Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2008". Авторы - Л.Е. Маметьев (Кафедра горных машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет, Россия, Кемерово), О.В. Любимов (Кафедра прикладной механики, Кузбасский государственный технический университет, Россия, Кемерово)
Использование методов и средств для бестраншейной проходки горизонтальных скважин различного назначения и протяженности актуально в настоящее время для многих отраслей промышленности и строительства. Не является исключением и Сибирский регион, где совокупность климатических, экологических, экономических, технических и социальных факторов делает эти технологии привлекательными с точки зрения потенциальных заказчиков оборудования и услуг.
Исследования, проводимые кафедрой горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета на протяжении нескольких десятилетий в лабораторных и промышленных условиях, позволяют сделать вывод о том, что одной из перспективных средств оборудования для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций являются комплексы бурошнекового типа.
Основой для построения типоразмерного ряда комплексов бурошнекового оборудования по агрегатно-модульному принципу являются параметры принятой и отработанной в течение ряда лет технологической схемы, предполагающей бурение прямым ходом, а, при необходимости, расширение обратным ходом горизонтальных скважин-переходов с совмещением во времени процессов бурения и крепления скважины обсадной трубой-кожухом. Типовой комплекс оборудования включает в себя:
- машинный агрегат, представляющий собой совокупность привода вращения бурового става и механизмов подачи бурошнекового инструмента на забой;
- наращиваемый шнековый буровой став, унифицированный с размерами обсадной трубы-кожуха, снабженный инструментом для разбуривания грунта;
- направляющая конструкция рамного типа, состоящая из унифицированных секций-модулей;
- выносное оборудование привода подачи бурошнекового инструмента, а в отдельных случаях и привода вращения бурового става;
- устройства механизации вспомогательных операций.
В процессе работы бурошнековое оборудование находится под воздействием широкого спектра эксплуатационных факторов, в числе которых:
- горно-геологические условия эксплуатации, например, возможная неоднородность буримых массивов горных пород или грунтов;
- климатические, погодные условия эксплуатации, например, работа в условиях вечной мерзлоты или преимущественно низких температур;
- условия рационального энергоснабжения, связанные с гарантированным наличием или наоборот с удаленностью энергетических коммуникаций;
- эколого-социальные условия (работа в природоохранных зонах, в условиях плотной жилой застройки и т.п.), а также связанные с ними компоновочные условия, определяемые требованиями к рабочему пространству входа-выхода, стесненностью рабочего пространства.
Это в свою очередь предопределяет широкий спектр технических условий и технологических требований, предъявляемых заказчиком, необходимый (расширенный или сокращенный), по его мнению, состав оборудования и его конструктивное исполнение. Принятая агрегатно-модульная структура становится открытой, содержащей в себе оригинальные конструктивно-технологические компоненты.
Постоянно совершенствуемая информационная модель технологической схемы и оборудования позволяет разработчикам гибко реагировать на требования заказчиков, оперативно адаптируя базовую конструктивно-технологическую структуру. Поясним вышесказанное на примерах.
Машинные агрегаты и выносное оборудование привода подачи и вращения
Основой для компоновки машинных агрегатов служит конструктивно отработанная рамная конструкция с усиленной лобовой частью, обычно допускающей варьирование в определенном диапазоне диаметра сопрягаемого бурового става, и, соответственно, действующих с его стороны нагрузок. С учетом ряда требований кафедрой были сконструированы и испытаны в составе действующих бурошнековых комплексов машинные агрегаты, снабженные гидроприводом вращения вместо обычного в большинстве случаев электропривода. Это благоприятно сказалось на массогабаритных показателях, а также расширило диапазон возможных статических и динамических режимов нагружения агрегатов, необходимость в которых возникает при бурении. Кроме того, рамная конструкция обычно допускает монтаж нескольких типоразмеров гидроцилиндров подачи бурошнекового инструмента на забой. Однако вышеперечисленные конструктивные решения приводят к необходимости создания уникального выносного гидравлического оборудования (в частности, насосных станций с высокими развиваемыми расходными характеристиками) и осложнению эксплуатации в условиях низких температур.
Сохранение в составе машинного агрегата электропривода вращения бурового става при явной неоптимальности массогабаритных показателей позволяет тем не менее активно использовать в качестве компонентов хорошо зарекомендовавшие себя конструкции редукторов, а также насосные станции, используемые в горном оборудовании иного типа и назначения.
Направляющие конструкции рамного типа
Комбинации входящих в состав бурошнекового оборудования унифицированных направляющих секций-модулей удовлетворяют практически любым требуемым компоновочным условиям. В случае же необходимости могут быть спроектированы и смонтированы на направляющих дополнительные антиопрокидывающие, антиотклоняющие, подкрепляющие устройства, а также другие компоненты.
Наращиваемый шнековый буровой став с инструментом для разбуривания грунта
Обеспечение необходимого количества секций бурового става, достаточного для проходки скважины требуемых диаметра и длины – одна из важнейших конструктивно-технологических задач. Опыт, накопленный кафедрой горных машин и комплексов в решении вышеназванной проблемы, достоин определенного внимания.
Использование шнекового бурового става, способного размещаться в обсадной трубе-кожухе лишь одного типоразмера, нереверсивность при работе которого приводит к искажению оси скважины, зачастую технически и экономически невыгодно. Однако став данного типа имеет максимальную производительность при транспортировании продуктов бурения с предварительным увлажнением массива. Секции обсадной трубы-кожуха при этом снабжаются дополнительными гидрокоммуникациями для подачи воды на забой.
При бурении по массивам, представляющим собой гравийно-щебенчатые подушки дорожных покрытий, был применен буровой став, собранный из секций комбинированного типа (рис. 1).
Конструктивно секции сочетают в себе шнековые и лопастные элементы, что предопределяет дополнительные преимущества при транспортировке кусковых продуктов бурения. Вылеты лопастей обеспечивают центрирование става в обсадной трубе-кожухе и дополнительный разрыхляющий эффект. При работе в вышеописанных условиях комбинированный буровой став продемонстрировал эксплуатационную совместимость шнековых и лопастных элементов.
Дальнейшее развитие идея получила в конструкции секций лопастного става (рис. 2). Конструкция допускает периодическое реверсирование вращения, что приводит к устойчивому антиотклоняющему для оси скважины и антиопрокидывающему для комплекса эффекту. Возможен контроль направленности скважины техническими средствами.
Как показали экспериментальные исследования, результаты которых представлены графически (рис. 3), работа бурового става данной конструкции демонстрирует удовлетворительную производительность при малой влажности или кусковом характере продуктов бурения. На графиках пунктирной линией изображены зависимости для разрыхленных продуктов бурения, сплошной линией – для кусковых.
Возможно создание секций лопастного става, конструкция которых позволяет адаптировать его к размерам обсадной трубы-кожуха. Секция представляет собой вал со сквозными радиальными отверстиями, в каждом из которых смонтирована транспортирующая лопасть. Общее ребро, собирающее лопасти в двухгранный угол, имеет прорези для их фиксации гранями последующих лопастей. Замыкающая лопасть жестко закреплена фиксатором.
При монтаже транспортирующих лопастей их размещают и фиксируют на валу с заданными превышениями относительно его поверхности, чем и достигается эффект адаптации к бурению скважин разного диаметра (рис. 4).
Существенный технический резерв с точки зрения увеличения диапазона диаметров горизонтальных скважин, а также ряда эксплуатационных факторов, составляет способ бурения, предполагающий расширение пионерных скважин обратным ходом с совмещением во времени процессов бурения и крепления скважины обсадной трубой.
Конструкция расширителя обратного хода со ступенчатым режуще-погрузочным барабаном (рис. 5) позволяет повысить надежность работы путем достижения более равномерной загрузки бурового става, но и использовать одно унифицированное устройство на широкий диапазон проводимых скважин-переходов.
Вышеописанные конструктивно-технологические мероприятия научно обоснованы математическим моделированием процесса бурения при наличии параметров адаптации, а также испытаниями вводимых компонентов в лабораторных условиях. При эксплуатации модернизированного оборудования проводится информационный мониторинг в режиме реального времени.
Таким образом, накопленный научный и практический опыт разработки параметров и компонентов технологического процесса бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций с применением комплексов бурошнекового типа свидетельствует о перспективности выбранного проектного направления – структурно-технологической адаптации конструктивно отработанного агрегатно-модульного оборудования к требованиям, диктуемым конкретным заказчиком.
Комментарии 0