Технология горизонтально-направленного бурения: методика ГНБ и оборудование
В строительстве, в промышленной и производственной отрасли часто возникает потребность в создании скважин, ось которых отклоняется от вертикали. Это могут быть как полностью горизонтальные скважины, так и отверстия, проходящие под углом. Специально для таких случаев используется метод ГНБ — горизонтально-направленное или горизонтально-наклонное бурение. Он применим для выполнения подземных отверстий, у которых отклонение от вертикали составляет более 2 градусов.
Разумеется, с помощью обычных буровых установок такие операции невозможны или трудноосуществимы. Поэтому для них требуется особое оборудование, в котором буровая штанга крепится на подвижном механизме. Гибкое соединение позволяет изменить направление отверстия в ходе работы и выполнять прокол под любым углом.
Преимущества метода горизонтального бурения
Наклонные скважины широко используются при добыче нефти, газа и любых полезных ископаемых — они позволяют достичь цели по максимально короткому пути, экономя время и ресурсы. Также с помощью наклонных и горизонтальных проколов ведется прокладка подземных трубопроводов и кабельных магистралей для питания промышленного оборудования. Не менее полезным этот метод будет и в строительстве, причем речь идет как о возведении многоэтажек, так и о частных строительных работах.
Что такое ГНБ в строительстве?
Данная технология позволяет бестраншейную прокладку подземных коммуникаций, что особенно удобно, если на участке есть какие-то преграды — например, нужно провести трубопровод под асфальтированной дорожкой или постройкой. В этом случае рытье траншеи не только занимает больше времени, но и означает, что придется либо обходить преграду, либо после приводить участок в порядок.
Бурение методом ГНБ имеет массу преимуществ:
Таким образом, технология горизонтального бурения — самое экономичное решение в плане как временных, так и финансовых затрат.
Набор оборудования для ГНБ
Для создания наклонных или горизонтальных скважин потребуется:
Сейчас рассмотрим каждый из этих инструментов подробнее, чтобы выяснить, какую роль он играет в технологии бурения ГНБ.
Буровая установка — существуют как высокомощные промышленные машины для горизонтально-наклонного бурения, так и более компактные мини-установки, которые можно использовать при строительстве частного дома. Все они работают на дизельном топливе и состоят из кузова, устройства для подачи воды в бурильную зону, ходовой части и панели управления.
Основные характеристики этого оборудования:
Из них наиболее важными являются первые две характеристики — при выборе машины на них стоит обращать внимание в первую очередь.
Мини-установки, которые используются для выполнения относительно небольших проколов методом горизонтально-направленного бурения, имеют не только меньшие размеры, но и более простую конструкцию. Они включают лишь двигатель и рабочую часть с буровой штангой. Научиться управлению такой машиной несложно, и с ней может справиться даже 1 человек.
Геолокационная система — представляет собой зонд и устройство для фиксации данных, с помощью которого оператор может контролировать процесс бурения. Поскольку наблюдать работу самого бура невозможно, зонд дает информацию о наличии в рабочей зоне твердых включений или важных объектов (например, уже существующих коммуникаций). Применение локационной системы делает прокол по технологии ГНБ управляемым и полностью безопасным, а также сводит к минимуму риск поломки оборудования.
Дополнительные инструменты — к этой категории относятся все устройства и приспособления, что облегчают процесс бурения и прокладку коммуникаций. Например, это осветительные приборы, фиксаторы для обсадных труб, насосы для откачки бетонита из рабочей зоны, скобы, переходники и т.д.
Технология ГНБ: этапы работы
Весь процесс бурения можно условно разделить на подготовительные и непосредственно буровые работы. В подготовительную часть входит исследование грунта и особенностей участка, подготовка места для установки буровой машины, планирование глубины и траектории прокола, подготовка необходимых инструментов и т.д. Важность этих работ сложно переоценить — от них во многом зависит успешность и безопасность прокола.
Примерный перечень работ:
Этап бурения скважины
Технология горизонтально-наклонного бурения, которая используется для получения тоннелей под углом, предполагает создание пилотной скважины. Это небольшой прокол диаметром до 10 см., который обычно выполняется с наклоном от 10 до 20 градусов. После того, как прокол выходит на нужную глубину, угол наклона меняется — вплоть до горизонтального бурения.
В зависимости от формы и траектории скважины, направление движения бура можно неоднократно менять во всех плоскостях. Например, если нужна скважина в форме дуги, позволяющая обогнуть какую-либо преграду (водоем, постройку с фундаментом), сразу за нижней точкой траектории бур постепенно направляют вверх. Таким образом, ближе к финишной точке трасса получает нужный угол наклона.
Важно: технология прокола методом ГНБ предполагает отслеживание движения бура с помощью локационного зонда. Зондирование позволяет не только выявить неизвестные преграды, но и отследить положение бура, направление его движения, температуру и т.д. Это помогает избежать перегрева, поломок, отклонения от заданной траектории.
После выполнения прокола скважину нужно расширить до заданного диаметра. Для этого вместо буровой головки на установку ГНБ монтируют ример и включают обратный ход. Таким образом, ример движется в обратную сторону — от финишной точки до стартовой, расширяя отверстие. Чаще всего за один проход достичь нужного диаметра тоннеля не удается, тогда необходимо 2-3 прохода. С каждым разом используется ример все большего размера. Это финальный этап выполнения скважины методом горизонтального бурения (ГНБ).
Использование бетонита при бурении
В ходе бурильных работ в тоннель подается раствор бетонита — он облегчает продвижение бура (работая как смазка), а также способствует более легкому извлечению грунта. Смешиваясь с водой, бетонит образует гелеобразный состав, который обволакивает стенки отверстия, делает почву более стабильной и предупреждает обвалы.
Качество этого раствора играет решающую роль и определяет эффективность всего процесса. Состав бетонита может меняться в зависимости от типа почвы на участке, но в любом случае добавление песка не должно превышать 1%.
Ограничения методики ГНБ:
В остальных же случаях метод ГНБ является оптимальным и самым экономичным для создания скважин, тоннелей, трубопроводов, прокладки подземных коммуникаций как в бытовых, так и в промышленных масштабах.
Описание технологии горизонтально-направленного бурения
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:
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:
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 (л\мин), 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:
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
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: