обрушение скважины над пилотной колонной и облегчающая движение пилотной колонны и бурового раствора.

На второй стадии скважину расширяют до диаметра, который позволит проложить трубопровод. После выхода буровой головки на противоположном («трубном») берегу к буровой колонне (промывочной, а при ее отсутствии – к пилотной) прикрепляют расширитель, и колонна с расширителем, вращаясь, вытягивается в направлении буровой установки. При этом с трубного берега непрерывно наращивают «хвост» буровой колонны, с тем чтобы в скважине постоянно находилась колонна на всей ее длине. Последовательными проходами расширителей все большего диаметра скважину расширяют примерно до 1,2 – 1,5 диаметра рабочего трубопровода.

Третья стадия является заключительной, и связана она с протаскиванием плети рабочего трубопровода в расширенную скважину. Плеть следует заранее сварить, заизолировать и испытать на «трубном» берегу, противоположном от буровой установки. К концу буровой колонны крепят расширитель максимального диаметра, который через шарнир соединен с тяговым оголовком плети, которую протаскивают в направлении буровой установки.

Как уже было отмечено, оборудование и технология, используемые при наклонно-направленном бурении, во многом заимствованы из техники и технологии бурения скважин на нефть и газ. Узлы буровых установок, применяемых при строительстве трубопроводов, подобны аналогичным узлам буровых станков для бурения нефтегазовых скважин, с тем существенным отличием, что установка для ННБ установлена на наклонной раме, а не на вертикальной буровой вышке. Процесс бурения пилотной скважины при ННБ не отличается существенно от процесса бурения наклонно-направленной скважины. Бурильные трубы и скважинный инструмент в общем взаимозаменяемы с используемыми при бурении нефтегазовых скважин. В процессе бурения также применяют буровой раствор.

Технология ННБ является технологией, сопряженной с высокой степенью риска. Этот риск, в первую очередь, заключается в том, что контроль за процессами, происходящими в скважине, является довольно косвенным и правильность решений, принимаемых в ходе бурения, расширения скважины и протаскивания плети, в огромной степени зависит от личного опыта и интуиции руководителя буровых работ. Даже самые полные данные изысканий не застрахуют буровика от неожиданностей, которые могут осложнить процесс бурения и вызвать аварийную ситуацию: в любой момент на пути скважины может оказаться подземный поток, который нарушит циркуляцию бурового раствора, или буровой инструмент может оказаться заклиненным обрушившимся валуном, и так далее. Диапазон технических рисков при наклонно-направленном бурении шире, чем при вертикальном бурении скважин. Это, в первую очередь, связано с горизонтальным расположением скважины и ее большим диаметром (например, для протаскивания трубопровода диаметром 1020 мм скважину необходимо разбуривать на диаметр не менее 1420 мм). Удержать такую скважину в устойчивом состоянии более или менее продолжительное время – сложная техническая задача. С этим обстоятельством связан и риск остановок при бурении: из-за отказа какого-либо из узлов бурового оборудования либо по другой причине очень высока вероятность заклинивания всей буровой колонны и инструмента в скважине. Еще более высок риск остановки и заклинивания при протаскивании: здесь мы рискуем еще и плетью трубопровода. По данным американских компаний, при бурении каждого десятого перехода возникают аварийные ситуации, для выхода из которых и завершения строительства перехода требуются затраты, в несколько раз превышающие нормальные. Именно этим обстоятельством объясняется высокий уровень запаса на технологический риск, закладываемый подрядчиками в цену контрактных работ.

Микротоннелирование – второй по распространенности метод бестраншейного строительства трубопроводов. Этот метод основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционно управляемых щитовых тоннелепроходческих установок, известных мировых фирм изготовителей "Herrenknecht AG" (Германия), LOVAT (Канада) и Mitsubisi (Япония) (рис. 12.7).

Рис. 12.7 – Схема строительной площадки с использованием микротоннелепроходческой установки

 

Рабочая головка тоннелепроходческого щита снабжена системой зубьев, кулаков и дробильных выступов, она механически перерабатывает грунт и таким образом бурит отверстие, через которое будет прокладываться трубопровод. По мере перемещения щита вперед грунт скапливается в открытой передней части, где конусный щит дробилки дробит его и перемещает в камеру, смешивая с вымывателем бурильной установки. Транспортировку разработанного грунта выполняют в виде вымывающей смеси через технологические трубопроводы в рабочую шахту. Тоннелепроходческая установка вместе с укладываемыми железобетонными кольцами тоннеля протаскивается блоком силовых цилиндров, установленных в рабочей шахте, по мере бурения. Непрерывное отслеживание оператором значение давления на грунт, крутящего момента бурильной головки и параметров бурового раствора позволяет непрерывно контролировать процесс проходки тоннеля. Бурильная головка имеет систему форсунок высокого давления, которые позволяют ускорить процесс бурения гидравлическим вымыванием грунта буровым раствором.

Микротоннельные машины в основном применяются при строительстве коротких (100 – 300 м) тоннелей, однако в практике строительства подводных переходов различных трубопроводов были реализованы проекты, где длина тоннеля составляла около 3000 м. Основной параметр в тоннелестроении – это диаметр. Современные производители предлагают установки диаметром от 200 мм до 14 м.

Для проходки микротоннелей используются щиты различной оснастки и компоновки. Возможно, например, размещение силового агрегата внутри щита либо на поверхности земли. Кроме того, в зависимости от категории грунта изменяется вид и твердость режущих кромок рабочего органа.

Породу из тоннеля на поверхность транспортируют также различными способами. Если грунт не обводнен, то можно применять щит со шнековым устройством, обеспечивающим транспортировку отработанной руды на поверхность. Если же грунты обводнены, либо возможно их обводнение в процессе работ, применяют щит с гидропригрузом. При этом способе водно-бентонитовый раствор прокачивается по трубопроводам, вынося на поверхность отработанную руду.

Железобетонные кольца тоннеля выпускаются со стальными стыковочными соединениями с резиновым уплотнителем и малой длины, с тем, чтобы можно было применять стартовые шахты меньших размеров, снижая таким образом объем выемки.

Микротоннельные системы значительно уменьшают влияние прокладки трубопроводов на окружающую среду. Часто только присутствие на поверхности земли кабины управления и подъемника для спуска труб в стартовую шахту указывает на ведение работ.

Контрольные вопросы

1. Общая характеристика и классификации водных преград.

2. Земляные работы при открытом способе строительства переходов магистральных трубопроводов через водные преграды.

3. Технологии укладки трубопровода при открытом способе.

4. Закрытый способ сооружения переходов трубопроводов через водные преграды: наклонно-направленное бурение.

5. Микротоннелирование.