Введение
Бурение - процесс разрушения грунта с образованием в грунтовом массиве цилиндрических полостей. При диаметре до 75 мм и глубине до 9 м полости называются шпурами, при больших диаметре и глубине - скважинами. Начало скважины на поверхности грунтового массива называется ее устьем, дно - забоем, а боковая поверхность - стенками.
В строительстве бурение производится для инженерно-геологических изысканий, закладки взрывчатых веществ при взрывных работах, для водоснабжения и водопонижения, установки столбов, дорожных знаков и надолб, устройства буронабивных свай и др. Диаметр скважин при выполнении разных строительных работ достигает 3 м, а глубина - 500 м.
Важными условиями успешного использования технических средств являются правильный выбор типов и видов оборудования соответственно характеру выполняемых в производстве работ, их полная комплектация, обеспечение запасными частями, технически правильная эксплуатация и своевременный систематический ремонт. Хорошо скомплектованное и правильно эксплуатируемое оборудование обеспечивает более значительный производственный эффект по сравнению с оптимальным, но неукомплектованным оборудованием.
В данной курсовой работе рассматриваются
различные технические средства, применяемые при бурении скважин с использованием
малогабаритных буровых установок, а также технологические условия их
применения. Кроме того производится анализ способов использования
конструктивных особенностей машин, предназначенных для бурения при производстве
специальных работ (изысканий) и представлены правила оформления, порядок
получения оборудования, рассмотрена их комплектация инструментом и материалами.
1. Анализ способов и технологий производства
работ на малогабаритных буровых установках
Действие буровых машин основано на различных способах бурения, которые могут быть подразделены: на физические и механические.
К физическим способам бурения относятся термический, ультразвуковой, электрогидравлический, высокочастотный и гидравлический.
Термический способ получил широкое распространение. Остальные физические способы разрушения грунтов находятся в стадии теоретических и экспериментальных разработок.
Ультразвуковой способ бурения основан на принципе совместного воздействия на горную породу ультразвуковых колебаний инструмента и кавитационного эффекта в промывочной жидкости.
Электрогидравлическое бурение осуществляется подачей высокого напряжения на контакты электрической цепи, помещенные в воду, налитую в скважину. В результате пробоя межэлектродного промежутка образуется газовый канал высокого давления, разрушающий горную породу.
При высокочастотном способе используется энергия специальных генераторов, создающих электромагнитные поля высокой частоты, под действием которых порода нагревается и становится хрупкой.
При гидравлическом способе грунт разрушается тонкой (0,8-1 мм) струей воды, имеющей сверхзвуковую скорость и давление до 2-108 Па.
Большинство типов машин и оборудования для буровых работ устроено и действует по механическому способу бурения.
В зависимости от кинематических условий воздействия на грунт различают вращательные, ударно-вращательные, ударно-поворотные и комбинированные буровые машины. В них применяется механический, электрический или пневматический привод, ходовое оборудование - гусеничное, колесное и шагающее.
Процесс бурения состоит из операций разрушения грунта в скважине, извлечения его и закрепления стенок скважины обсадными трубами.
Разбуренный грунт удаляется специальным инструментом, промывкой скважины водой или глинистым раствором, а также продувкой.
Обсадные трубы предохраняют стенки скважины от обрушения, служат для изоляции ее от водонасосных грунтовых пластов и сохранения ее направления.
При вращательном бурении каждая точка режущей кромки бурового инструмента движется по винтовой линии, отделяя стружку или куски грунта. Такое движение осуществляется за счет вращения и осевой подачи бурового инструмента, причем энергия вращения намного превышает энергию его подачи.
Грунт разрушается по всему дну скважины или только по кольцу. В первом случае рабочий процесс называется бурением сплошным забоем, во втором - колонковым бурением.
При колонковом бурении в центральной части скважины образуются цилиндры грунта (керны) с ненарушенной структурой. На кернах, извлеченных из скважины, исследуются физико-механические свойства грунтов.
По способу вращательного бурения устроены буровые сверла, бурильно-крановые машины, станки вращательного бурения и установки для бурения скважин под буронабивные сваи.
Производительность машин вращательного бурения зависит от крепости грунта, осевой нагрузки на буровой инструмент, скорости его вращения и конструкции бурового инструмента. Коэффициент использования по времени машин вращательного бурения достигает 0,6.
Станки ударно-вращательного бурения.
Принцип ударно-вращательного бурения заключается в разрушении грунта последовательными ударами инструмента, который одновременно вращается вокруг своей оси. Рабочий процесс осуществляется двумя независимыми механизмами - ударным и вращательным.
Характерными особенностями ударно-вращательного бурения являются большая ударная нагрузка, малый крутящий момент и незначительное осевое усилие, необходимое для преодоления сил реакции забоя при ударе.
Станки ударно-вращательного бурения применяются для образования скважин диаметром до 155 мм и глубиной до 80 м в грунтах большой крепости.
Станки термического бурения.
Принцип термического бурения заключается в том, что нагретая до температуры 2500-3500°С газовая струя выбрасывается из сопла горелки со скоростью 1800-2000 м/с и интенсивно прогревает слой грунта в забое скважины. Вследствие разности термических напряжений в соседних слоях грунт разрушается на мелкие частицы, которые удаляются из скважины парогазовой струей.
Термическое бурение целесообразно применять для грунтов очень крепких, имеющих кремнистую основу, и тугоплавких с низкой теплопроводностью, которые растрескиваются раньше, чем начинается их плавление (плавление снижает производительность термического бурения).
Станки термического бурения предназначаются для бурения скважин глубиной до 40 м диаметром до 250 мм.
Одним из преимуществ термического бурения является возможность получения переменного диаметра скважины. В этом случае процесс бурения разделяется на три этапа. Вначале бурение ведется с максимальной скоростью на полную глубину при нормальном режиме работы горелки.
На втором этапе производится разбуривание скважины; горелка, работая в форсированном режиме, движется снизу.
Процесс разбуривания сопровождается интенсивным разрушением породы; крупные частицы оседают на забое скважины, образуя столб шлама.
На третьем этапе идет очистка скважины путем опускания горелки, работающей в нормальном режиме.
Расход кислорода составляет 150-360 м3/ч, керосина - 50-150 кг/ч, воды - 1,8-3 м3/ч; удельный расход (на 1 м скважины) составляет, соответственно, 70-75 м3, 28-32 кг и 0,75-0,8 м3.
Производительность термического бурения зависит от скорости подачи и угловой скорости вращения термобура, а также от крепости разрушаемой породы. С увеличением скорости подачи термобура производительность возрастает до определенного предела, а затем падает, так как разрушение переходит в плавление.
Основные направления автоматизации бурильных машин состоят в разработке систем автоматизации процесса бурения, вспомогательных процессов, а также контроля и учета производительности.
Производительность бурения зависит от рационального сочетания параметров процесса - нагрузки на инструмент, частоты его вращения, способа и условий удаления шлама и др. В этой связи цель автоматизации процесса бурения - регулировать параметры процесса таким образом, чтобы производительность была наибольшей. В конечном итоге это сводится к регулированию частоты вращения бурового инструмента в зависимости от усилия подачи.
В состав средств автоматизации станков вращательного бурения входит система автоматического регулирования процесса бурения, система программного управления механизмом перехвата и наращивания штанг, выносной пульт дистанционного управления перемещением станка, автоматический кабельный барабан, устройства автоматической установки мачты под заданным углом и автоматического учета производительности машины.
Станки ударно-вращательного бурения дополнительно должны иметь устройство для автоматической блокировки подачи воздуха в пневмоударник и вращения бурового инструмента.
Станки термического бурения оснащаются системой
автоматической стабилизации расстояния горелки от забоя скважины, системой
автоматического регулирования соотношения компонентов горючей смеси,
устройством автоматического слива воды, индикатором глубины бурения, системой
автоматического выравнивания станка, устройствами автоматического учета
производительности станка и расхода окислителя и топлива.
2. Анализ конструкций машин, предназначенных для
бурения
Из всех испытываемых машин, обслуживающих нефтепроводы, для организации буровых работ на строительстве, наиболее работоспособной оказалась буровая установка "Дрилмастер" ДМ6/ДНД, представляющая собой автономное самоходное буровое оборудование на гусеничном шасси, предназначенное для проходки скважин 508 и 610 мм на глубину до 16 м в скальных породах и различных вечномёрзлых грунтах.
Буровая установка ДМ6/ДНД состоит из гусеничного шасси, главной рамы, силового блока, мачты с ротором и силовой головкой передачи давления на забой, гидросистемы и буровой штанги с рабочим органом.
Шасси буровой установки представляет собой ходовую тележку на гусеницах шириной 914 мм. На главной раме тележки смонтированы механизмы мачты и силового блока, состоящего из дизельного двигателя, ротора и гидронасосов.
Мачта представляет собой пространственную металлическую конструкцию, внутри которой смонтирован ротор с приводом от гидромотора мощностью 50 кВт.
Осевое давление на забой осуществляется двумя длинномерными гидроцилиндрами, размещёнными на противоположных сторонах мачты. Система подачи осевого давления на забой состоит из цепей, звёздочек и двух гидроцилиндров.
Рабочий орган состоит из пневмоударника ДНД-120 и плоской шарошки. Конструкция пневмоударника ДНД-120 состоит из удароустойчивого корпуса, в полость которого впрессован цилиндр. Сверху корпус закрыт ввинчивающимся патрубком с центральным отверстием для пропуска воздуха. Снизу в корпус ввёрнут зажимной патрон, являющийся соединительным звеном пневмоударника с породоразрушающим инструментом. В полости цилиндра размещён поршень, опорой которого служат втулка, шайба, распорная втулка и стопорное кольцо. Сверху над поршнем в корпус вмонтированы распределитель воздуха и обратный клапан.
Система воздухораспределителя обеспечивает одновременно работу пневмоударника и пропуск воздуха через него для очистки забоя. К буровой штанге пневмоударник крепится резьбовым хвостовиком патрубка.
Энергию удара, составляющую 4700 Дж, пневмоударник ДНД-120 развивает, расходуя 45,3 м3/мин воздуха с давлением 0,88 МПа. Породоразрушающим инструментом в рабочем органе является плоская шарошка, армированная зубьями из твёрдого сплава. Такой тип шарошки рассчитан на разработку 1000-1500 м скважин диаметром 500 мм в различных мёрзлых фунтах.
Средняя производительность установки ДМ6/ДНД - 15 м/ч.
Высокая производительность установки и высокая износоустойчивость её рабочего органа обусловливаются следующим:
пневмоударник в буровом ставе размещён непосредственно над породоразрушающим инструментом. В этом случае энергия удара пневмоударника почти без потерь передаётся шарошке;
в шарошечном долоте отсутствуют подшипники, и износу подвергаются только штыри из твёрдого сплава;
ударно-вращательный способ бурения сопровождается сравнительно низкими скоростями вращения рабочего органа, что резко сокращает потери на трение буровой штанги о стенки скважины;
в буровой установке применена система прямой продувки скважины (очистка скважины от грунтового шлама), в процессе продувки дополнительно используется отработанный воздух из пневмоударника;
энергия удара пневмоударника резко уменьшает осевое давление на забой;
в процессе проходки скважины боковые нагрузки на плоскую шарошку минимальны, что предотвращает случаи искривления скважины.
В сравнении с роторным бурением для работы установки ДМ6/ДНД требуется минимальный крутящий момент.
Конструкция трёхшарошечного долота отличается от долот других фирм тем, что оно приспособлено для вакуумно-реверсивной очистки забоя. Для этого в корпус долота между шарошками вмонтированы два всасывающих патрубка площадью сечения 100 см2 каждый. Для проходки скважин в различных мёрзлых грунтах с включением обломочных пород средней твёрдости и абразивности, а также твёрдых пород используются долота с шарошками, снабжёнными укороченными зубьями. Для бурения скважин в твердомерзлых грунтах с включениями самых твёрдых и абразивных пород применяются долота с шарошками, снабжёнными твердосплавными зубьями с полусферической рабочей поверхностью.
Для улучшения условий работы шарошечного долота, повышения износоустойчивости подшипников, в буровой став над долотом устанавливается ударно-поглащающий стабилизатор, который создаёт безударное давление на забой, воспринимает противодавление при подачи долота и в процессе бурения. Стабилизатор способен снижать разрушающие нагрузки, действующие на ротор, мачту и механизмы, создающие осевую нагрузку на забой.
Наибольшая производительность буровой установки достигается при проходке скважин в твёрдомёрзлых грунтах с большим количеством скальных включений. При проходке скважин в пластично-мёрзлых грунтах, особенно глинах, производительность резко падает, Так, при бурении плотных песков и суглинка с незначительным количеством мелкого гравия для очистки забоя требовалось 90 м3/мин воздуха при давлении 0,7 МПа.
К типу машин, бурение скважин которыми производится ударным способом, относится установка Н-520 фирмы "Дрил Систем" (Канада). Буровая установка представляет собой самоходную машину на шасси автомобиля "Хаски 8 Формост" с шинами низкого давления.
Оборудование установки Н-520 состоит из неповоротной, поворотной и выдвижной рам, мачты, силового блока, механизмов гидропривода, гидравлической системы, дизельного молота модели 510 фирмы "Лин-Белт", компрессорной станции и гидравлического выдёргивателя обсадных труб.
Буровая установка снабжена шестью лебёдками, обслуживающими в процессе погружения рабочего органа, дизель-молотом, системой очистки забоя от бурового шлама и служебной клетью.
Рабочий орган представляет собой цилиндр из двух труб - наружной и внутренней, диаметром соответственно 40,6 и 30,5 см. К нижним концам труб приварена коронка из легированной стали, термически обработанная до твёрдости 48-50 единиц по Роквеллу. Внутри коронки размещено шесть ножей с лезвиями шириной 100 мм. С полостью межтрубного пространства рабочего органа коронка сообщается шестью просверленными отверстиями.