Горизонтально-направленное бурение: подробный обзор технологии

Решением проблемы часто становится горизонтально-направленное бурение (ГНБ) — современная технология, привлекательная в техническом, финансовом, экологическом и социальном отношении.

Общий обзор горизонтально-наклонного бурения

ГНБ — это технология создания направленного подземного прокола без рытья траншей с помощью специального бурового оборудования. Большое количество модификаций последнего позволяет создавать горизонтальные скважины для прокладки труб разных диаметров — от нескольких сантиметров до нескольких метров, изготовленных из всех распространённых материалов — стали, пластика, асбоцемента, чугуна и других.

Технология горизонтально-направленного бурения подразумевает использование специального бурового раствора — бетонита. Этот материал наделяет технологию многочисленными преимуществами. Он эффективно выносит на поверхность грунт, вырабатываемый при бурении горизонтальной скважины, охлаждает и смазывает рабочий инструмент, укрепляет стенки создаваемого подземного прокола. Применение бетонита в сочетании с другими особенностями технологии ГНБ снижает трудозатраты при её реализации, делает её экономически выгодной, малошумной, безопасной для людей и экологичной.

Сочетание достоинств горизонтального направленного бурения позволяет считать эту технологию универсальной. Её с успехом применяют в любых грунтах и породах, в том числе сыпучих и твёрдых. Она позволяет прокладывать подземные коммуникации без рытья траншей как на открытой местности, так и в условиях плотной городской застройки. Технология ГНБ позволяет отказаться от вскрытия дорожного полотна, демонтажа железнодорожных путей и остановок общественного транспорта.

Бурение пилотной скважины

Первый этап горизонтально-наклонного бурения — создание так называемой пилотной скважины. Для этого используют буровые трубы, соединяемые в буровую колонну. В передней части последней монтируют буровую головку скошенного типа или буровую лопатку с изогнутым переходником. Начинают бурение по траектории, предусмотренной проектной документацией. Одновременно с этим начинают подачу бетонита, который поступает по пустотелой буровой колонне к буровой головке. Раствор подают непрерывно, в течение всего времени бурения.

На поверхности земли устанавливают локационную систему навигации, с помощью которой контролируют движение буровой колонны и положение скважины-пилота. В систему входят два основных элемента:

• передатчик. Это устройство помещают в буровую головку. Оно передаёт на поверхность сигнал, оповещающий о фактическом положении буровой колонны. Принцип передачи — электромагнитная эхолокация;
• ресивер. Это устройство находится на земле. Оно принимает сигнал от передатчика и позволяет оператору локационной системы контролировать положение буровой головки в режиме реального времени. При его отклонении от проектной траектории оператор немедленно корректирует движение буровой колонки.

Классическая локационная система, описанная выше, имеет сравнительно небольшую зону действия — не более трёх десятков метров в радиусе. Этого достаточно во многих случаях, но не во всех. При бурении сложных и протяжённых горизонтальных скважин используют другие локационные технологии и устройства — создают отдельное мощное магнитное поле, применяют метод MWD, используемый при вертикальном бурении глубоких скважин. Последний подразумевает передачу данных о местоположении буровой колонны по кабелю, проходящему сквозь пустотелые трубы.

Расширение пилотной скважины и протяжка трубы

После бурения скважины-пилота её расширяют до номинального диаметра, предусмотренного проектом. Для этого используют риммеры — специальные расширители разных диаметров. На вооружении у специалистов — крыльчатые, бочковые, шарошечные и другие риммеры, что позволяет подобрать подходящую разновидность для любого типа грунта:

• в скальных породах применяют шарошечные расширители;
• в грунтах, имеющих среднюю твёрдость, для расширения пилотной скважины используют крыльчатые риммеры;
• в мягких грунтах оптимальны расширители бочкового типа.

Риммеры разного диаметра поочерёдно протаскивают через пилотную скважину, и её диаметр постепенно увеличивается. Распространена технология, подразумевающая одновременное использование риммера и пилотной трубы, которая в таких случаях играет роль направляющей. Для стабилизации скважины комплект оборудования, протягиваемого через неё при расширении, иногда дополняют калибратором.

На последнем этапе расширения пилотной скважины в неё протягивают трубопровод. Расширитель, который движется впереди, соединяют с приводом через специальный вертлюг. На риммер передаётся тяговое усилие, труба при этом не вращается.

Для прокладки трубы в подготовленной скважине обустраивают строительную площадку. На ней устанавливают установку для бурения, систему рециркуляции, смесительный модуль, гидравлическую станцию. Готовят котлован, в который будут сбрасывать шлам. Методом сварки собирают буровую плеть и помещают её возле точки входа в скважину. Плеть во избежание её повреждения перемещают на роликах или специальных проскальзывающих подкладках. Бурение и прокладку трубопровода выполняют одновременно и непрерывно, стараясь по возможности не останавливать процесс.

После того, как трубопровод проложен в скважине, производят его геодезическое исследование. В ходе зондирования убеждаются в целостности трубопровода.

В последнюю очередь со строительной площадки демонтируют оборудование для горизонтально-направленного бурения. Очищают котлован от собранной в него пульпы, засыпают и тщательно выравнивают его. Вывозят шлам на свалку. Выполняют благоустройство территории, возвращают её в исходное состояние.

Выбор буровой установки

Чтобы производитель работ по ГНБ мог гарантировать их качество и безопасность, обеспечить соблюдение требований, действующих на месте их производства, важно правильно выбрать буровую установку. Изготовители предлагают разные модели этого оборудования, различающиеся:

• максимальным тяговым усилием;
• типом движителя — колёсным или гусеничным;
• возможностью движения своим ходом или её отсутствием (в последнем случае буровую установку транспортируют на трейлере с прочной рамой из стали и выдвижными аутригерами);
• габаритами;
• массой;
• степенью сложности и стоимостью эксплуатации.

Специалисты компании, выполняющей ГНБ, оценивают комплекс факторов — тип грунта, уровень грунтовых вод, требования, действующие на местности, особенности рельефа в зоне создания подземного прокола, другие обстоятельства. Учитывая их совокупность, они подбирают буровую установку для ГНБ, которая будет оптимальной в каждом конкретном случае.

Буровой раствор: состав, приготовление, применение

Раствор для бурения играет важную роль в ГНБ, поскольку он выполняет несколько функций одновременно:

• укрепляет стенки создаваемой скважины и предотвращает её обрушение;
• выносит выработанный грунт из скважины на поверхность;
• смазывает режущий инструмент под землёй, уменьшает трение между ним и грунтом;
• отводит тепло от неизбежно нагревающегося инструмента, чем обеспечивает саму возможность его эксплуатации и увеличивает срок его службы.

В качестве бурового раствора при ГНБ применяют суспензию, состоящую из бетонита и обычной воды. Бетонит — это тщательно подобранная смесь минерала природного происхождения и специальных присадок. Последние играют важную роль в формировании требуемых свойств бетонитового раствора: так, при производстве ГНБ в слабых, несвязанных грунтах в бетонит добавляют присадки, усиливающие его способность укреплять стенки скважины.

Подбирая состав бетонитового раствора, специалисты учитывают несколько факторов — тип грунта, уровень грунтовых вод, их pH. Учёт последнего фактора важен для обеспечения стабильности раствора. Избыточная кислотность или щёлочность грунтовой воды могут негативно повлиять на бетонит, поэтому важно подобрать присадки, нейтрализующие такое влияние.

Для создания суспензии используют обычную воду, которую берут из ближайшего водоёма, ёмкости или гидранта.

Определяя концентрацию сухого вещества в буровом растворе, стремятся достичь её максимальной несущей способности. Твёрдые частицы грунта, извлекаемого из скважины, не должны оседать в буровом канале — для этого бетонит должен иметь определённую вязкость, значение которой известно специалистам.

Для приготовления бетонитового раствора используют специальный смеситель, оснащённый электродвигателем. Смеситель работает синхронно с буровой установкой и рециркуляционным модулем. Благодаря этому в создаваемый подземный прокол непрерывно поступает свежий буровой раствор, что крайне важно для высокого качества и безопасности ГНБ.

При повышенном расходе бетонитового раствора — в частности, при выполнении ГНБ в твёрдых скальных породах, — обязательным условием является использование рециркуляции.

Бетонит в сухом виде продают в 25- и 50-килограммовых мешках, биг-багах массой 1 т. На этапе проектирования ГНБ специалисты рассчитывают необходимый объём бетонитового раствора и выбирают оптимальную фасовку сухого бетонита, который нужно закупить.