Технологии горизонтального направленного бурения предназначены для прокладки коммуникаций бестраншейным способом. Это прежде всего прокладка и ремонт трубопроводов, прокладка электрокабелей, средств теле- и радиовещания и др. Принципиальные схемы такого бурения представлены на рис. 15.7.
Рис. 15.7. Бурение горизонтальной скважины: а - под строением; б - под водным препятствием
Данные технологии отличаются экономичностью, оперативностью и в большей степени отвечают требованиям экологии, чем траншейная прокладка коммуникаций, а также отличаются возможностью выполнения работ в местах, где традиционные методы не применимы или затруднены. Это водные преграды, автотрассы, железнодорожные пути, аэродромы, здания и сооружения, прокладка коммуникаций в городских условиях. При этом на всех этих объектах не требуется приостанавливать деятельность или транспортные потоки в период работ по прокладке коммуникаций, что, безусловно, выгодно экономически.
Работа по технологии горизонтального направленного бурения начинаются с бурения пилот-скважины (рис. 15.8,1 этап).
Направленное бурение пилот - скважины - особо ответственный этап работ, поскольку именно пилот-скважина задает трассу будущего подземного сооружения.
Бурение пилот-скважины осуществляется при помощи специального породоразрушающего инструмента - буровой головки (рис. 15.9, б) с встроенным излучателем и скосом в торце съемной лопатки (рис. 15.9, а). Бурение производится по заранее рассчитанной траектории или с поверхности Земли, или из предварительно выполненного углубления.
Контроль над соблюдением расчетной трассы осуществляется с помощью компьютера.
Буровая головка 1 соединяется посредством полого корпуса с гибкой приводной штангой 2 (буровые трубы), что позволяет управлять процессом горизонтального бурения пилот-скважины и обходить выявленные препятствия в любом направлении в пределах естественного изгиба протягиваемой рабочей нити. Буровая головка 1 имеет отверстия для подачи бурового глинистого раствора.
Контроль над местом и положением буровой головки в скважине осуществляется с помощью приемного устройства локатора
(система Digi Trak), который принимает и обрабатывает сигналы встроенного в
корпус буровой головки 1 передатчика (навигационное оборудование) 3. Предельная глубина, позволяющая контролировать положение головки, составляет 10 - 12 м.
На мониторе локатора отображается визуальная информация о месте и положении, уклоне, азимуте плоскости скоса буровой головки 1. Информация о положении буровой головки отображается на дисплее оператора буровой установки. Эти данные являются определяющими для контроля соответствия траектории строящегося трубопровода проектной. При отклонении буровой головки 1 от проектной траектории оператор останавливает вращение буровых (труб) штанг 2 и устанавливает скос буровой головки 1 в нужном положении с целью корректировки траектории бурения. Затем осуществляется задавливание буровых штанг 2 без вращения, буровая головка 1, ориентированная по скосу лопатки в нужном направлении, надвигается на забой, что обеспечивает ее отклонение в направлении, надвигается на забой, что обеспечивает ее отклонение в направлении, противоположном скосу под действием реакции R (см. рис. 15.8, I этап). Ориентирование головки 1 производится проворачиванием колонны труб. Контроль положения осуществляется через локатор. Направленное бурение пилот- скважины завершается выходом буровой головки 1 в заданной проектом точке. Угол наклона буровой головки 1 в некоторых конструкциях может изменяться дистанционно, что позволяет управлять кривизной ствола скважины без извлечения колонны и замены буровой головки, имеющей иной угол скоса торца (рис. 15.9, а, б).
Предварительное расширение скважины (рис. 15.8, II этап) осуществляют после завершения бурения пилот-скважины. При этом буровая головка 1 отсоединяется от буровых штанг 2 и вместо нее присоединяется расширитель 4 (рис. 15.9, в) обратного действия. Приложением тягового усилия с одновременным вращением расширитель 4 протягивается через скважину в направлении буровой установки, расширяя пилот-скважину до необходимого для протаскивания трубопровода диаметра. Для обеспечения беспрепятственного протягивания трубопровода через расширенную скважину ее диаметр должен на 25 - 30 % превышать диаметр трубопровода.
На противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая плеть трубопровода. Перед выполнением III этапа выполнения работ (рис. 15.8) к переднему концу серьги 5 крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие вертлюгом 6 и расширителем 4. Вертлюг 6 вращается с буровой колонной 2 и расширителем 4, и в тоже время, не передается вращательное движение на трубопровод 7.
Для успешного протягивания трубопровода на его поверхности через 15 - 20 м устанавливают роликовые опоры.
Таким образом, буровая установка затягивает в скважину плеть протягиваемого трубопровода 7 по проектной траектории.
Важнейшим фактором эффективного применения технологии горизонтального направленного бурения является использование на всех этапах производства работ высококачественных буровых растворов.
Угол забуривания ствола для прокладки коммуникаций может быть самым различным. Если бурение ведут из углубления или, например, в откос дороги, то этот угол может быть незначительным. Если бурение производится с горизонтальной площадки, то угол может быть 25 - 90° и во многом определяется возможностями конкретного бурового станка.
Основные производители техники для горизонтального бурения фирмы Vermeer, Ditch, Witch, Robbins, Flexi Drill, Straightline и др. (США), Tracto Technik (Германия).
Станки фирмы Vermeer.
PL 800 - силовой агрегат на автомобиле, станок устанавливается в котлован, бурит пилот-скважину диаметром 51 мм, с расширением до 300 мм, предельная длина скважины 95 м;
«Navigator D 24 х 40 А» - пилот-скважина диаметром 89 мм, расширение до 600 мм, длина скважины 320 м, радиус изгиба бурильных труб не менее 33 м, диаметр труб 60 мм, длина 3,0 м;
«Navigator D 50 х 100 А» - пилот-скважина диаметром 114 мм, расширение до 1000 мм, длина скважины до 600 м, радиус кривизны труб -51м, диаметр труб 73 мм, длина труб 4,6 м;
В арсенале компании имеются и еще более модный станок «Navigator D 100 х 120» - с тягловым усилием более 45 т, который позволяет прокладывать нефте- и газопроводы.
Станки фирмы Tracto Technik - Grundodrill 10 X, 205 отличаются тем, что оснащены машинами ударного действия, что позволяет наряду с осевым усилием обеспечивать ударное воздействие на породу и прокладывать коммуникации через отвалы и грунты, насыщенные валунами.
Десяти тонный станок Grundodrill 205 на гусеничном ходу способен проложить коммуникации в стволе диаметром 750 мм с радиусом изгиба 75 мм длиной 800 м.
Станки компании Flexi Drill очень мобильны, так как устанавливаются вместо ковша экскаватора. Стрела экскаватора может направить и забурить ствол практически под любым углом на удалении в несколько метров от транспортной базы.
В России выполнены значительные работы по горизонтальному направленному бурению при переходах через реки Тобол, Обь и Иртыш и др. (прокладки электро- и оптоволоконных кабелей).
Так, например, сооружен переход под нефтепровод диаметром 273 мм под реку Большая Киннель (гор. Отрадный) специалистами «НЛП «Самарские горизонты» совместно с ЗАО «Возрождение» с использованием телеметрической системы с электромагнитным каналом связи.
Станком фирмы Robbins Compact HDD произведена прокладка коммуникаций длиной 1688 м в стволе диаметром 406 мм под дном реки Янцзы у города Нанкин (Китай) за 15 дней.
Эти примеры показывают значительные и все более возрастающие возможности горизонтального направленного бурения с целью прокладки коммуникаций.
В то же время все приведенные примеры и оборудование предназначены для работ в грунтах, то есть в мягких горных породах и достаточно легко деформируемых и разрушаемых.
Разработка технологий и техники для прокладки коммуникаций в твердых породах может базироваться на технологиях направленного бурения скважин, буримых с целью разведки или эксплуатации месторождений.
Для реализации горизонтального направленного бурения в твердых породах перспективны забойные гидродвигатели и гидро- и пнев- момашины ударного действия.