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.
