Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Скважины-каналы для трубопроводов и других инженерных комму­никаций (без вскрытия поверхности) прокладывают как невращательны­ми способами (проколом, продавливанием, проталкиванием), так и бу­рением. Каждый из этих способов имеет свои достоинства, недостатки и свою рациональную область применения. Классификация их по прин­ципу разрушения массива и характеру приложения нагрузок приведена в табл. 13.2, а схемы образования полостей представлены на рис. 13.9.

SHAPE \* MERGEFORMAT

<4^

С

ъ_9 или

(г Т» <2

Рис. 13.9. Способы разрушения породы при формировании скважины-канала: с —радиальное уплотнение породы (прокол); б —разрушение породы продавливанием с периоди­ческим ее выносом; в — проталкивание с предварительным гидроразмывом и выносом породы; г —бурение с выносом породы; д—проталкивание и продавливание труб в устойчивых и мерзлых породах. <7 — статическое усилие (осевая нагрузка); Р— ударная нагрузка с определенной частотой У (вибратор, вибромолот, пневмоударник); л —усилие вращения инструмента; 0 — напор воды или воздуха для разрушения породы, создания ударной нагрузки и выноса продуктов разрушения из скважины

1

Принцип и способ проходки	Вид и действие прикладываемой нагрузки	Условия применения способа
Радиальное уплотнение породы (прокол): статический вибрационный ударный Принудительная разра­ботка и эвакуация породы внутри внедряемой трубы (продавливание): статическое вибрационное ударное статический прокол ударное продавливание Опережающая разработ­ка породы с сооружением скважины: проталкивание с гид­роразмывом бурение	Проходка вдавливанием трубы в породу статически приложенной силы, направленной вдоль трубы Вдавливание трубы за счет вынуж­денных колебаний и статически приложенной силы Погружение трубы в породу за счет силы ударного воздействия вибро­молота, пневмопробойника Проходка вдавливанием трубы в породу статически приложенной силы Проходка вдавливанием трубы в породу за счет вынужденных ко­лебаний и статически приложен­ной силы Погружение трубы в породу за счет ударного воздействия вибромоло­та, пневмопробойника Погружение трубы в породу за счет статически приложенной силы и ударного воздействия пневмопро­бойника Продвижение трубы по скважине, образуемой за счет размыва горной породы и транспортирования раз­рушенной породы потоком жид­кости Продвижение трубы по скважине, образуемой за счет статической силы и крутящего момента и транс­портирования разрушенной поро­ды потоком жидкости либо меха­ническими способами	Пересечение искусствен­ных препятствий: авто — и железных дорог, зданий и промышленных сооружений То же, в многолетнемерз­лых породах Вибрационный прокол; проталкивание с образо­ванием лидерной полости тепловым потоком в мно­голетнемерзлых породах; пересечение естествен­ных преград, в частности водных

Способ статического прокола породы заключается во вдавливании в породу металлической трубы, снабженной на забойной части конус­ным наконечником. Наконечник уплотняет породу в радиальном направлении, образуя вокруг продвигающейся трубы уплотненную зону,

величина радиуса которой зависит от свойств породы и диаметра наконечника.

</, мм

Рис. 13.10. Зависимость лобового сопротивления горной породы при проколе от диаметра наконечника

Поскольку при смещении и уплотне­нии породы в процессе прокола часть ее находится в области упругих деформа­ций, она обжимает трубу значительным усилием, вызывая возникновение сил тре­ния по ее боковой поверхности.

Таким образом, при проколе возни­кают два вида сопротивления пород: 1) лобовое — сопротивление породы вне­дрению в нее конусного наконечника (со­противление породы уплотнению); 2) бо­ковое — вызванное силами трения горной породы о боковую поверхность трубы.

Лобовое сопротивление (рис. 13.10) возникает с момента углубле­ния в грунт конусного наконечника, по мере внедрения которого порода уплотняется и раздается в стороны наконечником. При этом сопротивление внедрению растет. Сила лобового сопротивления в опре­деленный момент времени достигает своего максимального значения и остается постоянной в течение всей углубки (при условии, что порода однородна). Только в самом ее конце, когда конусный наконечник приближается к месту выхода на дневную поверхность, лобовое сопро­тивление уменьшается до нуля в связи с началом выпучивания грунта в месте выхода наконечника.

Боковое сопротивление (сопротивление сил трения) при статиче­ском проколе непрерывно возрастает по мере погружения трубы в по­роду и в конце углубки достигает своей максимальной величины.

Схема общих сил сопротивления горной породы проколу по мере углубки скважины-канала показана на рис. 13.11. На участке О—а

Рис. 13.11. Изменение сил сопротивления Р горной породы по длине скважины /. при статическом проколе

происходит внедрение (забуривание) конусного наконечника, сопро­вождающееся ростом и стабилизацией сил лобового сопротивления. На этом участке рост сил сопротивления породы наиболее интенсивен. После того как лобовое сопротивление стабилизировалось, увеличение сил сопротивления породы происходит только за счет возрастания сил трения породы по боковой поверхности трубы — бокового сопро­тивления. В однородной породе при постоянной величине коэффи­циента трения и постоянном удельном обжатии трубы грунтом силы бокового сопротивления растут пропорционально длине погруженной в грунт трубы (участок а — б). Для уменьшения величины бокового сопротивления необходимо ограничивать зону обжатия трубы поро­дой. Для этого забойный конусный наконечник выполняют несколь­ко большего диаметра, чем диаметр трубопровода. Это ведет к обра­зованию зазора между трубой и стенками скважины.

По мере выхода наконечника в приемный котлован сопротивле­ние породы уменьшается на величину его лобовой составляющей (участок б — в).

Способ горизонтального прокола грунтовых препятствий при по­мощи статически приложенной силы является одним из наиболее простых и давно применяемых при бестраншейной прокладке труб. С его помощью обычно сооружают скважины-каналы диаметром до 300—400 мм. Усилия создают домкратами, лебедками или тракторами посредством блочно-талевой и якорной систем или упорной стенки.

Существует значительное число различных конструкций установок для осуществления статического прокола. Однако схема производст­ва работ практически всегда неизменна и заключается в следующем. С обеих сторон прокладываемого участка, например железнодорожно­го полотна, отрывают рабочий и приемный котлованы длиной 8—13 и 2,5—4 м (рис. 13.12). Стенки рабочего котлована укрепляют, в нем размещают домкрат, направляющее устройство и укладывают звено тру­бы с наконечником. После его погружения наваривают следующее звено, продолжая эту операцию до выхода первого звена в приемный котло­ван на обратной стороне насыпи. Наращивание звеньев трубы произ­водят сваркой. При этом используют домкраты (лебедки, тали, трактор и др.), автокран, сварочный генератор. В насосно-домкратных установ­ках используют гидродомкраты с ходом штока 1150—1600 мм и нажим­ным усилием до 1700 кН. Гидравлические насосы в таких системах развивают давление до 1700 кН. Скорость углубки скважины-канала при статическом проколе составляет 6—12 м в смену. Для восприятия реактивных (отпорных) усилий в задней части котлована устраивают упорные стенки. При этом способе на вспомогательные работы (отры — тие, укрепление котлована и сооружение упоров) затрачивается боль­ше времени, чем на сам процесс прокола.

При динамическом ударном проколе на прокалывающий снаряд, кроме внешней статической силы, накладываются еще и продольные знако­переменные колебания, снижающие сопротивление трения. Создавае­мые вибратором направленные колебания вдоль оси трубы уменьшают

Рис. 13.12. Схема прокладки труб под насыпью железной дороги способом статического прокола: 1 — гидронасос домкрата; 2— автокран; 3 — трубы; 4—сварочный агрегат; 5 — гидродомкрат; 6— приемный котлован; 7—рабочий котлован; направляющие; 9 — прокалывающая труба; 10 — железнодорожная насыпь

силы бокового трения и содействуют более успешному преодолению лобового сопротивления, в результате чего скорость проходки возрас­тает в 6—8 раз, а необходимые напорные усилия снижаются в 8—10 раз по сравнению с проколом гидродомкратами. Вибрационный прокол более эффективен, чем статический, и требует меньших внешних уси­лий. Вибропрокол рекомендуется применять в песчаных, супесчаных и водонасыщенных горных породах, в которых невозможно получить устойчивую скважину и сопротивление трения проколу очень велико.

При сооружении скважины-канала способом вибрационного про­кола к основному оборудованию, применяемому для прокола, добав­ляют вибратор, встроенный в рабочую головку (наконечник) или при­соединяемый к наружному концу трубы (рис. 13.13).

Процесс вибропрокола осуществляется следующим образом. Трубу, снабженную конусным наконечником, диаметр которого превышает диаметр трубы на 15—30 мм, пропускают сквозь вибратор (имеющий сквозное центральное отверстие) так, чтобы ее наконечник уперся в пе­реднюю стенку котлована. Затем тележку с вибратором устанавливают в крайнее заднее положение и соединяют вибратор с трубой с помощью специальных зажимов. После этого установку включают и начинают проходку. Под действием напорного усилия, создаваемого лебедкой и полиспастом, и направленных колебаний труба внедряется в фунт. Когда тележка достигает переднего края рамы, лебедку и вибратор выключают,

Рис. 13.13. Схема установки для вибропрокола: / — лебедка; 2 — направляющая рама; 3— вибратор направленного действия; 4— тележка; 5—поли­спаст; 6 — прокалывающая труба

трубу освобождают, разжимая захваты, передвигают тележку в заднее положение, вновь зажимают трубу, и цикл работ вновь повторяют не­обходимое количество раз до выхода наконечника в приемный котлован.

В горных породах I—III категорий по буримости для образования горизонтальных и наклонных скважин применяют пневмопробойник конструкции Новосибирского института горного дела (рис. 13.14). С его помощью в массиве проходят скважины диаметром 45—325 мм глубиной до 40 м. Пневмопробойник самодвижущийся. Ударник в нем наносит удары по наковальне и продвигает его вперед в массив, фор­мируя скважину либо прокалывая установленной впереди трубой по­роду. Для возврата пневмопробойника к месту запуска при встрече с непреодолимым препятствием или при проходке «глухих» скважин он снабжен механизмом реверса.

К статическому продавливанию в отличие от способа прокола по­роды прибегают в случае сооружения горизонтальных скважин-каналов значительного диаметра (500 мм и выше), когда лобовое сопротивле­ние при проколе становится значительным. Кроме того, при неко­тором диаметре трубы наступает такой момент, когда зона уплотне­ния выходит за пределы свободной поверхности. Внешне это прояв-

Рис. 13.14. Схема работы пневмопробойника 48—Соловьев 753

ляется во вспучивании поверхности и образовании трещин, что не­допустимо.

Сооружение скважин способом продавливания не предусматрива­ет существенного уплотнения породы, так как торец трубы не закры­вается наконечником, а остается открытым. Основная масса породы входит внутрь трубы и лишь незначительная ее часть по кольцу под­вергается уплотнению. Для снижения сопротивления силе трения на торце трубы размещены кольца несколько большего диаметра, чем основная труба. По мере заглубления трубы масса керна внутри ее постоянно увеличивается. Под действием поступающих в трубу новых порций горной породы находящийся в ней керн уплотняется и сила трения его о внутреннюю поверхность трубы возрастает. Наступает момент, когда керн в трубе настолько уплотняется, что движение его относительно трубы прекращается и у ее открытого конца образуется пробка. Дальнейшее продвижение трубы аналогично процессу прокола. Наступает так называемый свайный эффект, во избежание которого необходимо периодически удалять керн из трубы, что требует допол­нительных трудовых затрат.

В качестве источника усилий для нагружения трубы при про- давливании используют гидравлические домкраты (типа ГД170/1150;

2— 8 шт.). Нагрузка на трубу при длине продавливания 40 м и диа­метре труб 600—800 мм достигает 1400 кН, а при увеличении его до 1620 мм повышается до 3000 кН. Принципиальная схема этого процес­са приведена на рис. 13.15.

Удаление керна из трубы во всех случаях продавливания являет­ся сложной задачей, особенно в трубопроводах малого и среднего (до 1000 мм) диаметров. Удаляют породу (керн) из трубы желонками,

Рис. 13.15. Схема прокладки труб способом статического продавливания: / — рабочий котлован; 2—упорная стенка; 3 — гидродомкрат; 4 — продавливающая труба; 5—окно для выемки керна; 6— керн; 7—насыпь

специальными транспортерами, применением гидромониторных уста­новок либо вручную при достаточном диаметре трубопровода.

Способ динамического продавливания с использованием вибрацион­ных или виброударных нагрузок применяют для снижения сопротив­ления породы внедрению трубы.

Способ вибрационного продавливания заключается в том, что под действием направленной вибрации, создаваемой одним из известных механизмов, а также статического осевого усилия полая труба (ко­лонковая) горизонтально внедряется открытым концом в грунт. Запол­няющую ее породу извлекают. Принцип вибрационного погружения использовался при вибровакуумном сооружении горизонтальных сква­жин диаметром 219—630 мм на длину 20—25 м (рис. 13.16). Продав — ливание фунта осуществлялось стальной тонкостенной колонковой трубой, которая внедрялась под действием статического усилия и направленной вибрацией. Для создания вибрации применяли элек­трические вибраторы типа И-7, С-413 и С-414, жестко присоединя­емые к трубе.

Статическое усилие создавали специальными нажимными труба­ми, передающими на колонковую трубу усилие от тяговой лебедки. Кроме того, в комплект установки входил вакуум-насос, который при продавливании поддерживал определенное разрежение во внутренней полости колонковой трубы, что обеспечивало дополнительное стати­ческое усилие.

Процесс сооружения скважины-канала этим способом протекает следующим образом. Вибровакуумную колонковую трубу с помощью лебедки и штанг прижимают открытым концом к породному массиву, и внутри нее образуется замкнутое пространство. Включают вакуум — насос, который откачивает из нее воздух. При этом атмосферное дав­ление начинает действовать на ее дно с силой, пропорциональной пло­щади данной части и степени разрежения. Одновременно с вакуумиро-

Рис. 13.16. Схема вибровакуумного сооружения скважины продавливанием: / — вакуумный насос; 2 —нажимные трубы с центраторами и электрокабелем; 3—колонковая труба с вибратором; 4 — лебедка; С0 — осевое усилие; Р— сила вакуума

ванием колонковая труба подвергается действию вибрации. Ее про­движение сопровождается образованием в ней керна, максимальная длина которого составляет 0,3—1,5 м (в зависимости от категории пород и диаметра трубы). После того как колонковая труба внедрится на полную свою длину, выключают вибратор и ее извлекают из сква­жины вместе с керном. После освобождения трубы от керна цикл повторяют.

Для бурения мерзлых горных пород применяют комбинированные способы сооружения скважин-каналов, снабженные специальными уста­новками с разрушением забоя и удалением разрушенной горной по­роды на дневную поверхность в отвал. Разрушение горной породы в существующих установках производят механическими инструмента­ми режущего, скалывающего и ударного типов. Разрушенный грунт удаляют шнеками, пневмотранспортом или желонками.

В устройствах для прокладки трубопроводов (рис. 13.17, 13.18) образование горизонтальной скважины осуществляют одновременно двумя способами: проколом горной породы в центральной части и продавливанием в периферийной.

Рис. 13.17. Пневмоударная установка для проходки скважин в мерзлых породах

1 Рис. 13.18. Наконечник с термическим нагревом: / — трубопровод для горючего; 2 —сопла; 3— камера сгорания; 4 — трубопровод для окислителя; 5~ породопровод

Устройство содержит рабочий орган и породопровод. Рабочий орган состоит из двух совмещенных основанием конусных камер. Передняя камера, обращенная в сторону пробиваемого массива, выполнена из кольцевых ножей 2, которые размещены на расходящихся из вершины конуса ребрах 11. Кольцевые ножи смещены один относительно друго­го в осевом и радиальном направлениях и образуют кольцевые щели 3. В вершине переднего конуса на ребрах размещен полый наконечник со сплошной боковой поверхностью. Между ним и первым от наконечни­ка ножом также оставлен кольцевой зазор. К основанию переднего ко­нуса своим основанием примыкает задний усеченный конус с подсо­единенным к нему породопроводом 6, по которому с помощью воз­душного потока транспортируется разрушенная порода. К основанию заднего конуса 4 присоединена своим торцом прокладываемая труба 5. Другой ее торец через жесткий элемент связан с пневмоударником 8.

Для прокладки трубопровода в массиве отрывается необходимых размеров котлован 7. Рабочий орган с первой секцией прокладывае­мого трубопровода и пневмоударником укладывают на дно котлована. При подаче сжатого воздуха пневмоударник наносит удары по жест­кому элементу, соединяющему его с трубой 5, и забивает наконечник 1 в массив. Происходит радиальное уплотнение грунта, и рабочий орган начинает внедряться в горную породу по принципу прокола. Уплот­ненная горная порода 12 затем слоями нарезается кольцевыми но­жами 2. Вырезанные слои продавливаются через кольцевые щели в по­родоприемную камеру, образуемую передним и задним конусами. Про­дольные ребра 11 разрезают слои породы на секции. Разрушение породы кольцевыми ножами и продвижение трубы происходит по принципу продавливания. Частички породы, попадающие в породо­приемную камеру, дробятся сжатым воздухом, поступающим по возду­хопроводу 9 со стороны наконечника 10, и транспортируются воздухом по трубопроводу в отвал на дневную поверхность. После заглубления в массив на длину первой секции трубы происходит ее наращивание второй секцией, затем третьей и т. д. до укладки всего трубопровода. Длина укладываемого трубопровода определяется физико-техничес — кими свойствами горной породы и мощностью используемого обору­дования, в первую очередь, компрессорной станции, генерирующей сжа-тый воздух.

На рис. 13.18 показано устройство с наконечником другого типа, которое предназначено для образования горизонтальных скважин и про­кладки трубопроводов именно в мерзлых горных породах. Внутренняя полость 3 наконечника использована для сжигания топливных смесей, т. е. служит камерой сгорания. Рабочие компоненты (окислитель и го­рючее) подводятся к полости по специальным трубопроводам 1, 4. Продукты сгорания выбрасываются из полости наконечника через соп­ла 2, которые ориентированы в направлении заднего конуса, т. е. обес­печивают перемещение разрушенной породы в направлении породо — провода 5. Раскаленные газы нагревают поверхность наконечника и при­легающую к ней мерзлую горную породу. За счет этого горная порода легче деформируется, и лобовое сопротивление продвижению нако­нечника в массиве снижается. Часть тепла от продуктов сгорания передается в массив, окружающий кольцевые ножи, и снижает сопро­тивление нарезанию кольцевых слоев.

В Казахском политехническом институте разработана установка для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций в мерзлых горных породах с разработкой мерзлого массива с помощью огне — струйно-механического бура (рис. 13.19).

В схеме установки КазПТИ использован метод воздействия на раз­рушаемую горную породу высокотемпературного сверхзвукового пото­ка продуктов сгорания, который направляется через центральное отвер­стие в наконечнике механического породоразрушающего инструмента на мерзлую горную породу и образует в ней вытянутую в направлении прокладки трубопровода полость. Отраженные от забоя высокотемпе­ратурные газы способствуют интенсивному растеплению прилегающей к механическому породоразрушающему инструменту поверхности об­разуемой в массиве скважины. Расширение лидерной полости, обра­зуемой в массиве потоком продуктов сгорания, осуществляется сту­пенчато-кольцевыми ножами, которые вырезают из массива тонкие слои оттаявшей мерзлой горной породы. При этом продукты сгорания через кольцевые щели проталкивают породу внутрь шламоприемника и далее транспортируют ее по породопроводу на дневную поверхность. Усилие на кольцевые ножи передается через прокладываемую трубу. Образование лидирующей полости перед рабочим органом и снижение

2 1 Рис. 13.19. Огнеструйно-механический бур КазПТИ: / — прокладываемая труба; 2— огнеструйный бур; 3 — ребра жесткости; 4—-кольцевые ножи; 5—высокотемпературный поток; 6 — труба с трубопроводами горючего и окислителя; 7— породопровод

сопротивления породы нарезанию кольцевых слоев по всему попереч­ному сечению образуемой скважины существенно снижает энергоем­кость процесса разрушения.

На базе огнеструйно-механического рабочего органа для разруше­ния мерзлых горных пород институтом разработана установка для бестраншейной прокладки трубопроводов и других инженерных ком­муникаций. Установка, технические характеристики которой приведе­ны ниже, включает агрегатный блок и огнеструйно-механический рабочий орган для разрушения мерзлой горной породы.

В качестве генератора высокотемпературных струй в рабочем органе использован огнеструйный бур с дожиганием топлива в потоке про­дуктов сгорания ТМД-114М с дистанционным запуском и контролем горения в камере горелки. Погружаемые в массив трубы при подго­товке установки к работе нанизывают на напорные рукава и элект­рокабель, соединяющие агрегатный блок с рабочим органом. В агре­гатном блоке размещены вспомогательные механизмы: компрессор для выработки сжатого воздуха, насос и вытеснительные емкости с горю­чим, электрогенератор и пульт управления. Для передачи механиче­ского усилия на рабочий орган в установке использована тихоходная лебедка ЛТГЗ с тяговым усилием 30 кН. Трос с барабана лебедки с помощью системы блоков пропускают под трубой, размещенной на направляющей раме, и закрепляют на ее торце со стороны лебедки. В установке предусмотрена возможность извлечения огнеструйно-ме­ханического рабочего органа из прокладываемого трубопровода на любой стадии его прокладки. Эта особенность конструкции обеспечивает ре­монт или замену рабочего органа без извлечения из массива уже про­ложенного трубопровода и заметно повышает скорость его прокладки, особенно при устройстве длинных подземных переходов (более 20—30 м).

Способ разрушения горной породы Огнеструйно-механический

Рациональная область применения. . . Многолетне — и сезонномералые высо­коабразивные горные породы (пески, супеси, суглинки и др. с содержанием твердообломочного материала до 2 %) Генератор теплового воздействия. . . Огнеструйный бур ТМД-114М

TOC o "1-5" h z Мощность бура, кВт………………….. 400

Расход горючего, кг/ч………………… 35—40

Генератор механической нагрузки.. Тяговая лебедка ЛТГ-3

Максимальная нагрузка, кН…………. 30

Механический породоразрушающий

инструмент………………………………… Кольцевые ножи

Диаметр прокладываемого трубо­провода, мм 700

Длина прокладываемого трубопро­вода, м 30

Снабжение воздухом………………….. 2 компрессора НВ-10

Горючее……………………………………. Бензин, дизтопливо

Скорость прокладки трубопровода диаметром 700 мм в мерзлых

горных породах, м/ч…………………… 5—10

Масса рабочего органа, кг………….. 350

Разработка мерзлой горной породы огнеструйно-механическим рабочим органом осуществляется без его вращения. Это позволяет придавать рабочему органу любую форму поперечного сечения: квад­ратную, треугольную и др. При этом в массиве мерзлой горной по­роды образуется полость соответствующего сечения.

При гидромеханическом способе разработку грунта перед торцом трубы осуществляют за счет гидродинамического воздействия на забой струи воды, выбрасываемой под давлением из специального сопла. Выходящая из зоны забоя пульпа перемещается к сборному приямку по кольцевому зазору, образованному вокруг трубы или ее калибрую­щего отрезка несколько большего диаметра, чем прокладываемый тру­бопровод. Вытекающая пульпа играет роль смазки и значительно умень­шает силы бокового сопротивления (трения) при проталкивании трубы. Однако гидромеханический способ имеет существенный недостаток, свя­занный с возможностью просадки полотна дороги в результате образо­вания в насыпи промоин и просадок. Поэтому метод проталкивания, основанный на размыве грунта, практически неприменим при строи­тельстве переходов под железными и шоссейными дорогами и может быть использован только при пересечении трубопроводом второсте­пенных автодорог, преимущественно местного значения.

В практике для сооружения магистральных трубопроводов диа­метром до 1720 мм и длиной до 40—60 м применяют скважины-ка­налы при вращательном бурении под насыпями шоссейных и желез­ных дорог. При вращательном бурении грунт непосредственно перед трубой (на расстоянии 50—180 мм от нее) разрабатывают механиче­ским резанием и удаляется из зоны забоя с помощью шнековых или скребковых транспортеров. Большое применение нашли шнековые бу­ровые установки ГБ-1421 и УГБ-2. Принцип их работы основан на механическом бурении и удалении грунта из забоя транспортерами с одновременным продвижением кожуха в тело насыпи. Установки пред­назначены для вращательного бурения горных пород I—IV категорий по буримости. Породы разрушаются фрезерными головками в режи­ме резания с непрерывной подачей их на забой скважины. Скорость сооружения перехода в зависимости от диаметра скважин составляет от 1,37 до 15 м/ч.

Машины этого типа состоят из силовой установки, режущей го­ловки (фрезы) и шнекового транспортера. Шнековый транспортер со­стоит из прокладываемой трубы (кожуха) и шнека, который свободно перемещается внутри кожуха, опираясь внешней поверхностью своих витков на внутреннюю поверхность трубы. Такая свободно плаваю­щая конструкция шнекового транспортера упрощает его сборку и де­монтаж. Шнек состоит из отдельных секций, каждая из которых пред­ставляет собой сварную конструкцию, состоящую из тонкостенной трубы и приваренных к ней винтовых лопастей. Длина секций состав­ляет 3—3,5 м. Шнековый транспортер является одновременно вало — проводом, который передает крутящий момент от приводного вала силовой установки к режущей головке.

Режущая головка (рис. 13.20) представ­ляет собой стальной диск (бар) с двумя — тремя секторными вырезами и крепится к головной секции шнеков. На открылках вырезов головки с помощью болтов уста­навливают в шахматном порядке режущие зубья. В центре режущей головки имеется забурник с несколькими перьями. Для по­вышения стойкости против истирания зу­бья и откидные резцы армированы пласти­нами из твердого сплава.

Рис. 13.20. Режущая головка — фреза установки горизонталь­ного бурения

Подачу патрона вместе с транспортером и режущей головкой в сторону забоя осу­ществляют тяговой лебедкой через талево­якорную систему. Регулировку скоростей вращения шнека и подачу установки в на­правлении забоя, а также подбор их раци­онального сочетания производят переклю­чением соответствующих коробок передач.

Используя этот принцип, в Ленинградском филиале СКВ «Газст- роймашина» разработали установку ГБ-1621 для прокладки кожухов диаметром 1620—1720 мм. Конструкция этой машины отличается от описанных выше тем, что подача патрона осуществляется системой из четырех гидродомкратов (с использованием упорной стенки). Умень­шение сил бокового сопротивления достигается путем подачи в голов­ную часть кожуха жировой смазки или глинистой суспензии. Одновре­менно для этой же цели предусмотрено увеличение площади разработ­ки породы забоя, диаметр которого превышает диаметр трубы-кожуха на 50—70 мм. Грунт из зоны забоя удаляют шнековым транспортером диаметром 500 мм. Указанная установка работает челночным методом: в рабочий ход включены процессы бурения и подача кожуха, а в хо­лостой отвод — закладка и приварка очередной 6—12-метровой сек­ции трубы и последующ™ монтаж внутри нее элементов лотка и шнека.

С помощью направленного бурения скважин-каналов строятся трубо­проводы через естественные и искусственные препятствия — реки, бо­лота, озера, железнодорожное полотно и дамбы, не затрагивая их.

Этот способ по сравнению с традиционным траншейным имеет неоспоримые преимущества: сокращаются в 5—10 раз сроки строи­тельства, уменьшаются затраты на обслуживание трубопровода при его эксплуатации (необходимость водолазных работ для контроля, дальней­шие дноуглубительные работы и др.). Кроме того, не требуется про­ведение берегоукрепительных работ, которые при траншейном спосо­бе составляют до 50 % стоимости перехода; строительство проводят в любое время года в любых климатических условиях. Способ осо­бенно эффективен при строительстве переходов через реки с большой скоростью течения и большой деформацией дна, при пересечении пре­грады с интенсивным судоходством и капитальными сооружениями
на берегу (предприятия, дороги, набережные). Высока точность про­ведения трассы трубопровода в соответствии с проектной за счет при­менения компьютерного сопровождения — выход скважины в конеч­ной точке трассы не более первых десятков сантиметров от планируе­мого.

Такие работы проводят уже длительное время зарубежные компа­нии. В частности, корпорация Черрингтон (Cherrington, Sacramento) с 1977 г. таким способом прокладывает трубопроводы под реками, болотами и озерами. Этой корпорацией в Пасадена (Техас) в декабре 1978 г. выполнен переход реки (построен трубопровод) длиной 550 м и диаметром 1016 мм; на острове Бетел (Калифорния) в августе 1992 г. сооружены переходы под реками Сакраменто, Сан-Хоакин и болотом Датч протяженностью 1200 м, 1160 м и 850 м (диаметр 1067 мм).

В 1994 г. в России (г. Ульяновск) создано российско-германское предприятие Вис-Мос, которое в настоящее время является ведущим предприятием в России и одним из ведущих в мире среди компаний, осуществляющих строительство переходов таким способом. В 2003— 2004 гг. построен, переход на территории Томской обл. В частности, завершено сооружение перехода диаметром 1200 мм через р. Обь про­тяженностью 1500 м.

Известно несколько технологических схем сооружения подобных переходов — проталкивание трубопровода (дюкера) вперед и, наиболее распространенный, способ обратного протаскивания.

Рассмотрим технологические процессы при бурении скважины и обратном протаскивании дюкера, которые включают следующие этапы: бурение пилот скважины по заданной траектории, в том числе с ис­пользованием промывочной колонны; прямое или обратное расшире­ние скважины; предварительный проход для укрепления ствола сква­жины; подготовка дюкера и его обратное протаскивание.

Для выполнения всех видов работ использовано оригинальное оборудование, включающее буровой станок, промывочный насос, сис­тему подготовки бурового раствора, контроля за его параметрами и систему его очистки, бурильную колонну с породоразрушающим ин­струментом (долота, расширители), турбобур, промывочную колонну с породоразрушающим инструментом, систему контроля за траекто­рией скважины, вспомогательное оборудование: силовую установку, толкатель трубы (дюкера), трейлеры, вспомогательные помещения и др.

Схема расположения оборудования буровой установки модели 60/300RM корпорации Cherrington приведена на рис. 13.21.

Буровая установка 60/300RM создает крутящий момент, равный 60 тыс. фунт-футов (81,3 кН • м) и тягово-толкающее усилие 300 тыс. фунтов (1333 кН) при скорости подачи 6,1 м/мин. Установка состоит из модулей, установленных на салазках и соединенных как электри­чески, так и гидравлически с силовым модулем, буровым станком и кабиной оператора бурения. Каретка бурового станка движется по стреле (рис. 13.22) с помощью гидравлических моторов и зубчатой рейки с шестеренчатой передачей.

Гидроциклон Резервуар 2 Вибрационная мешалка Рис. 13.21. Схема расположения оборудования буровой установки модели 60/300КМ

Гидравлические моторы каретки передают крутящий момент на забойный инструмент и позволяют лебедке либо толкать, либо тя­нуть буровую колонну или дюкер. Тиски (гидравлический зажим) установлены на переднем конце стрелы и удерживают трубные со­единения.

Силовой модуль может быть расположен по любой стороне бу­рового станка и состоит из дизельного двигателя, обеспечивающего энергией несколько гидравлических насосов, которые поддерживают гидравлическое давление и работоспособность моторов в каретке. Для управления и контроля используют низковольтное напряжение. Сило­вой модуль управляется из кабины оператора бурения в течение всего производственного процесса. Кабина оснащена автоматическим кон­диционером и снабжена окнами. Баки с дизельным топливом и гид­равлической жидкостью установлены внутри силового модуля.

Состав бурильной колонны для сооружения пилотной скважины приведен на рис. 13.23.

Порядок выбора отдельных элементов колонны заключается в сле­дующем. Предварительно отбирают пробу породы для выбора типа за­бойного инструмента. Для твердых пород требуются трехшарошечные

тгшщ

Стрела и каретка т

С*

1

іїу///жЛУ

" ОПАІЧГО Л’________ Бурильнзя

С1рела Ги^танда Салазки Бу^«ая Тиски Система анкеровки бурового станка Рис 13.22. Стрела и каретка буровой установки

Рис. 13.23. Состав инструмента для бурения пилотной скважины в мягких породах: / — бурильные трубы; 2 —кабель системы навигации; 3— немагнитные УБТ и переходники для размещения навигационного датчика; 4—«кривой» переходник; 5 — гидравлическое долото

долота и турбобур, для мягких — гидравлические долота и «кривой» переходник для изменения направления оси скважины. При измене­нии в процессе бурения характера породы забойный инструмент может быть извлечен и заменен. За долотом находится датчик направления (см. ниже — система навигации), который расположен внутри спе­циального немагнитного переходника и немагнитных УБТ и служит для проведения магнитных измерений. Буровая колонна соединяется с кареткой бурового станка через входной переходник, служащий вы­ходной точкой для кабеля, идущего от системы навигации. Бурильные грубы с изолированным кабелем системы навигации внутри наращи­ваются в процессе бурения.

При большой длине бурильной колонны и из-за изменения твер­дости горных пород силы трения увеличиваются и затраты мощности

Рис. 13.24. Устройство промывочной колонны:

/ — переходник промывочной колонны для подсоединения к каретке; 2 — бурильные трубы пилот­ной колонны; 3 — промывочные трубы; 4— коронка промывочной колонны; 5—долотопилотной

колонны

на бурение значительно возрастают. Тогда применяют так называе­мую промывочную колонну, представляющую собой колонну из труб большего диаметра, чем бурильная (рис. 13.24), снабженная корон­кой, надетой на бурильную трубу, она закрепляется в каретке и с по­мощью нее производят расширение скважины до забоя. Расширение скважины осуществляют после бурения пилотной скважины. Диаметр используемого расширителя определяется диаметром дюкера. Расши­рение ствола скважины может проводиться как в прямом, так и в об­ратном направлении (рис. 13.25).

1 2,3 4 О Рис. 13.25. Схемы прямого (а) и обратного (б) расширения скважины:

/ — бурильная труба к каретке; 2— невращающийся стабилизатор; 3 — расширитель; ‘/—пилотная бурильная труба (к выходу из скважины)

В случае прямого расширения бурильную трубу можно присоеди­нять как впереди, так и позади расширителя. Расширитель протас­кивается и поддерживает тяговое усилие с выходной стороны, пока крутящий момент и вращение прилагаются со стороны входа. Расши­ряющий хвостовик для гидромониторного бурения помещают впереди

расширителя. Он позволяет держать скважину открытой для циркуля­ции бурового раствора. Для расширения пилотной скважины до боль­шого диаметра невращающийся стабилизатор помещают позади рас­ширителя для правильного центрирования в скважине бурильной трубы. Крестообразный переходник соединяет расширитель с бурильной тру­бой. Наращивание их производят в процессе бурения поочередно. Каретка станка обеспечивает поступательно-вращательное движение бу­ровой колонне. Вертлюг, присоединенный к выходному концу буриль­ной колонны, необходим для обеспечения тягового усилия. В случае обратного расширения буровой станок тянет расширитель в направ­лении входа скважины и создает тяговое и вращательное усилие. Рас­ширители для разных по крепости горных пород имеют различное исполнение.

При установке расширителя в колонну перед протаскиваемым дю­кером преимущественно используют ступенчато-коНусные расшири­тели, снабженные твердосплавными резцами и соплами для разруше­ния породы. Компоновка бурового снаряда с расширителем приведе­на на рис. 13.26.

/ 2 3 4 5 Рис. 13.26. Установка расширителя для протаскивания дюкера: / — протаскивающая труба; 2— расширитель; 3 — трубоукладчик; 4—вертлюг; 5 —дюкер

Операцию по протаскиванию дюкера выполняют следующим об­разом. Перед протаскиванием дюкера производят расширение ствола и предварительное укрепление стенок скважины с помощью цилинд­рического расширителя (рис. 13.27).

Цилиндрический расширитель калибрует ствол скважины под диа­метр дюкера и сглаживает его неровности, образовавшиеся при преды­дущем расширении. Он снабжен резцами с обеих сторон, что позво­ляет удалить эти неровности при его протаскивании вперед и обратно.

Рис. 13.28. Дюкер длиной 800 м и диаметром 1420 мм, подготовленный к протаскиванию под водной пре­градой (1998 г., р. Панура, Краснодарский край)

Дюкер собирают на выходном конце скважины и сваривают в еди­ное целое. Для протаскивания дюкера большого диаметра используют компоновку, показанную на рис. 13.28.

Поскольку дюкер представляет собой сваренную в единое целое длинную трубу (см. рис. 13.28), то шарнирно соединенный с буриль­ной колонной оголовок позволяет компенсировать отсутствие воз­можности изгиба дюкера. Расширитель с режущей кромкой большего диаметра, чем дюкер, присоединяется впереди шарнирно закреплен­ного оголовка, обеспечивая тем самым на следующем этапе успешное протаскивание дюкера. Бурильная колонна буровым станком вытя­гивается назад и разбивается по мере протаскивания дюкера.

Для облегчения протаскивания дюкера используют специальный толкатель трубы (рис. 13.29). Он играет существенную роль при боль­шом диаметре и значительной массе дюкера, а также при длинных или сложных переходах. Толкатель состоит из двух параллельных рам, устанавливаемых на салазках (см. рис. 13.29, а). Для удержания трубы предусмотрены ролики между рамами. Толкатель заанкерован сваями большого диаметра со стороны выходного конца скважины в створе с бурильной колонной и дюкером. Дюкер помещают в центр роликов и присоединяют к оголовку на конце буровой колонны. По мере того как бурильная колонна передает через буровой станок тяговое усилие

Оголовок в сборе с ветлюгом

Расширитель

Толкатель трубы

Оголовок в сборе с ветлюгом

Трубный

1пг£м*.

Протаскивающая труба Расширитель

Заанкерованная лебедка

Зажим Лебедка

Рама

б

Рис. 13.29. Компоновка толкателя трубы: а — вид сверху, б — вид сбоку (разрез)

дюкеру, лебедка толкателя обеспечивает дополнительное толкающее усилие (до 180 тыс. кг). Оператор осуществляет контроль за процессом протаскивания дюкера с пульта управления по затратам мощности.

Бурение пилот-скважины по заданной траектории является одной из наиболее важных технологических операций. Эту работу осуществ­ляет оператор с помощью системы навигации, которая позволяет оп­ределять азимут, склонение, положение (угол) породоразрушающего инструмента (долота) и шарнирного переходника и осуществлять не­прерывный контроль траектории буримой пилотной скважины в тече­ние всего процесса бурения, она также позволяет проводить измере­ния температуры.

Система навигации состоит из зонда навигационного, компьютера и дистанционного управления. Зонд навигационный вставляют внутрь немагнитной утяжеленной бурильной трубы позади долота и регули­руемого шарнирного переходника (рис. 13.30). Кабель, присоединен­ный к зонду, проходит внутри бурильной трубы и выводится наружу через входной переходник. Далее кабель соединяют через скользящее кольцо с панелью интерфейса и компьютером. Панель интерфейса и компьютер получают, декодируют и отображают азимут, склонение, углы и температуру в реальном времени. Линия от компьютера далее идет на выносной пульт управления оператора бурением. Данные о по­ложении бурового инструмента отображаются на циферблате, а ази­мут и склонение — на жидкокристаллическом табло. В процессе бу­рения полученные данные сравнивают с проектным профилем сква­жины для оценки и корректировки трассы скважины.

Рис. 13.30. Система навигации пилот-снаряда: / — зонд навигационный; 2, 5—кабель; 3 — входной переходник; 4 — скользящее кольцо; 6— па­нель интерфейса; 7—компьютер; дисплей; 9 — немагнитная УБТ; 10— немагнитный переходник; // — регулируемый шарнирный переходник; 12— гидравлическое долото

Необходимость направленного бурения технических скважин ра­стет во всем мире в различных отраслях промышленности, включая такие сферы, как нефть и газ, телекоммуникации, водоснабжение и сточные воды, охрану окружающей среды, энергетику,— проекты океан­ских и морских прибрежных зон.

Комментарии запрещены.