Новые горизонты горизонтально-направленного бурения: влияние инновационного технического решения на устойчивость и точность работ в сложных грунтовых условиях

Введение

Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) на сегодняшний день является одной из ключевых технологий бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки, при пересечении автомобильных и железнодорожных путей, а также при строительстве переходов под водными преградами. Современные буровые установки, навигационные системы и программные средства планирования траектории позволяют достигать высокой точности пилотного бурения даже на переходах значительной протяжённости.

В то же время накопленный производственный опыт показывает, что стабильность геометрии скважины в значительной степени определяется не только качеством пилотного бурения, но и характеристиками оборудования, применяемого на последующих технологических этапах прежде всего при расширении скважины. Именно на этом этапе в сложных геологических условиях формируются основные риски отклонения от проектной траектории, увеличения нагрузок на буровую колонну и снижения общей эффективности процесса ГНБ.

ООО «Аквапромстрой» выполняет работы методом ГНБ преимущественно в южных регионах Российской Федерации, где геологический разрез, как правило, характеризуется выраженной неоднородностью. Типичными являются следующие условия:

• переслаивание мягких и плотных грунтов (глины, супеси, пески);
• наличие карбонатных пород (известняк, мергель) различной прочности;
• включения абразивных песчано-гравийных материалов;
• зоны повышенной липкости глин, вызывающие налипание бурового раствора и рост сопротивления.

В подобных условиях при расширении скважины возникает неравномерное распределение усилий по длине расширителя. При прохождении границ между слоями различной плотности формируются боковые нагрузки, приводящие к изгибу буровых штанг и смещению оси расширяемой скважины относительно пилотной.

Анализ производственных данных за 2022-2023 годы показал, что при длине переходов свыше 150 м в сложных грунтовых условиях превышение допустимых отклонений геометрии скважины на этапе расширения фиксировалось в 34% случаев. Это, в свою очередь, приводило к необходимости корректирующих операций, снижению темпов бурения и росту себестоимости проектов.

Большинство расширителей, применяемых при ГНБ, имеют схожие конструктивные решения: последовательное расположение режущих и стабилизирующих элементов, что обуславливает значительную продольную длину инструмента. В условиях прямолинейных участков это не является критичным, однако при прохождении криволинейных участков трассы такие расширители демонстрируют ряд недостатков.

Увеличенная длина инструмента приводит к росту изгибающих моментов на буровой колонне, снижает маневренность расширителя и усиливает влияние боковых нагрузок при неоднородном сопротивлении породы. В результате даже при корректно выполненном пилотном бурении на этапе расширения возможно смещение оси скважины, особенно в зонах с резкой сменой литологического состава.

Осознавая системный характер обозначенных проблем, в 2023 году руководство ООО «Аквапромстрой» инициировало поиск альтернативных технических решений, способных повысить устойчивость процесса расширения скважин при ГНБ в сложных геологических условиях.

В рамках отраслевой конференции по бестраншейным технологиям была представлена разработка компании ООО «Глобал Трейд» под руководством Мельникова Михаила Александровича. Представленная технология для расширения скважин при ГНБ принципиально отличалась от традиционных решений за счёт компактной архитектуры инструмента и применения поворотных тангенциальных резцов.

Первичный анализ конструкции показал, что технические решения, заложенные в разработке ООО «Глобал Трейд», направлены именно на снижение боковых нагрузок и стабилизацию инструмента при работе в переслаивающихся и неоднородных грунтах, что представляло практический интерес для компании.

Расширитель, разработанный в рамках технологии, выполнен на основе центрального вала, вокруг которого симметрично размещены все функциональные элементы. Такое конструктивное решение позволило существенно сократить продольную длину инструмента по сравнению с традиционными расширителями аналогичного диаметра.

Сокращение длины расширителя приводит к уменьшению плеча приложения боковых сил и, как следствие, к снижению изгибающих нагрузок на буровую колонну. Это особенно важно при прохождении криволинейных участков трассы, где устойчивость инструмента напрямую влияет на сохранение геометрии скважины.

Ключевым элементом конструкции являются поворотные тангенциальные резцы, установленные как на основном корпусе, так и на откидных элементах. При контакте с породой резцы свободно вращаются вокруг собственной оси, что обеспечивает:

• равномерное разрушение грунта независимо от его плотности;
• снижение вероятности заклинивания при встрече с карбонатными включениями;
• стабилизацию крутящего момента на буровой установке.

Откидные элементы с резцами выполняют дополнительную центрующую функцию, снижая риск смещения расширителя в сторону менее плотного грунта. Данное решение является одним из ключевых элементов технологии, отличающим разработку ООО «Глобал Трейд» от традиционных расширителей.

Пилотное внедрение технологии, было выполнено в I квартале 2024 года при прокладке водопровода диаметром 400 мм методом ГНБ на участке протяжённостью 220 м. Геологические условия характеризовались переслаиванием глин, известняка и плотного мергеля типичным набором осложняющих факторов для региона.

При выполнении работ особое внимание уделялось контролю параметров бурения на этапе расширения: осевому усилию, крутящему моменту и скорости вращения. Компактная конструкция расширителя позволила использовать более стабильные режимы работы без резких колебаний нагрузок.

По итогам пилотного проекта отклонение оси расширенной скважины не превысило 150 мм по всей длине перехода, что существенно ниже предельно допустимых значений. Время выполнения этапа расширения сократилось на 28% по сравнению с аналогичными объектами, выполненными с применением стандартных расширителей.

В период с апреля 2024 года по январь 2026 года технология, реализованная в оборудовании ООО «Глобал Трейд», применялась при выполнении 12 проектов общей протяжённостью более 2,8 км.

Сравнительный анализ показал следующие результаты:

• среднее отклонение оси расширенной скважины снизилось с 380 мм до 120 мм (–68%);
• в проектах повышенной сложности отклонение не превышало 0,18 м против 0,52 м ранее;
• скорость расширения в глинистых грунтах увеличилась с 12,5 до 16,8 м/смену;
• в грунтах с карбонатными включениями – с 8,2 до 11,7 м/смену;
• срок службы режущих элементов увеличился в среднем на 35%;
• удельные энергозатраты на метр проходки сократились на 18%.

Отдельно следует отметить, что за весь период применения технологии не было зафиксировано ни одного случая критического отклонения геометрии скважины, требующего повторного бурения.

Экономический эффект от внедрения технологии проявился за счёт сокращения сроков выполнения работ, снижения износа оборудования и минимизации технологических рисков. Прямая экономия на одном типовом проекте ГНБ (диаметр 300–500 мм, длина 150–250 м) составила от 480 до 750 тыс. рублей.

Дополнительным преимуществом стала возможность выполнения работ в более сжатые сроки, что в ряде случаев позволило компании получить бонусные выплаты за досрочное завершение проектов.

Заключение

Опыт ООО «Аквапромстрой» подтверждает, что устойчивость процесса расширения является одним из ключевых факторов надёжности технологии горизонтально-направленного бурения в сложных геологических условиях. Применение компактных расширителей с поворотными тангенциальными резцами, реализованных в разработанных технологиях ООО «Глобал Трейд», позволило существенно повысить точность, производительность и экономическую эффективность работ.

Дальнейшее развитие сотрудничества с разработчиком и адаптация технологии к переходам большего диаметра и протяжённости рассматриваются компанией как перспективное направление повышения технологического уровня и конкурентоспособности.