Ни одна стройка не обойдется без подземных коммуникаций. Обычно трубопроводы и кабельные сети укладывают в траншеи. Однако траншейный способ не всегда возможен.
Для проводки инженерных сетей под строительными конструкциями и площадками, автомобильными и железными дорогами, водными преградами бурят горизонтальные скважины. Горизонтальное направленное бурение (ГНБ) – распространенный способ бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. ГНБ производят специальными буровыми установками. Протяженность горизонтальной скважины может достигать нескольких километров, а диаметр 1200 мм.
Технология ГНБ применяется для протягивания водопроводов, нефтепроводов и газопроводов, теплосетей, канализации. А также для сооружения подземных переходов или установки кабельных футляров.
Первая наклонно-горизонтальная скважина длиной 231 метр и диаметром 115 мм была пробурена в 1971 году под рекой Pajaro в Калифорнии установкой американского инженера Мартина Черрингтона (Martin Cherrington). В СССР первая буровая машина для ГНБ была сконструирована в 1987 году на заводе Уралмаш.
Горизонтально-направленное бурение включает в себя несколько последовательных операций:
- проходка пилотного ствола скважины;
- расширение пилотного ствола;
- протягивание трубопровода.
Породоразрушающим узлом ГНБ-инструмента является пилотный бур. Он состоит из специального патрубка и буровой головки:
В зависимости от свойств грунта используются различные по форме и конструкции буровые головки.
Буровая головка имеет отверстия для подачи в скважину бурового раствора. Буровой раствор, как и при традиционном бурении вертикальных скважин служит для выноса выбуренной породы на поверхность, снижения трения бурильного инструмента и его охлаждения.
Буровая головка вкручивается в специальный патрубок и соединяется в нем с локатором-зондом.
Затем в пилотный бур вкручивается первая гибкая полая штанга.
Буровая штанга – это труба диаметром от 50 до 80 мм и длиной от 2 до 6 метров. Соединяются штанги конической резьбой. При бурении пилотного ствола буровая установка наращивает бурильный инструмент, последовательно вкручивая штанги одна в другую. На каждой штанге имеется по две сильфонные вставки. Сильфон представляет собой прочную герметичную стальную гофрированную оболочку, выдерживающую многократные деформации сжатия, растяжения и изгиба.
Бурильная колонна, составленная из таких сильфонных штанг подобна гибкому валу, свободный конец которого не закреплен. Максимальный угол, под которым ГНБ-инструмент входит в грунт, составляет, в среднем 32°. Есть буровые установки с углом входа до 45°.
Локатор-зонд укладывается в патрубок и закрывается крышкой с прорезью. Прорезь делается для лучшего прохождения радиосигналов.
Контроль положения и управление буровой головкой производится локационной системой ГНБ. Зонд-локатор, установленный в пилотном буре, определяет его глубину, температуру, угол наклона, азимут и передает информацию низкочастотными (12 кГц и 19 кГц) радиосигналами наземному локационному приемному устройству. Приемник преобразует поступающие сигналы и выводит их на дисплей. Оператор локационного приемника (локаторщик), контролируя показания зонда сопровождает буровую головку по всей траектории движения.
Именно локаторщик руководит процессом бурения. Ориентируясь по показаниям зонда-локатора, он подает команды бурильщику по рации.
Бурильщик управляющий буровой установкой также видит данные с локатора на своем дисплее-повторителе и по указаниям локаторщика оперативно корректирует траекторию буровой головки.
Направление ствола скважины меняется за счет скоса буровой головки. При отклонении буровой головки от проектной траектории бурильщик останавливает вращение инструмента и поворачивает головку, устанавливая ее скос в нужное положение. Затем вдавливает буровую колонну по скорректированному направлению. После этого включает насос прокачки бурового раствора, продольную подачу и вращение инструмента. То есть продолжает бурение.
Проходка скважины заканчивается выходом пилотного бура на поверхность в установленном месте.
При необходимости перед строительством горизонтальной направленной скважины для определения расположения и глубины подземных коммуникация производится георадарное наведение буровой (ГНБ). Принцип работы локатора ГНБ основан на отражении радиосигналов от подземных объектов.
По завершении пилотного бурения производят расширение ствола с одновременным протаскиванием трубопровода.
Пилотный бур откручивают и к колонне гибких штанг прикручивают риммер – расширитель обратного действия. К риммеру через оголовок цепляют плеть трубопровода.
Бурильщик запускает промывку ствола скважины, включает вращение инструмента и реверсивную тягу. Таким образом, трубопровод затягивается буровой установкой в расширяемую скважину. Встроенный в риммер вертлюг не позволяет трубопроводу вращаться. Риммер должен расширять ствол до диаметра превышающего диаметр трубопровода на 50-100%.
Для укрепления ствола скважины и защиты трубопровода, прокладываемого в грунтах со сложными инженерно-геологическими условиями, производят цементирование трубопровода, закачивая в затрубное пространство тампонажный раствор.
Горизонтальное направленное бурение выполняют передвижными или стационарными буровыми установками. ГНБ-установки классифицируются по силе тяги, крутящему моменту и весу машины:
- мини-установки развивают усилие до 100 килоньютонов (кН) с крутящим моментом до 15 кНм и весят до 7 тонн;
- средние (миди-установки) – тяга от 100 до 400 кН, крутящий момент до 35 кНм, вес до 25 т;
- большие (макси-установки) – тяга от 400 до 2500 кН, крутящий момент до 100 кНм, вес до 60 т.
Мега-установки с тягой более 2500 кН, крутящим моментом более 100 кНм и весом более 60 т, в основном, бывают стационарными.
На раме передвижной ГНБ-машины монтируется дизельный мотор, буровой лафет, гидравлический блок, кассета со штангами, панель управления с рабочим местом бурильщика.
На буровом лафете крепятся направляющие салазки, по которым перемещается узел, называемый буровиками «вращатель». В этом подвижном гидравлическом блоке установлен роторный гидромотор, который вращает бурильный инструмент. Второй гидромотор создает продольное усилие, передвигая «вращатель» по зубчатой рейке и вдавливая инструмент в грунт. При реверсе гидроблок вытягивает бурильную колонну с риммером из скважины, расширяя ствол и протаскивая трубопровод.
О том как работают гидроприводы вращательного действия подробнее можно почитать в статье: "Гидравлические машины".
Пробурив интервал на длину штанги, бурильщик останавливает закачку промывочной жидкости, отключает тягу и вращение гидромотора. Механизмом подачи из кассеты извлекается следующая штанга и вкручивается механизмом свинчивания-развинчивания в бурильную колонну. Так производится наращивание инструмента.
Перемещается гидроблок с помощью зубчатой рейки:
Важным условием работы ГНБ-установки является ее способность сохранять устойчивость под воздействием реактивных сдвигающих усилий. Максимальные тяговые усилия при расширении скважины с протаскиванием трубопровода могут в 2-3 раза превышать вес машины. Поэтому для фиксации положения мобильная ГНБ-установка имеет два или четыре анкерных узла.
Высокотехнологичные ГНБ-комплексы – современный способ прокладки подземных коммуникаций.
Рекордные по длине горизонтальные направленные скважины для прокладки нефтепроводов под реками, были пробурены в КНР в 2002 году - 2308 метров и в 2005 году – 2323 метров. В Индонезии в 2018 году была пробурена скважина диаметром 610 мм и длиной 2065 м.
Далее читаем следующую статью: «Гидравлические машины.»