Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) - экономичная и малозатратная по ресурсам технология прокладки коммуникаций и добычи полезных ископаемых. ГНБ позволяет выполнять работы под объектами инфраструктуры и природы: дороги, здания, сооружения, водоемы, парки и лесопарки. При бурении используется буровой раствор на основе бентонита.
Добыча и состав
Бентонит - разновидность глины природного происхождения, в состав которой входит минерал монтмориллонит, обладающий сильной способностью к набуханию под воздействием влаги. Материал добывается карьерным способом в США, Канаде, Украине, Италии. На территории России добыча бентонита ведется в Хакасии и Курганской области.
При бурении по технологии ГНБ используются натриевые бентонитовые глины двух видов:
- модифицированные - природные материалы, обработанные полимерами для улучшения качества буровых растворов;
- немодифицированные - природные материалы, не обработанные химическими способами.
В нефтегазовой отрасли и строительстве используются преимущественно модифицированные натриевые бентониты, обладающие более совершенными технико-эксплуатационными характеристиками.
Технические характеристики
Требования к составу, качеству и методы испытаний бентонита регламентирует ГОСТ 28177-89. В соответствии со стандартом бентонит для ГНБ обладает техническими характеристиками:
- количество монтмориллонита - не меньше 70%;
- количество песка - не более 1%;
- концентрация обменных катионов - не ниже 30 мг·экв./100 г сухой глины;
- массовая доля сульфидной серы - не более 0.3%;
- скорость вспучивания - не менее 7 мл/г;
- водопоглощение - не ниже 1.5 единицы.
Перед фасовкой и доставкой потребителям натриевый бентонит проходит ряд испытаний, в ходе которых определяются параметры: предел прочности на сжатие и разрыв, термическая устойчивость, гранулометрический состав, количество влаги, массовая доля монтмориллонита, концентрация обменных катионов натрия и калия, коллоидальность. Результаты испытаний отображаются в сопроводительной документации на материал.
Функции бентонита при ГНБ
Буровые растворы на основе бентонитовых глин с высоким содержанием монтмориллонита позволяют скорректировать характеристики грунта и облегчить бурильные работы. Экологическая безопасность позволяет применять материал для добычи питьевых и минеральных вод. Вступая во взаимодействие с водой, бентонит набухает, увеличиваясь в размере в 15-20 раз, и превращается в гелеобразную субстанцию.
Функции бурового раствора на натриевом бентоните:
- удаление выбуренного грунта из бурового канала;
- обеспечение устойчивости стенок горизонтальной скважины;
- хорошее скольжение обсадных труб;
- эффективное охлаждение бурильного оборудования;
- заполнение пустот и трещин внутри скважины.
Применение бентонита при ГНБ позволяет снизить затраты на бурение, уменьшить расход топлива, увеличить срок службы бурильного оборудования.
Приготовление бурового раствора
Затворение раствора для ГНБ на основе натриевого бентонита осуществляется в растворном узле (РУ). Как правило, РУ входит в состав буровой установки, но может располагаться отдельно. Принцип приготовления бурового раствора основан на добавлении в техническую воду по ГОСТ 23732-2011 порошкового бентонита. При необходимости в состав раствора вводятся специальные химические добавки для получения раствора со специфическими свойствами. Вода для затворения бурового раствора должна иметь жесткость не более 15 мг-экв/л, рН = 8-9 и температуру +4 С. Для понижения жесткости воды в ее состав вводится кальцинированная сода.
При замешивании раствора вода проникает между частицами монтмориллонита и гидротизирует его поверхность. Это вызывает набухание минерала. В ограниченном для набухания пространстве создается напряжение, которое обеспечивает минимальную водопроницаемость. При дальнейшем смешивании с водой бентонит образует однородную суспензию с тиксотропными свойствами.
В процессе замешивания бентонитового бурового раствора для бурения по технологии ГНБ контролируются основные параметры по ГОСТ 33696-2015 (ISO 10416:2008):
- плотность – 1020-1100 кг/м3, проверяется ареометром;
- вязкость – 25-90 сП проверяется воронкой Марша;
- содержание абразивных включений (песка) - не более 0,2 %;
- концентрация ионов водорода – рН 8-9;
- водоотдача – 5-8 см3/30мин. проверяется прибором ВМ-6;
- коэффициент трения глинистой корки - 0.2-0.9;
- динамическое напряжение сдвига – 15-30 Па;
- выход раствора при вязкости 25 сП - не менее 15 м3/т.
Время распускания (набухания) бентонита составляет 20-30 минут. По истечении этого времени в буровой раствор добавляются полимеры, например РНРА или РАС.
Расход бентонита для ГНБ
Расход бентонитового раствора при ГНБ зависит от типа грунта и его технических характеристик в момент бурения: температура, водонепроницаемость, влагонасыщенность. Чем плотнее грунт, тем больше бентонита требуется. Расход бурового раствора в каменистых грунтах может доходить до 50 кг на 1 м2 грунта. Кроме этого расход бентонита зависит от диаметра скважины и скорости бурения.
Транспортировка и хранение
Бентонит в мешках или насыпью перевозят всеми видами транспорта с соблюдением правил перевозки грузов. Во время транспортировки необходимо защищать материал от попадания влаги, посторонних включений. Допускается перевозить бентонитовую глину в цементовозах.
Хранить бентонит нужно в бункерах или закрытых складских помещениях без доступа влаги и солнечного света.
