Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2012". Автор - А.Л. Наговицын (Россия, Челябинск).
Разнообразие локационных систем для установок ГНБ и зондов к ним дают возможность реализации почти любого проекта бурения инженерных скважин. Вместе с тем, уникальные проекты с переменным профилем на большой глубине или в сложных условиях гористо-холмистой местности не всегда выполнимы с использованием локационных систем со стандартными зондами. Требуется использование кабельных зондов, что не всегда экономически оправдано из-за более сложной технологии ведения буровых работ и более дорогостоящего оборудования. В настоящей работе обобщен опыт модернизации стандартных зондов с целью повышения предельной рабочей глубины бурения.
Максимальная рабочая глубина локационной системы зависит от многих факторов, в том числе и от выбранной марки зонда. На рис. 1 приведено наглядное сравнение максимальных заявленных рабочих глубин наиболее распространенных зондов фирм Digital Control Inc. и Charles Machine Works Inc.
Рис. 1. Слева зонды DS, LS, ES с глубиной до 4,6 м и зонд 88B с глубиной до 9,2 м (питание зондов от одного элемента АА). Справа кабельные зонды EC, DC, DCP с рабочей глубиной до 43 м.
При выполнении буровых работ в сложных условиях, в частности при пересечении водных преград или ведении работ на сильно пересеченной местности, актуальной задачей является достижение предельных по глубине характеристик зондов. Декларируемые фирмами характеристики зондов по глубине зачастую не выполняются еще и из-за повышенного уровня помех. Например, зонд DX, при заявленных 21,3 м по глубине, обеспечивает только 5-6 м при уровне помех 250-300 единиц, а при работе вблизи ЛЭП220 и того меньше – всего 2-2,5 м.
Вместе с тем использование кабельных зондов при прохождении участков скважин на небольшой глубине нерентабельно из-за более сложной технологии ведения работ и, как следствие, более существенных временных затрат.
Постановка задачи
Для прокладки газопровода под рекой Иртыш в декабре 2011 года потребовалось решить задачу прохождения трассы на максимально возможной глубине под дном из-за толстого слоя ила. Максимальная глубина реки в месте прокола составляла 17 м. Толщина ила еще не менее 3 м, поэтому глубина от поверхности реки проектируемой скважины закладывалась не менее 21 м. К сожалению, использование в данном проекте установки DitchWitch с локационной системой SubSite-750 в комплектации с глубинными зондами 86BH и 86BHL не принесло желаемых результатов – данные от зонда становились недостоверными уже на глубине 16-17 м. Встала задача или использовать другую локационную систему с более глубинными зондами, или провести модернизацию какого-либо стандартного зонда с целью увеличения его рабочей глубины до требуемой по проекту. Так как длина проектируемого перехода составляла чуть более 700 м, было принято решение не использовать кабельные локационные системы.
Рис. 2
Для идеальных условий зонды 86BH и 86BHL должны обеспечить предельную рабочую дистанцию чуть более 21 м. Как уже было указано, сигнал от зонда в реальных условиях терялся на глубине 17 м, что составляет 80% от заявленной. Самые «глубинные» зонды EXL и FXL (локационные системы ECLIPSE, F2) с питанием от батареи SuperCell обеспечивают рабочие характеристики до глубины 25,9 м со временем непрерывной работы до 30 часов в идеальных условиях. В реальных условиях они должны обеспечить, по аналогии, глубину передачи данных до 20,7 м, что так же недостаточно для выполнения проекта. Кроме того, при помещении зонда в буровую головку возрастает ток потребления, что приводит к существенному снижению времени непрерывной работы. Для сравнения на рисунке 2 приведены гистограммы непрерывной работы других зондов с питанием от батарей в идеальных условиях.
В результате анализа было принято решение провести модернизацию стандартного зонда 86BHL для достижения предельной рабочей глубины 27 м с максимально возможным сроком непрерывной работы.
Процесс и результаты модернизации
Наша фирма обладает большим опытом восстановительного ремонта зондов разных типов и разных фирм. Особенностью зондов серии «SubSite» фирмы Charles Machine Works Inc. является использование резонансной магнитной антенны-соленоида для создания переменного магнитного поля, которое является носителем информации для локатора. При помещении в буровую головку параметры антенны-соленоида искажаются, поэтому в электронике зонда предусмотрена система автоматической стабилизации напряженности создаваемого поля для сохранения точности измерения глубины. Но это приводит к увеличению потребляемого тока в 3-4 раза. На рисунке 3 приведен график изменения тока потребления от условного заполнения пространства вокруг зонда металлом (район продольных щелей буровой головки заменялся отрезками арматуры диаметром 16 мм).
Рис. 3
Кроме того, при длительной эксплуатации, когда от механических воздействий повреждается (раскалывается) ферритовый стержень антенны-соленоида и падает эффективность антенны зонда, возможен отказ системы стабилизации. Отказ проявляется в невозможности точной калибровки зонда и его отключении на 25-30 секунд каждую минуту. Во время ремонта такого зонда систему стабилизации уровня сигнала можно замкнуть саму на себя, чтобы в дальнейшем исключить влияние повреждения феррита на работоспособность зонда. При незначительном снижении уровня сигнала удается «сэкономить» на энергопотреблении (графики для 86B-M на рис. 3). Для получения требуемой глубины 27 м необходимо увеличить уровень сигнала от зонда 86BHL в два раза (в силу обратной кубической зависимости уровня сигнала от расстояния) с сохранением уровня при помещении зонда в буровую головку, поэтому система стабилизации должна работать в штатном режиме. Простого решения у этой задачи нет, так как драйвер антенны запитан напрямую от батарей и снижение напряжения к концу цикла разряда элементов привело бы к перегрузке драйвера и отказу системы стабилизации. Поэтому для модернизации зонда был изготовлен вспомогательный драйвер антенны со своим повышающим преобразователем напряжения. При этом удалось сохранить штатный режим работы системы стабилизации. Ток потребления модернизированного зонда возрос до 250 мА в свободном пространстве и до 550 мА в макете буровой головки. Для увеличения длительности непрерывной работы было принято согласованное решение о доработке батарейного отсека с целью возможности использования двойного комплекта батарей. Расчетное время работы от двойного комплекта батарей с емкостью элементов 6000 мАч составляет в этом случае примерно 44 часа. К сожалению, на практике элементы DURACELL не обеспечили ожидаемую емкость.
Рис. 4
На рис. 4 изображены составные части модернизированного зонда 86BHL перед сборкой и герметизацией. Вверху показана сдвоенная батарейная сборка, под ней батарейный отсек с удлинителем, далее изображен вновь изготовленный корпус зонда и в самом низу – модернизированный электронный блок. На рис. 5 показан модернизированный зонд уже после герметизации. Сравнительные испытания со стандартным зондом 86BH в лабораторных условиях показали увеличение дистанции устойчивых показаний на 30% для модернизированного зонда. Данные терялись только при показаниях дистанции 27-28 м.
Рис. 5
Во второй половине декабря модернизированный зонд прошел испытания в «боевых условиях» на реке Иртыш. На рис. 6 приведен вертикальный профиль прокола, построенный на данных официального Акта выполнения работ ООО «Горизонт-2000». В верхней части рисунка – натуральное соотношение вертикальных и горизонтальных размеров, внизу – растянутые пропорции по вертикали. Утолщением показан участок трассы, пройденный с использованием модернизированного зонда. Бурение прошло без сбоев и потери сигнала от зонда. К сожалению, за время бурения пришлось несколько раз менять батарейную сборку – емкость используемых элементов отличалась от расчетной емкости в сторону уменьшения более чем в два раза.
Рис. 6
Приведенные в настоящей работе данные по возможности модернизации зондов распространяются не только на серию «SubSite». Нами сделано также несколько модернизаций зондов типа D4X серии «MARK» с повышением уровня сигнала от зонда в 2-3 раза (достигнут почти уровень кабельного зонда DC), но элементы питания для них желательно использовать типа SUPERCELL.
Комментарии 0