1. СОСТОЯНИЕ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН При БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКЕ Подземных КОММУНИКАЦИИ

Увеличение объемов работ по реконструкции и расширению действующих и строительству новых промышленных предприятий обуславливает растущую потребность горнодобывающей промышленности и строительства в горизонтальных скважинах различного диаметра, протяженности и назначения /1,2/.

Большой размах строительства магистральных и промысловых трубопроводов большого диаметра, а также городского строительства потребует в ближайшие годы прокладки сотен тысяч километров подземных коммуникаций различного назначения /3/.Технология прокладки подземных коммуникаций бестраншейным способом характеризуется трудоемкостью и опасными условиями труда /4/.

Специфичность эксплуатации подобного проходческого оборудования в различных климатических и стесненных условиях предъявляет к нему требования по надежности, эффективности, мобильности, транспортабельности, механизации процесса удаления грунта из скважины и со дна рабочего приямка.

1. Область применения горизонтальных скважин, способы и оборудование для их проведения.

В горном деле горизонтальные скважины используются для предварительного увлажнения массива, дегазации, вентиляции, водоотлива, прокладки коммуникаций, перемещения людей, грузов и др. Иногда путем бурения горизонтальных скважин производится выемка полезного ископаемого при ведении проходческих и очистных работ, возможно использование горизонтальных скважин в качестве нарезных выработок, например, при разработке тонких пластов скреперостругами /5/. Имеются сведения /6/ об использовании горизонтальных скважин при проведении горноспасательных работ.

В строительстве горизонтальные скважины находят широкое применение при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций под автомобильными и железными дорогами, городскими улицами и существующими коммуникациями.

Необходимость проходки горизонтальных скважин различного назначения, диаметра и протяженности в породах с разнообразными физико-механическими свойствами, возникающая при ведении горных и строительных работ, обуславливает существование ряда методов образования горизонтальных скважин. Наиболее распространенными из них являются: прокол, продавливание, проталкивание, горизонтальное бурение.

Способ бурения горизонтальных скважин путем механического разрушения забоя и удаления продуктов разрушения шнековым буровым ставом реализован в целом ряде машин, созданных у нас в стране и за рубежом. К ним относятся установки "Ричмонд", УГБ-2, УГБ-4, УГБ-5, ГБ-1421> ГБ-1621, установки конструкции трестов "Уралсиб-трансстрой", "Оргтехстрой", Главкубасстроя, Кузбасского политехнического института. Это один из наиболее механизированных способов проходки горизонтальных скважин диаметром до 1,72 м. Совмещение процессов разрушения забоя, удаление продуктов разрушения, а иногда и крепления скважин позволяют достигать высоких скоростей проходки.

Такое оборудование позволяет проходить скважины практически любых диаметров, требующихся в промышленности в широком диапазоне пород. Бурение горизонтальных скважин путем механического разрушения забоя и удаления продуктов разрушения шнековым буровым ставом является наиболее универсальным и перспективным, с точки зрения широкого применения в промышленности.

Бурошнековые машины; несмотря на высокую энерговооруженность, уступают установкам горизонтального бурения с цикличным удалением продуктов бурения по максимальной длине буримых скважин (таблица 1.2).

Таблица 1.2.

Технические характеристики машин и оборудования для бестраншейной прокладки труб.

Марка машины	Длина трубы,мм	Длина прокладки, м	Осевое усилие, кН	Средство очистки трубы	Средняя скорость			мощность привода, кВт
					техническая, м/ч	эксплуатационная, м/смену
УВБ-1	1420 1020	100	2	Заборник УВБ-1	-	-	22
ПМ 800-1400	820 1420	120	320	Совок	1-3	6-10	24
УГБ-5	630-720 920-1020	60	80	Шнек	-	15-25	75
ГБ-1421	1220 1420	50	80	Шнек	-	До 20	75
ГБ-1422	1220 1420	60	200	Шнек	-	15-25	100
ГБ-1621	1720	60	7000	Шнек	2-3	10-12	49

Мощность вращателя бурошнековой машины ограничивает длину бурения. Это обусловлено тем, что по мере углубления скважин растет мощность, необходимая для преодоления сопротивления вращению шнекового бурового става.

Для расширения технологических возможностей бурошнековых машин в направлении увеличения длины бурения необходимо, в первую очередь, исследовать работу шнекового бурового става с целью повышения эффективности всего рабочего процесса.

2. Существующие способы проведения и технологические схемы бурения горизонтальных скважин

Проведение горизонтальных скважин методом бурения включает разработку массива пород вращающимся и поступательно перемещающимся разрушающим органом и непрерывное (шнеком) или цикличное (совком, желонкой) удаление горной массы из скважины. Наиболее перспективным является шнековый способ транспортирования продуктов разрушения. Метод горизонтального бурения скважин является наиболее универсальным, позволяющим осуществлять проходку в породах с различными физико-механическими свойствами в широком диапазоне диаметров с достаточно высокой производительностью. В зависимости от вида используемого бурошнекового оборудования, а также места и характера приложения нагрузок различают несколько технологических схем бурения горизонтальных скважин (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Технологические схемы бурения горизонтальных скважин:

а – на полный диаметр; б – расширение прямым ходом; в,г – расширение обратным ходом: с двумя подающими механизмами (в), с одним подающим механизмом (г).

2. Классификация машин и инструмента для бурошнекового способа проведения горизонтальных скважин.

В зависимости от параметров сооружаемого подземного перехода, а именно: длины перехода и возможных, по условиям местности, размеров рабочего и приемного котлованов, бурошнековые установки следует подразделять на установки для бурения на полную длину перехода и для посекционного бурения в стесненных условиях.

По количеству подающих механизмов бурошнековые установки следует подразделять на установки с одним механизмом подачи, осуществляющим все операции при бурении прямым ходом и при разбуривании обратным ходом, и с несколькими механизмами подачи, одни из которых участвует в бурении пионерной скважины, и размещены вместе с установкой в рабочем котловане, а другие проталкивают кожух большого диаметра вслед за расширителем и размещены в приемном котловане. Такой комплект оборудования описан в работе /29/.

По способу удаления выбуриваемого грунта от транспортирующего шнекового бурового става различают бурошнековые установки со встроенными средствами для удаления грунта, например, метателями или овальными лопастями, и с дополнительными устройствами для удаления грунта, например, ковшовыми экскаваторами и шнековыми перегружателями, которые позволяют производить выгрузку выбуриваемого грунта со дна рабочего котлована на его бровку или в транспортное средство.

По схеме работы бурошнековые установки подразделяются на перемещающиеся со скоростью прокладки трубопроводов при бурении, на стационарные или неподвижные в процессе бурения, и на комбинированные или полустационарные. Первый тип бурошнековых установок эксплуатируется в навешенном на прокладываемую трубу состоянии и поддерживается при бурении кранами-трубоукладчиками /29,30,31/ или специальными опорами. У второго типа бурошнековых установок движущимися частями являются шпиндели /32,33,34/ или полые роторы. У третьего типа бурошнековых установок имеется неподвижная постельная рама большой длины /35/, по которой с определенным ходом по циклам бурения может перемещаться несущая рама бурошнековой установки.

По типу привода бурошнековые установки следует подразделять на установки с электроприводом, с приводом от двигателей внутреннего сгорания, с гидроприводом и с комбинированным приводом. Выбор типа привода следует производить в зависимости от предполагаемого места эксплуатации. В случае эксплуатации бурошнековых установок в местах со значительным удалением от точек электроснабжения, целесообразно установки комплектовать приводами от двигателей внутреннего сгорания. В случае бурения в обводненных местах целесообразно для основных буровых движений- вращения шнековой колонки и подачи ее на забой - применять гидродвигатели, как это известно из работ зарубежных специалистов /1,36/.

Комплект базового бурошнекового оборудования включает в себя следующие основные узлы и элементы: рабочие органы прямого хода идя бурения пионерных скважин, расширители обратного хода для достижения требуемого диаметра подземного перехода, шнековый буровой став одного бурового типоразмера, обсадные трубы или защитные кожухи, буровые замки и другие присоединительные элементы.

Шнековый буровой став является связующим звеном между рабочими органами прямого хода или расширителями обратного хода и шнекобуровой установкой. Конструктивно он выполняется из секций определенной длины и диаметра, которые стыкуются между собой в процессе наращивания через различные буровые замки.

Основным транспортирующим элементом в шнековом буровом ставе является шнековая спираль, которая в зависимости от категории транспортируемого материала может быть сплошной, ленточной, фасонной и лопастной /37,38,39/.

По типу рабочего режима шнековые буровые ставы можно подразделить на реверсивные и нереверсивные, а по способу транспортирования - на шнековые ставы с простым, только шнековым транспортированием и комбинированными способами транспортирования.

По способу взаимодействия со стенками скважин или с обсадными трубами-кожухами шнековые буровые ставы можно подразделить на безопорные, т.е. свободноплавающие, и имеющие опорные элементы, размещенные либо на шнековых спиралях /42/, либо на буровом валу /43/.

Все узлы бурового оборудования, а также секции шнекового бурового става стыкуются друг с другом посредством соединительных элементов, которые могут быть выполнены в виде: клиновых буровых замков, податливых буровых замков и якорно-прицепных устройств различного назначения.

Шнековый буровой став при бестраншейной прокладке трубопроводов может быть размещен внутри обсадной трубы-кожуха, которая в зависимости от горно-геологических условий перехода может быть выполнена либо цельной, сразу на всю длину перехода, либо секционно-свариваемой или стыкуемой-инвентарной /44/.

2.2 Конструкций рабочих органов для бурения пионерных горизонтальных скважин.

Рабочий орган прямого хода в машинах двухэтапного бурения горизонтальных скважин - основное звено, задающее требуемое направление проходки скважины и прогнозирующее общий успех технологического процесса.

По форме создаваемого забоя рабочие органы и расширители пряного хода разделяются на плоские, конические и ступенчатые /60/.

Расширители с плоской формой забоя используются на добычных, проходческих бурошнековых машинах, а также на машинах горизонтального бурения для проведения подземных коммуникационных скважин .

Ступенчатые расширители образуют на забое концентрические щели, венные одна относительно другой вдоль оси расширителя. По энергомеханическим показателям они значительно отличаются от плоских целевых, но имеют лучшие условия скола межщелевых целиков.

Для бурения по углю применяются режуще-скалывающие резцовые расширители, образующие забой ступенчато-конической формы. Наличие двух плоскостей обнажения на каждом уровне благоприятно сказывается на режиме разрушения.

На машинах горизонтального бурения для бестраншейной прокладки трубопроводов применяются корончатые, дисковые, кольцевые, ножевые и комбинированные рабочие органы.

На рис. 2.5 представлен буровой став по авторскому свидетельству № 517696 /81,82/ для машины горизонтального бурения, который позволяет улучшить направленность бурения, что в практике бурения осуществляется при шарошечном органе и безшнековом буровом ставе, и состоит из бурового вала I, к которому прикреплена направляющая игла 5 и элементы бурового замка II. В головной части бурового става размещены режу-Ие головки, которые состоят из граней 3 и 7, жестко соединенных между собой в двугранный угол с ребром 8, и имеющих режущие кромки 4 и 6, и прикреплены к наружной поверхности бурового вала шарнирно-поворотным соединением 12. Вслед за режущими коронками по винтовой линии с определенным шагом по наружной поверхности бурового вала жестко укреплены грани 2 и 9, жестко соединенные между собой и образуя ребро 10 двугранного угла, и расположены симметрично относительно продольной оси вращения винтового транспортера. К наружным краям граней приварены полки 13.

Рис. 2.5. Буровой инструмент для реверсивного бурения горизонтальных пионерных скважин.

Работа бурового става для машин горизонтального бурения осуществляется следующим образом. Вращательные и поступательные движения передаются направляющей игле 5 и режущим головкам головной части бурового става, через буровой вал I и элементы бурового замка И. В зависимости от направления вращения забой скважины разрабатывается или гранями 3 с режущими кромками 4, или гранями 7 с режущими кромками 6. При этом благодаря шарнирно-поворотному соединению 12 двугранный угол с гранями 3 и 7 и ребром 8 поворачивается на некоторый угол относительно оси, параллельной ребру, а одна из граней своей режущей кромкой разрабатывает забой скважины, а другая отстает от него на некотором расстоянии.

При изменении направлений вращений происходит разворот двугранного угла режущей головки, и грани меняют свое положение относительно забоя скважины. Разрушенный режущими кромками 4 или б грунт выталкивается гранями 3 или 7 и подхватывается гранями 2 или 9 двугранного угла с ребром 10 винтового транспортера. При этом грунт передается от одной грани к другой и движется в направлении к устью скважины независимо от направления вращения.

Подбирая оптимальный режим бурения для каждого конкретного случая и оптимальный режим реверсирования направления вращения бурового става можно значительно улучшить направленность бурения горизонтальных скважин.

Рис. 2.6 Расширитель прямого хода для бурения горизонтальной пионерной скважины по совмещенной технологии.

Расширитель прямого хода (рис. 2.6) содержит лучевой корпус I, впериферийных линиях резания которых в конических отверстиях установлены резцы 2 типа РК-8Б, а в остальных линиях резания в пазах с помощью винтов закреплены резцы 3 типа И-90С. Корпус расширителя прикреплен к валу 4. К забойной части ступицы корпуса расширителя приварена втулка 5, которая обеспечивает центрирование забурника 6. Забурник соединен с валом трапециевидной резьбой и прижимает ступицу корпуса к втулке 7, к наружной поверхности которой приварена винтовая лопасть 8. Вал 4 размещен в подшипниковом опорном узле 9 с возможностью передачи крутящего момента на втулку 7. Подшипниковый опорный узел состоит из стакана 10, двух упорных II и двух радиальных подшипников 12 и двух крышек 13. , Узел крепится к колонне обсадных труб 17 посредством лап 18. На валу имеется отверстие 14 для кольцевого соединения с секцией шнекового бурового става 16. Для подачи воды в рабочую зону к обсадной колонне труб прикреплена трубка-канал 15.

При бурении осевое усилие подачи инструмента на забой осуществляется от машины через колонну обсадных труб 17, лапы 18, подшипниковый опорный узел 9, вал 4 к корпусу I, резцам 2,3 и забурнику 6. Крутящий момент корпусу I передается от машины через шнековый буровой став 16, вал 4. Вместе с валом 4 вращение получает втулка 7 с шнековой лопастью 8. Забурник с лучевым корпусом Разрушает забой горизонтальной скважины, а шнековая лопасть на втулке 7 перегружает продукты разрушения из призабойной зоны в зону работы шнекового бурового става 16 через лапы 18, стакан 10. Разрыв шнековой спирали в зоне расположения забойного опорного подшипникового узла колеблется в диапазоне 55-120 мм. Наличие короткой шнековой лопасти 8 на втулке 7 и дополнительная подача жидкости по трубке 15 позволяет предотвратить заштыбовку или залипание опорного узла.

Таким образом, обеспечивая заданное направление бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, расширители прямого хода должны осуществлять производительное разрушение забоев с широким спектром физико-механических свойств горных пород и грунтов и содержать сменные породоразрушающие элементы в виде ножей, гребенок, резцов, шарошек и их комбинаций. Рациональное сочетание конструкций и геометрических параметров разрушаемых забоев обеспечит эффективное осуществление процессов бурения горизонтальных скважин в целом.