Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность темы исследования. После проведения анализа сферы применения горизонтально-направленного бурения была выявлена необходимость в проведении ремонтно-восстановительных работ на поврежденных участках трубопроводов водопроводной и водоотводящей сетей.

Горизонтально направленное бурение получило широкое применение в области строительства и эксплуатации подводных переходов. Способ строительства основан на процессах механизированной разработки береговых и русловых траншей. Время строительства при помощи горизонтально направленного бурения значительно сокращается при сравнении с традиционными методами. Помимо этого, ГНБ дает преимущество в сфере бестраншейной замены трубопроводов.

Расширение области применения горизонтально направленного бурения для прокладки коммуникаций и бурения скважин для добычи полезных ископаемых создает новые помехи для качественной работы. Необходимость преодоления включений из пород высокой твердости, ставит под угрозу эффективное выполнение работ по заранее построенной траектории.

Существующие ударные механизмы современных буровых установок формируют силовые импульсы нерациональной формы, не учитывающей свойства горной породы к сопротивлению для её разрушения. Такая форма силовых импульсов и кратковременность их воздействия на горную породу снижает глубину внедрения в нее коронки, формируя волну растяжения, разрушающую буровой инструмент.

Целью работы является изучение и модернизация техники, используемой в горизонтально направленном бурении, исследование формирователя силовых импульсов для работы с твердыми слоями пород.

Объектом исследования технология и техника процесса горизонтально направленного бурения.

Задачи:

- провести оценку существующей литературы и патентов техники, используемой в процессе горизонтально направленного бурения;

- провести анализ существующего оборудования для разрушения твердых пород;

- предложить схему и имитационную модель конструкции ударного механизма;

- выполнить расчеты имитационной модели и проанализировать результаты;

- разработать рекомендации по выбору и применению механизма для формирования силовых импульсов.

Методы исследования. В ходе выполнения работы применялись методы статистики, комплексный анализ, системный подход, обобщения теоретических и экспериментальных исследований, применение оптимальных параметров, методы анализа, синтеза и построения моделей и систем, методы индукции и дедукции, алгоритмы адаптации, математическое моделирование работы системы формирования силовых импульсов.

Научная новизна заключается в:

1) исследовании математической модели ударного механизма оборудования для горизонтально направленного бурения

2) предложение конструктивных параметров механизма, обеспечивающих эффективность работы

3) определение параметров необходимых для эффективного разрушения твердых пород.

Структура и объем работы. Работа включает пояснительную записку, выполненную на листах формата А4 машинописным текстом, в объеме 76 страницы. Пояснительная записка содержит 30 рисунков, 1 таблицу, 26 источников литературы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения.

1. Обзор литературы

горизонтальный бурение оборудование порода

1.1 Назначение наклонно направленных и горизонтальных скважин

Развитие трубопроводных систем и коммуникационных сетей создает потребности в компактных установках горизонтально направленного бурения (далее ГНБ) для городской среды. С увеличением объема работ сумма инвестиций в данную технику также возрастает. Подрядчики хотят работать на небольших, маневренных и в то же время достаточно мощных установках. Важным фактором по поддержанию и расширению трубопроводной инфраструктуры по всему миру является сложной задачей. Традиционные методы замены и ремонта коммуникаций осуществляются открытым траншейным способом. Данный метод часто оказывается дорогостоящими и трудозатратным, особенно в условиях современной перегруженной городской инфраструктуры. Плотная застройка городов и развитие их инфраструктуры делает прокладку коммуникаций методом ГНБ все более актуальной, потому что открытый способ прокладки не всегда доступен. Высокая стоимость строительства траншей часто обусловлена необходимостью восстановления дорог, проездов и благоустройства прилегающей территории. Другие проблемы часто связаны с нарушением движения и повышенной опасностью для работников в зонах интенсивного движения. Чтобы преодолеть недостатки строительства траншей, государственная, коммунальная и строительная отрасли начали искать альтернативные методы замены и ремонта подземной инфраструктуры.

Нехватка свободного пространства в мегаполисах, особенно в исторических центрах, которые очень плотно застроены. Подземные территории являются большим ресурсом. В ближайшее время будут созданы подземные города. Кроме метрополитена, инженерных коммуникаций это паркинги и транспортные тоннели, торговые центры и спортивные комплексы, хранилища библиотек и архивов, многоэтажные пересадочные узлы с различными службами.

Российская Федерация занимает одно из первых мест в мире по протяженности существующих трубопроводов. Более половины из них нуждаются в реконструкции, так как износ трубопроводов один из самых высоких в мире. Наиболее перспективными способами применения бестраншейных технологий, перенятых у зарубежных коллег для использования в России, являются горизонтально-направленное бурение, микротоннелирование, ударопрочное бурение, восстановление трубопроводов, шнековое бурение и др. Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) - одна из наиболее быстро развивающихся бестраншейных технологий прокладки труб. Эта технология дает возможность пересекать плотины, водно-болотные угодья, реки, а также другие сооружения, которые должны оставаться нетронутыми во время прокладки трубопроводов, кабелей или туннелей с малым сечением. Более того, технология ГНБ минимизирует воздействие процесса строительства на плотно застроенных территориях. Сегодня российский рынок переполнен организациями, выполняющими работы по технологии ГНБ. Основной проблемой этой части рынка являются высокие темпы. В результате недобросовестные компании существенно демпингуют, хотя и не смогли выполнить работы в срок с нужным качеством. Но, с другой стороны, высокие тарифы заставляют заказчика принимать решение в пользу траншейных технологий. Эти методы ломают повседневный жизненный цикл города. Таким образом, необоснованно высокие темпы фактически разрушают перспективы использования бестраншейных технологий в Россия. Эта проблема должна быть решена путем создания единых норм и ставок. на основе существующих нормативных документов по ГНБ. Одним из альтернативных методов строительства, и, возможно, самой быстрорастущей технологией в бестраншейной промышленности, является горизонтально-направленное бурение [1].

Инструменты и методы, используемые в процессе ГНБ, применяются также при бурении нефтяных и газовых скважин. Первое использование наклонно-направленных скважин на нефтяных месторождениях было мотивировано экономикой. Нефтяные месторождения были основой для практического применения оборудования для бурения направленных скважин. Горизонтальные бурильные конструкции, применяемые с целью общественного постройки также постройки трубопроводов, подобны бурильным указаниям с целью штанговых скважин, из-за отчислением этого, то что горизонтальная бурильная монтаж оборудована косым лафетом [2], но никак не отвесной мачтой.

Одним из альтернативных методов строительства, и, возможно, самой быстрорастущей технологией в бестраншейной промышленности, является горизонтально-направленное бурение [1]. За последние несколько десятилетий объемы ГНБ значительно возросли в строительной отрасли. Горизонтально-направленное бурение дает очевидные финансовые преимущества, если сравнивать их с более традиционными способами проведения работ по прокладке различных коммуникаций под объектами инфраструктуры, такими как дороги, улицы, застройка, парки, водные препятствия, которые в случае альтернативной работы требовали бы повышенные затраты. Чтобы эффективно и правильно использовать многие преимущества, предлагаемые конструкцией ГНБ, инженеры-проектировщики должны иметь практические знания о процессе работы с ГНБ. Эти знания помогут им в разработке конструктивных решений, которые могут быть выполнены в плановом режиме при соблюдении требований коммунальной компании [3].

Бурение начинается под углами от 10 до 20 к горизонту. И она уменьшается по мере того, как бур доходит до необходимой глубины, контролируемой наклонно-направленной буровой установкой, и на заданной глубине бур продолжает двигаться в горизонтальном направлении и имеет возможность коррекции траектории в любых самолетах. Определение местоположения бурения производится через каждые три метра траектории скважины.

Координаты точек фактической траектории скважины протоколируются и фиксируются на участке. Если фиксируется наклон фактической траектории скважины наклонно-направленного бурения, то производится корректировка направления бурения и одновременно обеспечивается наклон от проектной траектории менее 0,5 м в вертикальном направлении и менее 1 м в горизонтальном. По мере приближения бурения к точке выхода траектория скважины направляется вверх.

постепенно и выходит на землю в заданной точке под расчетным углом. Это конец бурения пилотной скважины.

В случае, если речь идет о применении метода ГНБ в нефтегазовом секторе, в таком случае, данный метод бурения может быть применен для разработки нефтяных и газовых пластов, снижения поля разработки месторождения, повышения участка «зоны добычи» во скважине, постройки разгрузочных скважин, пересечения трещин и установки инженерных коммуникаций под землями, где открытые работы затруднены или экономически неэффективны [8].

Инструменты и методы, используемые в процессе ГНБ, применяются также при бурении нефтяных и газовых скважин. Первое использование наклонно-направленных скважин на нефтяных месторождениях было мотивировано экономикой. Нефтяные месторождения были основой для практического применения оборудования для бурения направленных скважин. Так, для производства коммунальных работ, работ по строительству трубопровод применяются установки с наклонным лафетом, а для установок по бурению скважин используется вертикальная мачта [2].

Использование технологии ГНБ целью бурения нефтяных и газовых скважин способен быть целесообразным в последующих вариантах:

- при бурении скважин, находящихся под сложным рельефом горы, овраги, бугры;

- при повышении участка дренажа на определенном углу, для вскрытия пласта с повышенной отдачей;

- для увеличения эффективности работы скважин в неоднородных породах;

- при бурении 2-ой скважины с возможность выявления данных о геологическом строении продуктивного горизонта;

- при бурении серий скважин на результативные пласты с одной буровой площадки либо эстакады, находящихся на водной поверхности;

- для обхода контрпродуктивных процессов промывочной жидкости и зон с повышенной возможностью обвалов;

- при бурении куста скважин на ровных площадках для снижения затрат на обустройство лагеря и снижения сроков разбуривания месторождения;

Способы применения ГНБ при бурения скважин нефти и газа, в России применяется в Татарстане, Западной Сибири, Башкортостане и некоторых других регионах [3].

Также, не секрет, что в настоящее время большинство подземных трубопроводов водоснабжения, магистральных нефте- и газопроводов находится в ветхом состоянии, характеризуются различными видами повреждений для их замены целесообразно применять технологию ГНБ.

Горизонтально направленное бурение -- это многомиллиардная отрасль с сотнями подрядчиков и тысячами буровых установок, работающих на пяти континентах. Способ ГНБ в Северной Америке вырос с 12 технологических установок в 1984 году до тысяч единиц техники сегодня. Также заметна динамика увеличения присутствия горизонтально направленного бурения наблюдается в России и странах СНГ. Значительный интерес и быстрый рост объясняется, по крайней мере, частично, следующим:

1. Растущие расходы на управление движением и восстановление, связанные с установкой инженерных сетей и трубопроводов в перегруженных городских районах, и необходимостью работы в существующих коммунальных услугах.

2. Повышение осведомленности о социальных затратах, таких как задержки движения транспорта, нарушение деловой активности в жилых кварталах.

3. Усиление экологических норм для прокладки трубопроводов через реки, водно-болотные угодья и другие экологически чувствительные районы. Нарушение грунта при ГНБ минимальны. В результате в густонаселенных городских районах ГНБ все чаще рассматривается как предпочтительная технология. Это сводит к минимуму негативное влияние на жителей и предприятия, устраняет необходимость в демонтаже и перемещении, дорогостоящей реставрации и благоустройства территории. На открытых площадках ГНБ обеспечивает эффективный способ пересечения препятствий, таких как реки, автомагистрали, железнодорожные пути или взлётно-посадочные полосы аэродрома [41]. Метод ГНБ также исключает затраты и время, связанные с установкой оборудования для осушения, если необходимо выполнить работы ниже уровня грунтовых вод.

Для качественного и производительного проведения работ, находящихся в различных грунтовых условиях, имеется несколько теоретически обоснованных и проверенных в той или иной степени на практике способов. Несомненный интерес на сегодня могут представлять закрытые способы реконструкции, особенно технология ГНБ.

1.2 Область применения наклонно направленных и горизонтальных скважин

Потребность рынка в горизонтально направленном бурении постоянно растет во всем мире. Монтаж трубопроводов и инженерных сетей в городских районах, а также через реки и автомагистрали является основным потребителем отрасли. Обычно ГНБ используются для прокладки новых электросетей, природного газа и телекоммуникаций. Последние достижения в области оборудования и систем слежения делают использование ГНБ экономически эффективным. В основном это проекты, в которых используются проколы большего диаметра и установлены жесткие позиционные допуски на размещение. Распределение потребления ГНБ по областям применения выглядит следующим образом [2]:

- Строительство и ЖКХ (36,6 %)

- Телекоммуникации и связь (27,6 %)

- Транспорт углеводородов (12,0 %)

- Электроэнергетика (12,3 %)

- Промышленное предприятия (8,5 %)

- Нестандартное применение (3,0 %)

Наибольшее распространение технологии ГНБ получила при прокладке труб водоснабжения, канализации и газификации населенных пунктов. С 2005 года ведется работа над созданием Единой системы газоснабжения, развивается такое важное направление деятельности ПАО «Газпром» как газоснабжение и газификация субъектов Российской Федерации. В результате реализации Программы газификации регионов РФ с 2005 по 2016 гг. средний уровень газификации в России вырос с 53,3% до 67,2% в том числе в городах - с 60% до 70,9%, в сельской местности - с 34,8% до 57,1%. Основными приоритетным направлением деятельности ПАО «Газпром» в области газификации регионов остается дальнейшее развитие газификации регионов РФ [11]. Кроме этого, ориентировано в результат наибольшего, экономически правомерного степени газификации землель, удовлетворенность реального спроса в голубое топливо, усовершенствование домашних обстоятельств существования жителей, в большей степени во аграрной территории, также увеличение финансового возможности субъектов российская федерация. Первоначальный способ ГНБ разрабатывался для прокладки слаботочных электрических кабелей, тонких и коротких подключений к газопроводам, а также местных подключений трубопроводов. Таким образом, службы, занимающиеся газификацией и водоснабжением, а также телекоммуникации стали крупными потребителями бестраншейных технологий. Способ прокладки трубопроводов методом ГНБ становится всё более популярным, так в ряде регионов данный метод является лидирующим при прокладке газопроводов и водопроводов. Данный метод показал свою значительную экономическую и экологическую эффективность. Для таких трубопроводов были разработаны технические требования к процессу, гарантии качества и технические условия прокладки трубопроводов способом ГНБ.

Технология ГНБ позволяет, при некотором уменьшении диаметра, протянуть в существующую трубу новую. Если речь идет о напорном трубопроводе, то между старой и новой трубой необходима изоляция. Для данного способа подходят те трубопроводы, которые еще сохранили герметичность и могут выдержать повышенное давление из-за уменьшения диаметра [9]. Прокладка внутри труб методом ГНБ происходит очень быстро и экономически превосходит другие способы..

Специальные достоинства метода ГНБ бесспорны присутствие бурении около значимыми оберегаемыми землями (прибережные откосы, природозащитные области, колесо фортуны также спорт площадки) в таком случае имеется во этих участках, в каком месте исключается несоблюдение биосистемы. При помощи ГНБ под асфальтированной либо бетонной поверхностью может быть проложен обогревающий трубопровод, позволяющий постоянно поддерживать поле свободным от снега и льда. Данное требование существует в аэропортах на взлетно-посадочной полосе. Используемые участки аэродромного поля требуют постоянной очистки от наледи, что требует много времени и зачастую служит причиной простоя, поэтому целесообразно проложить отопление под летным полем. В результате ведения горных разработок, а также консервации угольных шахт происходит повышение грунтовых вод в застроенных областях, охраняемых зонах. Подобные мероприятия по понижению, а в некоторых областях по повышению грунтовых вод до недавнего времени заключались в бурении большого количества вертикальных скважин. Для снижения количества скважин и повышения гидравлического эффекта, все чаще применяется способ горизонтального бурения в фильтрационных отрезках [7]. Выбор и установка подобного фильтрационного отрезка требует существенного гидрологического новшества. Подобные технические меры применяются при осушении плотин, склонов, дренаже зданий, установке систем подачи питьевой воды[2].

При помощи установок ГНБ можно вводить закрепляющие материалы в мягкие, чувствительные к нагрузкам, сложно проходимые грунты (например ил, болотистая почва). Данные материалы могут вводиться в грунт большими смешивающими инструментами, вращающимися форсунками, при этом достигается эффект смешивания почвы. Таким же способом возможно введение в почву минеральных удобрений. В грунт подверженный малой эрозии устанавливают поперечные балки, способные снизить объем вынимаемой почвы. Методы улучшения почвенных условий при помощи горизонтального бурения практически не ограничены. Таким образом, после анализа сфер применения, горизонтальная буровая техника открыта для многих других возможностей применения, находящихся сейчас на начальном этапе развития. Существует немного строительно-технических областей, где применение горизонтально направленного способа бурения было бы ограничено. Например, ГНБ позволяет обезвреживать отходы в грунте при помощи капсуляции, устанавливать подводные барьеры, изменять направление движения грунтовых вод в сыпучих грунтах. При помощи бестраншейного бурения возможно устанавливать ребра жесткости, возводить подземные фундаменты, извлекать из почвы жидкие либо растворенные материалы, проводить бестраншейную замену старых трубопроводов. Что касается строительства, то можно без помех переоборудовать тоннели, пересекать пространство под зданиями и поверхностями без дополнительного вмешательства, прокладывать подземные сети для проведения измерений. Кроме этого, допустимо определять местоположение источников вредоносных использованных материалов во почве около речками также озерами, взять проверку почвы инвазивным способом также в том числе и выявлять также получать жесткие туловища также использованные материалы в незначительном дистанции. Области применения технологии бестраншейного бурения неограничены.

Управление наклонением пилотного ствола скважины осуществляется с помощью невращающейся бурильной колонны с асимметричным передним краем. Асимметрия передней кромки создает смещение рулевого управления, в то время как невращающийся аспект бурильной колонны позволяет удерживать смещение рулевого управления в определенном положении во время бурения. Если требуется изменение направления, то бурильная колонна катится так, чтобы направление смещения совпадало с желаемым изменением направления. Направление смещения называется забой инструмента. Прямое движение может быть достигнуто при бурении с рядом смещений забоя инструмента. Буровая колонна может также постоянно поворачиваться, если управление направлением не требуется.

Асимметрия может быть достигнута несколькими методами. Обычно передняя кромка имеет угловое смещение, создаваемое изогнутым подшипником или изогнутым корпусом двигателя. В мягких грунтах распространена практика достижения прогресса при бурении с помощью гидравлической резки с помощью струйной насадки. При этом в случае, если направление течения от насадки может быть смещено от центральной оси бурильной колонны создавая тем самым смещение рулевого управления. Это может быть достигнуто путем блокировки выбранных насадок на стандартный роликовый конусный бит или изготовление на заказ струйного отклоняющего бита. Если встречаются твердые пятна, бурильная колонна может быть повернута для бурения без управления наклонно-направленным направлением до тех пор, пока твердый участок не станет пробит.

Специальным оборудованием берутся пробы воды и горной породы. Для этого применяются специальные геотехнические инструменты. Буровые скважины ГНБ также используют для геофизической разведки. Соответствующее геофизическое оборудование позволяет при помощи нескольких параллельных но разных по длине каналов проводить трехмерную геофизическую томографию всего отрезка возвышенности, то есть позволяет провести детальную разведку. Подобная разведка особенно нужна, если туннель проходит через почвы склонные к водопоглощению через тектонитовые ослабления или прослойки мягкой горной породы. Еще одна геотехническая вероятность использования в горизонтальном положении сконцентрированного бурения заключается во геометральной осуществимости таким образом именуемого бурения с целью распределения перегрузки, то что в особенности важно с целью многоэтажных построек. Подобное бурение представляет собой горизонтальное бурение без прокладки труб, при этом проколы осуществляются параллельно вышестоящей части здания. Также имеется возможность изменять геометрию таких скважин. Каналы большего сечения прокладываются ближе к наружному краю высотного здания, в то время как скважины меньшего сечения ближе к середине здания. Цель данного бурения односторонняя осадка здания в сторону вынутых из буровой скважины объемов грунта, таким образом, результатом данной процедуры является устранение наклона здания. Решающим моментом для установки здания в прямое положение при данном способе бурения является точное определение объема извлеченного грунта. Горизонтальная буровая техника имеет решающее преимущество при техническом возможном проколе под зданием. Применение способа ГНБ для уплотнения почвы. Котлован в грунтовых водах требует действующего метода уплотнения почвы, что как правило, осуществляется при помощи вертикально установленных инъекционных элементов. В результате этого элементы на основе вяжущих веществ образуют замкнутый горизонтальный гидроизоляционный слой [1]. Подобный гидроизоляционный слой с тем же принципом действия может быть проложен при помощи параллельных горизонтальных геометрически пересекающихся инъекционных элементов. Этот метод не только более продуктивен с технической точки зрения, а при длинных проколах и более экономичен. Данные преимущества реализуются благодаря возможности беспрепятственного проведения строительных работ в верхней части котлована.

В результате роста количества ГНБ на рынке представлен широкий ассортимент буровых установок и вспомогательного оборудования. Современное оборудование для горизонтально направленного бурения может работать в широком диапазоне почвенных залежей, от чрезвычайно мягких почв до твердых скальных образований.

1.3 Обзор техники для горизонтально направленного бурения

По статистике на альтернативные методы ведения работ, такие как строительство переходов с помощью установок ГНБ, приходится всего 10%. Чтобы проложить новый трубопровод или получить доступ к существующему, используя традиционный траншейный способ, необходимо извлечь, свалить в кучу и засыпать обратно тонны материала, что требует большого количества энергии. При этом происходит долговременное нарушение ландшафта, приводящее к замедлению трафика и пробкам. Бестраншейный способ требует меньше оборудования, людей и времени, чем открытый способ, поэтому он намного дешевле для города, который оплачивает эти работы. И это даже без учета долгосрочных факторов, таких как ремонт поврежденных дорог. Кроме того, с бестраншейными технологиями вредные выбросы в атмосферу снижаются на 90% по сравнению с традиционными способами ведения работ [7].

Рис. 1.1 Схема установки ГНБ

Несмотря на все преимущества и тот факт, что данный прогрессивный метод существует уже несколько десятилетий, бестраншейные технологии по-прежнему остаются в некотором смысле новаторскими. Тем не менее, интенсивность использования горизонтально-направленного бурения набирает силу, и репутация этого направления растет. Учитывая высокую стоимость земляных работ, включая социальные издержки, связанные с нарушением бизнеса и повседневной деятельности, ГНБ - это предпочтительный метод решения коммунальных проблем в городских районах. Компании, изготовляющие оборудование для произведения работ по ГНБ и поставщики сопутствующих товаров, таких как системы локации, бурового раствора и других, существенно повысили уровень технологичности горизонтально-направленного бурения, что привело к возможности выполнять работы высоко качества в самых тяжелых условиях сохраняя высокий уровень безопасности. Направленные буровые установки, используемые в настоящее время в ГНБ, обычно состоят из каретки, которая скользит по раме и удерживает буровые штанги под углом от 0 до 25 градусов. В большинстве случаев гидравлическая мощность используется для подачи питания на каретку, которая вращает буровые штанги. Цепной или реечный привод используется для толкания или вытягивания каретки для продвижения или втягивания бурильной колонны (рисунок 1.1). Буровые установки широко представлены на рынке и отличаются главным образом такими показателями как крутящий момент, тяговое усилие и нагрузка на долото, которую они обеспечивают. Несмотря на разнообразие размеров и видов, предлагаемых отдельными производителями, буровые установки имеют некоторые общие черты. Буровая установка обеспечивает подачу бурового инструмента и вращение бурильной колонны. При бурении вертикального ствола, основное усилие на буровое долото обеспечивается весом бурового забойного двигателя и бурильной колонны.

Механическое режущее действие, необходимое для твердых почв, обеспечивается скважинной гидравликой. моторы. Гидравлические двигатели скважин, обычно называемые грязевыми двигателями, преобразуют гидравлические энергия от бурового раствора, перекачиваемого с поверхности, до механической энергии на долото. Это позволяет вращение долота без вращения бурильной колонны. Существует два основных типа буровых двигателей; положительные смещение и турбина. Двигатели с принудительным перемещением обычно используются в приложениях для жестких дисков. В основном, грязевой двигатель с принудительным рабочим объемом состоит из спирального статора, содержащего синусоидальный ротор. Поток грязи через статор передает вращение ротору, который в свою очередь соединенный через связь с битом. В некоторых случаях промывочная труба большего диаметра может поворачиваться концентрически над невращающейся управляемая бурильная колонна. Это служит для предотвращения прилипания управляемой колонны и позволяет ее забой. быть свободно ориентированным. Он также поддерживает пилотное отверстие, если возникает необходимость вынуть управляемая струна. Во время бурения отслеживается фактическая траектория пилотного ствола путем периодического снятия показаний с наклон и азимут передней кромки. Показания снимаются с помощью инструмента, обычно называется зонд, вставляемый в буровой наконечник как можно ближе к сверлу. Передача показания скважинного зонда, измеренные до поверхности, как правило, выполняются при прокладке кабеля. внутри бурильной колонны. Эти показания, в сочетании с измерениями расстояния, просверленного с момента последней съемки, используются для вычисления горизонтальных и вертикальных координат вдоль пилота. отверстие относительно начальной точки входа на поверхности. Азимутальные показания берутся из магнитного поля Земли и подвержены интерференции от скважинного инструмента, бурильные трубы и магнитные поля, создаваемые смежными конструкциями. Поэтому зонд должен быть вставлен в безмагнитную муфту и помещен в струну таким образом, чтобы он являлся адекватно изолированы от внутрискважинного инструмента и бурильных труб. Комбинация из долота, грязевого двигателя, подлодки, съемочный зонд и немагнитные манжеты называются нижним узлом отверстия.

Путь пилотной скважины также может отслеживаться с помощью системы мониторинга поверхности. Системы мониторинга поверхности определяют местоположение зонда в скважине, производя измерения по сетке или в точке на поверхности. Примером может служить система TruTracker. Эта система использует поверхность катушка известного местоположения, чтобы вызвать магнитное поле. Зонд чувствует свое местоположение относительно этого индуцированного магнитного поля и передает эту информацию на поверхность.

При бурении направленного ствола бурильная колонна редко находится в вертикальном положении, и поэтому буровая установка должна обеспечивать нагрузку на долото. На буровых установках ГНБ усилие подачи на буровой инструмент обеспечивается (через бурильную трубу) при помощи цепной передачи либо при помощи зубчатого зацепления (реечной передачи). В странах ЕС в 2000 году была разработана единая универсальная классификация для установок ГНБ. Установки классифицируют по максимальной тяговой силе и максимальной глубине бурения [8].

Большие (maxi) буровые установки обычно используются в крупных операциях с несколькими смонтированными на трейлере вспомогательными устройствами, отличаются значительными периодами мобилизации. Эти устройства имеют более высокие эксплуатационные расходы и требуют больших рабочих площадей. Это обычно ограничивает их использование на рынке ГНБ для городских нужд. Буровые установки Maxi зачастую используются для трубопроводов большого диаметра (от 400 до 1200 мм) или исключительно длинных буровых установок длиной до 2000 метров. Эта категория буровых установок рассчитана на тяговое усилие более 2000 кН, более 60 кН·м крутящего момента и с насосной системой бурового раствора, превышающей подачу 900 литров в минуту [2].

Категория миди-буровых установок обычно включает в себя буровые установки, рассчитанные на тягу от 100 до 400 кН, крутящий момент от 15 до 35 кН·м, а также насосную систему бурового раствора от 250 до 800 литров в минуту [2]. Большинство буровых установок в этой категории являются автономными. Установки Midi обычно используются для установки изделий диаметром до 400 мм на расстояние до 600 метров. Данная категория буровых установок является основным типом, применяемым для монтажа муниципальных трубопроводных продуктов. Эти устройства компактны и могут быть легко использованы в городских районах, обеспечивая при этом возможность установки напорных и канализационных трубопроводов. Эти агрегаты могут работать с мягкими или твердыми грунтами и различных мягких пород. При использовании забойных грязевых двигателей и специальных расширителей эти агрегаты могут выполнять сверления в скальных породах. По аналогии с вертикальным строительством, первое соображение для потенциального перехода через ГНБ это почвенные условия. Инженеры и подрядчики должны установить пригодность почвы. условия для работы HDD. Метод HDD идеально подходит для мягких грунтов, таких как как глина и уплотненный песок. Грунты основания, состоящие из крупнозернистых материалов, включая гравий, булыжники и валуны, трудно вести переговоры, и это может способствовать тому, что к повреждению труб и/или разрушению проекта. Предварительное знание таких почвенных условий увеличивает шансы на успешную установку, позволяя подрядчику лучше спланировать тип используемого бурового долота, обратной развертки и смеси бурового раствора. Если будет определено, что почвенные условия применимы, то потенциальные площадки должны быть визуально осмотрены путем прогулки по территории до начала проекта. В ходе оценки площадки должны быть решены следующие вопросы. Основное соображение заключается в том, чтобы установить, имеется ли на площадке достаточно места для входа и выхода из ямы, а также для всего оборудования. Это может быть особенно сложно в отношении городских районов с ограниченной площадью, а также крупномасштабных установок, требующих обширных систем управления жидкостями и больших длин для натяжения ниток продукции. Кроме того, подрядчики должны осмотреть площадку на предмет обнаружения подконструкций, таких как крышки люков, крышки клапанных коробок, коробки счетчиков, электрические трансформаторы, кабелепроводы или линии сброса. от столбов и дорожных покрытий. Проекты на жестких дисках часто выполняются по контрактам в области, где плотность подструктуры относительно высока, а конструкция с открытым пропилом является рискованно. Диаметр трубопровода, глубина и материал являются наиболее важными условиями в ГНБ. проект и рассматриваются в рабочем проекте во время предпроектных работ и во время установка. Таким образом, эти факторы являются ключевыми параметрами при разработке дизайна жестких дисков анкеты.

Категория мини-буровых установок обычно включает в себя буровые установки, рассчитанные на тягу менее 180 кН, крутящий момент от 5 до 15 кН·м и подачу бурового раствора менее 280 л/мин [2]. Мини-буровые установки обычно устанавливаются на прицепе, грузовике или самоходном гусеничном ходу. Самоходные версии - это автономные агрегаты с силовым агрегатом, гидравлическим приводом и насосом для подачи бурового раствора на транспортном средстве. Для данного вида буровых установок характерны вспомогательные устройства, имеющие автономную систему питания и насосную станцию для буровых растворов. Буровые установки, номинальная нагрузка которых составляет менее 90 кН, используются в основном для скважин малого диаметра, например для прокладки вспомогательных кабелей и труб малого диаметра в перегруженных районах. Но некоторые, из моделей данного класса в этой категории годны к применению для бурения в гравии, булыжнике и других формациях, где трудно поддерживать стабильность буровой скважины. Для небольших буровых установок теперь доступны специальные системы бурения и скважинные инструменты для бурения через породы средней твердости, а также булыжники.

Согласно диаграмме, представленной на рисунке 1.2 большая часть оборудования поставляется из заграницы.

Рис. 1.2 Диаграмма производителей техники ГНБ, применяемой в РФ

В повседневной работе большинство подрядчиков использует мидикомплексы. От 70 до 80% существующих скважин сделаны именно с помощью установок среднего класса, которые используются практически во всех отраслях, будь то строительство инженерных сетей, электроэнергетика, телекоммуникации или транспорт нефти и газа.

Во в таком случае период равно как реализации малогабаритных также тяжких бурильных конструкций очень находятся в зависимости с повторяющихся сомнений телекоммуникационных также нефтегазовых базаров, потребность в мидиустановки показывает более устойчивости. Большая Часть изготовителей обладают во собственном перечне конструкции данного сектора. Vermeer предлагает такие модели, как D20x22 S3, D23x30 S3, D24x40 S3, D40x55 S3, D40x55DRS3, D60x90 S3, D100x140 S3, D220x300 S3, D330x500. В линейке DitchWitch шесть средних моделей: JT20, JT20 XP, T25, JT30 AllTerrain, JT40 AllTerrain, JT 60 AllTerrain, JT 100 AllTerrain. AmericanAugers предлагает три модели миди: DD110, DD240, DD440 [5].

Одна из последних разработок компании Vermeer в этом классе - установка горизонтального направленного бурения D40x55DR S3 Navigator, которую можно использовать для различных типов грунтов: от твердых, средних и мягких скальных пород до глинистых почв. Для бурения скальных пород используется технология сдвоенной буровой штанги, при которой внутренняя штанга передает вращательное движение буровой головке, а внешняя штанга задает направление и обеспечивает крутящий момент для расширителя. Такая конструкция предоставляет возможность выполнять прокладку коммуникаций в различных условиях с использованием одной и той же техники. По заявлению производителя, буровые установки со сдвоенной штангой намного проще в использовании, чем другие решения, и обеспечивают большую гибкость, когда в одной скважине залегают грунты различной плотности.

Рис. 1.3 Tracto-Technik Grundodrill 15ХР

Благодаря простоте и скорости соединений внутренних и внешних при использовании современной сдвоенной конструкции бурильной удалось значительно увеличить эффективность работы монтажа и демонтажа штанг на D40x55DR S3, помимо этого, удалось добиться сокращения на 30% по сравнению с устаревшими моделями [1]. Полая внутренняя штанга увеличивает поток воздуха и бурового раствора к буровой коронке на пилотных скважинах и к расширителю при обратном протягивании. Это означает, что подрядчикам становится доступен более широкий набор оборудования, начиная от шарошечного конического долота до пневмомолота, а также появляется возможность использовать расширители большего диаметра. Vermeer D40x55DR S3 с силой прямой/обратной тяги 18 тонн приводится в действие дизельным двигателем JohnDeere мощностью 140 л.с. Установка может нести на борту до 1500 м буровых штанг. Скорость каретки на максимальных оборотах двигателя достигает 35 м/мин.

Нижнюю часть модельного ряда занимают компактные мини-установки с усилием прямой/обратной тяги менее 9 т с размерами, которые обеспечивают незаметную работу в жилых кварталах. Это, например, такие буровые комплексы, как DitchWitch JT5 и Toro DD2024. Противоположностью являются установки с усилием тяги более 500 т, в классификаторе они обозначаются макси. Они дают возможность производить бурение скважин диаметр которых превышает 1500 миллиметров. К наиболее распространенным моделям в России можно отнести такие модели, как AmericanAugers DD-1100RS, VermeerD1320x900, и более крупные PrimeDirect и Herrenknecht. По спецификациям изготовителей, некоторые из этих крупных буровых установок могут сформировать скважину длиной более 3 км, но на практике мало кто может похвастаться переходом длиннее 1800 м [7]. В случае, когда требуется сверхдлинная скважина, могут использоваться две установки во встречных направлениях. Таким образом, снижается вероятность неудачного бурения.

Рис. 1.4 Vermeer D33x44

Установки серии DitchWitch's JT используют сдвоенные штанги, при этом наружная штанга направляет буровую колонну при бурении пилотной скважины, а внутренняя постоянно вращает долото. Наружная штанга или медленно вращается для поддержания прямолинейного движения, или остается неподвижной во время подачи для корректировки направления бурения. Внешние штанги имеют коническую резьбу для соединения, а внутренние соединяются с помощью шестигранных муфт. Расход бентонитового раствора не превышает необходимого для обычного бурения объема. Одна из новинок этой серии - это установка DitchWitch's JT40 AllTerrainсо 160-сильным двигателем Cummins, которая обеспечивает крутящий момент 8184 Н.м, что на 33% выше, чем у конкурентов в аналогичном классе. Конструкция с внутренней штангой улучшает управление инструментом в условиях твердой породы.

Рис. 1.5 DitchWitch JT10

Компания Herrenknecht поставляет установки ГНБ с усилием тяги от 60 до 600 тонн, в четырех стандартных конфигурациях (на раме, на трейлере, на гусеницах и в модульном исполнении) с отдельной кабиной управления оператора. Автономная насосная станция установки работает от дизельного двигателя, расположенного в отдельном контейнере, мощность которого может варьироваться в диапазоне от 330 до 1440 кВт в зависимости от требований заказчика. Для ввода в эксплуатацию установки, смонтированной на трейлере, не требуется кран [3]. Версия на гусеничном ходу обладает значительными преимуществами в условиях бездорожья. Модульные установки могут быть разделены на две или три части для перевозки в стандартных контейнерах. В качестве опции предлагается гусеничное шасси с дистанционным управлением.

Рис. 1.6 Herrenknecht 250f

Китайские бренды не остаются в стороне и уверенно догоняют лидеров. Китайские установки горизонтально-направленного бурения под маркой XCMG хорошо знакомы российским специалистам. Показатели новой серии E были значительно улучшены в отношении эргономики рабочего места, безопасности, защиты окружающей среды, информационного обеспечения, оптимизации системы управления и дизайна. Инженеры XCMG смотрят вперед и стараются уловить тенденции, которые будут на рынке через 3-5 лет. Значительные инвестиции в исследования и разработки позволяют получить качественный портфель продуктов в широком диапазоне. Комплексы серии E работают эффективнее предшественников на 20% и при этом потребляют на 10% меньше топлива [18]. Благодаря применению автоматической системы замены буровых штанг появилась возможность сократить количество обслуживающего персонала. Отвечая на растущие требования пользователей по всему миру, компания не только постоянно расширяет модельный ряд установок ГНБ, но и добавляет специальные опции, рассчитанные на конкретных заказчиков. Например, буровые установки могут снабжаться сдвоенными буровыми штангами для твердых пород, которые подойдут для работы в ограниченном пространстве. С разбросом усилия тяги от 16 до 660 тонн, продукты XCMG способны удовлетворить требования практически всех потенциальных заказчиков в любых отраслях. Кроме того, в качестве основного гидронасоса может быть установлен аксиальнопоршневой насос для повышения скорости вращения ведущего вала с сохранением тягового усилия. Одна из самых популярных в серии, установка XZ360E, обеспечивает крутящий момент 13200 Н·м и максимальное тяговое усилие 37 тонн [12]. Насос бурового раствора с расходом 400 л/мин создает максимальное давление 8 МПа.

Рис. 1.7 XCMG XZ320А

Важную роль при выполнении работ по технологии ГНБ играет высококачественный буровой инструмент. Ведущим поставщиком инструментов для горизонтально-направленного бурения является компания Inrock, но данная компания была приобретена компанией Sandvik. Эта сделка будет способствовать дальнейшему расширению портфеля продуктов для ГНБ, которые предлагаются клиентам Sandvik. Особое внимание при этом компания будет уделять сегменту установок среднего класса и ускорению глобального развития своего бизнеса.

С формированием цивилизованного рынка ГНБ закончилась эпоха увлечения «новой темой», когда многие пробовали свои силы в этом нелегком ремесле, прикупив установку ГНБ и осваивая ее на ходу. Те, кто остался на плаву, пусть и немногочисленные, но профессионалы своего дела [29].

Итогом работы основных инвесторов данного торга за минувшие годы сделало развитие законодательной основы, регламентирующей ценообразование также принципы вид развлечения, но кроме того организация высококвалифицированного профессионального возможности. Окончательная редакция Свода правил 341.1325800.2017 «Подземные инженерные коммуникации. Прокладка горизонтальным направленным бурением» была утверждена Минстроем России и введена в действие в мае 2018 г.[37]. Данный акт популярен около проектировщиков, клиентов также поставщиков, его процесс расширяется никак не только лишь в формирование также планирование, однако также в контроль произведенных трудов сопряженных со постройкой покрытых переходов присутствие постройке проводных направлений электроснабжения, сеток водоснабжения, термических сеток, сеток газораспределения, взаимосвязи также телекоммуникаций, но кроме того пересечениях коммуникациями равно как искусственного происхождения, таким образом, также естественных предпястий.

Парк буровых комплексов в России на 99% состоит из импортной техники. Доля ведущих производителей Vermeer, DitchWitch и Universe составляет более 50% рынка [4]. Китайские бренды не остаются в стороне и уверенно догоняют лидеров. Доля импортных расходных материалов и инструмента достигает 80%. Таким образом, импортозамещение на данной отрасли пока не отразилось. Надо отметить, что объем ввоза оборудования для ГНБ с 2013 г. сократился не в разы, а в десятки раз [39]. Но несмотря на экономические трудности, можно уверенно говорить о том, что направление ГНБ в России состоялось как самостоятельная отрасль строительного комплекса.

По оценкам специалистов, наиболее перспективны в России проекты со средней и большой длиной скважин и с диаметрами выше среднего. При этом география подобных заказов смещается на север и восток страны. Кроме того, в последнее время растет интерес к добыче сверхвязкой нефти, которую нефтяные компании намерены добывать по максимуму. Один из возможных методов ее извлечения - парогравитационный дренаж (SAGD), который требует применения горизонтально-направленного бурения.

В результате анализа, проведенного в данной главе, была дана оценка существующей техники различных производителей, используемой в процессе горизонтально направленного бурения на территории России, на основе которой была приведена классификация техники. Технологии ГНБ с большой скоростью проникают в новые отрасли и появляются новые виды работ, что несомненно повлечет за собой дальнейший рост рынка, за которым последует масштабная модернизация парка комплексов ГБР.

2. Объект и методы исследования

2.1 Анализ оборудования для разрушения крепких горных пород

Оборудование иностранных производителей крайне распространены в сфере бурения методом ГНБ. В России, согласно диаграмме 1.2, представлены различные производители установок ГНБ, для анализа технических возможностей и характеристик составим сводную таблицу.

В процессе эксплуатации данного оборудования возникают условия, при которых применение оборудования ГНБ имеет недостатки свойственные каждому типу. Однако основной недостаток такого оборудования заключается в трудоемкости бурения в твердых горных породах. Это требование возникло в связи с различными территориальными условиями бурения [4].

Таблица 2.1

Технические характеристики установок для ГНБ

Стоит отметить, что при наличии включений твердых пород в грунте механическая скорость бурения резко снижается, происходит ускоренный износ инструмента. Для предотвращения данных ситуаций необходимо устройство способное вести бурение в породах различной структуры и твердости, что подтверждает актуальность применения ударного механизма способного разрушать крепкие горные породы [15].

Одной из причин отсутствия установок ГНБ способных вести бурение в скальных породах является недостаточная степень изученности вопросов, связанных с механикой разрушения, исследование которой непременно находит применение в процессе бурения [42].

Рис. 2.1 График применения ГНБ в соотношении длины на диметр 1 - Осуществимо, экономические затраты рассчитываются из требований; 2 - Возможно с имеющимися данными о грунтах, затраты увеличиваются от характеристики грунта; 3 - Маловероятно, требуются большие экономические вложения

Вначале 2000-х, когда горизонтально направленное бурение (ГНБ) только набирало популярность в качестве метода прокладки коммуникаций, основным препятствием для его использования являлись пласты горных пород. Данная проблема до сих пор является актуальной в настоящее время.

Несмотря на наличие приемлемых прочностных и мощностных возможностей работы в данных пластах, использование малогабаритных буровых комплексов для прокладки трубопроводов и кабелей работы, операторы не были способны изменить направление бурения используя скошенную лопатку, которая была наиболее распространена на данных комплексах. Использование бурильной головки во скальных почвах с целью управления колоночной зачастую нереально: в случае если бурильной механизм поступает во скальную породу, в таком случае такого рода принятие никак не дает ожидаемого итога [29].

При проектировании перехода через ГНБ существует множество соображений, которые должны быть следующими принимая во внимание, что все этапы процесса строительства будут успешными. Во-первых, для обеспечения давления бурового раствора в Скважина не должна превышать того, что может быть поддержана вскрышными породами, чтобы предотвратить разбухание или гидравлический разрыв грунта. Далее, траектория бурения должна быть выровнена в соответствии с минимизирует сопротивление трению во время оттяжки и максимизирует длину труба, которая может быть установлена во время одного вытягивания. Это достигается посредством геометрического испытания углов въезда и выезда, общей длины переезда, общей глубины, и радиус кривизны. Желательно, чтобы прямые тангенциальные участки были пробурены до того, как введение кривой с большим радиусом. При любых обстоятельствах, как минимум одна перед началом выравнивания отверстия следует использовать всю длину бурильной штанги. траектория для минимизации нагрузок на буровой стержень.