Станки с подвижным вращателем

В настоящее время станки с подвижным вращателем становятся преобладающими , в первую очередь, при бурении геологоразведочных скважин, но и при бурении водозаборных и нефтегазовых скважин они тоже начинают заменять роторные буровые установки.

Сравним достоинства и недостатки станков разных типов.

- Роторный вращатель, обеспечивая непрерывную углубку на длину ведущей трубы – 6 – 8 метров и более (это плюс), имеет три серьезных недостатка:

1) недостаточно качественное регулирование осевой нагрузки на ПРИ;

2) необходимость при наращивании бурильных труб приподнимать весь буровой снаряд, отсоединять ведущую трубу, навинчивать следующую бурильную трубу снова навинчивать ведущую трубу и только после этого опять доходить до забоя и продолжать бурение;

3) Роторный вращатель, не имея жесткой связи с ведущей трубой, не позволяет вести бурение на больших оборотах – обычно максимальная частота вращения для роторных буровых установок составляет 300 – 350 об/мин (как исключение у СКБ-8 до 1200 об/мин).

- Шпиндельный вращатель достоинством имеет жесткую связь с ведущей трубой и близкое расположение к устью скважины, что обеспечивает хорошую центровку и возможность вести бурение на максимальных оборотах. Недостаток – ограниченный ход шпинделя - 400 – 600, (у зарубежных до 1100)мм, устраняется при наличии двух зажимных патронов и системы «перехват». При этом шпиндельный вращатель обеспечивает непрерывный процесс бурения без отрыва ПРИ от забоя на всю длину «замера» т.е. верхней части ведущей трубы.

При бурении шпиндельными станками с обычными снарядами (не ССК), в шпинделе устанавливается специальная ведущая труба, обычно большей длины и жесткости чем обычные трубы. В этом случае, если углубка за рейс превышает величину «замера», наращивание бурового снаряда происходит так же, как и при роторном вращателе. Т.е. с подъемом снаряда на длину ведущей трубы, отвинчивании ведущей трубы, отодвиганием станка, навинчивании очередной бурильной трубы, пододвиганием станка и навинчивании ведущей трубы и опять дохождение до забоя и возобновление бурения. Этот недостаток может быть устранен, если организовать наращивание бурильных труб «через верх» шпинделя и установкой направляющих на мачте станка для центровки верхнего конца ведущей трубы (сальника). При выполнении последних двух условий («перехват патронов» и центровка сальника с наращиванием через верх), а также достаточное проходное сечение шпинделя и патронов для пропуска труб ССК, шпиндельные станки могут конкурировать со станками с подвижным вращателем.

Принципиальное отличие подвижного вращателя от шпиндельного и роторного в том, что он имеет значительное осевое перемещение без перехвата, от 1,2 м для самых маленьких станков и до 7.0 – 8,0 м для установок глубокого бурения. В последнее время подвижные вращатели стали применять и в нефтяном бурении под названием «верхний привод», где ход вращателя соответствует длине свечи, т.е. достигает 36 метров. В станках для геологоразведочного высокооборотного (алмазного) бурения ход вращателя обычно составляет до 3,2 – 3,5 м.

Поскольку станки с подвижным вращателем получают все большее распространение, остановимся подробнее на их истоках и вариантах исполнения.

Пока механическое вращательное бурение скважин осуществлялось круглыми гладкими бурильными трубами, вполне достаточно было использование станков с роторным и шпиндельным вращателями. В начале сороковых годов прошлого века было обнаружено, что бурить скважины в мягких и слабых породах можно с использованием шнеков – быстрее и без промывки. Но пропустить шнек через ротор или шпиндель весьма неудобно – проще вращать шнек за верхний конец и перемещать вращатель вместе с о шнеком по мере углубки скважины. Вначале станки для щнекового бурения с подвижным вращателем были сделаны для разведки и разработки угольных разрезов. В1943 году (шла война!) была сделана приставка с подвижным вращателем к станку ударно-канатного бурения. В 1946 году на базе военной танкетки (шла конверсия – перевод военной промышленности в мирную) был создан буровой станок с подвижным вращателем с приводом вращателя от вертикального вала и с ходом около 3 метров. Рис. 50.

Рис. 50

В это же время был разработан легкий переносной станок с подвижным вращателем с приводом от автономного, установленного непосредственно на вращателе, электродвигателя. Рис. 51.

Рис.51

В начале пятидесятых годов достоинства шнекового бурения разглядели геофизики для бурения взрывных скважин при сейсморазведке. Оказались они хороши и для инженерно-геологических изысканий и для мелкого водоснабжения и для геологоразведки. Началась разработка самоходных буровых установок с подвижным вращателем на автомашинах и тракторах – УШБ-1, УШБ-16, БС-3А УГБ-50А, УСБ-1, ЛБУ-50, УШБТ и других, практически всех с приводом вращателя от вертикального вала. Весьма любопытно была решена задача перемещения вращателя без вертикального валя в одном из первых станков шнекового бурения БС-3А. На раме автомашины установлены четыре двухметровые стойки с зубчатой нарезкой. На стойках установлена подвижная рама, на которой расположены бензиновый двигатель, коробка передач, собственно вращатель и передача на шестерни, находящиеся в зацеплении с зубьями на стойках. Вращение на вал с шестернями могло осуществляться от двигателя (для подъема рамы с двигателем и вращателем в верхнее положение) и штурвалом вручную при бурении.

Интересно отметить, хотя и не относящееся к данной теме, но очень полезное для буровиков, но почему-то забытое, решение в установке УБС-1, в которой смонтированы два магазина для размещения комплекта шнеков, закрепленных к мачте. При транспортировке они удобны для перевозки шнеков. А при поднятой мачте, они устанавливаются наклонно и очень удобны для работы со шнеками. Рис. 52.

Рис. 52 (1960 год).

Как уже отмечалось, в настоящее время станки с подвижным вращателем получили преобладающее применение для бурения скважин различного назначения, в том числе и при бурении геологоразведочных скважин на ТПИ. В связи с их большим разнообразием следует более подробно остановиться на их различиях в принципах работы вращателя и конструктивных особенностях.

Предложим такую классификацию:

Рис. 53

Для бурения неглубоких, до 200 метров, скважин обычно применяются станки с непроходным вращателем. В таких вращателях вращение на бурильные трубы передается с короткого пустотелого вала в корпусе вращателя, который также называется шпиндель, но не имеет осевого перемещения. На верхнем конце шпинделя вращателя постоянно навинчен буровой сальник.

Принципиальное отличие подвижного вращателя с верхним приводом (непроходного) от проходного, также как и от шпиндельного и роторного, в том, что он не пропускает через себя ведущую трубу, а присоединяется к ее верхнему концу. При этом ведущей трубы как таковой нет, а ее роль выполняет очередная верхняя бурильная труба. Наращивание снаряда при этом происходит после углубки на длину хода вращателя, путем отвинчивания вращателя от бурильной трубы, подъема его в верхнее положение и навинчивание на верхний конец бурового снаряда очередной трубы. Очевидно длина бурильных труб при этом не более хода вращателя. При использовании станков с непроходным вращателем, СПО выполняются, как правило, самим вращателем по одной трубе. Грузовой лебедки на станке нет. К установкам с подвижным непроходным вращателем относятся такие установки. как УКБ12,5/25, ББУ О1 «Опенок", все установки шнекового и комбинированного бурения УГБ-001, ЛБУ-50, ПБУ-2, УРБ-2А2 и другие, а также комбинированная установка УБВ-218 предназначенная для бурения скважин до глубины 800 м с ходом вращателя 7.0 метров.

Еще в начале семидесятых годов была создана буровая установка УРБ-2А2 с непроходным подвижным вращателем с приводом от гидромотора, установленного непосредственно на корпусе вращателя. Эта установка имеет ход вращателя 5,2 метра и при работе на ней можно наращивать снаряд, по мере углубки, уже стандартными бурильными трубами разведочного бурения (длина трубы обычно 4,5 метра, с замком 4,7 метра). Установка оказалась универсальной и стала широко использоваться и для шнекового и для геологоразведочного вращательного бурения с циркуляцией очистного агента, С этой установкой стали применять наиболее прогрессивный способ бурения - бурение комплектом с гидротранспортом керна или шлама КГК или КПК.

󰀡 Эта установка, как и самоходный вариант УКБ 12,5/25С, используется у нас на учебной практике на Сергиево-Посадском полигоне. Разборная установка УПБ-100Р с подвижным вращателем стоит в лаборатории – в аудитории 106.

За рубежом в эти годы широко применялись станки с подвижным вращателем и для высокооборотного алмазного бурения (Diamec, Boart Longyear и другие) с небольшим ходом вращателя до 3,2 – 3,7 метра и с частотой вращения до 1200 – 1500 об./мин.

В девяностые годы в нашей стране созданы более современные станки для геологоразведочного бурения с подвижным вращателем с гидромоторами (высокооборотные с частотой вращения до 700 – 1500 об/мин) АБ-2, АБ-5, идентичные зарубежным, и роботизированный буровой комплекс РБК-4. Однако, выпуск этих станков так и не был налажен из-за экономических трудностей. В результате в настоящее время большинство геологоразведочных организаций используют зарубежные буровые станки с подвижным вращателем. Наибольшее применение получили станки фирмы Boart Longyear LF-90

За исключением маленькой УКБ-12,5/25 и ее аналогов, все буровые установки с подвижным вращателем имеют гидравлическую систему подачи. Передача на вращатель движения и усилий непосредственно от штоков гидроцилиндров обеспечивает только небольшую величину хода вращателя, ограниченную длиной гидроцилиндра При большей длине хода вращателя передача на него движения и усилий осуществляется сочетанием гидроцилиндра с тросовой или цепной талевой (полиспастной) системой. Такое сочетание позволяет получить ход вращателя вдвое больше чем ход штока (и длина цилиндра) и, что очень важно при спуско-подъемных операциях вращателем (без лебедки), скорость движения вращателя тоже удваивается по сравнению со скоростью штока. Как это получается видно из схемы на рис. 54, на котором представлена схема подачи установки УРБ-2А-2 с относительно большим ходом вращателя (слева), и схема подачи станка УПБ-100 с малым ходом вращателя (напрямую от штока).

Рис. 54.

Для скважин глубиной до 2000 метров, кроме станков ЗИФ-12000МР (СКТО-75) и СКБ-7, в литературе приводятся данные на удивительный станок БАК-1200/2000, вращатель которого представляет собой гибрид шпиндельного и подвижного вращателей. Идея старая – решили совместить шпиндель с пустотелым валом электродвигателя от троллейбуса (двигатель постоянного тока с плавным регулированием частоты вращения) Таким образом, весь станок состоит из двигателя – он же шпиндельный вращатель, системы гидравлической подачи, отдельной грузовой лебедки и пульта управления. Полностью отсутствует трансмиссия (фрикцион, коробка передач, промежуточная коробка) Такой вращатель имеет ход 800 мм. (у СКБ-7 и ЗИФ-1200МР всего 600 мм.). рис. 55. Недостатком этого станка можно считать отсутствие «автоперехвата» т.е. каждое перекрепление зажимного патрона после исчерпывания хода вращателя происходит с остановкой вращения.

Рис. 55

Для получения представления о перспективе техники бурения геологоразведочных скважин на ТПИ можно ознакомиться с характеристиками спроектированного «роботизированного» бурового станка с подвижным вращателем РБК-4. Станок имеет числовое программное управление, автоматизацию практически всех производственных процессов, выполняются измерения более 20 параметров (а вот измерение самого нужного параметра бурения – рейсовой скорости бурения – не предусмотрено!) Рис. 56. По своей конструкции и характеристике станок соответствует уровню лучших станков зарубежных фирм.(Далее текст с некоторыми сокращениями из рекламного сайта «Геомаша». Желтым выделены ошибки. Знаки ? ? автора).

Рис. 56.

« Роботизированная буровая установка РБК-4.

Глубина бурения установкой РБК-4 при использовании труб различного типоразмера: стальных 68 мм - 350 м; ССК-76 - 400 м; стальных 54 мм - 500 м; ССК-59 и стальных труб 42 мм - 700 м; ЛБТН-54 - 800 м и ЛБТН-42 - 1000 м.

Буровая установка РБК-4 содержит:
- буровой агрегат БА-РБК-4, имеющий в своем составе систему числового программного управления и промывочный насос НБ-4-160/63 с плавнорегулируемым гидростатическим (по-видимому гидравлическим ?) приводом и с насосом-водозабором для жидких добавок к промывочной жидкости, а также замкнутую циркуляционную систему, имеющую в своем составе емкость с промывочной жидкостью и блок очистки промывочного раствора (надо жидкости ?) от шлама;
- инструментальный блок БИ-РБК-4 с двумя бортовыми накопителями для бурильных труб, устройствами для обслуживания колонковых труб и керна, устройствами для измерения и заточки алмазных коронок, емкостью и нагревателем технической воды, а также стандартными геофизическими зондами для скважинного каротажа (?) и кабиной оператора.
Блоки оснащены гидродомкратами с системой автогоризонтирования. Инструментальный блок на трубной базе может работать независимо от буровой установки. Укрытие - полужесткое полное.