Виды расширителей для ГНБ и ГНП: как выбрать инструмент под грунт и диаметр трубы

Расширитель — это инструмент, который после пилотной скважины формирует рабочий диаметр канала под последующую протяжку трубы, поэтому он определяет скорость проходки, устойчивость стенок и итоговую нагрузку на колонну и трубу.

Для выбора расширителя учитывают тип и состояние грунта, водонасыщение, требуемый диаметр, способ разрушения или уплотнения породы, а также возможности самой установки. Согласно СП 341.1325800.2017¹ «Подземные инженерные коммуникации. Прокладка горизонтальным направленным бурением», выбор инструмента для расширения скважины является одним из ключевых технологических решений, влияющих на качество и безопасность работ.

Какие бывают расширители

В практике бестраншейных работ расширители разумно делить по принципу воздействия на грунт: резание, дробление и уплотнение. Такой подход полезнее простой классификации «по форме», потому что он сразу привязывает инструмент к условиям объекта и ожидаемым нагрузкам. Классификацию грунтов по составу и состоянию устанавливает ГОСТ 25100-2020² «Грунты. Классификация» — он используется при оценке условий бурения и подборе инструмента.

Лопастной. Срезает грунт лопастями с твердосплавными резцами и выводит шлам в затрубное пространство. Лучше всего работает в песке, суглинке, глине и других грунтах I–IV категории; подходит для устойчивых и перемежающихся условий. Плохо справляется с твердыми включениями и скалой, где требуется не резание, а дробление.

Шарошечный. Разрушает породу перекатывающимися шарошками с зубьями из твердых сплавов. Эффективен в известняке, доломите, мергеле и скальных породах. В мягких пластичных грунтах может уплотнять стенки, провоцировать зашламование и рост тягового усилия.

Уплотняющий, калибратор, «морковка». Раздвигает и уплотняет грунт без выраженного режущего действия, формируя стабильные стенки. Предпочтителен в пластичных глинах, суглинках, обводненных и неустойчивых грунтах, а также для финального калибрования ствола. Не заменяет инструмент для твердых пород и требует правильного режима проходки.

Комбинированный. Сочетает шарошки для твердых включений и калибрующие поверхности для стабилизации диаметра. Применяется в сложных и переменных условиях, но дороже, сложнее в обслуживании и требует точного подбора под задачу.

Отдельно важно учитывать не только форму корпуса, но и промывочные узлы. Центральная промывка эффективна для размыва забоя перед резцами, а периферийная — для охлаждения режущих кромок и борьбы с налипанием в вязких глинах.

Лопастные расширители: универсальное решение для мягких и средних грунтов

На объектах с грунтами I–IV категории (песок, суглинки,

глины) по ГОСТ 25100-2020² лопастные расширители применяют в 70–80% случаев — это подтверждает практика бригад Теребро в Поволжье и на Урале.

Конструкция и принцип действия

Основу составляет прочный стальной корпус цилиндрической или конической формы, на котором закреплены сменные или цельные лопасти. На лопасти напаяны твердосплавные резцы, которые выполняют функцию резания. Вращаясь, лопасти срезают грунт слоями, а режущие кромки расположены под углом, обеспечивающим эффективный отвод разрушенной породы (шлама) в затрубное пространство.

Область применения и особенности

Лопастные риммеры показывают лучшие результаты в устойчивых и перемежающихся грунтах — по данным объектов Теребро в Казани, Уфе, Самаре. Скорость проходки при использовании лопастных моделей на 30–50% выше, чем у шарошечных, когда грунт позволяет резание, а обслуживание упрощается за счет возможности замены резцов прямо на площадке.

Однако эти модели практически бесполезны в твердых включениях, где требуется не резание, а ударное воздействие или скалывание. Для эффективной работы лопастного расширителя критически важна правильная подача бурового раствора: недостаточное количество бентонита или воды приводит к налипанию глины на корпус (эффект «сальника»), что резко увеличивает риск прихвата инструмента.

Шарошечные расширители: тяжелая артиллерия для крепких пород

Когда геологический разрез показывает наличие известняка, доломита, мергеля или скальных пород, применяют шарошечные расширители. Это класс оборудования, где разрушение породы происходит дроблением.

Конструктивные особенности

Массивный корпус таких расширителей изготавливается из легированной стали, способной выдерживать экстремальные нагрузки и крутящий момент. В корпусе монтируются вращающиеся шарошки — конусы, усаженные зубьями из твердых сплавов. В процессе вращения шарошки перекатываются по забою, и зубья под весом инструмента и усилием подачи скалывают куски породы.

Преимущества и нюансы эксплуатации

Шарошечные расширители выдерживают работу в породах с пределом прочности на сжатие до 100–120 МПа (известняк, доломит). Ресурс зубьев из твердых сплавов в 2–3 раза выше, чем у лопастных резцов в аналогичных условиях. Использовать их в мягких пластичных породах неэффективно и вредно: инструмент будет не резать, а уплотнять стенки, создавая риск зашламования и увеличения тягового усилия. Кроме того, такие модели требуют более мощных буровых установок из-за высокого сопротивления вращению.

Уплотняющие расширители («морковки»): секрет стабильности стенок

Отдельная категория инструмента, которую часто незаслуженно обходят вниманием, — уплотняющие расширители. В профессиональной среде их называют «морковками» или калибраторами. Их задача — не вырезать, а раздвинуть грунт, уплотняя стенки скважины.

Принцип работы и конструкция

Инструмент имеет обтекаемую коническую форму (часто с винтообразной навивкой) и лишен острых режущих кромок. Проходя через пластичную глину или суглинок, он спрессовывает стенки, создавая плотный, устойчивый к осыпанию слой — «корку». Это удобный вариант для работы в неустойчивых грунтах, склонных к обрушению.

Где и как применяются

• Прокладка труб в водонасыщенных глинах.
• Финальное калибрование ствола перед протяжкой плети.
• Работа в стесненных условиях, где критически важно сохранить геометрию скважины.

На объекте в Набережных Челнах (май 2015, водонасыщенный суглинок, труба 110 мм, 45 м) применение уплотняющего расширителя снизило тяговое усилие на 20% по сравнению с аналогичным участком без предварительного калибрования.

Комбинированные и специальные конструкции

На рынке представлены гибридные решения, созданные для работы в сложных, переменчивых условиях.

Лопастно-шарошечные системы

Передняя часть такого расширителя оснащается шарошками для разбивания твердых включений, а задняя — лопастями для калибровки диаметра и зачистки стенок. Это универсальные решения, но они сложны в ремонте и стоят дороже специализированных аналогов.

Шнековые расширители

Используются в устойчивых грунтах при больших диаметрах. Конструкция напоминает шнек, который не только разрушает породу, но и активно транспортирует ее на устье.

Пилотные расширители (обратного действия)

Применяются на финальной стадии, когда расширение идет от готовой точки к буровой установке. Часто имеют обтекаемую форму и усиленные проушины для крепления вертлюга.

Роль промывочных узлов и бурового раствора

Часто упускают из виду расположение и количество промывочных отверстий в расширителе. Система подачи раствора определяет, насколько эффективно будет удаляться шлам и охлаждаться режущие элементы.

Центральная промывка

Раствор подается через носок инструмента, эффективно размывая забой перед резцами.

Периферийная (боковая) промывка

Отверстия направлены непосредственно на режущие кромки для их охлаждения и предотвращения налипания грунта. Незаменима при проходке вязких глин.

Выбор типа промывки и расхода бентонитового раствора напрямую влияет на скорость проходки и целостность инструмента. Использование специальных полимеров и смазок в составе раствора позволяет дополнительно снизить трение и износ.

Как выбирать расширитель

Правильный подбор начинается с геологии, а не с каталожного диаметра. Если не учитывать тип грунта, его водонасыщение и фактические нагрузки на пилотном бурении, можно получить обрушение стенок, зашламование или перегрузку трубы при затяжке. СП 341.1325800.2017¹ указывает, что выбор типа расширителя должен производиться с учетом инженерно-геологических условий на трассе прокладки.

• Определите тип грунта и его состояние: глина, суглинок, песчаник, обводненный грунт или крепкие породы требуют разных принципов работы инструмента. Для классификации используйте ГОСТ 25100-2020².
• Подберите не только диаметр, но и коэффициент расширения: в расчетных таблицах Теребро для ГНП по глине и суглинку используется коэффициент 1,3, а в обводненных грунтах — 1,6–1,8 в зависимости от установки и диаметра трубы.
• Заранее решите, потребуется ли предрасширение: в практических рекомендациях Теребро для труб диаметром более 160 мм оно обязательно при любых типах грунтов и длинах.
• Проверьте возможности установки: Т32Р — максимальное расширение 380 мм при длине до 150 м; Т42Р — 500 мм до 150 м; Т50Р — 600 мм до 150 м.
• Подготовьте объект заранее: на площадке должен быть полный комплект расширителей под трубу, переходник наружная/внутренняя резьба и запас 10–15 штанг при возможном предрасширении.

Нагрузку на трубу и расширитель нужно оценивать не по ощущениям, а по косвенным признакам на пилотном бурении и при обратной протяжке. Пример: давление на пилоте 100 бар в плотном песке — сигнал к предрасширению. Переход сразу к конечному диаметру приводит к обвалу стенок и прихвату инструмента.

«На практике самая частая ошибка — подбирать расширитель только по диаметру трубы, игнорируя тип грунта и давление на пилоте. Особенно это критично в обводненных суглинках и плотном песке: там коэффициент 1,3 часто недостаточен, и без предрасширения установка встаёт намертво. Проверяйте показания манометра на каждом проходе и не торопитесь переходить к следующему диаметру, пока предыдущий не вышел полностью.» — Галкин Д.А., инженер сервисной службы Теребро, стаж 12 лет

Практика Теребро для ГНП

Этот раздел посвящён расширителям для установок горизонтально направленного прокола (ГНП) — метода бестраншейной прокладки и замены труб путём прокола и уплотнения грунта. Оборудование Теребро и применяемый инструмент оптимизированы под эту технологию и грунты до 3-й категории включительно (по ГОСТ 25100-2020²).

Расширители Теребро для установок ГНП

Компания Теребро применяет расширители в составе технологии прокола и уплотнения грунта, а оборудование линейки Т12, Т20У, Т32У, Т40У, Т32Р, Т42Р и Т50Р (см. установки ГНП) предназначено для бестраншейной прокладки и замены труб в грунтах до 3-й категории включительно. Поэтому корректно говорить не об «универсальных расширителях для любых ГНБ-работ», а о расширителях для задач ГНП, где критичны последовательность предрасширений, тяговое усилие установки, длина участка и коэффициент расширения.

Практическая особенность подхода Теребро — расчетный подбор расширителя по коэффициенту расширения. Базовый принцип: коэффициент умножают на диаметр протаскиваемой трубы и получают требуемый диаметр расширителя. Например: 1,3 × 110 мм = 140 мм.

Для разных установок, диаметров труб и типов грунта расчетные рекомендации отличаются. Для Т50Р в глине и суглинке для труб 63 и 110 мм коэффициент составляет 1,3 на длине до 150 м, а в обводненном грунте для тех же диаметров — уже 1,8. В обводненных грунтах запас по диаметру и подготовке скважины должен быть выше, чем в благоприятных условиях.

Экспертный пример из практики: предрасширение в плотном песке

Рассмотрим реальный сценарий: трубу диаметром 160 мм прокладывают на длину 20 м в плотном песке. Во время пилотного бурения давление на манометре достигает 100 бар. Переходить сразу к конечному расширению опасно — скважина может не выдержать.

В такой ситуации применяют поэтапное предрасширение:

1. Первый проход: расширители 50–85 мм.
2. Второй проход: 50–85 мм + 85–140 мм.
3. Третий проход: 50–85 мм + 85–140 мм + 140–170 мм.
4. Четвертый проход: 50–85 мм + 85–140 мм + 140–170 мм + 170–200 мм.

Каждое предрасширение выполняют до полного выхода расширителей к установке, и только потом переходят к следующему шагу. Количество предрасширений и коэффициент подбираются индивидуально: коэффициент 1,3 — это минимальное значение для благоприятных условий, коротких участков и труб небольшого диаметра.

Что должно быть на объекте до начала расширения

Согласно подготовительным требованиям Теребро, на площадке необходимо иметь:

• Полный комплект расширителей под прокладываемую трубу.
• При необходимости предрасширения — расширители нужных диаметров.
• Переходник с наружной–внутренней резьбой для накручивания штанг.
• Запас 10–15 штанг.
• Подготовленные входные и выходные приямки (сухие, с ровными стенками и дном).
• Обследованные коммуникации с определением глубины залегания.

Корректная работа расширителя зависит не только от его формы, но и от подготовки площадки. Отсутствие 10–15 запасных штанг на площадке приводит к простою 2–4 часа на доставку — это подтверждено опытом сервисной службы Теребро.

Наборная конструкция расширителей Теребро

Главная конструктивная особенность, которая выгодно отличает расширители Теребро от многих аналогов, — наборная конструкция. Обычные расширители представляют собой цельные монолитные изделия: для каждого диаметра проходки нужен отдельный инструмент, и при работе с разными типоразмерами труб парк расширителей разрастается до десятка единиц.

Расширитель Теребро решает эту проблему. Его конструкция состоит из центральной штанги, на которую надеваются наборные элементы — «блины». Надевая разное количество «блинов» на одну штангу, оператор меняет конечный диаметр инструмента прямо на объекте. Один наборный расширитель Теребро заменяет 5–7 монолитных моделей разных диаметров, занимая при этом места не больше, чем один обычный риммер. Это снижает логистические расходы и сокращает время переналадки на объекте.

Заключение

Выбор расширителя — комплексное инженерное решение, а не просто подбор диаметра из каталога. Лопастные модели подходят для мягких пород, шарошечные — для крепких, уплотняющие — для нестабильных и обводненных участков. При работе с установками ГНП критически важны коэффициент расширения, последовательность предрасширений и подготовка площадки.

Наборная конструкция расширителей Теребро позволяет одним комплектом заменить несколько монолитных инструментов, снижая логистические затраты и ускоряя переналадку на объекте. Материал написан в рамках экспертизы Теребро по технологии ГНБ. Для консультации по подбору расширителей и комплектации оборудования лучше обращаться к специалистам компании Теребро.