Буровые штанги (трубы)

Буровые штанги являются самым ответственным звеном в оборудовании. Штанги передают вращение коронке; они передают нагрузку на забой, подводят промывочную жидкость к забою. Поэтому штанги изготавливаются из стали высокого качества с высоким пределом прочности (от 60 до 80 кг/мм²).

Диаметры штанг для колонкового бурения 33,5; 42; 50; 63,5; 73 мм; толщина стенок труб для штанг 4,5–6,5 мм; длина штанг 1,5; 3,0; 4,5; 6 м.

Концы труб, из которых изготовляются штанги, перед нарезкой высаживаются обычно внутрь, чтобы не было ослабления в резьбе. Соединяются штанги ниппелями или муфтами. Свечи муфтовых штанг соединяются штанговыми замками, а ниппельных штанг – двухпрорезными ниппелями и замками. Преимущества замкового соединения штанг заключается в следующем:

1) Удлиняется срок службы резьбовых соединений штанг, т. к. при спуско-подъемных операциях резьбы штанг не участвуют в свинчивании и развинчивании.

2) Сокращается время на спуско-подъемные операции за счет более легкого и быстрого свинчивания конусной резьбы замка; при этом соединении достаточно сделать 2–3 оборота, чтобы резьба стала на место, тогда как при цилиндрической ленточной резьбе нужно сделать столько оборотов, сколько ниток в резьбе. Ускоряется свинчивание и развинчивание за счет применения простых и безотказных в работе ключей (крюкообразных), элеватора и подкладной вилки.

3) Удлиняется срок службы штанг, т. к. они замками и муфтами защищаются от истирания о стенки скважины.

4) Обеспечивается применение насосов с большей производительностью за счет большего проходного отверстия в замках по сравнению с ниппельным соединением, что способствует ускорению проходки скважин в мягких породах.

Указанные причины объясняют широкое внедрение муфтово-замковых соединений штанг в практику. В частности, замковое соединение ускоряет спуско-подъемные операции на 25–30 % по сравнению с ниппельными.

Буровые станки

Каждый буровой станок колонкового бурения выполняет следующие функции: 1) вращает колонну штанг с колонковым буровым снарядом внизу, 2) создает необходимую нагрузку на забой и 3) обеспечивает спуско-подъемные операции.

В соответствии с этими функциями в каждом станке имеются следующие узлы (см. рис. 8.1): 1) вращательный механизм; 2) механизм для регулирования давления на забой или подачи инструмента; 3) подъемный механизм или лебедка; 4) станина или рама, на которой монтируются первые три узла. Основные детали вращателя-шестерни (конические) – горизонтальный и вертикальный валы. Вертикальный вал пустотелый, называется шпинделем, через него проходят бурильные трубы. Поэтому станки колонкового бурения иногда называют шпиндельными станками.

В конструкцию каждого бурового колонкового станка, кроме основных узлов входит следующее: 1) коробка передач, 2) фрикцион включения и выключения узлов бурового станка, 3) гидросистема. Последняя состоит из: 1) масляного насоса, 2) масляного бака, 3) гидроцилиндров, 4) прибора гидроуправления, 5) соединительных трубопроводов, а также контрольно-измерительной аппаратуры в виде манометра и указателя давления.

Все эти узлы монтируются на нижней и верхней станинах, установленных на раме станка.

Основой для создания типоразмерного ряда буровых станков взяты глубина и диаметр скважины.

По транспортабельности станки разделяются на стационарные, передвижные и самоходные. Станки последнего типа применяются главным образом при бурении неглубоких скважин в некрепких породах. Такие скважины бурятся быстро, поэтому, чтобы сократить время на переброску установки с одной точки на другую, рациональнее применять самоходные установки.

Конструкций буровых станков для колонкового бурения много, но все станки классифицируются по системе подачи. Различают станки:
1) с рычажной, 2) с гидравлической, 3) с дифференциальной подачей,
4) бесшпиндельные роторные буровые станки с ведущей трубой и нажимным приспособлением или без него. Шпиндельные станки могут быть использованы для бурения с ведущей трубой при замене зажимных плашек ведущими.

В станках роторного типа роль шпинделя выполняет ведущая труба, с помощью которой вращение от ротора передается забойному буровому инструменту через колонну бурильных труб.

Шпиндельными буровыми станками практически можно бурить скважины под любым углом к горизонту; роторными – вертикальные или с наклоном до 4°. Отмеченное преимущество шпиндельных станков является особенно важным при бурении из подземных выработок, из которых проводятся скважины наклонные, горизонтальные и восстающие. Малые размеры и легкая разборка на небольшие узлы являются постоянными требованиями, предъявляемыми к буровым станкам, используемым в геологоразведочной практике и особенно при бурении в подземных горных выработках.

Первыми механическими буровыми колонковыми станками были станки с рычажной подачей (типа КА2М-300 и КАМ-500). Потом их заменили более совершенные – станки с гидравлической подачей.

Представителем станков с рычажной подачей является станок
КА-2М-300. Этот станок рассчитан для бурения скважин глубиной 300 м при начальном диаметре скважины 130 мм; число оборотов шпинделя 130–140 в минуту; грузоподъемность лебедки 1,5 т; вес станка 750 кг.

Станки с гидравлической подачей являются самыми распространенными и в настоящее время при разведке главным образом твердых полезных ископаемых. Широкое их распространение обусловлено тем, что станки с гидравлической подачей: 1) облегчают труд бурового персонала в процессе работы; 2) обеспечивают точное регулирование нагрузки на забой; 3) позволяют буровому персоналу по показаниям регистрирующих приборов отмечать переходы коронки из одной породы в другую, что повышает качество геологической документации разведочного бурения;
4) устраняют возможность падения бурового инструмента при встрече каверн и пустот на забое, т. к. под поршнями гидравлических цилиндров всегда находится жидкость; 5) дают возможность с помощью гидросистемы достаточно точно определить фактический вес забойного инструмента в скважине; 6) позволяют использовать гидроцилиндры как гидравлические домкраты при ликвидации аварий с буровым снарядом и при извлечении обсадных труб из скважин.

Станки с гидравлической подачей имеют устройства для механического свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, приборы для контроля режимных параметров бурения, автоматические перехваты для перестановки шпинделя при подаче бурильных труб в процессе углубления забоя скважины.

Буровые станки типа ЗИФ – достаточно широко применяемые в практике ГРР в Беларуси станки с гидравлической подачей. Они рассчитаны на бурение скважин глубиной 300–1200 м: ЗИФ-650А и ЗИФ-1200А. Цифровые индексы обозначают проектные глубины бурения, марка ЗИФ обозначает завод им. Фрунзе, где впервые было начало производство этих станков. Модификация станка ЗИФ-1200МР позволяет бурить скважины глубиной до 1500 м при конечном диаметре скважины 93 мм и до 2000 м – при диаметре 59 мм.

В состав буровой установки ЗИФ-1200МР входят: буровой станок с электроприводом, два насосных агрегата (насос с электромотором), магнитная станция и резервная передвижная бензоэлектростанция для аварийного привода. Станок имеет шесть скоростей.

Перечисленные станки были рассчитаны на бурение твердыми сплавами и дробью, поэтому скорость вращения шпинделя не превышает 480 об/мин. По конструкции станки ЗИФ близки друг другу.

Но при алмазном бурении требуются высокооборотные установки: число оборотов при бурении в нормальных условиях составляет 300–700 об/мин., при бурении мелкоалмазной коронкой число оборотов может быть увеличено до 1500–3000 об/мин. Только при этих условиях четко проявляется преимущество алмазного бурения.

Поэтому были разработаны специальные быстровращательные буровые станки с гидравлической подачей для бурения алмазными коронками.

К станкам с повышенными числами оборотов шпинделя относятся станки УКБ-4П, УКБ-5П, УКБ-7П, УКБ-8П, УКБ-200/300С и др. Эти станки рассчитаны на бурение алмазами и твердосплавными коронками как вертикальных, так и наклонных скважин. От станков типа ЗИФ они отличаются тем, что в их конструкции заложены элементы механизации и частично автоматизации вспомогательных процессов. Станки имеют вращатели с двумя гидропатронами и систему электрогидроавтоматики, позволяющие производить перестановку шпинделя автоматически (автоматический перехват), в том числе без остановки вращения бурового снаряда. Станки оснащены контрольно-измерительной аппаратурой: указатель давления на забой, вольтметр и киловаттметр, контрольные манометры. Станки с двигателями внутреннего сгорания имеют дополнительно указатель числа оборотов.

Конструкция скважин

Конструкция скважины при колонковом бурении зависит от:
1) геологических условий, определяемых твердостью и устойчивостью проходимых пород; 2) глубины скважины и 3) ее конечного диаметра.

Из свойств горных пород на выбор конструкции скважин влияют устойчивость, закарстованность, трещиноватость, наличие зон поглощения промывочной жидкости, буримость и выход керна. В ряде случаев, если применение оптимальных глинистых растворов не дает положительных результатов, приходится прибегать к креплению скважин обсадными трубами, что связано с уменьшением диаметра скважины и приводит к необходимости увеличения ее начального диаметра.

Чем глубже скважина, тем дольше она находится в бурении и тем больше возможных осложнений, а для устранения их часто требуются обсадные трубы.

На выбор конечного диаметра скважины влияют цель бурения и вид породоразрушающих инструментов. Так, при бурении дробью конечный диаметр должен быть не менее 91 мм, в противном случае выход керна получается явно недостаточным. В крепких массивных породах полный выход керна при алмазном бурении обеспечивается и при диаметрах коронки 46 и 36 мм. Однако в ряде случаев при алмазном бурении приходится бурить коронками бóльших диаметров – в одних случаях по геологическим причинам, чтобы обеспечить качественное опробование проходимых полезных ископаемых, в других – по техническим причинам, из-за большой глубины скважин. Так, например, в настоящее время не представляется возможным бурить скважины глубиной более 1000 м бурильными трубами диаметром 33,5 мм и т. д.

При бурении инженерно-геологических скважин конечный диаметр зависит от требований к диаметрам образцов грунтов с ненарушенной структурой, при бурении гидрогеологических скважин он зависит от диаметра погружного насоса, диаметра фильтра.

С учетом отмеченных требований и разрабатывается конструкция скважины: устанавливают конечный диаметр, определяют число колонн обсадных труб, диаметр и длину каждой колонны. Во всех случаях стремятся к упрощению конструкции скважин для экономии металла, затрачиваемого на обсадные трубы, и всего забойного и поверхностного оборудования.

В мировой практике отмечается тенденция к переходу на бурение скважин (разведочных и эксплуатационных) малых диаметров и к одноступенчатой конструкции скважин: например, крепят рыхлые породы трубами диаметром 108, 89 мм на глубину 15–100 м, а затем до проектной глубины (1500–2000 м) бурят коронкой одного диаметра 76, 59 или 46 мм. Возможна замена и на еще меньшие диаметры – 36, 24 мм. Переход на малые диаметры скважин снижает расход металла, алмазов, энергии, транспорта и т. д.

Было подсчитано, что с увеличением диаметра коронки с 76 до 93 мм, т. е. на один размер, увеличивается стоимость проходки 1 п. м на 45 %, при увеличении до 112 мм – на 90–100 %; при снижении с 59 до 46 мм стоимость 1 м снижается на 34–54 %.

Для алмазных инструментов считают нормальными диаметрами 59, 46, 36 мм, для твердосплавных – 76, 59, 46 мм.