Июль 2019 — gnbmarket

Необхідно акцентувати увагу, що при роботі збірними розширювачами необхідно налаштовувати форсунки. На Barrel необхідно поставити заглушки замість задніх форсунок, а також заглушити частина форсунок на передньому конусі, розташованих ближче до центру, так як його завдання підвищити плинність шламу, для кращого його витіснення, забезпечити центрування йдущого слідом Fly Cutter і при цьому не створювати надмірного опору на обертання. На ребрах Fly Cutter повинні бути відкриті форсунки, розташовані на двох найближчих рядах до циліндричної ріжучої частини (на розширювачах діаметром понад 800 мм - три ряди форсунок). Саме в цій зоні забою здійснюється зрізка і розробка ґрунту, тому саме тут повинні бути встановлені форсунки максимального діаметра, і так само відкрито кілька задніх форсунок.

Налаштування форсунок дозволяє в рази підвищити швидкість проходки, зменшити крутний момент і, отже, знос інструменту, а також заощадити бурові матеріали. Взагалі, будь-який розширювач вимагає настройки форсунок під конкретний буровий верстат, з певним крутним моментом і продуктивністю бентонітової насоса високого тиску. Вихідними характеристиками є потрібний тиск розчину в розширнику (на піску це 5-15 bar, на глині - 30-50 bar) і кількість подаваного розчину на одиницю об'єму зрізаного ґрунту. Діаметр, кількість і розташування форсунок залежить від геології, продуктивності насоса і можливості верстата розвивати ту чи іншу швидкість проходки.

Розглянемо наступний тип бурового інструменту - ущільнювальні розширювачі. Вони діляться на три групи Kodiak і  All Terrain, Compact, Barrel. Розширювачі Kodiak і All Terrain є набором збільшующихся пластин зварених між собою. Завдяки цьому можна зібрати розширювач з будь-якими пропорціями довжина / діаметр. Розширювач характеризується великими поздовжніми виїмками для проходу шламу, а хвостова частина Kodiak є три ексцентрика, які відмінно ущільнюють і загладжують стінки свердловини, крім того, навіть при втраті всіх зубців такий розширювач здатний побудувати свердловину, завдяки ексцентрикам і високої міцності тіла, як розкатник грунту. Але є і суттєві недоліки. Для забезпечення міцності збірної конструкції, через все тіло проходить труба, буровий розчин потрапляє всередину розширювача через бічні отвори в трубі. І таким чином створюється внутрішня закрита порожнина, в якій накопичується різне сміття і тверді включення, що блокують роботу форсунок. При запуску розширювача, що знаходиться під негативним кутом до горизонту всі форсунки працюють, так як сміття зосереджене в передній частині розширювача. Але коли розширювач заходить в горизонтальну частину свердловини, тверді включення розподіляються по всьому об'єму і закупорюють форсунки. Тому ці розширювачі вимагають регулярного чищення внутрішньої порожнини шляхом розтину задньої торцевої стінки. Першим симптомом необхідності чищення розширювача є збільшення тиску розчину при розширенні між початковою і горизонтальною ділянкою. Ще одним обмеженням до застосування є висока питома вага расширювачів цього типу. Kodiak і All Terrain діаметром понад 600 мм при роботі в піску і суглинках починають, як і FlyCutter, «просаджувати» свердловину вниз, роблять її перетин еліпсоїдним. Щоб стабілізувати такий важкий розширювач з невеликою площею циліндричної поверхні, щодо осі свердловини шляхом натяжки його на забій, потрібен значний крутний момент через його «агресивну» форму і значну вагу. Наприклад, для діаметра 800 мм - не менше 30 кНм.

Розширювачі типу Compact мають яскраво виражену конічну форму і спіральні поздовжні виїмки для проходу шламу, які знижують крутний момент. Вони широко поширені, так як серійно випускаються і рекомендовані для застосування на бурових комплексах Vermeer і Ditch Witch. Ці розширювачі мають наступні переваги по відношенню до Kodiak і AllTerrain. Повністю випорожнюються, досить підняти його за вертлюг, що б залишки бурового розчину разом зі сміттям покинули ваш розширювач. Мають на 30% меншу питома вага, завдяки чому на верстатах з обертовим моментом 15-18 кНм можливо використовувати Compact діаметром до 900 мм. Добре центруються в свердловині, формують передбачувану траєкторію співвісну з пілотною свердловиною. Але є і недоліки. За спіральних виїмок розширювач пропускає через себе велику фракцію твердих включень, яка в подальшому випадає в осад, зменшуючи прохідний перетин свердловини. Тіло розширювача сильно зношується в проміжках між зубцями. Сильному зносу схильна і потилична частина конуса, так як на відносно невелику за площею частину розширювача у вигляді вузької смуги доводиться високе навантаження. Саме цією зоною - краєм конуса, розширювач ущільнює свердловину. Дуже часто при ремонті даних розширювачів, допускається груба помилка - на зношену потиличну частину приварюють зубці. Локально розташовані зубці не здатні захистити цю зону від зносу, але найгірше, що такий «модифікований» розширювач перестає ущільнювати і загладжувати свердловину. Крім того при обертанні на місці він просаджується, викопує приямок всередині свердловини, це відбувається на кожній штанзі. Результатом найпростішої помилки може бути не тільки багаторазове збільшення потрібного зусилля на протягування труби в нестійку свердловину, але і втрата її разом з інструментом, якщо потужності верстата на протяжку труби не вистачить.

А чи є розширювачі, у яких відсутні недоліки, які можна визнати універсальними, за гарантований, передбачуваний результат при їх застосуванні? Так є. Це «грушоподібні» розширювачі (Pear typ), які характеризуються наявністю хвостової циліндричної частини, і плавним переходом з направляючого конуса на калібруючу циліндричну частину. Така оптимальна форма кулі, дозволяє плавно, з невеликим крутним моментом, розробляти грунт, ущільнювати і загладжувати свердловину. Таку форму болванки можна виготовити тільки технологією лиття, завдяки чому виходить монолітне міцне тіло, з невеликою товщиною, близько 20 мм. Це дає найменшу в своєму класі питому вага і, відповідно, мінімальне вертикальне навантаження на ґрунт. У поєднанні з великою площею циліндричної частини, такими розширювачами будують самопливні трубопроводи по слабких ґрунтах, тобто можна гарантувати, що свердловина не буде мати просідання, і буде співвісна пілотної свердловині по всій довжині. Такі розширювачі до 2008 р випускала німецька компанія Tracto Technik - діаметром від 160 до 900 мм. Вони зажадали єдину невелику модернізацію: на циліндричній частині замість ребер були наварені пластини у вигляді трьох загладжуючих ексцентриків, які як кельми штукатура ідеально формують свердловину. Шлам, що пройшов через такий розширювач не містить великих включень, так як вони або стираються між масивом грунту і циліндричної частиною розширювача, або вдавлюються в стінки свердловини ексцентриками.

Ці розширювачі мають ще один важливий елемент, що дозволяє зменшити крутний момент, підвищити швидкість подрібнення грунту, і перемішування його з буровим розчином. Це спіралі, які проходять через все тіло і закінчуються на циліндричній частині під кутом 45 град. в проекції до осі. Вони є ескалаторами грунту, відводять його із зони забою. При цьому тверді включення перекочуються спіралями і стираються об стінки свердловини, а не потрапляють в виїмки і не проскакують по ним за розширювач. Крім того, спіралі створюють «сорочку» навколо решти тіла розширювача, заповненою рідким шламом, завдяки чому тіло не зношується. Цей момент важливий для розуміння фізичних процесів, що відбуваються в свердловині. Якщо прибрати спіралі, то все тіло розширювача братиме участь в стиранні грунту як жорно, при цьому почне рости тиск, потрібний на прохід шламу навколо розширювача, тому що грушоподібне тіло почне виконувати роль пробки, яку вкручують в грунт. А тертя тим більше, чим більша площа бере участь в русі поверхонь. А що ж роблять зубці в цей момент? Зубці виконують два завдання, руйнують тверді включення, і виробляють початкове перемішування грунту з розчином.

Тому спіралі різко зменшують площу абразивного контакту з грунтом, вигрібають грунт із зони забою, створюють сорочку навколо розширювача, по якій з невеликим опором транспортується рідка фракція шламу. Спіралі і ексцентрики завжди зношуються, і вимагають постійного ремонту, як і заміна зубців, але його не можна порівняти з відновленням всього тіла розширювача. Перевагу цього типу розширювачів підтверджують рекордні переходи.

Тематика запобігання аварій в ГНБ, не може не торкнутися бурового інструменту. Саме на цьому полі росте найбільша кількість аварійних ситуацій, причина яких - використання розширювачів, непридатних для будівництва свердловини в даних геологічних умовах. Основним завданням технології ГНБ є не затягування труби, як це не здасться дивним, а саме будівництво свердловини! Затягування труби в добре побудовану свердловину, є передбачуваною тривіальної операцією. А ось якщо ви свердловину не побудували, то, щоб ви не робили в процесі затягування труби, результатом буде аварія.

Перш ніж приступити до класифікації розширювачів, опису їх властивостей, обмежень до застосування і переваг, визначимо, що таке свердловина, і сформуємо вимоги до неї.

За великим рахунком, свердловиною є стійке вироблення грунту. Визначення найпростіше, але ключовим словом є поняття «стійке». За рахунок чого забезпечується стійкість горизонтального вироблення грунту? По-перше, за рахунок круглого перетину, що має несучий звід, що розподіляє навантаження від верхнього масиву грунту на бічні стінки. По-друге, за рахунок заповнення всього обсягу вироблення шламом, який зсередини надає на стінки свердловини гідростатичний тиск. Тепер на основі цих нескладних висновків, можна сформувати вимоги до горизонтальної свердловини, затягування труби в яку зажадає мінімального зусилля.

Свердловина повинна бути круглого перетину, перетин у вигляді еліпса зменшує стійкість свердловини, тим сильніше, чим більше витягнуть еліпс.

Стінки свердловини повинні бути ущільнені, для забезпечення однорідності зводу, відсутність тріщин і збільшення модуля зчеплення частинок грунту.

Шлам, що заповнює свердловину повинен бути рухомим (текучим), однорідним, (відсутність не перемішаних шарів грунту), тверда фракція не повинна випадати в осад при переміщенні шламу по свердловині (ідеально 20-30 мм максимум).

Стінки повинні бути запрасовані, для зменшення опору на просування шламу по свердловині. При збільшенні тиску відбувається розрив і найбільш рухлива фракція шламу виривається на поверхню, а важка фракція ущільнюється і закупорює свердловину.

Ось свердловини повинна мати плавну лекальну траєкторію, в профілі неприпустимі будь-які сходи.

На основі цих вимог до свердловини можна обґрунтовано, а не голослівно, описати переваги і області застосування всіх типів розширювачів. Почнемо з особливостей «зрізуючих» розширювачів - одних з найбільш поширених з огляду на низьку ціну. Це Fly Сutter і «бобровий хвіст». Розширювачі типу «бобровий хвіст» різних модифікацій, завдяки різноспрямованим пластинам, по суті є «міксером» для грунту. Якість перемішування грунту з буровим розчином, ущільнення стінок свердловини і стабільність щодо осі пілотної свердловини залежить від швидкості обертання. Цей тип розширювачів відмінно працює на бурових верстатах з високими (від 150 об / хв) оборотами шпинделя (наприклад, Ditch Witch) і не використовується на машинах з низькими обертами. Обмеженням до застосування є грунти з наявністю твердих включень, діаметром відповідним діаметру свердловини і більше (так як через відсутність бічних поверхонь «боброві хвости» віджимаються, обходять перешкоди, зменшуючи прохідний перетин свердловини), а так само грунти з низькою несучою здатністю. На мій погляд, граничним діаметром для цього типу розширювачів є значення 500 мм, тобто ви можете мати в своєму арсеналі два подібних розширювача діаметром 300 і 500 мм. При цьому потрібно дуже уважно оцінювати параметри буріння при розширенні 500 мм. Якщо ви змушені були перейти на знижені обороти, якщо бобровий хвіст "закушувало» по трасі з зупинкою обертання, то свердловина перед затягуванням вимагає додаткового калібрування. Неприпустимим є повторна проходка «бобровим хвостом» по слабких грунтах.

Треба розуміти, що ці розширювачі центруються тільки за рахунок оборотів і натяжки на зону вибою, і при повторній проходці розбивають лоток свердловини, роблять свердловину еліпсовою. Є ще одне обмеження, пов'язане з затягуванням труби цим типом розширювачів. При великих вигинах траєкторії буріння розширювач, навантажений трубою, активно зрізає грунт на вигинах, спрямляючи траєкторію. Це збільшує тиск, потрібний для витіснення додаткового обсягу грунту, і створює небезпеку пошкодження прилеглих комунікацій. Висновок, областю застосування цього типу розширювачів є перше, максимум друге розширення, переважно по глинистих ґрунтах, де ці розширювачі найкращим чином розщеплюють глину до однорідного рідкого стану. І в цьому випадку вони мають незаперечну перевагу за швидкістю проходки і якості шламу, в порівнянні з будь-якими іншими типами розширювачів.

Рімери Fly Cutter розрізняються кутом нахилу несучих ребер. Fly Cutter з розташуванням ребер під прямим кутом переважно використовуються у великому бурінні, як при одиночному розширенні, так і при розширенні двома і більше розширниками в збірці. Це пояснюється більш високою зносостійкістю Fly Cutter у вигляді «відкритого колеса». Справа в тому, що ріжучі зубці, розташовані на передній кромці циліндра, виступають щодо зубців, розташованих на ребрах, і впливають на масив грунту по одній кругової траєкторії, ефективно пропилюючи його, нарізаючи свого роду «стакан». Тим самим, послаблюючи масив грунту, і зубців на ребрах потрібно лише розламати його на частини, що б грунт пройшов через розширювач. А Fly Cutter з нахилом ребер змушений впливати на всю площу вибою, розробляючи його зубцями на ребрах - зубці й ребра швидко зношуються. І якщо буровий розчин подається не через ребра в зону вибою, а через ствол розширювача всередину циліндра, то такий розширювач є разовим, і призначений для коротких переходів по суглинках. Але по відношенню до «відкритого колеса» він має можливість центруватися в свердловині, і багато бурових команд, що спеціалізуються на невеликих переходах під дорогами використовують саме цей недорогий інструмент. Вони навіть і не підозрюють, що «пятнадцатитонним» верстатом можна «тягати п'ятисотку» довжиною 250 м.

По суті, даний вид інструменту свердловину не формує, а є просто культиватором, придатним для попередньої розробки грунту, і технологія ГНБ перетворюється в технологію по запрессовці труби у вологий розпушений грунт.

Дуже часто на верстатах «максі» і «мега» використовується прийом, коли попереднє розширення швидко виробляється за допомогою Fly Сutter, після цього формується свердловина із застосуванням Barrel, і за ним же затягується труба. При цьому лінійка Fly Cutter повинна мати певний крок збільшення діаметра. Наприклад, перший 400 мм, другий 600 мм, третій 900 мм, далі - 1350 мм. Це необхідно тому, що при проходженні Fly Cutter НЕ центрується в свердловині: штанги лягають в лоток і грунт розробляється вниз від лотка на половину діаметра інструмента. Якщо послідовно по свердловині «прогнати» FlyCutter діаметром 400, 600, 800, 1000 мм, то вже після третього розширення перетин свердловини буде у вигляді «матрьошки», а після четвертого розширення така нестійка свердловина, як правило, руйнується і всередину падають пласти грунту. Подальша чистка та калібрування c допомогою Barrel проходить в кілька разів довше і не призводить до відновлення круглої форми свердловини, так як зруйнований масив грунту відновити неможливо. Подальша затягування труби характеризується великим зусиллям і високим крутним моментом. Але навіть якщо дотримуватися розмірність Fly Cutter при розширенні, то цей прийом таїть серйозну небезпеку отримати аварію. Це відбувається при бурeніі грунтових пластів різної щільності. Fly Cutter, як говорилося вище, не центруються щодо осі пілотного буріння, і при проходженні під невеликими кутами, кордону грунтових пластів різної щільності і несучої здатності, різко змінює траєкторію і «засікає» свердловину. Подальше калібрування за допомогою стандартного Barrel не може виправити «віляючу» свердловину і в результаті отримуємо затиснену трубу. Тому для гарантованого, передбачуваного співвісного розширення Fly Cutter в одиночній проходці використовуються тільки по пілотної свердловині, а далі використовуються в парі з направляючим Barrel. Наприклад, якщо перше розширення виконується Fly Cutter 450 мм, то на друге розширення ставиться Barrel 400 мм в парі Fly Cutter 650мм, на третє - Barrel 600 мм в парі з Fly Cutter 870 мм, на четверте - Barrel 800 мм в парі з Fly Cutter 1080 мм, і т.д. Після цього виконується чистка, калібрування і ущільнення свердловини, в даному випадку за допомогою Barrel 1000 мм, і за ним же затягується труба. Як бачимо, для великого буріння обов'язковим є наявність лінійки обох типів розширювачів, і вони повинні строго відповідати один одному по діаметру, інакше це призведе до критичного зносу Barrel, що є наслідком високого крутящего моменту і низький швидкості проходки.

Необхідно акцентувати увагу, що при роботі збірками розширювачів необхідно налаштовувати форсунки. На Barrel необхідно поставити заглушки замість задніх форсунок, а також заглушити частину форсунок на передньому конусі, розташованих ближче до центру, так як його завдання підвищити плинність шламу, для кращого його витіснення, забезпечити центрування ідущого слідом Fly Cutter і при цьому не створювати надмірного опору на обертання. На ребрах Fly Cutter повинні бути відкриті форсунки, розташовані на двох найближчих рядах до циліндричної ріжучої частини (на розширниках діаметром понад 800 мм - три ряди форсунок). Саме в цій зоні забою здійснюється зрізка і розробка грунту, тому саме тут повинні бути встановлені форсунки максимального діаметра, а так само відкрито кілька задніх форсунок. Налаштування форсунок дозволяє в рази підвищити швидкість проходки, зменшити крутний момент і, отже, знос інструменту, а також заощадити бурові матеріали. Взагалі, будь-який розширювач вимагає настройки форсунок під конкретний буровий верстат, з певним крутящим моментом і продуктивністю бентонітового насоса високого тиску. Вихідними характеристиками є потрібний тиск розчину в розширнику (на піску це 5-15 bar, на глині - 30-50 bar) і кількість подаваного розчину на одиницю об'єму зрізаного грунту. Діаметр, кількість і розташування форсунок залежить від геології, продуктивності насоса і можливості верстата розвивати ту чи іншу швидкість проходки.