За последние десятилетия бестраншейные технологии, и особенно метод горизонтально-направленного бурения (ГНБ), приобрели огромную популярность в сфере прокладки подземных коммуникаций. Одним из ключевых элементов этой технологии является буровой раствор, основу которого часто составляет бентонит. Он используется на всех этапах работ — от бурения пилотной скважины до её расширения и протягивания трубопровода.
Что такое бентонит?
Бентонит — это природная глина, которая содержит не менее 70% минерала монтмориллонита. Она выглядит как мелкодисперсный сухой порошок. Бентонит получил свое название в честь города Форт Бентон в США, где был впервые найден.
Когда бентонит смешивается с водой, он начинает быстро и сильно набухать, превращаясь в коллоидную суспензию. Натриевый бентонит особенно эффективен, поскольку способен впитывать воду в несколько раз больше, чем кальциевый. Полученная суспензия обладает тиксотропными свойствами: она разжижается при циркуляции и снова сгущается, когда движение прекращается.
Одной из важных характеристик бентонита является его способность удерживать воду и самогерметизация. При прохождении буровой головки по скважине образуется плотная фильтрационная корка, которая препятствует проникновению влаги.
Улучшение свойств бентонита с помощью добавок
Для улучшения реологических свойств бентонитового раствора в его состав могут вводиться различные добавки, такие как полимеры, кальцинированная сода и другие модификаторы. Это необходимо для:
-
Улучшения реологических характеристик;
-
Обеспечения непрерывности циркуляции раствора;
-
Контроля фильтрационной способности;
-
Снижения трения;
-
Тампонирования трещин в грунте;
-
Предотвращения набухания и налипания грунтов.
Для ГНБ рекомендуется использовать модифицированные бентониты, так как не модифицированные порошки подходят только для работы на мощных буровых установках класса Мега.
Бентонитовые растворы на основе качественного порошка обладают высоким выходом раствора, низкой водоотдачей и хорошими характеристиками по выносной способности, что улучшает их прокачиваемость и способность формировать фильтрационные корки.
Зачем нужен буровой раствор на основе бентонита для ГНБ?
Буровой раствор играет несколько важных ролей при ГНБ:
-
Создание дополнительного режущего эффекта для буровой головки 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 измельченной породы на поверхность;
-
Закрепление стенок скважины для предотвращения обвалов;
-
Уменьшение трения и тяговых усилий при протягивании трубопровода;
-
Защита от попадания грунтовых вод в скважину.
Процесс приготовления бурового раствора
Для приготовления бурового раствора на основе бентонита необходимо учитывать несколько факторов:
-
Категория грунта по маршруту бурения;
-
Протяженность и диаметр скважины;
-
Тяговая сила и крутящий момент буровой установки;
-
Рекомендации производителей компонентов раствора;
-
Практика использования буровых растворов.
Раствор обычно готовится на пресной воде, с учетом уровня pH, жесткости воды и содержания хлора. Для более сложных условий можно использовать морскую или минерализованную воду.
Для быстрого набухания бентонита применяются высокооборотные гидравлические смесители, что позволяет приготовить раствор за 10–20 минут.
Расчет потребности в бентоните для ГНБ
Объем бурового раствора для всех этапов работ можно вычислить по формуле:
где:
Грунтовые коэффициенты зависят от типа грунта:
-
Песок, супесь, суглинок — 3–4;
-
Пластичная глина, ил — 5–6;
-
Галечник, песчаник, твердые и мерзлые породы — 5–10 и более.
Ориентировочный расход бентонита
Для различных типов грунтов ориентировочный расход бентонита при замешивании раствора варьируется:
-
Глина, суглинок, ил — 15–25 кг/м³;
-
Мелкозернистый песок — 20–35 кг/м³;
-
Крупнозернистый песок, гравий, скальные породы — 30–45 кг/м³.
Точная норма расхода выбирается на основании рекомендаций производителя и условий проекта.
Применение и циркуляция раствора
Раствор подается на буровую головку через колонну полых штанг. Под высоким давлением жидкость выходит через сопла бура, дробит грунт и образует суспензию, которая откачивается на поверхность. Эта пульпа затем очищается и возвращается для повторного использования.
Циркуляция раствора в скважине должна быть непрерывной и бесперебойной, чтобы минимизировать риски аварий. Раствор также заполняет затрубное пространство и снижает усилия при протягивании трубопровода.
Утилизация раствора
После завершения работ отработанный раствор подлежит утилизации. Возможные способы:
-
Транспортировка на другие объекты;
-
Отверждение с последующей отправкой на свалки;
-
Слив в канализацию (по договоренности с местным водоснабжением);
-
Биодеградация для получения инертных материалов.
Бентонитовые отходы относятся к классу опасности V и практически не опасны для окружающей среды.
Заключение
Бентонит является незаменимым компонентом при проведении ГНБ, поскольку его свойства значительно влияют на эффективность и безопасность процесса. Использование качественного бентонита помогает улучшить работу буровых установок, обеспечить надежность скважины и сократить затраты на материалы.
