Горизонтально-направленное бурение в скальном грунте

Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) в скальном грунте — самый сложный вид ГНБ. Оно требует не только мощной установки, специального породоразрушающего инструмента, но и качественного бурового раствора. Когда на пути буровой головки оказывается гранит, базальт или плотный известняк, стандартные решения перестают работать. В этой статье разберем, почему скальный грунт требует особого подхода к оборудованию, бентониту и как справиться с самыми сложными геологическими условиями.

Почему скальный грунт — особая категория сложности при бурении

Скальные породы принципиально отличаются от привычных песчаных или глинистых грунтов. Прежде всего — твердостью и абразивностью. Гранит или базальт разрушают породоразрушающий инструмент в разы быстрее, чем песчаник или суглинок. Но главная проблема даже не в износе долота, а в характере шлама.

При бурении в скале образуются крупные, тяжелые частицы неправильной формы. Если раствор не способен удержать их во взвешенном состоянии и вынести на поверхность, шлам накапливается в скважине. Последствия предсказуемы: прихват бурового инструмента, рост крутящего момента до предельных значений, риск обрыва бурильной колонны и, в худшем случае, потеря скважины. Именно поэтому к буровому раствору в скальных условиях предъявляются повышенные требования по несущей способности — способности выносить крупный и тяжелый шлам.

Второй критический фактор — устойчивость стенок скважины. В скале стенки, казалось бы, должны быть стабильны сами по себе, но это опасное заблуждение. Скальный массив часто пронизан трещинами, пустотами и зонами дробления. Буровой раствор под давлением уходит в эти трещины, что приводит к потере циркуляции и обрушению. Раствор должен не просто закреплять стенки, а тампонировать трещины и предотвращать уход жидкости в породу.

Наконец, скальный грунт создает экстремальную нагрузку на инструмент. Трение при проходке по камню значительно выше, чем в мягких породах. Раствор обязан обеспечивать эффективное охлаждение долота и снижение коэффициента трения, иначе ресурс инструмента сокращается катастрофически быстро.

Оборудование для ГНБ в скальном грунте

Выбор оборудования начинается с предварительных изысканий: специалисты оценивают структуру, абразивность и твердость породы, а также глубину залегания скальных пластов. Ошибка в расчетах чревата выбором маломощной техники, используемого инструмента, не правильно подобранного бурового раствора, все эти факторы могут негативно сказаться при производстве работ по бурению.

Основные методы бурения в скале

Существует три принципиальных подхода к разрушению скальной породы:

1. Забойный двигатель на гидравлике. Эффективная схема для твердых пород, особенно при значительной длине перехода. Однако требует мощной насосной станции и сопряжена с риском размыва породы при бурении под водоемами.
2. Скошенные буровые коронки с карбидными резцами. Широко применяемый метод для скальных пород и грунтов с каменистыми фракциями. Направление магистрали корректируется за счет поступательных и вращательных движений карвинга, некоторые установки имеют автоматическое управление этим процессом.
3. Пневмомолот. Наиболее эффективен при устройстве скважин малого и среднего диаметра (до 150–200 мм в зависимости от типоразмера оборудования). Технология не работает на длинных магистралях. Порода разрушается сжатым воздухом от компрессора, грунт удаляется воздушным потоком без вращения рабочей головки. Пневмоголовки устанавливаются как на одно-, так и на двухштанговые установки, но технология не работает на длинных магистралях.

Механические установки с двойной штангой

Для техники с обратной тягой от 15 до 45 тонн применяются механические установки с двойной штангой. Внутренняя часть передает крутящий момент к инструменту и двигает головку, наружная — корректирует траекторию. В отличие от забойного двигателя, механическая система локализуется непосредственно в коронке, что обеспечивает высокую мощность вращения и управляемость при небольшом расходе буровой жидкости. Жидкость здесь выполняет две ключевые функции: охлаждение инструмента и удаление размолотой породы из скважины. Важное преимущество двойных штанг — возможность эффективного бурения любых грунтов, что особенно удобно при переходе с каменистой почвы на мягкую.

В механических установках с двойной штангой расход буровой жидкости снижен, но требования к ее качеству не падают. Раствор на основе бентонита продолжает выполнять важные функции — охлаждать инструмент, выносить шлам и укреплять стенки скважины. Именно поэтому правильный подбор бентонита остается обязательным условием даже при использовании самого современного оборудования.

Каким должен быть бентонит для скального ГНБ

Требования к буровому раствору для скальных пород:

• Высокая несущая способность. Раствор должен обладать достаточной вязкостью и предельным напряжением сдвига, чтобы удерживать крупные частицы шлама во взвешенном состояниии транспортировать их на поверхность. Для скальных пород рекомендуемая концентрация бентонита составляет от 30 до 35 кг/м³ — существенно выше, чем для глинистых (15–20 кг/м³) или песчаных (25–30 кг/м³) грунтов.
• Кольматация трещин. Раствор должен образовывать на стенках скважины тонкую, но прочную и герметичную пленку — фильтрационную корку. Она перекрывает микротрещины и предотвращает фильтрацию воды в скальный массив. Это особенно важно в трещиноватых породах, где без кольматации потери раствора могут быть катастрофическими.
• Стабильность в жесткой воде. Скальные породы часто залегают в зонах с минерализованными или жесткими подземными водами. Раствор на основе бентонита должен сохранять рабочие характеристики даже при затворении водой повышенной жесткости.
• Низкий коэффициент трения. Это напрямую влияет на ресурс бурового инструмента и энергозатраты установки. Смазывающая способность раствора в скальных условиях критична.

Бентонитовые материалы Bentolux для бурения в скальном грунте

Для горизонтально-направленного бурения (ГНБ) в скальных породах (особенно в трещиноватых скалах) компания «Баулюкс» выпускает специализированную линейку материалов BENTOLUX HORIZONT.

При бурении в скале главная задача раствора — эффективно выносить тяжелый каменный шлам (выбуренную породу), удерживать его во взвешенном состоянии при остановках вращения, охлаждать дорогой бурильный инструмент и не допускать поглощения раствора в трещины.

Для этих целей подходят следующие материалы:

1. Базовые бентониты (структурообразователи)

• BENTOLUX HORIZONT UN— универсальный высококоллоидный бентонит. Он формирует буровой раствор с высокой структурной прочностью. При работе в скальных породах и гравии его замешивают в повышенной концентрации — порядка 30–35 кг/м³. Это необходимо для удержания и транспортировки тяжелых осколков породы.
• BENTOLUX HORIZONT TN Premium — готовая бентонитовая смесь для удлиненных переходов и сложных условий. Обладает высокой несущей способностью (динамическое напряжение сдвига ДНС > 120 дПа) при сохранении контролируемой вязкости, что критически важно для качественной очистки скального бурового канала от шлама.

2. Вспомогательные полимерные реагенты (присадки)

Бурение в скале исключительно на чистом бентоните неэффективно, поэтому раствор модифицируют специальной химией:

• Полимеры серии BENTOLUX HORIZONT PAC HV (высоковязкая полианионная целлюлоза) — увеличивают вязкость раствора и его выносящую способность. Они также создают тонкую фильтрационную корку на стенках, запечатывая микротрещины в скале и предотвращая уход (поглощение) раствора.
• Смазочные добавки (лубриканты) — снижают трение буровой колонны о скальные стенки канала, уменьшают крутящий момент и защищают шарошечные долота или скальные расширители от преждевременного износа.
• BENTOLUX HORIZONT VIS — полимер который при малых концентрациях 250- 500 гр/м3 значительно увеличивает несущую способность бурового раствора.

Практические рекомендации для скального ГНБ

При работе в скальных породах следует придерживаться нескольких ключевых правил:

• Концентрация бентонита — от 30 до 35 кг/м³. Не пытайтесь сэкономить на бентоните в скале: разбавленный раствор не удержит шлам, и экономия обернется аварией.
• Контроль жесткости воды. Если вода затворения имеет жесткость выше 350 ppm, рекомендуется либо увеличить концентрацию бентонита (например, до 27–32 кг/м³ для Bentolux Horizont TN), либо провести водоподготовку с использованием реагента HORIZONT ASH или кальцинированной соды. Игнорирование этого требования снижает эффективность бентонита.
• Достаточное время перемешивания.
• Лабораторный контроль параметров. Перед началом проходки в скальном интервале проверьте условную вязкость, предельное напряжение сдвига и водоотдачу раствора. Отклонение от проектных значений — сигнал скорректировать рецептуру до того, как инструмент войдет в камень.

Если вы планируете бурение на конкретном объекте и вам нужна помощь в выборе материалов для бурового раствора, обратитесь к специалистам «Баулюкс». Для получения более точной информации уточните:

• Какова категория прочности скальной породы(МПа) или ее тип (гранит, известняк, песчаник)?
• Присутствует ли высокая трещиноватость(есть ли риски критического ухода раствора)?
• Каковы длина перехода и диаметрфинального расширения?

Специалисты помогут выбрать подходящие материалы, точнее сориентироваться по пропорциям добавок и подскажут правила подготовки воды.