Инженерные изыскания для строительства
Тел./факс: (812) 449-45-91
E-mail: petroburservis@list.ru

Буровые установки для колонкового бурения. Станки с гидравлической подачей

Колонковое бурение в основном осуществляется станками с гидравлической подачей.

В настоящее время станки с гидравлической подачей изготовляются для бурения скважин глубиной от 20 - 25 до 2000 - 3000 м.

Самые глубокие в мире скважины малого диаметра (глубиной свыше 4 км) пробурены станками с гидравлической подачей. Гидравлическая подача обладает следующими достоинствами:

  • позволяет достаточно точно регулировать и постоянно контролировать нагрузку на коронку;
  • освобождает бурового мастера от затраты физического труда при регулировании подачи инструмента;
  • позволяет фиксировать контакты пород различной твердости;
  • предотвращает падение бурового инструмента при встрече каверн;
  • может быть использована как гидравлический домкрат при прихвате инструмента.

Для проходки скважин в быстро буримых породах эти станки оснащаются длинными ведущими штангами с целью сокращения времени на перекрепления зажимных патронов. При этом подачу инструмента осуществляют с барабана лебедки.

Мы более подробно остановимся на станках типа ЗИФ и особенно на наиболее крупном и сложном станке типа ЗИФ-1200-А.

Станок ЗИФ-1200-А

Станок монтируется на раме, выполненной из двух продольных балок, связанных между собой для жесткости трубами и поперечными швеллерными балками.

Станина станка представляет собой жесткий корпус, сваренный из стальных отливок в комбинации с листовым и профильным стальным прокатом.

Привод станка осуществляется от электродвигателя, вал которого с помощью втулочно-пальцевой муфты соединен с валом главного фрикциона. Вал фрикциона установлен на двух шарикоподшипниках. На правом конце вала посажены два ведущих диска фрикциона, между ними включен ведомый диск, закрепленный на первичном валу коробки скоростей. Главный фрикцион постоянно включен и выключается специальной рукояткой при запуске электродвигателя и переключении скоростей.

Первичный вал, выполненный за одно целое с шестерней z = 18, установлен на двух шарикоподшипниках в левой боковой стенке корпуса коробки скоростей. В шестерне z = 18 сделана внутренняя расточка, в которой установлены два шарикоподшипника, являющиеся левой опорой вторичного шлицевого вала коробки скоростей.

Шестерня z = 18 находится в постоянном зацеплении с шестерней z = 41, заклиненной на промежуточном шлицевом валу. На этом же валу жестко смонтированы шестерни z = 27, z = 36.

По шлицам вала могут передвигаться шестерня z = 32 и блок из двух шестерен z = 23 и z = 41.

Последовательно переключая эти шестерни, с помощью рукоятки управления можно сообщить вторичному валу коробки передач четыре скорости вращения:

  • при включении в зацепление шестерен z = 18 и z = 41; z = 18 и z = 41;
  • при включении шестерен z = 18 и z = 41; z = 27 и z = 32;
  • при включении шестерен z = 18 и z = 41; z = 36 и z = 23;
  • при включении первичного вала на прямую с вторичным.

При этом шестерня z = 32 на валу передвигается в крайнее левое положение и соединяется с шестерней z = 18, как зубчатая муфта.

На правом конце вторичного вала на шарикоподшипниках свободно посажены две шестерни z = 24, между которыми на шлицах может передвигаться двусторонняя зубчатая муфта. При перемещении муфты влево происходит торцовое сцепление с левой шестерней z = 24 и осуществляется через промежуточную шестерни z = 35 вращение шестерни z = 60, заклиненной на барабанном валу.

При перемещении муфты 16 вправо включается правая шестерня z = 24 и тогда через шестерню z = 42 вращение будет передаваться на горизонтальный вал вращателя. В среднем положении муфты одновременно включаются лебедка и вращатель.

Лебедка станка ЗИФ-1200-А планетарная, оборудованная двумя тормозами: тормозом грузовым (спуска) и тормозом пусковым (подъема); оба тормоза колодочные. Грузовой тормоз имеет водяное охлаждение.

Барабан свободно посажен на вал на двух шарикоподшипниках. На валу на шпонках посажена солнечная шестерня z = 27, находящаяся в постоянном зацеплении с тремя сателлитами z = 21.

Тормозная шайба, скрепленная с водилом болтами, вместе с шестернями z = 21 образует блок шестерен сателлитов, которые находятся в постоянном зацеплении с зубчатым венцом z = 69 с внутренним зацеплением. Зубчатый венец запрессован в расточку правого торца барабана и дополнительно закреплен от поворота винтами.

Лебедка работает следующим образом

Зубчатой муфтой включают левую шестерню z = 24. Тогда при включенном главном фрикционе от вторичного вала коробки скоростей через промежуточную шестерню z = 35 будет вращаться барабанный вал с солнечной шестерней z = 27. Лебедка управляется двумя рукоятками.

Если колодочным тормозом обжать шкив и остановить водило, то сателлиты будут вращаться на одном месте (не будет совершать планетарного движения) и начнут вращать шестерню внутреннего зацепления z = 69, а следовательно, и барабана. При этом грузовой тормоз должен быть освобожден.

При спуске инструмента регулируют скорость спуска грузовым тормозом, а тормоз подъема должен быть освобожден.

Включение вращателя производится переводом зубчатой муфты в правое положение. Тогда от вала при помощи конической передачи будет вращаться полый шпиндель.

Вращатель с гидроцилиндрами

К корпусу вращателя прикреплены два гидроцилиндра, в которых могут перемещаться поршни со штоками, связанными со шпинделем траверсой. Осевое усилие на вращающийся шпиндель передается через упорные шарикоподшипники. К траверсе, кроме того, жестко прикреплены два направляющих штока, проходящих сквозь бронзовые втулки, запрессованные в отверстия в корпусе вращателя. Штоки предназначены для защиты сальников от влияния на них вибрации шпинделя и рабочих штоков в процессе бурения. В корпусе вращателя имеется смотровой люк, закрываемый крышкой. Через него осуществляется заливка масла в корпус вращателя.

На концы шпинделя навинчиваются зажимные патроны, в которых закрепляется верхний конец бурильной колонны. Верхний патрон имеет левую резьбу, а нижний - правую. Патрон состоит из стального литого корпуса, двух наметок, оси наметок, стяжного болта, пружины и зажимных кулачков.

Закрепление бурильной трубы осуществляется наметками через зажимные кулачки. Как верхний, так и нижний патроны комплектуются тремя парами зажимных кулачков для крепления бурильных труб d = 50, 63,5 и 73 мм. Насечка (резьба) на рабочей части кулачка правая, а кулачка левая, она предотвращает возможность проворота и проскальзывания бурильной штанги в кулачках патрона. Кулачки изготовляются из инструментальной стали марки У7, рабочая поверхность нарезанной части кулачка после закалки должна иметь твердость 50-56Яс.

Ход шпинделя станка ЗЛФ-1200-Л 600 мм. Станки на меньшую глубину бурения имеют ход 300 - 500 мм. При проходке мягких пород механическая скорость бурения нередко достигает 5 - 10 м/час и более, в связи с чем процесс бурения часто приходится прерывать.

Чем больше скорость бурения, тем больше затрата времени на перекрепление патронов и холостой подъем шпинделя. Для устранения этих потерь в комплект станков типа ЗИФ входит ведущая штанга для бурения с подачей инструмента с барабана лебедки. Ведущая штанга у станка ЗИФ-1200-А трехгранной формы имеет длину 5,5 м.

Для вращения ведущей штанги применяется специальный патрон с трехгранным отверстием, который навинчивается на верхний конец шпинделя вместо патрона, изображенного. Нижний шарнирный патрон заменяется при этом направляющим патроном с круглым отверстием, который направляет и сдерживает радиальное биение нижнего конца ведущей штанги.

Верхняя часть трехгранной штанги соединяется с вертлюгом - сальником при помощи левого переводника. Нижняя часть штанги соединена с колонной бурильных труб через замок.

Подача инструмента на забой по мере углубления регулируется тормозом спуска. Величина осевой нагрузки инструмента на забой контролируется динамометром, установленным на неподвижном конце талевого каната.

В случае аварийного отключения электроэнергии или порчи электродвигателя станка буровой снаряд можно поднять с забоя. Для этого необходимо зажать кулачками ведущую штангу в верхнем патроне и использовать гидроцилиндры как гидродомкраты.

Гидроцилиндры приводятся в действие с помощью установленного ручного насоса.

Обратный ход шпинделя и лебедки достигается реверсированием электродвигателя.

Лебедка станка ЗИФ-1200-А имеет на заднем конце вала кабестан, с помощью которого осуществляются различные вспомогательные операции.

Для освобождения устья скважины станок перемещается по салазкам рамы с помощью горизонтального гидравлического цилиндра, расположенного на раме под станиной.

Кроме станка ЗИФ-1200-А, на разведочных работах широко применяются станки ЗИФ-650-А и ЗИФ-300-М, конструкция которых аналогична конструкции станка ЗИФ-1200-А.

Буровая установка ВИТР-2000Э

Для глубокого колонкового бурения спроектирована и испытана буровая установка ВИТР -2000Э, рассчитанная на бурение вертикальных скважин до глубины 2000 м. При алмазном бурении коронками малого диаметра этот станок позволит проходить скважины до глубины до 3000 м.

Буровая установка ВИТР-2000Э включает в себя:

  • буровой станок ВИТР-2000Э с отдельно вынесенным пультом управления, передвижной электростанцией, магнитной станцией, контрольно-измерительными приборами и блоком питания аварийного привода;
  • два промывочных насоса типа 11ГРБ с индивидуальным приводом;
  • механизм для свинчивания и развинчивания бурильных труб;
  • мачту высотой 32 м, грузоподъемностью 35 т при 6-струн-ной оснастке.

Буровой станок, промывочные насосы и механизм для свинчивания и развинчивания бурильных труб имеют индивидуальные электродвигатели.

Питание гидросистемы осуществляется от двух лопастных маслонасосов (Л1Ф-50 и Л1Ф-12). Насосы могут работать раздельно и вместе. При бурении работает насос Л1Ф-12. Насос Л1Ф-50 включается в работу при подъеме снаряда, а также для быстрого подъема шпинделя.

Контрольно-измерительная аппаратура агрегата ВИТР-2000Э позволяет измерять: напряжение в сети, силу тока в обмотке электродвигателя станка, мощность электродвигателя станка, давление в гидросистеме, давление в промывочных насосах, крутящий момент на шпинделе станка.

Защитные устройства предназначаются для защиты бурильных труб и механизмов станка от перегрузки и от переподъема бурового снаряда.

Новые типы станков с гидравлической подачей

За последние годы сконструированы новые типы буровых станков с гидравлической подачей. Эти станки более быстроходны, чем станки типа ЗИФ, и оснащены легкими промывочными насосами. Новые буровые станки легко разбираются на небольшие транспортабельные узлы.

Станки для бурения скважин глубиной 300 м и более оснащаются контрольно-измерительной аппаратурой и гидромеханическим зажимным патроном, позволяющим производить быстрое перекрепление буровой колонны без остановки вращения шпинделя.

Новые станки находятся в стадии испытания и доводки.

Буровой станок БСК2-100

Станок БСК2-100 предназначен для бурения разведочных скважин глубиной 100 м алмазными и твердосплавными коронками.

Установка легко разбирается на отдельные закрытые узлы весом 40 - 50 кг, что позволяет использовать ее в условиях труднодоступной местности. Станок не имеет мачты и лебедки. Подъемные операции выполняются с помощью гидроцилиндров подачи и секторных штангоподъемников. Реверс гидроцилиндров при подъеме осуществляется автоматически. Спуск инструмента в скважину производится с помощью колодочного пружинного тормоза. Отсутствие мачты облегчает транспортировку и монтаж бурового агрегата.

Конструкция станка предусматривает замену бензинового двигателя электрическим без каких-либо изменений и переделок станка.

Станок снабжен бесступенчатой гидравлической подачей и прибором для определения давления на забой скважины.

Гидравлический патрон

Станки новых типов оснащены гидравлическими патронами, ускоряющими и облегчающими операции закрепления и раскрепления бурильной трубы в шпинделе.

Гидравлический патрон устроен следующим образом.

В полости литого корпуса помещается кольцевой поршень, уплотненный резиновыми манжетами. Через штуцер подается масло в кольцевую полость. Осевое усилие поршня через упорный подшипник передается на обойму, на внутренней поверхности которой имеются три продольные канавки. В шпинделе патрона предусмотрены три прямоугольных радиальных паза, в которых установлены плашки. Рабочая поверхность плашек зубчато-рифленая, а задняя поверхность имеет продольные канавки, ось которой параллельна оси патрона. Между канавками плашек и обоймы установлены три стальных шарика, помещенные в сепараторе. Пружины, поджимающие сепаратор, заставляют шарики плотно прижиматься к канавкам плашек и обоймы. Обойма в свою очередь прижимается к упорному подшипнику шестью пружинами, опирающимися на фланец, прикрепленный к шпинделю патрона шестью болтами.

Когда поршень под давлением масла перемещается и толкает обойму вниз, шарики, перекатываясь по наклонным канавкам обоймы, нажимают на плашки и зажимают ими бурильную трубу. При снятии давления в патроне пружины отжимают обойму, освобождая плашки. Вместе с обоймой под действием пружины перемещается и поршень, вытесняя масло в бак через штуцер. Плашки, освобожденные от давления шариков, пружинами разводятся в стороны, освободящая отверстие шпинделя для свободного прохода бурильной трубы. Все вращающиеся части патрона закрыты кожухом, благодаря чему обеспечена безопасность обслуживания гидропатрона.

Гидравлический привод станков колонкового бурения

Гидравлический привод применяется для регулирования подачи бурового инструмента, подъема и опускания вышек (мачт), работы гидравлических зажимных патронов, перемещения станка вдоль рамы и пр. В аварийных случаях гидропривод используется как домкрат. Гидравлика может быть использована при свинчивании и развинчивании бурильных труб.

В гидросистемах применяются насосы двух типов: шестеренчатые (зубчатые) с давлением до 30 кг/см2 и лопастные с давлением до 75 кг/см2 и выше.

Гидравлическая система буровых станков типа ЗИФ состоит из двух неподвижных цилиндров, в которых передвигаются поршни со штоками. Верхние концы штоков траверсой связаны со шпинделем, посаженным на упорных шарикоподшипниках. Для усиления жесткости конструкции к траверсе прикреплены два направляющих штока, перемещающихся в неподвижных бронзовых втулках. На одном из направляющих штоков нанесены деления, позволяющие наблюдать за скоростью подачи.

Лопастной маслонасос подает масло из бачка в маслопровод, в который включен предохранительный клапан и трехходовой кран. Далее масло поступает или по маслопроводу в цилиндры подачи бурового инструмента, или по маслопроводу в цилиндр перемещения станка.

Регулировка давления масла осуществляется дроссельным краном. Для контроля давления установлен манометр. Нагрузка на коронку контролируется по индикатору давления (дриллометру).

С помощью распределительного крана можно верхнюю или нижнюю полости цилиндров сообщать через маслопроводы с нагнетательной линией, а противоположные полости - со сливной линией.

Если вес бурильной колонны недостаточен для создания оптимальной нагрузки на коронку, масло направляют в верхние полости цилиндров, для чего распределительный кран ставят в положение I.

По мере углубления скважины, т. е. по мере увеличения веса колонны штанг, надо уменьшать давление в верхней полости цилиндров. Если колонна штанг собственным весом будет создавать нагрузку на забой больше требуемого, необходимо произвести разгрузку колонны путем нагнетания масла в нижние полости цилиндров. Для этого распределительный кран устанавливают в положение II. Если дроссельный кран закрыть, поршни будут поднимать инструмент от забоя. При бурении необходимо через дроссель сбрасывать все масло, нагнетаемое насосом и вытесняемое опускающимися поршнями и, регулируя скорость истечения масла, создавать тем большее давление под поршнями, чем больше разница между весом бурильной колонны и требуемой нагрузкой на коронку. Бурение с разгрузкой можно вести при выключенном насосе. Для этого поднимают поршни в крайнее верхнее положение, трехходовой кран ставят в положение VI и, включив вращатель, начинают через дроссель спускать масло, поддерживая под поршнем требуемое давление жидкости.

Для быстрого подъема ненагруженного шпинделя распределительный кран устанавливают в положение III. В этом случае жидкость из маслонасоса направляется в обе полости цилиндров. Так как площадь поршня снизу больше чем сверху, то и сила, действующая снизу, будет больше, что заставит поршни быстро подниматься. Чтобы остановить подачу, распределительный кран устанавливают в положение IV. При этом поступление жидкости из маслонасоса в цилиндры прекратится, так же как и истечение жидкости из них.

В начале подъема инструмента станок должен откатываться, чтобы освободить рабочее место над устьем скважины. В конце спуска, перед постановкой коронки на забой, шпиндель станка должен быть опять установлен над устьем скважины. Для горизонтального перемещения станка имеется горизонтальный подвижной цилиндр, расположенный в раме под станиной. Для перемещения станка кран ставится в положение VII. Тогда масло направляется через маслопровод и распределительный кран в правую или левую полость подвижного цилиндра, к которому прикреплен станок, перемещающийся по направляющим салазкам. Шток и поршень этого гидравлического устройства неподвижно закреплены в нижней раме станка.

При бурении с разгрузкой увеличение давления в гидравлических цилиндрах свидетельствует об уменьшении нагрузки на коронку, что происходит автоматически при переходе коронки из твердой породы в мягкую. Наоборот, резкое уменьшение давления в гидроприводе будет указывать на увеличение нагрузки на коронку, что наблюдается при смене мягкой породы крепкой. Постепенное уменьшение давления жидкости под поршнями обусловливается затуплением резцов коронки.

При наличии густого шлама у забоя индикатор давления покажет при подъеме бурильной колонны силу, значительно превосходящую вес инструмента, а при опускании - снижение давления под поршнями. Индикатор давления позволяет отмечать обрыв бурильной колонны и определять примерную глубину обрыва.

Масло, заполняющее систему гидропривода, должно быть маловязким, обладать хорошими смазывающими способностями, не содержать кислот, щелочей, смол и механических примесей.

Перед заполнением гидросистемы масло необходимо профильтровать, так как незначительные механические примеси могут способствовать порче маслонасоса и других деталей гидросистемы.

Прибор гидроуправления станков типа ЗИФ выполняет функции распределительного золотника с дроссельным и предохранительным клапанами.

Включение цилиндров перемещения станка производится отдельным золотником, закрепленным на боковой стенке станины. Этим же золотником задается направление движения станка.

Ручной маслонасос предназначен для подъема бурильного инструмента от забоя при внезапном отключении электроэнергии. Основной недостаток описанной выше подачи заключается в том, что скорость ее резко изменяется при бурении пород, перемежающихся по твердости. Особенно это проявляется при бурении с дополнительной нагрузкой. При неравномерной подаче породо-разрушающего инструмента процесс кернообразования ухудшается в результате скалывания крупных частиц породы и недостаточной очистки забоя от шлама, это способствует самозаклиниванию керна в колонковом снаряде, а также неблагоприятна, сказывается на износостойкости алмазных коронок. В связи с этим такую гидравлическую подачу нецелесообразно применять при бурении алмазными коронками в сильно трещиноватых и перемежающихся по твердости породах.

Отечественные станки БСК2А-100, буровые станки фирмы "Лонжир", некоторых австралийских и японских фирм выпускаются с гидравлической подачей, в которой регулирование давления масла производится за счет дросселирования жидкости, вытекающей из нижних полостей гидравлических цилиндров.

При бурении с дополнительной нагрузкой создается небольшое противодавление под поршнями, повышается плавность подачи инструмента, уменьшается вибрация бурильной колонны и увеличивается работоспособность алмазных коронок.

Индикатор веса

Регулирование нагрузки на коронку может быть успешно осуществлено только в том случае, если станки оснащены индикаторами веса.

Индикаторы веса (указатели давления), применяемые на станках с гидравлической подачей, показывают нагрузку на коронку в кг. Эти приборы построены на принципе манометра. В корпусе помещены две манометрических трубки. Манометрическая трубка, выпрямляясь при повышении давления масла в нижней полости цилиндров, через тягу поворачивает зубчатый сектор, вращает шестерню и переднюю черную стрелку, закрепленную на оси шестерни.

Манометрическая трубка, действуя через тягу на зубчатый сектор и шестерню, вращает заднюю красную стрелку Л, закрепленную вместе с шестерней на полой оси. Черная стрелка индикатора вращается вправо (по часовой стрелке), а красная стрелка - влево (против часовой стрелки). Циферблат (шкала) может поворачиваться на 360° с помощью головки и поводка. Деления нанесены в возрастающем порядке против часовой стрелки.

В исходном положении (при атмосферном давлении) обе стрелки направлены вертикально вниз и совпадают с индексом "вес".

Перед постановкой коронки на забой инструмент взвешивается. Взвешивание должно производиться при нормальной работе промывочного насоса и вращении бурильных труб, при медленной подаче инструмента к забою. В этом случае черная стрелка поворачивается по часовой стрелке тем больше, чем тяжелее колонна бурильных труб. Когда стрелка остановится, циферблат при помощи головки поворачивают до совпадения нулевого деления шкалы с направлением черной стрелки. Вес колонны тогда отсчитывается по индексу на ободе прибора с надписью "вес".

Во время бурения с дополнительной нагрузкой черная стрелка установится в исходное положение, направленное вертикально вниз (совпадающее с индексом "вес"), а красная стрелка повернется против часовой стрелки тем больше, чем значительнее дополнительная нагрузка. При этом красная стрелка показывает полное давление на забой 1000 кг (500 кг вес инструмента и 500 кг - дополнительная нагрузка, создаваемая гидравлической подачей).

При бурении с разгрузкой после взвешивания инструмента коронку ставят на забой. Чем больше нагрузка на забой, тем меньше груз, подвешенный на штоках цилиндров подачи. Поэтому черная стрелка будет поворачиваться назад, против часовой стрелки, и непосредственно указывать нагрузку на коронку.

Разработано
в Студии RED
© 2010 ПетроБурСервис
» Инженерно-геологические изыскания
» Инженерно-экологические изыскания
» Инженерно-геодезические изыскания
» "Геолог"
» БМК-130
» Понтон
» "Опенок"
» "Крот"
» Тягач-амфибия
» Буровой трактор