ВНИИСТ Инжиниринговая нефтегазовая компания - Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству и эксплуатации трубопроводов, объектов ТЭК. - презентация

1 ВНИИСТ

2 Инжиниринговая нефтегазовая компания - Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству и эксплуатации трубопроводов, объектов ТЭК (ОАО ВНИИСТ) Опыт технического нормирования строительства переходов магистральных трубопроводов методом наклонно-направленного бурения Вице-президент – Директор департамента НИР и ОКР ОАО ВНИИСТ, Доктор технических наук, чл-корр. РАЕН Шарафутдинов Зариф Закиевич ОАО ВНИИСТ

3 ВНИИСТ Строительство переходов магистральных нефтепроводов методом направленного бурения и существующие представления о их распределение по усложненности процесса строительства Значительное влияние на успешность и скорость строительства перехода оказывают горно-геологические и технологические условия бурения. Исходя из затрат времени на бурение в процессе строительства подводных переходов, по степени сложности бурения, горно-геологические условия можно разбить на следующие группы: I.Отложения, представленные песками, пластичными и твердыми глинистыми грунтами; II.Отложения, представленные гравийно-галечниковыми отложениями, а также глинами и суглинками с включениями гравия, гальки, щебня, дресвы и т.п.; III.Отложения, представленные текучими и текучепластичными глинистыми грунтами; IV.Отложения, представленные чрезвычайно осложненными горно-геологическими условиями. Они характеризуются чередованием пород, имеющих значительные различия по прочности, а также залеганием по стволу скважины крупноразмерных галечников, валунов, карстовых и сильнотрещиноватых пород, высокопрочных скальных пород. ОАО ВНИИСТ

4 ВНИИСТ Классификация сложных условий строительства ПМН специалистов PLS Категория по буримости при ННБ ОДНОРОДНЫЕ ТОЛЩИ и толщи с крупноразмерными включениями СЛОИСТЫЕ ТОЛЩИ (мощность слоев не менее 0,2м) ВОДОНАСЫЩЕННЫЕ ТОЛЩИ (плывуны) возможны крупные включения до 30% ЗАКАРСТОВАННЫЕ ТОЛЩИ СЛОЖНЫЕ УСЛОВИЯ 5Ил плотный, песок крупный с дресвой, глина песчанистая, глина аргиллитовая, песчаник на извест. и жел. цементе, алевролит, аргиллит, ангидрит весьма плотный, известняк, доломит мергелистый, галечно-щебенистые грунты Переслаивание пород с различными характеристиками (категории по буримости 2- 5), содержание крупноразмерных включений менее 30% Плывун не напорный (песок пылеватый, мелкий средний, крупный, гравелистый) Мел, мергель, гипс, ангидрит, закарстованные и трещиноватые с полостями менее 6Песчаник полевошпатовый, аргиллит слабо окремненный, известняк плотный доломитистый, доломит плотный, сланцы глинистые, гравийно- галечниковый грунт с песчаным заполнителем ВЕСЬМА СЛОЖНЫЕ УСЛОВИЯ 7Аргиллит окремненный, песчаник кварцевый, доломит весьма плотный, известняк окварцованный, галечник извест. и мет. пород («речник»), щебень мелкий, гравийно-галечниковый грунт с песчаным заполнителем и единичными валунами Переслаивание пород с различными прочностными характеристиками (2-6 категории по буримости), возможны крупноразмерные включения менее 30 % Плывун напорный (песок пылеватый, мелкий, средний, крупный, гравелистый) Известняк, доломит, закарстованные, трещиноватые с полостями менее 8Аргиллит кремнистый, доломит окварцеванный, известняк и доломит окремненные, гравийно- галечниковый грунт с глинистым заполнителем и единичными валунами (крупн. включ. менее 70%) 9Известняк, доломит, песчаник, сланцы кремнистые; известняк карстовый Мел, мергель, гипс. ангидрит, известняк, доломит закарстованный и трещиноватый с «открытыми» полостями более ОАО ВНИИСТ

5 ВНИИСТ Влияние конструктивных параметров ПМН на условную стоимость их строительства ОАО ВНИИСТ

6 ВНИИСТ Распределение времени и цикловой скорости строительства в зависимости от конструктивных параметров ППМН ОАО ВНИИСТ

7 ВНИИСТ Распределение ППМТ по трудности разработки методом направленного бурения категории сложности Характеристика категорий по конструктивному параметру ППМТ, литологическому составу и условиям бурения 1 Чередование по стволу скважины и однородное залегание монолитных пород 1-2 категории прочности и песков 2 Однородное залегание и чередование по стволу скважины пород 1-2 категории прочности с гравийно-галечниковыми или щебенистыми отложениями, содержащих песчаный или глиносодержащий заполнитель более 40% с их мощностью по стволу скважины не более 100м. 3 Однородное залегание и чередование по стволу скважины монолитных пород 1-2 категории прочности с гравийно-галечниковыми или щебенистыми отложениями, содержащих песчаный или глиносодержащий заполнитель более 40% с их мощностью по стволу скважины более 100м. 4 Чередование по стволу скважины и однородное залегание закарстованных пород 3-4 категории прочности с размером полостей не более 2м. Наличие высокопластичных монолитных грунтов 5 Чередование по стволу скважины и однородное залегание монолитных пород 3-4 категорий прочности. Наличие гравийно-галечниковых и щебенистых отложений с содержанием песчаного или глиносодержащего заполнителя менее 40%, с мощностью залегания по стволу скважины более 100м. 6 Разновысотность точек входа и выхода более 20м. Чередование по стволу скважины пород с разными категориями прочности (1-5 категория прочности) 7 Чередование по стволу скважины и однородное залегание пород 5-6 категории прочности. Наличие карстовых полостей размером более 2м 8 Монолитные породы 1-2 категории прочности, содержащие высокопрочные включения в виде валунника, валунов с размером не более 300мм. Допускается содержание валунов не более 20% ОАО ВНИИСТ

8 ВНИИСТ Прогнозирование времени строительства подводных переходов В строительстве подводного перехода при бурении, расширении и калибровке следует выделить следующие составляющие времени выполнения указанных операций: t мех - затраты времени на механическое бурение; t нав - затраты времени на ориентирование ствола ППМТ; t бр - затраты времени на приготовление бурового раствора; t осл - затраты времени на ликвидацию осложнений; t спо - затраты времени на осуществление спускоподъемных операций. В связи с этим различают: t техн - затраты времени на техническое осуществление этапа строительства, ст-сутки. t техн = t мех + t нав + t бр ; t комм - коммерческое время выполнения того или иного этапа строительства перехода, ст-сутки. t комм = t мех + t нав + t бр + t осл + t спо ; t ппМТ - время строительства перехода, ст-сутки t ппмт = t комм + t п + t монт + t демонт +t демонт_палатки, где t п – время переезда ~ 6,93 ст-сут., t монт – время монтажа бурового комплекса ~ 7,73 ст-сут. t демонт – время демонтажа бурового комплекса ~ 4,50 ст-сут. t демонт_палатки – время на монтаж-демонтаж платочного укрытия в зимнее время ~ 14 ст-сут t комм = t комм бур + t комм расш + t комм калибр + t комм простаск. Время t п, t монт, t демонт берется из средних статистических величин времени, затрачиваемых исполнителем на выполнение данных операций. Коммерческое время строительства определяется по статистическим оценкам затрат времени на выполнение отдельных этапов строительства подводного перехода. Статистическая оценка затрат на коммерческое время осуществляется на основании квалифицирования строящегося подводного перехода к определенной группе сложности и вычисления на этом основании времени строительства. Строительство подводных переходов разбивается на три группы сложности. Они включают в себя следующие составляющие. Для бурения пилотной скважины: t комм бур = A*L + B, ст-сутки где A и B - коэффициенты, зависящие от выбора группы сложности условий в которых осуществляется строительство пилотного ствола; L - длина перехода. t комм расш = С*V ппмт + D, ст-сутки где С и D - коэффициенты, зависящие от выбора группы сложности условий строительства подводного перехода; V ппМТ - объем строящегося перехода. Временные параметры для различных горно- геологических условий строительства ППМТ для бурения пилотной скважины В = 30ППМТ относящиеся к 1-3 группам сложности В = 45ППМТ относящиеся к 4-5 группам сложности В = 150ППМТ относящиеся к 6-8 группам сложности для расширения пилотного ствола В = 50ППМТ относящиеся к 1-3 группам сложности В = 166ППМТ относящиеся к 4-5 группам сложности В = 300ППМТ относящиеся к 6-8 группам сложности Коммерческое время протаскивания определяется по формуле t комм протаск = Е*V ппн + F, ст-сутки (станко-сутки) где Е и F – коэффициенты. Временные параметры для категорий сложности горно-геологических условий строительства ППМТ Е = 0,02 F = категория F = 8,3 Е = 0,034-5 категория F = 12 Е = 0,056-8 категория ОАО ВНИИСТ

9 ВНИИСТ Выбор вооружения для долот и расширителей Тип долота Горная порода Смещение осей цапф, мм СкольжениеВооружение ММягкая 3-10 в зависимости от диаметра Большое С большим шагом высокие стальные зубья МЗМягкая абразивная » Высокие вставные твердосплавные зубья в виде притупленного клина с большим шагом МС Мягкая с пропластками средней твердости 4-7 »То же, что для типа М МСЗ Мягкая абразивная с пропластками средней твердости »То же, что для типа МЗ ССредней твердости » Стальные зубья средней высоты со средним углом заострения и средним шагом СЗ Абразивная средней твердости 2-5Среднее Вставные твердосплавные зубья в виде притупленного клина средней высоты и со средним шагом СТСредней твердости с пропластками твердой »То же, что для типа С ТТвердая0,5-1,5Малое Низкие, с большим углом заострения, с малым шагом стальные зубьяТЗ Твердая абразивная Малое Низкие вставные твердосп- лавные зубья в виде притупленного клина с малым шагом ТК Твердая с пропластками крепкой 0,5-1,5 » Стальные зубья, аналогичные типу Т, и вставные твердосплавные зубья с полусферической головкой ТКЗ Твердая абразивная с пропластками крепкой » Стальные зубья, аналогичные типу Т, и вставные твердосплавные зубья, аналогичные типу ТЗ ККрепкая Очень малое Низкие с малым шагом вставные твердосплавные зубья с полусферической головкой ОКОчень крепкаяТо жеТо же, что для типа К Тип воору жени я ПРИ Дробящее- скалывающег о, для категорий Режуще- скалывающег о, для категорий Режуще- истирающего, для категорий тверд ости абраз ивнос ти тверд ости абраз ивнос ти тверд ости абраз ивнос ти М МЗ МС МСЗ С СЗ СТ Т ТЗ ТК ТКЗ К ОК ОАО ВНИИСТ

10 ВНИИСТ Расширители (ПРИ режуще-скалывающего действия) В практике строительства подводных переходов методом направленного бурения для расширения скважины до требуемого диаметра, применяются бочкообразные расширители – BARREL REAMER, и BARREL REAMER, оснащенный шарошечным вооружением ОАО ВНИИСТ

11 ВНИИСТ Расширители (ПРИ режуще-скалывающего действия) Лопастные или пальцевые расширители – FLY CUTTER ОАО ВНИИСТ

12 ВНИИСТ РАСШИРИТЕЛИ С ВООРУЖЕНИЕМ ДРОБЯЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ HOLE OPENER Сарапульского долотного заводаINROCK недостаток: низкая степень перекрытия забоя разрушающими элементами ОАО ВНИИСТ

13 ВНИИСТ Особенности работы ПРИ на забое скважины m – число элементов, поражающих породу на инструменте; z – число поражающих секторов; е – число элементов, поражающих породу в одном секторе; n Д – частота вращения породоразрушающего инструмента; D – диаметр породоразрушающего инструмента; d – размер поражающего сектора Распределение давления по радиусу расширителя можно описать уравнением где а – радиус расширителя; G – тяговое усилие, действующее на расширитель; r – полярный радиус. Минимальное давление действует в центре, а максимальное давление – на контуре контакта расширителя с забоем. В результате этого тяговое давление на расширитель осуществляет уплотнение грунта, что при одновременном его насыщении буровым раствором, обладающего высокими структурно-механическими свойствами, обеспечивает значительное упрочнение несцементированных отложений на стенке скважины. Подобный эффект расширяет эффективность работы одноэтапных щитовых расширителей Hole Opener в условиях залегания несцементированных отложений. ОАО ВНИИСТ

14 ВНИИСТ Основы выбора технологии расширения Механическая скорость бурения определяется следующими факторами: гдеA V - энергоемкость разрушения породы; N Z - мощность, передаваемая на забой; F Z - площадь забоя; V drill - механическая скорость бурения. Энергоемкость разрушения пород A V является показателем, характеризующим эффективность реализации подведенной к забою скважины энергии: гдеA 0 - работа долота за один оборот; R bit - радиус породоразрушающего инструмента; δ 0 - интенсивность разрушения грунта (породы) или проходка за один оборот долота. В свою очередь работу долота за один оборот А0 определяют как: гдеG - нагрузка на инструмент; M YD - удельный момент на породоразрушающем инструменте NR=M*n - мощность на приводе ротора; N PIPE - мощность, передаваемая на вращение бурильных труб; N T - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений трансмиссии, равна 0,003*n1,5, n – частота вращения ротора. ОАО ВНИИСТ

15 ВНИИСТ Выбор числа этапов расширения ОАО ВНИИСТ

16 ВНИИСТ Пример компоновки бурильного инструмента, используемой при расширении скважины Шпиндель (6-5/8 FH) Переводник с боковым отверстием (6-5/8 FH) Разрушающая коронка Оголовника Ф 816 мм Вертлюг ( 6-5/8 FH ) Бурильные трубы 168х9 (DS 65) Невращающийся стабилизатор 800 мм (6-5/8 FH) Барабанный. Расширитель H.O. 54 Резьба 6 5/8 FH Двухниппельный переводник (6-5/8 FH) Короткое УБТ 210 мм (6-5/8 FH) Двухниппельный переводник (6-5/8 FH) ОАО ВНИИСТ

17 ВНИИСТ Прогнозирование осложнений в процессе строительства ППМН методом направленного бурения ОАО ВНИИСТ

18 ВНИИСТ Осложнения при строительстве ППМН методом направленного бурения Расчетная устойчивость стенок скважины в процессе ее расширения через реку Уфа (ППМН УБКУА) Расчетная устойчивость стенок скважины в процессе ее расширения через реку Песь Расчетная устойчивость стенок скважины в процессе ее расширения через реку Которосль ОАО ВНИИСТ

19 ВНИИСТ Укрепление стенок скважины при бурении в несцементированных породах 1Состояние песка после фильтрации через него бурового раствора, обладающего величиной предельного динамического напряжения сдвига менее 30Па 2Состояние песка после фильтрации через него бурового раствора, обладающего величиной предельного динамического напряжения сдвига более 30Па ОАО ВНИИСТ

20 ВНИИСТ Обвалы неустойчивых гравийно-галечниковых и песчаных отложений при реализации многоступенчатого расширения ОАО ВНИИСТ

21 ВНИИСТ Разрушение глины в среде бурового раствора 1Размокание образца глины в составе бурового раствора 2Объемное разрушение глины в среде бурового раствора ОАО ВНИИСТ

22 ВНИИСТ Проектирование реологических параметров для промывки ствола скважины Горно-геологические условия строительства Допустимое содержание шлама в объеме бурового раствора, % Пилотная скважина Одноэтапное расширение Многоэтапное расширение Ил, глинистые отложения, песок Высокопластичные глинистые отложения Гравийно- галечниковые, щебенистые отложения Не целесообразно Скальные породы, невысокой прочности Прочные скальная порода ОАО ВНИИСТ

23 ВНИИСТ Особенности промывки скважины при многоэтапном и одноэтапном методе расширения ПМН ОАО ВНИИСТ

24 ВНИИСТ Расчет объема промывки скважины при строительстве ПМН V б.р. - необходимый объем промывочной жидкости; d - диаметр скважины; L - длина скважины; k кав - коэффициент кавернозности по диаметру скважины (k кав =1,1-1,3, в зависимости от свойств породы); С - технологический коэффициент промывки (С=3-10, в зависимости от подачи насосов, механической скорости бурения скорости бурения; фракционного состава шлама и т. д.); k погл - коэффициент поглощения (k погл =0,2-0,8, в зависимости от свойств породы, этапа строительства подводного перехода и геолого-технических условий бурения, конструкционных особенностей породоразрушающего инструмента и т.д.). Q 1, Q бур, Q бл_бр, Q возврат, Q погл – соответственно подача бурового раствора, необходимая для поддержания проектной величины механической скорости бурения, производительность блока по приготовлению бурового раствора, производительность блока по регенерации бурового раствора, интенсивность поглощения бурового раствора в процессе бурения, м 3 /ч υ – количество блоков по приготовлению или регенерации бурового раствора; T бур, T осл, Т – затраты времени на механическое бурение, ликвидацию осложнений, время производительного использования бурового раствора, ч. К погл =V погл /V бр – коэффициент потери циркуляции. ОАО ВНИИСТ

25 ВНИИСТ Расчет промывки скважины в практических условиях ρ П, ρ БРС, ρ БР – соответственно плотности разбуриваемой породы, бурового раствора, выходящего из скважины, закачиваемого в скважину; α – степень выноса шлама разбуренной породы из скважины ил, песок, глина К погл =0,5 Гравий К погл =0,8 мягкая скальная порода К погл =0,2 твердая скальная порода К погл =0,2 ОАО ВНИИСТ

26 ВНИИСТ

27 Основные пути снижения объема бурового раствора, используемого при строительстве ППМН методом направленного бурения Снижение объема бурового раствора, потребляемого при бурении скважины ППМН в горно-геологических условиях, характеризующихся Залеганием песков, монолитных грунтов с диаметром трубопровода до 1220 мм и длины до 800 м Снижение реологических параметров бурового раствора Применение дополнительных мощностей по очистке бурового раствора Строительство дополнительной пилотной скважины, использование полевого трубопровода Применение многоступенчатой технологии расширение. Совершенствование конструкций породоразрушающего инструмента Залеганием гравийно-галечниковых отложений, щебенистых грунтов, наличием валунов и др. Отсутствует инженерно- техническая целесообразность ОАО ВНИИСТ

28 ВНИИСТ Расчет протаскивания и балластировки трубопровода для выбора Буровой установки (Gt=2..3*Gtr) 1. Усилия протягивания трубопровода по скважине при различных объемах его балластировки водой; 2. Усилия протягивания трубопровода по скважине при различных объемах балластировки; 3. Оптимальный график заполнения трубопровода водой при его протаскивании в скважину ОАО ВНИИСТ

29 ВНИИСТ Принципиальная схема переработки отработанного бурового раствора Разделение бурового раствора на дисперсионную среду и дисперсную фазу Вода Очистка воды, Контроль качества Использование воды при гидроиспытаниях Дисперсная фаза, т.е. твердая фаза, включающая глину и выбуренный грунт Захоронение в амбарах Размещение на полигоне С передачей другим организациям Использование в дорожном строительстве при производстве строительных Материалов и др. ОАО ВНИИСТ

30 ВНИИСТ Способы переработки отработанного бурового раствора Отработанный буровой раствор Разделение бурового раствора на дисперсионную среду и дисперсную фазу, т.е. на воду и твердую часть раствора Быстрая переработка 4-х ступенчатая очистка с использованием блока FCU SWACO, Derrik, BRANT и мн. др. Медленная переработка За счет реализации явления синерезиса и естественного отвода воды ОАО ВНИИСТ

31 ВНИИСТ Принципиальная схема размещения оборудования для переработки отработанного бурового раствора ОАО ВНИИСТ

32 ВНИИСТ Переработка отработанного бурового раствора за счет естественного выдерживания Порядок производства работ 1.Устройство площадки 100*100 м вне водоохранной зоны 2.Устройство противофильтрационно го экрана в основании площадки 3.Устройство дренажной системы 4.Монтаж резервуара для сбора дренажных вод ОАО ВНИИСТ

33 ВНИИСТ Распределение объема составляющих отработанного бурового раствора при различных способах его переработки на примере р. Белая ППМН Салават- Орск Д у 530 мм; L d =421 м Проектные оценки объемов бурового раствора для переработки Без перераб отки Переработка бурового раствора с использованием FCU Отстой бурового раствора на специальных площадях Общий объем используемого бурового раствора, м Объем поглощенного бурового раствора, м Вывоз и утилизация раствора, остающегося по завершении работ для определения размера платы за размещение, м Вывоз шлама для размещения на полигоне для определения размера платы за размещение, м Утилизация воды, м Проектное время переработки отработанного бурового раствора 14 суток 6-12 мес. ОАО ВНИИСТ

34 ВНИИСТ з Сравнительная стоимость затрат на размещение отходов бурения при различных методах переработки бурового раствора на примере объекта «Замена ППМН Салават-Орск на 45 км через р. Белая (резервная нитка), Д у 530 мм» Метод переработки бурового раствора Объем продук та, м 3 Стоимость работ за 1 м 3, руб. Затраты на размещен ие отходов, тыс. руб. Общие затраты за размещение отхода и переработки раствора, тыс. руб. Традиционный ,004059,00 4-х ступенчатая переработка раствора с использованием блока FCU 1467 (ам-я ) 1127,274681, (аренда) 1127,275057,00 Отстой бурового раствора на специальных площадях ,502585, ,503590,11 ОАО ВНИИСТ

35 ВНИИСТ Сравнение методов строительства ПМТ ОАО ВНИИСТ

36 ВНИИСТ Контактная информация Адрес: , г. Москва, Окружной проезд, д. 19 Тел./факс: (495) / (495) Открытое акционерное общество «Инжиниринговая нефтегазовая компания – Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству и эксплуатации трубопроводов, объектов ТЭК» (ОАО ВНИИСТ) ОАО ВНИИСТ