Инструмент для безаварийного строительства. Часть1

Продолжение тематики предотвращения аварий в ГНБ, затронутой в статье «Секреты буровых штанг», не может не коснуться бурового инструмента. Именно на этом поле произрастает наибольшее количество аварийных ситуаций, причина которых – использование расширителей, непригодных для строительства скважины в данных геологических условиях. Основной задачей технологии ГНБ является не затяжка трубы, как это не покажется странным, а именно строительство скважины! Затяжка трубы в хорошо построенную скважину, является предсказуемой тривиальной операцией. А вот если вы скважину не построили, то, чтобы вы не предпринимали в процессе затяжки трубы, результатом будет авария.

Прежде чем приступить к классификации расширителей, описанию их свойств, ограничений к применению и преимуществ, определим, что такое скважина, и сформируем требования к ней.

По большому счету, скважиной является устойчивая выработка грунта. Определение простейшее, но ключевым словом является понятие «устойчивая». За счёт чего обеспечивается устойчивость горизонтальной выработки грунта? Во-первых, за счёт круглого сечения, имеющего несущий свод, распределяющий нагрузку от верхнего массива грунта на боковые стенки. Во-вторых, за счёт заполнения всего объёма выработки шламом, который изнутри оказывает на стенки скважины гидростатическое давление. Теперь на основе этих несложных заключений, можно сформировать требования к горизонтальной скважине, затяжка трубы в которую потребует минимального усилия.

Скважина должна быть круглого сечения, сечение в виде эллипса уменьшает устойчивость скважины, тем сильнее, чем более вытянут эллипс.

Стенки скважины должны быть уплотнены, для обеспечения однородности свода, отсутствия трещин и увеличения модуля сцепления частиц грунта.

Шлам, заполняющий скважину должен быть подвижным (текучим), однородным, (отсутствие не перемешанных пластов грунта), твёрдая фракция не должна выпадать в осадок при перемещении шлама по скважине (идеально 20-30 мм максимум).

Стенки должны быть заглажены, для уменьшения сопротивления на продвижение шлама по скважине. При увеличении давления происходит разрыв и наиболее подвижная фракция шлама вырывается на поверхность, а тяжёлая фракция уплотняется и закупоривает скважину.

Ось скважины должна иметь плавную лекальную траекторию, в профиле недопустимы любые ступеньки.

На основе этих требований к скважине можно обоснованно, а не голословно, описать преимущества и области применения всех типов расширителей. Начнём с особенностей «срезающих» расширителей – одних из самых распространённых ввиду низкой цены. Это Fly Сutter и «бобровый хвост». Расширители типа «бобровый хвост» различных модификаций, благодаря разнонаправленным пластинам, по сути являются «миксером» для грунта. Качество перемешивания грунта с буровым раствором, уплотнение стенок скважины и стабильность относительно оси пилотной скважины зависит от скорости вращения. Этот тип расширителей отлично работает на буровых станках с высокими (от 150 об /мин) оборотами шпинделя (например, Ditch Witch) и не используется на «низкооборотистых» машинах. Ограничением к применению являются грунты с наличием твёрдых включений, диаметром соответствующим диаметру скважины и более ( так как из-за отсутствия боковых поверхностей «бобровые хвосты» отжимаются, обходят препятствия, уменьшая проходное сечение скважины), а так же грунты с низкой несущей способностью. На мой взгляд, предельным диаметром для этого типа расширителей является значение 500 мм, то есть вы можете иметь в своём арсенале два подобных расширителя диаметром 300 и 500 мм. При этом нужно очень внимательно оценивать параметры бурения при расширении 500 мм. Если вы вынуждены были перейти на пониженные обороты, если бобровый хвост «закусывало» по трассе с остановкой вращения, то скважина перед затяжкой требует дополнительной калибровки. Недопустимым является повторная проходка «бобровым хвостом» по слабым грунтам.

Надо понимать, что эти расширители центрируются только за счет оборотов и натяжки на зону забоя, и при повторной проходке разрабатывают лоток скважины, делают скважину эллипсовидной. Есть ещё одно ограничение, связанное с затяжкой трубы этим типом расширителей. При больших изгибах траектории бурения расширитель, нагруженный трубой, активно срезает грунт на изгибах, спрямляя траекторию. Это увеличивает давление, потребное для вытеснения дополнительного объёма грунта, и создаёт опасность повреждения близлежащих коммуникаций. Вывод, областью применения этого типа расширителей является первое, максимум второе расширение, преимущественно по глинистым грунтам, где эти расширители наилучшим образом расщепляют глину до однородного жидкого состояния. И в этом случае они имеют неоспоримое преимущество по скорости проходки и качеству шлама, по сравнению с любыми другими типами расширителей.

Римеры Fly Cutter различаются углом наклона несущих рёбер. Fly Cutter с расположением рёбер под прямым углом преимущественно используются в большом бурении, как при одиночном расширении, так и при расширении двумя и более расширителями в сборке. Это объясняется более высокой износостойкостью Fly Cutter в виде «открытого колеса». Дело в том, что режущие зубцы, расположенные на передней кромке цилиндра, выступают относительно зубцов, расположенных на рёбрах, и воздействуют на массив грунта по одной круговой траектории, эффективно пропиливая его, нарезая своего рода «стакан». Тем самым, ослабляя массив грунта, и зубцам на ребрах требуется лишь разломить его на части, что бы грунт прошёл через расширитель. А Fly Cutter с наклоном рёбер вынужден воздействовать на всю площадь забоя, разрабатывая его зубцами на рёбрах – зубцы и рёбра быстро изнашиваются. И если буровой раствор подается не через рёбра в зону забоя, а через ствол расширителя внутрь цилиндра, то такой расширитель является разовым, и предназначен для коротких переходов по суглинкам. Но по отношению к «открытому колесу» он имеет возможность центрироваться в скважине, и многие буровые команды, специализирующиеся на небольших переходах под дорогами используют именно этот недорогой инструмент. Они даже и не подозревают, что «пятнадцатитонным» станком можно «таскать пятисотку» длиной 250 м.

По сути, данный вид инструмента скважину не формирует, и является просто культиватором, пригодным для предварительной разработки грунта, и технология ГНБ превращается в технологию по запрессовыванию трубы во влажный разрыхлённый грунт.

Очень часто на станках «макси» и «мега» используется приём, когда предварительное расширение быстро производится с помощью Fly Сutter, после этого формируется скважина с применением Barrel, и за ним же затягивается труба. При этом линейка Fly Cutter должна иметь определённый шаг увеличения диаметра. Например, первый 400 мм, второй 600 мм, третий 900 мм, далее – 1350 мм. Это необходимо потому, что при проходке Fly Cutter не центрируется в скважине: штанги ложатся в лоток и грунт разрабатывается вниз от лотка на половину диаметра инструмента. Если последовательно по скважине «прогнать» FlyCutter диаметром 400, 600, 800, 1000 мм, то уже после третьего расширения сечение скважины будет в виде «матрёшки», а после четвёртого расширения такая неустойчивая скважина, как правило, разрушается и внутрь падают пласты грунта. Дальнейшая чистка и калибровка c помощью Barrel проходит в несколько раз дольше и не приводит к восстановлению круглой формы скважины, так как разрушенный массив грунта восстановить невозможно. Последующая затяжка трубы характеризуется большим усилием и высоким крутящим моментом. Но даже если соблюдать размерность Fly Cutter при расширении, то этот приём таит серьёзную опасность получить аварию. Это происходит при бурeнии грунтовых пластов разной плотности. Fly Cutter, как говорилось выше, не центрируются относительно оси пилотного бурения, и при прохождении под небольшими углами, границы грунтовых пластов разной плотности и несущей способности, резко меняет траекторию и «засекает» скважину. Последующая калибровка с помощью стандартного Barrel не может исправить «вильнувшую» скважину и в результате получаем защемлённую трубу. Поэтому для гарантированного, предсказуемого соосного расширения Fly Cutter в одиночной проходке используются только по пилотной скважине, а далее используются в паре с направляющим Barrel. Например, если первое расширение выполняется Fly Cutter 450 мм, то на второе расширение ставится Barrel 400 мм в паре Fly Cutter 650мм, на третье – Barrel 600 мм в паре с Fly Cutter 870 мм, на четвёртое – Barrel 800 мм в паре с Fly Cutter 1080 мм, и т.д. После этого выполняется чистка, калибровка и уплотнение скважины, в данном случае с помощью Barrel 1000 мм, и за ним же затягивается труба. Как видим, для большого бурения обязательным является наличие линейки обоих типов расширителей, и они должны строго соответствовать друг другу по диаметру, иначе это приведёт к критическому износу Barrel, что является последствием высокого потребного момента и низкой скорости проходки.

Необходимо акцентировать внимание, что при работе сборками расширителей необходимо настраивать форсунки. На Barrel необходимо поставить заглушки вместо задних форсунок, а так же заглушить часть форсунок на переднем конусе, расположенных ближе к центру, так как его задача повысить текучесть шлама, для лучшего его вытеснения, обеспечить центровку идущему следом Fly Cutter и при этом не создавать чрезмерного сопротивления на вращение. На ребрах Fly Cutter должны быть открыты форсунки, расположенные на двух ближайших рядах к цилиндрической режущей части (на расширителях диаметром более 800 мм – три ряда форсунок). Именно в этой зоне забоя осуществляется срезка и разработка грунта, поэтому именно здесь должны быть установлены форсунки максимального диаметра, а так же открыто несколько задних форсунок. Настройка форсунок позволяет в разы повысить скорость проходки, уменьшить потребный крутящий момент и, следовательно, износ инструмента, а также сэкономить буровые материалы. Вообще, любой расширитель требует настройки форсунок под конкретный буровой станок, с определённым крутящим моментом и производительностью бентонитового насоса высокого давления. Исходными характеристиками являются потребное давление раствора в расширителе (на песке это 5-15 bar, на глине – 30-50 bar) и количество подаваемого раствора на единицу объёма срезаемого грунта. Диаметр, количество и расположение форсунок зависит от геологии, производительности насоса и возможности станка развивать ту или иную скорость проходки.