Использование буровых растворов в горизонтально-направленном бурении при строительстве подземных трубопроводов

1. Введение

Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) широко применяется при прокладке трубопроводов под водными преградами, автомобильными и железными дорогами, а также в городских условиях, где традиционные открытые методы строительства инженерных коммуникаций экономически невыгодны или экологически недопустимы. Буровые растворы играют важную роль в этом процессе, выполняя функции:

• Стабилизации стенок скважины,
• Охлаждения и смазки бурового инструмента,
• Транспортировки шлама на поверхность,
• Снижение трения при протягивании трубопровода.

2. Цель исследования

Выяснить какие компоненты для изготовления буровых растворов применяются на данный момент. Какие инструменты и оборудование используются для оценки качественных характеристик буровых растворов. Оценка их эффективности с учетом геологических условий и экологических требований.

3. Материалы и методы исследований

3.1. Буровой раствор, используемый в технологии горизонтально-направленного бурения, представляет из себя водную основу (как правило исправленную при помощи кальцинированной соды, для придания нужных показателей по жесткости и кислотности), а также бентонитовую глину. Бентонит бывает кальциевый и натриевый, последний считается более высококачественным, хотя и существуют способы так называемой активации кальциевого бентонита, он тем не менее остается менее приемлемой основой для бурового раствора.

Также в последние годы на рынке стали появляться так называемые, заменители бентонита. Они представляют из себя полимерные добавки, как в жидком виде, так и виде порошков и гранул.

3.2. Для приготовления бурового раствора на основе бентонита используют различные полимерные добавки, такие как ксантан (загуститель, является продуктом жизнедеятельности бактерий Xanthomonas Campestris), полиамидная целлюлоза, PHPA (ингибитор активности глиняных частиц). В целом применение того или иного компонента обусловлено типом грунта, в котором предстоит построить скважину, от этого и отталкиваются при выборе состава бурового раствора.

3.3. Готовый буровой раствор обладает различными характеристиками, которые можно измерить и проконтролировать при помощи различных измерительных приборов. Самый простой и доступный это «Вискозиметр Марша», представляет из себя кружку и воронку. В воронку заливают буровой раствор и засекают время, за сколько секунд тот вытечет в объеме 946 мл, через узкое откалиброванное отверстие. Чем больше секунд, тем более вязкий раствор получился. Нормальные значения: для воды при 20°С – около 26 сек., для ГНБ-раствора – 35–60 сек.

Так же используют более продвинутые инструменты: ротационный вискозиметр, фильтр-пресс, весы для определения плотности. Для определения качества воды используют pH-метр или лакмусовые полоски, титрационные наборы.

3.4. В таблице сравниваются параметры различных буровых растворов по основным показателям.

Таблица

Выводы:

Из вышеуказанной таблицы можно сделать выводы:

• полимерные добавки делают раствор более густым, что улучшает такое свойство как реология, а также снижают коэффициент фильтрации, что критично при построении скважин в песчаных грунтах.
• так же можно сделать вывод о том, что полностью полимерный буровой раствор без применения бентонита так же может соответствовать базовым параметрам качественного бурового раствора.

3.5. Новые компоненты и экологическая безопасность.

Новые компоненты и заменители бентонита, такие как ProAction Fluids или SlurrySMART HDD, являются отличной альтернативой для традиционных буровых растворов, позволяют снизить затраты на транспортировку, так как занимают в разы меньше места, чем стандартная упаковка бентонита, а также сокращают время на приготовление бурового раствора. Хотя производители данных компонентов уверяют, что их продукты полностью безопасны и не причиняют вреда природе, нет научных исследований, подтверждающих или опровергающих данный тезис.

А вот традиционные компоненты были подвергнуты токсикологической оценке, методом биотестирования. Проведенная специалистами МАС ГНБ проверка, показала, что буровые растворы безопасны для окружающей среды и по результатам исследования, таким компонентам, как: бентонит, полимер PAC, полимер PHPA и Ксантан, был присвоен V класс опасности, что означает наименьший уровень риска для человека и окружающей среды.

3.6. Утилизация.

Так же существуют способы утилизации буровых растворов:

1. Обезвреживание и переработка бурового шлама: стабилизация, отверждение и повторное применение, например, в строительстве.
2. Использование бурового шлама в строительстве: как заполнитель в бетонах, для создания временных дорог и площадок.
3. Утилизация на специализированных полигонах: транспортировка и размещение на лицензированных объектах.
4. Физико-химическая обработка буровых растворов: коагуляция, флокуляция, гравитационное разделение с возможностью повторного использования воды.

4. Выводы

Современные буровые растворы для ГНБ обеспечивают высокую эффективность бурения при минимальном экологическом воздействии. Дальнейшее развитие технологии связано с внедрением полимерных и синтетических добавок, оптимизацией методов контроля и совершенствованием способов утилизации отходов. Для подтверждения экологической безопасности новых компонентов необходимы дополнительные исследования, а также стандартизация методов их применения и переработки.

Таким образом, сочетание традиционных и инновационных решений позволяет повысить экономическую и экологическую устойчивость технологии ГНБ, что делает её оптимальным выбором для прокладки коммуникаций в сложных условиях.