Применяемые технологии при строительстве переходов под реками методом наклонно-направленного бурения (ННБ)

Наиболее сложным в реализации проектов ННБ является прокладка переходов под реками, под руслами которых геологическое строение грунтов представлено породами, в которых применение способа ННБ ограничено. Фактически это грунты способные к самообрушению (грунты с большим содержанием галечника и валунов), плывуны, вечная мерзлота и т. д.

Для совместного решения этих задач компании ООО ИПСК «НГС-ТЕМПОБУР» и ООО «ВИС-МОС» объединили свой научно-технический и производственный потенциалы, образовав консорциум «ТЕМПОБУР-ВИСМОС».

При строительстве переходов в сложных геологических условиях консорциумом был предложен и успешно реализован целый ряд технических и технологических решений, позволяющих вести строительство переходов методом ННБ в условиях, практически не предназначенных для метода ННБ.

Буровой инструмент

На основе опыта строительства переходов в неблагоприятных грунтовых условиях (грунтах 3–6 категории по буримости, в том числе галечниковых породах с включениями валунов) были испробованы разные по типу буровые инструменты и различные методы расширения скважины.

Для бурения скважин применялись буровые головки следующих видов: гидромониторные JET BIT для мягких грунтов, INCREDIBIT фирмы RAILHEAD для твердых и скальных, а также виброзабойные двигатели, типа ВЗБ, с шарошечными долотами.

Для расширения скважины применялись дисковые и шарошечные расширители разработки ВНИИБТ производства Сарапульского машиностроительного завода и зарубежные фирмы-производителя INROCK. В грунтах малой прочности при небольших диаметрах и определенных условиях применялись расширители фрезерного типа Flu Cutter.

Наиболее оптимальным является расширение скважины в несколько этапов (многоэтапное расширение) через 150–250 мм. Данный способ расширения позволяет увеличить скорость бурения, оптимизировать требования к свойствам бурового раствора. В случае износа рабочих органов инструмента не представляется большой сложности его обратного выхода на поверхность для замены вооружения.

По типу расширителей наиболее оптимальными являются одно- или двухступенчатые бочкообразные расширители. В зависимости от категории грунтов по буримости подбирается тип бочкового расширителя и его режущее вооружение. Для мягких грунтов (пески, суглинки, глины, без твердых включений) достаточно твердосплавных резцов на лобовой и тыльной стороне расширителя. Для более твердых по буримости пород необходимо применение расширителей с шарошечным вооружением и твердосплавными элементами по всей поверхности расширителя. Большое значение при этом имеет количество и расстановка шарошек и твердосплавных элементов.

Применение данных расширителей в большинстве случаев обусловлено тем, что практически на всех переходах идет чередование грунтов по прочности. Данные расширители сочетают в себе качества, приемлемые для проходки разных по категории грунтов и переходов из одного типа грунта в другой.
Также при переходе из одного типагрунта в другой и при их неоднократном чередовании большое значение имеет угол забуривания. Данный аспект следует учитывать на стадии проектирования траектории бурения.

Переходы в технологических кожухах

Так, например, при строительстве перехода через реку Ижма магистрального нефтепровода «Уса — Ухта» (ОАО «Северные МН») нами было предложено осуществить прокладку рабочего трубопровода «Ду 700» в технологическом, защитном кожухе «Ду 1000».

Данное решение было, на наш взгляд, единственным верным и реально осуществимым по целому ряду следующих причин:
  разница в высоте берегов составляла более 40 м, из чего следовало, что минимум 1/3 скважины при разработке будет оставаться сухой, мало того — этому также будут способствовать многочисленные карстовые полости;
  грунты, слагающие переход, представляли собой, доломиты разного вида и прочности, аргиллиты, известники и их включения, также включения гипса, что осложняло процесс разбуривания скважины;
  многочисленные переходы траектории скважины ННБ из разных по прочности пород также не сулили ни чего хорошего. На границе твердой и мягкой породы неизбежно при расширении скважины образуется так называемая «ступенька».

Из вышесказанного следовало, что при удачном «идеальном» расширении скважины в процессе протаскивания неизбежно возникает угроза повреждения изоляции, вплоть до повреждения металла трубопровода.

Предварительно установленный защитный «технологический» кожух без изоляции позволил сохранить изоляцию рабочего трубопровода, который монтировался в кожух на опорно-направляющих кольцах. Также появилась возможность замены рабочей трубы без бурения новой скважины. Для протаскивания трубопровода в кожух использовались фторопластовые опорно-направляющие кольца. При этом удорожание строительства перехода было незначительным.

Большое количество рек имеет в своем геологическом разрезе галечниковые породы с включениями валунов. Как правило, данные грунты слагают поверхностную часть разреза как в береговой, так и в русловой части перехода. Строительство скважины ННБ в галечниковых породах, как известно, невозможно по целому ряду причин, основной из которых является постоянное обрушение свода скважины, особенно галечниковых грунтах с малым количеством заполнителя.

Строительство переходов под такими реками возможно при проектировании траектории скважины, минуя неблагоприятные породы и опуская траекторию ниже галечниковых грунтов в слои более благоприятные для формирования скважины. Но не на всех реках это возможно. Как правило, галечниковые грунты, слагающие приповерхностные слои простираются на большое расстояние по пойме реки от существующего русла.

В данном случае, на одном из таких переходов через р. Енисей МН «Анджеро-Судженск — Красноярск» после неоднократных попыток сформировать скважину и протащить дюкер через галечниковый слой мощностью до 15 м было предложено пройти неблагоприятный слой грунта, протяженностью 110 м бурошнековой установкой с задавливанием защитного кожуха «Ду 1400 мм».

К сожалению, это не всегда может давать положительный эффект, особенно при наличии в галечниковых грунтах большого количества валунов.
Поэтому при непротяженных участ-ках галечниковых грунтов и благоприятных местных условиях нами применяется предварительная укладка открытым способом в землю трубы-кондуктора большего диаметра, чем диаметр трубопровода. Дальнейшее бурение пилотной скважины и ее расширение производится в этом случае с подачей инструмента через защитный кожух (кондуктор). В результате защитный кожух предотвращает осыпание грунтов в месте прохода скважины.

Подобные решения нами применялись при расположении дюкера при монтаже в стесненных условиях. Например, автодороги, под которыми предварительно задавливались защитные кожухи с применением установки горизонтального бурения ГБ 1721. В кожухе на роликовых опорах располагался дюкер, протаскиваемый в скважину ННБ.

Помимо вышеописанного в мировой практике существуют проекты, при которых производилось комбинированное строительство переходов методом ННБ и методом щитовой проходки. При этом для проходки определенного участка (неблагоприятные для ННБ грунты) использовался проходческий щит разборной конструкции, который затем извлекался из туннеля, освобождая проход буровому инструменту.

В настоящее время ООО ИПСК «НГС-ТЕМПОБУР» ведет технические консультации и переговоры и имеет конкретные предложения от фирмы Herrenknecht по конструированию и приобретению данного оборудования.

Совмещение способов прокладки коммуникаций методом ННБ и микротоннельной проходки откроет новые перспективы реализации бестраншейных технологий и позволит решать ранее невозможные задачи.

О буровых растворах

Весь объем работ по ННБ осуществляется на основе многокомпонентных «одномешковых» буровых растворов, опыт применения которых основным нашим партнером по консорциуму — ООО «СП «ВИС-МОС» — нарабатывался с 1993 года в тесном сотрудничестве с зарубежными предприятиями-изготовителями.
Сухая составляющая бурового раствора (на базе глинопорошка ВENTONIL HDG) приготавливается в заводских условиях предприятием-изготовителем со специальными добавками и позволяет путем изменения концентрации при смешивании с водой добиваться необходимых реологических показателей для конкретных геологических условий проходки скважины.

«Одномешковые» бентониты используются с большим успехом по всему миру и отвечают всем требованиям горизонтального бурения с большой протяженностью и большим диаметром.

В заключении несколько слов о новом буровом комплексе РD 450/150

Для строительства перехода через реку Обь магистрального нефтепровода «Усть-Балык — Нижневартовск», «Ду 1000 мм», и протяженностью 1720 м, а также других переходов диаметром 1220 и 1420 мм большой протяженностью (свыше 1 км) компанией Prime Drilling по заказу нашей совместной организации «ТЕМПОБУР — ВИС-МОС» был изготовлен уникальный в своем роде буровой комплекс с номинальным тяговым усилием 450 т и крутящим моментом до 150 кН/м.

Согласно расчетным характеристикам данная буровая установка способна при благоприятных для ННБ условиях вести строительство переходов протяженностью до 2 км и диаметром до 1420 мм.

Конструкция самой буровой установки имеет ряд принципиальных отличий от существующих типов комплексов, так, например:
  модульная конструкция (отдельно лафет и ходовая часть) позволяет производить монтаж комплекса без применения грузоподъемных машин за 1,5–2 часа. При этом буровая установка способна самостоятельно перемещаться в пределах монтажной площадки;
  тяговая каретка расположена внутри направляющих лафета, со-осно с ними. Конструкция такова, что приложение тягового усилия производиться по одной оси с направлением движения буровых штанг. При этом отсутствует изгибающий момент, действующий на каретку из-за расстояния между осями приложения усилия и осью буровых штанг.

Данные принципиальные отличия позволили снизить массу бурового комплекса при данных технических характеристиках и повысить его надежность в целом и отдельных его узлов.