Строительство переходов магистральных трубопроводов:
выбор технологии расширения скважины
Зариф Шарафутдинов, Николай Варламов
20.10.2011
Ключевые слова: буровой раствор, магистральный трубопровод, направленное бурение, Наука и технологии, расширение скважины, расширитель
Бурение скважины для перехода магистрального трубопровода через естественные или искусственные препятствия методом направленного бурения состоит из проходки пилотной скважины и ее последующего расширения до проектного диаметра. В статье приводится сравнительный анализ двух способов расширения – одноэтапный и многоэтапный – в зависимости от длины и диаметра прокладываемого трубопровода, горно-геологических условий, применяемого бурового оборудования и инструмента.
Магистральные трубопроводы, являясь линейно-протяженными сооружениями, пересекают большое число естественных и искусственных препятствий. Переходы трубопроводов через данные препятствия осуществляют открытым (траншейным) способом и закрытым способом, с протаскиванием трубопроводов в наклонные скважины, выполненные методами наклоннонаправленного бурения (ННБ) или микротуннелирования.
Успешность строительства переходов магистральных трубопроводов (ПМТ) во многом определяется опытом и профессионализмом специалистов, ведущих их строительство. Однако известны случаи, когда неправомерный выбор технологии строительства, включающий в себя вопросы подбора породоразрушающего инструмента, свойств буровых растворов способствовал созданию условий для проявления технологических осложнений, переходящих в аварии, вплоть до потери возможности строительства перехода или потери дюкера в процессе его протаскивания. Поэтому мы считаем, что необходимо более детально изложить подходы к решению задач по выбору технологии строительства ПМТ методом ННБ.
Бурение скважины ПМТ включает в себя бурение пилотной скважины и ее последующее расширение до требуемого диаметра. Технология расширения пилотной скважины зависит от горно-геологических условий, диаметра прокладываемого трубопровода, типа применяемой буровой установки, бурового оборудования и инструмента.
Расширение скважины может выполняться:
- за один проход расширителя максимального диаметра;
- путем последовательного ступенчатого увеличения диаметра ствола скважины с применением нескольких типоразмеров расширителя.
Среди специалистов, занимающихся проблемами строительства подводных переходов методом направленного бурения, идет широкая дискуссия о предпочтительности того или иного способа расширения скважин. Считаем необходимым рассмотрение вопросов выбора технологии расширения начать
с выбора породоразрушающего инструмента (ПРИ) и оценки его влияния на реализацию технологии расширения в тех или иных горногеологических условиях.
Требования к породоразрушающему инструменту
При расширении пилотного ствола скважины используются следующие виды ПРИ: режуще-скалывающего действия и дробяще-скалывающего типов. К ПРИ режуще-скалывающего действия относятся лопастные и штыревые расширители Fly Cutter и бочкообразный расширитель Barrel Reamer. ПРИ дробяще-скалывающего типа имеет название Hole Opener.
Для ПРИ, используемого для расширения пилотного ствола, существует несколько базовых требований. Динамика процесса разрушения породы и появляющиеся при этом динамические нагрузки на буровой инструмент, а также необходимость максимального перекрытия площади забоя в процессе работы ПРИ требуют увеличения размеров и количества рабочих секторов. Анализ значений частоты контакта рабочих секторов с забоем показывает, что их должно быть не менее 5-6. С целью уменьшения амплитуды поперечных колебаний конструкция инструмента должна предусматривать, чтобы образуемый ими забой имел выпуклую форму, а перед ПРИ и после него устанавливались центраторы-калибраторы. Недостаток вооружения на единицу площади забоя приводит к значительной динамике в работе расширителей, преждевременному разрушению как бурильных труб, их резьбовых соединений,
а также самого породоразрушающего инструмента.
Одноэтапное расширение
При одноэтапном способе расширения пилотного ствола скважины используются расширители, именуемые Fly Cutter и Hole Opener (рис. 1, 2), имеющие, как правило, щитовую конструкцию или приближенную к ней. Первый относится к расширителям режуще-скалывающего действия, второй относится к инструменту дробяще-скалывающего действия. Расширитель Fly Cutter отличается тем, что при бурении в глинах образует крупный размер частиц шлама, поэтому данный тип расширителей чрезвычайно требователен к объему промывки ствола скважины и качеству буровых растворов.
.jpg)
Несоблюдение условий промывки ведет к формированию на них сальников, что создает технологические осложнения при бурении и увеличивает непроизводительное время бурения. Данный тип инструмента неприменим при бурении в твердых глинах, наличии в разрезе скважины гравийно-галечниковых отложений.
Расширители Hole Opener (рис. 2), используемые для одноэтапного расширения, имеют, как правило, щитовую конструкцию. Их общим недостатком является то, что они обладают малым числом породоразрушающих элементов (шарошек) и имеют значительные пространства между своими рабочими элементами. Это приводит к тому, что при бурении, например, в твердых глинах, данное пространство забивается глинистым шламом, образуются сальники, препятствующие эффективной работе расширителя. Поэтому подобные расширители требуют применения буровых растворов с высокими структурно-механическими свойствами и его повышенного расхода в процессе бурения.
.jpg)
Бурение в прочных породах, с использованием расширителей для одноэтапного расширения, приводит к значительному снижению механической скорости бурения (до 0,1-0,5 м/ч). Малое количество разрушающих элементов не позволяет реали зовываться условиям эффективного разрушения горных пород. Однако щитовые конструкции расширителя позволяют успешно строить скважины и обеспечивать протаскивание трубопровода в несцементированных породах, т. е. в условиях залегания гравийно-галечниковых и щебенистых грунтов. Это обусловлено влиянием тягового давления расширителя на забой, сложенный несцементированными отложениями гравийно-галечниковых и щебенистых грунтов.
Распределение давления по радиусу расширителя можно описать уравнением [1]:
.jpg)
где а – радиус расширителя; G – тяговое усилие, действующее на расширитель; r – полярный радиус.
Из анализа (1) следует, что минимальное давление действует в центре, а максимальное давление – на контуре контакта расширителя с
забоем. В результате этого тяговое давление на расширитель осуществляет уплотнение грунта на его периферии, что при одновременном насыщении грунта буровым раствором, обладающего высокими структурно-механическими свойствами, обеспечивает значительное упрочнение несцементированных отложений на стенке скважины. Подобный эффект повышает результативность применения одноэтапных щитовых расширителей Hole Opener в условиях залегания несцементированных отложений. Шарошечные расширители, используемые для ступенчатого расширения, не смогли в подобных условиях показать свою эффективность.
Многоэтапное расширение
При многоэтапном способе используют расширители режуще-скалывающего и дробяще-скалывающего действия. Для мягких пород наибольшее применение находит расширитель Barrel Reamer (рис. 3). Конструкция такого расширителя режуще-скалывающего действия имеет грушевидную (бочкоо-
бразную) форму. В скважине подобный расширитель одновременно исполняет роль калибратора и механического скребка, способствующего очистке ствола скважины. Это позволяет при расширении пилотной скважины в устойчивых породах снижать требования к буровым растворам, а гидравлическую программу бурения вести только из условия работы гидромониторных насадок. Такой технический подход позволяет снижать стоимость затрат на буровой раствор при бурении скважины. Поэтому подобная технология расширения является технически привлекательной в строительстве ПМТ. В устойчивых породах многоэтапный способ расширения оправдывает себя.
.jpg)
.jpg)
Однако расширитель Barrel Reamer не работоспособен в абразивных породах, а также в гравийно-галечниковых грунтах, т. к. это ведет к износу его корпуса. Для повышения расширения эффективности его работы он может дополнительно оснащаться шарошечным вооружением. При работе в гравийно-галечниковых грунтах с содержанием песчаного заполнителя менее 40-50% он не способен упрочнять ствол скважины даже при значительном повышении структурно-механических свойств бурового раствора. Это обусловлено конструктивными особенностями действия корпуса расширителя на забой скважины.
Применение технологии многоступенчатого расширения в неустойчивых, несцементированных отложениях приводит к провалу грунта на береговых участках переходов (рис. 4), что свидетельствует о том, что устойчивый ствол скважины в процессе бурения создан не был. Несоблюдение требований к техническим свойствам буровых растворов для бурения в подобных условиях показывает, что в этом случае резко возрастает необходимость в дополнительных проработках ствола скважины, уменьшается коммерческая скорость бурения, а в ряде случаев это приводит и к развитию аварийных ситуаций в процессе бурения и при протаскивании дюкера.
На наш взгляд, количество этапов расширения необходимо выбирать с учетом прочностных свойств разбуриваемых грунтов, их временной устойчивости к используемому типу бурового раствора, а также величины диаметра протаскиваемого трубопровода. Доминирующей является задача сохранения устойчивости стенок скважины и обеспечения условий для успешного протаскивания трубопровода.
Практические результаты строительства ПМТ и распределение скоростей бурения в процессе их строительства позволяют констатировать, что при расширении максимально допустимой площадью забоя, без создания в процессе бурения существенных технологических осложнений, является значение 0,4-0,5 м2. Данную величину можно принять граничной для расширения в грунтах малой прочности, т. е. для условий работы породоразрушающего инструмента типа М (до 2-й категории прочности). Исходя из минимального размера расширителей, используемых для бурения в грунтах, характерных для использования породоразрушающего инструмента типа С (3-4-я категория прочности), за граничную величину площади забоя уже можно принять значения 0,3-0,35 м2. Для грунтов, отличающихся еще более высокой прочностью, т. е. для скальных грунтов, где целесообразно использовать инструмент типа Т (более 4-й категории прочности), за граничное значение площади забоя можно принять значения 0,15-0,2 м2.
Исходя из приведенных граничных величин и проектного диаметра скважины можно определять примерное число последовательных этапов расширения скважины и допустимый размерный ряд расширителей (рис. 5, 6).
.jpg)
.jpg)
Режим промывки скважины
Применение той или иной технологии расширения пилотного ствола скважины и строительства ПМТ предполагает проектирование режимов промывки скважины. Целью составления такого проекта является определение следующих параметров: необходимая подача насосов; число работающих насосов и выбор диаметра их поршней; потери давления в долоте и выбор гидромониторных насадок; условие недопущения гидравлического разрыва поро-
ды при данных плотности бурового раствора и подаче насосов [2]. В процессе строительства скважин подводного перехода традиционно сталкиваются две позиции по отношению к промывке скважины.
Первая позиция предусматривает бурение без существенной очистки ствола скважины, т. е. при пониженном расходе бурового раствора. Она опирается на размягчение (разжижение) грунта и продавливание инструмента. Такой подход обычно реализуется, если прочность пород, слагающих траекторию будущей скважины, низка, а силовые характеристики используемой буровой установки высоки. Такой подход неприменим в условиях залегания, например, пластичных глинистых отложений, пород с высокими физико-механическими характеристиками, гравийно-галечниковых и щебенистых грунтов. Осуществление процесса расширения по такой технологии приводит к созданию аварийных ситуаций.
Второй подход предусматривает формирование устойчивого ствола скважины, но требует большего расхода бурового раствора по сравнению с предыдущим. Процесс бурения в этом случае осуществляется с периодическим возвратом инструмента и проработкой ствола скважины. В этом случае риск возникновения различных технологических осложнений резко снижается. Такой подход требует строгого отношения к формированию состава и свойств бурового раствора, высокой квалификации бурового персонала и др. Подобный поход более универсален, лучше учитывает условия строительства подводного перехода и обеспечивает успешное его строительство.
Значительную роль в реализации второго подхода играют реологические параметры буровых растворов [2]. Исходя из них и зная превалирующий размер частиц шлама в скважине, прогнозируя их вынос из скважины, становится возможным определить безопасное содержание шлама в буровом растворе для
безаварийного бурения. Величины допустимого содержания шлама, реализованные в практической деятельности, приведены в таблице 1.
Данные таблицы 1 позволяют осуществлять расчет необходимой подачи насосов, который должен вестись из условия реализуемой величины механической скорости бурения. В этом случае задается величина допустимого или безопасного содержания шлама в объеме бурового раствора.
Расчет подачи насоса ведется по формуле:
.jpg)
где Q – подача бурового насоса из условия безопасного содержания шлама, м3/с; VМЕХ – механическая скорость бурения, м/с; FZ – площадь забоя, м2;
С – допустимая доля шлама в объеме бурового раствора.
Сравнение одноэтапного и многоэтапного способов расширения, при фиксированном ограничении содержании шлама и механической скорости бурения показывает, что при многоэтапном расширении становится возможным снизить подачу бурового раствора.
Данный эффект достигается за счет снижения величины площади забоя. В процессе строительства подводных переходов скорость бурения ограничена производительностью блока по приготовлению бурового раствора. Так, например, при подаче насоса 30 л/с, диаметре скважины 1600 мм скорость бурения не должна превышать 5-6 м/час, но эта величина не отвечает за эффективность работы породоразрушающего инструмента.
Вторым расчетом определения необходимой подачи насоса является его расчет по условию реализации гидромониторного эффекта по очистке забоя или разрушения породы. Подача бурового раствора для работы гидромониторных насадок и реализации гидромониторного эффекта намного ниже, чем подача бурового раствора из условия безопасного содержания шлама для проводки скважины. Поэтому для расчета производительности насоса наиболее целесообразно проводить расчет по уровню безопасного содержания шлама в процессе бурения.
Сравнительный анализ технологий расширения
Одноэтапный способ строительства характеризуется большей площадью забоя, значительным количеством шлама в скважине, требует повышенной прочности бурового инструмента, а для обеспечения очистки ствола скважины от выбуренной породы –высоких структурно-механических свойств бурового раствора и больших объемов прокачиваемого бурового раствора. В зависимости от длины и диаметра перехода объем используемого бурового раствора может изменяться от 5000 до 36000 м3. В горно-геологических условиях строительства подводных переходов, сопоставимых по условиям с реализацией одноэтапного и многоэтапного способов расширения, одноступенча тое расширение в наибольшей мере эффективно для строительства подводных переходов длиной 300-600 м и диаметром скважины до ~1400 мм. В этом диапазоне конструктивных параметров подводных переходов одноэтапный способ расширения сопоставим с многоэтапным способом расширения. Это также подтверждается и затратами на строительство подводных переходов.
.jpg)
Увеличение длины перехода и диаметра скважины, прочности разбуриваемых пород, наличие высокоабразивного наполнителя в них приводит к резкому возрастанию технической усложненности строительства подводного перехода. При реализации одноэтапного способа расширения в подобных условиях резко возрастает время на ликвидацию технических осложнений и аварийных ситуаций.
Одноэтапный способ расширения наиболее предпочтителен в строительстве переходов, отличающихся наличием в разрезе ствола скважины несцементированных пород в виде гравийно-галечниковых, щебенистых отложений. Граничной величиной эффективного использования одноэтапного способа расширения являются подводные переходы с конструктивным параметром L*D<500-600 м2, где L – длина перехода, D – диаметр трубопровода. При отсутствии осложненных зон бурения, таких как отложения гравийно-галечниковых и щебенистых грунтов, при L*D<600 м2 многоэтапный и одноэтапный способы расширения сопоставимы. В устойчивых грунтах, при геометрической характеристике подводного перехода L*D>500-600 м2 наиболее предпочтителен многоэтапный способ расширения.
Несомненным является то, что оба эти способа требуют своего дальнейшего развития. Необходимо совершенствовать буровой инструмент, буровые растворы, технические способы их применения и т. п. Однако общие положения о реализации той или иной технологии расширения сохранятся. В строительстве подводных переходов целесообразно сочетать оба метода расширения.
Интервалы бурения, не осложняющие процесс бурения, реализовывать многоэтапным способом расширения. Интервалы бурения, в которых многоэтапный способ расширения неэффективен, проходить одноэтапным способом.
Таким образом, выбор способа расширения пилотной скважины при строительстве переходов магистральных трубопроводов в основном зависит от горногеологических условий, длины перехода и диаметра трубопровода.
Литература
1.Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учеб. для вузов /А.Н. Попов, А.И. Спивак, Т.О. Акбулатов и др.; под общей редакцией А.И. Спивака. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. – 509 с.
2.Технология бурения глубоких скважин. Учебное пособие для вузов / Мавлютов М.Р., Алексеев Л.А., Вдовин К.И. и др. Под общей редакцией Мавлютова М.Р. – М., Недра, 1982 – 287 с.
Directional drilling for pipeline crossings via natural or man-made obstacles consists of a pilot hole which is reamed to the target diameter. The article gives a comparative analysis of reaming methods, both single-and multi-phase, depending on the length and diameter of the pipeline to be laid, the geological environment and use of drilling equipment and instruments.
Key words: trunk pipeline, directional drilling, reaming, reamer bit, drilling agent.
Nikolai Varlamov, Zarif Sharafutdinov
Николай Варламов - президент ОАО «ВНИИСТ».
Зариф Шарафутдинов - д.т.н., вице-президент - директор Департамента НИР и ОКР ОАО «ВНИИСТ».
