Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Требования, предъявляемые к приводу

Двигатели и передаточные устройства, приводящие в движение исполнительные механизмы буровых установок, называют силовым приводом. Силовой привод буровой установки должен быть экономи­чески эффективен, надежен и долговечен, прост и удобен в управле­нии, иметь гибкую характеристику. Гибкостью характеристики назы­вают способность силового привода изменить скорость движения механизма при изменении крутящего момента на его валу. Примени­тельно к вращательному бурению и основным потребителям энергии буровой установки — лебедке, вращателю, буровым насосам предъяв­ляют определенные требования.

Привод лебедки должен обеспечивать:

•/ требуемый диапазон изменения скоростей подъема и крутящих моментов;

✓ плавное (или ступенчатое) увеличение скорости подъема по мере уменьшения нагрузки на крюк.

Привод вращателя должен обеспечивать:

✓ требуемый диапазон регулирования частоты вращения предпоч­тительно с плавным изменением ее внутри диапазона;

✓ стабильность заданной частоты вращения, если мощность дви­гателя достаточна для ее реализации;

автоматическое уменьшение частоты вращения по мере роста крутящего момента, когда мощность двигателя недостаточна для реа­лизации требуемой частоты вращения.

Привод насоса должен обеспечивать:

•/ заданный диапазон регулирования подачи промывочной жид­кости предпочтительно с плавным изменением ее внутри диапазона; стабильность подачи при изменении крутящего момента на валу насоса в допустимых пределах.

Различают три вида привода буровых установок — индивидуаль­ный, групповой, многодвигательный. При индивидуальном приводе каждая машина установки (станок, насос и др.) имеет отдельный дви­гатель. В групповом приводе один двигатель через трансмиссии приво­дит в работу все механизмы установки. Многодвигательный — это та­кой привод, когда каждый рабочий орган машины (вращатель, лебед­ка и т. д.) снабжен двигателем.

В приводах установок геологоразведочного бурения используют электродвигатели переменного и постоянного тока, двигатели внут­реннего сгорания (ДВС), пневматические и гидравлические. Тот или иной тип двигателя выбирают с учетом местных энергоресурсов, транс­портировки и снабжения топливом.

При наличии линии электропередачи на участке работ применя­ют электродвигатели, которые имеют ряд достоинств: малую массу, высокий КПД (до 96 %), высокий коэффициент кратковременной перегрузки (1,8—2,0), надежность в работе, реверсивность, просто­ту в обслуживании и управлении, бесшумность. При отсутствии электросети в случае сосредоточения на значительной площади боль­шого числа буровых установок используют передвижные электро­станции.

В приводах установок геологоразведочного бурения широко ис­пользуют асинхронные электродвигатели трехфазного типа, имею­щие жесткую характеристику. Частота вращения бурового снаряда и барабана лебедки изменяется ступенчато при помощи коробки ско­ростей.

В регулируемых приводах применяют электродвигатели постоян­ного тока, считающиеся наиболее перспективными для установок раз­ведочного бурения. Тиристорные преобразователи в таких приводах обеспечивают преобразование переменного тока в постоянный и плав­ное регулирование частоты вращения вала двигателя от нуля до мак­симально допустимой, что полностью отвечает требованиям техноло­гии бурения. При такой системе привода крутящий момент двигателя сохраняется постоянным, а мощность уменьшается пропорционально частоте вращения вала. Недостатками двигателей постоянного тока яв­ляются высокая стоимость, большая удельная масса, усложение элект­рооборудования.

Двигатели внутреннего сгорания, не требующие подведения энер­гии извне, применяют для привода буровых установок в малоосвоен­ных районах, одиночных и удаленных на значительное расстояние друг от друга и от баз буровых установок. От ДВС — приводят в дей­ствие самоходные буровые установки. В приводах бурового оборудо­вания используют дизельные и карбюраторные двигатели, работаю­щие соответственно на дизельном топливе и бензине. Дизельные двигатели экономичны, долговечны, надежны. Карбюраторные менее экономичны, но имеют меньшую по сравнению с дизелями удельную массу, поэтому их применяют при работе в труднодоступных районах, где масса двигателя имеет существенное значение. По сравнению с асин­хронными электродвигателями ДВС обеспечивают большую гибкость привода. Недостатки привода ДВС — низкая перегрузочная способ­ность, сложность механических трансмиссий, невозможность непо­средственного реверсирования, более высокий уровень шума, необхо­димость систематической доставки топлива и специального обслужи­вания двигателей.

Пневматические двигатели применяют в приводах оборудования для бурения скважин из подземных горных выработок, при центра­лизованном снабжении сжатым воздухом. Они обладают плавностью регулирования частоты вращения, взрывобезопасностью. Основной недостаток пневмодвигателей — низкий КПД.

Гидравлические двигатели (гидропривод) применяют для привода рабочих механизмов (вращателя, труборазворота и др.). В гидропри­воде первичным двигателем служит асинхронный электродвигатель переменного тока или ДВС, от которого приводится в действие насос, прокачивающий рабочую жидкость (индустриальное или веретенное масло) через распределительные и регулирующие устройства к гидро­моторам, где энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию вращательного движения вала. Гидропривод прост в управ­лении, обеспечивает реверсирование частоты вращения вала гидро­двигателя.

Определение мощности двигателей для бурения

Для решения технических и технологических задач, связанных с расчетом и выбором бурового и силового оборудования, важно за­ранее знать необходимую мощность, расходуемую на процесс буре­ния. Мощность двигателей расходуется на бурение, подъем бурового снаряда или обсадной колонны, привод бурового насоса для промыв­ки скважины (или компрессора при продувке).

Мощность двигателя (кВт) в процессе бурения геологоразведоч­ных скважин расходуется:

•/ на холостое вращение бурильной колонны Nx в;

У разрушение горной породы на забое скважины Л^;

преодоление сопротивлений, возникающих при трении гребней полуволны вращающейся колонны о стенки скважины при передаче осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент Naon.

Мощность на холостое вращение определяют в зависимости от глубины, диаметра и профиля скважины, параметров режима буре­ния, состояния пород и вида промывочной жидкости. Для практичес­ких расчетов мощности пользуются формулами, полученными в ре­зультате экспериментальных исследований. Так, в НПО «Геотехника» (В. Г. Кардыш, А. С. Окмянский) мощность (кВт) на холостое враще­ние снаряда для вертикальных скважин и с углом наклона до 75° оп­ределяют следующим образом:

WX B = 55,8- I0^4klk1ki(l +0,44cosP)(0,9 + 205)k4qdn’ S3L°’75, (4.1)

где к, — коэффициент, учитывающий тип соединения бурильных труб (для ниппельного соединения к 1 = 1; для муфтово-замкового А;, = 1,3); к2 — коэффициент, учитывающий вид промывочной жидкости и при­менение антивибрационной смазки (при промывке глинистым ра­створом к2= 1,1 + 1,3, при промывке водой к2 = 1, при использовании антивибрационной смазки или эмульсионного раствора к2 = 0,4 0,6); к3 — коэффициент, учитывающий характер стенок скважины (для нор­мального разреза къ = 1, в сложных геологических условиях къ = 1,5 + 2); к4 — коэффициент, учитывающий материал бурильных труб (для СБТ к4 = 1, для J1BT к4 = 0,75); 8 = (D — d)/2 — зазор между стенками скважи­ны и бурильными трубами, м, где D — диаметр скважины, м; d — диа­метр бурильных труб, м; q — масса 1 м бурильных труб, кг/м; п — частота вращения снаряда, с-1; L — глубина скважины, м; cos (3 — косинус угла наклона скважины.

В ВИТР (Л. Г. Буркин) определяют мощность:

— для высоких частот вращения бурильной колонны при п> я0:

в = кс(2,0 • Ю^д8п2 + 0,8 • Ю"3^2«)/,; (4.2)

— для низких частот вращения бурильной колонны при п < п0:

А’* „ = 1,44 • (4.3)

где кс — коэффициент, учитывающий влияние смазки и промывоч­ной жидкости, обладающей смазочными свойствами: £с=1,0 при полном покрытии колонны смазкой типа КАВС в сочетании с про­мывкой скважины технической водой, кс= 1,5 при отсутствии смазки; п0 = 0,32 • 103*/2/8 — граница раздела зон частот вращения бурильной колонны.

Для определения мощности, необходимой для холостого враще­ния стальной бурильной колонны при бурении гидрогеологических скважин с зенитным углом 0 < 5° буровыми установками роторного типа, используют полуэмпирическую формулу, предложенную А. Е. Са­рояном:

7Ч! В=13,5-10-8^2и|’5/)05уж, (4.4)

где X) —диаметр скважины, м; уж — удельный вес промывочной жид­кости, Н/м3; и —частота вращения снаряда, мин1.

Для труб из легких сплавов /V, в снижается пропорционально умень­шению удельного веса материала труб.

Мощность на разрушение породы при бурении зависит от типа породоразрушающего инструмента и параметров режима бурения. При бурении твердосплавными коронками затраты мощности (кВт) на забое определяют по формуле

К = 5,3 • 10-4РиАр к(0,137 + II), (4.5)

где Р— осевая нагрузка, даН; и —частота вращения коронки, мин1; Ар. к-средний диаметр коронки, м:

АРк = (Ак +Ак)/2, (4.6)

где Дк и £>2к — наружний и внутренний диаметры коронки, м; ц — коэффициент трения резцов коронки о породу забоя.

Коэффициент трения резцов о породу ц зависит от многих фак­торов и является величиной приближенной. Его значения зависят от параметров режима бурения, состава очистного агента, проходимых пород и ряда других факторов. Ниже приведены ориентировочные значения ц для разных типов пород:

Глина……………………………………………….. 0,12—0,20

Глинистый сланец……………………………… 0,15—0,25

Мергель…………………………………………… 0,18—0,27

Известняк…………………………………………. 0,30—0,40

Доломит…………………………………………… 0,25—0,40

Песчаник………………………………………….. 0,30—0,50

Гранит…………………………………………….. 0,30—0,40

При бескерновом бурении

#3 = (3 4-4)10^ п В, (4.8)

где Рл — осевая нагрузка на долото, кН.

При использовании шарошечных долот можно рассчитать мощ­ность, затрачиваемую на забое, по следующей формуле

ЛГ = 10 г1РлпВ. (4.9)

Для долот диаметром 76 мм и более ц = 0,17, диаметром 59 мм и менее ^ = 0,10.

Для бурения в песчанике, известняке, граните и сером граните шарошечными долотами диаметром 120—450 мм установками ротор­ного типа наиболее удобна для расчета мощности следующая форму­ла (по данным фирмы «Юз», США)

Яа = с — 10~5пВ0*Р^, (4.10)

где с — коэффициент крепости пород: для мягких пород с = 2,6; для по­род средней твердости с = 2,3; для крепких пород с =1,85; л —частота

вращения, в мин1; В — диаметр, в мм; Рд —осевая нагрузка, в кН.

Мощность, потребляемую колонковым долотом (кВт), находят по формуле

^д = ^0/’, (4.11)

где УУ0 — удельная мощность, отнесенная к 1 см2 забоя, кВт/см2 (в за­висимости от частоты вращения, давления на забое и скорости бу­рения /V,, колеблется в пределах 0,06—0,18 кВт/см2); /’—площадь забоя, см2.

Значение 7УД0П (кВт) определяют по формуле

#доп = 2,45-10~38Ри, (4.12)

где 8 — зазор между стенками скважины и бурильными трубами, м; Р— осевая нагрузка, даН; и —частота вращения, в мин1.

Мощность, потребляемую в трансмиссии и других узлах бурового станка, определяют по формуле

Ъ = В„п, (4.13)

где В„ — опытный коэффициент, характеризующий потери мощности в элементах трансмиссии станка. В ходе экспериментальных работ получены значения Вст (103 кВт-мин1) для различных буровых

станков: СКБ-4-5,5; СКБ-5 — 5,0; СКБ-7 — 6,8; ЗИФ-650М — 8,8;

ЗИФ-1200МР — 8,2.

Современные буровые установки и технологии бурения забойными машинами

Характерным примером современных передовых технологий при сооружении скважин на воду является шведская буровая установка «Ехр1огас 40».

Глубины бурения составляют 100—120 м. В породах средней твердости и твердых бурение производят при помощи двойной колонны труб с погружным пневмоударником. Применяют подвиж­ный вращатель с числом оборотов в пределах от 0 до 46 в мин; двойную бурильную колонну наружным диаметром 89 мм с пода­чей сжатого воздуха на забой по межтрубному зазору; сочетание пневмоударника диаметром 101,6 мм с долотом диаметром 114,3 мм. Предусмотрена работа пневмоударников при прямой и обратной схеме продувки.

В разрезах, сложенных мягкими породами, бурение осуществляют с глинистым раством или с продувкой трехшарошечным долотом с числом оборотов от 0 до 97 в мин.

ОАО «ГЕОМАШ» совместно с компанией ШКТН (Германия) создана современная буровая установка УБГ-000, предназначенная для бурения скважин разведочных и на воду. Применяют следу­ющие способы бурения: вращательное колонковое и сплошным забоем с прямой, обратной промывкой и продувкой, бурение шнеками, ударно-вращательное бурение с применением забойных пневмо — или гидроударных машин. Установка укомплектована под­вижным вращателем с ходом подачи 5,5 м. Глубина бурения со­ставляет 600 м при начальном диаметре 600 мм и конечном — 190 мм.

В настоящее время станки для пневмоударного бурения в России не выпускаются за исключением НКР-100 МП, производство которого освоено Кыштымским механическим заводом. Станок НКР-100 МП предназначен для бурения взрывных скважин из горных выработок при отбойке руд средней твердости и твердых, позволяет бурить полный веер скважин глубиной 50 м, диаметром 105 мм. Двигатель электри­ческий мощностью 2,9 кВт. Станок устанавливается на распорной ко­лонке и оборудован автоматом спуско-подъемных операций буриль­ных труб. Ход подачи составляет 400 мм. Рабочее давление сжатого воздуха — 0,6 МПа.

В Институте горного дела СОАН России разработаны пнев­моударные расширители типа РС, предназначенные для бурения скважин диаметрами 220, 250, 280 и 350 мм в породах средней и высокой твердости. Сначала бурят сквозную пилотскважину. Скважины, разбуренные расширителями, можно применять для взрывных работ, а также вентиляции, водоотлива, прокладки труб, кабелей и т. д. Расширитель представляет собой мощный по­гружной пневмоударник с тремя ударными механизмами, разме­щенными в одном корпусе. Диаметр пилот-скважины составляет 105 мм.

Мировым лидером по производству современных буровых устано­вок для сооружения скважин как с поверхности, так и из горных выработок является шведское предприятие «Атлас Копко».

Рис. 4.14. Схема бурения с одно­временной посадкой обсадной колонны (метод СЮЕХ): а — при верхнем расположении пнев­моударника; б — при расположении пневмоударника на забое

Шведскими фирмами «Атлас Копко» и «Сандвик» разработан метод бурения в неустойчивых породах с одновременной посадкой обсадной колонны при помощи эксцентричного долота (метод СЮЕХ). Буровой снаряд состоит из эксцентричного долота и кондуктора, которые за­креплены в башмаке обсадной колонны (рис. 4.13). После проходки неустойчивых пород и посадки обсадной колонны на требуемую глубину инструмент поворачивается влево на 1/4—1/3 оборо­та. При этом эксцентричное долото зани­мает положение, соосное с основным сна­рядом, и инструмент извлекается. Ниж­няя обсадная труба имеет утолщенные стенки и уступ, через который ударные импульсы от погружного пневмоударника передаются на обсадную трубу. Применя­ют обсадные трубы сварного и резьбового соединений.

Метод СЮЕХ предусматривает приме­нение пневмоударников как в верхней ча­сти обсадной колонны, так и в нижней (рис. 4.14). Эффективность погружения

Рис. 4.13. Эксцент­ричное долото: / — буртик; 2 —башмак; 3 — кондуктор; 4 — экс­центриковый расшири­тель; 5 —долото

обсадных труб при нижнем положении пневмоударника более высо­кая, так как при этом энергия не расходуется на деформацию буриль­ных труб. Этот метод успешно применяют для бурения в наносах, содержащих обломочный материал и валуны. Фирма выпускает шесть типоразмеров снарядов, предназначенных для работы с обсадными трубами диаметром 115—257 мм и пневмоударниками различных типов. На расширителе имеются специальные ребра, не допускающие по­ступление шлама в зазор между стенками обсадных труб и спираль­ными ребрами, что способствует свободному вращению бурового снаряда.

В Канаде метод ODEX широко используют при бурении гра­вийных отложений, обеспечивая увеличение скорости бурения на 25 %. В среднем на проходку интервала 6 м затрачивается 10—12 мин.

Фирма «Болиден» (Швеция) использует метод ODEX в сочетании с алмазным бурением установкой, имеющей два вращателя. Метод ODEX применяют при бурении до глубины 150 м.

В последнее время шарошечные долота при пневмоударном буре­нии интенсивно вытесняются штыревыми коронками, работающими при давлении воздуха 1,7—2,45 МПа. Шарошечные долота применя­ют лишь при бурении пород средней твердости и мягких.

Взрывные скважины на карьерах в сухих разрезах в породах средней крепости и крепких выполняют современными установками ROC L8 «Атлас Копко»; глубина скважины до 30 м, возможно буре­ние наклонных скважин. В этих установках применяется подвижный вращатель, диаметр бурения — от 127 до 254 мм.

Погружные пневмоударники типа СОР-54, СОР-64 работают на сжатом воздухе, подаваемом бортовым компрессором, обеспечиваю­щим расход воздуха 405 л/с при давлении 2,5 МПа. Коронки с твер­досплавными штырями (вставками-резцами) используют без переза — точки, при этом углубка на коронку составляет 5000 м.

Скорости бурения составляют 50—60 м/ч. На ROC L8 установ­лено устройство для взятия проб грунта, смонтированное на пылесбор — нике. При обнаружении повышенных содержаний руды проектируют работы по колонковому бурению для оконтуривания богатых руд­ных тел.

«Атлас Копко» также выпускает установку ROC L6 с погружны­ми пневмоударниками типа СОР-34, СОР-44 для скважин диаметром 89—1100 мм.

Рост эффективности бурения погружными пневмоударниками обес­печивает работа при высоких давлениях сжатого воздуха в пределах 2,0—2,5 МПа, что приводит к увеличению скорости и ресурса породо­разрушающего инструмента. Для повышения скорости бурения в пре­делах одного диаметра необходимо увеличивать частоту ударов без снижения энергии единичного удара. Высокую проходку на коронку обеспечивает применение коронок с твердосплавными штырями (встав­ками-резцами).

Назначение, требования, предъявляемые к вышкам и мачтам

Буровые вышки и мачты предназначены:

✓ для выполнения спуско-подъемных операций, с бурильными и обсадными трубами;

✓ поддержания бурильной колонны на талевой системе при буре­нии с разгрузкой;

У установки свечей, извлеченных из скважины;

✓ размещения средств механизации спуско-подъемных операций.

Для успешного проведения буровых работ вышки и мачты долж­ны удовлетворять следующим эксплуатационно-техническим требова­ниям:

•/ быть достаточно прочными и устойчивыми при максималь­ных нагрузках, возникающих в процессе бурения и ликвидации аварий;

✓ иметь необходимый запас высоты для размещения талевого бло­ка, элеватора и маневрирования с буровыми свечами и колонковыми наборами;

✓ иметь, по возможности, меньшие массы и габаритные размеры и конструкцию, обеспечивающую транспортабельность и простоту мон- тажно-демонтажных работ;

•/ иметь небольшую стоимость и низкую трудоемкость изготов­ления.

За основной классификационный признак вышек по методике ВИТР принят принцип устройства рабочей талевой системы.

Буровая вышка — это сооружение, устанавливаемое над устьем скважины. Внутри буровой вышки размещена талевая система и обес­печена возможность возвратно-поступательного движения грузозах­ватного устройства.

Буровая мачта — это буровая вышка, талевая система которой пол­ностью или частично находится за пределами контура конструкции, образующей ее несущей ствол.

Буровая вышка, как правило, имеет не менее трех опор, воспри­нимающих полезную нагрузку, а мачта — одну или две опоры. По пространственно-геометрической форме вышки подразделяют на пи­рамидальные и башенные; мачты — на призматические, пирамидооб­разные, А-образные и шестовые. Буровые вышки изготовляют из труб профилированного металла, иногда в труднодоступных, лесных рай­онах — из дерева. Мачты изготовляют из металла.

Трехопорные буровые вышки высотой не более 15 м применяют для бурения вертикальных и наклонных скважин глубиной до 200—300 м. Четырехопорные буровые вышки имеют большую устойчивость и грузоподъемность, что обусловливает возможность применения их при бурении глубоких скважин. Технические характеристики вышек и мачт

геологоразведочного бурения приведены в табл. 4.6. Изображенная на рис. 4.15 металлическая вышка В-26/50 имеет форму усеченной пирамиды. Каждое ребро пирамиды (нога вышки) состоит из пяти частей. Нижние части «ноги» выполнены из бесшовных, стальных труб диаметром и толщиной стенок 114×12 мм, а средние и верхние ее части из трубы 114×8 мм. Подкосы ворот и пояса до пятой выполнены из труб 114 х 8 мм, ос­тальные пояса —из труб 73×9 мм. Гиб­кие диагональные тяги четырех нижних панелей выполнены из прутка диамет­ром 24 мм, верхних панелей — из прутка диаметром 20 мм. Вышка смонтирована на металлических санях из двух швелле­ров № 20.

Рис. 4.15. Разборная трубчатая буровая вышка типа В-26/50:

До площадки верхового рабочего выш­ка оборудована лестницами маршевого типа с переходными площадками, выше, к кронблоку,—лестницей тоннельного типа. На верхнем основании вышки цель — носваренной конструкции установлен кронблок, имеющий четыре канатных шкива и вспомогательный ролик, служа­щий для создания направления талево­му канату, идущему на барабан лебедки. Сборку вышки производят в лежачем по­ложении. Подъем ее осуществляют с по-

1 — основание (рама); 2 полозья; 3 — МОЩЬЮ СПвЦИаЛЬНЫХ СТреЛ, КанаТОВ И маршевая лестница; 4 — опоры (ноги тоактопной тяги вышки); 5-растяжки; 6-кронблок; Ф<*КЮрнои 1Я1И.

7—лестница тоннельного типа; 8— пло — ПервОвиЖНЫв бурОвЫв МС1ЧТПЫ — ЭТО

щадка верхового рабочего; 9-соеди — сооружения, СОСТОЯЩИе ИЗ собственно нительные хомуты г п

мачты и бурового здания. Передвижные и самоходные буровые установки имеют складывающиеся металлические мачты, которые перевозят вместе с бу­ровой установкой. Применение мачт позволяет существенно сокра­тить затраты времени и средств, при выполнении монгажно-демон — тажных работ.

Для передвижных буровых установок серии УКБ в ВИТРе разра­ботаны буровые мачты БМТ-4, БМТ-5, БМТ-7 (см. табл. 4.6). Кон­струкции мачт типа БМТ выполнены по одной принципиальной схеме. Мачта, изображенная на рис. 4.16, представляет собой одностержне­вую трубчатую конструкцию, шарнирно опирающуюся через А-образ­ный портал на основание буровой установки. Мачта снабжена крон- блоком, механизмом уравновешивания, позволяющим автоматически

Мачты	БМТ-7	25 125 2×4 1×2 90-75 18,6 22 3,2 3,5 11 2000
БМТ-5	17,8 50 1×2 1×1 90-60 14 14 4,5 4 6 800
ІБМТ-4	13.7 32 1×2 1×1 90-60 9,5 11.8 3,2 3.8 5.8 500
МР-8	7.6 45 1×0 70-90 4.7 7,6 3,84 0,78 100
МР-6	14 80 1×1 1×0 90-70 9,5 17,2 3 3,68 0,8 300
БМ-2	32 520 1 х2 2×3 90 18,5—24,5 13 7,4 21 3000
МРУГУ-18/20	18 200 2×1 1×1 90-75 13.5 14 4 4,3 6.5 800
МРУГУ-2М	13.5 140 2×1 1×1 90-75 9.5 12 3,9 4,3 4,1 300
МРУГУ-2	12 140 1×1 2×1 90-65 9 12 3,9 4,3 2,75 300
Вышки	В-26/50	27.6 500 90 18,5 8.6 6,25 28,2 12,8 2000
ВМР-24/30	23.5 300 90 18.5 8,4 6 24 8,7 2000
ОО I т	18 150 90 14 7 6 18 7 800
Параметры	Высота, м Грузоподъемность, кН Талевая оснастка Угол наклона скважины, град Длина свечи, м Транспортные габариты, м: длина ширина высота масса, т Глубина бурения, м

Таблица 4.6. Технические характеристики вышек и мачт геологоразведочного бурения

обеспечивать центральное нагружение ствола мачты при различных углах буре­ния скважины, двумя подкосами, пло­щадкой для верхового рабочего и лест­ницей. Установка мачты на заданный угол бурения осуществляется наклоном ство­ла в продольной плоскости путем изме­нения длины центрального подкоса.

Рис. 4.16. Буровая мачта БМТ-7:

Для установок 5-го и 7-го классов подъем и опускание ствола мачты осу­ществляют с помощью лебедки бурового станка, а при необходимости — тракто­ром. Мачта установки УКБ-4П подни­мается и опускается с помощью гидрав­лических домкратов.

1 — буровое здание; 2— ствол мачты; 3 — талевый канат; 4—лестница; 5 — кронблок; б—растяжки; 7—площадка; подкос; 9 — портал; 10— основание

Трубчатая буровая мачта МР УГУ-2 (рис. 4.17) состоит из ствола (сварная труба) расклиненного безраскосыми фер­мами. Ствол опирается на основание, расположенное внутри бурового здания. Мачта оснащена свечеприемником и лест­ницей тоннельного типа. Кронблок мач­ты расположен консольно, обеспечивая свободное движение талевого блока при выполнении спуско-подъемных операций. Конструкция кронблока обеспечивает применение двухструнной талевой осна­стки. Шарнирное соединение опорных элементов мачты с основанием позволя­ет наклонять стрелу под заданным углом при наклонном бурении. Ее положение регулируется винтовыми домкратами боковых подкосов. При бурении наклон­ных скважин на стреле укрепляют на­правляющий трос с подвижной кареткой для удержания элеватора на оси скважины. Подъем мачты в рабочее положение производят лебедкой бурового станка и трактором через монтажную стрелу.

Наиболее распространенный способ монтажа вышек — сборка их в горизонтальном положении с последующим подъемом (метод А. П. Дух — нина). Монтаж начинают с установки вышки в горизонтальное поло­жение и закрепления на фундаменте ее нижней рамы. Две нижние «ноги» вышки шарнирно соединяются с рамой. Вышку поднимают трактором с помощью трубчатой подъемной стрелы, которая устанав­ливается на поясе нижнего основания, вращается в шарнирных опорах и крепится канатом ко второму снизу поясу вышки. Подъемная стре­ла состоит из двух симметрично наклоненных стержней, связанных

Рис. 4.17. Буровая мачта МРУГУ-2: 1 — домкратная опора для изменения угла наклона мачты; 2— буровое здание; 3 — ферма; 4— ствол мачты; 5—подкос; б—лестница; 7—кронблок; 8— свечеприемник; 9— опора (портал); 10 — метал­лические сани

наголовником, средним и нижним поясами. Для страховки от опро­кидывания и плавного опускания вышки на основание (после пе­рехода центра тяжести вышек и через вертикальную плоскость шар­ниров) к вышке крепят страховые оттяжки, соединенные с тракто­рами.

Принципы расчета буровых вышек и мачт

Тип и конструкцию вышки (мачты) следует выбирать в зависимо­сти от глубины скважины, угла ее заложения, принятого типа буро­вого агрегата с учетом конкретных местных условий и экономической целесообразности.

При выборе высоты вышки необходимо учитывать проектную глуби­ну скважины и ориентировочную продолжительность бурения, которая зависит от физико-механических свойств горных пород, а также способы бурения и применяемые технические средства (оборудование и инстру­мент для спуско-подьемных операций). Чем больше глубина скважины и продолжительность бурения, тем больше должна быть высота вышки.

Высота вышки (мачты) может быть определена из выражения

Н=к(1св + 1пк), (4.14)

где к = 1,2—1,5 — коэффициент, учитывающий возможные переподьемы во избежание затягивания бурового снаряда в кронблок; большие значе­ния к следует принимать при свечах малой длины или высоких скоростях подъема; /св —длина свечи бурильных труб, выбираемая в зависимости от проектной глубины скважины, м; /пк — длина подъемного комплекта (элеватора или сальника — вертлюга, талевого блока, подъемного крюка).

Длина свечи /св имеет следующие значения в зависимости от про­ектной глубины скважины Н:

Н, м <50 50-100 100-300 300-500 500-800 800-1200 1200-2000 2000-3500

/св, м 4,7 6 9,5 9,5-12 14,5 14,5-18,6 18,6-24 24

Грузоподъемность вышки (мачты) подбирают в соответствии с на­грузкой, действующей на кронблочную раму. Величина нагрузки на кронблочную раму зависит от максимально возможной нагрузки на крюке, схемы талевой оснастки и способа закрепления неподвиж­ного конца талевого каната.

При простейшей оснастке (0x1) нагрузку на кронблочную раму (в кН) рассчитывают по формуле

Оо = 2<2кр, (4.15)

где С? кр — наибольшая нагрузка на крюке от наиболее тяжелой бу­рильной или обсадной колонны.

Вес колонны бурильных или обсадных труб О, спускаемых в сква­жины, определяют из выражений:

— для бурильной колонны

06* = КоЫЬ — /у) + дуЦ; (4.16)

— для обсадной колонны

бок = К0дтЬ. (4.17)

Здесь д, ду, дт — соответственно вес 1 м бурильных труб, 1 м УБТ и 1 м обсадных труб; Ь — длина колонны бурильных или обсадных труб, м; /у — длина УБТ, м; К0 — коэффициент, учитывающий потерю веса труб в промывочной жидкости:

= !"£-. (4-18)

где рж и рм — соответственно плотность промывочной жидкости и ма­териала труб, кг/м3.

При более точных расчетах вес бурильной колонны равен

<2бк = Ql+ + q2n2 + q3n3 + qyly, (4.19)

где qi — вес одной муфты, Н; и, — количество муфт; q2 — вес одного замка, Н; пг — количество замков; <?3 — увеличение веса трубы за счет высаженных концов, Н; щ — количество труб.

Нагрузка на крюке QKp будет больше веса инструмента вследствие прихватов труб в скважине и сил сопротивления при подъеме о стен­ки скважины:

06к = k, k2qLK„ (4.20)

где к{ — коэффициент, учитывающий силы трения бурильной (или об­садной) колонны о стенки скважины, а также возможный прихват ее породой при подъеме бурильной колонны: = 1,5 + 2,0; к2 — коэффи­

циент, учитывающий увеличение массы трубы за счет соединений, для ниппельного соединения &2=1,05, для замкового к2= 1,1.

При подъеме бурильной колонны из наклонной скважины

(?кр = к 1 Q6k A^i(cos 0ср + ц sin 0ср), (4.21)

где 0ср = (0Н + 0к)/2; 0Н, 0К — начальный и конечный зенитные углы скважины; ц — коэффициент трения стальных бурильных труб о поро­ду или обсадные трубы (при трении по горным породам ц = 0,2—0,3, а по обсадным трубам ц = 0,1).

Нагрузка на кронблочную раму при закреплении конца каната на кронблоке или талевом блоке составляет

а=Ч,+щ} <422>

На буровые вышки (мачты) в процессе работы действуют различ­ные по силе и величине нагрузки, которые можно разделить на вер­тикальные и горизонтальные.

Вертикальную нагрузку Рв в основании вышки (в кН) находят из выражения

Ръ= 0кр+ Qh + P + Ph-> (4.23)

где QM — нагрузка от собственного веса вышки, кН; Рх и Р„ — нагруз­ки от вертикальных составляющих ходового и неподвижного концов талевого каната, сумму которых упрощенно рассчитывают по формуле

Р* + РЯ=ТГ, (4.24)

где t/ц, — число канатных шкивов талевого блока.

Усилие (в кН) на каждую стойку (ногу) вышки, наклоненной под углом у к горизонтали четырехногой вышки, определяют по формуле

Qo

Наибольшая нагрузка (в кН) на каждую стойку будет действовать в нижней части вышки:

Рн = , (4.26)

4 вш у

где 0М — нагрузка от собственного веса вышки; у = 75 80° — угол между осью «ноги» вышки и плоскостью его нижнего основания.

Горизонтальная нагрузка (в кН), действующая на вышку, будет равна:

= Рнет + Р:н> (4.27)

где РЖ1 — нагрузка от давления ветра на вышку; Рсв — горизонтальная составляющая нагрузки от веса свечи.

Ветровую нагрузку на вышку (мачту), т. е. давление ветра на 1 м2 поверхности наветренной (Рн) и заветренной (Р,) граней вышки, оп­ределяют из выражений

Рн = д0К£с, (4.28)

Р3 = ЧйКп$сКов, (4.29)

где <?0 — скоростной напор ветра на высоте до 10 м над поверхностью земли; Кв — поправочный коэффициент на возрастание скоростного напора в зависимости от высоты над поверхностью земли; р — коэф­фициент, учитывающий динамичность воздействия ветрового напора, зависящий от пульсации ветра и периода собственных колебаний вышки; с — аэродинамический коэффициент (коэффициент обтека­ния); К0в — коэффициент, учитывающий ослабление давления ветра на заднюю грань вышки.

Скоростной напор д0 зависит от местности, где ведутся буровые работы, и в соответствии с данными гидрометеорологической службы принимается в Па — 270, 350, 450, 550, 700, 850 и 1000. Для горных и малоизученных местностей <70 рассчитывают по формуле

<7о = рУ/2, (4.30)

где рв —плотность воздуха, кг/м3; и — скорость ветра на высоте 10 м от поверхности земли, определяемая по данным гидрометеорологи­ческой службы, м/с.

Коэффициент К„ в зависимости от высоты над поверхностью зем­ли Нл принимают

К, …………… 1 1,25 1,40 1,55 1,65

Я, ………….. 10 10 + 20 20 + 30 30 + 40 40 + 50

Динамический коэффициент р находят из выражения

Р=1+£АГП, (4-31)

где ^ — коэффициент динамичности, зависящий от периода Т собст­венных колебаний вышки и от характера этих колебаний; А’,, = 0,12 — коэффициент пульсации скоростного напора ветра.

Период Т при нерабочем состоянии составляет:

Т = 3,63^ЩК,

где М„ — приведенная масса, кг; Е — модуль упругости материала стоек, Па; /—момент инерции поперечного сечения нижней части ствола вышки, м4.

Мп = Мк + 0,236(Л/ + MQB), (4.33)

где Мк, М, Мсв — соответственно массы кронблока, конструкции (с лестницами, полатями и др.) и пакета свечей, установленных за пальцем, кг.

Аэродинамический коэффициент с имеет следующие значения для обшитых поверхностей с наветренной стороны с = 0,8; с заветренной стороны с = 0,6; для равнобоких уголков с = 2,0.

Коэффициент Ков приближенно принимается равным 0,7, точку приложения ветровой нагрузки (расстояние от нижнего основания до центра тяжести обшитой буровой вышки) определяют по формуле (м):

— для четырехногой вышки

1 в + 2в,

Ат= 3ЯвТ+ёГ; <4-34>

— для треноги

hm = HB, (4.35)

где в и в, — стороны верхнего и нижнего оснований вышки.

После расчета удельной ветровой нагрузки для наветренной и за­ветренной граней определяют полную ветровую нагрузку на вышку:

W=PHS, (4.36)

где 5—площадь решетки вышки, м2.

Горизонтальную составляющую нагрузки от веса свечей Рсв, уста­новленных за палец, определяют по формуле

^св = 4Лев ctg а, (4.37)

где q — сила тяжести, действующая на одну свечу, Н; псв — количество свечей; а — угол наклона свечей к горизонтали, град.

Комментарии запрещены.