Статьи

В большинстве стран Запада работы по возведению и ремонту подземных коммуникаций ведутся бестраншейным методом. Внедрение данной технологии позволит сократить расходы до 30 процентов. И Россия в первую очередь нуждается в освоении и распространении этого метода, так как основная масса систем водоснабжения – а это 300 тыс. км – выработала положенный срок, а 82,5 тыс. км трасс требуют немедленной замены.  Предполагаемый объем работ, которые необходимо выполнить в кратчайшие сроки, требует огромных ресурсов, что в условиях нынешнего состояния экономики страны при использовании траншейного метода невозможно.

Быстроизнашиваемые элементы ГНБ установок

Породоразрушающие элементы установок по бурению скважин испытывают различные типы нагрузок, подвергаются воздействию высоких температур, коррозии и истиранию. Кроме того, контроль состояния инструмента в процессе проведения работ достаточно сложен, что также негативно сказывается на его состоянии.
Используемый для бурения инструмент подразделяется на несколько групп в зависимости от назначения. Гидромониторные долота обычно длиной от 300 до 1000 мм и диаметром от 40 до 200 мм. Их используют для прокладки пилотных скважин, возводимых перед бурением основных. Для бурения в мягких породах применяются долота со специальными промывочными насадками с диаметром до 10 мм. Для обеспечения соблюдения заданного направления бурения долото или направляющая насадка имеют небольшой скос. При бурении грунта средней плотности применяются шарошечные долота с гидромониторными насадками, а в случае твердой плотности – твердосплавный буровой инструмент.

Для контроля глубины угла наклона и направления бурения внутри головки бура установлен зонд-излучатель. Буровые лопатки выпускаются в разных вариантах   в зависимости от грунта, при изготовлении они подвергаются прокаливанию и упрочнению, но являются самым быстроизнашивающимся элементом установок ГНБ. Так, срок службы буровых штанг рассчитан на 1 год, буровой головки – 6 месяцев, расширители и амортизаторы – 4 месяца, а лопатки – 3 месяца.
Для расширения пилотных скважин применяется группа инструментов, именуемых расширителями.
Для мягких грунтов используют цилиндрические расширители с насадками. Для твёрдых пород применяют расширители с однозубыми фрезами и режущими кольцами, соединенными с трубой распорками-спицами. На кольцах и распорках монтируются специальные насадки-лезвия и плоские долота, которые осуществляют выемку грунта при расширении пилотной скважины. Для бурения в скальных породах применяются расширители с режущей частью, изготовленной из твердосплавных шарошек. Удаление бурового шлама из скважины и очистка шарошек от грунта осуществляется путем подачи в скважину жидкости по закрепленным на расширителях струйным насадкам.

При расширении скважин расширители подвергаются высоким нагрузкам, поэтому они укомплектованы лезвиями насадками различного радиуса, в зависимости от выбора радиуса расширения пилотной скважины.

Буровые головки, расширители, бурильные лопатки и буровые штанги являются быстроизнашивающимися элементами, которые требуют постоянного ухода и замены.

Буровая коронка

До начала работы по бурению необходимо правильно оценить природный состав грунта, учитывая факт возможности появления скальных пород на незначительной глубине. Оценив риски, необходимо выбрать буровые головки и расширители, которые в большом количестве предлагает рынок. Кроме того, очень важно осмотреть установленные. При осмотре коронки следует убедиться в отсутствии трещин и мест выкрашивания, проверить состояние промывочных отверстий и заточки. Качественная заточка является определяющим фактором продолжительности срока службы коронок. Заточку коронок производят на заточном станке при помощи абразивных кругов из карбида кремния или алмазным кругом.  Выбор круга зависит от предъявляемых требований к качеству инструмента, возможности обработки пластины и стоимости операций по заточке. Круги из карбида кремния применяются в случаях, когда необходимо получить 7-8 класс чистоты, для получения 9 класса чистоты при окончательной заточки и доводке используют алмазные круги.  При заточке на неавтоматизированном оборудовании без охлаждения необходимо внимательно следить, чтобы лезвие пластины не перегревалось. При заточке на станках с системой охлаждения используется водный раствор нитрата натрия, который подаётся в зону контакта инструмента. Для определения состояния лезвий используют специальные шаблоны, применяемые как до, так и после заточки. Так, заточка крестовых коронок осуществляется абразивными кругами, под углом 132о, а долотчатые коронки точатся кругами плоского или чашечного профилей. Для достижения необходимого качества заточки и выдержки углов, абразивные круги необходимо регулярно править. Поверхность пластин в процессе эксплуатации изнашивается, изменяя форму, вследствие чего показатели бурового инструмента снижаются, а образование кольцевых канавок выводит его из строя. Износ пластин пропорционален нагрузке и обратно пропорционален твердости. Таким образом, при одинаковой твердости материалов различная степень износа режущей поверхности возможна только вследствие неравномерной нагрузки. Поэтому обеспечение оператором равномерной нагрузки на инструмент положительно скажется на сроке его эксплуатации.  Также оператору следует следить за скоростью бурения, потому что высокая скорость увеличивает нагрузки, в особенности на резцы. Износ, поломка резцов и дальнейшее нахождение фрагментов в скважине может препятствовать вращению буровой штанги, увеличивая крутящий момент. Оператор должен знать, что работа в скальных грунтах должна проводиться с меньшей скоростью, чем в мягких. Минимально необходимый объем используемой промывочной жидкости составляет 5-20 л/мин, а при повышении плотности породы этот показатель должен увеличиваться.

При износе лезвий коронок их необходимо заменить. Износ бывает фронтальный и диаметральный.  В случае фронтального износа ширина площадки притупления не должна превышать 2,5 мм на расстоянии до 5 мм от периферии пластины. Диаметральный износ определяется максимальной высотой участка, на котором образовалась обратная конусность, она не должна превышать 6 мм. Лезвия коронок необходимо беречь от столкновения с металлическими элементами, так как это приводит к их порче и стачиванию.

Буровые штанги

Все установки, используемые для замены трубопровода статическим способом, созданы на основе одной технологии и работают по одному принципу. Главным отличием является конструкция штанг, представляющих собой бесшовные цельнотянутые стальные трубы. Буровая колонка, которая состоит из штанг, является важным элементом бурения, она подвергается воздействию высоких нагрузок, так как передает крутящий момент и осевое давление от буровой установки на инструмент и тяговое усилие к расширителям и трубопроводу.  В случае поломки штанг в грунте возникают проблемы с их извлечением, а это довольно трудоемкий и затратный процесс.  Поэтому запрещено превышать регламентированный изгиб радиуса штанг, использовать штанги не из бурильного комплекта установки, контролировать скорость бурения и нагрузку.  На буровые штанги оказывает разрушающее действие трение, в особенности работа в твёрдых грунтах. В процессе подготовки установки к работе необходимо тщательно осматривать штанги на предмет нарушения геометрической формы, дефекты металла и видимый износ. В случае обнаружения дефектов производить выбраковку.  Буровые штанги соединяются между собой. Как правило, для этого используются замки с конической резьбой, которая защищается специальной смазкой для высоконагруженных соединений. Главный минус подобного соединения – это износ при частом сворачивании-разворачивании. К альтернативным способам соединения относятся используемые в статических установках компании Grundoburst штанги с быстроразъемным соединением Quicklock, в конструкции которых отсутствует резьбовое соединение.

Штанги просто вставляются одна в другую, что обеспечивает равнопрочное и простое сборно-разборное соединение. Кроме того, за счет подвижности данного способа соединения увеличивается маневренность (в отличие от резьбового). Буровая колонна с данными соединениями без проблем проходит повороты трубопровода до 2°.

Промывочная жидкость

Износ рабочей поверхности бурового инструмента зависит от множества факторов, таких как характеристики материалов инструмента, свойства пород в которых проводится работа, особенности конструкции, качество очистки породоразрушающих элементов и промывки скважины.

Чем тщательнее удаляется из скважины отработанная порода, тем ниже вероятность ее повторного переизмельчения  и, как следствие, меньше будет износ бурильных труб и головок. Эта функция выполняется при помощи бурового раствора. Характеристики раствора, скорость его циркуляции между бурильной трубой и стенкой скважины напрямую влияют на эффективность удаления шлама, повышая тем самым скорость бурения и снижая износ инструмента.  Исследования показали, что в результате увеличения скорости подачи жидкости из насадок гидромониторных долот с 40-70 до 100-110 м/с скорость проходки в мягких грунтах увеличивалась на 50-100%, а в грунтах средней твердости – на 30-80%.
Абразивный и коррозийный износ приводит к разрушению металла, что является основным фактором выхода из строя бурильного инструмента. Воздействие коррозии усугубляется содержанием воздуха и солей в промывочной жидкости.  Абразивный износ возникает вследствие попадания твердых частиц в промывочную жидкость на стадии подготовки и в процессе бурения скважины.
Для снижения коррозийной активности промывочной жидкости необходимо добавлять ингибиторы коррозии. При выходе на поверхность ее нужно очищать от чужеродных элементов.

За счет качеств буровой жидкости можно увеличить стойкость бурильных труб, уменьшить потери мощности при вращении колонны, снизить потерю напора при циркуляции и увеличить механическую скорость проходки. Это достигается добавлением в жидкость органических или комбинированных добавок, образующих эмульсию со смазывающими свойствами, которые снижают коэффициент трения.

Иногда в процессе составления проекта трассы бурения, при определении радиусов изгиба, при замерах углов входа и выхода, протяженности участков и заглублений, выявляется ряд определенных проблем технологического характера, возникающих в вынужденном отклонении от проектной трассы, обрушении скважин, в ускоренном износе инструмента и даже в его потере. Организации, которые основательно подходят и к мероприятиям по снижению износа инструмента, и к глубокой проработке предстоящих работ в целом, наиболее успешны в данном сегменте бизнеса.