Компания «Херренкнехт»: опыт применения ГНБ в России и СНГ

Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2010". Автор - Василий Анищенко, ООО «Херренкнехт тоннельсервис» (Россия, Москва).

Компания «Херренкнехт» широко представлена на рынке бестраншейных технологий. Имея представительства и дочерние компания по всему миру и заводы в Германии и Китае, она предлагает широкий спектр продукции в области транспортного и коммунального тоннелестроения, глубокого бурения, оборудования для геологических изысканий, термальной энергетики и трубопроводного транспорта. История компании восходит к 1971 году, когда в германии было открыто небольшое производство тоннелепроходческих щитов. Сейчас «Херренкнехт» – это крупный международный концерн с товарооборотом 1,013 млрд евро. Оборудование этой фирмы использовалось для осуществления самых сложных бестраншейных проектов во всем мире, включая недавнее строительство перехода под рекой Амударьей для газопровода Туркменистан – Китай. «Херренкнехт» является также лидером рынка инновационных технологий в области тоннелестроения.

В области оборудования для строительства объектов трубопроводного транспорта оборудование «Херренкнехт» известно высокой степенью надежности и автоматизации производства. Технологии и ноу-хау «Херренкнехт» были решающим фактором успеха в таких знаменитых проектах как:

1. Газопровод Уруку-Манаус (Латинская Америка). Общая длина подземных переходов газопровода составила 19,5 км. Установка с тяговым усилием 250 т развила рекордную скорость проходки (3010 м за 11 дней);
2. Берри-Каусвей (Саудовская Аравия), мировой рекорд, длина перехода – 3048 м;
3. Иваново (Россия) газопровод 8 дюймов, длина перехода – 1377 м. Работы проводились в зимнее время при температуре – 30^оС;
4. Индийский газопровод Запад-Восток. Длина перехода – 2400м. Использовались две микротоннелепроходческие установки, которые встречались на острове в пойме реки;
5. Водопровод KWKW в Итальянских Альпах. Проходка велась ННБ в скале снизу вверх. Перепад по высоте составлял 450 м, что выше, чем Эйфелева башня в Париже;
6. Переход для газопровода Туркменистан-Китай на участке Малай-Багтыярлык. Мировой рекорд. Проектная длина – 1750 м, диаметр 56 дюймов (1420 мм).

Особое внимание следует уделить пересечению Амударьи в Туркменистане. Стратегическое значение строительства нового газопровода из Туркмении в Китай трудно переоценить с точки зрения решения проблемы энергетического обеспечения развития экономики Юго-Восточного региона. Переход через р. Амударья был тем недостающим звеном, наличие которого позволяло говорить о готовности сверхпротяженного стратегического газопровода к эксплуатации.

Единственным приемлемым технологическим вариантом сооружения перехода, адекватно соответствующим сложившейся обстановке, был метод горизонтального направленного бурения. Но и здесь было достаточно своих больших и малых нюансов при принятии окончательного решения.

Ширина р. Амударьи в предполагаемом месте строительства перехода достигает 800 м Течение неспешное и создавалось впечатление, что речная вода не успевает остужать берега в осенне-летний период, когда температура окружающего воздуха переваливала отметку +50⁰С в тени.

Правый берег – высокий, плавно переходящий в пустыню с отдалением от зеркала воды. Левый – низкий, болотистый, покрытый густой растительностью на участке шириной 500-700м.

Конечно, в плане выбора места для применения технологии ГНБ было намного лучше, если бы берега имели примерно одинаковую топографию (высотные отметки), но, как уже отмечалось, здесь первоначально планировалось строительство воздушного перехода, и обсуждать уже было нечего.

После первого знакомства с инженерными и горно-геологическими условиями, в которых проходила трасса перехода, в соответствии с представленными в проекте данными, стало понятно, что к предстоящим сложностям, связанным с дефицитом времени и повышенным вниманием со стороны властей Туркменистана, добавляются технологические проблемы. Проходку предстояло вести в смежных грунтах (пески, глины, несвязные грунты с обилием органических остатков в районе левого берега реки) на глубине14 м под дном р. Амударьи с радиусом кривой выхода трассы 2200 м.

Но самое главное, нам предстояло проложить отрезок газопровода из стальных труб диаметром 1420 мм на расстояние 1750 м! Мировая история технологии ГНБ таких примеров не знала! Опыта прокладки трубопроводов с таким соотношением «диаметр - протяженность» методом ГНБ на тот момент не было!

Выбору окончательного технологического решения строительства перехода предшествовала детальная проработка всей сложившейся ситуации. Приходилось действовать оперативно.

В результате многочисленных консультаций специалистов ООО «Энергопереток» и германской компании Herrenknecht AG была принята следующая общая схема: работы методом ГНБ выполнять двумя буровыми установками в процессе расширения скважины, расположенными на противоположных берегах реки, с использованием одной общей колонны штанг.

Диаметры промежуточных расширений после выполнения пилотного бурения должны составлять соответственно: 450, 900, 1200, 1450, 1650 и 1900 мм с учетом формирования эллипсовидного поперечного сечения скважины в вертикальной плоскости в процессе работы.

Трасса скважины должна пройти ниже заложенных первоначально проектных отметок примерно на 5 м, ввиду того, что в районе выхода на правый берег мощность пласта грунта, отделяющая ее от отметок русловой части была недостаточной и не гарантировала безопасного ведения работ (имелась опасность выноса бурового раствора при возможном возрастании давления в скважине).

В ходе выполнения работ планировалось на левом берегу р. Амударьи использовать установки горизонтального направленного бурения производства фирмы Herrenknecht AG – на левом берегу НК 400 М мощностью 400 т, на правом – НК 250 Т с максимальным усилием 250 т.

Протяжку трубопровода диаметром 1420 мм предполагалось осуществить машиной НК 400 М. В этой связи плеть предварительно соединенных труб должна была разместиться на роликовых опорах на правом высоком берегу р. Амударьи.

Учитывая высочайшую техническую сложность выполнения предстоящих работ по прокладке стального трубопровода, принято решение предусмотреть возможность «страховки» в случае возникновения нештатной ситуации в процессе протяжки: на правом берегу реки планировалась установка Pipe Thruster мощностью 750 т.

Такая технологическая компоновка (достигается оптимальное распределение усилий на различных стадиях протяжки) позволяет либо увеличить в случае необходимости рабочее усилие за счет доталкивания трубопровода, либо извлечь его в исходное положение в случае принятия решения о невозможности дальнейшего перемещения вперед по скважине.

Словом, если оценивать сделанный нами технологический выбор сооружения перехода, можно отметить, что мы сделали ставку на применение оборудования компании Herrenknecht AG. Это – лучшее, чем располагает мировой рынок ГНБ на сегодняшний день.

Подготовка к проведению работ на сложном объекте, расположенном на значительном удалении от транспортных коммуникаций, потребовала полной мобилизации материальных и людских ресурсов.

Предстояло в кратчайшие сроки обеспечить доставку массивной техники, бурового инструмента, материалов, а также решить бытовые вопросы обслуживающего персонала и технических специалистов.

Из-за дефицита времени установку НК 250 Т пришлось доставлять в район строительства двумя самолетами «Руслан».

Параллельно с выполнением представленных задач шла работа по формированию команды специалистов, имеющих опыт строительства сложных переходов.

Забегая вперед, можно отметить, что команда получалась интернациональная: наряду со специалистами ПГ «Энергопереток» и Herrenknecht AG в Туркменистан приехали профессионалы с мировым именем из Германии и Латинской Америки.

Одним из основных технологических процессов, во многом определяющих качество будущей скважины, является пилотное бурение.

Памятуя об этом, мы с особой тщательностью подошли к выполнению операции.

Главной задачей было проложить пилотную скважину в строгом соответствии с проектной траекторией, не допуская даже незначительных отклонений. В противном случае возрастала вероятность возникновения проблемных ситуаций при протяжке трубы. Иными словами, если исключить участки входа и выхода буровой головки, задача стояла идти точно по прямой.

Пилотное бурение предполагалось осуществлять с прохождением буровой головки сквозь заранее установленную в нижнем положении обсадную трубу с целью обеспечения точности проходки участка входа.

Однако именно на первом этапе, нас ждали весьма неприятные сюрпризы.

Речь идет о тотальном несоответствии фактических горно-геологических условий данным проектной документации.

Трудно сказать, в чем заключается истинная причина такого несоответствия, но вместо обещанного, по сути традиционного «грунтового набора» (пески, глины, суглинки), нам пришлось дополнительно преодолевать высокоабразивные песчаники прочностью более 120 МПа, абразивные кальциты, «зеленую глину», не уступающую по прочности мрамору и т.д.

Иными словами, в процессе пилотного бурения мы вели своего рода «разведку боем», получая реальные данные о горно-геологических условиях по мере прохождения буровой головки в грунтовом массиве.

Откровенно говоря, «первый звонок» о возможных проблемах, связанных с особенностями грунтов в районе строительства, прозвучал еще накануне, когда были определенные сложности при укреплении рабочего места с фиксацией положения буровой установки. Но тогда внимания этому факту не уделили; да и делать определенные выводы было преждевременно.

Положение усугублялось тем, что угол падения и простирания пластов прочных грунтов был таким, что трасса скважины пересекала их практически вскользь и при входе в такой пласт, буровая головка всячески пыталась отклониться от заданного направления.

Продвигались вперед медленно, буквально сантиметр за сантиметром, внимательно отслеживая положение буровой головки.

Здесь здорово выручала система локации Herrenknecht AG, позволяющая контролировать положение пилотного бура в режиме реального времени с выводом изображения в трехмерном пространстве на экраны монитора, расположенные в контейнере управления.

Пройдя немногим более половины трассы (примерно 1 км) потребовалась замена буровой головки.

Благодаря слаженным действиям специалистов ПГ «Энергопереток» и Herrenknecht AG сложнейшую работу по извлечению километровой колонны штанг и замене бурового инструмента удалось выполнить всего за одну ночь!

В ходе многоступенчатого расширения скважины до требуемого диаметра в соответствии в принятой технологической схемой предстояло решить две главные задачи.

Первая – согласованные действия команд на разных берегах р. Амударьи и быстрое принятие решений при возникновении нештатных ситуаций. Здесь мелочей не могло быть в принципе. Требовалось обеспечить ювелирную работу операторов при использовании двух буровых установок с одной колонной штанг, синхронность работы персонала на подмостках при монтаже/демонтаже труб, правильное размещение ускоренных буровых штанг для того, чтобы снятие и демонтаж труб могли осуществляться одновременно.

Вторая – обеспечение циркуляции и качества бурового раствора в процессе разбуривания скважины.

Здесь подразумевается следующее. При последовательном использовании установок ГНБ и систем регенерации, расположенных на разных берегах, требовалось обеспечить переток бурового раствора в объемах, необходимых для обеспечения работы конкретной буровой машины.

Для этой цели была пробурена скважина протяженностью 1560 м с протяжкой стальной трубы диаметром 219 мм, которая обеспечила замкнутый цикл циркуляции бурового раствора с учетом технологической потребности и работы двух сепарационных систем. В дальнейшем данный переход диаметром 219 мм будет задействован для прокладки кабеля связи.

При прохождении через две мощные сепарационные установки, бентонитовая суспензия теряла вязкость, а следовательно, недостаточно было просто увеличивать объем используемой буровой жидкости – требовалось постоянно поддерживать ее физико-механические свойства, прежде всего для сохранения транспортных свойств и снижения требуемого момента вращения на колонну штанг.

Кроме того, постоянный контроль качества бурового раствора осуществлялся ввиду использования жесткой речной воды с содержанием кальция 400 мг/м³.

Процесс расширения прошел без осложнений.

Здесь интересным является обстоятельство, вызванное просьбой заказчика, который решил перестраховаться и попросил нас выполнить незапланированный переход через Амударью с протяжкой стальной трубы диаметром 219 мм и протяженностью около 1600 м, чтобы в случае непредвиденных обстоятельств в сооружении перехода с трубой диаметром 1420 мм иметь возможность подать минимальный объем газа в трубопровод.

Прервав процесс расширения, с поставленной задачей удалось справиться за двое суток и возобновить подготовку основной скважины.

Протяжка трубы – самый ответственный, завершающий этап в строительстве перехода. Именно здесь проверяется качество проделанной ранее работы, выставляется оценка квалификации команды и надежности техники.

Началу процесса протяжки предшествовало cооружение внушительных размеров котлована на правом берегу р. Амударьи в месте предполагаемого входа трубы в построенную скважину.

Необходимость принятия такого решения обусловлена топографической особенностью местности, включая постоянно меняющийся рельеф дна р. Амударьи: кроме того, угол входа трубы в скважину не должен был меняться ввиду углубления трассы, при выборе решения перед началом производства работ.

Перед началом процесса протяжки (до размещения трубопровода диаметром 1420 мм на роликовых опорах) необходимо было провести балластировку трубы, чтобы придать ей нулевую плавучесть и рациональный режим прохождения в скважине.

На основании проведенных расчетов в качестве «балласта» была выбрана ПЭ труба диаметром 710 мм, которая вместе со стальным водопроводом диаметром 150 мм была смонтирована внутри основного трубопровода диаметром 1420 мм.

В ходе производства работ пространство между внешней стенкой ПЭ трубы диаметром 710 мм и внутренней стенкой стального трубопровода диаметром 1420 мм заполнялось водой, а внутрь «трубы-балласта» подавался сжатый воздух. Объемы подачи воды и сжатого воздуха корректировались по мере продвижения трубы внутрь скважины.

Старт началу работ по протяжке трубы был дан вечером 20.02.2010 г.

Конечно, волнение было огромное, эмоции зашкаливали! Но уже к полудню 23.02.2010 г. в день Защитника Отечества рабочий конец трубы вышел из скважины на левом берегу! Это была настоящая победа! Амударья покорилась!

Итоги выполнения завершающей операции стали подтверждением правильности выбора рабочей концепции, расчетов и выполнения всех этапов строительства.

Скважина была пройдена настолько качественно, что максимальные усилия установки ГНБ НК 400 М в ходе протяжки трубы не превышали 150 т при средних значениях 105 т.

Следовательно, мы имели в резерве 2/3 от установленной мощности машины.

Это позволяет говорить о наличии потенциала, реальной перспективы роста при сооружении сложных переходов методом ННБ с применением инновационных технологий компании «Херренкнехт».

Именно на инновационных технологиях и хотелось бы остановиться в завершение доклада.

Доталкиватель труб, использующийся как «страховой вариант» на проекте в Туркменистане, представляет собой раму с обжимной муфтой, которая приводится в движение при помощи гидроцилиндров. Усилие, которое может развивать такая установка – а от 350 до 750 т. Бесспорными преимуществами технологии можно считать следующие аргументы:

• Возможность продавливания подготовленных и протестированных секций трубопровода;
• Модульная конструкция облегчает транспортировку;
• Позволяет работать с трубами различных диаметров;
• Двойное использование режима доталкивания/продавливания;
• Возможность использования доталкивателя труб в аварийных ситуациях в качестве вспомогательного средства;
• Расширение сферы применения оборудования ГНБ, возможность применения гибридных технологий типа Direct Pipe.

Метод Direct Pipe основан на принципе строительства скважины и одновременного протаскивания в нее трубопровода. Тоннелепроходческий комплекс разрыхляет почву и удаляет ее из ствола скважины гидротранспортным способом. Доталкиватель труб проталкивает трубы от стартовой шахты до конечного пункта, подавая необходимое давление на режущий орган для процесса бурения. Дебют технологии состоялся в г. Вормс, Германия, где удалось построить переход длиной 464 метра за 13дней, затем система Direct Pipe успешно применялась в Эмдемене, Германия когда был построен переход 280 м и диаметром 48 дюймов.

Очень важным технологическим достижением в мире ННБ следует считать оголовник для протаскивания дюкера с возможностью контроля целостности изоляции. Оголовник обладает следующими возможностями:

• Контроль состояния изоляции в процессе протяжки;
• Информирует о масштабе разрушений и их характере;
• Контроль за процессом на ранней стадии дает возможность оперативно принять решение и вытащить трубу из скважины для ремонта дюкера в случае необходимости;
• Усилие протягивания не увеличивается;
• Предназначен для труб диаметром до 60“.

Эти и другие достижения технологии позволяют говорить о расширении прежних границ в строительстве переходов магистральных трубопроводов. Специалисты нашей фирмы всегда будут рады обсудить с Вами возможность строительства бестраншейных инженерных сооружений любой степени сложности и длины.