Метод ГНБ – следим за работой инструмента

В развитых странах Запада 95% объёма работ по прокладке и реконструкции подземных инженерных коммуникаций проводится бестраншейным методом. Это снижает затраты, по сравнению с прежними технологиями, на 10-40%. Мы пока сильно отстаём от них, хотя буквально жизненно заинтересованы в распространении прогрессивного метода. В России более 300 тысяч километров систем водоснабжения отслужили нормативный срок, а свыше 82,5 тысячи километров требуют аварийной замены. Учитывая реальную экономическую ситуацию, выполнение этого объёма работ в короткие сроки траншейными методами совершенно невозможно.

Сменные детали в установках ГНБ

Породо-разрушающий инструмент, участвующий в бурении скважин, работает в исключительно сложных условиях: динамические и статические нагрузки, высокая температура, абразивная среда, коррозионная активность, сложность отслеживания текущего состояния инструмента в скважине на фоне прикладываемых к нему высоких удельных мощностей, бесконтрольный перегрев и катастрофический износ режущих пластин рабочего инструмента.

Бурильный инструмент установок ГНБ делится на несколько основных групп. Во-первых, это гидромониторные долота. С помощью этих долот прокладываются пилотные скважины, бурение которых предшествует прокладке основных. Гидромониторные долота имеют длину 300-1000 мм и Ø 40-200 мм.

В мягких и рыхлых грунтах используются долота с промывочными насадками диаметром от 1 до 10 мм. Для выдерживания направления бурения труба долота либо только направляющая насадка изготавливаются со скосом под небольшим углом. В грунтах средней плотности и твёрдости используются шарошечные долота с гидромониторными насадками, а при бурении в твёрдых породах применяют твёрдосплавный буровой инструмент.

Зонд-излучатель, находящийся внутри буровой головки, позволяет постоянно контролировать глубину, угол наклона, направление бурения. Передовой бур, т. н. пионер, имеет сменные насадки и буровые лопатки, которые облегчают как регулирование угла бурения, так и сам процесс бурения.

Рынок предлагает буровые головки различных диаметров и модификаций, в зависимости от класса и модели установки ГНБ. Буровые лопатки, как правило, сменные, т. к. для различных грунтов применяются различные виды лопаток. Несмотря на то, что лопатки изготавливаются из высококачественной стали, подвергаются закаливанию и упрочнению – это самый быстроизнашивающийся элемент установок ГНБ. В утверждённых Правительством Москвы «Городских строительных нормах» (МГСН) прописано следующее: буровые штанги рассчитаны на 1 год эксплуатации, одна буровая головка – на 6 месяцев, расширители и амортизаторы должны отработать не менее 4 месяцев, и лопатки или ножи рассчитаны не более чем на 3 месяца эксплуатации. Связано это, естественно, с большим давлением и вышеперечисленными нагрузками, возникающими при бурении.

На следующем этапе бурения, при расширении скважины, используется группа инструментов, называемых расширителями.

В мягких грунтах применяются расширители цилиндрического типа с насадками. Для более твёрдых грунтов разработаны однозубые фрезы, а также расширители с т. н. летучими резцами. Летучие резцы – это режущие кольца, соединённые с центральной трубой тремя и более распорками-спицами. На режущем кольце, а также на распорках, могут быть закреплены специальные насадки-лезвия и плоские долота. Долота являются, с одной стороны, механической защитой лезвий, а с другой – с их помощью осуществляется выемка грунта, высвобождающегося при расширении пилотной скважины.

В скальных породах и других твёрдых формациях грунта используются раздвижные буровые расширители, режущей частью которых являются твёрдосплавные шарошки, смонтированные на центральной бурильной трубе. Функции очистки шарошек от налипающего грунта, а также транспортировку бурового шлама к выходу из скважины обеспечивает буровая жидкость, подаваемая в скважину струйными насадками, закреплёнными на расширителях.

Для выдерживания значительных усилий, возникающих при расширении скважин, расширители ГНБ имеют жёсткую конструкцию, а также укомплектованы твёрдыми лезвиями-насадками, ресурс которых во многом зависит от правильного выбора диаметра расширения пилотной скважины.

Буровые головки, расширители, бурильные лопатки и буровые штанги относят к расходным материалам в установках ГНБ, т. е. к наиболее быстроизнашивающимся элементам.

Буровая коронка – как продлить ей жизнь?

Современный рынок предлагает большой выбор буровых головок и расширителей различного качества и ассортимента. Определяясь с приобретением инструмента, необходимо проанализировать свойства и состав грунтов, с которыми придётся «иметь дело». Причём нужно учитывать, что порой скальные породы могут располагаться на незначительной глубине, и визуально их присутствие не обнаруживается.

Перед началом каждого бурения необходимо осмотреть коронку, чтобы убедиться в отсутствии трещин и мест выкрашивания на поверхностях твёрдосплавных пластин, а также проверить, не завальцованы ли промывочные отверстия и правильно ли заточена коронка.

От качества заточки коронок зависит их эксплуатационный ресурс. При заточке коронку закрепляют на столе заточного станка и абразивными кругами из карбида кремния зелёного (КЗ) или алмазными кругами (АС) осуществляют заточку пластин. Выбор того или иного круга зависит от требований к качеству поверхности инструмента, возможности обработки твёрдосплавной пластины, стоимости операции заточки. При заточке кругами КЗ можно получить 7-8 классы чистоты. В некоторых случаях отдельные поверхности инструмента должны иметь 9 класс чистоты. Поэтому абразивные круги КЗ применяют при предварительной заточке, а алмазные – при окончательной заточке и доводке.

На неавтоматизированном оборудовании заточка твёрдого сплава кругом КЗ выполняется без охлаждения, поэтому необходимо контролировать, чтобы лезвие пластины в месте контакта с кругом не перегревалось. При заточке на специализированном станке для охлаждения в зону контакта круга и инструмента подаётся водный раствор нитрата натрия.

Линейные размеры и геометрию лезвий до и после заточки обязательно проверяют с помощью специальных шаблонов. Подобные шаблоны позволяют более точно установить параметры износа и качество заточки. Например, заточка крестовых коронок производится абразивными кругами, заправленными под углом 132о, а долотчатые коронки затачиваются кругами плоского (ПП) или чашечного (ЧП) профилей. Для поддержания качества заточки, выдерживания соответствующих углов, поверхности резания самих абразивных кругов должны регулярно заправляться.

При бурении рабочая поверхность пластин, изнашиваясь, изменяет первоначальную форму, это приводит к снижению эксплуатационных показателей бурового инструмента. Аномальный износ и образование на рабочей поверхности долот кольцевых канавок приводит инструмент в нерабочее состояние.

Износ пластин, как впрочем, и любого другого материала, пропорционален нагрузке и обратно пропорционален твёрдости. Следовательно, при одинаковой твёрдости однородного материала неравномерный износ режущей кромки может вызывать только переменная нагрузка. Поэтому в процессе бурения оператор может много сделать для сохранения инструмента, даже избегая переменных нагрузок.

Высокая скорость бурения создаёт дополнительные нагрузки, особенно на резцы, которые первыми встречаются с грунтом. Кроме быстрого износа, неправильно выбранная скорость может вызвать поломку резцов. Нахождение поломанных фрагментов резцов в скважине крайне нежелательно. Они могут препятствовать вращению буровой штанги, увеличивая тем самым крутящий момент машины.

Оператор должен всегда помнить, что бурение в скальных породах происходит значительно медленнее, чем в мягких грунтах. Надо всегда это учитывать, т. к. желание быстрее выполнить работу в твёрдых грунтах порой выливается в длительный простой.

Расход промывочной жидкости должен быть не менее 15-20 л/мин. Чем более твёрдые породы подвергаются бурению, тем более интенсивная промывка должна осуществляться.

При износе лезвий коронок их не рекомендуется продолжать эксплуатировать, а необходимо заменить новыми. Износ лезвий буровых коронок разделяют на фронтальный и диаметральный. В первом случае ширина площадки притупления допускается не более 2,5 мм на расстоянии до 5 мм от периферии пластины. При диаметральном износе максимальная высота участка, на котором образовалась обратная конусность, не должна превышать 6 мм.
Кроме всего прочего, надо иметь в виду, что твёрдосплавные лезвия коронок очень «боятся» ударов металлическими предметами, и в этом отношении нужно действовать особенно аккуратно.

Буровые штанги – важнейшие детали бурильного комплекса

Все современные установки для замены трубопроводов статическим способом работают по одному принципу и по одинаковой технологии. Основное различие – конструкция штанг. В качестве буровых штанг используются бесшовные цельнотянутые стальные трубы. Буровая колонна, собираемая из буровых штанг, является одним из основных элементов в процессе бурения.

Буровая колонна испытывает значительные нагрузки, поскольку передаёт крутящий момент и осевое давление от буровой установки на скважинный породоразрушающий инструмент, а также тяговое усилие к расширителю и протягиваемому трубопроводу.

Проблемы от поломки штанг в грунте огромны. Достать повреждённые штанги сложно и дорого, да и не всегда возможно. Кроме того, извлечение связано с простоем. А это прямые убытки. Поэтому, во-первых, категорически запрещается превышать допустимый изгиб радиуса штанг. Во-вторых, используя штанги не из комплекта бурильной установки, необходимо обращать особое внимание на скорость бурения и нагрузку, поскольку превышение допустимого крутящего момента или осевого усилия может ослабить металл штанги вплоть до поломки.

И ещё. Буровые штанги подвергаются интенсивному износу за счёт трения, особенно при бурении в твёрдых породах, поэтому перед работой их необходимо осматривать внешне, а лучше проводить инструментальный (ультразвуковой, испытательный и т. д.) контроль и отбраковывать те, которые имеют нарушения геометрической формы, дефекты металла и видимый на глаз сильный износ.

Буровые штанги соединены между собой. Обычно это замки с конической резьбой, в которых резьба защищена специальной смазкой для высоконагруженных соединений. Недостатком резьбового соединения является износ при частом сворачивании-разворачивании.

Существуют и другие конструкции соединений. В статических установках компании Grundoburst применяются штанги с быстроразъёмным соединением Quicklock, не имеющим резьбового соединения. Они просто вставляются одна в другую, обеспечивая надёжное равнопрочное и простое сборно-разборное соединение. К тому же, благодаря подвижности соединения Quicklock, буровая колонна приобретает большую маневренность, чем при резьбовом соединении. Так, при операциях замены трубопроводов, буровая колонна с соединениями Quicklock легко проходит небольшие, примерно до 2°, повороты трубопровода.

Промывочная жидкость не только промывает

Износ рабочей поверхности бурового инструмента – сложный процесс, зависящий от многих факторов, в т. ч. от характеристик инструментальных материалов, свойств горных пород, в которых прокладывается скважина, от особенностей конструкции бурового инструмента, эффективности очистки породоразрушающих элементов и промывки скважины. Чем эффективнее удаляется из скважины вся порода, образующаяся при бурении, тем меньше вероятность переизмельчения шлама, а значит и уменьшается износ бурильных труб и бурильных головок.

К функциям бурового раствора относится удаление шлама из скважины в отстойник. Эффективность удаления зависит от характеристик раствора, а также от скорости циркуляции раствора между бурильной трубой и стенками скважины. Причём, кроме снижения износа инструмента, промывка скважин – важный резерв повышения скорости бурения, особенно в мягких и средних породах. Опытные данные, полученные при бурении, показывают, что в результате увеличения скорости подачи жидкости из насадок гидромониторных долот с 40-70 до 100-110 м/с при бурении в мягких породах повышалась скорость проходки на 50-100%, а в породах средней твёрдости – на 30-80%.

Одними из главных факторов, наносящими вред бурильному инструменту, являются абразивный и коррозионный износы. Коррозия оборудования и бурильного инструмента, в частности, стимулируется действием кислорода из воздуха и солей, находящихся в промывочной жидкости. Абразивный же износ инструмента происходит за счёт действия твёрдых частиц, попадающих в промывочную жидкость в процессе бурения и на стадии приготовления. Действие коррозии и абразивного износа вызывает разрушение металла, ведёт к поломкам и авариям. Крайне важно снижать коррозионную активность жидкости добавлением ингибиторов коррозии, а также регулярно очищать промывочную жидкость при выходе на поверхность от твёрдых абразивных частиц.

Ещё одним положительным качеством буровой жидкости является возможность повысить стойкость бурильных труб, снизить затраты мощности на вращение колонны бурильных труб, уменьшить потери напора при циркуляции и увеличить, в итоге, механическую скорость проходки. Всё это достигается введением в состав буровой жидкости специальных органических или комбинированных добавок, которые образуют эмульсию со смазывающими свойствами, снижающими коэффициент трения.

В заключение надо заметить, что порой ещё на стадии проектирования трассы бурения, при расчётах радиусов изгиба, углов входа и выхода, длины участков и заглублений, закладываются технологические проблемы, проявляющиеся в вынужденном отклонении от проектной трассы, обрушении скважин, в ускоренном износе инструмента и даже в его потере. Поэтому, видимо, наиболее успешны в этом перспективном бизнесе те организации, которые тщательно подходят и к мероприятиям по снижению износа инструмента, и к глубокой проработке предстоящих работ в целом.

Николай Днепров