В.Г. Кардыш

Л.А. Шумов

Г.В. Кардыш

(ЗАО «Геомаш-Центр)

 

Легкий универсальный буровой станок ББУ-000

 

В последние годы в Российской Федерации растет интерес к буровым станкам и установкам, предназначенным для бурения вертикальных и наклонных скважин различного назначения в условиях слаборазвитой инфраструктуры (при невозможности или нерентабельности применения самоходных  или буксировки несамоходных транспортных баз для доставки станка на объект), с площадок, имеющих ограниченные размеры (из помещений, горных выработок, при работе в условиях высокогорья, на садовых участках, в природоохранных зонах).

Отечественная промышленность до недавнего времени практически не выпускала буровое оборудование этого класса.

Легкие установки УКБ-12/25, УПБ-50, УПБ-100, БСК-2, КМБ имеют узкую специализацию по применяемым технологиям, обеспечивая в основном колонковое бурение либо бурение шнеками малых диаметров.

Предприятия, выполняющие буровые работы, в настоящее время в основном утратили узкую специализацию по задачам и областям применения. Зачастую, диапазон подрядных работ, выполняемых такими предприятиями, может  включать в себя как поисково-съемочные, инженерно-геологические изыскания, так и  строительные работы.

Таким  образом, вновь проектируемая установка должна была обеспечивать применение максимально широкого диапазона буровых технологий, для привлечения возможно большего числа потребителей.

С учетом этого, при проектировании предусматривалась возможность реализовать такие технологии как шнековое бурение, вращательное колонковое и бескерновое бурение с промывкой и продувкой, в том числе – алмазным породоразрушающим инструментом-коронками и сверлами, пневмоударное бурение.

Такой широкий диапазон применяемых технологий должен был обеспечить возможность использования новой установки при сооружении скважин различного назначения в породах различной твердости – от мягких осадочных до твердых и крепких, а также бурения в строительных целях. Одним из основных требований к установке являлось требование универсальной транспортабельности, поблочно вручную, вертолетами, гужевым и водным транспортом или в сборе на малотоннажных транспортных средствах, при ограничении габаритов для использования установки в помещениях с высотой потолков от 2 метров.

В ходе подготовки проектирования был изучен широкий ряд аналогов зарубежного производства и на основе проведенного анализа выявлены конструктивные особенности, представляющие интерес для создания новой установки.

Вращатели станков(установок) этого класса, как правило имеют один скоростной диапазон, в пределах которого скорости вращения регулируются расходом рабочего агента. Гидро- или пневмодвигатель размещаются на верхней плоскости корпуса вращателя, соосно шпинделю.

Размеры вращателей заставляют предполагать, что для их изготовления используются мотор-редукторы, поставляемые в сборе специализированными фирмами, либо изготавливаемые фирмами-производителями буровой техники.

Подача очистного агента внутрь бурильной колонны в этом случае при вращательном и ударно-вращательном бурении с продувкой и промывкой осуществляется через сальник, размещаемый под вращателем через боковой входной канал.

В некоторых случаях, конструкция вращателей и кареток механизмов подачи обеспечивает отвод вращателя в сторону от оси скважины. Стойка механизма подачи , при использовании цепного механизма подачи с приводом от гидро- или пневмодвигателя, представляет собой  конструкцию, собранную из двух уголков, или швеллеров. В верхней и нижней части стойки между несущими элементами расположены звездочки, по которым перемещается цепь, приводимая гидромотором, расположенным, как правило, в верхней части стойки – на правой или левой ее стороне.

Направляющая стойка механизма подачи, при использовании цепного механизма подачи с приводом от гидроцилиндра, представляет собой П-образную конструкцию, либо коробчатую ферму, внутри которой размещается двухходовой гидроцилиндр, приводящий тяговые цепи, соединенные с кареткой. Каретка подвижного вращателя перемещается по направляющим, образуемым полками швеллеров или уголков, либо по специальным рейкам

Опорная рама бурового станка может представлять собой прямоугольное металлическое основание, к которому через элементы различной конфигурации крепится направляющая стойка механизма подачи (в этом случае, как правило, на раме предусматривают места для монтажа маслостанции с маслобаком, пульта управления, различного вспомогательного оборудования).

В некоторых случаях основанием рамы могут служить салазки, либо она монтируется на тележке.

Возможен монтаж опорной рамы как составляющей части направляющей стойки. В этом случае для повышения устойчивости и  компенсации крутящего момента направляющая стойка комплектуется домкратами, укосиной. Станки с опорными рамами такой конструкции могут оснащаться одноосной колесной тележкой, на которой производится их транспортировка на коротких дистанциях.

Пульты управления могут монтироваться на собственном несущем каркасе либо устанавливаться на маслостанцию. Маслостанция монтируется на собственном каркасе.

Рисунок 6. Самоходная модификация установки HPD 200

Возможна различная компоновка блоков при бурении. Так, пульт управления может быть установлен на опорную раму справа или слева от устья скважины, вынесен на длину рукавов высокого давления и установлен на грунт на собственной опоре, смонтирован на маслостанции; маслостанция может быть установлена на опорную раму бурового станка,  на грунт, либо на транспортное средство.

Каркасы маслостанций, пультов, дополнительных агрегатов выполняются с учетом необходимости их транспортировки вручную – закругленной формы, с удобными рукоятками-скобами.

Большая часть выпускаемых за рубежом разборных станков (установок) обеспечивает бурение как вертикальных, так и наклонных, а в некоторых случаях – горизонтальных скважин.

Основываясь на анализе требований производственных организаций, выполняющих буровые работы в условиях ограниченного пространства и слаборазвитой инфраструктуры и с учетом современных тенденций в создании блочного бурового оборудования, Конструкторское Бюро перспективного проектирования ЗАО «Геомаш-Центр» в 2003 году разработало буровую установку ББУ-000 «Опенок», а в начале 2004 года опытный образец установки, изготовленный в ОАО «ГЕОМАШ», успешно прошел приемочные испытания с участием Госгортехнадзора РФ и был рекомендован к серийному производству.

Техническая характеристика установки приведена в таблице 1.

Преимущество ББУ-000, по сравнению с ранее выпускавшимся и современным буровым оборудованием этого класса заключается в широком диапазоне реализуемых технологий бурения. Параметры технической характеристики изделия – крутящий момент 150 кГм, усилие подачи и обратного хода вращателя 1500 кГс, частота вращения, плавно регулируемая в двух диапазонах 0-90 и 90-700 оборотов в минуту – обеспечивают бурение в грунтах до IV категории по буримости шнеками диаметром 230 мм на глубину до 10-12 метров, диаметром 135-185 мм на глубину до 20 метров; в горных породах до VII-VIII категории по буримости  колонковыми наборами с твердосплавным породоразрушающим инструментом и лопастными долотами диаметром  до 132 мм на бурильных трубах ТБСУ-63.5  5  на глубину до 30 метров;  в горных породах IX-XII категорий по буримо-

Таблица 1.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВКИ ББУ-000

Наименование параметра		Величина
	Условная глубина бурения, м
	шнеками диаметром 230 мм		8-10
	шнеками диаметром 180 мм		10-15
	шнеками диаметром 135 мм		15-20
	шнеками диаметром 100 мм		20-25
	алмазными и твердосплавными коронками на бурильных трубах D=43 мм		40-50
	забойными пневмоударниками D=76-110 мм на бурильных трубах D=63,5 мм		25-30
	Угол наклона скважины к вертикали, град		0-45 и 90
	Тип вращателя		подвижный с приводом от гидромотора
	Частота вращения, об/мин		0-700
	Момент силы на шпинделе вращателя, max, кГм		1500 (150)
	Тип механизма подачи		цепной с приводом от гидроцилиндра
	Ход подачи, мм		1400
	Усилие подачи вверх и вниз, max кН (кгс)		15 (1500)
	Скорость подачи при бурении и расхаживании с вращением, м/с		0,06-0,10
	Скорость подачи и обратного хода без вращения, м/с		0,3-0,4
	Мощность двигателя, кВт
	бензинового		17,6
	электрического		15
	Габаритные размеры, мм
	высота (в рабочем положении)		2000
	ширина		780
	длина		1550-1600
	Масса установки в сборе, кг
	с бензиновым двигателем		400
	с электрическим		460
	Масса одного узла, max кг		70

 

сти колонковыми наборами с алмазным породоразрушающим инструментом диаметром до 59 мм на бурильных трубах ТБСУ-43 на глубину 50-70 м; наконец – в породах Х-XI категорий по буримости с использованием забойных пневмоударников диаметром до 130 мм, на бурильных трубах ТБСУ-63.5 на глубину до 30 метров.

Наиболее энергоемким является бурение шнеками большого диаметра. В дальнейшем это подтверждено при испытаниях. В таблице 2 приведены значения момента в кгс.м при  бурении шнеками различного диаметра до глубины 20м.

При других способах бурения – вращательном и ударно-вращательном - на глубины до 50 метров, величина крутящего момента не превышает 70 кГм.

Таблица 2.

Глубина бурения, метров	Крутящий момент на шпинделе вращателя, кГм
	Шнек диаметром 135 мм	Частота вращения 120 оборотов в минуту	Шнек диаметром 180  мм	Частота вращения 100 оборотов в минуту	Шнек диаметром 230  мм	Частота вращения 80 оборотов в минуту
5	45		60		100
10	60		85		110
15	70		100		120
20	75		105		130

Установка обеспечивает достаточные величины моментов вращения в пределах частот вращения, необходимых для эффективной работы шнеками принятых диаметров.

Конструкция основания установки и направляющей стойки механизма подачи обеспечивают бурение вертикальных и наклонных падающих скважин под углом до 45⁰, а также горизонтальных скважин.

Принципиальная конструктивная схема установки предопределена требованиями ее технологической универсальности, минимально возможной массы благодаря использованию алюминиевого проката и легких сплавов и разборности на транспортабельные блоки.

    Основными рабочими органами установки являются подвижный вращатель с приводом от регулируемого гидродвигателя и механизм подачи, выполненный в виде гидроцилиндра с подвижной гильзой и цепного полиспаста, обеспечивающего удвоение хода и скорости подачи. Полиспаст обеспечивает перемещение каретки подвижного вращателя вдоль стойки, представляющей собой два алюминиевых швеллера, связанных поперечными элементами.

Вращатель имеет полый шпиндель, позволяющий использовать 43-х мм. бурильные трубы. Для передачи вращения такому инструменту на  шпиндель устанавливается съемный зажимной механический патрон. Вращение на трубы больших диаметров и шнеки передается легкосменными переходниками, которые соединяются с нижним концом шпинделя.

Сальник для подачи очистного агента устанавливается на верхнем конце бурильной трубы или верхнем конце шпинделя вместо патрона.  Для защиты элементов вращателя при пневмоударном бурении под вращателем размещается съемный пружинный амортизатор ударных импульсов.

Стойка механизма подачи с вращателем шарнирно смонтирована на основании, изготовленном также из алюминиевого проката и может быть установлена под углом от 0 до 45 градусов, а также под углом 90 град. к вертикали при бурении горизонтальных скважин. Для повышения устойчивости стойки в наклонном положении и под действием осевой нагрузки и момента вращения она снабжена телескопическими подкосами, связывающими ее с рамой. Для более надежного крепления к грунту на боковых гранях стойки предусмотрены выдвижные забивные анкеры, которые, образуя единую систему со стойкой  вместе с размещенной на них подвижной гребенкой обеспечивают устойчивость под действием момента вращения.

Установка выполнена по блочной схеме и включает стойку с механизмом подачи, кареткой и вращателем, рамой , на которой в собственных каркасах размещаются съемные узлы: блок привода ( бензо или электродвигатель с маслонасосами для питания гидромотора вращателя и и гидроцилиндра механизма подачи), энергетический блок (аккумулятор и бензобак), маслобак и пульт управления с теплообменником. Узлы и блоки закрепляются на основании и могут быть сняты с него и размещены в удобном для обслуживания месте на расстоянии, определяемом длиной рукавов гидросистемы. Для простоты и удобства монтажа и демонтажа  крепление   узлов и блоков к основанию, а также стыковка гидравлических рукавов осуществляются быстроразъемными соединениями. Блоки привода с бензиновым и электродвигателем полностью взаимозаменяемы и могут быть использованы на одном станке в зависимости от условий. Электроприводной блок, как наиболее тяжелый, снабжен колесами для удобства его перемещения.

Управление станком выполняется с пульта, который может быть размещен как непосредственно на станке, так и в стороне от него. На пульт выведено управление направлением, усилием и скоростью подачи в режимах бурения, а также наращивания и спуско-подъемных операций. Наряду с изменением направления подачи вверх или вниз, возможен режим "плавающего положения", при котором усилия на шпинделе определяются нагрузками, возникающими при бурении или свинчивании и развинчивании резьбовых соединений вращателем. Система управления снабжена регулятором скорости подачи, позволяющим устанавливать режим изменения скорости и осевого усилия, наиблее полно соответствующий конкретным условиям шнекового, алмазного или твердосплавного бурения. Контроль усилия подачи осуществляется по специальному манометру с поворотной   шкалой, позволяющей устанавливать его допустимое значение.  Частота вращения регулируется в  пределах 0-700 об /мин, что отвечает требованиям низко- и среднеоборотного шнекового, пневмоударного и твердосплавного бурения с промывкой или продувкой, либо высокооборотного  алмазного бурения.

Благодаря размеру по высоте, не превышающему 2м., станок может размещаться в низких подвальных помещениях, в которых он раскрепляется посредством винтовых домкратов, расположенных на верхней траверсе стойки.

Благодаря оригинальным конструктивным решениям и применению для изготовления ряда основных узлов алюминиевого сплава общая масса установки составляет 400 – 460 кГ, в зависимости от типа привода, а масса одного блока не превышает 70 кГ.

Транспортировка установки на расстояние до 50 метров выполняется силами бригады из двух рабочих, поблочно, причем затраты времени на демонтаж и монтаж установки не превышают 30 минут.

Опционно поставляется катушка самотранспортировки, монтируемая на шпинделе вращателя, позволяющая выполнять самоперетаскивание установки на дистанцию до 50 метров без демонтажа на блоки.

Для реализации различных технологий бурения базовая модель ББУ-000 может комплектоваться различными буровыми приспособлениями, номенклатура которых определяется при заключении контракта на поставку.

В число приспособлений входят переходники со шпинделя вращателя на различные типы бурового инструмента, компенсатор ударных импульсов для пневмоударного бурения, буровой сальник  для бурения с промывкой и продувкой, упомянутая выше катушка самоперетаскивания, вкладыши центрирующие для бурового инструмента диаметром от 43 до 230 мм.

С целью облегчения и упрощения установки ряд  вспомогательных подготовительно-заключительных операций выполняется без механизации, что является неизбежным компромиссом при проектировании технических средств  этого класса.

Так, перевод стойки из транспортного в рабочее положение и обратно выполняется вручную, крепление установки к грунту осуществляется забивными анкерами, свинчивание и развинчивание резьбовых соединений бурового инструмента выполняется с использованием трубных ключей, хотя частично для этого используется вращатель станка.

Такой подход к комплектации установок этого класса является типичным для всех известных фирм -изготовителей бурового оборудования.

Однако, с целью повышения эффективности бурения и вспомогательных работ на установке и снижения их трудоемкости в  дальнейшем  предусмотрена, в частности, комплектация ББУ-000 лебедкой с грузоподъемностью до 500 кГ и кронблочной секцией, монтируемой на направляющую стойку механизма подачи,  механизмом продольного перемещения направляющей стойки до упора в грунт, для повышения устойчивости при бурении наклонных скважин.

За 10 месяцев 2004 года в производственные организации России и СНГ поступило два десятка буровых установок ББУ-000 «Опенок».

Срок реальной эксплуатации  установок недостаточно продолжителен для оценки их ресурса и экономической эффективности, однако уже сегодня имеется интересный опыт ряда организаций, выполняющих буровые работы с  применением ББУ-000. Характерен широкий диапазон задач и разнообразие условий, в которых используется установка.

Так, в государственном научно-исследовательском институте «Укргипродор», (Украина) и ООО ППО «ТОЗЕЛЕШ», (Татарстан), был выполнен монтаж установки ББУ-000 в кузове грузового автомобиля «Газель».

Обе организации проводят инженерно-геологические изыскания на объектах, расположенных на значительных расстояниях от точек базирования, глубины скважин не превышают 10-15, чаще - 10-12  метров, а количество скважин на объектах может колебаться от двух-трех до нескольких десятков.

При этом основным условием экономической эффективности, наряду с  эффективностью собственно бурения, становится мобильность и маневренность буровой установки, возможность ее быстрого развертывания, в сочетании с рентабельностью применяемого шасси.

В этом отношении автомобиль «Газель», легкий и малогабаритный, имеющий грузоподъемность до 1500 кГ и наиболее распространенный на рынке СНГ и РФ, является наиболее предпочтительным вариантом. Такая установка занимает минимально возможную площадь среди городских построек или на дорожном полотне, где возникают трудности с размещением или переездами более мощного оборудования на тяжелых транспортных базах. Ее небольшая масса позволила, в частности, в районах Юга Украины осуществлять бурение с мостов для изучения строения донных речных отложений.

ООО "Инжзащита" применяет установку в пересеченной местности горных районов Южного Сахалина при противооползневых инженерно-геологических изысканиях путем колонкового бурения скважин до глубины 15м. "в сухую". При этом  установка переносится по блокам на расстояние более 1 км силами буровой бригады. Разборка и сборка установки занимают 40 мин. 

В ООО "УралЗюйдТисиз" установка на рамном основании применялась для укрепления микросваями фундамента электростанции в условиях высокой влажности, запыленности, при температурах до 40⁰С. При этом получила подтверждение эффективность комплексирования различных технологий. Пневмоударное бурение обеспечило проходку в старом бетонном фундаменте, твердосплавное колонковое – перебуривание стальной арматуры и труб, шнековое – чистку и углубление скважины в песчано- глинистых грунтах.

Таким образом, новая установка воплотила в себе все основные особенности современного отечественного и зарубежного оборудования данного класса и превосходит по технологическим возможностям каждую отдельно взятую аналогичную модель.

Оценивая перспективы применения установки необходимо отметить, что по технологическим возможностям и транспортабельности она безусловно отвечает требованиям бурения при поисках, картировании и других работах в труднодоступных районах или подземных горных выработках, где оборудование можно транспортировать только блоками, при инженерно-геологических изысканиях, в том числе, в условиях плотной городской застройки, при исследовании состояния зданий и сооружений и укреплении их фундаментов.

Иллюстрации:

http://www.geomash.ru/imgs/show/gard.jpg

Посмотреть ролик:

http://www.geomash.ru/zip/bbu000_web.wmv