Kdo vynalezl horizontální směrové vrtání?

Martin Cherrington si představil použití horizontálního směrového vrtání jako praktickou alternativu k tradičním metodám rýhování počínaje 1960. lety XNUMX. století. HDD, jak se nyní nazývá, nakonec způsobil revoluci ve stavebním průmyslu v bezvýkopové instalaci podzemních inženýrských sítí a potrubí ve městech a v přítomnosti velkých přírodních překážek, jako je řeka Mississippi.

Cherrington na začátku své kariéry spolupracoval se svým otcem, stavebním dodavatelem, kde získal zkušenosti s prací na projektech, jako jsou přehrady, tunely, potrubí, telefonní a elektrické kabely. Stavební kampaně v tomto období občas zahrnovaly nesměrové vrtání k položení potrubí nebo telekomunikačních vedení přes silnice nebo dálnice, ale pouze tehdy, když nebylo možné k dokončení projektu použít konvenční metody hloubení. Techniky a technologie směrového vrtání, které jednoho dne umožnily horizontální směrové vrtání, jak ho známe dnes, byly v raných fázích vývoje v ropném a plynárenském průmyslu.

Při práci jako dodavatel v oblasti Los Angeles v roce 1963 si Cherrington uvědomil, že využitím potenciálu vrtací technologie lze výrazně zlepšit efektivitu pokládání kabelů a potrubí pod zem. Cherrington byl mistrem projektu položení otevřeného telefonního kabelu v rezidenční čtvrti tohoto města. O několik týdnů později začal další dodavatel instalovat kabely podobné velikosti a délky. Rozdíl byl však v tom, že tento dodavatel pro pokládku kabelů a potrubí častěji používal vrtání než rýhovací metodu, i když to nebylo zvlášť nutné. Navzdory skutečnosti, že dodavatel začal pracovat o dva týdny později než Cherrington, skončil o dva týdny dříve! Kromě toho byla lokalita druhého dodavatele během výstavby i po ní výrazně čistší. Toto pozorování vedlo k myšlence, že se nakonec objeví nové odvětví ve stavebnictví, horizontální směrové vrtání.

V roce 1964 Cherrington postavil svou první vrtnou soupravu a založil Titan Contractors, společnost specializující se na silniční vrty v Sacramentu v Kalifornii. Jedinečná kombinace událostí přinesla společnosti Titan Contractors počáteční úspěch. Stavební boom v Sacramentu spojený s národním hnutím za vyčištění Ameriky, podporovaný Lady Bird Johnsonovou, manželkou prezidenta Lyndona Johnsona, přiměl místní komunity a servisní organizace k akci. Nevzhledné komunikační kabely měly být umístěny pod zemí, aby se obytné oblasti zbavily sloupů a kabelů, které se staly bolestí očí na každém dvorku v Americe. Tyto sloupy a kabely také představovaly potenciální hrozbu pro společnost v případě přírodních katastrof, jako jsou zemětřesení nebo hurikány. Toto čištění bylo komunitou dobře přijato.

V souladu s nařízením první dámy okres Sacramento nařídil, aby byly všechny inženýrské sítě umístěny pod zem. Díky stávajícím ulicím, silnicím, chodníkům, obrubníkům a okapům, které již byly v mnoha nových projektech, představila společnost Titan Contractors nové stavební technologie, které byly v té době jedinečné. Místní energetická společnost Sacramento Municipal Utility District (SMUD) uzavřela smlouvu se společnostmi Titan Contractors na vrtání nových podzemních kabelů v celé její servisní oblasti. Objem práce byl tak velký, že bylo nutné postavit několik nových vrtných souprav, aby byly splněny tyto úkoly.

Navzdory úspěchu Titan Contractors byly finanční prostředky na výzkum a vývoj na zlepšení technologie omezené nebo vůbec žádné. Kampaň Western Electric společnosti AT&T experimentovala s některými podomácku vyrobenými metodami řízení směru vrtání, ale tyto metody se nikdy nekomercializovaly. Titan proto investoval zisky ze svého rostoucího podnikání do výrobních souprav, vytváření vrtacích nástrojů a experimentování s novými technologiemi, což nakonec pomohlo horizontálnímu vrtání stát se zavedenou konstrukční technologií.

Firma musela konkurovat dlouhodobě zavedeným a zavedeným firmám, které nabízely otevřený způsob pokládky. Když stavební boom v Sacramentu utichl, společnost Titan Contractors zjistila, že je obtížné přimět místní povolovací orgány, aby upřednostňovaly horizontální vrtání před otevřenými výkopovými metodami na křižovatkách ulic a dálnic. Pouze v místech s velmi frekventovanou dopravou umožnily povolovací orgány alternativní postup. Vydané povolení přesto vyžadovalo použití šnekového vrtání nebo hydraulického ražení nebo ražení tunelů spíše než metoda horizontálního vrtání z důvodu nedostatečného povědomí o nové technologii. Povolující orgány vznesly námitky proti metodě horizontálního vrtání, protože se věřilo, že vrtné výplachy změknou, poškodí a naruší povrch vozovky, po které projíždí. Zdá se to záhadou, protože většina rozkopaných ulic zanechává mnoho jizev v podobě propadů, nerovných míst a výmolů, se kterými můžete bojovat věčně a nikdy je nezdoláte. Všechny projekty horizontálních vrtů na druhou stranu nikdy nevykazovaly žádné známky toho, že by se tam stavělo, a silnice nikdy nepotřebovala opravy. Je těžké vědět, zda to byl důsledek nedostatku logiky ze strany místních povolovacích úřadů nebo touhy použít časem prověřené existující metody spíše než riskovat. Někdy je těžké změnit status quo a přimět lidi, aby přemýšleli o nových realitách života.

Během několika příštích let společnost Titan Contractors získala značné zkušenosti a dokončila několik významných projektů. Jeden takový projekt vyžadoval vrtání a přetahování silových kabelů podél zakřivených ulic o délce přibližně 460 metrů. Titan používal 0,9 tunové zařízení s kroutícím momentem 750 kg/m a vrtacími tyčemi 1-1/8″. Vzhledem k tomu, že tento vrt byl vrtán tehdy existující technologií nesměrového vrtání, bylo úspěšné dokončení projektu pozoruhodným úspěchem. Navzdory takovému úspěchu dosud neexistují žádné odborné časopisy, odborné společnosti nebo asociace, které by zdůrazňovaly jeho význam pro horizontální vrtání.

V roce 1971 byla společnost Titan Contractors pozvána, aby prozkoumala a vyhodnotila křižovatku mnoha silnic pro PG&E (hlavní kalifornská plynárenská a elektrická společnost) poblíž Watsonville v Kalifornii jižně od San Francisca. Při obhlídce potenciálních pracovišť požádal inženýr PG&E Martina Cherringtona, aby se podíval, kde by inženýrské sítě překročily řeku Pajaro. Společnost měla zájem řešit problém pokládky plynovodu přes řeku bezvýkopovou metodou. Po prozkoumání meta se ukázalo, že by bylo problematické použít konvenční rýhovací metody. Řeka měla strmý, vysoký břeh, přibližně 6 až 7,5 metru vysoký. Spodní část pobřeží tvořil písek a horní část úrodná půda. Přilehlé pole bylo podepřeno řadami artyčoků, běžnou plodinou pro tuto oblast. Na opačné straně koryta řeky byl malý břeh vysoký 1,5 až 2 metry, zploštělý a vyčnívající 9 až 12 metrů na východ k hrázi vysoké asi tři metry. Za hrází bylo bramborové pole. Dno kanálu tvořil sypký písek.

K prokopání řeky by bylo nutné zarazit dvojité štětovnice poměrně hluboko paralelně, aby bylo možné vyhloubit dno řeky natolik, že by mezi hromady bylo možné položit 4″ plynovod. Po prosekání přes řeku musí být zákopy zasypány a hromady odstraněny. Na základě nákladů na podobný projekt míli po proudu, PG&E usoudila, že horizontální vrtání by mohlo být nákladově efektivnější řešení.

Cherrington a PG&E původně plánovaly vyhloubit dva vertikální kesony na obou stranách řeky. Jeden by mohl být umístěn na vrcholu vysokého západního břehu a druhý v těsné blízkosti přehrady na východě. Pracovní trubka může být položena horizontálním vrtáním, šnekovým vrtáním nebo tlačením z jednoho kesonu do druhého podél dna řeky.

Na zpáteční cestě do Sacramenta Cherrington přemýšlel o problému hlouběji a uvědomil si, že je možná i jiná cesta. Nashromážděné zkušenosti odhalily kuriózní jev, který byl na mnoha projektech spojován s neúspěšnými pokusy vrtat studnu přímo z jámy do jámy. Při absenci technologie pro řízení směru vrtání měly některé typy směrových vrtacích nástrojů tendenci vrtat nahoru do stávající půdy a nečekaně se objevovat uprostřed rušné ulice. Tento vrtací nástroj byl vyhozen do šrotu jako odpadní produkt. Nikdo netušil, že se jedná o potenciální řešení problému, kterému čelí mnoho dodavatelů potrubí – snadný způsob, jak překročit velké řeky, aniž byste je rušili.

Cherrington, který chtěl otestovat nový revoluční nápad pomocí vyřazených vrtacích nástrojů, shromáždil svůj tým a horizontální vrtací zařízení a zamířil k Feather River, několik mil severně od Sacramenta. Charakteristiky písku a půdy ve vybrané lokalitě Feather River byly podobné řece Paigero poblíž Watsonville. Místo vrtání přes řeku padlo rozhodnutí vyzkoušet vrt paralelně s ní na jednom břehu. Vstupní úhel prvního vrtu byl asi 10° od horizontu. Po odvrtání asi 18 metrů se vrták dostal na povrch. Zvětšením vstupního úhlu druhého vrtu na přibližně 15º dosáhl vrták povrchu ve vzdálenosti více než 30 metrů od vstupu. Na třetí a poslední pokus byl úhel vstupu zvýšen na 30º. Do studny byl přiváděn prut po prutu. Úsilí bylo velké, když se vrták nakonec vynořil asi 90 metrů od vchodu a 12 metrů od plánovaného výstupního bodu. Cherrington pocítil úlevu a radost, že vyřazený vrtací nástroj, který zachránil z hromady šrotu, skutečně fungoval podle očekávání. Testy potvrdily, že nastavením požadovaného vstupního úhlu pomocí specifických metod vrtání a vrtacích nástrojů lze překonat překážky, jako jsou řeky, pomocí horizontálního vrtání. Horizontální vrtání bude revolučním krokem, který odstraní všechny problémy obvykle spojené s tradičními metodami hloubení. Cherrington, přesvědčený, že jeho technika bude fungovat, se sbalil a odešel domů, aby vypracoval podrobný plán vrtů pod řekou Paigero.

Přesvědčen, že nyní je možné překročit řeku Paijero pomocí metody horizontálního vrtání, byl návrh dvou vertikálních kesonů opuštěn. Před zahájením prací se však Cherrington rozhodl prozkoumat stávající technologie a metody směrového vrtání v ropném průmyslu, které by mohly být přizpůsobeny pro horizontální vrtání. Poté, co zjistil, co a jak ropní dělníci používají, rozhodl se změnit svůj původní plán vrtání a pomocí vrtacích nástrojů vrtat horizontální a šikmé vrty v ropném průmyslu, což by mohlo zvýšit jeho šance na úspěch. Půjde o první pokus o směrové vrtání z povrchu na povrch pod řekou pomocí řiditelného vrtacího nástroje.

Cherrington použil 5″ vrtný motor se zakřivenou špičkou a tzv. single shot měřicí systém. Jednorázové zařízení lze zhruba přirovnat k dnešnímu elektronickému hloubkovému měřícímu zařízení, které poskytuje poměrně přesné údaje o azimutu, sklonu a úhlu natočení vzhledem k ose během procesu vrtání. Jednovýstřelový systém sestával z gyroskopického závěsného rámu obsahujícího kompas, který se volně vznášel v kapalině a byl zabudován do skleněných polokoulí s liniemi azimutů, horizontu a linií pod určitými úhly.

Byl umístěn v 1-3/8″, nemagnetickém válci a byl naplněn kapalinou. Gravitační síly působící na suspenzi ve formě malé kuličky otáčely skleněnou polokouli a ukazovaly úhel rotace kolem osy, a kompas ukazoval směr vzhledem k severu a také úhel sklonu zařízení vzhledem k vertikále.Nástroj byl pumpován dolů po tyčích a ukotven k lokalizačnímu přijímači za ohnutou špičkou a vrtacím motorem. Jakmile byl přístroj v přijímači, miniaturní fotoaparát se světlem a časovačem vyfotografoval kompas a kouli.

Jednorázový systém byl poté stažen za uvázaný drát, kde byl film sledován. Čtení nebo kontrola azimutu, sklonu a úhlu natočení vůči ose umožnilo určit směr a rotaci vůči ose zakřiveného hrotu, který měl směr řídit.

Využití zkušeností a vybavení ropných dělníků však přineslo zklamání. Úhel vrtu nemohl být přesně konstruován nebo dokonce zachován, takže tato metoda byla rychle opuštěna ve prospěch konvenčnějšího, osvědčeného vrtacího nástroje.

Vrátíme-li se k lekci získané při vrtání poblíž řeky Feather, Cherrington úspěšně překonal řeku Paigero pomocí vyřazeného vrtného nástroje, který měl tendenci vylézt na povrch. Je zajímavé podívat se na tuto zkušenost dnes. Titan Contractors byla mladá společnost, která se snažila změnit způsob, jakým se věci dělají ve světě. Experimentování s novými technologiemi není možné bez rizika. Většina zákazníků si nepřeje, aby jejich projekty byly využívány jako experimentální platforma pro testování nových nápadů nebo technologií. Naštěstí oddělení výzkumu a vývoje R&PG financovalo projekt přes řeku Paigero, což Cherringtonovi umožnilo dokázat svůj nápad a otevřít světu horizontální směrové vrtání, HDD.

Od té první konverze HDD zasvětil Martin Cherrington svůj život posouvání limitů toho, co technologie HDD dokáže. Je držitelem mnoha patentů, které výrazně pokročily ve výrobě a dokázal to, co se kdysi považovalo za nemožné.

Kdo by si v roce 1971 pomyslel, když stál na břehu řeky Paigero, že jednoho dne budou potrubí a komunikace běžně natahovány pod řekami o velikosti Mississippi, že komunikace mohou být nataženy pod ústí řek a pláže a vést je daleko na moře s minimálním dopadem na životní prostředí.

Technologie horizontálního vrtání je progresivní metoda bezvýkopového vrtání studní pod umělými i přírodními objekty. Díky moderní technologii a vybavení byli instalatéři schopni položit potrubí pod budovy a stavby, železnice a silnice, řeky a jezera, bažinaté a chráněné oblasti, aniž by narušili povrchovou infrastrukturu. Stavitelé mají často otázku: kdo vynalezl horizontální vrtání, kdo musí vzdát hold tak užitečné a produktivní technologii?

Historie HDD

Podle historických dokumentů vynalezl HDD na konci 15. století velký inženýr a umělec Leonardo da Vinci. Přišel se zařízením, se kterým bylo možné dělat v zemi studny pod libovolným úhlem, tedy i vodorovně. Během svého života postavil velký génius 10 vrtných souprav, které se staly prototypy pro vytvoření nejprve ruční a poté první plně automatické soupravy.

V průběhu další historie byla technologie horizontálního směrového vrtání neustále zdokonalována, ale nebyla sériově vyráběna z důvodu nedostatečně rozvinuté průmyslové základny. Průlom nastal v roce 1971 při stavbě ropovodu v Kalifornii (USA). Bylo nutné jej vést přes řeku Pejero, jejíž šířka v úzkém místě byla asi 200 m.

Tato akce byla svěřena americkému průmyslníkovi Martinu Cherringtonovi, který se s tímto úkolem skvěle vypořádal. Pod řekou byl vyvrtán vrt o délce 231 m a průměru 115 mm.

V budoucnu, na pozadí hnutí za zlepšení infrastruktury osad, se tato technologie stala stále populárnější. Sloužil k pokládce plynového potrubí, vodovodního potrubí, elektrických a telefonních kabelů bez kopání příkopů a následných restaurátorských prací. Metoda HDD se dnes používá ve všech průmyslových odvětvích při výstavbě podzemních dálnic místního i celostátního významu.

Technologie bezvýkopové výstavby podzemních inženýrských sítí

Postup výstavby komunikací pod komunikacemi vrtáním se skládá z etap, z nichž každá má velký význam pro dosažení kvalitního konečného výsledku.

Pořadí bezvýkopového pokládání vodovodu je následující:

1. Přípravná fáze. Zkoumá se složení půdy, přítomnost přírodních překážek pod zemí. Schéma průchodu dříve položených komunikací se studuje. Připravuje se projekt a harmonogram prací. Získání povolení k využívání půdy.
2. Vrtání pilotní studny. Úkolem tohoto procesu je vyrobit kanál o dané trajektorii, podél kterého bude probíhat další vrtání. K dosažení požadovaného výsledku prvního průniku slouží navigační zařízení k určení umístění vrtací hlavy v půdní mase. Vyhýbání se překážkám se provádí dálkovým ovládáním sloupu pomocí jeho ohybu ve vstupním bodě. Do vrtu se přivádí vrtná kapalina, která zabraňuje zborcení jejích stěn. Výsledkem vrtání je výstup hlavy ve vypočítaném bodě.
3. Rozšíření studny. Používají se rotační trysky, které se mění po každém průchodu kanálem. Průměr vrtu se postupně zvětšuje až o 25 % přesahuje část potrubí.
4. Tahání potrubí. Pomocí uchopovacího zařízení se vlasec vtáhne do studny. Připojení nových úseků svařováním se provádí při ponoření potrubí do vyvrtaného kanálu.

V konečné fázi je zařízení demontováno, výkop je zasypán a plocha je uvedena do původního vzhledu. Poté je objekt předán zákazníkovi.

Instalace HDD

Pro zhotovení horizontálních a zakřivených vrtů se používají vrtné soupravy ruské i zahraniční výroby. Zařízení pokládá potrubí ve všech typech půdy v kteroukoli roční dobu, bez ohledu na povětrnostní podmínky.

Zařízení pro směrové vrtání HDD je rozděleno do následujících kategorií:

1. Plíce. Na základě pásového nebo kolového podvozku. Určeno pro výrobu kanálů o průměru do 100 mm a délce do 50 m.
2. Střední. Jednotky osazené na housenkovém podvozku dosahují celkové hmotnosti 25 t. Používají se pro zhotovení vrtů o průměru do 200 mm a délce do 100 m.
3. Velký. Jsou to trvalé struktury. S hmotností až 60 tun jsou schopni dělat studny o průřezu až 50 cm a délce až 200 m.
4. Super velký. Zařízení modulárního typu s celkovou hmotností do 2000 t. Určeno pro pokládku hlavních potrubí. Jednotky jsou schopny dělat studny o průměru až 150 cm a délce 1000-1200 m.

Obecné uspořádání vrtných souprav je následující:

1. Základna. Skládá se z vozíku, otočného mechanismu, sekcí, spojky a ovládacího panelu.
2. Generátor. V závislosti na velikosti zařízení vyvine výkon až 100 kW.
3. Řezací nástroj. Zahrnuje trysky různých velikostí a konfigurací, hlavice a dilatátory.
4. Čerpací zařízení. Určeno pro proplachování kolony a čerpání vrtné kapaliny do potrubí.
5. Lokalizační systém. Navrženo pro ovládání pohybu sloupu správným směrem.

V procesu výroby studní se používají speciální maziva a roztoky.

Lokalizační systém na HDD jako nástroj pro správu

Metoda HDD umožňuje pokládání podzemních inženýrských sítí s vysokou přesností a rychlostí. Ve vrtací hlavě je instalována sonda, která přenáší informace o svém umístění do synchronizační konzole pomocí optického kabelu, jehož délka může být až 1500m. Ve správný okamžik operátor změní úhel zkosení hlavy, načež sloup změní směr a obchází přírodní nebo umělé překážky.

Vrtací kapaliny pro horizontální směrové vrtání

Během bezvýkopového stavebního procesu se používají speciální kapaliny, které zajišťují hladký chod instalace HDD. Vrtný výplach je vyroben z hlíny, která při kontaktu s vodou bobtná a tvrdne a vytváří tvrdou kůru. Bentonit je určen k chlazení vrtací hlavy a zpevnění stěn výkopu.