Буровые установки для колонкового бурения

Буровой установкой называется комплекс бурового и энергетического оборудования, а также сооружений (вышка или мачта, буровое здание), служащий для бурения скважин.

Колонковое бурение производится установками, состоящими из бурового агрегата, который размещен в буровом здании, и буровой вышки или мачты.

Буровой агрегат включает буровой станок, буровой насос для промывки скважины, силовые приводы к ним, аппаратуру контроля и регулирования процесса бурения.

Установки для колонкового бурения по транспортабельности разделяются на:

• — стационарные;
• — передвижные;
• — самоходные;
• — переносные.

Стационарными называются такие установки, у которых буровой агрегат и вышка монтируются в виде одного или нескольких блоков. Эти установки не имеют собственной транспортной базы. После окончания бурения установка разбирается на составные блоки, которые перевозятся на новое место бурения, где снова монтируются. Стационарные буровые установки используются при больших затратах времени на бурение скважин.

Передвижные буровые установки монтируются на одной или нескольких рамах, установленных на санях, колесных или гусеничных тележках. Такие установки применяют при небольших расстояниях между скважинами и перемещают буксировкой автомобилями или тракторами.

Самоходные установки монтируются на базе автомашин, тракторов.

Буровые станки служат для вращения колонны бурильных труб с колонковым набором, регулировки осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент с подачей бурового снаряда по мере углубления скважины, а также для осуществления спускоподъемных операций при бурении скважины, креплении ее обсадными трубами и специальных работах.

Основные узлы станка для колонкового бурения:

• а) вращатель бурового снаряда;
• б) многоступенчатая коробка передач для регулирования частот вращения и подъема;
• в) лебедка для осуществления спускоподъемных операций;
• г) главный фрикцион для включения и отключения станка от двигателя;
• д) механизм подачи бурового снаряда и регулятор нагрузки на породоразрушающий инструмент;
• е) пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой.

Конструктивная схема станка и установки в целом существенно определяется типом вращателя и механизмом подачи. Вращатели по своей конструкции подразделяются на шпиндельные, роторные и подвижные. Вращатель бурового станка является основным рабочим механизмом, выполняющим технологические операции при бурении.

Осевую нагрузку на забой скважины регулирует механизм подачи бурового станка. В зависимости от конструкции механизма подачи буровые станки бывают: с гидравлической подачей; винтовой дифференциальной подачей; рычажной подачей; комбинированной рычажно-дифференциальной подачей; подачей с барабана лебедки (роторные станки). Преимущественно применяют шпиндельные станки с гидравлической системой подачи, Вращение и подача бурильной колонны в этом случае осуществляется с помощью шпинделя.

Установки, оборудованные шпиндельным или подвижным вращателем с гидравлической подачей, обладают следующими преимуществами:

• 1) могут бурить вертикальные, наклонные и восстающие скважины;
• 2) обеспечивают возможность регулирования осевого усилия на забой (создание принудительного усилия или разгрузки забоя);
• 3) позволяют производить плавную подачу бурового снаряда с требуемой скоростью;
• 4) позволяют определять вес снаряда в скважине;
• 5) гидравлическая подача может быть использована как гидравлический домкрат при извлечении труб и ликвидации аварий.

Все эти преимущества предопределили распространенность шпиндельного и подвижного вращателя с гидравлической подачей на установках колонкового бурения, используемых при разведке твердых полезных ископаемых. В роторных установках ротор (вращатель) в отличие от шпинделя вращается лишь в горизонтальной плоскости и неподвижен относительно вертикальной оси, поэтому не может обеспечить дополнительную осевую нагрузку (разгрузку на буровой снаряд).

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

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.

Основными из станков для колонкового бурения являются установки типа ЗИФ.

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, установлен на двух шарикоподшипниках в левой боковой стенке корпуса коробки скоростей. В шестерне сделана внутренняя расточка, в которой установлены два шарикоподшипника, являющиеся левой опорой вторичного шлицевого вала коробки скоростей. Эта шестерня находится в постоянном зацеплении с шестерней, заклиненной на промежуточном шлицевом валу. На этом же валу жестко смонтированы и две другие шестерни, с помощью которых в совокупности и осуществляется работа агрегата.

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, находящаяся в постоянном зацеплении с тремя сателлитами.

Тормозная шайба, скрепленная с водилом болтами, вместе с шестернями образует блок шестерен сателлитов, которые находятся в постоянном зацеплении с зубчатым венцом 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. Тогда при включенном главном фрикционе от вторичного вала коробки скоростей через промежуточную шестерню будет вращаться барабанный вал с солнечной шестерней. 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, 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.

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.

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.

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.

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.