Методи горизонтально-направленого буріння (ГНБ) і похило-спрямованого буріння (ПСБ)

Горизонтально-направлене буріння (ГНБ) і похило-спрямоване буріння (ПСБ) є інноваційними методами безтраншейного прокладання інженерних комунікацій та геологорозвідки. ГНБ використовується переважно в міських умовах завдяки компактності обладнання, що дозволяє працювати у складних умовах і на обмежених площах. У свою чергу, ПСБ застосовується для масштабних проектів, таких як прокладання трубопроводів під великими річками або видобуток нафти та газу, де необхідне потужне обладнання для роботи на великих глибинах. Обидва методи забезпечують мінімальне втручання в навколишнє середовище, зберігаючи природний ландшафт і інфраструктуру.

Горизонтально-направлене буріння (ГНБ) являє собою безтраншейний метод прокладання підземних комунікацій, що здійснюється по дугоподібній траєкторії на невеликій глибині. Похило-спрямоване буріння (ПСБ), також відоме як контрольоване спрямоване буріння, є способом спорудження свердловин з відхиленням від вертикалі в заданому напрямку і широко застосовується в нафтогазовій промисловості.

Обидва методи належать до технологій безтраншейного будівництва, які мають значні переваги перед традиційними методами відкритої траншеї, мінімізуючи порушення поверхні та вплив на навколишнє середовище. Метою цього звіту є всебічне порівняння методів ГНБ та ПСБ, зосереджуючи увагу на їхніх принципах, процесах, сферах застосування та придатності для різних проєктів.

Основні принципи горизонтально-направленого буріння (ГНБ)
Процес горизонтально-направленого буріння складається з трьох основних етапів.

Буріння пілотної свердловини є першим і найважливішим етапом, під час якого бурильна головка невеликого діаметра (зазвичай від 7,6 до 20,3 см) прокладає напрямну свердловину за заздалегідь визначеною траєкторією від точки входу до точки виходу. Бурильна головка приводиться в дію буровою установкою, а буровий розчин (глинистий розчин) подається через бурильну трубу для змащення, охолодження бурової головки та видалення бурового шламу. За бурильною головкою розташовується передавач, який передає дані про місцезнаходження та орієнтацію бурової головки оператору, що дозволяє коригувати напрямок буріння. Керування напрямком здійснюється за допомогою асиметричної бурильної головки та регулювання її обертання, або ж із застосуванням викривленого перехідника чи забійного двигуна. Точність прокладання пілотної свердловини є надзвичайно важливою, оскільки вона визначає траєкторію всієї комунікації.

На етапі розширення свердловини (рімінг) відбувається збільшення діаметра пілотної свердловини до необхідного розміру для прокладання продуктової труби за допомогою розширювача (райбера), який протягується назад через пілотну свердловину. Часто розширення здійснюється в кілька проходів із використанням розширювачів, що поступово збільшуються в діаметрі, особливо для труб великого діаметра. Буровий розчин продовжує циркулювати для стабілізації стінок свердловини та видалення бурового шламу.

Вибір типу розширювача залежить від ґрунтових умов та необхідного діаметра свердловини. Етап розширення є важливим для забезпечення успішного протягування продуктової труби.

На завершальному етапі – протягуванні комунікацій (пулбек) – заздалегідь підготовлена продуктова труба протягується через розширену свердловину, часто з використанням бурового розчину як мастила. Для запобігання скручуванню труби використовується вертлюг, який з’єднує трубу з розширювачем або бурильною колоною. Контроль швидкості та сили протягування є важливим для запобігання пошкодженню труби. Для труб невеликого діаметра існують методи прямого протягування, які виключають необхідність заміни бурильної головки для розширення. Успішне завершення етапу протягування забезпечує встановлення необхідної комунікації під землею.

У ГНБ використовуються різноманітні технології управління бурінням, включаючи магнітні та гіроскопічні системи навігації. Магнітні системи з дротовим зв’язком використовують магнітні поля для визначення положення бурової головки та можуть відстежуватися з поверхні. Гіроскопічні системи використовують гіроскопи та акселерометри, не залежать від магнітних полів і є кращим вибором в умовах електромагнітних перешкод. Системи стеження (наземні, котушкові) надають оператору дані про місцезнаходження бурової головки в реальному часі. Розробляються також бездротові системи управління, що усувають необхідність використання дротових з’єднань. Різноманітність технологій управління бурінням відображає постійне прагнення до підвищення точності та подолання обмежень, пов’язаних з різними підземними умовами та зовнішніми перешкодами.

Важливу роль у ГНБ відіграє буровий розчин, який зазвичай складається з води та бентонітової глини, іноді з додаванням різних реагентів залежно від ґрунтових умов. Функції бурового розчину включають стабілізацію стінок свердловини, видалення бурового шламу, змащення та охолодження бурової головки, а також зменшення тертя під час протягування труби. Правильне приготування та управління буровим розчином є критично важливими для ефективного та успішного виконання робіт з ГНБ. Переробка та належна утилізація відпрацьованого бурового розчину є важливими екологічними аспектами.

Основні принципи похило-спрямованого буріння (ПСБ)
Похило-спрямоване буріння (ПСБ) – це спосіб буріння невертикальних свердловин , який передбачає навмисне відхилення стовбура свердловини від вертикалі для досягнення підземних цілей, розташованих на відстані від бурової установки. Цей метод широко використовується в нафтогазовій промисловості для доступу до покладів, розташованих під перешкодами, або для збільшення площі контакту з продуктивним пластом. На відміну від ГНБ, основним завданням якого є горизонтальне прокладання комунікацій, ПСБ охоплює ширший спектр невертикального буріння, часто з метою оптимізації видобутку ресурсів із підземних формацій.

Буріння похилих та горизонтальних ділянок при ПСБ здійснюється із застосуванням спеціальних інструментів та технологій, що дозволяють змінювати напрямок бурової головки. Для ініціювання та контролю кута відхилення використовуються такі методи, як клинові відхилювачі, викривлені перехідники та керовані забійні двигуни. Буріння горизонтальних ділянок спрямоване на максимальне охоплення нафтогазоносного пласта. Також застосовуються технології багатозабійного буріння для створення кількох стовбурів з однієї свердловини. ПСБ забезпечує високий рівень контролю над траєкторією свердловини, що дозволяє проектувати складні конструкції свердловин для оптимізації доступу до покладів та видобутку.

Для контролю траєкторії свердловини на великих глибинах у ПСБ використовуються передові технології вимірювання та керування. Технологія MWD (Measurement While Drilling) надає дані в реальному часі про інклінометрію, азимут свердловини та властивості порід. Забійні двигуни з викривленими корпусами використовуються для спрямування бурової головки в потрібному напрямку. Системи RSS (Rotary Steerable Systems) забезпечують безперервний контроль напрямку під час обертання бурильної колони. Точний контроль траєкторії свердловини в ПСБ значною мірою залежить від складних технологій забійних вимірювань та керування, які забезпечують постійний зворотний зв’язок для бурової бригади.

Порівняльний аналіз методів ГНБ та ПСБ

Критерій	Горизонтально-направлене буріння (ГНБ)	Похило-спрямоване буріння (ПСБ)
Типові сфери застосування	Міські комунікації (водо-, газо-, телекомунікації, електромережі) під дорогами, річками, залізницями, в густозабудованих районах	Нафтогазова розвідка та видобуток, включаючи доступ до покладів під складними територіями, буріння похилих та горизонтальних свердловин для збільшення видобутку ; буріння розвідувальних свердловин та видобуток корисних копалин.
Характеристики обладнання	Компактні мобільні установки (міні-ГНБ) до великих потужних установок (максі-ГНБ). Глибина буріння від невеликої (до 4,5 м для міні-ГНБ) до тисяч метрів (для максі-ГНБ). Діаметр труб від кількох дюймів до понад 120 см.	Потужні гусеничні установки, призначені для великих глибин та складних геологічних умов. Глибина буріння до тисяч метрів. Діаметр труб залежить від призначення свердловини.
Економічна ефективність	Може бути економічно вигіднішим за традиційні методи, особливо в міських умовах, завдяки зниженню витрат на розкопки, відновлення та порушення інфраструктури. Терміни виконання від кількох тижнів до кількох місяців. Витрати на обслуговування включають управління буровим розчином та утримання обладнання.	Потребує значних початкових інвестицій у спеціалізоване обладнання та планування. Економічна доцільність залежить від потенціалу видобутку ресурсів. Терміни виконання можуть бути тривалими. Витрати на обслуговування включають утримання бурової установки та забійних інструментів.
Вплив на навколишнє середовище	Менший вплив порівняно з відкритими розкопками завдяки мінімальному порушенню поверхні, зменшенню ерозії ґрунту та збереженню екосистем. Необхідно контролювати рівень шуму, особливо в міських умовах. Утилізація відходів буріння (шламу та відпрацьованого бурового розчину) потребує належного управління.	Може мати значний вплив, включаючи ризик розливів, викидів та порушення середовища проживання, особливо при морському бурінні. Правильне управління буровими розчинами та відходами є критично важливим.
Технічні обмеження та можливості	Обмеження включають необхідність детальної інформації про підземні умови, ризик неконтрольованого виходу бурового розчину (гідророзриву) та складність буріння в дуже твердих породах або формаціях із великими валунами. Можливості включають прокладання різних типів комунікацій на значні відстані та з великими діаметрами.	Обмеження включають складність підтримки точного контролю траєкторії на великих глибинах та ризик нестабільності стовбура свердловини. Можливості включають доступ до складних геометрій пластів, буріння свердловин із великим відходом від вертикалі та багатозабійне буріння для підвищення видобутку.

Переваги та недоліки використання методу ГНБ у міських умовах

Переваги: Метод ГНБ у міських умовах є вигідним завдяки мінімізації руйнування дорожнього покриття та іншої інфраструктури. Це дозволяє уникнути значних затримок руху та витрат на відновлення благоустрою. Щільність забудови та наявність підземних комунікацій роблять ГНБ особливо цінним, оскільки він дозволяє прокладати нові мережі, не пошкоджуючи існуючі.

Недоліки: Для успішного застосування ГНБ необхідна точна інформація про розташування існуючих підземних комунікацій, щоб уникнути їх пошкодження (перехресні проколи). Розміри та вага обладнання можуть бути обмеженням в умовах щільної міської забудови. Існує також ризик неконтрольованого виходу бурового розчину на поверхню.

Переваги та недоліки використання методу ПСБ для масштабних проектів
Переваги: Метод ПСБ є незамінним для прокладання магістральних трубопроводів під водними перешкодами (річками, озерами, морями) з мінімальним впливом на водне середовище та прибережну зону. У галузі видобутку нафти і газу на значних глибинах ПСБ дозволяє отримувати доступ до покладів, розташованих у складних геологічних умовах. Можливість буріння свердловин із великим відходом від вертикалі з однієї точки знижує загальну площу робіт.

Недоліки: Реалізація масштабних проектів із використанням ПСБ пов’язана з високими початковими витратами на спеціалізоване обладнання та ретельне планування. Технічна складність вимагає залучення висококваліфікованого персоналу. Неправильне управління може призвести до значного негативного впливу на навколишнє середовище. Підтримання стабільності стовбура свердловини та контролю траєкторії на великих глибинах є складним завданням.

Сучасні технології та інновації в галузі ГНБ та ПСБ
В обох галузях спостерігається постійний розвиток технологій та інновацій. У сфері ГНБ з’являються нові бурильні інструменти, такі як більш міцні та ефективні бурові головки та розширювачі, призначені для різних ґрунтових умов. Вдосконалюються системи навігації, включаючи бездротові технології, які усувають необхідність використання дротових з’єднань. Покращується точність та надійність гіроскопічних та магнітних систем стеження. Впроваджуються методи підвищення ефективності буріння, такі як технологія PWD (Pressure While Drilling) для моніторингу забійних умов у реальному часі та використання бурових розчинів із покращеними властивостями. Для швидшого прокладання труб невеликого діаметра використовуються методи прямого протягування.

У галузі ПСБ також спостерігаються значні інновації в бурильних інструментах, включаючи вдосконалені забійні двигуни та роторні керовані системи, що забезпечують кращий контроль напрямку. Розвиваються системи навігації та геонавігації, що дозволяють бурити свердловини зі складною траєкторією з високою точністю. Методи підвищення ефективності буріння включають оптимізацію параметрів буріння, використання передових бурових розчинів та технологій керування тиском у свердловині.

Аналіз факторів, які впливають на вибір між методами ГНБ та ПСБ

Вибір між методами ГНБ та ПСБ для конкретного проекту залежить від ряду факторів. Геологічні умови є одним із ключових аспектів. ГНБ краще підходить для м’яких ґрунтів, тоді як ПСБ може використовуватися у твердіших породах. Однак наявність великих валунів або нестабільних ґрунтів може ускладнити застосування обох методів. Довжина та діаметр свердловини також є важливими факторами. ГНБ зазвичай застосовується для відносно коротких та невеликих за діаметром свердловин, хоча існують і технології для великих переходів. ПСБ може використовуватися для буріння значно довших свердловин із більшим діаметром.

Наявність перешкод на поверхні та під землею також впливає на вибір методу. Обидва методи дозволяють обходити перешкоди, але складність траєкторії може віддати перевагу одному з них. Нарешті, бюджет проекту є суттєвим обмеженням. ГНБ часто є економічно вигіднішим для міських комунікацій, тоді як ПСБ для масштабних проектів вимагає значних інвестицій.   

Обидва методи – ГНБ та ПСБ – є важливими інструментами для безтраншейного будівництва та видобутку ресурсів. ГНБ є кращим вибором для прокладання комунікацій у міських умовах завдяки його здатності мінімізувати порушення та обходити існуючу інфраструктуру. ПСБ, з іншого боку, є незамінним для великомасштабних проектів, таких як прокладання трубопроводів під водними перешкодами та видобуток нафти і газу на значних глибинах, де потрібен точний контроль траєкторії на великих відстанях.

Вибір між цими методами залежить від конкретних вимог проекту, геологічних умов та економічних міркувань. Постійний розвиток технологій в обох галузях розширює їхні можливості та підвищує ефективність.

---