Глава 4. Выбор буровой установки

После выбораспособа бурения и проектирования конструкции скважины следующим крайне важным этапом проектирования является выбор буровой установки.

4.1. Анализ основных конструктивных схем буровых установок

Буровая установка – агрегат различных по назначению машин, механизмов и сооружений, предназначенных для производства процесса бурения (строительства) скважины.

Буровой станок – основной элемент буровой установки, который осуществляет выработку (в ряде случаев трансформацию) и передачу энергии на забой скважины для разрушения горной породы, подачу бурового инструмента при углублении скважины, спуско-подъемные и вспомогательные операции.

Диапазон глубин бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые очень широк (от нескольких метров до нескольких тысяч метров). Нижний предел этого диапазона в настоящее время превосходит глубину 3 000 м. В 1977 г. в Министерство геологии СССР был введен в действие параметрический ряд буровых установок, отличающихся значениями основных параметров – грузоподьемностью, глубиной бурения, мощностью привода. Существующий параметрический ряд подразделяет все установки на 8 классов (табл. 4.1). В качестве главного параметра, на основании которого произведено разделение установок по классам, принята номинальная глубина скважин, в данном случае заданная глубина бурения вертикальных скважин, которую должна обеспечивать данная установка при использовании основного бурового снаряда. В качестве основного снаряда для установок 3-8 класса был принят снаряд, включающий алмазный породоразрушающий инструмент диаметром 59 мм и стальную бурильную колонну диаметром 50 мм. Масса 1 м такого снаряда с учетом массы соединительных деталей для свечей длиной 18,6–9,5 м равна 5,5–6,9 кг. Номинальные геолого-технические условия характеризуются бурением скважин в вертикальном направлении при отсутствии интенсивного искривления и сужения ствола, обвалов породы со стенок, поглощений промывочной жидкости.

Таблица 4.1

Параметрический ряд буровых установок для бурения геологоразведочных скважин

на твердые полезные ископаемые

Класс буровой установки	Номинальная глубина бурения, м	Номинальная грузоподьемность, кН	Максимальная грузоподьемность, кН	Номинальная мощность привода, кВт
1	25	1,25	2,0	3
2	100	6,3	10,0	11
3	300	20,0	32,0	15
4	500	32,0	50,0	22
5	800	50,0	80,0	30
6	1200	80,0	125,0	45
7	2000	125,0	200,0	55
8	3000	200,0	320,0	75

Параметрический ряд буровых установок оснащен следующими агрегатами:

- буровые установки 1 класса – УКБ -1 -12/25, буровой насос НБ-1;

- установка 2 класса – УКБ-2 (станки СКБ -2- 50/100, БСК-100-2М, насос НБ-2);

- установка 3 класса – УКБ-3 (станок СКБ-3-200/300, насос НБ-3);

- установка 4 класса – УКБ-4 (станки СКБ-4-300/500 и СКБ-4110-300/500, насос НБ-3);

- установка 5 класса – УКБ-5 (станки СКБ-5-500/800, ЗИФ-650 М, насос НБ-4);

- установка 6 класса (станок ЗИФ-1200 МРК с насосом НБ-5);

- установка 7 класса – УКБ-7 (станок СКБ-7, насос НБ-5);

- установка 8 класса – установка УКБ-8, ПБУ-1200Р (насос НБ-32, НБ-160/63).

Основными механизмами бурового станка являются:

- вращатель, который осуществляет передачу крутящего момента на породоразрушающий инструмент;

- механизм подачи породоразрушающего инструмента и регулирования осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент в процессе углубления забоя скважины;

- грузоподъемное устройство, предназначенное для проведения спуско-подъемных операций;

- устройство для регулирования частоты вращения вращателя и грузоподъемного устройства;

- аппаратура для управления и контроля процесса бурения.

Схема бурового станка определяется выбором вращателя.

Вращатели станков, предназначенные для разведочных работ на твердые полезные ископаемые, могут быть следующих типов:

- роторный;

- шпиндельный;

- подвижный.

Для роторного вращателя характерны:

- высокая грузоподъемность, что определяет его использование при бурении глубоких и сверхглубоких скважин;

- непрерывный ход подачи при углублении 5–15 м;

- необходимость прерывать процесс углубления и циркуляции очистного агента при наращивании бурильной колонны.

Шпиндельный вращатель характеризуется:

- ограниченной грузоподъемностью (предельная глубина скважин 1 500– 2 000 метров при диаметре инструмента, как правило, не более 59 мм);

- малым ходом подачи при углублении (не более 0,5 м);

- необходимостью прерывать процесс углубления при перекреплении клиновых захватов вращателя в конце хода подачи и наращивании бурильной колонны.

Подвижный вращатель характеризуется:

-грузоподъемностью, близкой к грузоподъемности шпиндельного вращателя;

- значительным ходом подачи при углубке (2–4 м);

- необходимостью прерывать процесс углубления и циркуляции очистного агента при наращивании бурильной колонны.

Анализ функциональных возможностей вращателей, которые используются в современном бурении, показывает, что шпиндельный и подвижный вращатели предназначены для бурения скважин одного назначения на ограниченную глубину. Опыт буровых работ при разведке месторождений минерального сырья и тенденции в развитии бурового машиностроения показали, что гораздо более перспективны буровые станки с подвижными вращателями.

В станках с подвижными вращателями реализуются следующие схемы привода вращения колонны:

- от одного высокооборотного нерегулируемого аксиально-плунжерного, шестеренчатого или пластинчатого гидромотора через коробку скоростей;

- от двух или четырех нерегулируемых гидромоторов с различными характеристиками частоты вращения и крутящего момента через одноступенчатый редуктор (регулирование частоты вращения и крутящего момента производится путем замены гидромотора);

- от регулируемого аксиально-плунжерного гидромотора через одноступенчатый редуктор;

- от высокомоментного гидромотора, вал которого без дополнительного редуктора непосредственно подсоединяется к бурильной колонне.

Таким образом, станки с подвижными вращателями оснащены гидродвигателями, которые могут быть максимально приближены к бурильной колонне, обладают минимальной трансмиссией и отличаются универсальностью.

Тип вращателя значительно влияет на затраты времени на вспомогательные операции: перекрепление механизма подачи, наращивание, спуск-подъем колонны, расхаживание колонны, дохождение до забоя. Эти операции составляют существенную долю в балансе затрат времени на бурение, особенно при росте производительности бурового процесса, поскольку время на собственно углубку снижается, а затраты времени на вспомогательные операции практически не меняются.

На рис. 4.1 представлен график, отражающий рост доли затрат времени на вспомогательные операции при росте производительности бурения (графики построены с использованием данных из работы).

Для оценки затрат времени на вспомогательные операции используется коэффициент К_вс:

К_вс = , (4.1)

где Т_вс – время на вспомогательные операции при бурении;

Т_об – время на бурение 1-го метра скважины.

Анализ графиков на рис. 4.1 показывает, что целесообразно использовать подвижные вращатели, особенно при высокопроизводительных способах бурения.

Таким образом, предварительный анализ показывает, что в современном бурении при разведке рудных месторождений более эффективны буровые станки с подвижными вращателями. В 70–80-е годы прошлого столетия в ведущих буровых фирмах буровые станки со шпиндельными вращателями были заменены в основном агрегатами с подвижными вращателями. К этому времени буровые станки со шпиндельными вращателями уже серьезно сдерживали рост производительности бурения геологоразведочных скважин.

В 80-е годы ХХ в., когда производительность буровых бригад ведущих организаций Министерства геологии СССР достигла предельного значения в формате возможностей отечественной буровой техники, оснащенной станками шпиндельными типа ЗИФ и СКБ (средняя производительность шарошечно-алмазного бурения – 1000–1500 м на станок в месяц по породам VIII–X категории по буримости; рекордные значения производительности для бригад Монгольской экспедиции № 33, составляли более 3 000 метров на станок в месяц), были отмечены разработки, повышающие возможности морально устаревшей техники.

В ПГО «Сосновгеология» провели модернизацию станка ЗИФ-650 М путем удлинения штоков гидроцилиндров механизма подачи, что позволило увеличить ход подачи до 80–90 см. Станок не показал должной работоспособности в основном из-за ненадежной работы механизма подачи.

Позже изобретатели объединения (автор Ю.Н.Соколов) создали буровой станок под названием «Тандем»(Подающее устройство бурового станка. А.с. СССР № 1546600, МКП⁷ Е21В 19/087, Е21В 3/00, 1990 г.), который позволял на станках шпиндельного типа увеличить ход подачи в несколько раз за счет новой системы последовательного перехвата подвижными клиновыми захватами и сдвоенных гидроцилиндров, обеспечивающей при ограниченных размерах шпинделя практически безостановочную подачу инструмента или его подъем.

В объединении «Кировгеология» для повышения эффективности устаревших станков разработали системы плавнорегулируемого привода, что существенно повысило возможности базового бурового станка. Например, рост производительности при алмазном бурении составлял до 20 %, при бурении пневмоударниками – 40–60 %. Плавного регулирования частоты вращения бурильной колонны добивались заменой электродвигателей переменного тока на электродвигатели постоянного тока с включением в систему привода системы теристорных преобразователей переменного тока в постоянный. Такие системы, названные РЭП-5, оказались достаточно дороги (стоимость станка увеличилась более чем в 2 раза), и, кроме того, существенно усложняли буровой агрегат.

• Теристор – полупроводниковый прибор. Для преобразования переменного тока в постоянный собирался мост управления из шести теристоров, который позволял переменный ток напряжением 380 В преобразовывать в постоянный ток напряжением 460 В.

Подобные разработки давали возможность отечественным новаторам бурового производства добиться повышения производительности в рамках применяемого оборудования.