Буровые установки для бурения на твердые полезные ископаемые

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Буровые работы представляют собой сложный циклический процесс, состоящий из простых производственных процессов, направленных на получение достоверной геологической информации. Бурение геологоразведочных скважин осуществляется на всех стадиях геологических исследований. На геолого-съемочных работах бурят картировочные скважины; на поисках МПИ – одиночные скважины для заверки геофизических, геохимических аномалий или для прослеживания на глубину рудных тел, вскрытых канавами; на стадиях оценки и разведки применяют сеть буровых скважин для оконтуривания и детального изучения рудных тел. При разведке сложных месторождений (с сильной изменчивостью рудных тел по мощности, простиранию, форме, качеству полезного ископаемого) бурение скважин производится в комплексе с поверхностными и подземными горно-разведочными работами.

Буровая скважина – горная выработка преимущественно цилиндрического сечения, характеризующаяся относительно малым диаметром по сравнению с ее протяженностью. Условно скважины глубиной менее 50-100 м относят к мелким, глубиной до 1000 м –к средним, более 1000 м – к глубоким и к сверх глубоким – более 6000 м. Диаметр скважины определяется наружным диаметром породоразрушающего инструмента. Различают скважины малого диаметра – менее 76 мм, среднего -93-151 мм и большого – свыше 151 мм. Поверхностное оборудование для бурения разведочных скважин представлено комплексом наземных сооружений, бурового, энергетического и вспомогательного оборудования, называемым буровой установкой. К наземным сооружениям, входящим в состав буровой установки, относятся буровая вышка (мачта), буровое здание, поверхностная циркуляционная (очистная) система и вспомогательные сооружения. Буровое оборудование представлено комплексом основных машин и механизмов, необходимых для бурения скважины, образующих буровой агрегат, в который входят буровой станок, буровой насос (или компрессор), приводные двигатели с трансмиссиями и пусковыми устройствами, средства механизации спускоподъемных операций и пр. К энергетическому оборудованию относятся передвижные электростанции, силовые трансформаторы и пускозащитная аппаратура. По транспортабельности все буровые установки разделяются на разборные (не имеющие собственной транспортной базы и перемещаемые частями), переносные разборные (перемещаемые вручную), передвижные (смонтированные на собственной транспортной базе и перемещаемые буксированием) и самоходные (смонтированные на самоходной транспортной базе). В РФ разработано 3 параметрических ряда буровых установок:

1. Установки для бурения на твердые полезные ископаемые – тип УКБ и СКБ.

2. Установки для бурения гидрогеологических скважин – тип УГБ.

3. Установки для бурения геофизических и структурно-поисковых скважин – тип УРБ.

По типу вращателя разделяют установки: со шпиндельным вращателем (включающим полый шпиндель и зажимной патрон для закрепления ведущей трубы и передачи осевой нагрузки буровому снаряду), с подвижным вращателем (с индивидуальным приводом, передающим осевую нагрузку буровому снаряду и перемещающемуся вдоль оси вращения), с роторным вращателем. (не передающим осевую нагрузку буровому снаряду) Буровые установки шпиндельногоряда предназначены для механического вращательного бурения пород средней и высокой твердости с использованием твердосплавных и алмазных коронок. Для этих установок характерны высокая частота вращения, возможность бурения под любым углом к горизонту. Основной недостаток – небольшая длина хода вращателя (0,5-0,6 м), после чего необходимо перекрепление. Основные типы установок этого ряда: для бурения скважин глубиной до 100 м – БСК и его модификации; до 300 м – УКБ 200/300С; до 600-800 м – СКБ-4, СКБ-5110, СКТО-65.

Буровые установки с роторным вращателем предназначены для бурения структурно-поисковых, гидрогеологических скважин в породах мягких и средних категорий, в основном без отбора керна. Типы установок – УРБ-2,5А, УРБ-3А2 и др.

Установки с подвижным вращателем предназначены, для бурения при скоростных режимах, без подъема буровых труб для извлечения керна, в основном с комплексами ССК, КССК, бурении с гидро- и пневмотранспортом керна. Станки этого ряда на 30-40% более производительны чем шпиндельные. Типы установок – СКБ-300, УКБ-12/25, УРБ-2А2 и др.

В практике геологоразведочных работ наиболее часто используются следующие виды бурения: вращательное колонковое (с отбором керна), вращательное бескерновое (сплошным забоем), ударно-механическое (ударно-канатное) – при поисках и разведке россыпей, шнековое.

Для организации бурения необходимо рассмотрение ряда вопросов, тесно связанных с техникой и технологией процесса бурения. К ним относятся: выбор способа бурения и обоснование конструкции скважины; выбор диаметров бурения, типов породоразрушающего инструмента и обоснование оптимальных технологических режимов; обоснование выбора типа и марки буровой установки, бурового, силового и вспомогательного оборудования; разработка схем организации труда на рабочем месте; обеспечение своевременного и четкого ведения первичной производственной организационно-технологической документации (геолого-технического наряда, бурового журнала, наряд-заданий, лимитно-заборной книжки и др.)

Структура производственного процесса бурения скважин.Основной рабочий процесс – собственно бурение скважины состоит из отдельных рейсов – отрезков рабочего времени, от момента подготовки бурового снаряда к спуску в скважину до окончания подъема снаряда. Баланс рабочего времени – распределение времени бурения скважины по отдельным видам работ и технологическим операциям. Он позволяет анализировать структуру и уровень затрат времени на бурение скважины. В балансе времени по роли или значению в технологической схеме сооружения скважины различают производительные и непроизводительные затраты времени. Производительные затраты времени Тпр – это время, технически необходимое для бурения скважины, включающее время на: собственно механическое бурение скважины (времени выполнения основной операции – углубки забоя) Ту; времени спускоподъемных операций Тспо, суммы времени вспомогательных операций в каждом рейсе Твсп (перекрепление, наращивание колонны труб, заклинка и срыв керна и др.); времени на крепление, тампонаж скважины и других вспомогательных процессов Ткр; времени на проведение исследований в скважине Тис; времени перевозки, монтаж и демонтаж на каждой скважине на участке работ Тмдп

Сумма времени всех рассмотренных рабочих процессов составляет производительное время:

Тпр = Ту + Тспо + Твсп + Ткр + Тис + Тмдп

Кроме времени выполнения перечисленных процессов, в баланс рабочего времени включаются время на выполнение технического обслуживания и текущего планово-предупредительного ремонта оборудования на участке – Трем, а также не планируемые, непроизводительные затраты времени в связи с различными нарушениями производственного процесса.: время простоев по организационным причинам – Тп , время ликвидации осложнений и аварий в скважине – Тла. Суммарное выражение фактического баланса рабочего времени:

Тбрв = Тпр + Трем. + Тп + Тла

При планировании буровых работ и составлении нормального баланса рабочего времени исключают время простоев и ликвидации аварий, свидетельствующее о плохой организации работ, время планово-предупредительных ремонтов определяется по нормативам. По окончании процесса бурения появляется необходимость проведения ряда процессов, сопутствующих бурению. К сопутствующим процессам относят затраты времени на транспортировку буровой установки с базы до участка и обратно, специальное ликвидационное тампонирование, установку на скважине различного оборудования (задвижек, превенторов); геофизические, гидрогеологические испытания и др.

Затраты на эти работы объединяются в понятие забалансовое время – Тзаб Сумма балансового и забалансового времени составляет время пребывания буровой установки на учете в геологической организации (календарное время) – Туч = Тбрв + Тзаб

Продолжительность бурения обычно выражают в станко-месяцах бурения, для чего календарное время, выраженное в часах, делят на продолжительность одного станко-месяца в часах (при непрерывной работе станка это в среднем 720 ч) Составление и анализ фактических балансов рабочего времени выполняется ежемесячно по каждой буровой бригаде, участку, буровой партии. При анализе этих материалов выявляют непроизводительные затраты времени, возможности по улучшению организации работ и повышению производительности труда.



Проникнуть в недра земли, чтобы найти воду или другие ресурсы, человек стремился с незапамятных времен. Первые задокументированные опыты бурения на сравнительно большую глубину (десятки метров) с помощью специального оборудования имели место во Франции и относятся к первой половине XIX века. А уже в середине позапрошлого столетия были предприняты попытки разведочного бурения с целью найти нефть.

За полтора столетия, которые человечество ведет разведочное бурение, технология последнего существенно усовершенствовалась; усложнилась и стала более эффективной и используемая для этих целей техника. Современные установки для геологоразведочного бурения позволяют находить в недрах земли не только воду или нефтеносные пласты, но и твердые полезные ископаемые, а также строительные материалы.

Учитывая, что успех при разведочном бурении может быть достигнут как с первой, так и с сотой попытки, предпочтительными в этой работе являются мобильные буровые установки на самоходном шасси. А поскольку залежи полезных ископаемых редко совпадают с картой автомобильных дорог, шасси для буровой установки чаще всего полноприводное, повышенной проходимости, подходящее для эксплуатации даже в условиях бездорожья. Кроме колесных грузовиков базовой машиной для установок разведочного бурения часто выступает гусеничная техника. Об отечественных автомобилях, которые использовались для установки на них «классики» разведочного бурения — УРБ-2А2, УРБ-2А2У, УРБ-2,5А, УРБ-4Т, УРБ-30 — мы уже писали. Поэтому сегодня речь у нас пойдет преимущественно о самих установках.

Современные установки для разведочного бурения предназначены для бурения структурно-поисковых и геофизических скважин на нефть, газ, воду и т.д. Как правило на них установлены следующие узлы и приспособления: электродвигатель, пускорегулирующая, осветительная и сигнальная аппаратура, двигатель внутреннего сгорания в качестве привода установки, устройства для отвода промывной жидкости от устья скважины (при бурении на воду), устройства для отвода пыли и шума от устья скважины, устройства для механизированной укладки керна (установки для бурения гидротранспорта керна), устройства для ведения операций по перемещению, погрузке и разгрузке технологического инструмента, ограничители или сигнализаторы переподъема, предупреждающие затаскивание фарштуля или талевого блока в кронблок, устройства сигнализации о приближении к проводам действующих ЛЭП, двусторонняя сигнализация, а также гидроприводы, пневмоприводы, электроприводы и электрокоммуникации.

На российском рынке буровой техники и оборудования представлено значительное количество моделей мобильных установок для разведочного бурения на разный вкус и бюджет, как отечественного, так и зарубежного производства. Что касается техники российской, то, поскольку установки УРБ разных моделей мы в свое время уже рассматривали, и в этот раз начнем с рассмотрения одной из них.

Установка разведочного бурения УРБ-51 производства АО «Строймаш» является одной из наиболее востребованных в модельном ряду известного екатеринбургского предприятия. Рассчитанная на бурение глубиной до 300 метров (колонковым способом, твердосплавными или алмазными коронками с промывкой или продувкой) при угле наклона скважины 45—95 градусов, она устанавливается на полнотоннажное трехосное шасси высокой проходимости. Используют УРБ, как уточняет производитель, для изучения минерально-сырьевой базы, разведки полезных ископаемых и подготовки технологических карт к выемке запасов, а также для геологических работ при проектировании, строительстве и реконструкции предприятий. Кроме того, установка выполняет такие задачи, как обеспечение эффективности производства и промышленной безопасности, мониторинг подземных вод, обследование дренажных систем водопонижения, отбор проб воды для определения химического состава и генезиса дренажных вод, выполнение расчетов притоков в горные выработки, а также контроль зон образования наледей и прорыва подземных вод в горные выработки.

Кроме бурения колонковым способом с промывкой УРБ-51 позволяет бурить сплошным забоем шарошечными долотами с промывкой (продувкой) или пневмоударником, ударно-канатным способом забивными стаканами, долотами и желонками, а также выполнять шнековое бурение и шнековое бурение под защитой обсадной трубы либо бурение с использованием пустотелых шнеков, пикобуров, лопастных долот.

Установка выполняется в индивидуальных комплектациях в соответствии с уникальными потребностями заказчика. Бурение с помощью установки УРБ-51 может производиться с очисткой забоя от шлама сжатым воздухом или промывкой буровым раствором в породах до VIII категории по буримости, с использованием твердосплавного породоразрушающего инструмента, включая вечномерзлые, а также высоко насыщенные влагой, с наличием плывунов и т.д., а так же методом «всухую». При использовании алмазного инструмента (коронки, расширители) возможно бурение по крепким монолитным породам VII—XII категорий. При использовании шнекового способа бурения (или шурфобуров различного назначения) возможны работы в грунтах до V категории. Хотя производитель уточняет, что УРБ-51 оптимальна для применения в районах с умеренным климатом, диапазон температур, при которых она способна работать, весьма велик: от –40° С до +40° С.

Несомненными достоинствами этой установки разведочного бурения являются наличие оригинального четырехскоростного вращателя с возможностью плавной и точной регулировки частоты вращения с пульта управления; использование «плавающего» режима работы гидроцилиндра подачи, что позволяет с максимальной точностью подбирать усилие инструмента на забой; применение двухсторонних «гидрозамков», что позволяет исключить самопроизвольное и неконтролируемое перемещение исполнительных механизмов. Как преимущество УРБ-51 также необходимо упомянуть цельнометаллическую сварную конструкцию мачты, которая защищает гидроцилиндр подачи от пыли, шлама, воздействия окружающей среды, а также отлично воспринимает нагрузку от крутящего момента на вращателе и реактивные усилия при подаче и извлечении бурового инструмента.

Еще один именитый российский производитель геологоразведочного оборудования — завод «Геомаш». Предприятие со 130-летней историей выпускает впечатляющий ассортимент техники для бурения; здесь мы кратко рассмотрим лишь один из образцов — установку УБВ-320 для целей геологоразведки.

Как и другие буровые установки серии УБВ с гидроприводом подвижного вращателя, эта модель представляет собой отечественный импортозамещающий вариант буровых установок, способных реализовывать технологию обратной продувки (RC), широко применяемых за рубежом и набирающих популярность в нашей стране при решении задач геологоразведочного бурения. УБВ-320 и другие установки этой серии реализуют бурение по технологии обратной продувки диаметром до 305 миллиметров и глубиной до 300 метров.

Гидравлическая трансмиссия УБВ-320 позволяет производить бесступенчатое регулирование частоты оборотов бурового инструмента с заданным крутящим моментом. Для облегчения спуско-подъемных операций на буровой установке предусмотрены вспомогательная лебедка с грузовой стрелой, двухзахватный элеватор и однотрубный загрузчик.

Комплектация буровой установки УБВ-320 может включать в себя: насос НБ-50 (или НБ-80), компрессор КВ-20/25, лубрикатор с системой впрыска в нагнетательную магистраль для работы пневмоударником, дозировочный насос с системой пенообразования, электрогенератор с возможностью ведения сварочных работ. Конструкция мачты, наличие кронблока и основной лебедки, а также гидравлический сдвиг вращателя обеспечивают спуск обсадных колонн с соблюдением существующих требований техники безопасности. Глубина бурения с 85-миллиметровыми бурильными трубами может достигать 800 метров, со 114-миллиметровыми бурильными трубами — до 500 метров; скорость бурения УБВ-320 (с промывкой) — до 24 метров в час.

Техника из Китая представлена на российском рынке бурового оборудования большим числом различных типов, моделей и их разновидностей. В настоящем материале мы упомянем лишь одну из них — самоходную буровую установку Jaine JD 110A на гусеничном ходу производства компании Beijing Jaine Machinery Technology. Эта установка предназначена для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые в труднодоступных местах и особо тяжелых условиях. С помощью JD 110A возможна разработка скважин диаметром 65—215 миллиметров в грунтах различной категории твердости. Кроме того, она находит свое применение и в строительстве — в частности, для устройства инъекционных, анкерных и фундаментных скважин, а также для буровзрывных работ.

Поворотная платформа с буровым оборудованием монтируется на гусеничном шасси высокой проходимости. В качестве силового агрегата для установки используется дизельный двигатель Cummins мощностью 150 л.с. с турбокомпрессором, способный обеспечить преодоление уклонов до 27°. Наклоняемая конструкция платформы с буровым оборудованием дает возможность работать на площадках со значительным продольным уклоном.

JD 110A может выполнять бурение геологоразведочных скважин как роторным, так и ударно-вращательным способом, используя различные породоразрушающие инструменты. Поворотная стрела-манипулятор позволяет разрабатывать вертикальные, горизонтальные и наклонные скважины. Высокая точность позиционирования обеспечивается с помощью гидравлических цилиндров.

На Jaine JD 110A установлены узлы и механизмы известных мировых брендов. Например, для вращения роторной установки используются гидромоторы немецкой компании ThyssenKrupp, обеспечивающие высокую производительность и скорость бурения.

Габариты мобильной буровой установки в транспортном положении (длина/ширина/высота) — 6550x2200x2800 миллиметров. Полный вес JD 110A составляет 11 000 килограммов. Давление в гидравлической системе установки — 20 МПа. Максимальный крутящий момент на выходе у этой модели составляет 9700 Нм, максимальная скорость вращения — 110 оборотов в минуту, частота ударов (3 передачи) — 1200 в минуту. Усилие подъема лебедки у этой установки — 20 000 Н.

Несомненным достоинством установки разведочного бурения Jaine JD 110A является многофункциональность, допускающая ее применение в различных отраслях и при разных условиях, включая сложные. Для выполнения вспомогательных операций на Jaine JD 110A предусмотрена лебедка. Большие углы наклона и поворота стрелы позволяют производить бурение скважин в широком диапазоне с одного места стоянки. И, наконец, что весьма важно, стоимость китайской установки для бурения геологоразведочных скважин существенно ниже, чем у аналогов европейского и североамериканского производства.

При этом нужно отметить, что стабильно высоким спросом в России пользуются инновационные разработки производителей с мировым именем, предлагающие собственные решения в области разведочного бурения. К числу таких машин относятся геологоразведочные станки Sandvik серии DE700. Они предназначены для бурения глубоких и неглубоких скважин при колонковом, направленном и инженерно-геологическом бурении.

В зависимости от особенностей условий эксплуатации станки Sandvik DE700 поставляются в различной комплектации. Так, например, среднегабаритная модель DE710 монтируется на автомобильные шасси при помощи штатного комплекта креплений для повышения мобильности и сокращения времени перемещения между площадками. При установке на гусеничное шасси перемещение осуществляется в автоматизированном режиме дистанционно. В результате получается самоходная машина для работы на труднодоступных участках, не требующая непосредственного присутствия оператора, что положительно сказывается на безопасности.

Sandvik DE710 считается самым универсальным станком в своем классе, который обеспечивает глубину бурения диаметром «N» до 1126 метров и усилие подачи до 5,5 тонны. В условиях высокогорья, от 2000 метров и более, станок оснащается дополнительным бустером. DE710 комплектуется вращателем типоразмера «P» с зажимным патроном и отверстием для ведущей штанги, а также универсальным захватом штангодержателя с гидравлическим приводом для буровых штанг диаметров «B», «N», «H», «P» и «S». Отдельно следует отметить его компактную конструкцию, которая дает существенные преимущества на объектах, где требуется минимизировать занимаемую машиной площадь. Транспортировку станка можно осуществлять различными способами, включая стандартный 40-футовый закрытый контейнер.

Благодаря безопасному труборазвороту предусмотрена возможность свинчивания и развинчивания резьбовых соединений буровых штанг во время выполнения спуско-подъемных операций. Управление DE710 осуществляется с единой панели, оснащенной гидравлическим приводом.

Как и любое другое направление в области бурения, поиск ресурсов с помощью скважин также развивается, порождая новые методы и технологии. Чуть менее ста лет назад, в 20-х годах прошлого века появился новый оригинальный способ бурения — турбинный: двигатель, вращающий долото, был опущен на дно скважины. В результате этой новации исчезла необходимость во вращении труб, что позволило значительно снизить расход энергии. Современные турбобуры — сложные машины, которые заставляют вращаться буровой раствор, нагнетаемый в скважину, чтобы вымывать разбуренную породу. Хотя усилие, развиваемое каждой из секций турбобура, сравнительно невелико, этих секций много, и их общей мощности хватает для того, чтобы проникнуть сквозь самую твердую породу. В конце прошлого и начале нынешнего века распространение получили электрические турбобуры, приводимые в действие электродвигателями небольшого диаметра. Такой метод бурения позволяет сосредоточить на долоте максимально возможное усилие. И это — лишь одно из направлений развития в области разведочного бурения; также существует немалое число других — в том числе в области колонкового бурения, с помощью которого изыскивают большинство залежей угля, руды черных и цветных металлов и других полезных ископаемых. Если же разведка ресурсов ведется на небольшой глубине или в мягких, рыхлых породах, используется бурение без промывки, в котором также существуют свои ноу-хау.

Тем не менее, как бы ни развивались технологии и оборудование, сама цель разведочного бурения скважин остается той же, что и полтора века назад. Она заключается в необходимости обнаружить месторождения, уточнить формы и объем залежей, условия их расположения и гидрогеологическую обстановку пластов и, наконец, оценить качество искомых ресурсов. В случае, если по большинству перечисленных пунктов удается получить удовлетворительные ответы, начинается промышленная разработка скважины.