УСТАНОВКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

Заявляемая полезная модель относится к области горного дела и может быть использована при сооружении вертикальных восходящих, наклонных, горизонтальных и нисходящих скважин с помощью вращательного бурения, в том числе при проведении работ в горных выработках, опасных по газу и пыли.
В результате усложнения условий проведения горных работ возникла потребность в сооружении не только восстающих, но и горизонтальных и наклонных нисходящих скважин различного назначения: разведочно-дренажные, водосбросные, водопонижающие, в том числе и в опасных по газу и пыли горных выработках.
Из технического уровня известно устройство для сооружение полного веера скважин диаметром 85-105 мм в виде станка НКР-100, состоящего из пневмозахвата, подающего патрон, редуктора, двигателя, пульта управления, распорной колонки, бурильных колонн и пневмоударника. Распорная колонка служит для установки станка в камере и закрепления его в заданном направлении. При бурении горизонтальных и слабонаклонных скважин применяют колонны для горизонтального бурения, а для бурения вертикальных скважин - колонны вертикального бурения. Станок развивает усилие 12 кН и крутящий момент 330 нм. Передвижение станка по выработке осуществляют вручную, монтажно-демонтажные работы по установке колонок осуществляются вручную. Область применения станка ограничена его параметрами. Недостатком является не применимость для бурения в крепких и переменных по крепости породам из-за невозможности создания высоких осевых нагрузок и крутящих моментов. Кроме того, станок не предназначен для решения задач по сооружению дренажных скважин с высокими напорами грунтовых вод [К.И.Андреев, В.А.Латышев, В.Д.Андреев. Техника бурения при
разработке месторождений полезных ископаемых. М. Недра 1987 г. с99-163].
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является буровая установка для вращательного бурения УДБ-8.
Известная установка состоит из маслостанции, бурового насоса, пульта управления, бурильной или фильтровой колонн при бурении дренажных скважин и бурового станка. Буровой станок включает нижнюю раму с шарнирами, поворотную раму с направляющими, на которых установлены передняя и задняя траверсы, две полуоси, гидроцилиндр подачи, опорная пята штока которого жестко закреплена на задней траверсе, гидровилка, гидрозахват, подкосы, винтовые домкраты, винтовые распорки, вращатель с установленным на нем раскрепителем, и сальник вертлюг, соединенный со шпинделем [Отчет о НИР. Проведение приемочных испытаний и внедрения буровой установки УДБ-8, шифр 1.5-5(78)-А-10-83 с.7-11, г.Белгород, ВИОГЕМ 1978, рис.1.1].
К недостаткам прототипа следует отнести стационарное закрепление опорной пяты. Так, при бурении вертикальной скважины опорная пята гидроцилиндра подачи закреплена стационарно на задней траверсе. Для изменения направления бурения, например, для бурения нисходящих скважин, необходимость снять вращатель с направляющих поворотной рамы, развернуть его на 180 градусов и вновь установить в этих направляющих. После этого поворотная рама в шарнире поворачивается вертикально вверх винтовыми подкосами и закрепляется в выработке винтовыми домкратами совместно с винтовой распоркой. Только в этом случае цилиндр подачи, жестко установленный на передней траверсе не будет мешать в работе. Передняя траверса с гидромеханизмами захвата бурильной или фильтровой колонн (гидровилка и гидрозахват) при таком развороте оказываются вверху и остаются незадействованными.
Шпиндель вращателя в своем крайнем нижнем положении располагается в непосредственной близости от низа подвижной рамы, т.е. практически у поверхности земли. При таком расположении шпинделя невозможно установить кондуктор в нисходящей скважине, а также осуществлять операции по спуску-подъему бурового инструмента. Поэтому приходится устанавливать либо дополнительную раму, либо другое основание. При этом разборку бурильной колонны производят вручную.
К недостаткам можно отнести ручную транспортировку к месту монтажа тяжелых узлов буровой установки: маслостанции, бурового насоса и бурового станка.
Недостатком прототипа является крепление бурового станка с помощью винтовых домкратов и винтовых распорок, которые при бурении раскручиваются, буровой станок смещается от оси скважины, что приводит к искривлению скважины, износу бурового инструмента и вращателя, а также созданию аварийных ситуаций.
Недостатком является также то, что для производства работ по свинчиванию и развинчиванию бурильных или фильтровых колонн в прототипе установлены различные зажимные устройства: гидровилка - для бурильных колонн, гидрозахват - для фильтровых колонн, что усложняет конструкцию.
Кроме того, в буровой установке применяются электромоторы, магнитные пускатели и другая электроаппаратура, выполненная не во взрывозащищенном исполнении. На пульте управления распределители имеют алюминиевые крышки, а гидронасосы и гидромоторы имеют алюминиевые корпуса. Это исключает возможность использования прототипа в горных выработках, опасных по газу и пыли.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа и расширения арсенала установок вращательного бурения.
Техническими результами, которые могут быть достигнуты при реализации полезной модели являются:
- реализация назначения с позитивным результатом, включая возможность бурения скважин в выработках, опасных по газу и пыли;
- расширение функциональных возможностей,
- обеспечение возможности бурения восходящих и нисходящих скважин без перестановки вращателя;
- создание технологического зазора между передней траверсой и поверхностью земли;
- повышение производительности труда;
- снижение доли ручного труда;
- обеспечение взрывобезопасности.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известной буровой установке вращательного бурения, включающей маслостанцию, гидронасосы, гидромоторы, пульт управления с распределителями, буровой насос, бурильную или фильтровую колонны с породоразрушающим инструментом, буровой станок, в состав которого входят нижняя рама с шарнирной опорой для полуосей поворотной рамы и подкосы для фиксации положения поворотной рамы, устройство для закрепления и фиксации бурового станка в камере горной выработки, поворотная рама с двумя поворотными полуосями и гидроцилиндром подачи со штоком, крепящимся опорной пятой, передняя и задняя траверсы в виде плит, при этом на передней траверсе выполнено отверстие для прохода гидроцилиндра подачи, закреплены направляющие поворотной рамы, выполненные в виде труб, для перемещения вращателя с сальником вертлюгом под действием гидроцилиндра подачи, на нижней раме бурового станка, основаниях маслостанции, бурового насоса и пульта управления выполнены
крепежные узлы для монтажа транспортировочных колес и монтажные площадки для винтовых домкратов, устройство для закрепления и фиксации бурового станка в выработке выполнено в виде зажимного устройства для закрепления анкера, которое установлено на нижней раме, поворотная рама снабжена двумя дополнительными поворотными полуосями, в задней траверсе выполнено отверстие для прохода гидроцилиндра подачи, аналогичное отверстию в передней траверсе с возможностью создания технологического зазора между передней траверсой и поверхностью земли, на опорной пяте штока гидроцилиндра установлено съемное зажимное устройство для обеспечения его крепления в отверстии для прохода гидроцилиндра в одной из траверс в зависимости от направления бурения, а устройство для захвата бурильных или фильтровых колон выполнено в виде гидроключа.
В частном примере выполнения буровой установки маслостанция дополнительно оснащена не менее чем одним датчиком отключения электропитания при достижении температуры масла выше 60 градусов. блоки магнитных пускателей и электромоторы выполнены во взрывобезопасном исполнении, распределители пульта управления снабжены крышками из стали, а гидронасосы, гидромоторы и буровой насос снабжены корпусами из стали для обеспечения работы в выработках, опасных по газу и пыли.
Расширение функциональных возможностей достигнуто благодаря выполнению в конструкции задней траверсы отверстия для прохода гидроцилиндра, аналогичного отверстию в передней траверсе, что обеспечивает формирование технологического зазора между передней траверсой и земной поверхностью при бурении нисходящих скважин, который достаточен для установления кондуктора. Снабжение пяты штока гидроцилиндра подачи съемным зажимным устройством обеспечивает возможность закрепления гидроцилиндра подачи в
отверстии для его прохода на одной из траверс, т.е. одно из отверстий для прохода гидроцилиндра подачи совмещает функцию обеспечения прохода с функцией крепления съемного зажимного устройства. Так, при бурении восходящих скважин опорная пята устанавливается в отверстии задней траверсы, а при бурении нисходящей скважины - в отверстии передней траверсы. При этом разворачивается на 180 градусов только гидроцилиндр подачи без разворота вращателя, сохраняя функции передней траверсы как площадки для осуществления спуско-подъемных операций с сохранением функциональных возможностей расположенного на ней устройства для захвата бурильной или фильтровой колонн в виде гидроключа. Таким образом, бурение скважин разного направления осуществляют без перестановки вращателя.
Снижение доли ручного труда достигнуто благодаря выполнению на нижней раме бурового станка, основаниях маслостанции, бурового насоса и пульта управления крепежных устройств для монтажа транспортных колес и винтовых домкратов для подъема и спуска их на транспортные базы, благодаря чему эти узлы могут быть доставлены по горной выработке к месту монтажа в условиях отсутствия рельсовых путей. Снижение уровня ручного труда и повышение надежности закрепления бурового станка достигнуто за счет его закрепления на анкере, который зажимают в зажимном устройстве для закрепления анкера, установленном на нижней раме, а также за счет установки на передней траверсе гидроключа, что одновременно повышает производительность труда.
Снабжение поворотной рамы двумя дополнительными поворотными полуосями позволяет увеличить технологический зазор между нижней траверсой и поверхность земли, что делает возможным бурение нисходящих скважин без дополнительных приспособлений, т.е. дополнительно расширяет функциональные возможности установки.
Взрывобезопасность установки обеспечивается датчиком отключения электропитания при достижении температуры масла выше 60 градусов, выполнением электромоторов и блоков магнитных пускателей во взрывобезопасном исполнении, выполнением крышек распределителей пульта управления из стали а также корпусов гидронасосов, гидромоторов и бурового насоса из стали. Такое исполнение дополнительно расширяет функциональные возможности буровой установки.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие фигуры:
Фиг 1 Показан общий вид буровой установки: маслостанция, пульт управления, буровой станок, буровой насос, бурильная колонна.
Фиг.2 Показана схема бурового станка при бурении нисходящей скважины: поворотная рама, поворотные полуоси для бурения восстающей скважины, дополнительные поворотные полуоси для бурения нисходящей скважины, гидроцилиндр подачи в положении для бурения нисходящей скважины, передняя и задняя траверсы,, направляющие, вращатель, сальник вертлюг, гидроключ, нижняя рама, подкос, шарнирная опора для поворотной рамы, крепежные узлы для установки транспортировочных колес, зажимное устройство для закрепления анкера, монтажные площадки для установки винтовых домкратов.
Фиг.3 Показана передняя траверса на период бурения нисходящей скважины: передняя траверса, опорная пята штока гидроцилиндра подачи, съемное зажимное устройство.
Фиг.4 Показана передняя траверса: передняя траверса, отверстие под бурильную колонну, отверстие под направляющие поворотной рамы, отверстие для прохода гидроцилиндра подачи на период бурения восходящей скважины и под съемное зажимное устройство пяты штока гидроцилиндра подачи, отверстие для крепление гидроключа.
Буровая установка вращательного бурения (фиг.1) включает маслостанцию 1, гидронасосы, гидромоторы (на фиг. не показаны), пульт управления 2 с распределителями (на фиг. не показаны), буровой насос 3, буровой станок 4, а также бурильную 5 колонну, оснащенную породоразрушающим инструментом 6.
Буровой станок 4 (фиг.2) в свою очередь содержит нижнюю 7 и поворотную 8 рамы. Нижняя 7 рама снабжена шарнирной опорой 9 для двух поворотных полуосей 10 поворотной 8 рамы и подкосами 11 для фиксации ее положения. На нижней 7 раме также установлено зажимное устройство 12 для закрепления и фиксации бурового станка 4 в выработке (на фиг. не показана) на анкере 13. Поворотная рама 8 снабжена двумя поворотными полуосями 10 для бурения восходящей скважины (на фиг. не показана) и двумя дополнительными поворотными полуосями 14 для бурения нисходящей скважины (на фиг. не показана). При этом шарнирная опора 9 используется также и при бурении нисходящих скважин. На поворотной 8 раме размещен гидроцилиндр подачи 15 со штоком (на фиг. не показан), крепящийся съемно опорной пятой 16 (фиг.3) в передней 17 или задней 18 траверсах в виде плит. Для этого опорная пята 16 оснащена съемным зажимным устройством 19, а в передней 17 и задней 18 траверсах выполнено по одному аналогичному отверстию 20 для прохода гидроцилиндра подачи 15 при смене направления бурения с возможность размещения в них съемного зажимного устройства 19 (фиг.4). В передней 17 траверсе также выполнены отверстие 21 под буровой снаряд, отверстие 22 под крепление устройства для захвата бурильных и фильтровых колонн (на фиг. не показаны), выполненное в виде гидроключа 23, и отверстие 24 под направляющие 25 поворотной 8 рамы. Направляющие 25 выполнены в виде труб и служат для перемещения вращателя 26 с сальником вертлюгом 27 под действием гидроцилиндра подачи 15. Выполнение устройство для захвата бурильных 5 или фильтровых колонн в виде
гидроключа 23 облегчает процесс свинчивания и развинчивания этих колонн. Снижение доли ручного труда достигается благодаря тому, что на нижней раме бурового станка 4, основаниях маслостанции 1, бурового насоса 3 и пульта управления 2 выполняют крепежные узлы 28 для монтажа транспортировочных колес (на фигуре не показаны) и монтажные площадки 29 для установки винтовых домкратов (на фиг. не показаны) для подъема при монтаже транспортировочных колес и спуска на землю.
Для взрывобезопасного ведения горных работ при сооружении не только восстающих, но и горизонтальных, наклонных и нисходящих скважин различного назначения: разведочно-дренажных, водосбросных, водопонижающих, в том числе и в опасных по газу и пыли горных выработках, буровая установка снабжена блоками магнитных пускателей и электромоторами (на фигуре не показаны), выполнеными во взрывобезопасном исполнении, маслостанция 1 дополнительно оснащена не менее чем одним датчиком отключения электропитания при достижении температуры масла выше 60 градусов (на фиг. не показан) крышки распределителей (на фиг. не показаны) пульта управления 2 выполнены из стали, корпуса бурового насоса 3, гидронасосов и гидромоторов (на фигуре не показаны) выполнены из стали.
Заявляемая установка вращательного бурения работает следующим образом.
Буровую установку доставляют в камеру (на фиг. не показана) горной выработки на транспортных тележках (на фиг не показаны). С помощью винтовых домкратов (на фиг. не показаны), установленных на монтажных площадках 29 нижней 7 рамы бурового станка 4 поднимают буровой станок 4 над транспортной тележкой и удаляют ее. Закрепляют в соответствующих крепежных узлах 28 на нижней 7 раме транспортировочные колеса (на фигуре не показаны), устанавливают
под эти колеса направляющие швеллера (на фиг. не показаны), опускают буровой станок 4 и перекатывают его в заданную точку камеры (на фиг. не показана) горной выработки Аналогично доставляют маслостанцию 1, пульт управления 2 и буровой насос 3, после чего монтируют буровую установку. Буровой станок 4 раскрепляют в горной выработке камеры путем закрепления его зажимного устройства 12 на анкере (на фиг. не показан), укрепленном в почве горной выработки. Сооружают восходящую скважину (на фиг. не показана). Для этого устанавливают в отверстие 20 для прохода гидроцилиндра подачи, выполненного в задней 18 траверсе, съемного зажимного устройства 19 опорной пяты 16 и фиксируют его. Подают вращателем 26 бурильную 5 колонну с породоразрушающим инструментом 6 и бурят с прямой промывкой. Захват бурильной 5 или фильтровой колонн при свинчивании и развинчивании осуществляют гидроключем 23. Бурение нисходящей скважины этой же установкой осуществляют путем установки в отверстие 20 для прохода гидроцилиндра подачи 15, выполненного в передней 17 траверсе, съемного зажимного устройства 19 опорной пяты 16 и фиксируют его. После этого разворачивают поворотную 8 раму вокруг двух дополнительных полуосей 14 на 180 градусов. При этом между передней траверсой 17 и поверхностью земли образуется технологический зазор (на фиг. не показан), достаточный, чтобы вести бурение без дополнительных приспособлений. При этом вращатель 26 не переставляют.
Практическое применение заявляемой полезной модели показано на примерах конкретного выполнения. Горные выработки взрывоопасны по газу.
Пример 1
Буровая установка вращательного бурения испытана на подземном месторождении в зоне нефтегазоносной провинции.
Установка вращательного бурения имеет следующие параметры:
- масса маслостанции, кг
1250
- масса пульта управления, кг
160
- масса бурового насоса, кг
650
- масса бурового станка, кг
1215
- диаметр бурения, мм
112
- глубина бурения
при диаметре бурения 350 м, м
350
- крутящий момент, кН м
1,7
- осевое усилие, кН
120
- предельное давление гидростатического
давления грунтовых вод при бурении
дренажных скважин, МПа
60
- приводная мощность установки, кВт
51,5
- приводная мощность бурового насоса, кВт
11
На нижней раме бурового станка, основаниях маслостанции, бурового насоса и пульта управления выполняют крепежные узлы для монтажа транспортировочных колес и монтажные площадки для установки винтовых домкратов для подъема при монтаже транспортировочных колес и спуска с транспортных тележек.
Опорная пята штока гидроцилиндра подачи оснащена съемным зажимным устройством, а в передней и задней траверсах выполнено по одному аналогичному отверстию для прохода гидроцилиндра подачи при смене направления бурения с возможность размещения в них съемного зажимного устройства и его фиксации.
Поворотная рама снабжена двумя поворотными полуосями для бурения восходящей скважины и двумя дополнительными поворотными полуосями для бурения нисходящих скважин
Захват бурильной или фильтровой колонн при свинчивании и развинчивании осуществляют гидроключем.
Для безопасного ведения горных работ при сооружении не только восстающих, но и горизонтальных и наклонных нисходящих скважин различного назначения: разведочно-дренажные, водосбросные, водопонижающие, в том числе и в опасных по газу и пыли горных выработках, блоки магнитных пускателей и электромоторы выполнены во взрывобезопасном исполнении, маслостанция дополнительно оснащена не менее чем одним датчиком отключения электропитания при достижении температуры масла выше 60 градусов, распределители пульта управления имеют крышки из стали, буровой насос, гидронасосы и гидромониторы имеют корпус из стали.
Буровой станок раскрепляют в горной выработке камеры путем установления его зажимного устройства на анкере, укрепленном в горной выработке.
Время доставки и монтажно-демонтажных работ составило 2, 5 часа.
Перестановка гидроцилиндра подачи на переднюю траверсу для сооружения нисходящей скважины заняла 1 час.
Время на закрепление бурового станка в камере горной выработке и составило 0,5 часа.
Пример 2. Прототип.
Установка вращательного бурения УДБ-8.
Установка вращательного бурения имеет следующие параметры:
- масса маслостанции, кг
800
- масса пульта управления, кг
160
- масса бурового насоса, кг
650
- масса бурового станка, кг
1200
Доставка в камеру горной выработки узлов буровой установки вручную. Время доставки составляет 5 часов.
Время на закрепление бурового станка в камере горной выработки составило 1 час.
Крепление пяты штока гидроцилиндра подачи стационарное на задней траверсе.
Переход на сооружение нисходящей скважины осуществляют путем переустановки вращателя на 180 градусов. Время переустановки вращателя составляет 5-6 часов.
Время на установку подкладной рамы и закрепления на ней бурового станка составило 2 часа.
Как видно из примеров, создана новая установка вращательного бурения, реализующая свое назначение с позитивным результатом. Функциональные возможности установки расширены за счет обеспечения возможности бурения восходящих, горизонтальных, наклонных и нисходящих скважин без перестановки вращателя и создания технологического зазора между передней траверсой и поверхностью земли, а также обеспечения возможности бурения скважин в выработках, опасных по газу и пыли, так как она выполнена во взрывобезопасном исполнении.
Снижение времени доставки буровой установки на рабочую точку при увеличении ее веса во взрывобезопасном исполнении с 5 часов (пример 2) до 2,5 часа (пример 1), времени подготовки к сооружению нисходящей скважины в среднем с 7 часов (пример 2) до 0,5 часа (пример 1), использование передней траверсы как опоры для гидроключа, сокращающее время на выполнение спуско-подъемных операций не менее чем на 25%, а также снижение доли ручного труда привело к повышению ее производительности труда.