Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
3.5. Бурение геологоразведочных скважин При разведке полезных ископаемых ведущая роль принадлежит ко- лонковому бурению. При колонковом бурении из скважины извлекается керн, по которому составляется геологическое описание участка или района работ и производится опробование пород для выяснения содержащихся в них полезных компонентов. Скважины колонковым способом можно бурить с земной поверхности и в горных выработках в самых различных направле- ниях, различным породоразрушающим инструментом и в породах любой твердости и устойчивости. Конечный диаметр геологоразведочной скважины на твердые полез- ные ископаемые в основном определяется требованием получения доста- точного объема керна для его исследований и возможностью спуска в ствол скважины забойных устройств и геофизического оборудования для сква- жинных исследований. Например, для большинства рудных полезных ископаемых достаточ- ным диаметром является 46 мм, на месторождениях редких и благородных металлов с весьма сложной текстурой рекомендуется диаметр 76 мм. Боль- шие диаметры 93…112 мм применяются для разведки химически ценных полезных ископаемых таких, как апатит, сера, соль, графит, слюда, асбест, а также при разведке строительных материалов. Наиболее часто конструк- ция скважины изображается в виде схемы (рис. 3.62). Удобной формой пред- ставления конструкции является также описание ее в виде шиф- ра. Например, приведенная схема конструкции (рис. 3.62, а) может быть записана в виде: 132/127ц(10)112/108ц(50)93/89ц б(300)76(600). Здесь / - знак крепления. Перед и после знака «/», цифры, обозначающие, соответственно диаметр бурения в мм (по схеме это цифры 132; 112; 93 и 76) и диаметр обсадных труб в мм (по схеме это 127; 108 и 89). Допол- нительные знаки обозначают: «ц» - цементирование всей ко- а) б) Рис. 3.62. Примеры схематического изображения конструкции скважин 242 лонны; «цб» - цементирование башмака колонны. Цифра в круглых скобках (10), (50), (300), (600) – глубина бурения или крепления (м). Если в конструкции скважины предусмотрена потайная колонна (хво- стовик), то такая особенность отмечается в шифре дополнительной записью с указанием знака «цб», если цементируется башмак и знак «ц» рядом с цифрой глубины верха потайной колонны, если он цементируется. Так, шифр скважины (рис. 3.62, б) имеет вид 132/127ц(10)112/108ц(50)93/89цб(280ц…300)76(600). При составлении конструкции скважин необходимо ориентироваться как в сортаменте обсадных труб, так и в размерах породоразрушающего ин- струмента, используемого как при бурении геологоразведочных скважин. Для бурения геологоразведочных скважин используются обсадные трубы (рис. 3.63) с толщиной стенки 5 мм и диаметрами: 57, 73, 89, 108, 127 и 146 мм. Для бурения этой категории скважин применяются шарошечные (рис. 3.67), лопастные долота и коронки для бурения с отбором керна - ал- мазные (рис. 3.66) и твердосплавные (рис. 3.65), имеющие диметр 36, 46, 59, 76, 93, 112, 132 и 151 мм. При проходке неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах широко используются шнековые буровые снаряды, со- стоящие из лопастного долота и шнековой колонны диаметром 65 - 300 мм (рис. 3.64). Рис. 3.63. Обсадные трубы Рис. 3.64. Инструмент для шнекового бурения Рис. 3.65. Твердосплавная коронка Рис. 3.66. Алмазная коронка Рис. 3.67. Шарошеч- ное долото 243 3.5.1. Буровые установки, оборудование и инструмент Разведочное колонковое бу- рение осуществляется различными буровыми установками с использо- ванием специального бурового обо- рудования и инструментов. По целевому назначению ос- новными классами буровых ком- плексов являются установки, спе- циализируемые по использованию: - для разведки твердых полез- ных ископаемых; - для бурения неглубоких скважин при геологической съемке, картировании и поисках полезных ископаемых; - для бурения скважин специ- ального назначения, в том числе, в условиях морских акваторий и под- земных горных выработок. - для проходки инженерно- геологических, гидрогеологических и структурно-поисковых скважин. По транспортабельности бу- ровые установки подразделяются на стационарные, передвижные и са- моходные. Стационарные буровые ус- тановки предназначены для дли- тельного бурения скважин глуби- ной до 2000 м и более, перемещают- ся отдельными блоками с использо- ванием специализированных транс- портных средств. В состав установки входят буровой станок, насосы, буро- вая вышка с талевой оснасткой, сальник, оборудование и инструмент для и выполнения спуско-подъемных операций, буровое здание и вспомогатель- ные привышечные сооружения (рис. 3.68). Технические решения основных узлов входящих в состав установок могут быть различны. Поэтому существуют отдельные классификации эле- ментов буровых комплексов (станков, насосов, вышек и др.). Рис. 3.68. Структурная схема стационарной буровой установки 244 Буровой станок пред- ставляет собой машину, как правило, с тремя основными исполнительными органами: вращателем, механизмом по- дачи и лебедкой (рис. 3.69). Вращатель сообщает вращение колонне бурильных труб и с помощью механизма подачи, в виде гидроцилинд- ров и зажимных патронов, обеспечивает через колонну бурильных труб осевую на- грузку на забой скважины. Посредством лебедки че- рез талевую оснастку выпол- няется спуск и подъем снаряда (бурильной колонны, колонко- вых труб с породоразрушаю- щим инструментом). Монтажно-несущим эле- ментом станка, где размеща- ются его исполнительные ор- ганы, является станина, кото- рая крепится на раме. В большинстве совре- менных станков вращательно- го бурения (СКТО-75 (ЗИФ- 1200МР), рис. 3.69), СКТО-65 (ЗИФ-650), СКБ-4 (рис. 3.71), СКБ-5 (рис. 3.70) лебедка и вращатель получают механи- ческую вращательную энер- гию (мощность, частоту вра- щения и крутящий момент) от двигателя через трансмиссию, представляющую собой ком- плекс различных устройств и механизмов, соединяющих двигатель с исполнительными органами станка. В составе трансмиссии выделяются (рис. 3.72): Рис. 3.69. Внешний вид станка СКТО-75: 1 – гидравлический патрон; 2 – траверса; 3 – штоки цилиндров подачи; 4 – шпиндель; 5 –цилиндры подачи; 6 - маслонасос Рис. 3.70. Внешний вид станка СКБ-5 Рис. 3.71. Внешний вид станка СКБ-4 245 упругая соединительная муфта, соединяющая выходной вал дви- гателя и входной вал фрикциона; фрикцион, элементами которого являются диски, часть из которых связана с входным валом, а часть с выходным валом и имеют возможность осевого перемещения друг относительно друга по шлицам входного вала и муфты выходного вала. Усилие поджатия дисков друг к другу регулируется рукояткой включения, а за счет силы трения между парами дисков при их прижатии друг к другу обеспечивается плавная передача вращения от вала двигателя на выходной вал фрикциона, и далее – на входной вал коробки передач; коробка передач служит для ступенчатого регулирования частоты вращения, и представляет собой редуктор с различными парами зубчатых колес, включение которых производится путем перемещения по шлицам выходного вала перемещающейся шестерни зубчатой пары; раздаточная коробка – это редуктор с несколькими выходными валами, вращение каждого из которых обеспечивает привод лебедки или вращателя. Шпиндель представляет собой полый вал, как правило, с шестигран- ной внешней поверхностью. Внутри него размещается ведущая бурильная труба, которая закрепляется при помощи зажимных патронов. Вращение на шпиндель, а, следовательно, и на ведущую трубу передается горизонталь- Рис. 3.72. Кинематическая схема станка СКТО -75 246 ной конической шестерней вращателя, имеющей шестигранную внутрен- нюю поверхность, соответствующую форме шпинделя. Путем такого со- членения шпиндель получает вращение, и имеет свободу вертикального пе- ремещения. Гидравлический зажимной патрон с помощью расположенных в нем плашек усилием пружин заклинивает ведущую трубу во вращателе. Раскре- пление патрона при перехвате бурового снаряда в ходе углубки скважины, а также при наращивании бурильной колонны и при спуско-подъемных операциях осуществляется гидравлической системой станка. Механический патрон (рис. 3.73) обеспечивает закрепление ведущей трубы, исключая ее осевое перемещение при на- ращивании бурильной колонны. Зажим- ные плашки (кулачки) патрона сдвигаются (раздвигаются) с помощью специальных болтов. В буровых станках СКБ-4 и СКБ-5 как верхний, так и нижний зажимные па- троны являются гидравлическимис авто- матическим перехватомпри наращивании бурильной колонны. Управление патрона- ми осуществляется гидравлической сис- темой станка. Вращатель буровых станков через траверсу связан с силовыми цилиндрами подачи. Траверса представляет собой горизонтальную балку, жестко закреп- ленную центральной своей частью на шпинделе станка, а концами – на ра- бочих штоках гидроцилиндров подачи, и служит для передачи осевого уси- лия от штоков гидроцилиндров подвижному шпинделю бурового станка и от него через гидравлический зажимной патрон бурильной колонне. Силовые гидроцилиндры являются исполнительным органом, преоб- разующим рабочее давление в гидросистеме в усилие подачи и энергию по- тока масла в гидросистеме в работу поступательного перемещения штоков гидроцилиндров под нагрузкой. Таким образом, шпиндель бурового станка через пару конических шестерен (вращатель) получает вращение от привода, а через траверсу – осевые усилия перемещения от гидроцилиндров подачи. Зажимные патроны передают вращение и осевое усилие от шпинделя бурильной колонне. Лебедка – один из основных функциональных блоков бурового стан- ка – представляет собой механическую систему планетарного типа. Принцип работы лебедки следующий. Центральная солнечная шес- терня 2 Z неподвижно (на шпонке) закреплена на валу лебедки и получает вращение от раздаточного редуктора. В постоянном зацеплении с ней нахо- Рис. 3.73. Поперечное сечение механического патрона 247 дятся три шестерни сателлитов 1 Z , имеющие возможность вращаться как вокруг собственной оси, так и обегать вокруг солнечной шестерни, получая вращение от нее через зубчатое зацепление. Оси сателлитов закреплены на водиле – массивном стальном диске, свободно (на подшипниках) сидящем на валу лебедки. Одновременно сателлиты 1 Z находятся в постоянном за- цеплении с внутренним зубчатым венцом Z , выполненным в шкиве бара- бана лебедки, и могут вращать его, оставаясь на месте, либо обегать его и солнечную шестерню, если заторможен (остановлен) зубчатый венец. При обегании сателлитами зубчатого венца и солнечной шестерни водило начи- нает вращаться. При остановке водила начинает вращаться, получая враще- ние от солнечной шестерни через сателлиты, зубчатый венец, а вместе с ним и барабан лебедки. Водило и зубчатый венец снабжены тормозными колодками, воздействуя посредством рычага на которые можно затормозить (остановить) их вращение. Остановкой водила рычагом тормоза подъема обеспечивается вращение барабана лебедки. Происходит наматывание хо- дового конца каната талевой оснастки на барабан лебедки. При торможении зубчатого венца и барабана рычагом тормоза спуска фиксируется непод- вижность талевой оснастки. При раскреплении тормозных колодок происходит сматывание каната с барабана лебедки под действием веса снаряда. В отличие от рассмотренных агрегатов, буровой станок СКБ-7 осна- щен тиристорным приводом и не имеют в своем составе коробки передач (рис. 3.74). Станки комплектуются плавно регулируемым электроприводом, состоящим из реверсивного и нереверсивного агрегатов, релейного шкафа и пульта управления. Вращатель оборудован двумя гидроцилиндрами и дву- мя зажимными патронами: верхним – пружинно-гидравлическим и нижним – гидравлическим. Подача инструмента, регулирование осевой нагрузки, управление патронами, а также операции перемещения станка по раме от устья скважины и обрат- но обеспечиваются элек- трогидравлической сис- темой управления. Все элементы и механизмы гидросистемы станка со- браны в единый блок. Планетарный редуктор лебедки станка собран в литом стальном корпусе, и расположен слева от барабана лебедки, кото- рый закреплен на стани- не. Управление лебедкой установлено на вынос- Рис. 3.74. Структура станка СКБ-7 248 ном пульте управления. Буровая установка УКБ-8 не имеет в своем составе бурового станка как такового. Она состоит из отдельных конструктивно независимых бло- ков: блока ротора, блока лебедки, блока подачи, блока насосной установки, блока гидросистемы и пр. Примерная схема расположения оборудования установки приведена на рис. 3.75. В отличие от рассмотренных установок в УКБ-8 используется ротор- ный вращатель, который представляет собой механизм редукторного типа. Основным его рабочим элементом является горизонтально расположенный дискообразный стол с относительно большим центральным проходным от- верстием, и зубчатым венцом, выполненным по его наружному диаметру. Ротор не имеет жесткой конструктивной и кинематической связи с меха- низмом подачи, и является самостоятельным механизмом. Буровые вышки служат для проведения спускоподъемных операций. В практике геологоразведочных работ используются деревянные и метал- лические вышки. По конструкции к основным типам буровых вышек отно- сятся (рис. 3.76): Рис. 3.75. Схема размещения оборудования установки УКБ-8: 1 – буровые насосы НБ5; 2 –усилитель; 3 – главный привод (электродвига- тель переменного и генератор постоянного тока); 4 – регулятор подачи; 5 – электростанция ПЭС-15Л; 6 – блок лебедки; 7 – система охлаждения лебед- ки; 8 – устье скважины; 9 – подсвечник; 10 – верстак; 11 – датчик давления; 12 – стеллаж; 13 – маслостанция; 14 – гидравлический пульт управления; 15 – электрический пульт управления; 16 – контрольно-измерительная аппара- тура КУРС-613; 17 – шкаф тиристорный; 18 – реостат; 19 – шкаф управления постоянного тока; 20 – шкаф управления переменного тока 249 вышки башенного типа, особенностью которых является то, что талевая оснастка размещается внутри контура конструкций, образующих несущий ствол вышки; буровые мачты, представляющие собой буровые вышки, талевая оснастка которых полностью или частично вынесена за контур конструк- ций, образующих их несущий ствол. При бурении глубоких скважин стационарными буровыми установ- ками вышки монтируются на фундаментах. Во многих случаях вместо фун- даментов нижнее основание вышки изготовляется в виде двух полозьев из стальных швеллеров, связанных попереч- ными поясами. Башенные вышки собирают на специально подго- товленной площадке. Поднимают их с по- мощью автокрана и тракторов, применяя для этого закреплен- ную на оттяжке подъ- емную стрелу, уста- новленную между полозьями вышки, и отнесенную талевую оснастку, свободный конец которой при- крепляется к скобе трактора. Буровые мачты более совершенны в инженерном отноше- нии, чем вышки ба- шенного типа. Они изготовляются на за- водах и имеют высо- кую степень сбороч- ной готовности (со- ставляются из не- скольких легко со- единяемых блоков). Некоторые конструк- ции буровых мачт передвижных и самоходных установок выполняются Рис. 3.76. Внешний вид буровых вышек 250 складными или опускающимися с использованием гидравлических подъем- ных устройств. Грузоподъемность буровых вышек (мачт) выбирают с учетом веса наиболее тяжелой колонны бурильных или обсадных труб и сил трения, возникающих в скважине при подъеме колонны. Вес колонны, опущенной в скважину, наполненную промывочным раствором, определяют по формуле ж gL Q 1 , где - коэффициент, учитывающий приращение веса колонны за счет соединений бурильных труб (для ниппельного соединения к=1,05; для - замкового к=1,1); g - вес 1 м трубы; L - длина колонны труб; ж - удельный вес жидкости; - удельный вес материала труб. Наибольшая нагрузка на крюк при подъеме колонны из скважины со- ставляет Q Q kp , где – коэффициент, учитывающий силы трения колонны о стенки скважины и возможный прихват труб породой: для мелких скважин =2; для глубоких = 1,5…1,25. Спуско-подъемные операции производятся с крюком на конце лебе- дочного каната (однострунная талевая оснастка), когда вес колонны не пре- вышает грузоподъемности лебедки (рис. 3.77, а). Если вес колонны на крю- ке превышает грузоподъемность лебедки, операции производятся с приме- нением полиспаста (многострунной талевой оснастки) (рис. 3.77, б, в, г). В соответствии с величиной kp Q и грузоподъемностью лебедки стан- ка ( л Р ), решается вопрос о талевой оснастке. Число струн подвижного (та- левого) блока, т.е. число ветвей каната ( m ), за исключением ветви наматы- ваемой на барабан лебедки и, если таковой есть – мертвого конца каната (рис. 3.77, г) с учетом к.п.д. талевой оснастки ( =0,9…0,97), равно л кр P Q m , Таким образом, при номинальном значении грузоподъемности л Р , лебедкой можно поднять колонну весом т Р Q л kp Нагрузку на кронблочную раму 0 Q определяют следующим образом: без применения талевой оснастки (рис. 3.77, а) кр Q Q 2 0 ; при закреплении свободного конца каната на кронблоке или тале- вом (подвижном) блоке (рис. 3.77, б, в) 251 m Q m Q Q P Q Q кр кр кр л кр 1 1 0 ; при закреплении свободного конца каната на якоре (система с мерт- вым концом каната, рис. 3.77, г) m Q m Q Q P Q Q кр кр кр л кр 2 1 2 2 0 Сравнивая приведенные зависимости для определения 0 Q видно, что нагрузка на кронблок при одной и той же нагрузке на крюк меньше при за- креплении свободного конца каната на талевом блоке или кронблоке, чем при талевой системе по рис. 3.77, г. Однако распределение нагрузки на ноги копра симметричнее при талевой оснастке с мертвым концом каната. Поэтому при глубоком бурении применяют оснастку по схеме с мерт- вым концом каната. Буровые насосы являются неотъемлемой составной частью техноло- гической установки для бурения скважин и предназначены для нагнетания в скважину промывочной жидкости для очистки забоя от шлама выбуренных пород и охлаждения породоразрушающего инструмента. Кроме того, насос может выполнять роль силовой установки гидропривода забойных гидрав- лических машин (гидроударников, эжекторных насосов и т.п.). Рис. 3.77. Схемы талевы оснасток: а) – однострунная оснастка; б) – двухструнная оснастка с закреплением ветви каната на кронблоке; в) трехструнная оснастка с закреплением ветви каната на талевом блоке; г) – четырехструнная оснастка с неподвижным (мертвым) концом каната, закрепленным у основания вышки; 252 Учитывая, что гео- логоразведочные сква- жины имеют относитель- но небольшие диаметры и глубину, по сравнению с размерами нефтяных и газовых скважин, насосы для геологоразведочной отрасли должны обеспе- чивать подачу в пределах от 10-20 л/мин (при буре- нии алмазными коронка- ми малого диаметра) до 300 л/мин, в редких слу- чаях - до 500 л/мин. По- этому характеристика парка буровых носов в основном ограничивается отмеченными расходами жидкости при давлении от 2,0 до 6,0 МПа. В современной практике бурения разве- дочных скважин наибо- лее широкое применение получили поршневые на- сосные установки НБ-32 и НБ-50 (рис. 3.79), а также плунжерные – НБ- 25/1,6; НБ-63/4,0; НБ- 120/4,0; НБ-160/6,3; НБ4- 320/63 и НБ-320/10 (рис. 3.78). Для присоедине- ния нагнетательного шланга бурового насоса к вращающейся колонне бурильных труб исполь- зуется сальник (рис. 3.80), или вертлюг- сальник (рис. 3.81),кото- рыйодновременно обеспечивает и подвеску колонны бурового снаряда к серьге талевого блока. Рис. 3.78. Внешний вид плунжерного насоса НБ4 Рис. 3.79. Поршневой буровой насос НБ-32 Рис. 3.80. Внешний вид сальника Рис. 3.81. Внешний вид вертлюга- сальника 253 Буровой снаряд для колонкового бурения скважинвключаетколонко- вый набор и колонну бурильных труб (рис. 3.82, а). Колонковый набор в общем случае состоит из коронки (алмазной или твердосплавной) с кернорвательным кольцом (рис. 3.82, г), колонковой трубы, обыкновенного (рис. 3.82, в) и противоаварийного (рис. 3.82, б) пе- реходников. Колонковая труба необходима для приема столбика выбурен- ного керна; коронка – для кольцевого разрушения горной породы на забое скважины с формированием столбика керна; кернорвательное кольцо - для отрыва и удержания керна внутри колонковой трубы при подъем ее из сква- жины. б) Внешний вид противоаварийных пе- реходников в) Внешний вид переходника а) Элементы бурового снаряда г) Коронка с кернорвателем Рис. 3.82. Буровой снаряд и его элементы. 254 Колонна бурильных труб служит для передачи крутящего момента и осевой нагрузки на коронку, а также транспортирования в скважину промы- вочной жидкости. Состоит из отдельных отрезков труб, как правило, длиной 4,5 м, соединенных между собой муфтами (ниппелями) и замками. С колон- ковым набором колонна бурильных труб соединяется через противоаварий- ный переходник. В большинстве случаев отдельные бурильные трубы соединяются в свечи (соединения из двух, трех и четырех труб). При муфтово-замковом соединении, трубы между собой соединяют- ся муфтами, а на концах свечи навинчиваются элементы замка: на верхний - ниппель, имеющим одну прорезь под ведущую вилку труборазворота, а на нижний – муфта замка с двумя прорезями под подкладную вилку и трубоза- хват, применяемого элеватора. Стальные трубы геологоразведочного сортамента с муфтово- замковым соединением (СБТМ) выпускаются диаметрами 42, 50 и 63,5 мм с толщиной стенки, соответственно, 5, 5,5 и 6 мм. Для таких труб использу- ются муфты и замки с наружным диаметром, соответственно, 57, 65 и 83 мм. При ниппельном соединении труб обеспечивается гладкоствольность бурильной колонны за счет соответствия наружного диаметра труб и их со- единений. Геологоразведочным сортаментом предусматривается выпуск ниппельных стальных труб с внутренней высадкой (СБТН), имеющих на- ружный диаметр 42, 54 и 68 мм с толщиной стенки в невысаженной части, соответственно, 5, 4,5 и 4,5 мм. Для таких труб используются ниппели с на- ружным диаметром на 0,5 мм, превышающим номинальный диаметр соот- ветствующей трубы. Для соединения труб в свечи применяются ниппели с одной прорезью и имеющие с двух концов цилиндрическую наружную резьбу. Для соединения свечей в колонну используются ниппели с одной парой прорезей под ведущую вилку (на нижнем конце свечи) и с двумя па- рами прорезей для подкладной вилки труборазворота и элеватора (на верх- нем конце свечи). Кроме стальных бурильных труб для бурения скважин диаметром 76, 59, 46, 36 и 26 мм используются легкосплавные трубы (ЛБТН) с наружным диаметром 68, 54, 42, 34 и 24 мм. Толщина стенки труб диаметром: 24 мм составляет 4,5 мм; 34 мм – 6,5 мм; 42 мм – 7 мм; 54 – и 68 мм -9 мм. Такие трубы имеют ниппельное соединение, в виде замка, состоящего из одно- и двухпрорезного ниппелей (рис.3.83). Рис. 3.83. Элементы замка ниппельного соединения труб 255 К вспомогательному инструменту для колонкового бурения относят- ся ключи для бурильных, колонковых и обсадных труб, короночные ключи, шарнирные хомуты и фарштуль. Ключи для бурильных труб (рис. 3.84) предназначены для их свинчи- вания (развинчивания) с захватом, как за гладкую поверхность, так и для захвата замков и ниппелей за прорезь. Ключ состоит из рукоятки и рабочего сектора, который может быть одноэлементным (литым или кованным), выполненным за одно с рукояткой; шарнирным с откидными скобами, оснащенными плашками; с цепным за- хватом и др. Одноэлементный ключ (рис. 3.84, б) применяется для замков и нип- пелей, имеет головку, зев которой служит для захвата замков и ниппелей за их прорези. Рабочим сектором цепных ключей (рис. 3.84, а) является накидная цепь, длина которой соответствует периметру сечения трубы, и снабжена упорным зубом. д) Рис. 3.84. Ключи для бурильных труб: а) ключ цепной; б) ключ одноэлементный для замков и ниппелей; в) – ключ шар- нирный с откидными скобами; г) - шарнирный хомут; д) – рабочее положение шарнирного ключа при захвате бурильной трубы. Для захвата труб и их соединений за гладкую часть при свинчивании или развинчивании применяются шарнирные ключи, рабочий сектор кото- рых состоит из двух откидных скоб, соединенных между собой шарнирно на осях (рис. 3.84, в). На внутренней поверхности наружной скобы закреп- ляется плашка, которая исключает проскальзывание ключа (в закрытом по- ложении) относительно поверхности трубы. При захвате поверхности трубы зуб короткого плеча рукоятки упирается в опорную ось закрывающей ско- бы, фиксируя ключ в закрытом положении (рис. 3.84, д). Шарнирный хомут (рис. 3.84, г) является трубозахватным устройст- вом и, в основном, служит для закрепления его на бурильной трубе в любом месте при необходимости подвешивания колонны на устье скважины, или поворота снаряда в скважине вручную. 256 Ключи для колонковых и обсадных труб в отличие от шарнирных ключей для бурильных труб имеют три шарнирно закрепленных скобы, на двух из которых установлены удерживающие плашки (рис. 3.85, а, б) Как правило, внутренняя откидная скоба имеет две опорные оси, на каждую из которых может опираться зуб рукоятки, что позволяет применять один ключ для двух смежных размеров труб, например, 73 мм / 89 мм или 108 мм / 127 мм (рис. 3.85, в). б) а) Рис. 3.85. Шарнирный: а) ключ в ра- бочем (закрытом) положении; б) - элементы ключа; в) – положение рабочего сектора ключа для двух смежных размеров труб: 108 мм / 127 мм. в) в) Рис. 3.86. Короночные ключи: а) гладкозахватный двухшарнирный ключ; б) – ключ для работы с алмазными коронками; в) - рабочее положение клю- ча при захвате алмазной коронки Для свинчивания (развинчивания) тонкостенных колонковых труб и твердосплавных коронокиспользуются гладкозахватные ключи, которые в отличие от шарнирных ключей не имеют удерживающих зубчатых плашек (рис. 3.86, а). 257 Короночные ключи предназначены для работы с алмазными коронка- ми, имеющими цилиндрические углубления на корпусе; имеют одну откид- ную скобу, в теле которой запрессован штифт (рис. 3.86, б). Оборудование и инструмент для выполнения и механизации спуско- подъемных операций. К такому виду оборудованияотносятся: трубозахват- ные устройства (элеваторы), труборазворот и вспомогательный инструмент (наголовники для полуавтоматических элеваторов, подкладные и ведущие вилки). Труборазворот РТ-1200М (рис. 3.87)предназначен для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб и входит в состав буровых ус- тановок типа УКБ (на базе станков СКБ-4 и СКБ-5), а также станков СКТО- 65 и СКТО-75. Механизм устанавливается на устье скважины и пропускает свечу че- рез центральное отверстие в корпусе, в котором размещен редуктор, пере- дающий вращение от электродвигателя водилу. Бурильная колонна удержи- вается на подкладной вилке, которая предварительно вставлена в нижнюю прорезь муфты замка и размещена в отверстии неподвижного корпуса ме- ханизма. Ведущая вилка вводится в прорезь ниппеля замка отвинчиваемой свечи. При включении механизма, водило воздействует на ведущую вилку и развинчивает замковое соединение, освобождая свечу от бурильной колон- ны. Верхняя прорезь муфты замка служит для захвата колонны кольце- вым элеватором или наголовником полуавтоматического элеватора. Рис. 3.87. Механизация операций свинчивания и развинчивания бурильной колонны с помощью труборазворота РТ-1200М 258 При использовании кольцевого элеватора (рис. 3.88, а) его надевание (снятие) на двухпрорезную муфту замка в процессе выполнения спуско- подъемных операций осущест- вляется вручную. В корпусе элеватора имеется продольный паз с уступом внизу, на кото- рый опираются заплечики верхнего прореза муфты замка. На корпусе помещается под- вижное кольцо, которое при- поднимают при надевании эле- ватора и затем опускают для предотвращения выпадения замка в процессе спуска или подъема бурильной колонны. При снятии элеватора кольцо поднимается, и элеватор отво- дится в сторону. Корпус шар- нирно соединен с серьгой, зашплинтованной гайкой. Фарштуль (рис. 3.88, б)используется для подъема или спуска колон- ны бурильных труб с захватом и удержанием ее за нижнюю часть муфты или замка поверхностью прорезной вилки фарштуля. Устройство состоит из подъемной серьги и корпуса, выполненного в виде прорезной вилки, над которой размещается муфта или замок бурильных труб. Ширина зева про- резной вилки соответствует диаметру бурильных труб, которые фиксируют- ся в корпусе фарштуля с помощью страховочного штифта. Для выполнения спуско-подъемных операций без участия рабочего используются полуавтоматические элеваторы, работающие в комплексе с наголовниками, надеваемыми на верхнюю прорезь муфты замка каждой поднятой и установленной на подкладной вилке свечи бурильной колонны. Полуавтоматический элеватор (на примере элеватора МЗ-50-80), схе- ма которого изображена на рис. 3.89, состоит из корпуса с прорезным зевом и серьги, соединенной с корпусом на осях. К серьге приварен отражатель, для отсоединения элеватора от свечи, извлеченной из скважины. В корпусе элеватора выполнена вертикальная цилиндрическая расточка с опорным буртиком в нижней части для подхвата свечи за наголовник. Закрытие зева выполняется поворотным роликом, фиксирующимся подпружиненной за- щелкой. При подъеме колонна бурильных труб с надетым на прорезь муфты замка наголовником устанавливается на подкладной вилке труборазворота Рис. 3.88. Внешний вид и элементы кольцевого элеватора (а) и фарштуля (б) 259 (рис. 3.89, а). Под буртик наголовника заводится элеватор. При подъеме снаряда поворотный ролик элеватора оставляют открытым (рис. 3.89, б). После подъема, развинчивания замкового соединения и установки свечи на подсвечник элеватор опускается, перемещаясь вдоль трубы; при этом за счет планки отражателя элеватор выходит из контакта с бурильной трубой и в свободном виде опускается к устью скважины. Рис. 3.89. Спуско-подъемные операции с использованием полуавтоматического элеватора 260 При спуске колонны элеватор надевается на нижний конец свечи, ус- тановленной на подсвечник и с закрытым поворотным роликом поднимает- ся по свече вверх, подхватывая ее в верхней части за наголовник. Свеча приподнимается, и вручную подводится к устью скважины, опускается в скважину через центральное отверстие труборазворота и устанавливается на подкладной вилке (рис. 3.89, в). После этого последовательно снимаются элеватор и наголовник. Затем элеватор надевается на следующую свечу, ус- тановленную на подсвечник, и цикл работы повторяется. Буровые здания предназначены для размещения в них бурового обо- рудования, защиты его и персонала, обслуживающего буровую установку от непогоды и строятся из различных материалов и разных размеров. В районах работ с относительно мягким климатом буровое здание строится из дощатых щитов и обшивается утеплителем. В местностях с суровым климатом здание выполняется в виде сруба из бревен или брусьев. По способу транспортировки и сборки буровые здания могут быть щитовыми и блочными. Щитовые здания монтируются на основании из отдельных размер- ных щитов, соединяющихся между собой болтами. При перевозке произво- дится разборка щитов, при этом основание здания с оборудованием транс- портируется отдельно от разобранных конструкций. Блочные здания состоят из одного или двух блоков, которые при пе- ревозке не разбираются. Двухблочные здания состоят из станочного и на- сосного блоков. Передвижные установки (рис. 3.91) характеризуются наличием тако- го элемента, как транспортная база в виде саней или колесных платформ, на которой буровая установка размещается не только при перевозках, но и во время бурения скважин. Рис. 3.90. Размещение оборудования в блоке передвижной установки 261 Основу технологиче- ских комплексов данного класса составляют установ- ки типа УКБ (УКБ-4П, УКБ- 5П и УКБ-7П). Они пред- ставляют собой комплекс бурового и энергетического оборудования, контрольно- измерительной аппаратуры, обеспечивающей все виды работ при проходке скважи- ны. Основание установки выполнено в виде металли- ческих саней, на замкнутой раме которых смонтированы мачта и буровое здание. Внутри здания располагает- ся буровой станок, буровой насос, труборазворот, шкаф управления и др. (рис. 3.90). Перевозка установки УКБ-4П обеспечивается еди- ным блоком железно- дородным транспортом или по автомобильным дорогам с помощью тягача на собст- венных полозьях основания бурового здания или с по- мощью колесной тележки ТБ-15. Установка УКБ-5П может перевозится с разде- лением мачты и бурового здания (рис. 3.92). Блочная конструкция установки УКБ-7П позволя- ет перевозить ее отдельны- ми блоками: станочным, насосным, вспомогатель- ным. В целом, стационар- ные и передвижные уста- Рис. 3.91. Передвижная установка УКБ-5П Рис. 3.92. Перевозка установки УКБ-5П 262 новки для бурения на твердые полезные ископаемые представляют собой наиболее полные и универсальные технологические комплексы, способные при необходимости решать любые задачи разведочного характера, в том числе осуществлять бурения гидрогеологических, инженерно- геологических и другого назначения скважин, хотя с меньшей эффективно- стью, чем специализированные установки. Специализированные буровые установки. Для бурения неглубоких скважин при геологической съемке, карти- ровании или для бурения инженерно-геологических, гидрогеологических скважин или скважин специального назначения используются, в основном, самоходные, иногда переносные установки. Такие установки представляют собой особый класс буровых технологических комплексов, позволяющих бурить скважины в диапазоне диаметров от 93 до 900 мм в породах любых категорий, как вращательным способом с промывкой (или с продувкой) и без промывки скважин (шнеками), так и ударно-вращательным, ударно- канатным или ударно- забивным способом. Уста- новки монтируются на шас- си автомобилей, или на соб- ственной колесной или гу- сеничной транспортной ба- зе. Для бурения скважин на воду, а также с целью вы- полнения инженерно- геологических изысканий, геологической съемки и кар- тирования Киевским заво- дом буровой техники разра- ботана малогабаритная ус- тановка КЗБТ-Б1 (рис. 3.93- 3.94). Установка применяет- ся для бурения колонковым способом диаметром 93 мм на глубину до 120 м, с про- мывкой при бескерновом бурении диаметром 112 мм – до 80 м, шнеками диамет- ром 200 мм – до 30 м. Ус- тановка укомплектована мо- дернизированным насосом НБС (на базе насоса НБ- 120/4,0) с повышенной по- Рис. 3.93. Малогабаритная буровая установ- ка КЗБТ-Б1 в транспортном положении Рис. 3.94. Установка КЗБТ-Б1 в рабочем положении 263 дачей жидкости (до 300 л/мин). Скорость самоходного передвижения по участку работ до 3 км/ч. Масса установки – 2500 кг. Элементы установки размещаются на собст- венной колесной или гусеничной транспорт- ной базе. Для бурения мел- ких скважин при поис- ковых, съемочных и других работах исполь- зуются также малогаба- ритные установки вра- щательного бурения без промывки. К ним отно- сятся механические пробоотборники МП-1, (см. рис. 2.29), а также целый ряд передвиж- ных и самоходных ус- тановок для шнекового бурения с упрощенной структурой и кинематикой привода (рис. 3.95). Транспортирующая часть – колонна шнеков соединяется со шпинде- лем вращателя. Разрушение породы при шнековом бурении производится двух- или трехлопастными долотами. Диаметр по окружности лопастей до- лота обычно на 15 – 20 мм больше диаметра шнека. Шнек представляет со- бой трубу, на которой по винтовой линии с шагом 0,6 – 0,8 диаметра шнека приварена спираль – стальная лента. Долото со шнеком и шнеки между со- бой соединяются при помощи быстроразъемных замков. Шнековое бурение весьма эффективно в мягких, сыпучих породах и в галечниках, гранулометрический размер которых меньше расстояния от трубы шнека до края ленты. Вращающийся шнек при транспортировке по- роды на поверхность как бы оштукатуривает стенки скважины, повышая их устойчивость. В сочетании с высокой скоростью бурения это дает возмож- ность получать скважины в мягких породах и даже в песках, период устой- чивого состояния которых, соизмерим со временем бурения скважины. При проходке указанных пород, как правило, принудительная подача инстру- мента применяется лишь на стадии забуривания первого шнека на глубину около 1 м, а затем бурение продолжается под воздействием собственного веса инструмента при возможно большей скорости вращения. Среди легких установок для бурения неглубоких скважин в твердых и крепких породах весьма эффективно зарекомендовала себя переносная ма- логабаритная установка, разработанная в Цзилиньском университете (Ки- тай) (рис. 3.96). Установка может бурить скважины различного целевого на- Рис. 3.95. Шнековое бурение скважины малогабаритной передвижной установкой 264 значения и представляет собой мобильную раз- борную конструкцию при массе отдельных узлов до 30 кг. Установка реализу- ет ударно- вращательный способ бурения с помо- щью малогабаритного гидродвигателя и пнев- моударника. К более тяжелым буровым установкам от- носятся самоходные ус- тановки роторного типа или с подвижным враща- телем, предназначенные для вращательного буре- ния гидрогеологических, геофизических и струк- турных скважин. Установки с под- вижным вращателем (рис. 3.97-3.98) смонти- рованы на шасси автомо- биля и приводятся в дей- ствие от его двигателя. На раме установки раз- мещены: мачта с под- вижным вращателем, гид- родомкраты перемещения вращателя и опорные гидравлические домкра- ты; гидродомкрат подъе- ма мачты; раздаточная коробка; буровой насос или компрессор; гидрав- лические устройства и пульт управления. Отбор мощности на механизмы установки (буровой насос или компрессор, масло- насосы для привода гид- родвигателя подвижного Рис. 3.96. Малогабаритная переносная установка (Китай) Рис. 3.97. Установка УРБ2А-2 в транспортном положении 265 вращателя и домкратов) произ- водится от трансмиссии авто- мобиля через коробку отбора мощности, связанную валом с раздаточной коробкой. Вращатель, перемещаю- щийся по мачте, служит для передачи крутящего момента на буровой снаряд, а также для свинчивания (развинчивания) бурильных труб. Управление установкой осуществляется с пульта, на котором расположе- ны органы оперативного управления и приборы контро- ля процесса бурения. Буровой инструмент может перевозить- ся на автомобильном прицепе. К установкам с подвиж- ным вращателем относятся также самоходные установки КГК-100 и КГК-300 (рис. 3.99- 3.100) предназначены для бу- рения с непрерывной достав- кой из скважины на поверх- ность керна и шлама восходя- щим потоком промывочной жидкости. Комплект технических средств для бурения с гидро- транспортом керна включает: специальные твердосплавные коронки, керноприемный сна- ряд с керноломом, двойные бу- рильные трубы, промывочный сальник, обеспечивающий под- вод жидкости от бурового на- соса к кольцевому зазору и от- вод ее из центрального канала вместе с керном, систему про- мывки, позволяющую опера- тивно регулировать направле- ние потока и доставлять керн Рис. 3.98. Самоходная установка с под- вижным вращателем на точке бурения Рис. 3.99. Схема бурения с гидротранспор- том керна 266 по шлангам к керносборному устройству. Керносборное устройство состоит из перфорированных или сетчатых лотков, перемещаемых цепным транспортером. Лотки поочередно заполня- ются керном, который затем перекладывается в керновые ящики. Гидро- транспорт керна используются при бурении скважин глубиной до 100 и до 300 м в породах I-V категорий на стадиях поисков и разведки руд полиме- таллов, золота, бокситов, нерудных строительных материалов, а также при геофизических и гидрогеологических исследованиях. Жидкость нагнетается к забою по кольцевому зазору между поверх- ностями труб двойной бурильной колонны (наружными трубами - пере- дающими осевую нагрузку и крутящий момент, и внутренними, служащими кернопроводом). Применения установок КГК позволяет значительно сократить время бурения скважин, прежде всего, за счет исключения из производственного цикла подъема инструмента для извлечения керна из колонковых труб. Установки с роторным вращате- лем типа УРБ (рис. 3.101) и БА (рис. 3.102) структурно идентичны выше рас- смотренным установ- кам и предназначены для бурения струк- турно - поисковых, разведочных и гидро- геологических сква- жин вращательным способом с очисткой Рис. 3.100. Установка КГК-300 для бурения с гидротранспортом керна Рис. 3.101. Внешний вид установки УРБ-12У 267 забоя скважины промывкой. Буровой блок установок смонтирован на шасси автомобиля. На раме бурового блока размещаются: мачта (как правило, складывающаяся), опор- ные винтовые домкраты для разгрузки шасси автомобиля во время бурения, коробка отбора мощности, коробка передач, лебедка, ротор, буровой насос, генератор, гидравлические домкраты подъема мачты, компрессор, гидрав- лические и пневматические устройства. Отбор мощности на механизмы бу- рового блока осуществляется от трансмиссии автомобиля через коробку отбора мощности, соединенную через карданный вал с коробкой передач бурового блока. Привод бурового насоса, лебедки и ротора – от коробки пе- редач, а привод генератора, компрессора и маслонасоса – от коробки отбора мощности. Буровые установки оснащаются механизмом для свинчивания (развинчивания) бурильных труб. В ряде конструкций насосно-силовой блок может быть смонтирован на двухосном автомобильном прицепе (рис. 3.102). |