реферат_Кожин_СДМ11


Реферат

Машины горизонтально направленного бурения

Кожин Владимир Александрович

Студент СДМ – 11, АДФ

Herr.vladimir@yandex.ru

Пермский национальный исследовательский

политехнический университет

625.78.08

Изучение установок горизонтально направленного бурения. Выбор необходимых параметров бурения. Классификация установок ГНБ. Необходимость тщательного исследования грунта до начала бурения, так как в гладком, хорошо смазанном туннеле протяжка трубопровода затруднений не вызывает. Исправление ошибок возникающих при бурении затруднительно. Производится постоянное отслеживание буровой головки.

Study of attitudes of horizontal directional drilling. Select the necessary parameters of drilling. Classification of installations HDD. The need for a thorough study of the soil prior to drilling. In a smooth, well-oiled tunnel the pipeline laying does not cause trouble. Correction of errors encountered during drilling difficult. There is a permanent tracing of the drill head.

Цель работы:

Изучение установок горизонтального бурения, принципов работы машины. Исследование технологии бурения. Возможность утилизации отходов бурения.

Системы горизонтального бурения получили широкое применение в различных сферах деятельности. Осуществляется прокладка многочисленных инженерных сетей (трубопроводов различных диаметров, стальных футляров).

Ключевые слова: бур, горизонтально направленное бурение, ГНБ.

Горизонтально направленное бурение – технология, используемая для прокладки коммуникаций бестраншейным методом.

ГНБ широко применяется в городской застройке, прокладке коммуникаций под железными дорогами, автомагистралями.

Преимущества ГНБ – высокие темпы производства, сохранение ландшафта, дорожного покрытия, выполнение работ в сложных гидрогеологических условиях, отсутствие необходимости понижения уровня грунтовых вод. Высокая точность, манёвренность прокладки коммуникаций.

Установку ГНБ обслуживают два оператора: оператор установки и локационного устройства. Перед началом бурения проводят операции геодезической разбивки трассы, определение точек забуривания и выходы бура. Осуществляется подготовка стройплощадки для размещения на ней установки бурения, насосно-смесительного узла для приготовления бурового раствора. Необходимо подготовить место для кассет буровых штанг, ёмкости хранения бентонита, строительных материалов.

Машина ГНБ закрепляется на исходной точке анкерными болтами.

Бурильную лопатку вводят в грунт вращательно-поступательным способом под углом около 130, одновременно подаётся бентонитовая суспензия по каналу буровой штанги рабочему органу. Предназначение бентонитовой суспензии – разжижать грунт, формировать скважину, одновременно, бентонитовая суспензия выполняет роль смазки буровой лопатки. Изменение направления бурения скважины достигается путём проталкивания буровых штанг без вращения. Поворот осуществляется на 900 на 90 метрах.

Вдоль трассы бурения устанавливаются разгрузочные колодцы, предназначены для свободного выхода пульпы и снижения давления в скважине. Установка колодцев производится до начала бурения вдоль всей трассы. Пульпа из колодцев откачивается мотопомпой. Для уменьшения угла выхода бура на поверхность применяют технологические приямки.

Первый проход называется пилотным. Затягивание трубопровода производится со стороны выхода бура на поверхность. При затягивании трубопровода производится расширение скважин.

Необходимо учитывать тип почвы, диаметр скважины, наличие препятствий, мощность бурильной установки, возможности насосно-нагнетательной станции.

При необходимости расширение пилотной скважины и протягивание трубопровода производят в два этапа. При достаточности необходимых параметров расширение скважины и протаскивание производят одновременно.

Необходимые усилия при расширении пилотной скважины можно снизить, улучшить качество стенок скважины при правильном управлении бурением, верном выборе инструмента и состава буровой жидкости.

Применяемые лопатки:

Фото гидромониторной

Для расширения скважин используется два типа расширителя: уплотняющий и режущий.

Уплотняющий используется в уплотняемых почвах, создаётся гладкий тоннель, не содержащий отходов.

Фото гидромониторной

Рис.1. Уплотняющий расширитель

Режущие расширители используются в почвах, содержащих гравий, корни деревьев и другие подземные препятствия. При данном способе происходит срез почвы со стенок пилотной скважины, вымывание почвы буровым раствором в пустоты почвы и на поверхность.

Фото гидромониторной

Рис.2. Режущий расширитель

Существуют гибридные расширители, сочетающие свойства уплотняющих и режущих расширителей.

Фото гидромониторной

Рис.3. Гибридный расширитель «Циклон»

При протягивании трубопровода за расширителем устанавливается шарнир вертлюг предотвращающий скручивание трубопровода.

Фото гидромониторной

Рис.4. Шарнир вертлюг

Использование машин ГНБ при замене старых трубопроводов. Для разрушения стенок изношенного трубопровода используется нож с режущими роликами. Для замены коммуникаций требуется входной и приёмный котлован. Затраты на ремонт – минимальны.

Фото гидромониторной

Рис.5. Роликовый нож

Применение УГБ в каменистых грунтах.

Гидромониторная бурильная головка с встроенным генератором гидродинамических колебаний.

Бурильная головка представляет собой корпус, управляющую поверхность. В корпусе находится диск с входными, струеформирующими каналами и резонтрующие пластины. Пластины консольно закреплены на диске. Напротив резонирующей пластины находится струеформирующий канал. При подаче жидкости происходит воздействие на резонирующие пластины, появляется возмущение жидкости, пульсирующая кавитационная область. Вибрации передаются на буровую головку.

Основная задача данного устройства – повышение эффективной работы буровой лопатки, путём приложений воздействий динамического характера. Разрушению породы способствует кавитация бурового раствора. Применение вибрации одновременно с явлением кавитации значительно повышает эффективность и производительность установок ГНБ. Кавитация является сильным разрушающим воздействием, а при вибрациях резко снижается сопротивление породы.

Для эффективной работы генератора гидродинамических колебаний необходим контроль частоты колебаний генератора. Так как амплитуда и частота импульсов зависит от ряда различных случайных величин, не связанных с режимами бурения (неравномерная работа насоса, биение бура). Разнородность, пористость грунта оказывают влияние на эффективность работы генератора гидродинамических колебаний.

Виды установок горизонтально направленного бурения

В зависимости от диаметра протаскиваемого трубопровода и его длины выбирают установки ГНБ с различным тяговым усилием.

Трубопроводы диаметром до 300 мм, длиной до 50 м протягивают установками с тяговым усилием до 40 кН.

Трубопроводы диаметром до 500 мм, длиной до 400 м протягивают установками с тяговым усилием до 300 кН.

Трубопроводы диаметром до 1400 мм и длиной до 2000 м протягивают установками с тяговым усилием до 500 кН.

Применяемый для бурения комплекс устройств:

Силовая установка, лафет, магазин со штангами, пульт управления

Установка для смешивания буровой жидкости

Система локации, регистрирующее оборудование

Оборудование для обеспечения и транспортировки

Установка по регенерации буровой смеси

Машины ГНБ могут быть самоходными, так и стационарными.

Классификация буровых установок

«Мини» буровые установки. Максимальное тяговое усилие до 100 кН, крутящий момент до 13 кН·м. Вес установки до 7 тонн.

Применяются для прокладки полиэтиленовых трубопроводов, водопроводов, канализационных выпусков, удобны в городских условиях, ходовой механизм, в основном, резиновый гусеничный.

«Миди» буровые установки. Тяговое усилие 100-400 кН, крутящий момент 15-30 кН·м, весом 7-25 тонн

Для прокладки трубопроводов больших диаметров, значительной протяжённости, при наличии сложных препятствий. Ремонт вышедших из строя коммуникаций

«Макси» буровые установки, тяговое усилие 400-2500 кН. Крутящий момент 30-100 кН·м. Весом 25-60 т. Применяются на магистралях прокладываемых под крупными водоёмами, лесными массивами и другими сложными препятствиями.

«Мега» буровые установки. С тяговым усилием более 2500 кН, крутящий момент более 100 кН·м. Вес установки более 60 тонн. Данные установки сконструированы для работ на транснациональных магистралях, применяются на участках с твёрдыми скальными породами.



Скорости проходки в зависимости от состава грунта.

Мягкие грунты позволяют проходить большие расстояния, без значительных затрат бентонитовой смеси, использовать меньшие нагрузки установки ГНБ.

Усилие затрачиваемое на продвижение бура определяется давлением смеси (0-10 МПа). Размер сопла влияет на усилие передаваемое раствором. При большом сопле давление более низкое, сильная струя передаёт большее усилие размыва. Скорость струи в скважине около 0,5 м/с.

Для образования скважины высокого качества необходимо соблюдение параметров: давления, размера сопел, вязкости бентонита, скорости прохода.

При неправильном использовании необходимых параметров происходит сужение или расширение туннеля.

При расширении туннеля сильно увеличивается количество буровой массы, уменьшается чувствительность буровой головки из–за сильного размыва грунта. Вследствие чего происходит отклонение буровой головки вниз под действием сил тяжести. Значительное расширение скважины – причина обвалов стенок скважины.

При сужении туннеля по причине неверного подбора рабочих параметров происходит увеличение давления бентонитовой смеси в скважине, увеличение нагрузки на рабочий орган, расширительная головка работает как скребок, соскабливая смазку со стенок туннеля. Сильно возрастает давление на стенки, что в последствии может привести к разрушению туннеля.

При бурении необходим постоянный контроль проходки (давление суспензии, скорость подачи и тяги). Перепад давления является точным признаком процессов бурения.

Перепад давления – показания манометра для определённого значения силы и тяги. Разница в показаниях отражает рабочую мощность насоса.

Оптимальный перепад давления 4 МПа для прокладки туннеля.

При понижение давления сигнализирует о расширении туннеля, а повышение сигнализирует о препятствии на пути бурения.

Исправление брака, полученного во время бурения скважины, существенных результатов не приносит. Поэтому необходимо тщательно исследовать грунт до начала бурения, так как в гладком, хорошо смазанном туннеле протяжка трубопровода затруднений не вызывает.

Для контроля качества проложенного туннеля, во время протяжки труб, применяется устройство Tracto -Technic Grondolog. Устройство монтируется внутри трубы, чувствительным элементом является распорный ниппель. К ниппелю крепится измеряющий цилиндр, цилиндр предназначен для перевода механической энергии в гидравлическое давление. Данные записываются запоминающим устройством (до 32 тыс. измерений в течение 8 часов). Результаты измерений обрабатываются оператором ГНБ.

В качественном выполнении работ не малую роль играет позиционирование буровой лопатки. Точность траектории пилотной скважины определяет конечный результат строительства.

Для слежения за буровой головкой применяется радиочастотный излучатель, помещаемый в корпус буровой головки. Переносной приёмник, находящийся у оператора.

Во время работы установки происходит постоянное отслеживание координат буровой лопатки (пройденное расстояние, глубину залегания рабочего органа, угол атаки лопатки), осуществляется оперативная передача данных на пульт оператору установки.

Позиционирование рабочего органа применяется на всех стадиях бурения и прокладки трубопроводов.

Оператор локационного устройства в реальном времени следит за рабочим органом, вся информация отображается на экране приёмника.

На примере рассмотрим систему позиционирования «Digi Trak». Элементы системы: приёмник, излучатель, удалённый индикатор и устройство зарядки аккумуляторов.

Приёмник – электронный переносной прибор, предназначен для приёма сигналов от излучателя. Отображает угловые значения, координаты бура. Проведение расчёта траектории бурения. Передача данных на удалённый индикатор, находящийся на установке ГНБ.

Излучатель (маяк) – помещён в буровую головку. Основное назначение определять координаты и положение буровой головки, углы уклона, с последующей передачей сигнала приёмнику.

Блок удалённого индикатора позволяет оператору машины видеть значения углов поперечного и продольного уклона, глубину залегания бура, температуру излучателя в реальном времени.

Зарядное устройство служит для зарядки батарей излучателя и приёмника.

Запись информации на удалённом блоке осуществляется благодаря системе «Data Log».

Излучатели бывают с питанием от кабеля. Применяются при бурении на больших глубинах, при длительном бурении (несколько суток), в местах где невозможно позиционирование непосредственно над буром, а так же в местах сильных помех.

В зонде имеется несколько датчиков, гравитационных и магнитных. Определяется угол поворота излучателя вокруг своей оси, фиксация угла излучателя относительно горизонта. Наличие датчика температуры. Данные передаются по нескольким каналам, работающих на разных частотах. Возможность передачи нескольких потоков информации на одной площадке без помех.

Для определения глубины скважины существует два способа.

По точке максимального сигнала, излучаемого зондом.

По двум точкам и линии локации, более точное позиционирование, определение направления движения.

Приёмник снабжён ультразвуковым излучателем, с помощью которого определяется расстояние от приёмника до земли.

Системы позиционирования обладают функциями:

А) Наведение на цель – приёмник располагается над местом выхода бура, оператор ГНБ корректирует траекторию бурения.

Б) способность прогнозирования положения пилотной скважины, при неизменной траектории бурения.

Недостаток систем позиционирования – затрудненное отслеживание бура в условиях плотно застроенного массива. Затруднено позиционирование на большой глубине. Низкая помехоустойчивость.

Горизонтально направленное бурение, использование «зелёных» технологий.

УГБ позволяют сократить энергопотребление при строительстве. Уменьшает экологический ущерб. Уменьшение времени работ бурения от подготовительной стадии до конечной благотворно влияет на экологическую обстановку, снижаются расходы на обслуживание установки.

Снижение потребления энергии обуславливается меньшим количеством используемой техники, сокращением времени прокладки коммуникаций, сокращением трудоёмкости работ. По сравнению с традиционным открытым методом прокладки коммуникаций.

Источники загрязнения окружающей среды.

Буровые установки, смесители буровой жидкости, землеройное оборудование.

Применением УГБ сократили количество прямых загрязнителей.

Использование водных ресурсов.

Повторное использование водных ресурсов в процессе бурения. Вывод грунта совместно со смесью бентонита уменьшает выброс в атмосферу летучих веществ.

Охрана экологических систем.

ГНБ – малоинвазивная технология. Минимизация вмешательства в грунт, незначительный ущерб, минимальное время подготовки грунта для бурения пилотной скважины.

Сокращение аварийно – восстановительных работ.

Побочные продукты бурения:

А) отработанный бентонит

Б) жидкий грунт

В) осадок глины

Г) вода

Продукты бурения необходимо утилизировать. Методы утилизации: термический, биологический, физический, химический.

Минимальное количество отходов от УГБ позволяет снизить затраты на сбор, перевозку и утилизацию отходов. При ГНБ объёмы отходов незначительны по сравнению со шнековым бурением и с открытой разработкой грунта.

Заключение.

Горизонтально направленное бурение позволяет решать ряд проблем невыполнимых другими типами прокладки инженерных сетей.

Точное оборудование позволяет работать в стеснённых городских условиях, причиняя малый вред ландшафту. Возможности точного позиционирования буровой головки позволяют огибать препятствия, исключает повреждение проложенных коммуникаций.

Немаловажным преимуществом метода горизонтального бурения является:

Упрощение согласований, проведения подготовительных работ, сокращение сроков строительства, сокращение сметной стоимости, экологичность метода бурения.

Ярко выраженным недостатком машин ГНБ является сложность позиционирования бура на значительной глубине, при длительном бурении.

Список литературы

Kolesnikov V.V. Eksperimental’nye issledovaniya harakteristik nasadok. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2013.№ 4. S. 211- 215.

Kolesnikov V.V. Osobennosti konstruktsii gidromonitornoy buril’noy golovki. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2013. № 4. S. 240-246.

I.M. Gromov. Pozitsionirovanie burovogo instrumenta pri GNB. Modernizatsiya i nauchnye issledovaniya v transportnom komplekse. 2012. T.1. S.149-158

Oleksin V.I. Kombinirovannyj metod razrabotki gorizontal’noy skvazhiny pri bestransheynoy prokladke kommunikatsiy. Vestnik Har’kovskogo natsional’nogo avtomobil’no – dorozhnogo universiteta. 2012. № 57. S. 207-213.

Lubrecht, M.D. Horizontal directional drilling: A green and sustainable technology for site remediation. Environmental Science and Technology. 2012. 46 (5), pp. 2484-2489.

Otstavnov A.A. Tehnologiya prokladki PE – truboprovodov s ispol’zovaniem GNB. Santehnika, otoplenie, konditsionirovanie. 2010. №2(98). S.20-28

Mamet’ev L.E. O napravleniyah sozdaniya bestransheynyh tehnologiy i mashin v materialah 26-y mezhdunarodnoy konferentsii «NO-DIG 2008». Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2010. №01. S. 55-59.

Otstavnov A.A. Energosberegayuschie bestransheynye tehnologii. Santehnika, otoplenie, konditsionirovanie. 2010. №8. (104). S. 14-20.




Предыдущий:

Следующий: