За последние десятилетия в сфере прокладки новых трубопроводов лидерство уверенно перехватили бестраншейные технологии. Горизонтальное направленное бурение (ГНБ) пользуется среди них наибольшей популярностью.
Особенность этой технологии состоит в использовании бурового раствора. Его применяют на всех этапах работ — бурение пилотной скважины, ее расширение и протягивание трубопровода. Для приготовления растворной смеси при ГНБ как раз и потребуется бентонит.
Что представляет собой бентонит, его свойства
Под этим названием скрывается набухающая природная глина, не менее чем на 70% состоящая из минерала монтмориллонит. Материал выглядит как мелкодисперсный сухой порошок. Свое название бентонит получил в честь города Форт Бентон в США, недалеко от которого был впервые обнаружен.
При смешивании с водой порошок быстро и очень сильно разбухает, вследствие чего переходит в коллоидное состояние. Натриевый бентонит в этом отношении превосходит кальциевый, поскольку впитывает воды в несколько раз больше.
Получившаяся тиксотропная глинистая суспензия разжижается при циркуляции бурового раствора и снова сгущается в состоянии покоя. Важнейшие свойства суспензии — способность удерживать воду и самогерметизация. При прохождении скважины на ее стенках образуется тонкая и плотная фильтрационная корка, непроницаемая для влаги.
Для улучшения качества суспензии и получения заданных свойств в состав бентонитового порошка могут вводиться полимеры, кальцинированная сода и другие модифицирующие добавки. Все компоненты должны относиться к малоопасным веществам (4 класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76).
Какие задачи решаются добавками:
- улучшение реологических характеристик;
- непрерывность циркуляции раствора;
- контроль фильтрационной способности;
- уменьшение трения;
- тампонирование трещин;
- предотвращение набухания и налипания связанных грунтов.
Для ГНБ рекомендуется использовать модифицированные бентониты. Порошки без модифицирующих добавок считаются допустимыми только при проведении работ на наиболее мощных буровых комплексах класса Мега.
От характеристик бентонита в решающей мере зависят результаты прокладки трубопровода. У порошков высокого качества увеличенный выход раствора, ниже его водоотдача и выше выносная способность. В ходе работ такой раствор прекрасно прокачивается и лучше формирует фильтрационную корку.
В подавляющее большинство проектов именно бентонит закладывают как основу для замешивания буровых растворов. Лишь иногда, в особо сложных инженерно-геологических условиях, приходится прибегать к полимерным заменителям. Материал нетоксичен и одобрен к использованию при прокладке питьевого водопровода. Теперь проясним, зачем для ГНБ вообще нужен раствор на основе бентонита.
Цели использования бурового раствора
- создание дополнительного режущего эффекта за счет высокой скорости выхода через сопла бура;
- передача энергии потока жидкости на забой;
- смазка и охлаждение породоразрушающего инструмента и штанг;
- предотвращение налипания грунта на бур и обжима буровой колонны;
- вынос выбуренной породы из скважины на поверхность;
- закрепление стенок скважины для защиты от обвалов;
- уменьшение трения и тяговых усилий при протяжке трубопровода;
- защита от попадания в скважину грунтовых вод.
Как замешивают раствор
Состав подбирают под конкретные условия и проверяют его характеристики в лаборатории. Безупречно составленная рецептура гарантирует успешность прокладки трубопровода, экономит время, деньги и нервы.
Ключевые исходные параметры для подбора состава:
- категория грунта по маршруту бурения;
- протяженность и диаметр скважины;
- тяговая сила и крутящий момент буровой установки;
- рекомендации производителей компонентов раствора;
- практика использования буровых растворов.
В непростых инженерно-геологических условиях допустимо закреплять грунт твердеющим раствором. Как правило, в этом случае для ГНБ применяется смесь на основе бентонита и цемента. Время схватывания должно быть достаточным для того, чтобы успеть закончить протягивание трубопровода.
Буровой раствор обычно замешивается на пресной воде. Для заявленной скорости гидратации требуется водоподготовка по уровню pH, жесткости, содержанию хлора и хлоридов. Некоторые марки бентонитов пригодны для приготовления раствора на минерализованной, морской и насыщенной солями технической воде даже без водоподготовки.
Растворную смесь готовят в навесных емкостях, закрепленных на установке ГНБ, либо в отдельно стоящих резервуарах. Чтобы бентонит быстрее набух, для перемешивания пользуются высокооборотными струйными гидравлическими смесителями. Доведение раствора до готовности занимает 10–20 минут.
Расчет потребности в бентоните для ГНБ
Совокупный объем бурового раствора Vбр для всех этапов работ вычисляется по формуле:
где:
- d – диаметр скважины после расширения;
- l – протяженность скважины с учетом возможного удлинения (перебура);
- Kp – грунтовый коэффициент расхода раствора.
| Категория грунта | Грунтовый коэффициент |
|---|---|
| Песок, супесь, суглинок, мел | 3–4 |
| Пластичная глина, ил | 5–6 |
| Галечник, песчаник, известняк, твердая глина, мерзлые и скальные породы | 5–10 и более |
При прокладке коммуникаций установками класса Макси и Мега разумно пускать отработанный раствор, прошедший очистку и регенерацию, на повторное использование. Это позволяет существенно снизить расход бентонита и затраты на ГНБ, учитывая значительную протяженность и большой диаметр трубопроводов, для прокладки которых привлекают такую мощную технику. Потребность в буровом растворе в этом случае рассчитывается по более сложным формулам и отдельно для каждого этапа работ.
| Категория грунта | Расход, кг/м3 |
|---|---|
| Глина, суглинок, ил | 15–25 |
| Мелкозернистый песок | 20–35 |
| Крупнозернистый песок, гравий, скальные породы | 30–45 |
Точная норма расхода бентонита при ГНБ для приготовления бурового раствора выбирается на основании рекомендаций производителя.
Как применяется раствор
Подача на управляемую буровую головку происходит через колонну полых штанг. Раствор под сильным напором вылетает через сопла бура, дробит грунт и образует суспензию с измельченной породой. Пульпа откачивается на поверхность, где собирается в емкостях или технологических приямках либо подается на очистку и регенерацию. Регенерированный раствор после добавления порции свежей смеси отправляется на новый цикл.
Подача в нужном объеме и обратный вынос пульпы из скважины должны быть непрерывными, бесперебойная циркуляция существенно уменьшает вероятность аварии. При протягивании трубопровода в скважину раствор заполняет затрубное пространство и снижает усилие протаскивания.
В ходе работ ведется контроль за неизменностью параметров бурового раствора, а также соответствия грунтов данным проекта, при необходимости вносятся корректировки. Для нейтрализации риска прорыва из скважины требуется отслеживать давление раствора и проявлять осторожность, если в грунте имеются трещины и разломы.
При ГНБ в холодную погоду бентонит затворяют водой температурой от +4 °C до +40 °C. Буровую установку и оборудование для замешивания, перекачки и регенерации располагают в тепляке. Трубопроводы для подачи смеси и откачки пульпы утепляют.
Как утилизируют раствор
По мере заполнения технологических приямков, емкостей для сбора пульпы или регенерирующей установки, а также по окончании работ по прокладке коммуникаций отработанный раствор должен отправляться на утилизацию. К вывозу буровых отходов со строительной площадки привлекается специализированная техника.
Способы утилизации бентонита после ГНБ:
- транспортировка на базу для использования на других объектах;
- отверждение с последующей отправкой на свалки и мусорные полигоны;
- захоронение в земляных амбарах;
- слив в канализацию по договоренности с местным водопроводно-канализационным хозяйством;
- передача предприятию, занимающемуся утилизацией;
- биоразложение с получением инертного материала и сточных вод;
- вывоз на сельскохозяйственные поля для улучшения структуры почв.
Перечисленные способы касаются буровых отходов V класса опасности, безвредных и практически неопасных для окружающей среды. Таковые образуются, если в грунте по маршруту бурения скважины нет опасных включений. Порядок утилизации отходов всех остальных классов прописывается в проектной документации или техническом задании. Процедура должна соответствовать действующему законодательству.
Надеемся, что информация о том, что такое бентонит, зачем он нужен и как применяется, оказалась для вас полезной.