Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Одним из основных элементов бурового агре­гата, неотъемлемой составной частью технологической уста­новки для бурения скважин, является промывочный насос. Назначение промывочного насоса — нагнетание в скважину промывочной жидкости для очистки забоя скважины от шла­ма выбуренных пород и с целью охлаждения породоразру­шающего инструмента. Кроме того, промывочный насос вы­полняет роль силовой установки гидропривода забойных гид­равлических машин (гидроударников, вибраторов, турбобу­ров, эжекторных насосов и т. п.). В соответствии с назначени­ем промывочных насосов к ним предъявляются определенные требования.

1. Обеспечение необходимой подачи (расхода промывоч­ной жидкости) — перекачку необходимого объема жидкости очистного агента в единицу времени.

Подача промывочного насоса определяется необходимо­стью обеспечения рабочей скорости прямого и восходящего потока в бурильной колонне и затрубном пространстве опре­деленных размеров (заданной площади сечения проходного отверстия колонны бурильных труб и площади кольцевого за — трубного пространства).

Скорость движения потока очистного агента определяет величину его кинетической энергии. Эта кинетическая энер­гия расходуется следующим образом:

а) на гидропривод забойных устройств и машин, формиро­вание технологических эффектов (гидромониторный размыв слабых пород, гидроуплотнения и местные гидрозавесы за счет турбулизации потока в определенных зонах);

б) на подъем частиц шлама на поверхность — переход в по­тенциальную энергию подъема частиц шлама определенной массы разрушенной горной породы на определенную высоту в поле силы тяжести Земли;

в) на дросселирование различного вида, в том числе непо­средственно через зону контакта породоразрушающего инст­румента с горной породой на забое и преодоление различно­го вида местных и линейных гидросопротивлений.

В геологоразведочных скважинах малого диаметра промы­вочные насосы должны обеспечивать расход промывочной жидкости в пределах от 10-20 л/мин до нескольких сотен литров в минуту.

2. Обеспечение рабочих давлений, соответствующих рабо­чим расходам промывочной жидкости и равных суммарным гидравлическим сопротивлениям движению рабочего потока жидкости в системе колонна бурильных труб — призабойные устройства — скважина.

Суммарные гидросопротивления в скважинной технологи­ческой системе складываются из линейных, местных, рабочих потерь напора и определяются:

а) длиной, площадью проходного сечения и гидравличе­ской шероховатостью поверхности линейных гидросопротив­лений (колонны бурильных труб и скважины);

б) величиной местных гидросопротивлений (резких изме­нений диаметра, сужений водотоков, перегибов и искривле­ний каналов);

в) рабочими потерями напора (перепадами давления на входе и выходе забойных гидравлических машин и уст­ройств).

Рабочее давление промывочного насоса — давление в его рабочей (напорной) магистрали обеспечивается соответствую­щей мощностью привода насоса (кВт) исходя из зависимости:

ЛГ = ^, (11.9)

Ат|

где N — мощность привода, кВт; О — расход промывочной жидкости, л/мин; р — давление в рабочей магистрали, гПа; к — коэффициент приведения размерности, к » 10; г) — КПД на­соса, г| = 0,8+0,75.

Величина рабочего давления предъявляет требования к об­вязке насоса: уплотнения, соединительные трубопроводы и нагнетательные шланги должны выдерживать рабочее давле­ние с коэффициентом запаса прочности, определяемого тем фактором, что разрушение обвязки рабочим давлением пред­ставляет опасность для персонала технологической буровой установки и может иметь тяжелые последствия для процесса бурения, так как внезапное прекращение циркуляции очист­ного агента в скважине может привести к аварии.

3. Промывочный насос в большинстве случаев осуществля­ет перекачку не чистых жидкостей, а водопесчаноглинистых и газопесчаноглинистых агрессивных смесей, обладающих сильным абразивным действием. Это, в частности, ограничи­вает возможности применения высокоэффективных кинема­тических схем, предполагающих высокие скорости перемеще­ния рабочих элементов — роторно-лопастные, центробежные, винтовые, аксиально и радиально-поршневые, шестеренча­тые малогабаритные высокопроизводительные насосы для пе­рекачки промывочных жидкостей применяться не могут. Для

промывки геологоразведочных скважин обычно применяют два типа насосов: а) поршневые двойного действия, двухци­линдровые и б) плунжерные, одинарного (простого) действия двух — или трехцилиндровые.

Принцип действия поршневого насоса (рис. 11.7) заключа­ется в следующем. Вращением шкива 1 приводятся во враще­ние зубчатые колеса 2 и 3. От них посредством коленчатого вала приводится в возвратно-поступательное движение шатун 4, крейцкопф 5, шток 6 и поршень 7. Цилиндр 8 сообщается с камерами всасывания и нагнетания, отделенными от цилинд­ра соответствующими клапанами. При движении поршня вправо всасывающий клапан 9 откроется, а нагнетательный клапан 10 закроется — в левую полость цилиндра произойдет всасывание жидкости через храпок-фильтр 11 с приемным клапаном 12 и всасывающий шланг 13. В правой полости ци­линдра происходит нагнетание жидкости через напорный клапан 14 при закрытом всасывающем клапане 15. При дви­жении поршня влево в правой части цилиндра произойдет всасывание жидкости (клапан 15 откроется, а клапан 14 за­кроется), а в левой — нагнетание через открытый клапан 10 при закрытом клапане 9.

За один оборот коленчатого вала поршень совершает два хода и, следовательно, всасывание и нагнетание повторяются по 2 раза. Поэтому такие насосы называются насосами двой­ного действия. При нагнетании жидкость проходит через кла­паны 10 и 14 в камеру нагнетания, откуда проходит через нижнюю полость воздушного колпака 16 с манометром 17 и предохранительным клапаном 18 в напорную магистраль 19.

Принципиальное отличие насосов от поршневых заключа­ется в исполнении главного рабочего органа — вытеснителя. В поршневых насосах вытеснителем служит поршень — уплот­ненный диск, соединенный со штоком. При этом обе поверх­ности диска являются рабочими и обеспечивают вытеснение жидкости из полости цилиндра. Этим обеспечивается двойное действие насоса. Серьезным недостатком поршневого вытес­нителя, снижающим эффективность его применения, являет­ся ненадежность гидроуплотнения, разделяющего полости ци­линдра по разные стороны поршня. При высоких рабочих давлениях в поршневой паре наблюдаются неконтролируемые перетоки жидкости, снижающие КПД насоса и затрудняю­щие регулирование его работы.

В плунжерных насосах вытеснитель выполнен в виде плун­жера — уплотненного цилиндра. В плунжерной паре отсутст­вует разделение полости цилиндра на две зоны со знакопро­тивоположными давлениями. Поэтому плунжерные насосы способны длительное время эффективно поддерживать высо­кие рабочие давления. Кроме того, в плунжерной паре облег­чен ремонт и замена уплотнений.

Техническая характеристика применяющихся в россий­ской геологоразведочной практике поршневых и плунжерных насосов представлена в табл. 11.6 и 11.7 соответственно.

Таблица 11.6 Техническая характеристика поршневых буровых насосов Показатели Тип насоса ПГр ПБ-32 НБ-125 (9МГР) Подача, л/мин 225; 300 294; 384; 486; 594 220; 1000 Давление, МПа 6,3; 5,0 4,0; 4,5; 3,2; 2,6 16,0; 3,5 Диаметр сменных 80; 90 80; 90; 100; 110 80; 90; 100; 115; 127 втулок, мм

Таблица 11.7 Техническая характеристика плунжерных буровых насосов Показа­ Тип насоса тели НБ1-26/16 НБ2-63/40 НБЗ-120/40 НБ4-320/63 НБ5-320/120 Подача, л/мин 25 16; 40; 25; 63 15; 19; 40; 70; 120 32; 55; 88; 125; 180; 320 32; 55; 88; 125; 180; 320 Давление, МПа 1,6 4,0; 2,5; 4,0; 2,2 4,0; 4,0; 4,0; 4,0; 2,0 6,3; 6,3; 6,3; 6,3; 5,5; 3,0 10,0; 10,0; 10,0; 10,0; 10,0; 6,0 Диаметр плунжера, мм 45 45 63 45; 80 45; 80

Показа­			Тип насоса
тели	НБ1-26/16	НБ2-63/40	НБЗ-120/40	НБ4-320/63	НБ5-320/120
Длина хода плунжера, мм	45	40	60	90	90
Мощность двигателя, кВт	3,3	2,1/3	7,5	22	37

Для более полного представления об устройстве и возмож­ностях плунжерных буровых насосов рассмотрим описание некоторых из них.

Насосная установка НБ1-25/16 (рис. 11.8) предназначена для перекачивания воды и глинистого раствора плотностью до 1260 кг/м3 и условной вязкостью до 25 с по СПВ-5. При комплектации насосом станков колонкового бурения на глу­бину до 25 м обеспечивается эффективная промывка скважи­ны диаметрами 36 и 46 мм с использованием твердосплавных и алмазных коронок.

Насосная установка состоит из насоса, редуктора, рамы и двигателя. Вращение от двигателя через редуктор передается на шкив насоса с помощью трех клиновых ремней типа А — 1000. Натяжение ремней регулируется с помощью болта.

Насосная установка комплектуется всасывающим рукавом с приемным клапаном, напорной линией, снабженной перепу­скным вентилем и манометром, который имеет защитное и демпфирующее устройства. Для выравнивания пульсаций дав­ления нагнетания насос снабжен воздушным колпаком, уста­новленным на нагнетательной линии. Двигатель присоединен к редуктору. Насос горизонтальный, одноплунжерный, оди­нарного действия. Насос состоит из гидравлической и при­водной частей. Корпус приводной части отлит из алюминие­вого сплава и для удобства монтажа и демонтажа выполнен разъемным. В качестве вытеснителя используется плунжер, работающий в направляющей втулке. Плунжер уплотняется с помощью сальника, представляющего собой быстросъемный стакан с набором уплотняющих резиновых манжет.

Гидравлическая часть насоса представляет собой цельный литой стальной корпус, в котором размещена клапанная груп­па: два седла клапанов, два клапана и клапанные пружины. Клапаны насоса — тарельчатые с уплотнительным резиновым кольцом, нагружены витыми цилиндрическими прутиками. Корпус гидроблока соединяется с корпусом приводной части болтами. С наружной стороны корпус гидроблока имеет два

подсоединительных штуцера, предназначенных для крепления всасывающей и нагнетательной линии и предохранительного клапана. Плунжер уплотняется резиновыми манжетами 45×65 мм. Изготовитель — Екатеринбургский машинострои­тельный завод им. Воровского (Россия).

Насосная установка НБЗ-120/40 предназначена для перека­чивания воды и глинистого раствора плотностью до 1300 кг/м3 и условной вязкостью до 35 с по СПВ-5. Она обеспечивает эффективную промывку скважин глубиной до 1000 м при ал­мазном и твердосплавном бурении коронками диаметром 46- 93 мм и шарошечными долотами диаметром 59-76 мм, а так­же буровыми комплексами со съемными керноприемниками ССК-46, ССК-59 и ССК-76.

Насосная установка состоит из трехплунжерного насоса, коробки перемены передач (коробки скоростей) и фрикцион­ной муфты сцепления от автомобиля ЗИЛ-151, а также элек­

тродвигателя, смонтированного на общей раме с насосом и трансмиссией. Вращение от электродвигателя трансмиссии передается через высокоэластичную муфту. Насос включает в себя две основные части — приводную и гидравлическую. Внутри приводной части размещены шатунно-кривошипные механизмы, эксцентриковый вал с зубчатым колесом и вход­ной вал-шестерня. Внутри гидравлической части находятся клапаны и седла. Клапаны — тарельчатые, с нижним перьевым направлением и конусным резиновым протектором, нагруже­ны цилиндрическими витыми пружинами. К гидравлической части насоса прикреплены три быстросъемных узла — саль­ник с плунжером.

Для использования в сочетании с комплексом ССК-59 на­сос комплектуется сменными плунжерами диаметром 454 мм, что позволяет получить диапазон подачи от 7 до 60 л/мин. Плунжеры изготовлены из высоколегированной стали и уп­лотнены резиновыми манжетами. Плунжеры соединены с ползунами кривошипно-шатунных механизмов быстросъем­ными хомутами, поэтому сальник с плунжером можно заме­нить в течение нескольких минут.

В гидроблоке установлен пружинный дифференциальный предохранительный клапан, являющийся одновременно и сбросным вентилем. Седло и наконечник клапана изготовле­ны из твердого сплава ВК6М, что обеспечивает длительный срок службы клапана при перекачке абразивных жидкостей. Для контроля за давлением насос снабжен манометром, выне­сенным на гибком бронированном шланге, что позволяет ус­танавливать его в удобном для наблюдения месте. Система защиты обеспечивает четкую работу манометра без колеба­ния показаний и гарантирует повышенную долговечность.

Конструкции клапанного узла обеспечивает надежную ра­боту насоса при перекачивании жидкости с твердыми части­цами размером до 2 мм. Плунжеры, клапаны и седла клапанов изготовлены из высоколегированной хромистой стали, под­вергнуты термической обработке с целью придания высокой твердости поверхности этих деталей.

Применение в схеме привода автомобильной коробки пе­ремены передач снижает трудоемкость изготовления насоса и повышает надежность работы приводной части. При исполь­зовании в самоходных буровых установках коробка переме­ны передач размещается на насосе сверху, что позволяет уменьшить его размеры.

Особый класс насосных буровых установок составляют гидроприводные буровые насосы. Гидроприводный насос от-

Рис. 11.9. Принципиальная схема конструкции гидроприводного на­соса ГНБ

личается тем, что в нем отсутствует механическая трансмис­сия, а вытеснители приводятся в действие силовыми гидроци­линдрами. Использование гидропривода в насосной буровой установке, благодаря особенностям механической характери­стики гидропривода, позволяет в 1,5-2 раза увеличить рабо­чий ход плунжеров или поршней и уменьшить скорость их перемещения, что резко повышает надежность их работы. Эти насосы позволяют использовать в качестве промывочной жидкости наряду с технической водой и эмульсиями глини­стые растворы плотностью до 1500 кг/м3, вязкостью до 70 с по СПВ-5 и массовым содержанием песка до 10 %.

Рассмотрим особенности и принцип действия гидропри­водного насоса на примере поршневого прямодействующего двухмерного насоса дифференциального действия ГНБ. Прин­ципиальная схема насоса ГНБ представлена на рис. 11.9.

Основными элементами конструкции насоса являются ли­тые корпуса, в расточках которых расположены рабочие 5 и приводные 11 цилиндры, золотник реверса 13, синхронизатор 12 и дроссель регулирования производительности 16.

Работа насоса осуществляется следующим образом. При очередном рабочем ходе плунжер реверсивного золотника 13
занимает одно из крайних положений и масло от маслонасоса НШ-10 17 буровой установки поступает в приводной цилиндр 11, воздействует через плунжер 8 на рабочий поршень 4, ко­торый, перемещаясь, нагнетает перекачиваемую жидкость че­рез клапан 3 в нагнетательную линию 2 и подает ее через приемный клапан 10 и линию всасывания 9 в штоковую по­лость рабочего цилиндра 5. Одновременно тот же плунжер через опирающиеся на пружины 6 тяги 7 и цепную передачу воздействует на плунжер второго приводного цилиндра и че­рез него на рабочий поршень, который, перемещаясь, всасы­вает перекачиваемую жидкость из штоковой полости второго рабочего цилиндра и линии всасывания через клапан 1 в поршневую полость рабочего цилиндра.

Реверсирование поршней производится от золотника 13, который управляется от поршней через муфты свободного хода 14 и кулачок 15, перемещающий плунжер золотника. При реверсировании происходит наложение подач цилинд­ров, чем достигается высокая степень равномерности перека­чивания промывочной жидкости. При этом происходит де­формация пружин б с их последующим возвратом в исходное положение и рабочий цикл насоса повторяется. Имеются кон­структивные решения гидроприводных насосов, синхрониза­ция плунжеров в которых осуществляется гидросистемой без применения цепной передачи.

Важной составной частью буровых насосных установок яв­ляются гибкие трубопроводы — буровые рукава, соединяющие насос с колонной бурильных труб через специальное устрой­ство — вертлюг-сальник. Гибкая трубопроводная система дол­жна обладать высокой механической прочностью: выдержи­вать рабочие и аварийные давления с коэффициентом запаса прочности, соответствующим ситуациям, угрожающим здоро­вью и жизни персонала (наивысший коэффициент запаса прочности). Значение этого коэффициента регламентируется национальными законодательствами по охране труда и ведом­ственными (отраслевыми) нормативными документами. Кро­ме того, буровые рукава должны обеспечивать герметичность. В России действует отраслевой стандарт на рукава буровые оплеточные (МРТУ 38-105537-73), выдерживающие рабочее давление от 10 до 20 МПа при двукратном по отношению к рабочему разрушающем давлении.

Механическая прочность рукавов обеспечивается металли­ческими оплетками, число которых изменяется от 1 до 3. Оп­леточный буровой рукав допускает минимальный радиус из­гиба, равный 10 наружным диаметрам (выпускаются рукава с

наружным диаметром 56,6; 57,8; 59 мм при внутреннем диа­метре 38 мм). Длина рукава изменяется от 3 до 18 м.

Кроме того, выпускаются рукава резиновые с нитяными оплетками (ТУ 38-105358-75), которые предназначены для по­дачи промывочной жидкости (глинистого раствора, эмульсий или воды) под давлением 6,0 МПа в интервале температур от -30 до +50°С. Рукава состоят из внутреннего резинового слоя, одной или нескольких оплеток из полиамида или поли­эфирных нитей и наружного резинового слоя. Рукава испы­тываются на герметичность и механическую прочность при давлении 8,0 и 15,0 МПа соответственно. Деформация рука­вов в радиальном направлении не должна превышать при этом 5 %. Минимальный радиус искривления рукавов с нитя­ными оплетками — 500 мм. Выпускаются также резиноткане­вые рукава на рабочее давление 3,0 МПа (МРТУ 38-5-1465-67).

Пример условной маркировки бурового рукава: 32-18000 МРТУ 38-5-1465-67 — рукав резинотканевый длиной 18 м и внутренним диаметром 32 мм с техническими параметрами по МРТУ 38-5-1465-67 (рабочее давление не свыше 3,0 МПа, наружный диаметр 55 мм).

Вертлюг-сальник обеспечивает герметичное, подвижное (с вращением относительно ведущей бурильной трубы бурового станка и обладающее достаточной механической прочностью, обеспечивающей подвеску бурильной колонны) соединение бурового рукава с бурильной колонной. Конструктивно (рис. 11.10) вертлюг-сальник представляет собой подшипниковую систему, заключенную в герметичный корпус.

Комментарии запрещены.