Горизонтальное бурение принцип работы

Наклонно-горизонтальное бурение – технология бурения скважин, пространственное положение которых отклоняется от вертикальной линии по любому направлению, вплоть до полного горизонтального расположения. Наклонными принято считать скважины, которые отклоняются от вертикали больше, чем на 2 градуса.

Процесс горизонтально-наклонного бурения

Наклонно-направленное бурение выполняется с помощью специальной конструкции буровой штанги и головки с гибким соединением, что позволяет изменять направление движения бура внутри грунта, в процессе работы.

1 В чём назначение и преимущество технологии ГНБ?

В промышленности наклонное бурение скважин востребовано в нефте-газовой сфере, в строительстве, также метод широко применяется для создания подземных коммуникаций.

Наклонно направленное бурение применяется для выполнения таких работ:

• Создания скважин для добычи нефти и газа;
• Бурение для добычи полезных ископаемых;
• Прокладки труб водоснабжения и канализации;
• Прокладки коммуникаций газоснабжения;
• Монтажа нефтепроводов и газопроводов;
• Обустройства кабельных магистралей.

На сегодняшний день, наклонно направленное бурение является наиболее экономичным способом создания подземных коммуникаций и выполнения любых подземных работ. Наклонно направленное бурение, в сравнении с рытьем траншей своими руками, обладает следующими преимуществами:

• Минимизация затрат времени и финансовых средств.
• Возможность прокладки коммуникаций без разрушения асфальтового покрытия.
• Бурение скважин (как нормальных, так и мини — на небольшую глубину) может осуществляться под водоемами, транспортными путями и в местах, где запрещены наземные строительные работы.
• Работы могут выполняться мини бригадой из 3-5 человек.

2 Применяемое оборудование

Оборудование для горизонтального бурения можно условно разделить на несколько видов: машина для ГНБ, локационная система для ГНБ, вспомогательные устройства – буровые вертлюги, скобы, фиксаторы.

Применение локационной системы при ГНБ

Локационная система для ГНБ. Без наличия такой системы невозможно в полной мере контролировать наклонно направленное бурение, так как в процессе работы бур находится вне зоны видимости.

Чтобы бурение не привело к непредсказуемым последствиям (разрушение существующей прокладки коммуникаций, поломка оборудования из-за подземных преград), и для того, чтобы в полной мере контролировать точность бурения скважины, используется специальная геолокационная система.

Такое устройство состоит из двух основных частей: мини зонд, который устанавливается на буровую головку, и аппарат для отслеживания его показателей. Когда осуществляется наклонно направленное бурение, этой системой управляет оператор, который считывает всю информацию, поступающую с мини зонда, и на её основе корректирует процесс бурения.

Применение мини зонда является незаменимой частью процесса ГНБ.

Буровая машина. Наклонно направленное бурение выполняется дорогостоящим профессиональным оборудованием. Промышленные машины для ГНБ имеют рамные конструкции: они состоят из кузова, двигателя, работающего на дизельном топливе, и ходовой части. В свою очередь функциональная часть имеет следующие элементы: буровой лафет, гидростанция с шлангом для подачи воды, и панель для управления процессом.

Классификация буровых установок выполняется в зависимости от граничного усилия протяжки, которое измеряется в тоннах. Помимо этого, ключевыми характеристиками любой установки являются максимально возможные диаметр и длина бурения.

Вторичными факторами, на которые необходимо обращать внимание при выборе устройства для бурения скважины и прокладки труб, являются показатели расхода бетонита (лмин), и радиус изгиба буровых штанг – он влияет на возможность изменять направление бурения по ходу работы.

Также можно выделить технологию горизонтально шнекового бурения, которое выполняется с помощью достаточно простых буровых установок, состоящих из буровой головы, штанги, двигателя, и каркаса, который соединяет их в один механизм.

В сравнении с промышленными буровыми машинами, такая конструкция обладает мини размерами. К тому же она достаточно проста в управлении – после краткого вводного курса, бурение может быть выполнено своими руками кем угодно.

Буровая установка для горизонтально-наклонного бурения

Вспомогательные устройства. К этой категории относятся все элементы фиксации для прокладки ПВХ обсадных труб, переходники, расширители, насосы для откачивания излишков бетонита, электрогенераторы, системы освещения и инструмент устранения аварийных ситуаций.
к меню ↑

3 Этапы работ

Перед тем как начать бурение горизонтальных скважин необходимо выполнить следующие подготовительные работы:

1. Уточняется расположение подземных коммуникаций, которые расположены в пределах участка, где будет выполняться ГНБ. Места существующих коммуникаций – трубопроводы, кабельные линии, должны быть отмечены опознавательными знаками.
2. Исходя из особенностей грунта, и других важных факторов, выбирается оптимальная трасса прокладки.
3. Подготавливается площадка для буровой установки (уравнение грунта, создание освещения), и пути подъезда к ней.
4. Буровая машина занимает исходную позицию, на площадку доставляется необходимое количество бентонита (раствора для укрепления скважины), и буровых штанг.

Выполняется бурение пилотной скважины (мини тоннеля, диаметром до 100 мм). Изначально процесс бурения наклонных и горизонтальных скважин начинается под углом в 10-20 градусов, который, в процессе выхода на заданную глубину, корректируется к нужным показателям.

В процессе ГНБ изменение движения бура возможно во всех плоскостях. Чем ближе бурильная головка находится к точке выхода, тем сильнее бур направляется вверх, для того чтобы на выходе из грунта скважина получила необходимый угол.

Схематическое изображение траектории выработки при ГНБ

Технология горизонтально направленного бурения требует использования специальных устройств для мониторинга процесса, которые отслеживают местоположение бура под землей, и дают возможность точно определить глубину его заглубления в почву.

Для того чтобы расширить скважину, буровая головка своими руками заменяется на ример (специальное устройство для расширения), после чего на буровой машине включается режим обратных оборотов, и выполняется обратное движение римера, по направлению от точки выхода скважины, до буровой установки.

Количество проходов, необходимых для выполнения расширения скважины до нужного диаметра, может колебаться от 1 до 3. Это зависит от особенностей грунта и от того, какое устройство бурения используется. Если для расширения необходимо несколько проходок, то римеры последовательно меняются на устройства большего диаметра.

Прокладка труб выполняется с применением системы вертлюг и скоб, которые подсоединяются к трубе, и выполняют функцию креплений и фиксаторов, с помощью которых происходит затягивания труб в скважину.

Для фиксации труб вертлюгом на её край монтируется специальный скважинный оголовок, к которому присоединяется буровая колонна. В мелкогабаритных скважинах, обсадка которых выполняется полимерными трубами с небольшим весом, прокладки могут выполняться своими руками, в противном случае – усилие для затягивания труб придает буровая машина.

После того как труба смонтирована нужным образом, она отсоединяется от буровой колонны, после чего процесс ГНБ можно считать законченным.

Схематическое изображение пролегания трубопровода при ГНБ

Когда все этапы бурения наклонных и горизонтальных скважин завершены — осуществляется свертывание буровой установки и уборка рабочей площадки.

Метод наклонно направленного бурения подразумевает необходимость обязательного использования бетонита. Бентонит – это специальный раствор, который применяется для укрепления стенок скважины, так как риск обвалов грунта при ГНБ достаточно большой. Также бетонит уменьшает трение бура и улучшает процесс извлечение выбуренной почвы наружу.

Бентонит во много определяет эффективность всего процесса бурения, так как раствор плохого качества, который не будет обладать необходимыми промывочными свойствами, будет являться причиной дополнительных временных затрат, необходимых для очистки скважины от грунта.

Так как в процессе ГНБ используется большое количество бентонитного раствора, на входе и выходе в скважину могут скапливаться его излишки, которые, после завершения бурения, нужно извлечь своими руками, либо откачать с помощью насоса. Все остатки бетонита необходимо утилизировать.

Существуют определенные ограничения, которые препятствуют применению ГНБ:

• Подземные препятствия могут стать причиной невозможности продолжения ГНБ;
• Ограниченный изгиб буровых штанг для ГНБ не дает возможность выполнять короткие и неглубокие изменения направления скважины (до 5 м);
• Наклонно направленное бурение не может осуществляться в монолитных скальных породах, либо в грунтах, с высокой концентрацией валунов.

Наиболее существенным преимуществом является то, что при данном методе наносится наименьший вред окружающей среде по сравнению с любым другим методом строительства. Данная технология позволяет обеспечить максимальную глубину прохода под преградой, что очень важно при преодолении водных преград. Расходы по содержанию водных переходов сводятся к минимуму. При применении технологии ГНБ удается сократить сроки строительства, поскольку на ход бурительных работ не влияет ни погода, ни подъем уровня воды.

Технология ГНБ: работы начинаются с развертывания установки ГНБ на месте предстоящих работ, затем пробуривается направляющая (пилотная) скважина под рассчитанным углом под препятствием с определенным профилем, части которого является прямыми тангенциальными линиями с большими радиальными дугами, т.е. плавно без резких изгибов.

Направление ГНБ контролируется с помощью небольшого изгиба на буровой колонне сразу же за режущей головкой. Буровая колонна направляющей скважины не вращается за исключением тех случаев, когда нужно ориентировать вышеупомянутый изгиб. Например, если изгиб ориентирован вправо, то и буровая проходка пойдет вправо с наименьшим радиусом изгиба. Буровая проходка контролируется с помощью электронного устройства, расположенного в буровой колонне вблизи режущей головки. Это устройство определяет положение буровой колонны относительно магнитного поля Земли и ее наклона. Полученные данные передаются на поверхность Земли, где автоматически определяется местонахождение режущей головки. Как только направляющая скважина готова, ее необходимо расширить для прокладки по ней рабочего трубопровода. Например, если диаметр трубопровода составляет 91,4 см (36»), то скважина должна быть расширена до 121,92 см (42»). Эта операция выполняется расширителем. Обычно расширитель присоединяется к буровой колонне на противоположном берегу и протягивается к буровой установке через пилотную скважину. По мере протягивания расширителя в бурильной установке производится наращивание буровой трубы. В процессе бурения производится закачивание большого объема бурового раствора в скважину с целью поддержания целостности скважины и удаления продуктов бурения. После расширения, в скважину затягивают рабочий трубопровод. Расширитель крепится к буровой колонне, а затем с помощью шарнира к головной части протягиваемого трубопровода. Шарнир необходим для предотвращения передачи вращательного движения расширителя в колонне трубопровода, обеспечивая тем самым, плавное его протягивание через скважину. Протягивание продолжается до тех пор, пока расширитель и прокладываемый трубопровод выйдут на поверхность земли у бурильной установки.

Принцип работы установок гнб

Перед началом бурения, готовится водно-бентонитная суспензия (буровая жидкость), с внесением в нее полимера. Относительное количество полимера, бентонита и расход суспензии определяются составом грунта. Существует такое большое количество различных типов и видов полимеров, что даже трудно себе вообразить. Но, в основном, используется жидкообразный полимер, частично гидролизированный полиакриламид. Это противное, слизкое, вязкое, липкое вещество, которое обеспечивает следующее: быструю циркуляцию суспензии, уменьшение фракции жидкости (трения), уменьшение набухания и налипания грязи. Расход суспензии на 100 м бурения, расширения отверстия до 100 мм и укладке трубы будет не более 1900 литров. Стоимость расходных материалов не превышает 5% стоимости бурильных работ.

Установка ГНБ закрепляется на исходной точке вертикальными стойками-упорами (анкерами) и буровая лопатка, прикрепленная к первой штанге,

вращательно-поступательным движением вводится в грунт.

Буровая головка для проходки лидерной (пилотной) скважины в сжимаемых грунтах.

Возникают моменты, когда нужно проложить коммуникации, но обычным способом этого сделать нельзя. Выкопать обычную траншею мешают различные обстоятельства: на пути располагаются какие-либо сооружения, дороги или водоем. Здесь уместно будет вспомнить про ГНБ — горизонтально-направленное бурение.

Это метод, когда необходимо проложить определенные коммуникации, не нарушая целостности поверхностного слоя земли, путем направленного бурения скважин под землей в горизонтальном направлении с дальнейшим прокладыванием в них труб. Такая технология имеет все преимущества в условиях тесного проживания людей, когда необходимо оставить нетронутым ландшафт или нанести минимальный урон местам проживания людей. О всех этапах ГНБ и их кратком описании вы сможете узнать далее.

Общее описание технологий

Процесс ГНБ делится на три этапа:

1. Бурение пилотной скважины малого диаметра в заданном направлении;
2. Расширение скважины до требуемых размеров для установки трубопровода;
3. Прокладывание трубопровода.

Как происходит горизонтально направленное бурение

Рекомендованная услуга — Медно-графитовая смазка . Используется для защиты и герметизации резьбовых соединений.

Машины и рабочее оборудование

Оборудование, используемое для прокладки коммуникаций методом ГНБ, разделяется:

• Машины для совершения горизонтального бурения;
• Системы локации, применяемые для координации позиционирования буровой головки;
• Вспомогательные инструменты для ГНБ установок.

Машины для ГНБ

Все работы проводятся дорогостоящими профессиональными комплексами. Машины могут иметь разную конфигурацию, но основные части у них общие:

• Рама;
• Дизельный двигатель (ДВС);
• Силовая часть (гидронасосы распределители).

По классу машины разделяются на мини, миди и макси. Где мини – самые простые облегченные малотоннажные установки. Такая машина обладает небольшими размерами, и применяется при работе с трубами малого диаметра и ограниченной длиной трассы.

Более крупные буровые установки характеризуются средними и максимальными диаметрами труб и увеличиной длиной бурения. Также нужно обращать внимание на величину расхода буровой смеси и допустимый радиус изгиба буровых штанг, который является критерием способности изменять траекторию бурения во время работы ГНБ установки.

Навигация для ГНБ

Так как во время бурения головка находится в невидимой зоне, то контролировать процесс помогает система локации. Она состоит из излучателя, расположенного в буровой головке, и принимающего локатора, который выдает полученную информацию на дисплей, для визуального мониторинга траектории бурения и своевременного реагирования на возможные преграды.

Вспомогательные инструменты

К ним относятся: буровой инструмент ГНБ, вертлюги, серьги, фиксаторы для протяжки ПВХ обсадных элементов трубопровода. Также насосы для выкачивания буровых растворов, электрогенераторы, расширители и переходники.

Поэтапное выполнение

До начала работ проводится обследование трассы: исследуется грунт, свойства и его состав, расположение возможных коммуникаций. Делаются расчеты по навигации и оформляется нормативно-техническая документация на исполнение работ. При необходимости зондируются сложные участки будущей трассы на предмет пересечения с имеющимися подземными инженерными коммуникациями. В результате разрабатывается оптимальная траектория бурения. Уделяется пристальное внимание технике безопасности работников буровой машины и людей, которые могут оказаться поблизости.

На подготовительном этапе формируется площадка, на которой будет располагаться буровая установка, производятся земельные работы. Ее размеры и положение зависят от габаритов бурового комплекса, диаметра и глубины залегания скважины, ее протяженности.

Когда подготовительные работы закончены, можно начинать построение пилотной скважины. Это основной этап в разработке, от которого зависит достижение конечной цели.

Перемещение буровой головки контролируется при помощи локатора, принимающего сигнал от излучателя, расположенного в ней. Информация о нахождении бура передается на монитор оператора буровой машины, по которой определяется соответствие заданной траектории маршрута бурения. По окончании построения пилотной скважины, буровая головка выходит на поверхность или на финишную проектную точку.

Расширение бурового отверстия

Далее следует этап расширения пилотной скважины. Буровая головка заменяется на другой тип насадок для горизонтального бурения — риммер. Конструктивный элемент, представляющий собой лопасти, закрепленные на одной оси, с режущими зубцами, который вращаясь и двигаясь в обратном направлении, увеличивает диаметр скважины. Если необходим большой размер отверстия, таких челночных проходов может быть несколько, с последовательной заменой риммеров, до достижения нужного диаметра.

На обратной от буровой машины стороне к последнему риммеру, при помощи вертлюга, гасящему вращательное движение буровых штанг, и скоб, прикрепляют элементы трубопровода и прокладывают в скважину.

После завершения строительства трубопровода, исполнитель сдает заказчику отчетную документацию, где указывается действительное положение трубопровода, с обозначениями координат местности.

Плюсы и минусы технологии

• Тип почвы, ландшафт и его строение, присутствие водоемов не препятствуют процессу горизонтального бурения. Скученность городских построек, загруженность автомобильных дорог или охраняемые природные и культурные территории – такой способ прокладывания коммуникаций не навредит их состоянию;
• Меньше времени и сил тратится на получение разрешений для проведения работ, так как не нужно перекрывать движение автомобильного и железнодорожного транспорта;
• Снижаются расходы на привлечение тяжелой техники и рабочих для проведения масштабных земельных работ;
• За счет привлечения профессиональных исполнителей и высокотехнологичных установок, минимизируются сроки монтажных работ;
• Автономность буровых комплексов исключает зависимость от внешних источников питания;
• ГНБ может успешно проходить при высоком залегании грунтовых вод. На скорость и продолжительность работ они не влияют;
• Про ГНБ можно заключить, что это минимальный вред природе и человеку.

Но есть и ограничения в применении технологии ГНБ

Экономическая целесообразность. При глубине закладки труб менее 1,5 метров и отсутствии сооружений на территории работ – выгоднее прокладывать трубопровод обычным траншейным способом.

Заметно, что плюсов у технологии горизонтального бурения больше, чем минусов. Преимущества и перспективы развития очевидны. По мнению аналитиков отрасли применение комплексов бестраншейного способа прокладки коммуникаций будет увеличиваться с каждым годом.