Akademia Górniczo - Hutnicza

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Techniki i Technologie Bezwykopowe

Wykonał:

Przemysław Bochenek

Rok III gr.2

Spis treści

I. Temat projektu:

Przekroczenie terenów zielonych i rzeki dla instalacji rury stalowej o średnicy 508 mm na dystansie 350 m dla przesyłu gazu.

II . Wstęp

1. Wiercenia HDD

W ostatnich latach bardzo dużą popularnością w inżynierii budowlanej cieszą się przewierty sterowane jako metoda układania instalacji podziemnych. Dzięki temu można przekroczyć w szybki sposób ruchliwe szlaki komunikacyjne, silnie zurbanizowane tereny, rzeki, brzegi morskie, obszary chronione oraz takie do których dostęp jest utrudniony. Wiercenia kierunkowe HDD zwane potocznie horyzontalnymi przewiertami sterowanymi są zaliczane do jednych z najbardziej zaawansowanych metod układania podziemnych instalacji. Cechą wyróżniającą HDD jest szybki postęp prowadzonych prac wiertniczych oraz minimalny wpływ na środowisko. Metoda jest stosowana głównie tam, gdzie tradycyjne prowadzenie instalacji w wykopach jest niemożliwe lub niepraktyczne. Najczęściej przewierty wykonywane są:

1. Na terenach silnie zurbanizowanych, gdzie wykorzystanie metod tradycyjnych jest niemożliwe ze względu na istniejącą zabudowę.

2. Gdy zachodzi potrzeba pokonania przeszkód w postaci traktów komunikacyjnych (ruchliwych szos, torów tramwajowych i kolejowych)

3. Na terenach o gęstej sieci wodociągów, kanalizacji oraz linii energetycznych i telekomunikacyjnych. W takim przypadku jedynym rozwiązaniem jest wykonanie poziomego przewiertu poniżej siatki instalacji.

4. W przypadku przekraczania żeglownych rzek i kanałów bardziej opłacalne może być położenie instalacji pod dnem, niż budowa konstrukcji zawieszonej nad lustrem wody.

5. Podczas pokonywania gór i wzniesień

6. Podczas prowadzenia instalacji przez tereny które ze względu na walory przyrodnicze i krajobrazowe powinny zostać nienaruszone

2. Zalety przewiertów kierunkowych

1. umożliwia instalację sieci poniżej poziomu wód gruntowych bez koniczności odwodnienia

2. nie powoduje naruszenia brzegów rzek, wałów przeciwpowodziowych oraz nasypów

3. zmniejsza ograniczenie w ruchu pojazdów oraz okres odtwarzana nawierzchni

4. redukuje do minimum ingerencję w środowisko naturalne

5. umożliwia instalowanie obiektów podziemnych według założonych parametrów dzięki pomiarom głębokości, kierunku oraz kąta nachylenia w każdym etapie przewiertu.

3. Porównanie HDD z metodami klasycznymi

Parametr	Wiercenie HDD	Metody klasyczne
Roboty ziemne	Minimalne (tylko przy brzegach)	Bardzo duże
Roboty czerpalne	brak	Bardzo duże
Kolizje	Nie występują	Bardzo uciążliwe
Zniszczenia	Brak	Maksymalne
Bezpieczeństwo	Bardzo duże	Średnie
Czas trwania	Zminimalizowany	Bardzo długi
Rura/ciąg rezerwowy	Brak	Wymagany
Montaż	Bardzo łatwy	Uciążliwy
Usprzętowienie	Wyłącznie sprzęt specjalistyczny	Bardzo duże
Odbudowa koryt	Nie występuje	Kompletna
Wpływ warunków meteo	Minimalny	Maksymalny
Ochrona wód	maksymalny	brak

III. Topografia terenu

Teren przygotowany pod inwestycję związaną z późniejszym przesyłem gazu mieści się w granicach administracyjnych województwa małopolskiego w powiecie gorlickim w gminie Biecz. Gmina Biecz jest w części południowo-wschodniej województwa małopolskiego.

1. Plan sytuacyjny

Planowana długość przewiertu ma mieć długość 350 [m]. Średnica rur do przesyłu gazu, dla których wykonywany jest ten przewiert wynosi 508 [mm]. Rurociąg będzie wykonany ze stali. Teren niezurbanizowany, brak jakichkolwiek budynków, istnieją lokalne drogi dojazdowe do pól i działek. Na trasie przewiertu znajduje się rzeka. W pobliżu planowanego punktu wejścia oraz wyjścia nie są zlokalizowane sieci wysokiego napięcia, brak wodociągów, brak rur ciepłowniczych itp. Nie ma żadnego niebezpieczeństwa uszkodzenia jakichkolwiek instalacji naziemnych jak i podziemnych. W pobliżu planowanej inwestycji nie prowadzono podobnych działań. Przeprowadzone badania wizji lokalnej jak i badań historycznych nie wykazały przeszkód w prowadzeniu tego typu zabiegów.

Rys.1. Mapa topograficzna 1:10000 z zaznaczoną na czerwono trasą przebiegu instalacji

2. Rzut z góry

Planowana długość przewiertu wynosi 350 [m]. Szyb startowy znajduje się po prawej stronie rzutu. Przewiert przechodzi pod: rzeką o szerokości 30 [m], polami uprawnymi, drogami polnymi oraz roślinnością nadrzeczną, która stanowią łąki oraz niewysokie pojedyncze drzewa.

Rys.2. Rzut z góry skala 1:5000

3. Geologia

Na zlecenie wykonawcy odwiertu dokonano badania gruntu w celu uzyskania niezbędnych informacji, wykonano:

• klasyfikacje i ocenę istniejącej dokumentacji. Przeanalizowane zostały mapy geologiczne, hydrogeologiczne oraz sozologiczne. Poza tym dokonano analizy dokumentacji geologicznej i geotechnicznej terenów leżących w bliskiej odległości od miejsca planowanego wiercenia.

• badania historyczne.

• próby penetracyjne metodą standardową.

• otwory badawcze.

• badania geofizyczne z wykorzystaniem georadaru. Określono granice warstw.

4. Wejście na teren budowy, przygotowanie terenu dla potrzeb urządzenia wiertniczego, wykonanie wykopu początkowego

Po przygotowaniu projektu wiercenia określa się miejsce ustawienia wiertnicy oraz miejsce i wymiary wykopu początkowego (komory startowej) i wykopu docelowego (komory odbiorczej). Przy większych wierceniach wykonuje się odrębne projekty organizacyjne. Wielkość wykopu początkowego i docelowego zależy od średnicy wciskanej rury.

Punkt wejścia:

Punkt wyjścia:

5. Trajektoria przewiertu

Istnieje różnica pomiędzy dokumentacją projektową a projektem robót wiertniczych. Dokumentację projektową sporządza projektant trajektorii przewiertu, natomiast projekt robót wiertniczych firma wiertnicza, opierając się na dane dokumentacji projektowej.
Przy projektowaniu wiercenia ważnym czynnikiem jest długość i średnica wciskanej rury, głębokość krzyżujących się obiektów oraz skład gruntu.
Podczas projektowania pod uwagę brany jest promień gięcia wciskanej rury. W przypadku rur stalowych z reguły promień gięcia wciskanej rury określa minimalny promień zgięcia przewiertu.
Podczas sporządzania projektu wiercenia uwzględnia się także przepisowe dla istniejących przewodów komunalnych odległości ochronne.

Wybór optymalnego profilu otworu

Zakładane parametry:

-długość otworu mierzona wzdłuż rur - 350 [m]

-maksymalna głębokość rzeki w planowanym miejscu przekroczenia - 5,5 [m] p.p.t

-minimalna głębokość pod dnem rzeki - 5,5 [m]

Zatem maksymalna głębokość liczona w pionie od punktu wyjścia wyniesie
ok. 11 [m] p.p.t.

6. Profil geologiczny

Lp.	Warstwa	Interwał [m]	Miąższość [m]
1	Gleba	0 - 0,5	0,5
2	Piaski gruboziarniste	0,5 - 9,5	9
3	Piaski drobnoziarniste	9,5 - 13	3,5
4	Iły nieprzepuszczalne	13 - 14,5	1,5

7. Testy laboratoryjne

Na pobranych rdzeniach i próbkach gruntu zostały przeprowadzone test w laboratorium, poniżej znajdują się uzyskane wyniki.

TABELARYCZNE ZESTAWIENIE WYNIKÓW ANALIZY SITOWEJ:

Gleba. (Masa próbki 550g).

Lp.	Rozmiar oczek [mm]	Masa części próbki [g]	Procent masy całkowitej
1	40	6	2,1
2	25	28	6,1
3	10	94	16,1
4	2	226	44,1
5	1	131	23,8
6	0.5	54	9,8
7	0.25	11	3
8	0.1	0	0
9	0.06	0	0

Piaski gruboziarniste. (Masa próbki 550g).

Lp.	Rozmiar oczek [mm]	Masa części próbki [g]	Procent masy całkowitej
1	40	0	0
2	25	0	0
3	10	0	0
4	2	0	0
5	1	50	9,1
6	0.5	120	21,8
7	0.25	210	38,2
8	0.1	150	27,3
9	0.06	20	3,6

POROWATOŚĆ - Współczynniki porowatości określone na podstawie badań laboratoryjnych zamieszczono w tabeli:

Lp.	Warstwa	Porowatość [%]
1	Gleba	48
2	Piaski gruboziarniste	33
3	Piaski drobnoziarniste	22
4	Iły nieprzepuszczalne	15

WSPÓŁCZYNNIK FILTRACJI - Wyniki badań współczynnika filtracji na podstawie badań laboratoryjnych:

Lp.	Warstwa	Współczynnik filtracji [m/s]
1	Gleba	10^-2
2	Piaski gruboziarniste	10^-4
3	Piaski drobnoziarniste	10^-5
4	Iły nieprzepuszczalne	10^-8

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE - Zalecono przeprowadzenie laboratoryjnych badań wytrzymałości mechanicznej według PN-88/B-04481

POWIERZCHNIA WŁAŚCIWA - Oznaczana w laboratorium metodą sorpcji błękitu metylowego.

Lp.	Warstwa	Powierzchnia właściwa [cm^-1]
1.	Gleba	37000
2.	Piaski gruboziarniste	11960
3.	Piaski drobnoziarniste	13400
4.	Iły nieprzepuszczalne	84000

GĘSTOŚĆ WŁAŚCIWA I OBJĘTOŚCIOWA - Wyniki uzyskane na podstawie badań laboratoryjnych metodą wyporu hydrostatycznego i metodą wysuszania:

Lp.	Warstwa	Gęstość objętościowa ρ [ g/cm^3]	Gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρs [ g/cm^3 ]
1.	Gleba	1,9	2,6
2.	Piaski gruboziarniste	2,05	2,55
3.	Piaski drobnoziarniste	2.15	2.65
4.	Iły nieprzepuszczalne	2.72	2.75

IV. Przeszkody na trasie

Nie doszukano się istnienia jakichkolwiek przeszkód podziemnych w postaci: kabli energetycznych, światłowodów, przewodów oraz gazociągów, które mogłyby przeszkodzić w realizacji inwestycji. Ponadto w rejonie trasy planowanego przewiertu nie znajdują się żadne pozostałości po robotach budowlanych które mogły by utrudnić realizację projektu.

V. Technologia wykonywania przewiertu

Poszczególne fazy wykonywania przewiertu kierunkowego:

1. wykonanie projektu trajektorii i wyznaczenie położenia punktu wyjścia przewiertu,

2. dobór technologii wiercenia,

3. przygotowanie terenu dla potrzeb urządzenia wiertniczego oraz zaplecza technicznego - zazwyczaj od 500 do 1500 m²

4. wiercenie, składające się z trzech etapów:

1. Wykonanie otworu pilotowego

Otwór pilotowy ma za zadanie wytyczyć oś wbudowywane­go rurociągu. Otwór ten drążony jest ukośnie w dół pod kątem 11°-20°, a następnie na projektowanej głębokości zmienia się kierunek poziomy. Wykonanie otworu pilotowego polega na wciskaniu w grunt żerdzi wiertniczych, na początku których znajduje się głowica pilotowa z zamontowaną wewnątrz niej płytką sterującą, odchyloną od osi głowicy pod kątem 15%-20%.

W tym etapie możliwe jest sterowanie przewiertem dzięki umieszczonej w głowicy pilotowej sondzie nadawczej.

Umieszczony na głowicy wiertnicy, 8-12 kHz-owy nadajnik przekazuje jednostce odbiorczej głębokość głowicy wiertnicy, kąt jej nachylenia, kierunek w poziomie oraz "sygnał zegarowy". Zastosowane urządzenie będzie posiadać koronkę zamocowaną na rurach płuczkowych. Przewód z rozwiercającą koronką stabilizuje ściany otworu, efektywnie wspiera wiercenie pilotowe oraz daje możliwość zmiany narzędzia wiercącego.

W trakcie przeprowadzania wiercenia naprzemiennie stosuje się wiercenie i tłoczenie, w międzyczasie nieustannie - pod wysokim ciśnieniem - do otworu wciskany jest bentonit. Prowadzenie przewiertu zapewnione jest poprzez tłoczenie w odpowiednim kierunku.

2. Poszerzenie otworu

Głowicę wymienia się na odpowiedniej wielkości głowicę rozwiercającą. Wielkość poszerzenia determinowana jest długością przewiertu, warunkami geologicznymi, parametrami wytrzymałościowymi rur, promieniami krzywizny otworu. Żerdzie wiertnicze będą dokręcane sukcesywnie po stronie punktu wyjścia. Płuczka wiertnicza będzie o wymaganych parametrach reologicznych pompowana będzie w objętości gwarantującej wyniesienie urobku i stabilność ścian otworu. Postęp będzie porównywany z wydatkiem pompy płuczkowej, geometrią otworu, dopuszczalnym momentem obrotowym i siłą uciągu urządzenia

3. Wciskanie rury docelowej

Ostatnim etapem wykonania przewiertu jest przeciąganie rury. Po należytym przygotowaniu otworu (rozwierceniu do pożądanej średnicy, ustabilizowaniu jego ścian, oczyszczeniu jego "światła" na całej długości przewiertu) możemy przystąpić do przeciągania wcześniej przygotowanego całego odcinka rury. Do rozwiertaka (wyposażonego w krętlik, uniemożliwiający przenoszenie się ruchu obrotowego na ciągnięte elementy) zaczepiamy rurę, na której koniec wcześniej montujemy głowicę ciągnącą. Tak przygotowany rozwiertak wraz z rurą, przeciągamy przez otwór (ten etap musi być przeprowadzony w ruchu ciągłym - przerwy nie powinny być dłuższe niż niezbędne jak np. rozkręcenie i demontaż żerdzi na wiertnicy).

5. przywrócenie terenu zakończonych prac wiertniczych do stanu pierwotnego

Po wciśnięciu rur dochodzi do wypompowania pozostałego iłu bentonitowego, do zasypania wykopów i przywrócenia terenu zakończonych prac. Z przewiertu sporządza się przekrój podłużny zrealizowanych robót.

6. Dokumentacja

VI. Płuczki

Płuczka wiertnicza stanowi roztwór wodny różnego rodzaju bentonitów i dodatków uszlachetniających. Podczas wiercenia pilotowego płuczka zwilża zarówno żerdź wiertła jak i ścianki otworu, chłodzi świder wraz ze znajdującą się w pobliżu sondą systemu sterowania, usuwa powstające zwierciny poprzez wypłukiwanie, wypełnia, stabilizuje i uszczelnia otwór, a także znacznie zmniejsza ryzyko tworzenia się kawern otworu wokół wiertła i jego żerdzi. Podczas poszerzania otworu i samej instalacji rurociągu płuczka zmniejsza ryzyko zakleszczenia się rozwiertaka bądź instalowanych rurociągów W wykonywanym przewiercie zostanie zastosowana płuczka składająca się z bentonitu.

VII. Instalacja do przesyłu gazu

Przewidywane naprężenia powinny być porównywane z parametrami wytrzymałościowymi materiału rury. Dla rur polietylenowych HDPE stosunek średnicy do grubości ścianki waha się w granicach 10 - 12 i powinien być konsultowany z normami branżowymi stosowanymi przez producenta.

W inwestycji wykorzystane zostaną rury stalowe bezszwowe S przewodowe klasy A ze stali do przesyłu gazu oraz paliw płynnych producenta SteelTubes Sp. z.o.o. o następujących parametrach:

• Zakres średnic: 150 - 1600 mm,

• Zakres długości: standardowo 4 - 14 m lub na zamówienie dowolne długości,

• Zakres sdr: 9 - 41,

• Przeznaczenie: rurociągi ciśnieniowe, technologiczne, przewierty horyzontalne, wyloty morskie, syfony, renowacje,

• Sposób łączenia: zgrzewanie doczołowe

• Średnia wartość modułu sprężystości E: 800 MPa

• Inne parametry są podane w normie: PN-H-74221

VIII. Obliczenia projektowe

Dane:

Średnica rury: D_R = 508 mm

Długość przewiertu: L = 350 m

Maksymalny wydatek pompy: Q_max = 757 l/min

Moc potrzebna do realizacji procesu wiercenia:

Gdzie:

N_P - moc na przemieszczanie przewodu lub rury osłonowej

N_N - moc potrzebna do obracania narzędzia wiercącego

N_S - moc potrzebna do zwiercania struktury skalnej

Moc potrzebna na przesuwanie przewodu wzdłuż trajektorii osi przewodu wiertniczego:

Moc potrzebna na obracanie przewodu wiertniczego:

Gdzie:

ω - prędkość kątowa przewodu wiertniczego [s^-1]

v - prędkość przesuwania [m/s]

T - siła osiowa (ciągu lub nacisku) [N]

Gdzie:

M_N - moment obrotowy narzędzia wiercącego [N/m]

F_N - ciężar narzędzia wiercącego [N]

D - średnica otworu wiertniczego [m]

γ - ciężar właściwy poszerzacza [kg/m³]

L_N - długość robocza poszerzacza [m]

μ - współczynnik tarcia przewodu wiertniczego o ścianę otworu [-]

Dla poszerzaczy obrotowych:

Dla świdrów skrawających:

Gdzie:

k₁ - współczynnik nierównomierności pracy świdra

A_S - pole powierzchni zwiercanej skały [m²]

R_C - wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie skały [N/m²]

Z_o - liczba ostrzy świdrów skrawających [-]

n - prędkość obrotowa narzędzia [1/s]

V_śr - prędkość wiercenia [m/s]

k₂ - współczynnik uwzględniający tarcie boczne k₂

μ - współczynnik tarcia [-]

P - nacisk na świder [N]

D - średnica świdra [N]

Obliczenia:

Dobór średnicy otworu pilotowego i kolejnych poszerzeń.

Średnica końcowa przewiertu:

D_k = 1.6 ∙ D_R = 812.8 mm → z tabeli 813 mm = 32”

Średnica otworu pilotowego:

n = 6

n - liczba założonych poszerzeń

→ (z tabeli) 311,1 [mm] = 12¹/₄”

Określamy średnicę kolejnych poszerzeń:

Średnica 1 poszerzenia:

gdzie:

i-numer poszerzenia

D₀- średnica początkowa przewiertu [mm]

Przyjmuję średnicę poszerzacza z tabeli: D₁ = 18” = 437 mm

Średnica 2 poszerzenia:

Przyjmuję średnicę poszerzacza z tabeli: D₂ = 20” = 508 mm

Średnica 3 poszerzenia:

Przyjmuję średnicę poszerzacza z tabeli: D₃ = 24” = 610 mm

Średnica 4 poszerzenia:

Przyjmuję średnicę poszerzacza z tabeli: D₄ = 28” = 711 mm

Średnica 5 poszerzenia:

Przyjmuję średnicę poszerzacza z tabeli: D₅ = 30” = 762 mm

Średnica 6 poszerzenia:

Przyjmuję średnicę poszerzacza z tabeli: D₆ = 32” = 813 mm

Tabelaryczne zestawienie faz przewiertu i średnicy poszerzeń

Faza przewiertu	Średnica {mm]
Pilot	311,1
Średnica 1 poszerzenia	437
Średnica 2 poszerzenia	508
Średnica 3 poszerzenia	610
Średnica 4 poszerzenia	711
Średnica 5 poszerzenia	762
Średnica 6 poszerzenia	813

Objętość płuczki i prędkość wiercenia

Otwór pilotowy:

1 poszerzenie

2 poszerzenie

3 poszerzenie

4 poszerzenie

5 poszerzenie

6 poszerzenie

Instalacja rurociągu:

Faza przewiertu	Ilość płuczki [m^3]
Pilot	101,13
1 poszerzenie	68,78
2 poszerzenie	66,24
3 poszerzenie	110,4
4 poszerzenie	132,5
5 poszerzenie	72,8
6 poszerzenie	79,8
Instalacja rurociągu	188,7

Całkowita objętość płuczki:

Objętość płuczki gdy korzystamy z recyklingu

Masa płuczki:

Przyjmując gęstość płuczki
, wyliczam masę płuczki.

Ze względów ekonomicznych zdecydowano się na metodę z recyklingiem.

IX Urządzenia

W celu wykonania przewiertu wykorzystana zostanie wiertnica D100x120 Series II

Dane techniczne

Długość (do transportu): 1042 cm

Szerokość (do transportu): 237 cm

Wysokość (do transportu): 300 cm

Ciężar: 19.731 kg

Prędkość jazdy: 5,15 km/h

Imadło hydrauliczne do mocowania żerdzi: TAK

Automatyczny podajnik żerdzi: TAK

Zdalna blokada pracy: TAK

Oświetlenie miejsca wiercenia: TAK

Parametry pracy

Maksymalny moment obrotowy: 16269,8 Nm

Siła ciągnięcia: 445 kN

Siła pchania: 445 kN

Maksymalna prędkość obrotowa wrzeciona: 120 obr./min

Układ elektryczny: 12V

Napęd

Silnik: John Deere 6068

Moc netto: 225 KM (168 kW)

Obroty maksymalne: 2400 obr./min

Żerdzie wiertnicze

Typ: Firestick®

Żerdzie kute w całości: TAK

Długość: 4.60 m

Średnica nominalna żerdzi: 8,89 cm - 3,5”

Średnica łączenia żerdzi: 11,11 cm - 4,375”

Promień ugięcia: 60,2 m

Łączna długość żerdzi w koszu: 91,4 m

Ciężar: 159,2 kg

Zbiorniki

Olej silnikowy (z filtrem): 31 l

Olej napędowy: 283,9 l

Olej hydrauliczny: 321,7 l

System płuczkowy

Przepływ maksymalny: 757 l/min

Ciśnienie maksymalne: 75,84 bar

Do wykonania otworu pilotowego wykorzystane zostało narzędzie firmy Vermeer .

W celu wykonania poszerzeń używaliśmy narzędzi firmy Ditch Witch.

X Kosztorys

Wiertnica horyzontalna	1 467 000
Narzędzia wiercące	5 500
Rury stalowe	180 000
Sporządzenie projektu przewiertu	7 000
Bentonit	490 800
Wynajem recyklingu	3 500
Woda użyta do sporządzenia płuczki wiertniczej	4 000
Przygotowanie terenu	2 500
Otwory badawcze	4 000
Badania geofizyczne	7 000
Badania geologiczne	6 000
Pensje dla pracowników	15 000
	∑= 2 192 300

XI Literatura

• „Projektowanie otworów wiertniczych” A. Gonet, S. Stryczek, M. Rzyczniak,

• „Wiertnictwo” L. Szostak,

• „Geoinżynieria” A. Gonet, S. Stryczek,

• „Projektowanie trajektorii horyzontalnego przewiertu sterowanego" R.Wiśniowski, S.Stryczek

• Program „Horizon” Łukasz Gościński

1

---