Akademia Górniczo – Hutnicza

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Wiertnictwa Nafty i Gazu

Górnictwo i Geologia

Projekt z Technik i Technologii bezwykopowych

Temat:

Przekroczenie rzeki i drogi ekspresowej dla instalacji rury HDPE o średnicy 400 mm na dystansie 400 m dla przesyłu wody pitnej. Różnica poziomów między punktami wyjścia i wejścia wynosi 10 m.

Projekt wykonał:

Bartosz Kołcz

Rok III

Gr II GiG

Kraków 2012

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. WSTĘP:

Przez ostatnie lata dużą popularnością w inżynierii budowlanej cieszą się przewierty sterowanie jako bezwykopową metoda układania instalacji podziemnych. Pozwala ona przekraczać w szybki sposób ruchliwe szlaki komunikacyjne, silnie zurbanizowane tereny, rzeki, brzegi morskie, obszary chronione oraz takie do których dostęp jest utrudniony. Wiercenia kierunkowe Horizontal Directional Drilling (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. Prace można przeprowadzać w bardzo szerokim zakresie warunków geotechnicznych oraz w bliskiej obecności innych podziemnych instalacji. Rurociągi mogą być budowane z bardzo różnych materiałów począwszy od stali, poprzez tworzywa sztuczne czy też z nietypowych materiałów jak żeliwo sferoidalne kończąc. Technologia jest wykorzystywana do instalacji niemal całej możliwej infrastruktury pod powierzchnią terenu.

Głównymi zaletami HDD są:

• technologia ta umożliwia prowadzenie prac, tam gdzie stosowanie innych metod jest utrudnione lub niemożliwe. Dotyczy to zwłaszcza miejsc takich jak:

  • nawierzchnie utwardzone - jezdnie, skrzyżowania, torowiska,

  • tereny trudno dostępne np. lasy, bagna,

  • pod ciągami wodnymi, ciekami oraz zbiornikami wodnymi.

  • w miejscach zawodnionych lub zadrzewionych

  • w mieście przy znacznym uzbrojeniu terenu,

• umożliwia instalację sieci poniżej poziomu wód gruntowych bez koniczności odwodnienia,

• nie powoduje naruszenia brzegów rzek, wałów przeciwpowodziowych oraz nasypów,

• zmniejsza ograniczenie w ruchu pojazdów oraz okres odtwarzana nawierzchni,

• redukuje do minimum ingerencję w środowisko naturalne,

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

Z wykorzystaniem technologii horyzontalnego przewiertu sterowanego realizuje się projekty w zakresie wierceń mało-, normalno- i wielko-średnicowych. W wiertnictwie, jako mało-średnicowe rozumieć należy otwory o końcowej średnicy nie przekraczającej . Otwory normalno-średnicowe to otwory o średnicy większej niż i mniejszej niż . Otwory o średnicy powyżej klasyfikuje się jako otwory wielko-średnicowe.

Przystępując do wykonania projektu HDD należy się zapoznać z wszelkimi dostępnymi informacjami mogącymi mieć wpływ na realizację przedsięwzięcia. Procedura realizacji przewiertu polega na: wyborze trasy, analizie badań geologicznych, doborze płuczki wiertniczej, projektowaniu planu i profilu przekroczenia oraz wykonaniu przewiertu.

1. TECHNOLOGIA WYKONYWANIA PRZEWIERTU:

1. Przewiert pilotażowy

CEL ETAPU:

Przewiercenie pod przeszkodą/mi żerdziami wiertniczymi zgodnie z wcześniej zaprojektowaną (wysokościowo i geodezyjnie) osią przewiertu.

TECHNOLOGIA WYKONANIA ETAPU:

Głowica wiercąca z płytką sterującą zamocowana do pierwszej żerdzi zostaje ustawiona pod odpowiednim kątem natarcia w otworze pilotażowym i rozpoczyna wwiercanie się w grunt. Sukcesywnie do przesuwającej się w głąb ziemi pierwszej żerdzi zostają dołączone następne. Głowica wiercąca posiada zainstalowaną sondę, która na bieżąco informuje - pracownika dokonującego pomiarów oraz operatora wiertnicy - o parametrach przewiertu (głębokość, pochylenie głowicy). Dane wysyłane są drogą radiową lub w przypadku silnych zakłóceń generowanych przez źródła zewnętrzne (np. linie energetyczne) poprzez kabel umieszczony wewnątrz żerdzi nazywany sondą kablową. Sterowanie polega na odpowiednim połączeniu ustawienia głowicy, obrotu i posuwu przekazywanego od wiertnicy poprzez żerdzie wiertnicze. Jeśli zostanie napotkana nieoczekiwana przeszkoda, jest możliwość wycofania kilku żerdzi i zmiany kierunku pracy wiertnicy w celu jej ominięcia. Profesjonalnie wyszkoleni i doświadczeni operatorzy nawigacji przy współpracy z operatorami wiertnic, potrafią wyprowadzić przewiert pilotażowy z dokładnością do kilkunastu centymetrów w oczekiwanym miejscu.
W czasie wykonywania wiercenia dozowana jest automatycznie poprzez żerdzie wiertnicze i dysze umieszczone na głowicy wiercącej płuczka bentonitowa. Jej funkcją jest urabianie gruntu, wypłukiwanie urobku z otworu, chłodzenie głowicy, smarowanie zewnętrznych ścian żerdzi wiertniczych.

1. Rozwiercanie otworu

CEL ETAPU:

Rozwiercenie otworu do zaplanowanego wcześniej rozmiar

TECHNOLOGIA WYKONANIA ETAPU:

Przewiert pilotażowy osiągnął punkt końcowy przewiertu. W tym momencie zostaje zdemontowana głowica wiercąca. Następnie w miejsce głowicy jest montowany osprzęt służący do powiększenia otworu – ROZWIERTAK. Rozwiertak zostaje wwiercany i przeciągany w kierunku maszyny. Proces rozwiercania może być dokonywany kilkakrotnie montując za każdym razem inną średnicę rozwiertaka. Jest on zależny od rodzaju i średnicy planowanej do przeciągnięcia rury, warunków geologicznych oraz długości przewiertu i powinien być większy od rury o 25%-80%. Po zakończeniu cyklu rozwiercania zostaje - od strony maszyny - zdemontowany rozwiertak. Podczas rozwiercania, podobnie jak przy przewiercie pilotazowym, cały czas jest podawana płuczka wiertnicza (wypływająca przez dysze umieszczone na ścianach rozwiertaka). Podstawowe zadania płuczki w tym etapie przewiertu to: wynoszenie urobku z otworu, pomoc w urabianiu jego ścian, chłodzenie rozwiertaka, stabilizacja ścian otworu. Ważnym elementem tego etapu jest kontrola i zachowanie się wypływu płuczki (wraz z urobkiem) z rozwiercanego otworu.

3. Przeciąganie rury

CEL ETAPU:

Wprowadzenie w wykonany otwór rury lub wiązki rur

TECHNOLOGIA WYKONANIA ETAPU:

Końcowym etapem wykonania przewiertu jest przeciąganie rury. W należycie przygotowany otwór (rozwierceniu do pożądanej średnicy, ustabilizowaniu jego ścian, oczyszczeniu jego "światła" na całej długości przewiertu) możemy przestąpić do wciągania 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. Przygotowany tak 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).

1. GEOLOGIA:

Przed wykonaniem projektu inwestycji konieczne było przeprowadzenie badań gruntu wzdłuż zaplanowanej trasy. Pozwoliło to zebrać informacje, które ułatwiły określenie techniki wykonania horyzontalnego przewiertu sterowanego. Badania gruntów stanowią podstawę projektowania i kryterium doboru:

1. Trajektorii osi otworu

2. Narzędzia wiercącego

3. Narzędzi urabiających

4. Płuczki wiertniczej

5. Mechanicznych i hydraulicznych parametrów wiercenia

Badania gruntu obejmowały następujące elementy:

• Klasyfikację i ocenę istniejącej dokumentacji

• Badania historyczne

• Otwory badawcze

• Próby penetracyjne

• Badania geofizyczne, georadarowe

• Testy laboratoryjne

• Raport geotechniczny

Klasyfikacja i ocena istniejącej dokumentacji została przeprowadzona w oparciu o dostępne mapy i materiały tj. mapy geologiczne, profile, rejestr otworów badawczych.

Badania historyczne przeprowadzono w pobliżu obszarów przemysłowych, dawnych osad i opuszczonych budowli. Oprócz istniejących materiałów archiwalnych tj. mapy, stare plany, zdjęcia lotnicze dokonano inspekcji terenu i wywiadu inżynierskiego.

Otwory badawcze wykonano w celu pobrania nienaruszonego rdzenia i określenia charakterystycznych właściwości i warstw gruntu. Wykonano je co , tuż przy planowanej trajektorii osi wiercenia. Głębokość otworów badawczych sięgała do poniżej najgłębszego poziomu planowanego profilu wiercenia. Następnie otwory wypełniono pęczniejącymi osadami iłowymi.

Przy wykonywaniu prób penetracyjnych posłużono się próbami stożkowymi i standardową próbą penetracyjną. Próba stożkowa polegała na wciskaniu umieszczonego na końcu żerdzi stożka w grunt ze stałą szybkością, a pomiary są zapisywane były jako suma łącznych wytrzymałości, tarcia tulei oraz wytrzymałości stożka. Próby stożkowe zaplanowane były w sąsiedztwie otworów badawczych. Głębokość wykonania prób stożkowych była taka sama, co umożliwiło porównanie otrzymanych parametrów gruntu w różnorodnych warstwach. Metoda standardowa polegała na wbijaniu ze stałą energią uderzeniową sondy w grunt. Wymagana liczba uderzeń na jednostkę długości wgłębienia była za każdym razem rejestrowana. Metoda standardowa obejmowała sondowanie lekką, średnią i ciężką sondą wbijaną.

Badania geofizyczne sprowadziły się do zastosowania profilowania elektromagnetycznego (georadaru). Metoda ta pozwala na detekcję urządzeń podziemnych, klasyfikację gruntu pod kątem zwieralności, lokalizacji zbrojeń, rur, kabli, lokalizacji pustek i obszarów zawodnionych, detekcję spękań, rozwarstwień, uskoków, badanie obszarów górniczych itp. W metodzie tej krótki impuls elektromagnetyczny jest emitowany w grunt ze źródła, które umieszczone jest na powierzchni terenu. Fale elektromagnetyczne odbijane są od warstw granicznych i zapisywane przez odbiornik znajdujący się na powierzchni terenu. Czas trwania i amplituda odbicia impulsów są mierzone oraz rejestrowane.

W ramach testów laboratoryjnych poddano otrzymane wcześniej rdzenie gruntu następującym badaniom:

• Wielkość ziaren/podział

• Kształt ziaren

• Wskaźnik porowatości

• Gęstość względna

• Stopień zagęszczenia

• Przepuszczalność

• Kształt strukturalny

• Granica płynności i plastyczności

Raport geotechniczny grunty w których będzie wykonywany horyzontalny przewiert sterowany to utwory czwartorzędowe i trzeciorzędowe. Przewiert przebiegał będzie pod dnem rzeki o regularnym dnie. Napotkanymi podczas badań gruntami były piaski drobnoziarniste, iły, żwiry i piaski gruboziarniste z wkładkami iłów. Na terenie przewiertu wykonano szereg otworów badawczych z których pobrano rdzenie. Następnie rdzenie zostały poddane testom laboratoryjnym, które wykazały że badany grunt jest gruntem naturalnym, spoistym, różnoziarnistym, o niskim współczynniku porowatości i niskiej przepuszczalności, o średnim stopniu zagęszczenia składającym się głównie z frakcji piaskowej. Przeprowadzone badania geofizyczne (profilowanie elektromagnetyczne) nie wykryły żadnych elementów, urządzeń i kabli umieszczonych pod ziemią, które mogłyby przeszkodzić w wykonaniu horyzontalnego przewiertu sterowanego.

1. PROJEKTOWANIE TRAJEKTORII WIERCONEGO PRZEWIERTU:

Po przeprowadzeniu analizy warunków geologicznych, hydrogeologicznych, morfologicznych, obecności i rodzaju istniejącej na trasie planowanego przewiertu infrastruktury technicznej (na- i podpowierzchniowej) możemy określić trajektorię przewiertu. Projektując przebieg trajektorii wielkogabarytowego horyzontalnego przewiertu sterowanego, należy wyznaczyć przestrzenne usytuowanie jej punktów charakterystycznych (początek i koniec krzywienia) oraz parametry odcinków prosto- i krzywoliniowych. Zakres stosowanych w praktyce kątów wejścia wynosi 8^o-20^o, kąt wyjścia natomiast powinien wynosić 6^o - 12^o zależnie od średnicy rurociągu.

Zgodnie z założeniem, że odległość od dna zbiornika wodnego powinna wynosić 10 – 15 krotność planowanej średnicy zainstalowanej rury przyjmuje się odległość od najgłębszego punktu dna rzeki. Średnicę końcową przewiertu ustala się jako 1,4 krotna wartość średnicy rury – . Trasa przewiertu HDD naniesiona jest na profil podłużny znajdujący się w załącznikach.

1. DOBÓR NARZĘDZI WIERCĄCYCH:

Przy typowaniu rodzaju narzędzia wiercącego należy wziąć pod uwagę szereg czynników takich, jak: rodzaj przewiercanych skał, dostępność na rynku, kompatybilność z innymi podzespołami przewodu i urządzenia wiertniczego oraz cena narzędzia. Źle dobrane narzędzie prowadzi zwykle do komplikacji wiertniczych, a nawet do niewykonania podjętych prac.

W naszym projekcie do określenia typu zastosowanych narzędzi wiercących posłużyliśmy się programem „Horizon”. Program ten kataloguje narzędzia wiertnicze różnych firm i umożliwia ich przegląd oraz wstępny dobór w zależności od rodzaju skał do jakich zostały one zaprojektowane.

1. DOBÓR RUR:

Zastosowano rury polietylenowe o średnicy zgodnie z projektem Φ400. Zaletami rur HDPE do wody pitnej są m.in. :

• nie zarastają kamieniem

• są obojętne ekologicznie i fizjologicznie

• łatwe w montażu

• odporne na większość środków chemicznych

• przejmują znaczne wydłużenia (nie wymagają stosowania kompensatorów)

• gładkie ścianki zmniejszają opory przepływu

• duża odporność na uszkodzenia przez korki lodowe (elastyczność tworzywa)

• odporność na korozję i elektrokorozję

• mała masa rury wynikająca z niskiej gęstości PE

• dobra udarność, również w niskich temperaturach

1. DOBÓR PŁUCZKI WIERTNICZEJ:

Pracę wiertnicy uzupełnia system płuczki wiertniczej. Płuczka wiertnicza stanowi roztwór wodny różnego rodzaju bentonitów i dodatków uszlachetniających.

System płuczkowy składa się on ze zbiornika płuczki bentonitowej, urządzenia przygotowującego płuczkę, urządzenia do oczyszczania płuczki z urobku, pompy ciśnieniowej do zatłaczania płuczki.

Stosowane w wiertnicach HDD systemy płuczkowe możemy podzielić na:

– system płuczkowy na bazie wodnej,

– system płuczki powietrznej.

Dzięki zastosowaniu płuczki wiertniczej możliwa jest wydajna praca wiertnicy poprzez:

• urabianie gruntu,

• transportowanie urobku na powierzchnię,

• zmniejszenie oporów tarcia,

• chłodzenie świdra i ścianki otworu,

• uszczelnianie ścianek otworu wiertniczego,

• wypełnia, stabilizuje i uszczelnia otwór.

• 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

B. CZĘŚĆ OBLICZENIOWA

1. ŚREDNICA OTWORU INSTALACYJNEGO.

Zadana przez zleceniodawcę średnica rury HDPE wynosi 400 [mm].

Zgodnie z zaleceniami DCA, średnicę otworu instalacyjnego określamy zgodnie ze wzorem:

D_n = (1, 2 − 1, 6)×D_r

gdzie:

D_n - Średnica otworu instalacyjnego

D_r - średnica rury

D_n = 1, 5 × 400 [mm] = 600[mm]

Porównując obliczoną wartość z tabelą narzędzi wiercących produkowanych przez firmę IDS, których będziemy używać podczas wykonywania prac ustalam średnicę ostatniego poszerzacza na 24 [in] => 610 [mm]

1. ILOŚĆ POSZERZEŃ:

Metodą prób i błędów z wykorzystaniem wzoru z pkt. 3 części obliczeniowej ustala się ilość poszerzeń na 5.

1. ŚREDNICA OTWORU PILOTOWEGO.

$$D_{0} = \frac{\sqrt{n + 1}}{n + 1} \times D_{n}$$

gdzie:

D_n - średnica otworu instalacyjnego

D₀ - średnica otworu pilotowego

n - liczba planowanych poszerzeń

$$D_{0} = \frac{\sqrt{5 + 1}}{5 + 1} \times 610\ \left\lbrack \text{mm} \right\rbrack = 249\ \lbrack mm\rbrack$$

Porównując z tabelą narzędzi wiercących IDS stosuje się średnicę :

9⁷/₈ [in] => 250,8 [mm]

Do wykonania przewiertu pilotowego:

1. ŚREDNICA KOLEJNYCH POSZERZEŃ.

Średnicę kolejnych poszerzeń ustalamy za pomocą poniższego wzoru:

$$D_{i} = \sqrt{i + 1} \times D_{0}$$

gdzie:

D_n - średnica otworu instalacyjnego

D₀ - średnica otworu pilotowego

i - numer poszerzenia

1. PIERWSZE POSZERZENIE.

$$D_{1} = \sqrt{2} \times 250,8 = 355\ \lbrack mm\rbrack$$

Porównując z tabelą narzędzi wiercących IDS stosuje się średnicę :

14 [in] => 356 [mm]

1. DRUGIE POSZERZENIE.

$$D_{2} = \sqrt{3} \times 250,8 = 434\ \lbrack mm\rbrack$$

Porównując z tabelą narzędzi wiercących IDS stosuje się średnicę :

15 [in] => 457 [mm]

1. TRZECIE POSZERZENIE.

$$D_{3} = \sqrt{4} \times 250,8 = 501,6\ \lbrack mm\rbrack$$

Porównując z tabelą narzędzi wiercących IDS stosuje się średnicę :

20 [in] => 508 [mm]

1. CZWARTE POSZERZENIE.

$$D_{4} = \sqrt{5} \times 250,8 = 561\ \lbrack mm\rbrack$$

Porównując z tabelą narzędzi wiercących IDS stosuje się średnicę :

22 [in] => 559 [mm]

1. PIĄTE POSZERZENIE.

$$D_{5} = \sqrt{26} \times 250,8 = 614\ \lbrack mm\rbrack$$

Porównując z tabelą narzędzi wiercących IDS stosuje się średnicę :

24 [in] => 610 [mm]

Do wykonania poszerzenia:

1. ZESTAWIENIE TABELARYCZNE ŚREDNIC KOLEJNYCH POSZERZEŃ

Rodzaj otworu	Średnica [in]	Średnica [mm]
Pilotowy	9^7/8	250,8
Poszerzenie 1	14	356
Poszerzenie 2	15	457
Poszerzenie 3	20	508
Poszerzenie 4	22	559
Otwór końcowy	24	610

1. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI I PRĘDKOŚĆ WIERCENIA

   1. MAKSYMALNY WYDATEK POMPY, JAKĄ DYSPONUJEMY, TO

$$\mathbf{Q = 400\ \lbrack}\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{\min}}\mathbf{\rbrack}$$

1. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI DLA OTWORU PILOTOWEGO.

2. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI DLA PIERWSZEGO POSZERZENIA.

3. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI DLA DRUGIEGO POSZERZENIA.

4. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI DLA TRZECIEGO POSZERZENIA.

5. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI DLA CZWARTEGO POSZERZENIA.

6. OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI DLA PIĄTEGO POSZERZENIA.

7. SUMARYCZNA OBJĘTOŚĆ PŁUCZKI.

$$\sum_{}^{}{V = 60,08\lbrack m^{3}\rbrack} + 72,00\left\lbrack m^{3} \right\rbrack + 93,51\left\lbrack m^{3} \right\rbrack + 53,93\left\lbrack m^{3} \right\rbrack + 61,28\left\lbrack m^{3} \right\rbrack + 34,23\lbrack m^{3}\rbrack$$

$$\sum_{}^{}{V = 375,03\lbrack m^{3}\rbrack}$$

1. DLA OBIEGU PŁUCZKI Z RECYKLINGIEM:

Obli1czana ze wzoru:

$$V_{pl\ rec} = \frac{\pi}{4} \bullet {d_{k}}^{2} \bullet L \bullet f_{k}\ \lbrack m^{3}\rbrack$$

Gdzie:

L = 400 [m]

d_k = 610 [mm]

f_k = (1,05÷2,2) = 1, 5 [/]

1. USTALENIE SKŁADU PŁUCZKI.

Dobrano płuczkę wiertniczą na bazie wodnej z dodatkiem bentonitu TEQGEL SPECIAL . Jest to wysokiej jakości bentonit wiertniczy, którego unikalne parametry w szczególności niska lepkość plastyczna i bardzo dobre wskazania reologiczne zapewniają bezpieczne prowadzenie prac we wszystkich spotykanych warunkach geologicznych. Zapewnia stabilność ściany otworu, zdolność do wynoszenia gruboziarnistego urobku z długich odcinków horyzontalnych co wyróżnia produkt jako ekonomiczny i bezpieczny. Pakowany jest w wielowarstwowe, papierowe worki.

Dodatkowo dodano do płuczki polimer XCD, którego główna funkcją jest kontrola parametrów reologicznych na żądanym poziomie, zwłaszcza granicy płynięcia. XCD posiada unikalną zdolność upłynniania przy wysokich prędkościach ścinania oraz budowania struktur żelowych przy niskich prędkościach przepływu. Ułatwia wynoszenie urobku w przestrzeni pierścieniowej i zawieszenie w płynie w trakcie przerw w cyrkulacji. Efektywnie działanie przy bardzo niskich koncentracjach oraz jest kompatybilny ze standardowymi polimerami ograniczającymi filtrację.

SZACOWANIE KOSZTÓW:

1. Dla obiegu płuczki bez recyklingu:

Koszt przygotowania 1 metra sześciennego płuczki o założonej gęstości 1250 [kg/m³] to 150 zł., natomiast koszt utylizacji 1 [m³] to 190 [zł], zatem:

K_płuczki = 375,03[m³] ∙ 150 [zł/m³] = 56 254,5 [zł]

K_utylizacji = 375,03[m³] ∙ 190 [zł/m³] = 71 255,7 [zł]

K_łączny = 71 255,7 [zł] + 56 254,5 [zł] = 127 510 [zł]

1. Dla obiegu z recyklingiem:

K_płuczki = [m³] ∙ 150 [zł/m³] = 26 302,5 [zł]

K_utylizacji = [m³] ∙ 190 [zł/m³] = 33 316,5 [zł]

K_{wynajmu urz.} = 20 000 [zł]

K_łączny = 79 619 [zł]

1. Porównanie opłacalności obydwu metod:

79 619 [zł] < 127 510 [zł]

Metoda z recyklingiem < metoda bez recyklingu

Ze względu na niższe koszty zastosowana zostanie metoda obiegu płuczki z recyklingiem.

1. Analiza mocy mechanicznej potrzebnej do realizacji procesu wiercenia:

Moc mechaniczna niezbędna do wykonania otworu wiertniczego o zadanej średnicy

może być wyrażona za pomocą wzoru:

N = N_P + N_N + N_S [kW]

gdzie:

N_P – moc potrzebna na przemieszczanie przewodu wiertniczego lub rury okładzinowej

[kW],

N_N – moc potrzebna na obracanie narzędzia wiercącego [kW],

N_S – moc potrzebna na zwiercenie struktury skały [kW].

1. Moc potrzebna na przemieszczanie przewodu wiertniczego lub rury okładzinowej

Moc potrzebna na przemieszczanie przewodu wiertniczego lub rury okładzinowej związana jest z siłą tarcia przewodu wiertniczego o ścianę otworu. W stosowanej w horyzontalnych przewiertach sterowanych technologii wiercenia jest ona sumą mocy potrzebnej na obracanie przewodu wiertniczego oraz jego przesuwanie wzdłuż trajektorii osi otworu kierunkowego

N_P = N_PP + N_PO

gdzie:

N_PO – moc potrzebna na obracanie przewodu wiertniczego [W],

N_PP –moc potrzebna na przesuwanie przewodu wiertniczego wzdłuż trajektorii osi

otworu wiertniczego [W].

Moc potrzebną na obracanie przewodu wiertniczego wyznaczać należy ze wzoru

N_PO = ωM

Natomiast moc potrzebną na przesuwanie przewodu wiertniczego wzdłuż trajektorii osi otworu wiertniczego obliczać należy z zależności:

N_PP = γT

gdzie:

ω- prędkość obrotowa narzędzia wiercącego podczas ostatniego poszerzania

M - moment obrotowy narzędzia wiercącego podczas ostatniego poszerzania

T– prędkość kątowa przewodu wiertniczego [s^–1],

v – prędkość przesuwania (przeciągania lub pchania) przewodu wiertniczego [m/s].

Mając wyznaczoną zależność momentu obrotowego M i siły T w funkcji długości przewodu, można określić wartość N_PO oraz N_PP i w konsekwencji NP. Moc potrzebna na obracanie przewodu wiertniczego wynosi:

$\omega = 2,5\ \lbrack\frac{\text{obr}}{s}\rbrack$ - prędkość obrotowa narzędzia wiercącego podczas ostatniego poszerzania

M = 4400 [N • m] - moment obrotowy narzędzia wiercącego podczas ostatniego poszerzania

N_PO = 2, 5 • 4400 = 11 [kW]

Moc potrzebna na przesuwanie przewodu wiertniczego wzdłuż trajektorii osi otworu wiertniczego wynosi :

$v = 0,3\ \lbrack\frac{m}{s}\rbrack$ - prędkość przesuwania przewodu wiertniczego podczas poszerzania

T = 89 [kN] – siła ciągu podczas poszerzania

N_PP = 0, 3 • 89 = 26, 7 [kW]

Moc potrzebna na przemieszczanie przewodu wiertniczego lub rury okładzinowej wynosi:

N_P = 11 + 26, 7 = 37, 7 [kW]

1. Moc potrzebna na obracanie narzędzia wiercącego

Zakładając, że narzędzie wiercące nie odkształca się podczas przeciągania wzdłuż trajektorii oraz stwierdzając że maksymalna wartość mocy N_N wystąpi, gdy narzędzie wiercące przybierze pozycję horyzontalną (siła nacisku będzie równa ciężarowi narzędzia), wielkość maksymalnej mocy N_N można określić następującym wzorem:

$$N_{N} = \omega M_{N} = \text{ωμ}\frac{D}{2}F_{N}$$

gdzie:

M_N - moment obrotowy narzędzia wiercącego [N^.m]

F_N - ciężar narzędzia wiercącego [N]

D - średnica otworu wiertniczego [m]

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

W praktyce wiertniczej ciężar stosowanych narzędzi wiertniczych (świdrów i poszerzaczy) jest zależny od ich wymiarów geometrycznych.

Rozważając konstrukcję poszerzaczy, można przyjąć:

– dla świdrów różnego rodzaju oraz poszerzaczy baryłkowych

$$F_{N} = \frac{\pi}{4}\gamma L_{N}D^{2}$$

– dla poszerzaczy stożkowych

$$F_{N} = \frac{\pi}{12}\gamma L_{N}D^{2}$$

– dla poszerzaczy otwartych

$F_{N} = c\frac{\pi}{4}\gamma L_{N}D^{2}$ gdzie c < 1/3

gdzie:

c – współczynnik [–],

γ– ciężar właściwy poszerzacza [N/m3],

L_N – długość robocza poszerzacza [m].

W moim przypadku ciężar narzędzia wiercącego obliczamy ze wzoru:

$$F_{N} = \frac{\pi}{12}\gamma L_{N}D^{2}$$

gdzie :

γ = 1800 [N] – ciężar właściwy poszerzacza

L_N = 0,91 [m] - długość robocza poszerzacza

D = 0,400 [m] - średnica otworu wiertniczego

Moc potrzebna na obracanie narzędzia wiercącego wynosi :

$$N_{N} = \omega \bullet M_{N} = \omega \bullet \mu \bullet \frac{D}{2} \bullet F_{N}\lbrack\text{kW}\rbrack$$

Gdzie:

$\omega = 2,5\left\lbrack \frac{\text{obr}}{s} \right\rbrack$ - prędkość obrotowa podczas poszerzania

μ = 0, 4[−]

1. Moc potrzebna na urabianie skały lub gruntu

Moc potrzebna na urabianie jest proporcjonalna do objętości urabianej skały lub gruntu. Zakładając stałą długość otworu kierunkowego wierconego, zarówno w fazie pilotowej, jak i w poszczególnych etapach poszerzania otworu, można stwierdzić, że moc niezbędna do urabiania jest proporcjonalna do powierzchni urabianej skały lub gruntu.

N_S ≈ A_S = k_SA_S

gdzie :

k_S – wskaźnik proporcjonalności

k_S =1,4[N·m^–1·s^–1],

A_S – pole powierzchni zwiercanej skały [m²]

$A_{S} = \pi\frac{D^{2}}{4}\ $[m²]

Pole powierzchni zwiercanej skały wynosi :

Moc potrzebna na urabianie skały lub gruntu wynosi:

Moc mechaniczna niezbędna do wykonania otworu wiertniczego wynosi :

N = 37,7 + 0,2 + 0,176 = 38,076 [kW]

1. Dobór urządzenia:

Do wykonania przewiertu wykorzystujemy urządzenie firmy Straightline SL2020 Horizontal Directional Drill

Dane techniczne:

Długość: 579 [cm]

Szerokość: 132 [cm]

Wysokość: 173 [cm]

Waga: 5534 [kg]

Układ jezdny: gumowa gąsienica

Kierunek jazdy: planetarny

Najczęściej stosowane w praktyce samojezdne wiertnice HDD to w przeważającej części kompaktowe konstrukcje łączące silnik napędowy z agregatem prądotwórczym, samobieżnym mechanizmem gąsienicowym lub kołowym, zespołem hydraulicznym oraz systemem płuczkowym.

1. Kosztorys:

Pozwolenie na wykonanie przewiertu Wykonanie dokumentacji topograficznej Wywiercenie otworów badawczych Próby penetracyjne Badania geofizyczne Testy laboratoryjne Wykonanie raportu geotechnicznego Wypożyczenie wiertnicy Koszty transportu narzędzi i materiałów Zakup narzędzi wiercących Wypożyczenie systemu płuczkowego Zakup rur Płuczka Razem:	3 500 zł 1000 zł 10 000 zł 1 000 zł 10 000 zł 1 500 zł 2 000 zł 100 000 zł 20 000 zł 65 000 zł 50 000 zł 100 000 zł 80 000 zł -------------------------------- 433 000 zł

1. Literatura:

• Wiśniowski R., Ziaja J.: Projektowanie wielkogabarytowych horyzontalnych przewiertów sterowanych. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 24/1, 2007

• Wiśniowski R., Ziaja J, Gościński Ł.: Dobór narzędzi wiercących stosowanych w sterowanych przewiertach horyzontalnych w oparciu o program komputerowy „Horizon” Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 24/1, 2007

• Wiśniowski R., Stryczek S. : Projektowanie trajektorii horyzontalnego przewiertu sterowanego. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 24/2, 2007

• Wiśniowski R., Ziaja J.: Dobór parametrów mechanicznych urządzeń wiertniczych stosowanych w technologiach HDD. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 23/1, 2006

• Wiśniowski R., Ziaja J.: Przegląd narzędzi wiercących stosownych do wykonywania horyzontalnych przewiertów sterowanych. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 22/1, 2005

• Ziaja J., Baniak K. :Analiza techniczna technologii wykonywania przewiertu horyzontalnego pod rzeką Usziwicą w Brzesku Okocim. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 22/1, 2005

• Ziaja J: Zasady projektowania HDD wg. DCA

1. ZAŁĄCZNIKI:

1. Profil stratygraficzny.

2. Mapa terenu.

3. Zdjęcia satelitarne terenu.

4. Schemat poglądowy.