CC BY
37
- © Е.С. Торопов, И.Е. Кирьянов,
B.C. Торопов, 2014
УДК 621.644.07
Е.С. Торопов, И.Е. Кирьянов, В.С. Торопов
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ B ПРОЦЕССЕ ПРОТЯЖКИ ТРУБОПРОВОДА B СКВАЖИНУ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрены вопросы правильного полбора оборудования и режимов его работы для прокладки трубопроводов с использованием технологии ННБ. Особое внимание уделяется учету динамических характеристик с целью выбора наиболее экономичного режима процесса протаскивания. Ключевые слова: наклонно-направленное бурение, процесс протаскивания, тяговое усилие, трубопровод, энергозатраты.
На современном этапе развития трубопроводного транспорта применение бестраншейных технологий вызвано необходимостью решения различных типов задач, возникающих при сооружении промышленных объектов.
Во-первых, большинство магистральных и местных трубопроводов имеют в составе своей линейной части такие объекты как переходы, отличающиеся повышенной сложностью и высокой стоимостью сооружения.
Во-вторых, существует круг задач, которые не относятся непосредственно к трубопроводному транспорту, но могут быть с успехом решены именно с помощью методов бестраншейной прокладки. Такими задачами могут являться: санация трубопроводов; прокладка кабелей передачи данных; дополнительная установка систем аэродромных огней; подземное отопление; подключение вводов трубопроводов в дома и их обновление в существующем строительном фонде; прокладка трубопроводов на склонах; сооружение горизонтальных колодцев для понижения грунтовых вод; регулировка грунтовых вод -водоподъем; гидравлическая санация; осушение оползней; ирригация.
Ввиду того, что в последние десятилетия отмечена тенденция стремительного развития технологии наклонно-направленного бурения, именно эта технология позволяет решать такой
широкий круг задач, так как большинство так называемых «традиционных» методов имеют весьма ограниченное применение.
В этих условиях себестоимость объекта и экономическая эффективность осуществления того или иного варианта решения задачи напрямую зависит от особенностей применения технологии для бестраншейной прокладки коммуникаций [1].
Весь комплекс материалов и оборудования, определяющий в совокупности как набор значимых факторов для процесса строительства с применением технологии ННБ, так и особенности взаимодействия всех элементов системы, можно разбить на несколько групп:
1. Буровая установка, представляющая собой в данной классификации силовой агрегат для выполнения бурения скважины, ее расширения и протаскивания трубопровода.
2. Компоненты буровой установки, которые могут быть представлены в различной комплектации, и таким образом, существенно изменять возможности и область применения установки ННБ.
3. Трубы, прокладываемые с помощью технологии ННБ, т.е. характеристики материалов труб, типоразмерные ряды, их геометрические параметры.
4. Буровые растворы, используемые в наклонно-направленном бурении, их состав, физические свойства, реологические модели.
5. Грунты, в которых ведется прокладка трубопровода. Состав грунтов в створе перехода может определить набор компонентов установки ННБ, в частности породоразрушаю-щий инструмент, и необходимый состав бурового раствора.
Каждый элемент технологического процесса из данной классификации может наложить определенные ограничения на процесс строительства, либо сделать его невозможным в определенных условиях.
Таким образом, необходимо установить взаимное влияние отдельных элементов друг на друга и выявить наиболее рациональное с точки зрения экономии ресурсов и энергии сочетание материалов и оборудования для различных условий выполнения работ по сооружению переходов.
Очевидно, что для минимизации затрат при применении технологии ННБ необходимо соблюсти два основных условия:
1. Правильно подобрать оборудование для производства работ, с целью исключения излишнего резервирования по мощности установки.
2. Подобрать наиболее экономичный режим работы установки в процессе производства работ, с целью снизить затраты энергии и максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы.
Таким образом, для этого необходимо построение математической модели процессов, происходящих в скважине. И далее необходим расчет основных параметров процессов технологии ННБ, с использованием соответствующей методики. На сегодняшний день существует несколько различных методик расчета такого параметра, как тяговое усилие в процессе протаскивания трубопровода. Однако методики не совершенны и обладают рядом существенных недостатков.
Дело в том, что метод прокладки с помощью технологии ННБ состоит из трех различных этапов (бурение пилотной скважины, расширение скважины, протаскивание в скважину рабочего трубопровода), каждый из которых, по сути, является отдельным технологическим процессом, требующим определенного уровня энергозатрат и описывающийся отдельной математической моделью.
Так как основным критерием выбора буровой установки для сооружения перехода трубопровода методом ННБ является, прежде всего, усилие, необходимое для осуществления протаскивания трубопровода проектируемого диаметра и соответствующего материала, то в целях экономии энергозатрат, целесообразно исследовать величину влияния тех или иных факторов именно на процесс протаскивания трубопровода и осуществлять управление именно процессом протяжки.
При всей простоте технологии ННБ, математические модели процессов, происходящих в скважине во время производства работ, могут быть достаточно сложными и иметь массу допущений, ввиду присутствия большого количества различных факторов, оказывающих влияние на основные параметры процессов в той или иной степени. Следствием этого является то, что в практике строительства весь расчет параметров процесса, как правило, сводится к определению необходимого тягового усилия установки, причем только его
максимального значения. Между тем, усилия возникающие при движении трубопровода в скважине напрямую зависят от скорости и ускорения движения и могут регулироваться при выполнении протаскивания с целью снижения нагрузки на установку, а следовательно и необходимой энергии для производства работ с применением технологии ННБ.
То есть отсутствие в существующих методиках динамических характеристик процесса приводит к невозможности эффективного управления процессом протаскивания, с целью сокращения энергозатрат на преодолении усилия сопротивления, находящегося в прямой зависимости от динамических характеристик.
Между тем, скоростной режим процесса протаскивания трубопровода в скважину может определить выбор силовой установки для производства работ.
На рис. 1 изображены зависимости силы обратной тяги буровой установки от скорости перемещения трубопровода в скважине для установок фирмы ОНсЬШНсЬ.
Fes, кН 400
350
300
250
200
150
100
50
0 -----
О 0.5 Vn»i 1 Vppí 1.5 Vrvs 2 Vrp мгс
Рис. 1. Зависимости силы обратной тяги от скорости перемещения трубопровода для установок DitchWitch: 1 - JT8020 MACHI; 2 -JT4020 MACHI; 3 - JT3020 MACHI; 4 - JT2020 MACHI
Полученные зависимости показывают, что для выполнения протяжки трубопровода, которая требует развития одного и того же усилия протаскивания, можно воспользоваться несколькими установками различной мощности в зависимости от выбранной скорости перемещения трубопровода в скважине.
Таким образом, при регулировании скоростного режима процесса протаскивания можно добиваться существенной экономии энергетических затрат силовой установки, а выбор менее мощной буровой установки позволит уменьшить затраты не только на сам процесс протаскивания, но в том числе и на транспортировку оборудования к месту работ.
Кроме того, снижения энергозатрат при протаскивании трубопровода можно добиться, в том числе и за счет экономии энергии, требуемой на перемещение буровой колонны, посредством применения более легких буровых труб, при условии их достаточной прочности, снизив, таким образом, массу буровой колонны.
А уменьшая сумму приложенных к трубопроводу сил в процессе протаскивания, путем регулирования ускорения страгивания, можно добиваться существенной экономии энергозатрат при протаскивании как стальных, так и пластиковых трубопроводов.
При этом, режим работы установки должен быть таким, чтобы использовались рабочие диапазоны ускорений страгива-ния, не приводящие к разрушению трубопровода, для стальных и полиэтиленовых труб.
Режимы процесса протаскивания трубопровода в скважину определяются, в частности, скоростью перемещения трубопровода и ускорением его страгивания после остановок буровой колонны, обусловленных цикличностью технологического процесса.
На рис. 2 изображена зависимость суммы приложенных к трубопроводу сил от ускорения страгивания для стальных труб различных диаметров, при длине трубопровода 100 м. Зависимость показывает, что одна и та же установка ННБ может, приложив к трубопроводу соответствующее усилие, в зависимости от мгновенного ускорения привести в движение трубопроводы совершенно разных диаметров, что позволяет, регулируя такой параметр процесса как ускорение, добиваться существенной экономии энергозатрат при протаскивании трубопровода.
260 ■ Г-г. кН
■пр, М/С 1
Рис. 2. Зависимость суммы приложенных к трубопроводу сил от ускорения страгивания для стальных труб различных диаметров, при длине трубопровода 100 м
О 5 10 15 20 X 30
1
Л-т. М.'с
Рис. 3. Зависимость максимальной длины плети стального трубопровода от мгновенного ускорения страгивания при регламентированном временном сопротивлении разрыву: 1 - трубы класса прочности К60 по ГОСТ 20295-85; 2 - класса прочности К50; 3 - класса прочности К34
На рис. 3 изображена зависимость максимальной длины плети стального трубопровода от мгновенного ускорения стра-гивания при регламентированном временном сопротивлении разрыву.
Из графика видно, что значение максимальной длины плети имеет ярко выраженную зависимость от класса прочности трубопровода.
Кроме того, зависимость демонстрирует, что значения ускорений страгивания могут регулироваться в широких пределах, не подвергая трубопровод опасности разрушения от воздействия инерционной составляющей силы сопротивления страгиванию трубопровода.
Мероприятия по подбору оборудования и его компонентов можно проводить после расчета геометрических параметров профиля проектируемой скважины [2], отталкиваясь от параметров прокладываемого трубопровода, а также расчета режимов работы оборудования в процессе выполнения работ по протаскиванию трубопровода, с целью определения необходимых силовых характеристик буровой установки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Торопов С.Ю., Торопов B.C. Особенности прокладки полиэтиленовых труб под водными преградами. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и ремонта промысловых и магистральных трубопроводов». Тюмень: ТюмГНГУ, 1999. — С. 26-27.143
2. Торопов B.C., Осыка A.B., Торопов Е.С. Протаскивание трубопровода в объемно искривленные скважины. Тезисы докладов межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2001» 21-23 марта 2001г. — Ухта: УГТУ, 2001. — С. 70-71. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Торопов Евгений Сергеевич — кандидат технических наук, toropov_e_s@mail.ru, Кирьянов Илья Евгеньевич — 600906@mail.ru, Тюменский государственный нефтегазовый университет, Торопов Владимир Сергеевич — кандидат технических наук, ООО КБ «Дружба, 264301@mail.ru.
METHODS OF REDUCING OF POWER INPUTS IN THE PROCESS OF PULLING THE PIPE INTO THE HOLE USING THE TECHNOLOGY OF DIRECTIONAL DRILLING FOR THE CONSTRUCTION OF INDUSTRIAL OBJECTS
Toropov E.S., Candidate of Technical Sciences, toropov_e_s@mail.ru, Kiryanov I.E., 600906@mail.ru, Tyumen State Oil And Gas University,
Toropov V.S., Candidate of Technical Sciences, LLC CB "Friendship, 264301@mail.ru.
The article discusses the proper selection of equipment and its operation modes for piping using directional drilling technology. Particular attention is paid to the account of dynamic characteristics in order to select the most economical mode of dragging process.
Key words: directional drilling, process of pulling, pulling power, pipeline, power inputs.
REFERENCES
1. Toropov S.Ju., Toropov B.C. Osobennosti prokladki polijetileno-vyh trub pod vod-nymi pregradami. Sbornik nauchnyh trudov «Problemy jekspluatacii i remonta promyslovyh i magistral'nyh truboprovodov» (Peculiarities of laying of polyethylene tubes under water barriers. Collection of scientific works "Problems of operation and repair field and main pipelines"). Tju-men': TjumGNGU, 1999. pp. 26-27.143
2. Toropov B.C., Osyka A.B., Toropov E.S. Protaskivanie trubopro-voda v ob#emno iskrivlennye skvazhiny. Tezisy dokladov mezhregional'noj molodezhnoj nauchnoj konferencii «Severgeojekoteh-2001» (Pipe jacking in curved space well. Abstracts of interregional youth scientific conference "Severgeoteh-2001") 21-23 marta 2001g. Uhta, UGTU, 2001, pp. 70-71.
