СПОСОБ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ И УСТАНОВКА НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к горному делу и может применяться в технологии бестраншейной прокладки длинных трубопроводов под различными естественными препятствиями, например, речными руслами.

Известен способ бестраншейной прокладки трубопроводов с помощью силового агрегата с грунторазрабатывающим механизмом и устройство для его осуществления [1] В известном способе трубопровод с помощью силового агрегата внедряется в скважину большего, чем трубопровод, диаметра, образованную грунторазрабатывающим устройством, при этом по мере внедрения в грунт трубопровод периодически наращивается.

Устройство для прокладки трубопровода указанных способом содержит раму с размещенными на ней силовым агрегатом и механизмом фиксации трубы с гидрозахватами. Крепление на раме силового и фиксирующего узлов выполнено с возможностью перемещения механизма фиксации на ход втягивающихся штоков гидроцилиндров силового агрегата и внедрения на это же расстояние в скважине трубопровода.

Известная технология применяется при прокладке трубопровода сравнительно небольшой длины, когда необходимо избежать повреждения изоляции трубы, и не эффективна для прокладки длинного трубопровода по следующим причинам.

Во-первых, внедрение трубопровода в грунт за счет усилия втягивающихся штоков гидроцилиндров не позволяет получить максимальное силовое воздействие на прокладываемый трубопровод, достигаемое при выдвижении штоков. В свою очередь, осуществлению наиболее полной передачи усилия в осевом направлении при такой технологии прокладки препятствует конструкция используемого устройства.

Во-вторых, известная технология не позволяет проводку пилотной (т.е. первоначальной и не расширенной) скважины и обратное протаскивание трубопровода, что обусловлено, главным образом, невозможностью создания необходимого для этого захватного усилия на гидрозажимах, примененных в механизме фиксации трубы силового агрегата.

Известен способ бестраншейной прокладки трубопроводов, например, под руслом реки с помощью агрегата, использующего для бурения скважины стандартную буровую колонну [2]
Способ заключается в том, что на одном из берегов реки сваривают, изолируют и испытывают рабочий трубопровод, а на другом берегу устанавливают агрегат для проходки пилотной скважины, которую бурят по заданной траектории под дном реки с одного берега на другой с помощью буровой колонны, собранной из стандартных буровых секций, соединенных буровыми замками. Используемое при этом устройство, содержащее раму с якорем и размещенный на раме силовой агрегат с гидроцилиндрами, позволяет осуществлять захват очередного бурового замка колонны и создавать на забое осевую нагрузку путем приложения к замку тянущего усилия штоков гидроцилиндров силового агрегата. После выхода буровой колонны на противоположном берегу с нее снимают грунторазрабатывающий инструмент, присоединяют рабочий трубопровод и осуществляют его протаскивание в образованную скважину с помощью того же устройства, что и на этапе бурения скважины.

Известный способ имеет значительные преимущества перед первым аналогом, так как применение стандартного бурового оборудования позволяет осуществлять проходку пилотной скважины с различными насадками породоразрушающего инструмента диаметром до 270 мм, расширение пробуренной скважины и протаскивание в нее трубопровода диаметром до 530 мм. Осуществление способа с помощью описанного устройства позволяет выполнить надежный захват бурового замка секции колонны, передать через него с помощью силового агрегата необходимую осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент буровой колонны и создать требуемое усилие для протаскивания трубопровода.

Недостатком способа является то, что перед проходной скважины буровую колонну собирают из секций на требуемую длину трубопровода и подают в забой в собранном виде, что требует больших строительных площадей. Это, в свою очередь, приводит к увеличению времени прокладки и, кроме того, создает трудности для подачи бурового раствора в забой, так как при больших длинах трубопровода открытый торец колонны, через который производится подача раствора, в этом случае располагается на значительном удалении от входа скважины. Устройство, реализующее способ, не позволяет осуществить посекционное наращивание колонны в процессе бурения, так как примененная в этом устройстве конструкция блока захвата бурового замка колонны обеспечивает его крепление в силовом блоке за счет создания на муфте замка значительной радиальной нагрузки, что в отсутствии последующей секции буровой колонны, обуславливающей необходимую жесткость замка за счет взаимодействия ниппельной части замка и муфты, приведет к деформации замка и невозможности наращивания колонны после внедрения секции в грунт. Кроме того, при осуществлении бурения осевая нагрузка на забое формируется за счет тянущего усилия, приложенного к замку со стороны убирающихся штоков гидроцилиндров силового блока, что не позволяет реализовать максимальное усилие, которое развивает гидроцилиндр при выпускании штоков.

Целью изобретения является создание такой технологии бестраншейной прокладки трубопроводов больших длин и диаметров с использованием стандартной буровой колонны, при которой исключались бы операции по предварительной сборке буровой колонны на длину трубопровода, уменьшалось время бурения пилотной скважины, упрощалась сама процедура бурения и повышалась эффективность работы силового агрегата, используемого для подачи буровой колонны в скважину.

Это достигается тем, что в способе бестраншейной прокладки трубопроводов, включающем бурение пилотной скважины по заданной траектории с помощью погружного бурового оборудования и подачу буровой колонны для создания на забое осевого усилия посредством переменного перемещения и фиксации силового блока и блока захвата, последующее протаскивание трубопровода в образованную скважину в направлении, обратном бурению, в силовом блоке устанавливают переводник для передачи толкающего усилия непосредственно на внедряемую в грунт буровую колонну, при этом погружение последней осуществляют секциями путем последовательно их наращивания, а подачу в буровую колонну бурового раствора и энергопитания к погружному буровому оборудованию осуществляют посредством хвостовика, закрепленного на переводнике, который пропускают через блок захвата с возможностью его перемещения относительно указанного блока в процессе выдвижения силового блока при бурении пилотной скважины. Переводник может быть выполнен в виде полой штанги с элементом соединения со стороны буровой колонны, соответствующим элементу соединения бурового замка секции буровой колонны. Для исключения радиального и осевого перемещения секции колонны относительно переводника целесообразно фиксировать их соединением, например, хомутным.

Цель изобретения достигается тем, что установка направленного бурения, содержащая шарнирно соединенные якорь и раму, силовой агрегат, состоящий из связанных между собой установленных на раме с возможностью их перемещения и фиксации на раме силового блока и блока захвата, последний из которых имеет зажимное устройство для захвата замка буровой колонны и передачи на нее усилия от силового блока, механизмы фиксации и зажимное устройство, выполненные в виде подвижных запорных элементов с гидравлическим приводом, согласно изобретению снабжена закрепленным на силовом блоке переводником с хвостовиком для передачи усилия погружения на буровую колонну, при этом хвостовик проходит через блок захвата с возможностью перемещения относительно последнего при выдвижении силового блока. Внутренняя поверхность конца переводника со стороны буровой колонны выполнена ответной поверхности соединительной части бурового замка секции буровой колонны, а крепление переводника на силовом блоке выполнено с возможностью передачи толкающего усилия на торец бурового замка.

Так, выполнение устройства для наращивания буровой колонны при проходке скважины в виде полой штанги, закрепленной на силовом блоке, при условии, что внутренняя поверхность конца полой штанги устройства со стороны буровой колонны выполнена ответной поверхности соединительной части бурового замка секции колонны и крепление штанги на блоке выполнено с возможностью передачи толкающего усилия силового блока на торец замка, позволяет разгрузить ниппельную соединительную часть бурового замка от радиальной нагрузки и тем самым осуществить в процессе бурения скважины наращивание буровой колонны, то есть штанга как бы имитирует использованную в ближайшем аналоге буровую колонну, собранную из секций, соединенных буровыми замками, однако с той разницей, что на буровой замок колонны не действуют радиальные усилия в зажимном устройстве блока захвата, а осевая нагрузка создается воздействием только на торец замка. При этом осевая нагрузка реализуется в виде толкающего усилия выдвигающихся штоков гидроцилиндров, что позволяет увеличить осевое усилие на забое по сравнению с аналогом (при втягивании штоков) примерно в три раза.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлена схема наращивания буровой колонны; на фиг. 2 установка направленного бурения (вид сбоку); на фиг. 3 силовой блок и блок захвата, установленные на раме агрегата (вид сверху).

Способ бестраншейной прокладки трубопроводов осуществляют посредством известного бурового оборудования, например, с помощью штатной электробуровой колонны, состоящей в разобранном виде из отдельных секций в виде буровых труб диаметра 140 мм и длиной 9 м, буровых замков ЗШ-178 и трехконтактных кабельных секций.

Вначале выполняют бурение пилотной скважины, в которую с другого конца протаскивают трубопровод. Необходимое осевое усилие на забое создают посредством силового механизма, содержащего в качестве источника усилия гидроцилиндры со штоками. При проходке пилотной скважины буровая колонна наращивается секциями, которые соединяются буровыми замками. Эти операции осуществляются следующим образом.

После внедрения в грунт очередной секции буровой колонны (фиг. 1) буровую трубу последующей секции соединяют с предыдущей буровым замком, для чего вводят ниппельную часть 1 замка трубы предыдущей секции буровой колонны в ответную часть муфты 2 замка трубы последующей секции и их скрепляют между собой. После этого на свободный торец 3 ниппельной части замка последующей секции воздействуют осевым толкающим усилием, создавая это усилие за счет выдвижения штоков гидроцилиндров силового механизма, что вызывает внедрение последующей секции буровой штанги в грунт. При этом в процессе бурения в скважину нагнетается буровой раствор путем его подачи на вход торца 3 ниппельной части бурового замка.

Протаскивание рабочего трубопровода в скважину осуществляют в обратном порядке путем воздействиям сил, приложенных к буровому замку очередной секции буровой колонны со стороны выдвигающихся штоков гидроцилиндров силового механизма.

Предложенная для осуществления способа установка содержит (фиг. 2) якорь, выполненный из боковых щитов 4, шарнирно связанных с основанием 5. На якоре шарнирно закреплена наклонная рама, представляющая собой жесткую конструкцию, состоящую из двух параллельных балок 6, соединенных между собой перемычками 7.

На раме размещен силовой агрегат, состоящий из силового блока 8 и блока захвата 9. Силовой блок служит для создания осевого усилия на забое и протаскивания рабочего трубопровода в пилотную скважину и содержит силовые цилиндры 10, концы штоков которых закреплены на блоке захвата 9.

Блок захвата 9 предназначен для запирания бурового замка и передачи через него усилия буровой колонне при протаскивании рабочего трубопровода в пилотную скважину. Для этого блок 9 содержит зажимное устройство 11, выполненное в виде подвижных запорных элементов с гидравлическим приводом, установленных в блоке с возможностью захвата бурового замка по его периферии и создания на нем радиального запирающего усилия.

В конструкцию установки введено устройство, позволяющее наращивать буровую колонну при проходке скважины переводник, который служит для передачи толкающего усилия силового блока на внедряемую в грунт секцию буровой колонны. Переводчик выполнен в виде полой штанги 12, причем ее внутренняя поверхность со стороны буровой колонны выполнена ответной поверхности соединительной (ниппельной 1, фиг. 1) части бурового замка секции колонны с возможностью их взаимодействия и передачи толкающего усилия на торец бурового замка (фиг.3). Хвостовик 13 полой штанги пропущен через зажимное устройство блока захвата 9 с возможностью скольжения в нем в процессе взаимного перемещения блока захвата и силового блока 8 при бурении пилотной скважины. Через хвостовик 13 проходит электропроводка к кабельным секциям буровой колонны и подается буровой раствор в скважину.

Силовой блок 8 и блок захвата 9 установлены на раме с возможностью перемещения и снабжены механизмами их фиксации на раме, каждый из которых выполнен в виде снабженных гидравлическим приводом подвижных стопорных пальцев 14, пропущенных через сквозные отверстия корпусов этих блоков и отверстия 15 рамы.

Агрегат для бестраншейной прокладки трубопроводов работает следующим образом.

Перед началом бурения в землю заглубляется якорь рамы, после чего рама агрегата с помощью стоек 16 и растяжек 17 (фиг. 2) устанавливается под проектным углом к горизонту и крепится к якорю, что позволяет устранить реактивный момент, действующий на раму в результате вращения грунторазрабатывающего устройства и опрокидывающий момент при создании усилий в процессе бурения пилотной скважины и прокладки рабочего трубопровода.

В силовом блоке 8 устанавливают штангу 12 переводника, а его хвостовик 13 пропускают через зажимное устройство 11 блока захвата 9 с возможностью скольжения хвостовика между подвижными запорными элементами зажимного устройства. Затем силовой блок 8 с втянутыми штоками гидроцилиндров 10, концы которых закреплены на корпусе блока захвата 9, вместе с этим блоком переводят на раме в крайнее правое положение (фиг. 2), и с помощью механизма фиксации, выполненного точно таким же, как и для силового блока (пальцы 14, взаимодействующие с рамой, фиг. 3), закрепляют блок захвата 9 на раме. Далее на раме размещают первую секцию буровой колонны с грунторазрабатывающим устройством на ее переднем конце и ниппельной частью 1 бурового замка (фиг. 1) на противоположном. Затем вводят этот конец секции колонны в открытый конец штанги 12 переводника до упора с его ответной внутренней поверхностью и, чтобы контакт торца ниппельной части бурового замка не нарушался, фиксируют его от радиального перемещения по отношению к штанге переводника соединением, например, хомутным 18. Выдвигая штоки 19 гидроцилиндров 10, передают толкающее усилие, развиваемое силовым блоком, на торец бурового замка, что исключает его деформацию в радиальном направлении и приводит к внедрению колонны в грунт на длину штоков гидроцилиндров. Для того, чтобы внедрить секцию колонны на очередной шаг, равный длине штоков, закрепляют на раме силовой блок 8 с помощью его механизма фиксации (14, 15, фиг. 3), расфиксируют блок захвата 9 и, втягивая штоки 19 гидроцилиндров 10, перемещают блок захвата в сторону силового блока, после чего вновь закрепляют этот блок на раме и, освобождая от закрепления силовой блок 8 толкающим воздействием выдвигаемых штоков гидроцилиндров через переводник на торец бурового замка, осуществляют внедрение секции колонны в грунт на очередной ход штоков гидроцилиндров. Такая последовательность действий продолжается до внедрения всей секции в грунт.

Наращивание новой секции буровой колонны осуществляется следующим образом.

Извлекают из переводника ниппельную часть бурового замка, перемещают оба блока на раме вновь в крайнее правое положение, в котором штоки гидроцилиндров убраны и силовой блок подготовлен для очередного толкающего воздействия, помещают вторую секцию буровой колонны на раму агрегата, в нижнюю муфту бурового замка этой секции вводят ниппель замка предыдущей секции, внедренной в грунт, соединяют, а затем скрепляют обе части бурового замка, а свободный конец буровой трубы этой секции вновь закрепляют в переводнике, после чего выполняют описанную выше последовательность действий, итогом которой будет внедрение в грунт очередной секции буровой колонны.

Протаскивание рабочего трубопровода в пилотную скважину осуществляют в обратной последовательности, однако при этом переводник не используется, а буровой замок. извлекаемой из скважины очередной секции буровой колонны, также, как и в известной технологии прокладки трубопроводов, запирается зажимным устройством 11 блока захвата 9, через которое и передается со стороны силового блока усилие, необходимое для протаскивания трубопровода.

Использование в технологии бестраншейной прокладки длинных трубопроводов под различными естественными препятствиями. Сущность изобретения: прокладку трубопровода выполняют с помощью стандартной буровой колонны, которую в процессе бурения наращивают, а осевую нагрузку на забое создают, прикладывая усилие силового агрегата установки к торцу бурового замка внедряемой в грунт секции колонны. Для осуществления способа в установке направленного бурения применено устройство для передачи толкающего усилия штоков гидроцилиндров силового агрегата на торец бурового замка колонны. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ бестраншейной прокладки трубопроводов, включающий бурение пилотной скважины по заданной траектории с помощью погружного бурового оборудования и подачу буровой колонны для создания на забое осевого усилия посредством переменного перемещения и фиксации силового блока и блока захвата, последующее протаскивание трубопровода в образованную скважину в направлении, обратном бурению, отличающийся тем, что в силовом блока устанавливают переводник для передачи толкающего усилия непосредственно от силового блока на внедряемую в грунт буровую колонну, при этом погружение последней осуществляют секциями путем последовательного их наращивания, а подачу в буровую колонну бурового раствора и энергопитания к погружному буровому оборудованию осуществляют посредством хвостовика, закрепленного на переводнике, который пропускают через блок захвата с возможностью его перемещения относительно указанного блока в процессе выдвижения силового блока при бурении пилотной скважины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переводник выполняют в виде полой штанги с элементом соединении со стороны буровой колонны, соответствующим элементу соединения бурового замка секции буровой колонны. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для исключения радиального перемещения секции колонны относительно переводника фиксируют их соединением, например хомутным. 4. Установка направленного бурения, содержащая шарнирно соединенные якорь и раму, силовой агрегат, состоящий из связанных между собой, установленных на раме с возможностью их перемещения и фиксации на раме силового блока и блока захвата, последний из которых имеет зажимное устройство для захвата замка буровой колонны и передачи на нее усилия от силового блока, механизмы фиксации и зажимное устройство, выполненные в виде подвижных запорных элементов с гидравлическим приводом, отличающаяся тем, что для передачи усилия погружения на буровую колонну установка снабжена закрепленным на силовом блоке переводником с хвостовиком, проходящим через блок захвата с возможностью перемещения относительно последнего при выдвижении силового блока, при этом внутренняя поверхность конца переводника со стороны буровой колонны выполнена ответной поверхности соединительной части бурового замка секции буровой колонны, а крепление переводника на силовом блоке выполнено с возможностью передачи толкающего усилия на торец бурового замка.