Циркуляция бентонитовых и полимер-глинистых буровых растворов на буровых установках для гидрогеологических скважин, свайных фундаментов и инженерных изысканий в Алматинской области создает тяжелые условия для технологической обвязки. Абразивные частицы кварцевого песка и утяжелителей в сочетании с циклической пульсацией поршневых насосов типа НБ-32, НБ-50 или триплексных агрегатов быстро приводят к кавитационному и эрозионному износу металла. Попытка смонтировать всасывающие и нагнетательные линии растворного узла из тонкостенной электросварной трубы со стенкой 2,5–3,0 мм или гибких рукавов оборачивается сквозными промывами на поворотах и остановкой бурения в разгар смены.

Стальная водогазопроводная труба (ВГП) усиленной серии по ГОСТ 3262-75 выступает надежным конструкционным материалом для манифольдов низкого давления, обвязки гидросмесительных воронок, желобных систем и емкостных блоков циркуляционной системы (ЦС). Толщина стенки от 3,5 до 4,5 мм и монолитный сварной шов со 100-процентным контролем сплошности обеспечивают необходимый запас прочности против гидроударов и усталостных трещин, возникающих при резких скачках давления во время замешивания тяжелых растворов.

Гидродинамический расчет сечений и скоростей потока в растворной линии

Главным фактором безаварийной работы манифольда циркуляционной системы является поддержание расчетной скорости движения вязкой жидкости. Если скорость суспензии в трубе опускается ниже критического порога 1,0–1,2 м/с, утяжелители и бентонит начинают выпадать в осадок, формируя плотные пробки в нижних точках и заужая проходной просвет. Напротив, превышение скорости свыше 2,8–3,2 м/с приводит к экспоненциальному росту гидроабразивного износа стенок и крутоизогнутых колен.

Для расчета необходимого условного прохода трубы ВГП применяется уравнение неразрывности потока с учетом производительности шламового или бурового насоса:

d = √( (4 · Q) / (π · v · 3600) ), где:

  • d — внутренний диаметр трубы, м;
  • Q — объемная подача раствора буровым насосом, м³/ч;
  • v — рекомендуемая скорость потока суспензии (1,5–2,2 м/с для нагнетания, 0,8–1,2 м/с для всасывания);
  • π — математическая константа (3,1416).

При закупке трубного проката на объектах в предгорьях Алматы, где активное бурение на воду часто ведется с применением тяжелых вязких растворов для предотвращения обрушения галечниковых горизонтов, выбор между стандартной и усиленной стенкой по ГОСТ 3262-75 определяет ресурс манифольда до первого капитального ремонта.

Условный проход трубы (Ду / DN)Наружный диаметр, ммТолщина стенки (усиленная), ммМасса 1 м трубы, кгРекомендуемый расход раствора, м³/чНазначение в схеме циркуляционной системы
Ду 50 (2")60,04,005,5210,0 – 18,0Линия эжектора гидросмесительной воронки, подача химреагентов
Ду 65 (2½")75,54,007,0518,0 – 30,0Напорная разводка от вспомогательного насоса к гидроциклонам
Ду 80 (3")88,54,008,3428,0 – 48,0Манифольд подачи раствора в приемные емкости, мешалки ЦС
Ду 100 (4")114,04,5012,1545,0 – 85,0Всасывающий коллектор бурового насоса, сливные желоба очистки

Обвязка гидроэжекторного смесителя (воронки) трубами ВГП

Гидросмесительный узел предназначен для быстрого ввода порошкообразного бентонита, барита, кальцинированной соды и полимеров в поток циркулирующей жидкости. Принцип работы узла основан на эффекте Вентури: высокоскоростная струя жидкости из сопла создает локальное разрежение в камере смешения, засасывая сухой порошок из конусной воронки и мгновенно диспергируя его в потоке без образования сгустков.

Для обвязки напорного патрубка гидроэжектора используется стальная труба ВГП Ду 50 усиленной серии. Высокое давление на входе в сопло (0,4–0,8 МПа) и мощная турбулизация потока в конфузоре вызывают интенсивную вибрацию узла. Жесткая трубная обвязка из стали Ст3сп предотвращает расшатывание фланцевых креплений смесителя и исключает заломы, характерные для армированных шлангов.

Диффузорная разгонная труба за камерой смешения монтируется с плавным расширением до Ду 65 или Ду 80 на прямом участке длиной не менее 1,5–2,0 метров. Это необходимо для полной гидратации полимерных цепочек и предотвращения кавитационного срыва струи в приемном отсеке емкости. Все поворотные колена за гидроворонкой должны выполняться исключительно из крутоизогнутых отводов с радиусом гиба R = 1,5 Ду, так как сварные секторные углы прорезаются струей шлама за несколько десятков часов работы.

Демпфирование пульсаций и сейсмостойкая фиксация манифольдов

Поршневые буровые насосы создают ярко выраженную цикличность подачи жидкости, генерируя знакопеременные динамические нагрузки с частотой 1,5–3,5 Гц. При совпадении частоты пульсации раствора с собственной резонансной частотой незакрепленного трубного пролета возникают резонансные колебания с амплитудой до 15–25 мм, способные сорвать запорную арматуру или разрушить опорные стойки емкостного блока.

Для гашения вибраций на строительных и буровых площадках Казахстана применяются следующие правила проектирования:

  1. Установка компенсационных петель и вибровставок: на выходе из насосного блока перед жестким металлическим манифольдом монтируется резинокордный виброкомпенсатор или петлевой компенсатор из труб ВГП, развязывающий раму насоса и емкостную систему.
  2. Расчет шага опорных стоек: максимальное расстояние между жесткими хомутовыми опорами для заполненной раствором трубы ВГП Ду 80–100 не должно превышать 2,8–3,2 метра во избежание провисания и возникновения изгибных автоколебаний.
  3. Сейсмостойкое анкерное крепление: в сейсмических зонах 9–10 баллов по СН РК 2.03-30-2017 опорные кронштейны манифольдов привариваются к силовой раме полозьев ЦС через косынки толщиной не менее 8 мм с установкой двухплоскостных упоров.

Специалисты компании ATLANT MARKET рекомендуют при комплектации растворных узлов использовать трубы ВГП с заводской нарезкой в проектный размер со склада в Алматы. Это исключает необходимость подгонки заготовок в полевых условиях и обеспечивает идеальную геометрию сварных стыков под напорные соединения.

Запорная арматура и быстроразъемные соединения (БРС)

Трубопроводы бурового раствора требуют применения специализированной запорной арматуры, устойчивой к заклиниванию шламом. Традиционные клиновые задвижки с металлическим седлом на этих линиях быстро выходят из строя, так как бентонит оседает в нижнем кармане корпуса, препятствуя полному опусканию клина. Оптимальным решением является монтаж поворотных дисковых затворов с манжетой из износостойкого эластомера NBR или пробковых конусных кранов со смазочным уплотнением.

Для обеспечения мобильности бурового комплекса манифольды разбиваются на секции длиной 3, 4 или 6 метров, соединяемые быстроразъемными соединениями (БРС-2, БРС-3, БРС-4) с трапецеидальной резьбой и самоуплотняющимися резиновыми манжетами. Приварка полумуфт БРС к торцам труб ВГП выполняется с разделкой кромок под углом 30–35° с предварительным центрированием на технологической оправке, исключающим несоосность сопрягаемых конусов.

Специфика зимней эксплуатации и промывки растворных линий

Резко континентальный климат Казахстана с зимними температурами в предгорных районах до −20…−25 °C требует обязательного обустройства технологических уклонов (не менее 0,01–0,015 в сторону дренажных патрубков) по всей длине манифольда. Замерзание глинистого раствора внутри замкнутого трубного контура приводит к возникновению радиального давления кристаллизации льда, способного деформировать даже толстостенную трубу.

В нижних точках обвязки емкостей и напорных гребенок ввариваются стальные спускные краны Ду 25–32 для полного опорожнения системы при остановках циркуляции. Дополнительно в коллекторы предусматривается врезка штуцера для продувки трассы сжатым воздухом или паром от мобильного парогенератора перед ночной консервацией бурового блока. Перед пуском системы в эксплуатацию обязательно выполняется гидравлическая опрессовка стальных труб ВГП полуторным рабочим давлением для подтверждения герметичности всех монтажных стыков.

Почему для буровых манифольдов выбирают трубы ВГП, а не бесшовный прокат?

Бесшовные трубы рассчитаны на экстремальные давления свыше 10–20 МПа (в нагнетательных линиях высокого давления и буровых стояках). В циркуляционной системе приготовления и очистки раствора рабочее давление редко превышает 0,6–1,6 МПа. Стальная водогазопроводная труба ВГП по ГОСТ 3262-75 усиленной серии со стенкой 4,0–4,5 мм полностью выдерживает рабочие нагрузки растворного узла, обеспечивая при этом экономию сметной стоимости металла на 30–45% по сравнению с бесшовными аналогами.

Какой тип фасонных деталей использовать на поворотах растворопровода?

На линиях циркуляции шлама категорически не допускается монтаж сварных секторных отводов из-за резких углов перелома потока, где возникает локальный вихревой абразивный износ. Применяются только бесшовные стальные крутоизогнутые отводы по ГОСТ 17375-2001 с радиусом гиба R = 1,5 Ду и толщиной стенки, соответствующей или превышающей толщину стенки сопрягаемой трубы ВГП.

Как защитить стальную обвязку растворного узла от внутренней коррозии при простое?

При контакте остатков полимер-глинистого раствора с атмосферным кислородом на внутренней поверхности трубы развивается язвенная коррозия. Главным правилом консервации является тщательная гидропневматическая промывка манифольдов технической водой сразу после завершения буровых работ с последующей продувкой сжатым воздухом и открытием всех нижних дренажных пробок.

Что взять с собой к закупке

Для надежной комплектации узла приготовления бурового раствора и циркуляционной системы необходимо подготовить точную спецификацию оборудования. В заявку включают:

  • Трубы стальные водогазопроводные по ГОСТ 3262-75 усиленной серии (Ду 50, Ду 65, Ду 80, Ду 100) из стали Ст3сп или 20 с заводскими сертификатами соответствия;
  • Бесшовные крутоизогнутые отводы 90° (ГОСТ 17375-2001) соответствующего условного прохода и толщины стенки;
  • Быстроразъемные соединения БРС под приварку с комплектом бензомаслостойких уплотнительных манжет NBR;
  • Поворотные дисковые затворы межфланцевого типа с диском из нержавеющей стали AISI 316 или конусные пробковые краны;
  • Виброкомпенсаторы фланцевые резинокордные для насосного блока;
  • Опорные хомуты с вибродемпфирующими прокладками и крепежные метизы класса прочности не ниже 8.8.

На складском комплексе компании ATLANT MARKET в Алматы всегда в наличии полный сортамент сертифицированных труб ВГП, фасонных элементов и запорной арматуры с возможностью нарезки хлыстов в размер и оперативной доставкой транспортом компании на объекты Алматы, Каскелена, Талдыкоргана и других регионов Казахстана.