Секреты буровых штанг. Часть 1

Стремительное развитие бестраншейных технологий и особенно метода ГНБ в нашей стране это чрезвычайно важное движение к совершенствованию инфраструктуры, многократному повышению производительности в инженерном строительстве. Но без проблем любое стремительное развитие не обходится. В нашу отрасль пришло много новых компаний, не обладающих даже минимальным объёмом знаний о технологии бурения. Это привело к всплеску аварийности и, в свою очередь, к увеличению себестоимости строительства и его сроков. Начались действия по дискредитации метода ГНБ как такового. Например, десятки подводных переходов были перепроектированы на открытую прокладку, что не может не беспокоить.

Решение проблемы лежит прежде всего в плоскости обучения персонала, как на семинарах МАС ГНБ, повышающих квалификацию, а так же в публикации обучающих материалов в профильном издании.

При анализе причин происходящих аварий можно выделить следующие основные группы:

• Проектирование переходов ведётся без достоверного геологического разреза.

• Неправильно выбранный, некачественный или неисправный инструмент.

• Изношенные или некачественные буровые штанги.

• Буровой раствор не соответствует решаемой задаче.

• Ненадёжный буровой станок, смеситель бурового раствора, или несоответствующий по мощности выполняемой работе буровой комплекс.

• Нарушение технологии бурения.

Сегодня я подробно расскажу о буровых штангах. Этот важнейший компонент технологии пришёл к нам из вертикального бурения, которое развивается самостоятельно уже более 100 лет. Буровая штанга (drill pipe) во многом доведена до совершенства. А именно, оптимизированы типы конической резьбы REG и NC (или IF), а также типоразмеры труб и геометрия замков, марки стали, из которых изготавливается труба – S135, и резьбовой замок – 42Сr Mo4. Стоит отметить, что объём производства буровых штанг для ГНБ составляет менее 10 % от аналогичного показателя в вертикальном бурении.

При этом есть существенное отличие в конструкции буровых штанг, прежде всего, до диаметра 89 мм, обусловленного необходимостью изгибать буровую колонну в несколько раз сильнее, чем в вертикальном бурении. Чтобы выдерживать такие нагрузки, были разработаны специальные резьбовые соединения. Vermeer разработал Fire Stick 1 (Fs 1), Tracto Technik – Twin Drive (TD), Ditch Witch - Mach 1 (таб.1).

На больших диаметрах буровых штанг – 127 мм и более разница в значениях радиусах изгиба становится несущественной, и в ГНБ могут применяться штанги из вертикального бурения.

Мы знаем предельные радиусы изгиба тех или иных штанг в виде цифры, которая верна для конкретной модели бурового станка, точнее для значений его крутящего момента и силы тяги.

На самом деле минимальный радиус изгиба колонны штанг является функцией силы тяги и крутящего момента. На представленном графике 1 зависимости предельного радиуса изгиба от силы тяги, при фиксированном крутящем моменте в 10 kNm, нанесены четыре линии, соответствующие сварному стыку (сиреневый цвет), PIN (синий цвет), BOX (чёрный цвет) и трубе (серый цвет). Самым слабым элементом штанги является PIN, он и диктует ограничение по радиусу изгиба. В данном случае это 40 м при усилии 20 тонн и крутящем моменте 10 kNm. Если ваш станок развивает 25 тонн и 13 kNm, то минимальный радиус изгиба станет существенно больше. Такую информацию можно получить только у производителя штанг, а не у производителя буровых станков.

Что является причиной износа резьбовых соединений? Многие считают, что резьба изнашивается в процессе скручивания и раскручивания штанг. Это является причиной износа только бурового адаптера рабочего вала, так как за одну смену он закручивается сотни раз. Таким образом, выдерживает несколько тысяч циклов. Но можно постараться «угробить» адаптер рабочего вала за несколько циклов установки штанг. Для этого нужно несоосно забурить первую штангу, что, как правило, происходит у новичков. Чтобы понять, кто перед тобой, достаточно подойти к станку и посмотреть, как забурена первая штанга.


Точка входа в грунт должна быть подготовлена, интервал провисания штанги не должен быть больше рекомендованного, кроме того нельзя «рулиться» на первой штанге. При пилотном бурении нужно постоянно контролировать, чтобы станок не повернуло в сторону относительно первоначальной оси бурения. Есть ещё одна хитрость: если вы заложили крутую траекторию на подъём перед станком, то при расширении скважины более 500 мм штанги начинают прижиматься к своду скважины, что приводит к появлению несоосности уже в вертикальной плоскости. Если позволяет каретка, то можно перетягивать штанги сантиметров на 20 дальше точки раскручивания, и потом подавать колонну вперёд, добиваться соосности и раскручивать штангу. Но нужно понимать, что когда вы потащите трубу подобное действие можно осуществить, если она зацеплена через трос. Поэтому надёжнее просто переставить станок, отодвинув его назад на 0,5-1 м, в зависимости от угла забуривания, и диаметра расширения.

Так подробно я поясняю приёмы правильной работы, потому, что поломка адаптера носит массовый характер, происходит она всегда в самый неподходящий момент. И если у вас есть на объекте запасной, то на замену требуется не менее 2-х часов, чтобы в резьбовом соединении с рабочим валом успел застыть фиксирующий клей. Этого времени бывает достаточно, чтобы протягиваемую трубу прижало до состояния «пышных похорон». И если адаптер не сломался, а только сильно изношен, то он начинает портить каждую штангу, в которую закручен. Рекомендации по замене – не менее 2,5 оборотов резьбового захвата. На штангах DW это количество больше, так как в резьбовом соединении больше витков.

Штанги скручиваются-раскручиваются в несколько раз меньше чем буровой адаптер, если их 100, то в 50 раз, если 500, то соответственно, в 250 раз. Интенсивный износ резьбового соединения штанг происходит при вращении колонны в изогнутом состоянии. И чем сильнее согнута колонна, тем интенсивнее изнашивается резьба. Противоположные стороны резьбового соединения попеременно испытывают сжимающие и растягивающие нагрузки, частота которых соответствует частоте вращения. Это приводит к перемещению поверхностей в зоне сопряжения витков PIN и BOX, которые истирают друг друга.

Чтобы уменьшить износ, профиль резьбы имеет сложное сечение, округлой формы, а так же разные, передний и задний, углы. Сравним резьбовые соединения перечисленных выше производителей. Резьба Fs1 является наиболее распространённой в ГНБ и признаётся классической, благодаря удачному подбору углов профиля резьбы, шага резьбы, длине и округлому сечению конуса. Это резьбовое соединение выдерживает значительно больший изгиб, по сравнению с конкурентами.

Рассмотрим штанги DW. Удлинённая резьба, направляющая цилиндрическая посадка на кончике PIN, большие диаметры тела и замка имеют значительный запас прочности, позволяют надёжно эксплуатировать штанги в пределах допустимых радиусов изгиба колонны, которые больше чем у Fs1. Есть ещё одна проблема: вытянутая с небольшим углом конуса и небольшим шагом резьба DW требует хорошей затяжки при формировании холостой колонны. Если штанги не затянуть цепными гидравлическими ключами, то холостая плеть раскрутится из-за вибрационных нагрузок при расширении. При этом болтающееся резьбовое соединение портит резьбу на двух штангах перед расстыковкой, а внутрь колонны под давлением набивается грунт, мелкие камушки залипают в зоне переходов с большого внутреннего диаметра тела штанги, на меньший диаметр тела замка. Вышибить их из колонны штанг, промывая буровым раствором, полностью невозможно, и они от вибрации при работе попадают в расширитель, закупоривают форсунки, создавая аварийную ситуацию.

Представители DW не рекомендуют вообще монтировать за расширителем холостую плеть, об этом говорит и отсутствие штатных тянущих вилок с соответствующими болтами. Буровые команды вынуждены накручивать маленькие расширители и проталкивать их по скважине от себя, но это не всегда даёт результат. При прохождении через грунтовые слои разной плотности или замусоренные участки, проталкиваемый расширитель или направляющая головка теряют скважину, и приходится возвращаться к пилотному бурению. Результат – неприемлемое снижение производительности буровых работ.

Хочу сказать ещё об одном последствии такой особенности буровых штанг DW. Весной этого года известная буровая компания, эксплуатирующая JT 100, решила пропустить через пилотную скважину длиной 400 м, двойной комплект штанг, чтобы не накручивать их руками, что при затяжке гидравлическими ключами долго и трудоёмко. Дополнительная колонна длиной 400 м просушила пилотную скважину в реактивной глине, и её зажало настолько, что невозможно было провернуть расширитель 350 мм. Я порекомендовал отвернуть инструмент и немедленно спасать штанги, вытаскивать плеть с минимальным вращением, естественно понемногу подавая раствор. Для безопасного пропуска через пилотную скважину двойного комплекта штанг, необходимо использовать специальный Unit, это переходник – заглушка BOX-PIN, для DW PIN-BOX с боковыми отверстиями для подачи бентонита. Опытные буровые команды не редко заказывают JT 100, лучший буровой станок в своём классе, со штангами Fs1 D80/100.

Резьба ТD изначально не предназначена для рекордных изгибов, так как это уникальное резьбовое соединение разработано для передачи ударных нагрузок. А удар, производимый по чрезмерно изогнутой колоне штанг, затухает, так как колонна начинает пружинить и энергия удара приходится на стенки скважины.

Для использования основного преимущества станков Grundodrill – наличия удара, по величине превосходящего силу толчка, и было изобретено это резьбовое соединение. Оно имеет большую длину и направляющую цилиндрическую посадку на кончике PIN, передний угол профиля резьбы значительно меньше заднего, профиль очень плавный, с большим шагом, и самое главное, внешний кольцевой торец BOX имеет форму скруглённого конуса и расклинивается при свинчивании в ответной посадке торца замковой части PIN, образуя дополнительный упорный замок. Именно через эту зону резьбового соединения передаётся ударная нагрузка, при этом PIN остаётся ненагруженным. Он вообще находится в комфортном состоянии: надёжно зафиксирован цилиндрической посадкой спереди и упорным замком сзади.

За десятилетнюю практику не было случая поломки PIN. Штанги отбраковывались по факту уменьшения диаметра замковой части, например, на штангах TD61 непригодным считали диаметр 55 мм при первоначальном значении 61 мм.

Станки Grundodrill благодаря удару и жёстким ударным штангам рекордсмены в бурении на максимальную длину. В своей практике буровым станком Grundodrill 15Х со штангами TD61 я прошёл 600 м по тугопластичной глине с 10 %-ным содержанием доломита, а станком 20S было выполнено максимальное бурение на 800 м. На этих длинах очень сложно устанавливать пилот по часам, а изменение траектории возможно только благодаря ударной нагрузке.

Конечно, траектория, особенно начальная, должна быть максимально плавная в профиле и прямолинейная в плане. Такая специализация характерна для компаний, занимающихся прокладкой, например, оптико-волоконных линий связи, в том числе под реками, где для переходов характерна большая длина, небольшой диаметр, сложная геология. Но в городах с высокой плотностью коммуникаций, все проекты сделаны под штанги с минимальным радиусом изгиба (для скважин D=500-550мм R=33м, для скважин D=650-700мм R=50м, что соответствует штангам Vermeer).