Буровые установки для разведки полезных ископаемых

Проникнуть в недра земли, чтобы найти воду или другие ресурсы, человек стремился с незапамятных времен. Первые задокументированные опыты бурения на сравнительно большую глубину (десятки метров) с помощью специального оборудования имели место во Франции и относятся к первой половине XIX века. А уже в середине позапрошлого столетия были предприняты попытки разведочного бурения с целью найти нефть.

За полтора столетия, которые человечество ведет разведочное бурение, технология последнего существенно усовершенствовалась; усложнилась и стала более эффективной и используемая для этих целей техника. Современные установки для геологоразведочного бурения позволяют находить в недрах земли не только воду или нефтеносные пласты, но и твердые полезные ископаемые, а также строительные материалы.

Учитывая, что успех при разведочном бурении может быть достигнут как с первой, так и с сотой попытки, предпочтительными в этой работе являются мобильные буровые установки на самоходном шасси. А поскольку залежи полезных ископаемых редко совпадают с картой автомобильных дорог, шасси для буровой установки чаще всего полноприводное, повышенной проходимости, подходящее для эксплуатации даже в условиях бездорожья. Кроме колесных грузовиков базовой машиной для установок разведочного бурения часто выступает гусеничная техника. Об отечественных автомобилях, которые использовались для установки на них «классики» разведочного бурения — УРБ-2А2, УРБ-2А2У, УРБ-2,5А, УРБ-4Т, УРБ-30 — мы уже писали. Поэтому сегодня речь у нас пойдет преимущественно о самих установках.

Современные установки для разведочного бурения предназначены для бурения структурно-поисковых и геофизических скважин на нефть, газ, воду и т.д. Как правило на них установлены следующие узлы и приспособления: электродвигатель, пускорегулирующая, осветительная и сигнальная аппаратура, двигатель внутреннего сгорания в качестве привода установки, устройства для отвода промывной жидкости от устья скважины (при бурении на воду), устройства для отвода пыли и шума от устья скважины, устройства для механизированной укладки керна (установки для бурения гидротранспорта керна), устройства для ведения операций по перемещению, погрузке и разгрузке технологического инструмента, ограничители или сигнализаторы переподъема, предупреждающие затаскивание фарштуля или талевого блока в кронблок, устройства сигнализации о приближении к проводам действующих ЛЭП, двусторонняя сигнализация, а также гидроприводы, пневмоприводы, электроприводы и электрокоммуникации.

На российском рынке буровой техники и оборудования представлено значительное количество моделей мобильных установок для разведочного бурения на разный вкус и бюджет, как отечественного, так и зарубежного производства. Что касается техники российской, то, поскольку установки УРБ разных моделей мы в свое время уже рассматривали, и в этот раз начнем с рассмотрения одной из них.

Установка разведочного бурения УРБ-51 производства АО «Строймаш» является одной из наиболее востребованных в модельном ряду известного екатеринбургского предприятия. Рассчитанная на бурение глубиной до 300 метров (колонковым способом, твердосплавными или алмазными коронками с промывкой или продувкой) при угле наклона скважины 45—95 градусов, она устанавливается на полнотоннажное трехосное шасси высокой проходимости. Используют УРБ, как уточняет производитель, для изучения минерально-сырьевой базы, разведки полезных ископаемых и подготовки технологических карт к выемке запасов, а также для геологических работ при проектировании, строительстве и реконструкции предприятий. Кроме того, установка выполняет такие задачи, как обеспечение эффективности производства и промышленной безопасности, мониторинг подземных вод, обследование дренажных систем водопонижения, отбор проб воды для определения химического состава и генезиса дренажных вод, выполнение расчетов притоков в горные выработки, а также контроль зон образования наледей и прорыва подземных вод в горные выработки.

Кроме бурения колонковым способом с промывкой УРБ-51 позволяет бурить сплошным забоем шарошечными долотами с промывкой (продувкой) или пневмоударником, ударно-канатным способом забивными стаканами, долотами и желонками, а также выполнять шнековое бурение и шнековое бурение под защитой обсадной трубы либо бурение с использованием пустотелых шнеков, пикобуров, лопастных долот.

Установка выполняется в индивидуальных комплектациях в соответствии с уникальными потребностями заказчика. Бурение с помощью установки УРБ-51 может производиться с очисткой забоя от шлама сжатым воздухом или промывкой буровым раствором в породах до VIII категории по буримости, с использованием твердосплавного породоразрушающего инструмента, включая вечномерзлые, а также высоко насыщенные влагой, с наличием плывунов и т.д., а так же методом «всухую». При использовании алмазного инструмента (коронки, расширители) возможно бурение по крепким монолитным породам VII—XII категорий. При использовании шнекового способа бурения (или шурфобуров различного назначения) возможны работы в грунтах до V категории. Хотя производитель уточняет, что УРБ-51 оптимальна для применения в районах с умеренным климатом, диапазон температур, при которых она способна работать, весьма велик: от –40° С до +40° С.

Несомненными достоинствами этой установки разведочного бурения являются наличие оригинального четырехскоростного вращателя с возможностью плавной и точной регулировки частоты вращения с пульта управления; использование «плавающего» режима работы гидроцилиндра подачи, что позволяет с максимальной точностью подбирать усилие инструмента на забой; применение двухсторонних «гидрозамков», что позволяет исключить самопроизвольное и неконтролируемое перемещение исполнительных механизмов. Как преимущество УРБ-51 также необходимо упомянуть цельнометаллическую сварную конструкцию мачты, которая защищает гидроцилиндр подачи от пыли, шлама, воздействия окружающей среды, а также отлично воспринимает нагрузку от крутящего момента на вращателе и реактивные усилия при подаче и извлечении бурового инструмента.

Еще один именитый российский производитель геологоразведочного оборудования — завод «Геомаш». Предприятие со 130-летней историей выпускает впечатляющий ассортимент техники для бурения; здесь мы кратко рассмотрим лишь один из образцов — установку УБВ-320 для целей геологоразведки.

Как и другие буровые установки серии УБВ с гидроприводом подвижного вращателя, эта модель представляет собой отечественный импортозамещающий вариант буровых установок, способных реализовывать технологию обратной продувки (RC), широко применяемых за рубежом и набирающих популярность в нашей стране при решении задач геологоразведочного бурения. УБВ-320 и другие установки этой серии реализуют бурение по технологии обратной продувки диаметром до 305 миллиметров и глубиной до 300 метров.

Гидравлическая трансмиссия УБВ-320 позволяет производить бесступенчатое регулирование частоты оборотов бурового инструмента с заданным крутящим моментом. Для облегчения спуско-подъемных операций на буровой установке предусмотрены вспомогательная лебедка с грузовой стрелой, двухзахватный элеватор и однотрубный загрузчик.

Комплектация буровой установки УБВ-320 может включать в себя: насос НБ-50 (или НБ-80), компрессор КВ-20/25, лубрикатор с системой впрыска в нагнетательную магистраль для работы пневмоударником, дозировочный насос с системой пенообразования, электрогенератор с возможностью ведения сварочных работ. Конструкция мачты, наличие кронблока и основной лебедки, а также гидравлический сдвиг вращателя обеспечивают спуск обсадных колонн с соблюдением существующих требований техники безопасности. Глубина бурения с 85-миллиметровыми бурильными трубами может достигать 800 метров, со 114-миллиметровыми бурильными трубами — до 500 метров; скорость бурения УБВ-320 (с промывкой) — до 24 метров в час.

Техника из Китая представлена на российском рынке бурового оборудования большим числом различных типов, моделей и их разновидностей. В настоящем материале мы упомянем лишь одну из них — самоходную буровую установку Jaine JD 110A на гусеничном ходу производства компании Beijing Jaine Machinery Technology. Эта установка предназначена для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые в труднодоступных местах и особо тяжелых условиях. С помощью JD 110A возможна разработка скважин диаметром 65—215 миллиметров в грунтах различной категории твердости. Кроме того, она находит свое применение и в строительстве — в частности, для устройства инъекционных, анкерных и фундаментных скважин, а также для буровзрывных работ.

Поворотная платформа с буровым оборудованием монтируется на гусеничном шасси высокой проходимости. В качестве силового агрегата для установки используется дизельный двигатель Cummins мощностью 150 л.с. с турбокомпрессором, способный обеспечить преодоление уклонов до 27°. Наклоняемая конструкция платформы с буровым оборудованием дает возможность работать на площадках со значительным продольным уклоном.

JD 110A может выполнять бурение геологоразведочных скважин как роторным, так и ударно-вращательным способом, используя различные породоразрушающие инструменты. Поворотная стрела-манипулятор позволяет разрабатывать вертикальные, горизонтальные и наклонные скважины. Высокая точность позиционирования обеспечивается с помощью гидравлических цилиндров.

На Jaine JD 110A установлены узлы и механизмы известных мировых брендов. Например, для вращения роторной установки используются гидромоторы немецкой компании ThyssenKrupp, обеспечивающие высокую производительность и скорость бурения.

Габариты мобильной буровой установки в транспортном положении (длина/ширина/высота) — 6550x2200x2800 миллиметров. Полный вес JD 110A составляет 11 000 килограммов. Давление в гидравлической системе установки — 20 МПа. Максимальный крутящий момент на выходе у этой модели составляет 9700 Нм, максимальная скорость вращения — 110 оборотов в минуту, частота ударов (3 передачи) — 1200 в минуту. Усилие подъема лебедки у этой установки — 20 000 Н.

Несомненным достоинством установки разведочного бурения Jaine JD 110A является многофункциональность, допускающая ее применение в различных отраслях и при разных условиях, включая сложные. Для выполнения вспомогательных операций на Jaine JD 110A предусмотрена лебедка. Большие углы наклона и поворота стрелы позволяют производить бурение скважин в широком диапазоне с одного места стоянки. И, наконец, что весьма важно, стоимость китайской установки для бурения геологоразведочных скважин существенно ниже, чем у аналогов европейского и североамериканского производства.

При этом нужно отметить, что стабильно высоким спросом в России пользуются инновационные разработки производителей с мировым именем, предлагающие собственные решения в области разведочного бурения. К числу таких машин относятся геологоразведочные станки Sandvik серии DE700. Они предназначены для бурения глубоких и неглубоких скважин при колонковом, направленном и инженерно-геологическом бурении.

В зависимости от особенностей условий эксплуатации станки Sandvik DE700 поставляются в различной комплектации. Так, например, среднегабаритная модель DE710 монтируется на автомобильные шасси при помощи штатного комплекта креплений для повышения мобильности и сокращения времени перемещения между площадками. При установке на гусеничное шасси перемещение осуществляется в автоматизированном режиме дистанционно. В результате получается самоходная машина для работы на труднодоступных участках, не требующая непосредственного присутствия оператора, что положительно сказывается на безопасности.

Sandvik DE710 считается самым универсальным станком в своем классе, который обеспечивает глубину бурения диаметром «N» до 1126 метров и усилие подачи до 5,5 тонны. В условиях высокогорья, от 2000 метров и более, станок оснащается дополнительным бустером. DE710 комплектуется вращателем типоразмера «P» с зажимным патроном и отверстием для ведущей штанги, а также универсальным захватом штангодержателя с гидравлическим приводом для буровых штанг диаметров «B», «N», «H», «P» и «S». Отдельно следует отметить его компактную конструкцию, которая дает существенные преимущества на объектах, где требуется минимизировать занимаемую машиной площадь. Транспортировку станка можно осуществлять различными способами, включая стандартный 40-футовый закрытый контейнер.

Благодаря безопасному труборазвороту предусмотрена возможность свинчивания и развинчивания резьбовых соединений буровых штанг во время выполнения спуско-подъемных операций. Управление DE710 осуществляется с единой панели, оснащенной гидравлическим приводом.

Как и любое другое направление в области бурения, поиск ресурсов с помощью скважин также развивается, порождая новые методы и технологии. Чуть менее ста лет назад, в 20-х годах прошлого века появился новый оригинальный способ бурения — турбинный: двигатель, вращающий долото, был опущен на дно скважины. В результате этой новации исчезла необходимость во вращении труб, что позволило значительно снизить расход энергии. Современные турбобуры — сложные машины, которые заставляют вращаться буровой раствор, нагнетаемый в скважину, чтобы вымывать разбуренную породу. Хотя усилие, развиваемое каждой из секций турбобура, сравнительно невелико, этих секций много, и их общей мощности хватает для того, чтобы проникнуть сквозь самую твердую породу. В конце прошлого и начале нынешнего века распространение получили электрические турбобуры, приводимые в действие электродвигателями небольшого диаметра. Такой метод бурения позволяет сосредоточить на долоте максимально возможное усилие. И это — лишь одно из направлений развития в области разведочного бурения; также существует немалое число других — в том числе в области колонкового бурения, с помощью которого изыскивают большинство залежей угля, руды черных и цветных металлов и других полезных ископаемых. Если же разведка ресурсов ведется на небольшой глубине или в мягких, рыхлых породах, используется бурение без промывки, в котором также существуют свои ноу-хау.

Тем не менее, как бы ни развивались технологии и оборудование, сама цель разведочного бурения скважин остается той же, что и полтора века назад. Она заключается в необходимости обнаружить месторождения, уточнить формы и объем залежей, условия их расположения и гидрогеологическую обстановку пластов и, наконец, оценить качество искомых ресурсов. В случае, если по большинству перечисленных пунктов удается получить удовлетворительные ответы, начинается промышленная разработка скважины.