СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРОВЫХ РАБОТ
Технология бестраншейного строительства подземных коммуникаций методом горизонтального направленного бурения
Технологии горизонтального направленного бурения (ГНБ) предназначены для прокладки коммуникаций бестраншейным способом. Это, прежде всего, прокладка и ремонт трубопроводов, прокладка электрокабелей, средств теле- и радиовещания и др.
Данные технологии отличаются экономичностью, оперативностью и в большей степени отвечают требованиям экологии, чем траншейная прокладка коммуникаций, а также возможностью выполнения работ в местах, где традиционные методы не применимы или затруднены: водные преграды, автотрассы, железнодорожные пути, аэродромы, здания и сооружения, прокладка коммуникаций в городских условиях. При этом на таких объектах не требуется приостанавливать деятельность или транспортные потоки в период работ по прокладке коммуникаций, что, безусловно, выгодно экономически.
Работы по технологии горизонтального направленного бурения начинаются с бурения пилот-скважины (рис. 5.1, а).
Направленное бурение пилот-скважины - особо ответственный этап работ, поскольку именно пилот-скважина задает трассу будущего подземного сооружения. Бурение пилот-скважины осуществляется при помощи
специального породоразрушающего инструмента - буровой головки 1 (см. рис. 5.1, а) с встроенным излучателем и скосом в торце съемной лопатки. Бурение производится по заранее рассчитанной траектории или с поверхности Земли, или из предварительно выполненного углубления.
Контроль над соблюдением расчетной трассы осуществляется с помощью компьютера.
б. Предварительное расширение
Рис. 5.1. Схемы поэтапного сооружения трубопровода под водоемом по технологии горизонтального направленного бурения:
- 1 - буровая головка; 2 - буровые трубы;
- 3 - навигационное оборудование;
- 4 - расширитель; 5 - верглюг; 6 - серьга;
- 7 - трубопровод. Стрелкой показано направление перемещения инструмента
в. Протягивание трубопровода
Буровая головка 1 соединяется посредством полого корпуса с гибкой приводной штангой 2, что позволяет управлять процессом горизонтального бурения пилот-скважины и обходить выявленные препятствия в любом направлении в пределах естественного изгиба протягиваемой рабочей нити. Буровая головка 1 имеет отверстия для подачи бурового глинистого раствора.
Контроль над местом и положением буровой головки в скважине осуществляется с помощью приемного устройства локатора (система Digi Trak), который принимает и обрабатывает сигналы встроенного в корпус буровой головки 1 передатчика 3. Предельная глубина, позволяющая контролировать положение головки, составляет 10-12 м.
На мониторе локатора отображается визуальная информация о месте и положении, уклоне, азимуте плоскости скоса буровой головки 1. Информация о положении буровой головки отображается на дисплее оператора буровой установки. Эти данные являются определяющими для контроля соответствия траектории строящегося трубопровода проектной.
При отклонении буровой головки 1 от проектной траектории оператор останавливает вращение буровых штанг 2 и устанавливает скос буровой головки 1 в нужном положении с целью корректировки траектории бурения. Затем осуществляется задавливаение буровых штанг 2 без вращения, буровая головка 1, ориентированная скосом лопатки в нужном направлении, надвигается на забой, что обеспечивает ее отклонение в направлении противоположном скосу под действием реакции R (см. рис. 5.1 ,а). Ориентирование головки 1 производится проворачиванием колонны труб. Контроль положения осуществляется через локатор.
Рис. 5.2. Инструмент для горизонтального бурения фирмы ТгасЮ Тесінпк: а - съемные направляющие лопатки; б - буровая головка с лопаткой; в - расширитель
Направленное бурение пилот-скважины завершается выходом буровой головки 1 в заданной проектом точке (рис.5.1, а). Угол наклона буровой головки 1 в некоторых конструкциях может изменяться дистанционно, что позволяет управлять кривизной ствола скважины без извлечения колонны и замены буровой головки, имеющей иной угол скоса торца (см. рис. 5.2, а, б).
Предварительное расширение скважины (рис. 5.1, б) осуществляют после завершения бурения пилот-скважины. При этом буровая головка 1 отсоединяется от буровых штанг 2 и вместо нее присоединяется расширитель 4 (см. рис. 5.2, в) обратного действия. Приложением тягового усилия с одновременным вращением расширитель 4 протягивается через скважину в направлении буровой установки, расширяя пилот-скважину до необходимого для протаскивания трубопровода диаметра. Для обеспечения беспрепятственного протягивания трубопровода через расширенную скважину ее диаметр должен на 25-30 % превышать диаметр трубопровода.
На противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая плеть трубопровода. Перед протягиванием трубопровода (рис. 5.1, в) к переднему концу серьги 5 крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие вертлюгом 6 и расширителем 4. Вертлюг 6 вращается с буровой колонной 2 и расширителем 4, и в то же время не передает вращательное движение на трубопровод 7. Для успешного протягивания трубопровода на его поверхности через 15-20 м устанавливают роликовые опоры.
Таким образом, буровая установка затягивает в скважину плеть протягиваемого трубопровода 7 по проектной траектории.
Важнейшим фактором эффективного применения технологии горизонтального направленного бурения является использование на всех этапах производства работ высококачественных буровых растворов.
Рис. 5.3. Установка Grundodrill для проведения трубопроводов
Угол забуривания ствола для прокладки коммуникаций может быть самым различным. Если бурение ведут из углубления или, например, в откос дороги, то этот угол может быть незначительным. Если бурение производится с горизонтальной площадки, то угол может быть 25-90 и во многом определяется возможностями конкретного бурового станка.
Основные производители техники для горизонтального бурения - фирмы Vermeer, Ditch Witch, Robbins, Flexi Drill, Straightline и др. (США), Tracto Technik (Германия).
Станки фирмы Vermeer:
PL 8000 - силовой агрегат на автомобиле, станок устанавливается в котлован, бурит пилот-скважину диаметром 51 мм с расширением до 300 мм, предельная длина скважины - 95 м;
Navigator D 24х 40А бурит пилот-скважину диаметром 89 мм с расширением до 600 мм, длина скважины 320 м, радиус изгиба бурильных труб не менее 33 м, диаметр труб - 60 мм, длина - 3,0 м;
Navigator D 50x 100A используется при бурении пилот-скважины диаметром 114 мм с расширением до 1 000 мм, длина скважины до 600 м, радиус кривизны труб -51м, диаметр труб - 73 мм, длина труб - 4,6 м. В арсенале компании есть и еще более мощный станок Navigator D 100x120 с тягловым усилием более 45 тонн, который позволяет прокладывать нефте- и газопроводы.
Станки фирмы Tracto Technik - Grundodrill 10Х, 205 отличаются тем, что оснащены машинами ударного действия, что позволяет наряду с осевым усилием обеспечивать ударное воздействие на породу и прокладывать коммуникации через отвалы и грунты, насыщенные валунами. Десятитонный станок Grundodrill 20S (рис. 5.3) на гусеничном ходу способен проложить коммуникации в стволе диаметром 750 мм с радиусом изгиба 75 мм, длиной 800 м.
Станки компании Flexi Drill очень мобильны, так как их устанавливают вместо ковша экскаватора. Стрела экскаватора может направить и забурить ствол практически под любым углом на удалении несколько метров от транспортной базы.
В России выполнены значительные работы по горизонтальному направленному бурению при переходах через реки Тобол, Обь и Иртыш (прокладка электро- и оптоволоконных кабелей). Станком фирмы Robbins Compact HDD произведена прокладка коммуникаций длиной 1 688 м в стволе диаметром 406 мм под дном реки Янцзы у города Нанкин (Китай) за 15 дней. Примеры показывают значительные и все более возрастающие возможности горизонтального направленного бурения с целью прокладки коммуникаций.
В то же время данное оборудование предназначено для работ в грунтах, т. е. горных породах мягких и достаточно легко деформируемых и разрушаемых.
Разработка технологий и техники для прокладки коммуникаций в твердых породах может базироваться на технологиях направленного бурения скважин буримых с целью разведки или эксплуатации месторождений.
Для реализации горизонтального направленного бурения в твердых породах могут быть перспективны забойные гидродвигатели и гидропневмомашины ударного действия, например, отклонитель для ударновращательного бурения. Для бурения горизонтальных стволов под различными объектами в твердых породах компанией Atlas Copco разработан комплекс Simmetrix, реализующий проходку скважины в режиме ударно-вращательного бурения.
Перспективы развития технологий ГНБ связаны с тем, что прокладка трубопроводов, сопровождающаяся нанесением ущерба природе, может быть ограничена в природоохраняемых зонах, что, безусловно, оправдано. В этом случае представляется целесообразным и обоснованным прокладка значительных интервалов трубопровода или всего трубопровода только с применением горизонтально-направленного бурения и выходом на поверхность только в отдельных точках.
Условия, обеспечивающие такое широкое применение ГНБ при прокладке трубопроводов, возможны тогда, когда установленная стоимость
восстановления природного ландшафта станет существенно выше затрат на реализацию горизонтального бурения или будут действовать запретительные меры, ограничивающие негативные воздействия на природу охраняемых территорий.
