Бурильные машины

                                                           Содержание 
 
1. Общая характеристика машин для буровых работ - 3 
 
2. Внутреннее устройство и принцип работы - 5 
 
    Машин для буровых работ - 5 
 
3. Виды буровых работ - 9 
 
    Литература – 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общая характеристика  машин для буровых работ 
 
Бурением называют процесс образования земляной выемки обычно круглого поперечного сечения путем разрушения грунта (горной породы) в ее лобовой (донной) части и извлечения на поверхность продуктов разрушения. В зависимости от ориентации подачи рабочего органа на забой различают вертикальное, горизонтальное и наклонное бурение. Вертикальные выемки глубиной, соизмеримой с размерами поперечного сечения, называют ямами. В ямы устанавливают столбы дорожных знаков, надолб и ограждений, железобетонные опоры линий электропередачи и связи и т. п. Выемки большой глубины по сравнению с размерами поперечных сечений называют скважинами (например, вертикальные колодезные скважины, горизонтальные скважины для бестраншейной прокладки труб под насыпями дорог и т. п.). Скважины с малыми размерами поперечных сечений, используемые для закладки в них взрывчатых веществ при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом, называют шпурами. 
 
Для образования ям и вертикальных или наклонных скважин применяют бурильно-крановые машины, на которых кроме бурового рабочего оборудования монтируют крановое оборудование для установки в ямы столбов, надолб, опускания в скважины свай, блоков колодезных облицовок и т. п. Из-за рассредоточенности строительных объектов и необходимости в связи с этим частого перебазирования бурильно-крановое оборудование монтируют на автомобилях, тракторах или специальных самоходных шасси. Горизонтальные скважины под насыпями шоссейных и железных дорог разрабатывают полустационарными установками горизонтального бурения в комплекте с обслуживающими их грузоподъемными машинами (обычно трубоукладчиками) и экскаваторами для перегрузки вынутого из скважины грунта в отвал или транспортные средства. По окончании работ буровое оборудование демонтируют и перевозят на новый строительный объект. Для бурения шпуров при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом в строительстве применяют самоходные буровые установки на базе пневмоколесных и гусеничных тракторов. Перечисленные машины и оборудование реализуют вращательный или ударно-вращательный способы бурения, наряду с которыми известны также другие способы (ударный, термический), применяемые в горных работах. Бурильно-крановые машины. Отечественная промышленность выпускает бурильно-крановые машины на базе автомобилей, пневмоколесных и гусеничных тракторов для бурения ям и скважин диаметром 0,3...0,8 и глубиной 3 м (на тракторной базе) и до 8 м (на автомобильной базе). Для разработки выемок различного диаметра машины комплектуют сменным буровым оборудованием. Эксплуатационная скорость бурения скважин в грунтах немерзлого состояния без каменистых включений составляет в среднем 0,6... 1.4 м/мин в зависимости от диаметра и глубины скважины. При разработке мерзлых грунтов эта скорость снижается в 3 раза. Процесс бурения грунтов — наиболее энергоемкий способ их разработки. На бурение 1 м3 грунта немерзлого состояние затрачивается на порядок больше энергии чем на разработку одноковшовыми экскаваторами. В меньшей мере эти машины уступают одноковшовым экскаваторам по удельной материалоемкости (в среднем в 1,5...3 раза). Однако для полной оценки бурильно-крановых машин по технико-эксплуатационным показателям следует учитывать, что для отрывки ям и скважин эти машины пока что являются единственно возможными технически и экономически обоснованными средствами. Лишь в отдельных случаях при разработке выемок больших поперечных сечений в грунтах немерзлого состояния возможно использовать одноковшовые экскаваторы с грейферным рабочим оборудованием, энергоемкость которого несколько ниже, чем у бурильных машин. 
 
2. Внутреннее устройство и принцип работы 
 
Машин для буровых работ 
 
Буровое оборудование рассматриваемых машин включает забурник или рыхлящую головку и две или более копающие лопасти, жестко закрепленные на конце граненой штанги. Последняя проходит через полую цапфу редуктора-вращателя, которым она приводится во вращательное относительно своей оси движение. При небольшой глубине бурения штангу перемещают в осевом направлении (на забой) гидроцилиндром, установленным на редукторе-вращателе, для чего ее верхний конец соединяют со штоком гидроцилиндра. При большой глубине бурения штангу перемещают перехватами четырехку-лачковым патроном помощью двух гидроцилиндров. По исчерпанию хода штоков патрон разжимают, поднимают вверх и снова зажимают на штанге. Для подъема рабочего оборудования над землей при одноцилиндровом напоре используют тот же гидравлический цилиндр, а при двухцилиндровом напоре — лебедку, канат которой закрепляется на вертлюге буровой штанги и навивается на барабан. Второй барабан этой лебедки предназначен для выполнения грузоподъемных операций при установке в пробуренные скважины свай, столбов и т. п. Для тех же целей на машинах с одноцилиндровым напором применяют грузовую лебедку и мачту. Обычно основное и вспомогательное (грузоподъемное) рабочее оборудование размещают консольно сзади шасси базовой машины. Его установку в требуемое положение бурения в плане выполняют путем соответствующих маневровых движений машины. У отдельных моделей рабочее оборудование располагают на поворотной платформе или сбоку шасси, чем предопределяется большая точность его установки в рабочее положение. Для повышения устойчивости машины при бурении базовое шасси или раму рабочего оборудования устанавливают на выносные опоры (гидравлические или винтовые). Отдельные модели бурильно-крановых машин оборудуют также бульдозерным отвалом для планирования рабочей площадки перед установкой машины и для засыпки ям по завершению монтажных работ.

 

Бурение начинают после установки машины на ровной площадке на выносные опоры, перевода рабочего оборудования в рабочее положение и опускания бура до уровня земли. Грунт разрабатывают одновременным вращением бура и его осевым перемещением на забой. После забуривания на глубину 0,3...0,5 м в грунтах После опускания бура процесс повторяют до достижения требуемой глубины. Частоту вращения бура выбирают в соответствии с прочностью разрабатываемого грунта: большую — для слабых, меньшую — для крепких грунтов. Для разбрасывания грунта с лопастей используют повышенные частоты. Для перевода рабочего оборудования в транспортное положение его укладывают вдоль машины или наклонно к ее шасси. 
 
Машины для бурения шпуров. Рабочим органом машин для бурения шпуров служит одна или две буровые штанги с резцами или шарошечными долотами на конце. Соответственно различают одно - и двухшпиндельные буровые машины. Верхними гранеными концами штанги входят в полые цапфы ведомых колес редукторов-вращателей и заклиниваются в них, образуя неподвижные соединения. Нижние концы штанг проходят через направляющие отверстия в нижней части рамы. Редукторы вместе с приводными гидродвигателями располагают на подвижной каретке, перемещающейся посредством гидроцилиндра в направляющих рамы. Последняя гидроцилиндрами может быть установлена в вертикальное или наклонное рабочее положение или уложена вдоль базовой машины (трактора) в транспортное положение. В случае пневмоколесного трактора для обеспечения устойчивой работы машины ее устанавливают на выносные опоры. 
 
Для бурения шпуров машину устанавливают в рабочее положение, опускают подвижную каретку до касания бурами земли и одновременным вращением штанг и их осевым перемещением разрабатывают скважину. Продукты бурения выносятся на поверхность сжатым воздухом от передвижного компрессора или спиральной нарезкой по длине буровых штанг. При необходимости штанги периодически поднимают над поверхностью земли и вращением освобождают от буровой мелочи. 
 
Технико-эксплуатационные показатели этих машин следует оценивать по конечному результату буровзрывных работ, в составе которых бурение шпуров представляется составной частью. По энергоемкости буровзрывные работы уступают лишь экскаваторной разработке грунта в отвал (в среднем на 35...65 %) и имеют самую низкую материалоемкость (на порядок ниже материалоемкости экскаваторной разработки). Но по сравнению с другими работами в составе буровзрывного комплекса бурение шпуров наиболее энергоемко, а вся материалоемкость, по существу, образуется буровыми машинами. 
 
Оборудование для бурения горизонтальных скважин. Бурение горизонтальных скважин под шоссейными и железными дорогами для прокладки в них трубопроводов, подземных кабельных участков линий связи и электроснабжения и других выполняют из отрытого перед насыпью приямка-траншеи. Его размеры должны быть достаточными для размещения в нем бурового оборудования и вспомогательных средств. Для контроля за работой на последнем этапе бурения, а также для подготовки к протаскиванию в пробуренную скважину, например, рабочего трубопровода, кабелей такой же отрывают с противоположной стороны насыпи. По мере разработки скважины и удаления из нее грунта в нее осаживают трубу-кожух, которая после окончания буровых работ остается в скважине как футляр для будущих коммуникаций. 
 
Трубу-кожух укладывают в приямке на катучие опоры, а внутри трубы располагают винтовой конвейер, собранный из отдельных секций, с резцовой головкой и забурником на выходящем перед трубой-кожухом конце. Тыльный конец вала винтового конвейера приводят во вращение силовой установкой, состоящей из двигателя внутреннего сгорания и механических передач и укрепленной в задней части трубы-кожуха хомутами. Напорное усилие трубе-кожуху сообщают приводимой от того же двигателя лебедкой, смонтированной на одной с ним раме, через полиспаст, неподвижные блоки которого укреплены на якоре, вкопанном в насыпь. 
 
Скважину разрабатывают вращением резцовой головки с одновременной подачей ее вместе с трубой-кожухом на забой. Разрушенный резцовой головкой грунт поступает на винтовой конвейер, которым он перемещается в трубе-кожухе к ее открытому концу и высыпается на дно траншеи, а из нее экскаватором — в отвал или транспортные средства. Реактивный момент сил сопротивления грунта разработке воспринимается трубой-кожухом, которая по мере продвижения в скважину все больше защемляется грунтом. От возможного проворачивания относительно своей оси, особенно в начальной стадии проходки, труба страхуется трубоукладчиком, удерживающим ее крюком за раму силовой установки. 
 
В установках для бурения скважин больших поперечных сечений (диаметром 1720 мм) напорное усилие создают гидравлическими цилиндрами, упирающимися в щит, установленный у тыльной стенки приямка. Выпускаемые отечественной промышленностью установки обеспечивают бурение горизонтальных скважин диаметром 325... 1720 мм (по внешнему диаметру трубы-кожуха) и длиной до 60 м. Максимальные скорости проходки составляют от 15 (для скважин диаметром до 630 мм) до 1,37 м/ч (при диаметре скважины 1720 мм), а усилия подачи — от 480 до 7200 кН соответственно. Описанное оборудование уникально по своему назначению, оно позволяет проводить буровые работы на переходах без остановки движения по шоссейным и железнодорожным дорогам. Приведенные выше данные по скоростям проходки характеризуют только технические возможности этого оборудования, но не могут служить основанием для определения эксплуатационной продолжительности буровых работ на переходе, в составе которых значительную часть занимают подготовительно-заключительные работы, а также простои различного характера.

 

3. Виды буровых  работ 
 
Турбобур - забойный гидравлический двигатель для бурения глубоких скважин преимущественно на нефть и газ. Многоступенчатый турбобур – машина открытого типа, вал его вращается в радиальных и осевых резинометаллических подшипниках, смазкой и охлаждающей жидкостью для которых является циркулирующая промывочная жидкость - глинистый раствор. Для получения максимальных значений кпд лопатки турбины профилируют так, чтобы безударный режим их обтекания совпадал с максимумом мощности турбины. Выполняют турбины цельнолитыми, общее число ступеней турбины достигает 120, рабочие диаметры турбобура для бурения глубоких и сверхглубоких скважин - 164, 172, 195, 215, 240, 280 мм, частота вращения вала турбины от 150 до 800-1000 об/мин. Рабочий момент на валу турбобура зависит от его диаметра и составляет от 1 до 5-6 кнм (1 нм = 0,1 кгсм). С 1950 для увеличения вращающего момента на валу применяют многосекционные турбобуры, в которых последовательно соединяются 2-3 секции турбин турбобура с общим числом ступеней 300-450. Это позволило наряду с увеличением вращающего момента снизить частоту вращения вала турбины до 300-400 об/мин (для более эффективной работы шарошечных долот). В таких турбобурах шаровая осевая опора вынесена в специальный шпиндель, присоединяемый к нижней секции турбобура. В шпинделе имеются также радиальные опоры и сальник, позволяющий использовать гидромониторные долота. 
 
С 1970 для дальнейшего снижения частоты вращения вала турбины в турбобуре применяют ступени гидродинамического торможения, позволившие бурить при 150- 250 об/мин. С начала 70-х гг. внедряются турбобуры с независимой подвеской секции и с демпфирующими устройствами, которые обладают увеличенным сроком межремонтной работы и улучшают условия работы шарошечных долот за счёт снижения вибрации бурильной колонны. Для работы с гидромониторными долотами, без дополнительного нагружения буровых насосов, начато применение турбобуров с разделённым потоком на нижней секции, который отличается тем, что перепад давлений, срабатываемый в его нижней секции, равен перепаду давлений в штуцерах гидромониторного долота. При этом нижняя секция турбобура работает на части потока, подаваемого в скважину. 
 
В разведочном бурении для отбора керна в полом валу трубобора размещается съёмная грунтоноска. Для бурения в условиях борьбы с кривизной ствола скважины используют трубобор с вращающимся корпусом. 
 
В 1899 в России был запатентован электробур на канате. В 30-х гг. в США прошёл промышленные испытания электробур с якорем для восприятия реактивного момента, опускавшийся в скважину на кабеле-канате. В 1936 впервые в СССР Квитнером и Н. В. Александровым разработана конструкция электробура с редуктором, а в 1938 А. П. Островским и Н. В. Александровым создан электробур, долото которого приводится во вращение погружным электродвигателем. В 1940 в Баку электробуром пробурена первая скважина. 
 
В 1951-52 в Башкирии при бурении нефтяной скважины по предложению А. А.Минина, А. А. Погарского и К. А. Чефранова впервые применили электробур знакопеременного вращения для гашения реактивного момента, опускаемый на гибком электрокабеле-канате. В конце 60-х гг. в СССР значительно усовершенствована конструкция электробура (повышена надёжность, улучшен токопровод). 
 
Электробур - забойная буровая машина с погружным электродвигателем, предназначенная для бурения глубоких скважин, преимущественно на нефть и газ. Идея электробура для ударного бурения принадлежит русскому инженеру В. И.Дедову (1899). В 1938-40 в СССР А. П.Островским и Н. В.Александровым создан и применен первый в мире электробур для вращательного бурения, спускаемый в скважину на бурильных трубах. 
 
Электробур состоит из маслонаполненного электродвигателя и шпинделя. Мощность трёхфазного электродвигателя зависит от диаметра электробура и составляет 75-240 квт. Для увеличения вращающего момента электробура применяют редукторные вставки, монтируемые между двигателем и шпинделем и снижающие частоту вращения до 350, 220, 150, 70 об/мин. Частота вращения безредукторного электробура 455-685 об/мин. Длина электробура 12-16 м, наружный диаметр 164-290 мм. 
 
При бурении электробур, присоединённый к низу бурильной колонны, передаёт вращение буровому долоту. Электроэнергия подводится к электробуру по кабелю, смонтированному отрезками в бурильных трубах. При свинчивании труб отрезки кабеля сращиваются специальными контактными соединениями. К кабелю электроэнергия подводится через токоприёмник, скользящие контакты которого позволяют проворачивать колонну бурильных труб. Для непрерывного контроля пространственного положения ствола скважины и технологических параметров бурения при проходке наклонно направленных и разветвлённо-горизонтальных скважин используется специальная погружная аппаратура (в т. ч. телеметрическая). При бурении электробурная очистка забоя осуществляется буровым раствором, воздухом или газом. 
 
В СССР с помощью электробура проходится свыше 300 тыс. м скважин (свыше 2% общего объёма бурения). Использование электробура, благодаря наличию линии связи с забоем, особенно ценно для исследования режимов бурения. 
 
Появление наклонного бурения относится к 1894, когда С. Г. Войслав провёл этим способом скважину на воду близ Брянска. Успешная проходка скважины в Бухте Ильича (Баку) по предложению Р. А. Иоаннесяна, П. П.Шумилова, Э. И.Тагиева, М. Т.Гусмана (1941) турбинным наклонно-направленным бурением положила начало внедрению наклонного турбобурения, ставшего основным методом направленного бурения в СССР и получившего применение за рубежом. Этим методом при пересечённом рельефе местности и на морских месторождениях бурят кусты до 20 скважин с одного основания). В 1938-41 в СССР разработаны основы теории непрерывного наклонного регулируемого турбинного бурения при неподвижной колонне бурильных труб. Этот метод стал основным при бурении наклонных скважин в СССР и за рубежом.

 

Наклонно-направленное бурение - способ проведения скважины с отклонением от вертикали по заранее заданной кривой. Наклонно-направленное бурение впервые осуществлено в СССР на Грозненских нефтепромыслах (1934). В 1972 в СССР наклонно-направленное бурение сооружено около 25% общего метража скважин на нефть. Наклонно-направленное бурение оказывается целесообразным при: сложном рельефе местности (например, при расположении залежи под дном крупного водоёма или под капитальными сооружениями); геологических условиях залегания полезных ископаемых, не позволяющих вскрыть их вертикальными скважинами; кустовом бурении или многозабойном бурении; тушении горящих нефтяных и газовых фонтанов. При геологоразведочных работах наклонно-направленное бурение осуществляется шпиндельными буровыми станками, причём скважина забуривается наклонно непосредственно с земной поверхности; при вскрытии нефтяных и газовых пластов. Наклонно-направленное бурение производится турбобурами или роторным способом (скважина с поверхности забуривается вертикально с последующим отклонением на заданной глубине в запроектированном направлении). 
 
Отклонение скважины от вертикали при наклонно-направленном бурении (изменение зенитного угла и азимута бурения) осуществляется отклоняющими устройствами, например турбинными отклонителями. Бурение прямолинейно-наклонных участков производится с помощью бурильных устройств, включающих центрирующие и калибрующие элементы. Наибольшее отклонение от вертикали при наклонно-направленном бурение (3836 м) получено в США в заливе Кука: на острове Сахалин отклонение составило 2453 м (1972). 
 
В 1941 Н. С.Тимофеев предложил в устойчивых породах применять так называемое многозабойное бурение. 
 
В 1897 в Тихом океане, в районе остров Сомерленд (Калифорния, США),впервые было осуществлено бурение на море. В 1924-25 в СССР вблизи бухты Ильича на искусственно созданном островке вращательным способом была пробурена первая морская скважина, давшая нефть с глубины 461 м. В 1934 Н. С.Тимофеевым осуществлено на острове Артема в Каспийском море кустовое бурение, при котором несколько скважин бурятся с общей площадки, а в 1935там же сооружено первое морское металлическое основание для бурения в море. С 50-х гг. 20 в. применяется бурение для добычи нефти и газа со дна моря. Созданы эстакады, плавающие буровые установки с затапливаемыми понтонами, специальные буровые суда, разработаны методы динамической стабилизации буровых установок при бурении на больших глубинах. 
 
Основной метод бурения на нефть и газ в СССР (1970) - турбобурами (76%метража пробуренных скважин), электробурами пройдено 1,5% метража, остальное роторным бурением. В США преимущественно распространение получило роторное бурение; в конце 60-х гг. при проведении наклонно-направленных скважин начали применяться турбобуры. В странах Западной Европы турбобуры применяются в наклонном бурении и при бурении вертикальных скважин алмазными долотами. В 60-е гг. в СССР заметно возросли скорости и глубина бурения на нефть и газ. Так, например, в Татарии скважины, бурящиеся долотом диаметром 214 мм на глубину 1800 м, проходятся в среднем за 12-14дней, рекордный результат в этом районе 8-9 дней. За 1963-69 в СССР средняя глубина эксплуатационных нефтяных и газовых скважин возросла с 1627 до 1710м. Самые глубокие скважины в мире - 7-8 км - пробурены в 60-е гг. (США). В СССР в районе г. Баку пробурена скважина на глубину 6,7 км и в Прикаспийской низменности (район Аралсор) на глубину 6,8 км. Эти скважины пройдены в целях разведки на нефть и газ. Работы по сверхглубокому бурению для изучения коры и верхней мантии Земли ведутся по международной программе "Верхняя мантия Земли". В СССР по этой программе намечено пробурить в 5районах ряд скважин глубиной до 15 км. Первая такая скважина начата бурением на Балтийском щите в 1970. Эта скважина проходится методом турбинного бурения. 
 
Основное направление совершенствования бурения на нефть и газ в СССР - создание конструкций турбобуров, обеспечивающих увеличение проходки скважины на рейс долота (полное время работы долота в скважине до его подъёма на поверхность). В 1970 созданы без редукторные турбобуры, позволяющие осуществить оптимизацию режимов бурения шарошечными долотами в диапазоне наиболее эффективных оборотов (от 150 до 400 в мин) и использовать долота с перепадом давлений в насадках до 10 Мн/м2(100 атм) вместо 1-1,5 Мн/м2(10-15 атм). Создаются турбобуры с высокой частотой вращения (800-100 об/мин) для бурения алмазными долотами, обеспечивающими при глубоком бурении многократное увеличение проходки и механической скорости бурения за рейс. Разрабатываются новые конструкции низа бурильной колонны, позволяющие бурить в сложных геологических условиях с минимальными скривлением ствола скважины. Ведутся работы по химической обработке промывочных растворов для облегчения и повышения безопасности процесса бурения. Конструируются турбины с наклонной линией давления, которые позволяют получить информацию о режиме работы турбобура на забое скважины и автоматизировать процесс бурения.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             Литература 
 
1. Волков С. А., Сулакшин С. С., Андреев М. М., Буровое дело, М., 1965; 
 
2. Куличихин Н. И., Воздвиженский Б. И., Разведочное бурение, М., 1966;Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых, М., 1966; 
 
3. Скрыпник С. Г., Данелянц С. М., Механизация в автоматизация трудоёмких процессов в бурении, М., 1968;

4. Строительные  машины и основы их автоматизации / Помазан В. М., Гиверц В. Л., Рябов М. Н., Галай Н. В.; Под ред. В. М. Помазана. – М.: Агропромиздат, 1992. 
 
 
5. Строительные машины: Учеб. для вузов по спец. ПГС / Д. П. Волков, Н. И. Алешин, В. Я. Крикун, О. Е. Рынсков; Под ред. Д. П. Волкова.- М.:Высш. шк., 1988.