RU2734198C1

RU2734198C1 - Pipeline pulling method in horizontal well

Info

Publication number: RU2734198C1
Application number: RU2019132532A
Authority: RU
Inventors: Юрий Анатольевич Маянц; Дмитрий Игоревич Ширяпов; Александр Васильевич Елфимов
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-10-13

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to construction of main pipeline crossings by horizontal directional drilling. Additional pipe is welded to the head part of the pipeline being pulled, the diameter of which is equal to the diameter of the pipeline being pulled, but having less bending stiffness. From the head of the additional pipe, the pipeline is pulled from the head of the additional pipe to the drilled horizontal well with simultaneous expansion of the said well till the entire length of the additional pipe is out of the well; at the absence of inadmissible damages on the additional pipe the above pipe is cut off.

EFFECT: technical result is wider field of use, as well as higher reliability of laying pipelines on crossings through natural and artificial obstacles.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к строительству переходов магистральных трубопроводов методом горизонтально-направленного бурения (ГНБ), и может применяться в нефтегазовой промышленности при ремонте или прокладке магистральных трубопроводов под водными и другими естественными и искусственными преградами.The invention relates to the construction of crossings of main pipelines by the method of horizontal directional drilling (HDD), and can be used in the oil and gas industry during the repair or laying of main pipelines under water and other natural and artificial barriers.

Метод ГНБ является одним из основных способов прокладки трубопроводов под крупными судоходными реками, автомобильными и железными дорогами в условиях необходимости значительного заглубления, при этом бурение осуществляется по заданной криволинейной траектории.The HDD method is one of the main methods of laying pipelines under large navigable rivers, roads and railways in conditions of the need for significant deepening, while drilling is carried out along a given curvilinear trajectory.

Использование метода ГНБ имеет ограничения (Спектор Ю.И., Мустафин Ф.М., Лаврентьев А.Е. Строительство подводных переходов трубопроводов способом горизонтально-направленного бурения. Учебное пособие. Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. - 208 с), обусловленные, прежде всего, тяговыми возможностями буровых установок. Так, из практики известно, что, например, установки с тяговым усилием 300000 кгс способны осуществить протаскивание трубных 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. Также ограничены геометрические параметры скважины, поскольку степень ее кривизны должна позволить протащить трубную плеть без излома и заклинивания. По имеющимся нормам радиус кривизны пилотной скважины не должен быть менее 1200 диаметров трубопровода (при толщине стенки не менее 1/50 диаметра).The use of the HDD method has limitations (Spektor Yu.I., Mustafin F.M., Lavrentyev A.E. Construction of underwater pipeline crossings by the method of horizontal directional drilling. Textbook. Ufa: DesignPoligrafService LLC, 2001. - 208 p.), due, first of all, to the traction capabilities of drilling rigs. So, it is known from practice that, for example, installations with a pulling force of 300,000 kgf are capable of pulling pipe strings up to about 1800 m long with a diameter of 250 mm, up to 1200 m with a diameter of 1020 mm, or up to 800 m with a diameter of 1420 mm. Also, the geometrical parameters of the well are limited, since the degree of its curvature should allow the pipe string to be pulled through without kinking and jamming. According to the existing standards, the radius of curvature of the pilot well should not be less than 1200 pipeline diameters (with a wall thickness of at least 1/50 of the diameter).

Согласно требованиям проектных нормативов на переходах через естественные и искусственные преграды трубопроводам присваивается повышенная категория и применяются трубы с большей толщиной стенки, обладающие значительной жесткостью. В сочетании с максимальным наружным диаметром труб 1420 мм, применяемых на магистральных трубопроводах, данное обстоятельство приводит к тому, что при протягивании трубной плети в скважину она не поддается изгибу в той мере, которая необходима для следования по траектории расширенной скважины. В результате при протягивании трубопровода в скважину происходит ее отклонение от траектории, заданной пилотной скважиной. Это объясняется тем, что на начальном этапе протягивания трубная плеть недостаточно загибается в направлении своей верхней образующей и начинает забуриваться в нижний свод скважины. При этом возрастает тяговое усилие на буровой штанге, и дальнейшее перемещение трубной плети сопровождается работой буровой штанги в натяг, из-за чего происходит забуривание буровой штанги, а вслед за ней и трубной плети, в верхний свод скважины. В результате изоляционное покрытие труб повреждается и на металле труб возникают дефекты в виде вмятин, задиров и царапин.According to the requirements of design standards, pipelines are assigned a higher category at crossings over natural and artificial barriers and pipes with a larger wall thickness and significant rigidity are used. In combination with the maximum outer diameter of pipes of 1420 mm, used in main pipelines, this circumstance leads to the fact that when pulling a pipe string into a well, it does not lend itself to bending to the extent necessary to follow the trajectory of an expanded well. As a result, when the pipeline is pulled into the well, it deviates from the trajectory set by the pilot well. This is due to the fact that at the initial stage of pulling the tubular string is not sufficiently bent in the direction of its upper generatrix and begins to drill into the lower roof of the well. At the same time, the pulling force on the drill rod increases, and further movement of the tubular string is accompanied by the work of the drill rod in an interference fit, which causes the drilling rod to be drilled, and then the tubular string, into the upper arch of the well. As a result, the insulating coating of the pipes is damaged and defects in the form of dents, scoring and scratches appear on the pipe metal.

Как следствие, в настоящее время наблюдаются многочисленные повреждения поверхности труб по верхней образующей при прокладке методом ГНБ трубопроводов DN 1400. Учитывая, что ремонт изоляционного покрытия труб на участке, уложенном методом ГНБ, невозможен, это приводит, в том числе, к дорогостоящей повторной укладке трубопровода.As a result, at present, numerous damage to the surface of pipes along the upper generatrix is observed when laying DN 1400 pipelines using the HDD method. Taking into account that the repair of the insulating coating of pipes in the area laid by the HDD method is impossible, this leads, among other things, to expensive re-laying of the pipeline ...

Известен способ строительства подводных переходов газопроводов (Ведомственные нормы ОАО «Газпром». Строительство подводных переходов газопроводов способом направленного бурения. М: Иформационно-рекламный центр газовой промышленности (ИРЦ Газпром), 1998), включающий следующие этапы: бурение пилотной скважины, предварительное расширение скважины и протягивание трубопровода.There is a known method of construction of underwater crossings of gas pipelines (Departmental norms of OJSC Gazprom. Construction of underwater crossings of gas pipelines by the method of directional drilling. M: Information and advertising center of the gas industry (IRC Gazprom), 1998), including the following stages: drilling a pilot well, preliminary expansion of the well and pulling the pipeline.

На первом этапе производят направленное бурение пилотной скважины небольшого диаметра по заданной траектории. При бурении используется гидромониторная буровая головка, либо забойный турбинный двигатель и шарошечное буровое долото. Для определения фактической траектории прохождения пилотной скважины в головной части буровой колонны устанавливают датчик (зонд) системы ориентирования. Сопла буровой головки расположены под углом к оси буровой колонны, и для задания требуемого направления буровую колонну поворачивают, меняя направление размыва. По мере продвижения пилотной буровой колонны концентрично поверх нее надвигается промывочная колонна, предотвращающая обрушение скважины над пилотной колонной и облегчающая движение пилотной колонны и бурового раствора.At the first stage, directional drilling of a pilot well of small diameter is performed along a given trajectory. During drilling, a jet drill head or a downhole turbine motor and a roller cone drill bit are used. To determine the actual trajectory of the pilot well, a sensor (probe) of the orientation system is installed at the head of the drill string. The drill head nozzles are located at an angle to the axis of the drill string, and to set the required direction, the drill string is rotated, changing the direction of the erosion. As the pilot drill string advances, a wash string is pushed concentrically over it, preventing the well from collapsing above the pilot string and facilitating the movement of the pilot string and drilling fluid.

На втором этапе скважину расширяют до диаметра, который позволит проложить трубопровод. После выхода буровой головки на противоположном берегу к буровой колонне (промывочной, а при ее отсутствии - к пилотной) прикрепляют расширитель и колонну с расширителем, вращая, вытягивают 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.At the second stage, the well is expanded to a diameter that will allow laying the pipeline. After the drill head exits on the opposite bank, the reamer and the reamer string are attached to the drill string (flushing, and in its absence, to the pilot), rotating, and pulled in the direction of the drilling rig. At the same time, the "tail" of the drill string is continuously built up from the pipe bank, so that the string is constantly in the well along its entire length.

На третьем этапе выполняют протягивание трубной плети в расширенную скважину. Трубную плеть, предварительно сваренную и заизолированную, испытывают на берегу, противоположном от буровой установки. К концу буровой колонны крепят расширитель, который через шарнир соединяют с тяговым оголовком плети, и плеть протаскивают в направлении буровой установки.At the third stage, the pipe string is pulled into the expanded well. The pipe string, previously welded and insulated, is tested on the bank opposite from the drilling rig. A reamer is attached to the end of the drill string, which is connected through a hinge to the traction head of the string, and the string is pulled in the direction of the drilling rig.

Недостаток известного способа заключается в том, что при сооружении переходов трубопроводов диаметром 1220 мм и более из толстостенных труб в ряде случаев происходит застревание трубной плети на этапе еепротягивания, а также наблюдаются повреждения защитного антикоррозионного покрытия и металла труб вследствие повышенной жесткости головной части трубной плети и ее отклонения от траектории, заданной пилотной скважиной.The disadvantage of the known method is that during the construction of pipelines with a diameter of 1220 mm and more from thick-walled pipes, in some cases, the pipe string gets stuck at the stage of its pulling, and damage to the protective anticorrosive coating and pipe metal is observed due to the increased rigidity of the head of the pipe string and its deviations from the trajectory set by the pilot well.

Наиболее близким способом того же назначения по достигаемому результату (прототипом) является способ протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине под водными и другими естественными преградами (патент РФ №2323304, E02F 5/18, опубл. 27/04/2008), в котором поочередно протаскивают в заранее пробуренную и расширенную скважину два защитных футляра буровой установкой и перекрывают ими высокообразивные породы на входе и выходе скважины с помощью манжет-стопоров, предохранительно-направляющих манжет и извлекаемых спецпробок. Известный способ обеспечивает сохранение целостности изоляционного покрытия плети трубопровода при протаскивании по скважине, профиль которой сложен породами с большим содержанием галечника, либо иными твердыми породами в интервалах входа и выхода.The closest method for the same purpose in terms of the achieved result (prototype) is a method of pulling a pipeline in a horizontal well under water and other natural barriers (RF patent No. 2323304, E02F 5/18, publ. 27/04/2008), in which it is alternately dragged into pre-drilled and expanded borehole, two protective cases by a drilling rig and block high-grade rocks at the inlet and outlet of the well with the help of stopper collars, safety guiding collars and retrievable special plugs. The known method ensures the preservation of the integrity of the insulating coating of the pipeline string when dragging along the well, the profile of which is composed of rocks with a high content of gravel, or other hard rocks in the intervals of entry and exit.

Недостатком указанного способа является то, что сооружаемый трубопровод предохраняют от возможного повреждения абразивными породами только на входе и выходе скважины. В то же время практика строительства показывает, что повреждения изоляции трубопровода и поверхности труб наблюдаются в основном не на входе и выходе перехода, а в той части, где скважина изменяет свою траекторию, то есть в его серединной части, где грунт так же может содержать высокоабразивные породы, как и в поверхностном слое. В известном способе головная часть трубной плети обладает той же жесткостью, что и основная ее часть, из-за чего головная часть не ложится по заданной траектории, а отклоняется от нее, изгибаясь в недостаточной мере и внедряясь во внешний свод скважины, что в особенности проявляется для трубопроводов большого диаметра (до 1420 мм) и повышенной толщины стенки (до 32 мм), обладающих значительной изгибной жесткостью.The disadvantage of this method is that the pipeline under construction is protected from possible damage by abrasive rocks only at the inlet and outlet of the well. At the same time, construction practice shows that damage to the pipeline insulation and pipe surface is observed mainly not at the entrance and exit of the transition, but in the part where the well changes its trajectory, that is, in its middle part, where the soil can also contain highly abrasive rocks, as in the surface layer. In the known method, the head part of the tubular string has the same rigidity as its main part, which is why the head part does not lie down along a given trajectory, but deviates from it, bending insufficiently and penetrating into the outer roof of the well, which is especially manifested for pipelines of large diameter (up to 1420 mm) and increased wall thickness (up to 32 mm) with significant bending rigidity.

Кроме того, известный способ не позволяет подтвердить отсутствие повреждений изоляции и поверхности трубы.In addition, the known method does not allow to confirm the absence of damage to the insulation and pipe surface.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа, позволяющего обеспечить надежную прокладку магистральных трубопроводов на переходах через естественные и искусственные преграды.The problem to be solved by the present invention is to develop a method that allows to ensure reliable laying of main pipelines at crossings through natural and artificial barriers.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание альтернативного способа протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине, расширение области применения способа: возможность его применения для прокладки трубопроводов с наружным диаметром до 1420 мм с повышенной толщиной стенки (до 32 мм) методом ГНБ, а также повышение надежности прокладки трубопроводов на переходах через естественные и искусственные преграды за счет снижения риска застревания трубопровода при протягивании, предотвращения повреждения труб и контроля сохранения целостности изоляционного покрытия труб.The technical result, which the present invention is aimed at, is the creation of an alternative method for pulling a pipeline in a horizontal well, expanding the scope of the method: the possibility of using it for laying pipelines with an outer diameter of up to 1420 mm with an increased wall thickness (up to 32 mm) using the HDD method, and also increasing the reliability of pipeline laying at crossings over natural and artificial barriers by reducing the risk of pipeline sticking during pulling, preventing pipe damage and monitoring the integrity of the pipe insulation.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе протаскивания трубопровода в горизонтальной скважине к головной части протаскиваемого трубопровода приваривают дополнительную трубу, диаметр которой равен диаметру протаскиваемого трубопровода, но обладающую меньшей изгибной жесткостью. Протаскивают трубопровод, начиная с головной части дополнительной трубы, в заранее пробуренную горизонтальную скважину с одновременным расширением упомянутой скважины до выхода из скважины всей длины дополнительной трубы. При отсутствии на дополнительной трубе недопустимых повреждений упомянутую трубу отрезают.This technical result is achieved due to the fact that in the method of pulling through a pipeline in a horizontal well, an additional pipe is welded to the head of the pulled through pipeline, the diameter of which is equal to the diameter of the pipeline being pulled through, but having a lower bending stiffness. The pipeline is pulled, starting from the head of the additional pipe, into a pre-drilled horizontal well with the simultaneous expansion of the said well until the entire length of the additional pipe comes out of the well. If there is no unacceptable damage on the additional pipe, the said pipe is cut off.

В предлагаемом способе протаскиваемый трубопровод снабжен головной тонкостенной частью, обладающей большей гибкостью, чем основной трубопровод, за счет чего снижается опасность повреждения изоляции и поверхности трубы вследствие ее отклонения от заданной траектории. Кроме того, упомянутая гибкая тонкостенная головная часть после протаскивания выходит на поверхность и служит индикатором наличия или отсутствия повреждений изоляции и внешней поверхности трубы в процессе продвижения по скважине.In the proposed method, the dragged pipeline is equipped with a thin-walled head part, which is more flexible than the main pipeline, thereby reducing the risk of damage to the insulation and the pipe surface due to its deviation from the specified path. In addition, the mentioned flexible thin-walled head part, after pulling through, comes out to the surface and serves as an indicator of the presence or absence of damage to the insulation and the outer surface of the pipe in the process of moving through the well.

На фиг. 1 изображен изгиб дополнительной тонкостенной трубы на входе в скважину.FIG. 1 shows the bend of an additional thin-walled pipe at the inlet to the well.

На фиг. 2 - прохождение дополнительной тонкостенной трубой основной части скважины.FIG. 2 - passage of the main part of the well with an additional thin-walled pipe.

На фиг. 3 - выход дополнительной тонкостенной трубы из скважины.FIG. 3 - exit of an additional thin-walled pipe from the well.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

По проектной траектории согласно заданному расчетному профилю прокладки трубопровода бурят методом наклонного бурения пилотную горизонтальную скважину диаметром 90 мм. Бурение по заданной траектории осуществляют с использованием буровой установки, например, марки JET DRILL 3000.9 с тяговым усилием 300 тыс. кгс, на шасси «HITACHI», входящей в буровой комплекс HD-850, при помощи зонда с датчиками, вмонтированного в пилотную штангу за буровой головкой. Для увеличения продольной жесткости буровой колонны через 30-40 м от гидромониторной головки выполняют бурение промывочной буровой колонны диаметром 200 мм с коронкой диаметром 400 мм.A pilot horizontal well with a diameter of 90 mm is drilled along the design trajectory in accordance with a given design profile of the pipeline. Drilling along a given trajectory is carried out using a drilling rig, for example, the JET DRILL 3000.9 brand with a pulling force of 300 thousand kgf, on the HITACHI chassis, which is part of the HD-850 drilling complex, using a probe with sensors mounted in the pilot rod behind the drilling head. To increase the longitudinal rigidity of the drill string, 30-40 m from the jetting head, a flush drill string with a diameter of 200 mm is drilled with a crown with a diameter of 400 mm.

После выхода промывочной буровой колонны на противоположной от буровой установки стороне пересекаемой преграды бурение останавливают. Буровые штанги для бурения пилотной скважины и гидромониторную буровую головку демонтируют и удаляют из промывочной буровой колонны.After the exit of the flushing drill string on the opposite side of the obstacle to the drilling rig, the drilling is stopped. The drill rods for drilling the pilot well and the jet drill head are removed and removed from the flush drill string.

В стволе скважины оставляют только промывочную буровую колонну, к которой присоединяют расширитель пилотной скважины, имеющий бочкообразную форму и содержащий расположенные по окружности режущие элементы, а также струйные насадки для подачи бурового раствора, к которому, в свою очередь, присоединяют колонну тяговых штанг.Only a flush drill string is left in the wellbore, to which a pilot borehole expander is attached, which has a barrel-shaped shape and contains cutting elements located along the circumference, as well as jet nozzles for supplying drilling mud, to which, in turn, a string of pulling rods is attached.

Выполняют протягивание расширителя пилотной скважины с закрепленными за ним тяговыми штангами до выхода расширителя пилотной скважины из ствола скважины со стороны буровой установки. Затем демонтируют расширитель пилотной скважины и присоединяют тяговые штанги напрямую к буровой установке.The pilot bore expander is pulled with the pull rods attached to it until the pilot bore expander leaves the borehole from the drilling rig side. Then, the pilot hole reamer is dismantled and the pull rods are connected directly to the rig.

В случае необходимости (в зависимости от того, какими породами сложен профиль скважины) возможно многократное расширение пилотной скважины с последовательным увеличением диаметра расширителя.If necessary (depending on what kind of rocks the well profile is complex), multiple expansion of the pilot well with a sequential increase in the diameter of the reamer is possible.

После выполнения необходимого количества предварительных расширений пилотной скважины осуществляют протаскивание трубопровода 1, совмещая протаскивание с заключительным расширением. Для этого к находящейся в скважине 2 тяговой штанге 3, с конца, противоположного буровой установке, крепят расширитель 4. Расширитель 4 выбирают таким образом, чтобы площадь поперечного сечения расширенной скважины 2 не менее чем на 25% превышала площадь поперечного сечения протаскиваемого трубопровода 1.After completing the required number of preliminary expansions of the pilot well, the pipeline 1 is pulled through, combining the pulling with the final expansion. To do this, a reamer 4 is attached to the draw rod 3 located in the well 2, from the end opposite the drilling rig. The reamer 4 is selected so that the cross-sectional area of the expanded borehole 2 is at least 25% larger than the cross-sectional area of the pipeline being pulled through 1.

К расширителю 4 через вертлюг 5 при помощи серьги крепят тяговый оголовок 6, выполненный в виде стальной сферической торцевой заглушки, к которому приваривают тонкостенную трубу 7 такого же, как у протаскиваемого трубопровода 1, диаметра, но обладающую меньшей, чем у протаскиваемого трубопровода 1, изгибной жесткостью, например, имеющую толщину стенки, минимальную для данного диаметра труб согласно сортаменту.To the expander 4 through the swivel 5 with the help of an earring, a traction head 6 is attached, made in the form of a steel spherical end cap, to which a thin-walled pipe 7 is welded, of the same diameter as that of the dragged pipeline 1, but having a bend less than that of the dragged pipeline 1 rigidity, for example, having the minimum wall thickness for a given pipe diameter according to the assortment.

Далее приложением тягового усилия буровой установки с одновременным вращением расширитель 4 протаскивают через скважину 2 в направлении буровой установки, расширяя ствол упомянутой скважины. По мере продвижения расширителя 4 в сторону буровой установки в скважину 2 затягивают тонкостенную трубу 7, к которой, в свою очередь, по мере ее продвижения последовательно приваривают кольцевыми сварными соединениями трубы основного протаскиваемого трубопровода 1.Then, by applying a pulling force of the drilling rig with simultaneous rotation, the expander 4 is pulled through the borehole 2 in the direction of the drilling rig, expanding the bore of the said borehole. As the expander 4 moves towards the drilling rig, a thin-walled pipe 7 is drawn into the well 2, to which, in turn, as it moves, the pipes of the main dragged pipeline 1 are sequentially welded with circular welded joints.

Таким образом, вращая и протягивая посредством буровой установки тяговую штангу 3 через ствол скважины 2, втягивают в скважину расширитель 4 и протаскиваемый трубопровод 1. Благодаря наличию вертлюга 5 вращение тяговой штанги 3 и расширителя 4 не передается на протаскиваемый трубопровод 1.Thus, by rotating and pulling the pull rod 3 through the borehole 2 through the drilling rig, the reamer 4 and the pulled pipeline 1 are pulled into the well. Due to the presence of the swivel 5, the rotation of the pull rod 3 and the reamer 4 is not transmitted to the pulled pipeline 1.

Протягивание расширителя 3 вместе с протаскиваемым трубопроводом 1 осуществляют непрерывно, за исключением остановок, необходимых для наращивания очередной трубы.The expander 3 is pulled along with the pipeline 1 being pulled through continuously, with the exception of stops necessary for building up the next pipe.

Одновременно с протаскиванием производят балластировку протаскиваемого трубопровода 1.Simultaneously with pulling through, ballasting of the pipeline being pulled through is carried out 1.

После полного выхода из скважины 2 всей длины тонкостенной трубы 7 протаскивание трубопровода 1 останавливают и осматривают тонкостенную трубу 7 с целью обнаружения недопустимых повреждений (изоляционного покрытия и металла). В случае отсутствия повреждений тонкостенную трубу 7 отрезают и продолжают строительство трубопровода на прилегающих участках. В случае наличия недопустимых повреждений целиком извлекают протаскиваемый трубопровод 1 из скважины 2.After fully exiting the well 2 of the entire length of the thin-walled pipe 7, pulling through the pipeline 1 is stopped and the thin-walled pipe 7 is inspected in order to detect unacceptable damage (insulation coating and metal). In the absence of damage, the thin-walled pipe 7 is cut off and the construction of the pipeline in the adjacent sections is continued. In the event of unacceptable damage, the pulled pipeline 1 is completely removed from well 2.

Claims

A method of pulling through a pipeline in a horizontal well, characterized in that an additional pipe is welded to the head of the pipeline being pulled through, the diameter of which is equal to the diameter of the pipeline being pulled through, but having a lower bending stiffness, the pipeline is pulled, starting from the head of the additional pipe, into a previously drilled horizontal well with simultaneous by expanding the said well until the entire length of the additional pipe leaves the well and in the absence of unacceptable damage on the additional pipe, said pipe is cut off.