БУРОВОЙ СТАНОК
DRILLING RIG

Изобретение относится к технологии открытых горных разработок, одним из основных производственных процессов которых являются буровзрывные работы с использованием установок для бурения технологических взрывных скважин. А именно к манипулированию буровыми штангами и буровой установке с применением карусельной подачи буровых штанг.
Механизм подачи штанг предназначен для механизированной сборки и разборки бурового става. Устройство обычно смонтировано на буровой раме или на мачте и поэтому им можно пользоваться как при вертикальном, так и при наклонном бурении. Штанги устанавливаются в кассете, которая может вращаться вокруг своей центральной оси в опорах и вводится в зону бурового става или отводится в транспортное положение.
Известна самоходная буровая установка (Патент RU №2629185, Е21В 7/02, Е21В 19/08, Публ. 10.08.2017 Бюл. №22), которая содержит буровую мачту, подвижный проходной вращатель, выполняющий спуск и подъем бурильной колонны, манипулятор бурильных свечей с возможностью перемещения его захвата к месту аккумуляции и обратно, расположенный с противоположной стороны от подвижного вращателя карусельный свечеприемник барабанного типа, обеспечивающий выдвижение вверх свечи из очередной ячейки магазина при спуске бурильной колонны или опускание свечи на его подсвечник при ее подъеме, причем прием, удержание и освобождение верхних концов свечей в ячейках магазина осуществляется автоматически в результате силового взаимодействия перемещаемой свечи с пружинными захватами ячеек, а также стационарный труборазворот. Манипулятор свечей расположен в верхней части мачты с возможностью вращения вокруг своей оси на 180°, а также выполнения операций по установке свечи на бурильную колонну при свинчивании с колонной и отсоединения ее от последней при развинчивании, в то время как проходной вращатель, в процессе свинчивания и развинчивания свечи труборазворотом, выполняет свой холостой ход подъема и спуска соответственно при спуске и подъеме колонны. Карусельный свечеприемник содержит два вращающихся барабанных магазина, расположенных на общем основании, имеющем возможность вращения вокруг своей оси, благодаря чему в рабочем положении буровой установки вертикальная плоскость, проходящая через оси этих магазинов, располагается на ее продольной оси, а в транспортном - перпендикулярно этой оси. Обеспечивается автоматизация спускоподъемных операций с совмещением их по времени, при упрощении и увеличении надежности конструкции, а также увеличивается возможная глубина бурения. Такая буровая установка эффективна для бурения глубоких геолого-поисковых скважин, но не целесообразна для взрывных скважин.
Известна буровая установка (Патент RU №2541972, Е21В 7/00, Е21В 19/08, Публ. 10.12.2014 Бюл. №34) включающая мачту, цепной подъемник колонны с проходным подвижным вращателем, снабженным гидропатроном для удержания бурильных труб, расположенный над подъемником колонны, цепной свечеподъемник с элеватором, оснащенный гидропатроном для удержания бурильных свечей, состоящих из одной или нескольких труб, карусельный магазин с расположенными строго по окружностям ячейками для бурильных свечей, выполненный с возможностью перемещения его от оси скважины и обратно, и стационарный гидравлический трубодержатель. Над цепным подъемником колонны с подвижным проходным вращателем, расположен кинематически связанный с ним через две пары шестерен такой же и имеющий с ним общий реверсивный привод цепной подъемник.
Карусельный магазин загружается и выгружается сверху, и по мере наполнения или опорожнения очередного ряда ячеек, расположенных на данной окружности, бурильными свечами, перемещается по радиусу на расстояние, необходимое для совмещения оси движения элеватора свечеподъемника с осями нового ряда ячеек, расположенных на следующей окружности.
Карусельный магазин также снабжен устройством с подвижными вертикальными штоками, обеспечивающими выдвижение вверх из ячейки магазина очередной бурильной свечи для захвата элеватором свечеподъемника за ее верхний конец в процессе спуска колонны, а также приема и опускания свечи в ячейку магазина при отсоединении ее от элеватора свечеподъемника в процессе подъема колонны.
Буровая установка обеспечивает в автоматическом режиме совмещение по времени операций рабочего и холостого хода спуска и подъема бурильной колонны и бурильных свечей, а также доставки последних от колонны к месту аккумуляции и обратно.
Недостатком буровой установки является ее сложная конструкция.
В качестве прототипа выбрана буровая установка на гусеничном ходу, предназначенная для промышленного бурения скважин DML Atlas Сорсо Drilling Solutions (Р.Ю. Подэрни, Механическое оборудование карьеров, Москва, «Майнинг Медиа Групп», 2013, стр. 30-106). Станок DML установлен на гусеничное шасси, имеет гидравлический поверхностный привод для многопроходного вращательного бурения. Он разработан специально для вращательного бурения взрывных скважин. Содержит мачту, двигатель гидравлические насос, компрессор, кабину машиниста, гидравлические цилиндры подъема и опускания мачты, кассетирующее устройство карусельного типа для подачи штанг на ось бурения в процессе наращивания бурового става. Кассетирующее устройство расположено на мачте и содержит вертикальную ось, верхнюю и нижнюю плиты, которые поворачиваются вокруг вертикальной оси с помощью зубчатой передачи. На нижней плите размещены стаканы с отверстиями для буровых штанг, на верхней плите выполнена одиночная проточка, позволяющая приподнять штангу и нижний конец штанги выходит из отверстия стакана, на нижней плите, кассету убирают с оси бурения, штангу опускают на ось бурения поворотным механизмом и свинчивают с буровым ставом, находящимся в скважине. Поворот кассеты вокруг центральной оси позволяет вывести на ось бурения любую из штанг, находящихся в кассете карусели. Вывод кассеты из мачты осуществляют гидроцилиндром.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного в производстве и монтаже устройства для смены буровых штанг, надежного в эксплуатации с минимальным сервисным обслуживанием, посредством совершенствования подшипниковых узлов и опор.
Техническая задача реализуется выполнением бурового станка с гусеничным ходом, несущей рамой на которой установлены, силовое оборудование, кабина машиниста и мачта с рабочим оборудованием, включающим буровую головку, буровой став, устройство позиционирования, устройство карусельного типа для смены и хранения буровых штанг и вспомогательное оборудование. Устройство позиционирования содержит цилиндрическую ось, закрепленную на мачте с возможностью поворота, силовой привод в виде верхнего и нижнего гидроцилиндров. Устройство карусельного типа с механизмом поворота в виде открытой зубчатой передачи представляет собой вал, на верхнем конце которого установлены кассета с прорезями для буровых штанг и верхний подшипниковый узел, на нижнем - ступица с зубчатым венцом, стаканы для буровых штанг и нижний подшипниковый узел с указателем. Устройство карусельного типа объединено с устройством позиционирования подшипниковыми узлами.
Цилиндрическая ось устройства позиционирования выполнена цельной, сопряжена с мачтой верхним, средним и нижним подшипниками скольжения и опирается на них.
Верхний и средний подшипники скольжения жестко закреплены на кронштейнах, а нижний подшипник скольжения жестко установлен на мачте и состоит из двух частей: нижняя из которых - корпус с крышкой с размещенными в нем двумя коаксиальными втулками, причем внутренняя выполнена из антифрикционного материала верхняя опора нижнего подшипника содержит корпус, крышку, антифрикционный вкладыш в виде двух полуколец и закладной элемент, размещенный между полукольцами антифрикционного вкладыша, крышкой и корпусом.
Средний подшипник скольжения содержит корпус, крышку, зафиксированную на корпусе, антифрикционный вкладыш в виде двух полуколец и закладной элемент, размещенный между полукольцами антифрикционного вкладыша, крышкой и корпусом.
Верхний подшипник скольжения состоит из корпуса, втулки из антифрикционного материала, крышек: боковой с отверстием, в котором размещен закладной элемент и торцевой.
Подшипниковые узлы выполнены в виде корпусов с верхней и нижней крышками, внутри которых установлены подшипники качения, причем в нижнем подшипниковом узле подшипник зафиксирован крышками и распорными кольцами, а на валу пружинным кольцом. В верхнем подшипниковом узле подшипник на валу зафиксирован пружинным кольцом.
В ступице выполнены отверстия, в которых установлены стаканы с шестигранными выемками, по ее периметру жестко бандажем смонтирован зубчатый венец. Ступица и зубчатый венец снабжены пазом в виде дугообразного сегмента с радиусом кривизны соизмеримым с диаметром штанг.
Указатель представляет собой диск с выступами, соответствующими отверстиям на ступице и установлен под нижним подшипниковым узлом.
На антифрикционном вкладыше верхней части нижнего подшипника скольжения выполнены бурты.
Нижний подшипниковый узел снабжен верхней и нижней манжетами, установленными на валу, а в крышке верхнего подшипникового узла размещено лабиринтное уплотнение.
Нижняя часть буровых штанг снабжена шестигранными хвостовиками конгруэнтными шестигранным выемкам стаканов ступицы, а верхние цилиндрическими проточками соизмеримыми прорезям кассеты.
Устройство позиционирования снабжено ограничителем, установленным в его верхней части.
В отличии от аналогов и известных применяемых на карьерах буровых станков, цилиндрическая ось устройства позиционирования выполнена цельной, что повышает надежность станка, а его конструкция позволяет применить при монтаже цельную ось.
Жесткое закрепление подшипников скольжения - верхнего и среднего на кронштейнах, а нижнего на мачте уменьшает их износ и увеличивает надежность подшипников скольжения.
Выполнение нижнего подшипника скольжения из двух частей исключает возможность изгиба оси устройства позиционирования, которая служит ограничителем нижнего гидроцилиндра и разделение подшипника скольжения локально стабилизирует ось. С этой же функцией, а именно, ограничить ход верхнего гидроцилиндра и правильно позиционировать карусель, в верхней части устройства позиционирования установлен ограничитель.
Боковые крышки подшипников скольжения обеспечивают собираемость конструкции подшипников скольжения, их торцевые крышки защищают от загрязнения и снижает износ.
Закладные элементы подшипников скольжения предохраняют антифрикционные элементы от проворота и смещения, что снижает износ и повышает надежность подшипников.
Бурты на антифрикционном вкладыше нижнего и среднего подшипников скольжения исключают продольное смещение.
Манжеты нижнего подшипникового узла и лабиринтное уплотнение верхнего предохраняют их от загрязнения.
Выполнение нижних частей буровых штанг в виде шестигранных хвостовиков конгруэнтных шестигранным выемкам стаканов ступицы, а верхних - с цилиндрическими проточками, соизмеримыми с прорезями кассеты, позволяет надежно фиксировать штанги как при перемещении, так и при работе бурового станка.
На фигурах представлены:
Фиг. 1. - Общий вид бурового станка. Гусеничный ход 1, несущая рама 2, на которой установлены силовое оборудование 3 мачта с рабочим оборудованием 4, кабина машиниста 5.
Фиг. 2. - Общий вид мачты 4 на которой размещены: буровой став с буровой головкой 6, устройство позиционирования 7, устройство карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8, вспомогательное оборудование 9 и указана ось бурения О. Устройство позиционирования 7 содержит цилиндрическую ось 10, которая выполнена цельной, сопряжена с мачтой 4 и опирается на подшипники скольжения верхний 11, средний 12, установленные на кронштейнах и нижний 13, жестко установленный на мачте 4.
Фиг. 3. - Вид спереди устройства карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8 включает: вал 14, кассету с прорезями для буровых штанг 15, на верхнем конце вала 14. Подшипниковые узлы - верхний 16, нижний 17, ступицу 18, зубчатый венец 19, стаканы для буровых штанг 20 на ступице 18 (подробнее на Фиг. 9), указатель 21; подшипники скольжения верхний 11, средний 12, нижний 13.
Фиг. 4. - Вид слева устройства карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8. Подшипники скольжения верхний 11 и средний 12 установлены на кронштейнах 22, а нижний 13 на мачте 4. Ограничивающее устройство 23, регулирующее конечное положение устройства карусельного типа 8. Гидроцилиндры нижний 24 и верхний 25 устройства позиционирования 7.
Фиг. 5. - Нижний подшипник скольжения 13 состоит из двух частей, нижняя из которых содержит корпус 26 с крышкой 27. В корпусе 26 размещены две коаксиальные втулки 28 и 29, причем внутренняя 29 выполнена из антифрикционного материала. Верхняя часть нижнего подшипника 13 содержит: корпус 30, крышку 31, антифрикционный вкладыш в виде двух полуколец 32, закладной элемент 33, размещенный между полукольцами 32 антифрикционного вкладыша, крышкой 31 и корпусом 30. На антифрикционном вкладыше 32 выполнены бурты 34 (Подробнее на Фиг. 11).
Фиг. 6. - Средний подшипник скольжения 12 содержит корпус 35, с крышкой 36, зафиксированной на корпусе 35, антифрикционный вкладыш в виде двух полуколец 37 и закладной элемент 38, размещенный между полукольцами антифрикционного вкладыша 37, крышкой 36 и корпусом 35. На антифрикционном вкладыше 37 выполнены бурты 34 (Подробнее на Фиг. 11).
Фиг. 7. - Верхний подшипник скольжения 11 состоит из корпуса 39, втулки из антифрикционного материала 40, крышек: боковой 41 и торцевой 42 (Подробнее на Фиг. 11). В боковой крышке 41 выполнено отверстие, в котором размещен закладной элемент 43.
Фиг. 8. - Верхний 16 и нижний 17 подшипниковые узлы. Нижний подшипниковый узел 17 содержит корпус 44 с верхней 45 и нижней 46 крышками. Внутри корпуса 44 установлен подшипник качения 47, причем в нижнем подшипниковом узле 17 подшипник 47 зафиксирован крышками 45 и 46 и распорными кольцами 48, а на валу 14 пружинным кольцом 49. Также в верхней 45 и нижней 46 крышках установлены манжеты 50 и 51.
Верхний подшипниковый узел 16 содержит корпус 52, верхнюю 53 и нижнюю 54 крышки, а подшипник качения 55 на валу 14 зафиксирован пружинным кольцом 56. В нижней крышке 54 верхнего подшипникового узла 16 выполнено лабиринтное уплотнение 57.
Фиг. 9. - Ступица 18 устройства карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8 представляет собой диск, с отверстиями 58 в них установлены стаканы 20 в которых выполнены шестигранные выемки, по периметру ступицы 18 жестко бандажно смонтирован зубчатый венец 19. Ступица 18 с зубчатым венцом 19 снабжены пазом 59 в виде дугообразного сегмента с радиусом кривизны соизмеримым с диаметром штанг 60. На нижнем подшипниковом узле 17 установлен гидравлический мотор-редуктор 61.
Фиг. 10. - Указатель 21 представляет собой диск с выступами 62, соответствующими отверстиям 58 на ступице 18 и установлен под нижним подшипниковым узлом 17.
Фиг. 11 - Общий вид подшипников скольжения 11, 12, 13 и оси 10 устройства позиционирования 7 в разрезе. На антифрикционном вкладыше верхней части нижнего 13 и среднего 12 подшипников скольжения выполнены бурты 34.
Фиг. 12. Буровая штанга 60, ее нижняя часть снабжена шестигранным хвостовиком 63 конгруэнтными шестигранным выемкам стаканов 20 ступицы 18, а верхняя часть цилиндрическими проточками 64 соизмеримыми прорезям кассеты 15.
Устройство для смены буровых труб 8 имеет три основных режима работы, которые характеризуют взаимное положение его узлов относительно друг друга и мачты 4 бурового станка.
1. Режим бурения: мачта 4 поднята, гидроцилиндры 24 и 25 устройства позиционирования 7 втянуты, устройство карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8 отведено от мачты 4. Производится бурение забоя, узлы устройства для смены буровых штанг 8 не препятствуют движению механизмов подачи бурового става с буровой головки 6.
Буровые штанги 60, не задействованные в бурении забоя, установлены в устройстве для смены буровых штанг 8 и зафиксированы, за счет собственного веса шестигранными хвостовиками 63 в выемках стаканов 20, а цилиндрическими проточками 64 в прорезях кассеты 15.
В таком же положении производится погрузка/выгрузка/замена буровых штанг 60. Для замены буровых штанг 60 дополнительно применяется вспомогательное оборудование 9, например, таль, установленное в верхней части мачты 4. При помощи специального захвата, (на фигурах не показан), буровая штанга 60 фиксируется и поднимается (с земли или со своего места в устройстве карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8) при помощи вспомогательного оборудования 9 опускается на землю, транспортное средство или в выбранное место в устройстве карусельного типа 8, зависит от производимой операции.
2. Режим установки штанги 60 в буровой став 6 и разборки бурового става с буровой головкой 6: мачта 4 поднята, гидроцилиндры 24 и 25 устройства позиционирования 7 выдвинуты, устройство карусельного типа 8 подведено к мачте 4. Производится добавление буровых штанг 60 в буровой став 6 для продолжения бурения или разборка бурового става 6 при извлечении его из скважины после окончания бурения.
Для добавления буровой штанги 60 в буровой став 6 сначала, при помощи бурового ключа (на фигурах не показан), установленного в основании мачты 4, производится отсоединение буровой головки от нижней части бурового става 6. Затем буровая головка поднимается в верхнее положение, устройство позиционирования 7 выводит устройство карусельного типа 8 на ось бурения О. Цилиндрическая ось 10 устройства карусельного типа 8 поворачивается вместе со ступицей 18 и кассетой 15 гидравлическим мотор-редуктором 61 в подшипниковых узлах 16 и 17 таким образом, чтобы нужная буровая штанга 60 встала на ось бурения О (выбор буровой штанги 60 на устройстве карусельного типа 8 осуществляет оператор станка, определяя точное положение штанги 60 с помощью указателя 21). После чего буровая головка опускается, наружная резьба буровой штанги 60 совмещается с ответной резьбой буровой головки и затягивается, буровой став 6 увеличен на длину буровой штанги 60. Установленная штанга 60 поднимается, при помощи буровой головки, шестигранный хвостовик 63 выходит из выемок стакана 20 на ступице 18, а цилиндрическая проточка 64 - из прорези кассеты 15. Устройство позиционирования 7 отводит устройство карусельного типа 8 с оси бурения О, цилиндрическая проточка 64 не препятствует движению устройства карусельного типа 8 за счет формы и положения прорези кассеты 15.
Для демонтажа буровой штанги 60 из става 6 действия производятся в обратном порядке.
3. Транспортный режим: а) мачта 4 опущена в горизонтальное положение, гидроцилиндры 24 и 25 устройства позиционирования 7 выдвинуты, устройство карусельного типа 8 подведено к мачте 4. Буровой станок готов к перемещению по карьеру;
б) для подготовки к перемещению станка при поднятой мачте 4 и отведенного от нее устройства карусельного типа для смены и хранения буровых штанг 8, оператор бурового станка, поворотом устройства карусельного типа 8, выбирает такое положение, в котором паз 59 в ступице 18 совпал с осью бурения О в момент когда устройство позиционирования 7 подводит устройство карусельного типа 8 к мачте 4.
Затем устройство позиционирования 7 выводит устройство карусельного типа 8 на ось бурения О, при этом буровой став 6 может быть собран, паз 59 в ступице 18 конгруэнтный паз в кассете 15 не препятствуют движению устройства позиционирования 7 с устройством карусельного типа 8. После чего мачта 4 пускается в горизонтальное положение.
На предлагаемую конструкцию бурового станка разработана рабочая документация и в станок МР-200 на стадии изготовления.