Горизонтальне буріння

Горизонтальне буріння и Горизонтальне спрямоване буріння (ГНБ або англ. HDD від горизонтально-направлене буріння) - поширений безтраншейний метод  (англ.)прокладання підземних комунікацій, заснований на використанні спеціальних бурових комплексів (установок). Довжина прокладання шляхів може бути від кількох метрів до кількох кілометрів, а діаметр до 1200 мм і більше. Для захисту комунікацій застосовуються труби з поліетилену (ПНД), сталі та інших матеріалів.

Історія

Горизонтальне буріння, що стало революційним у будівництві, було винайдено 1963 року Мартіном Черрінгтоном, як альтернативу традиційному траншейному методу прокладання комунікацій.

Технологія безтраншейного будівництва підземних комунікацій

Перед початком робіт ретельно вивчають властивості та склад ґрунту, дислокацію наявних підземних комунікацій, оформляють відповідні дозволи та узгодження на виконання підземних робіт. Здійснюється вибіркове зондування ґрунтів і, за необхідності, шурфування особливо складних перетинів траси буріння з наявними комунікаціями. Результати цих робіт мають визначальне значення для вибору траєкторії і тактики будівництва свердловини. Особлива увага приділяється оптимальному розташуванню бурового устаткування на будівельному майданчику і забезпеченню безпечних умов праці бурової бригади та оточуючих людей.

Будівництво підземних комунікацій за технологією горизонтального спрямованого буріння здійснюється в чотири етапи:

• буріння пілотної свердловини,
• послідовне розширення свердловини,
• протягування трубопроводу,
• заключний етап.

Етапи будівництва підземних комунікацій

Буріння пілотної свердловини

Буріння пілотної свердловини - особливо відповідальний етап роботи, від якого багато в чому залежить кінцевий результат. Воно здійснюється за допомогою породоруйнівного інструменту - бурової головки зі скосом у передній частині та вбудованим випромінювачем.

Бурова головка з'єднана за допомогою порожнистого корпусу з гнучкою приводною штангою, що дає змогу керувати процесом будівництва пілотної свердловини та оминати виявлені на етапі підготовки до буріння підземні перешкоди в будь-якому напрямку в межах природного вигину робочої нитки, яку протягують. Бурова головка має отвори для подачі спеціального бурового розчину, який закачується в свердловину і утворює суспензію з подрібненою породою. Буровий розчин зменшує тертя на буровій голівці та штанзі, оберігає свердловину від обвалів, охолоджує породоруйнівний інструмент, руйнує породу й очищає свердловину від її уламків, виносячи їх на поверхню.

Контроль за місцем розташування бурової головки здійснюється за допомогою приймального пристрою локатора, який приймає і обробляє сигнали вбудованого в корпус бурової головки передавача. На моніторі локатора відображається візуальна інформація про місцезнаходження, ухил і азимут бурової головки. Також ця інформація відображається на дисплеї оператора бурової установки. Ці дані є визначальними для контролю відповідності траєкторії трубопроводу, що будується, проєктній і мінімізують ризики зламу робочої нитки. У разі відхилення бурової головки від проєктної траєкторії оператор зупиняє обертання бурових штанг і встановлює скіс бурової головки в потрібному положенні. Потім здійснюється задавлювання бурових штанг без обертання з метою корекції траєкторії буріння.

Будівництво пілотної свердловини завершується виходом бурової головки в заданій проєктом точці.

Бурова штанга (БШ) являє собою трубу діаметром 50-80 мм і довжиною 2-6 метри. На кінцях БШ нарізані КОНІЧНІ різьбові з'єднання із зовнішнім, і на протилежному кінці - з внутрішнім різьбленням. БШ має один дуже важливий елемент, без якого зміна напрямку пілотної свердловини була б неможливою, це - сильфонна вставка (з'єднання). На кожній БШ є два таких з'єднання. Загалом, технологічно, це більше нагадує накатку на трубі, ніж якусь вварену в БШ вставку.

У буровій машині БШ вкручуються, послідовно, одна в іншу, у міру просування бурової головки. Таким чином, з'єднані між собою БШ, схожі на гнучкий трос, яким прочищають каналізаційні труби.Принцип зміни напрямку

Принцип зміни напрямку руху бурової головки в горизонтальній і вертикальній площинах відбувається за принципом гнучкого троса: якщо його вільний кінець не закріплений (якщо закріплений, то це вже "гнучкий вал"), то є він завжди буде трохи зігнутий.

Оператор на дисплеї переносного приймача "бачить" кут повороту бурової головки (тобто "вільного кінця троса") і її напрямок, і, якщо необхідно "повернути" напрямок свердловини, видає команду оператору бурильної машини "стоп", а потім "Повернути на N ... /градусів" (але тільки в одному напрямку - у напрямку закручування різьблень БШ!) так, щоб бурова головка лягла в потрібному напрямку. Далі, за командою оператора виносного пульта, відбувається "вдавлювання" бурової головки в ґрунт на кут потрібної траєкторії, потім оператор бурильної машини вмикає подачу промивної рідини - зазвичай води - і поздовжню подачу з обертанням. Подача промивної рідини здійснюється під регульованим тиском через шпиндель бурильної машини в БШ і далі до бурової головки. Бурова головка забурюється в ґрунт на необхідну траєкторію.

Розширення свердловини

Розширення свердловини здійснюється після завершення пілотного буріння. Бурова головка від'єднується від бурових штанг і замість неї приєднується ример - розширювач зворотної дії. Докладанням тягового зусилля з одночасним обертанням ример протягується через створ свердловини в напрямку бурової установки, розширюючи пілотну свердловину до необхідного для протягування трубопроводу діаметра. Для забезпечення безперешкодного протягування трубопроводу через розширену свердловину її діаметр на 50-100 % перевищує діаметр трубопроводу.

Протягування трубопроводу

На протилежному від бурової установки боці свердловини розташовується готова до протягування батіг трубопроводу. До переднього кінця батога кріпиться оголовок із вертлюгом, що сприймає тягове зусилля, та римером, і водночас не передає обертальний рух на трубопровід. Таким чином, бурова установка затягує в свердловину батіг трубопроводу, що протягується, за проєктною траєкторією.

Цементування

Під час прокладання трубопроводу в складних геологічних умовах затрубний простір цементується шляхом закачування туди під тиском цементувального розчину спеціальною машиною.

Заключний етап

Після закінчення основних технологічних етапів інженерно-технічний персонал здає замовнику виконавчу документацію, на якій зазначено фактичне положення покладеного трубопроводу в різних площинах, з обов'язковим зазначенням "прив'язок" до орієнтирів на місцевості.

Установки ГНБ

Установки (машини) ГНБ являють собою комплексну будівельну техніку. Типова машина містить у собі - раму, кузов, ходову частину (гусеничну або колісну), енергетичну установку (дизельний двигун), гідростанцію, пристрій подачі штанг, буровий лафет, панель управління (робоче місце оператора).

Установки класифікуються згідно з максимальним зусиллям протягання, що вимірюється в тоннах. Іншими важливими характеристиками, які побічно пов'язані з ним, є максимальний діаметр розширення і максимальна довжина буріння.

Другорядні показники, які можуть характеризувати споживчі якості установки ГНБ - радіус вигину колони штанг (показує, наскільки сильно можна змінювати траєкторію пілотного буріння), а також витрата бентонітового розчину (л. /хв., показує, наскільки часто необхідно буде поповнювати резервуар змішувального пристрою для приготування бурового розчину).

Установки міні ГНБ

Установки міні ГНБ - це компактні установки ГНБ для керованого проколу під дорогою. Установки міні ГНБ дають змогу прокласти комунікації без порушення ландшафту. Підвести комунікації у важкодоступних місцях, з колодязя, з котловану в обмежених умовах. Установки міні ГНБ мають меншу вагу і компактні розміри, зусилля тяги до 50 тонн, довжина проколу до 100 метрів.

Система локації в ГНБ як інструмент управління

Управління в ГНБ - дуже важливий момент. Бур у процесі роботи перебуває поза зоною видимості та досяжності, і неконтрольоване буріння може призвести до непередбачуваних наслідків. Тому у виконанні робіт ГНБ для контролю процесу буріння застосовуються системи локації. Система локації являє собою зонд, який розміщений на буровій голівці, і спеціальний прилад синхронізації з цим зондом, що перебуває в руках у оператора системи локації (локаторника) на земній поверхні. Зонд реєструє всю інформацію про кут і напрямок буріння, число обертів і температуру бурової головки. Ця інформація передається в процесі буріння локаторщику і запобігає небажаним наслідкам.

Бурові розчини під час горизонтально спрямованого буріння

Порошок для виготовлення бурового розчину для ГНБ і розширювач.

Фахівці з ГНБ приділяють багато часу питанням поліпшення якості промивних рідин під час буріння горизонтально спрямованих свердловин. Відомо, що буровий розчин має великий вплив на продуктивність і ефективність усього процесу: швидкість буріння, екологічну обстановку, безпеку робіт. У ГНБ якість бурового розчину гарантує 70-80 % успішного виконання робіт із прокладання комунікацій.

Здійснюючи роботи в піщаних ґрунтах, фахівці ГНБ часто стикаються з проблемою фільтрації та водопоглинання, це зумовлено властивостями самого ґрунту, оскільки пісок за своєю природою пористий і високо проникний. Що стосується сланцевих глин і суглинків, які часто трапляються в місцях проведення бурових робіт, то під впливом води такі види порід стають липкими і набухають. Результатом подібних процесів може стати втрата циркуляції рідини, застрявання і заклинювання бурового інструменту, що призводить до неможливості подальшого виконання робіт за так званого "прихвату інструменту".

Для уникнення цих проблем використовують бентонітові бурові розчини та різні компоненти для ліквідації ускладнень, інгібітори або стабілізатори глин, змащувальні добавки для змащення інструменту і стінок свердловини для полегшення проходки, полімери, що загущують буровий розчин для підтримання його необхідної в'язкості.

Велика частина операторів ГНБ використовує "одномішкові" багатокомпонентні суміші на основі бентоніту для полегшення приготування промивної рідини з низьким вмістом твердої фази на об'єкті виконання робіт.

На великих об'єктах розчин готують індивідуально, згідно з геолого-технологічним нарядом (ГТН), діаметром протягуваної труби, складом ґрунтів, потужністю насоса і тяговим зусиллям установки.

Основні переваги експлуатації

Виробничо-технічний аспект

• Можливість безтраншейного будівництва, ремонту та санації підземних комунікацій:
  • під річками, ярами, лісовими масивами; у специфічних ґрунтах (скельні породи, плавуни);
  • в охоронних зонах високовольтних повітряних ліній електропередач, магістральних газо-, нафто-, продуктопроводів;
  • в умовах щільної житлової забудови міст у разі проходження траси під автомагістралями, трамвайними коліями, автомобільними дорогами, скверами і парками;
• Скорочення термінів і обсягу організаційно-технічних узгоджень перед початком робіт у зв'язку з відсутністю необхідності зупинення руху всіх видів наземного транспорту, перекриття автомобільних і залізних доріг;
• Значне скорочення термінів виконання робіт за рахунок використання високотехнологічних бурових комплексів;
• Значне скорочення кількості залученої для прокладання трубопроводів важкої техніки та робочої сили;
• Зменшення ризику аварійних ситуацій і, як наслідок, гарантія тривалого збереження трубопроводів у робочому стані;
• Відсутність необхідності в зовнішніх джерелах енергії під час виконання робіт у зв'язку з повною автономністю установок;
• Відсутність необхідності виконання робіт із водозниження в умовах високих ґрунтових вод.

Фінансово-економічний аспект

• Зменшення кошторисної вартості будівництва трубопроводів за рахунок скорочення термінів виконання робіт, витрат на залучення додаткової робочої сили і важкої землерийної техніки;
• Мінімізація витрат на енергозабезпечення бурових комплексів внаслідок економічності використовуваних агрегатів;
• Відсутність витрат на відновлення пошкоджених ділянок автомобільних і залізних доріг, зелених насаджень і предметів міської інфраструктури;
• Скорочення експлуатаційних витрат на контроль і ремонт трубопроводів у процесі експлуатації.

Соціально-екологічний аспект

• Збереження природного ландшафту та екологічного балансу в місцях проведення робіт, унеможливлення техногенного впливу на флору і фауну, розмиву берегів і донних відкладень водойм;
• Мінімізація негативного впливу на умови проживання людей у зоні проведення робіт.