книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Силовые приводы машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов

числом оборотов. Для ряда других механизмов и деталей наработка измеряется числом рабочих циклов (буровые ключи, клиновые захваты, подшипники и др.). Безотказность может рассматриваться не только в режиме работы объекта, но и при его хранении и транспортировании.

Долговечность – это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (неустранимого отказа) при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Это состояние может наступать вследствие износа, поломки, коррозии, ползучести и др. Наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после определенного вида ремонта до наступления предельного состояния называется техническим ресурсом. Календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние называется сроком службы.

Объект может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если, например, его дальнейшее применение по назначению станет недопустимым по требованиям безопасности (например, талевый канат, бурильные трубы), экономичности, эффективности и безвредности (например, дизель, буровой насос, долото и др.). Объект, перешедший в неработоспособное состояние, может не достигнуть предельного состояния, если восстановление работоспособного состояния целесообразно и допустимо (например, подвижные уплотнения вертлюга, штока бурового насоса и др.).

Ремонтопригодностью называют свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обослуживания и ремонтов. Для буровых машин и оборудования имеется в виду их приспособленность к ремонту и техническому обслуживанию в полевых условиях с учетом квалификации и возможностей буровой бригады. Количественно ремонтопригодность определяется затратами времени, труда и средств. К числу факторов, определяющих ремонтопригодность машины, относятся: доступность, контролепригодность, легкосъемность, взаимозаменяемость, блочность и агрегатирование, степень унификации, количество смазываемых точек и др.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения или транспортирования. Сохраняемость представляют в виде двух составляющих, одна из которых проявляется во время хранения, а другая – во время применения объекта после хранения и транспортирования. Это обусловлено тем, что продолжительное хранение и транспортирование в необходимых условиях могут отрицательно влиять не только на поведение объектов в процессе хранения и транспортирования, но и при последующем их использовании. Вторая составляющая сохраняемости имеет особенно существенное значение.

Срок сохраняемости – такая продолжительность пребывания объекта в режимах хранения и транспортирования, при которой изменения показателей безотказности, ремонтопригодности и долговечности, обусловленные его хранением и транспортированием, находятся в допускаемых пределах. Следует различать сохраняемость объекта до ввода в эксплуатацию и в период эксплуатации (при перерывах в работе, связанных, например, с транспортировкой буровой установки на новую точку бурения). Во втором случае срок сохраняемости является составной частью срока службы. Срок сохраняемости объекта до ввода в эксплуатацию может включать в себя срок сохраняемости в упаковке и законсервированном виде.

Сохраняемость характеризует сопротивляемость объекта воздействию влажности, атмосферного давления и температуры, загрязненности рабочего места. Высокие показатели сохраняемости достигаются путем герметизации, нанесения лакокрасочных

151

покрытий, использования опорных устройств, применения предохранительных колпаков и заглушек (например, для резьбы бурильных и обсадных труб) и др.

Для конкретных видов буровых машин и оборудования указанные свойства надежности могут иметь различную относительную значимость. Например, для тормоза буровой лебедки, отказ которого может повлечь крупные материальные убытки и человеческие жертвы, наиболее существенным свойством является безотказность. Для автомата подачи долота главное свойство – ремонтопригодность, так как его отказы не представляют опасности и не вызывают тяжелых последствий в бурении.

Важное понятие, относящееся к надежности, – резервирование. В технике под резервированием понимается средство повышения уровня надежности (особенно безотказности) введением дополнительных средств и возможностей. Цель резервирования – обеспечить отказоустойчивость объекта в целом, т.е. сохранить его работоспособность, когда возник отказ одного или нескольких элементов. В буровых установках используются следующие виды резервирования: общее, при котором резервируют объект в целом (например, вместо требующегося для пневмоуправления одного компрессора устанавливают два); раздельное, при котором резервируются отдельные объекты или группы (например, в компоновке и схемах управления противовыбросовым оборудованием); замещение, при котором функции отказавшего объекта выполняются другим объектом (например, использование автомата подачи долота для подъема колонны труб в случае отказа буровой лебедки).

Отношение числа резервных изделий к числу резервируемых называется кратностью резервирования. Резервирование с кратностью, равной единице, называется дублированием. Любое резервирование усложняет конструкцию и должно иметь технико-экономическое обоснование.

При оценке надежности объекта, анализе проектных вариантов, назначении оптимальных режимов эксплуатации, разработке программ испытаний, контроле качества продукции и решении других практических задач в области надежности пользуются показателями надежности, выражающими количественные характеристики безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Количественные показатели надежности, определяемые методами теории вероятности и математической статистики, устанавливают меру вероятности определенных событий, обусловленных качеством технических объектов.

Различают единичные и комплексные показатели надежности. Единичный показатель надежности количественно характеризует одно из свойств, составляющих надежность объекта. Комплексный показатель надежности количественно характеризует не менее двух основных составляющих, например безотказность и ремонтопригодность.

Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы Р(t0), определяющая вероятность того, что в заданном интервале времени t0 = T (или в пределах заданной наработки) не возникает отказа объекта. Значение Р(t0) как всякой вероятности находится в пределах 0 ≤ P(t0) ≤ 1.

Например, если вероятность безотказной работы машины за время T = 1000 ч равна 0,95, то это означает, что из большого числа однотипных конструкций в среднем около 5 % будут иметь отказы раньше чем через 1000 ч работы. Показатель P(t0) может быть применим для оценки безотказности машины и отдельных ее узлов и деталей. Поскольку безотказная работа и отказ – взаимно противоположные события и сумма их вероятностей равна единице:

где P(t0) – вероятность безотказной работы в интервале от 0 до t0; Q(t0) – вероятность отказа в интервале от 0 до t0.

Значение вероятности безотказной работы не имеет смысла без указания конкретной наработки, в течение которой возможно возникновение отказа. Нельзя,

152

например, утверждать, что вероятность безотказной работы цепной передачи P(t0) = 0,9. Правильным будет утверждение, что вероятность безотказной работы цепной передачи Р(t0) = 0,9 за время t0 = 3000 ч. Это означает, что в среднем 90 % цепей данного типа в определенных условиях проработают 3000 ч без замены, а 10 % будут иметь отказы до истечения 3000 ч работы.

К показателям безотказности относятся: средняя наработка до отказа, гаммапроцентная наработка до отказа, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов и параметр потока отказов. В случае легко устранимых отказов, наблюдающихся в силовых агрегатах привода буровой установки, лебедках и буровых насосах, буровых автоматических ключах, клиновых захватах и других восстанавливаемых объектах, показателем безотказности является средняя наработка на отказ (наработка на отказ), определяемая отношением наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Средняя наработка на отказ означает наработку восстанавливаемого объекта в среднем на один отказ в рассматриваемом интервале суммарной наработки или определенной продолжительности эксплуатации. Величина средней наработки на отказ зависит от начала наблюдений. Например, в период приработки наработка на отказ меньше, чем после его окончания. В период, предшествующий капитальному ремонту, наработка на отказ вновь снижается. Снижение средней наработки на отказ в начальном периоде эксплуатации обусловлено отказами деталей, имеющих скрытые производственные дефекты.

Параметр потока отказов определяется отношением среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. Термин «интенсивность отказов» означает условную плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемую для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

При снижении средней наработки на отказ значения параметра потока отказов и интенсивности отказов возрастают.

Для талевых канатов, тормозных накладок, подшипников и других невосстанавливаемых объектов показателем безотказности является средняя наработка до отказа, характеризующая математическое ожидание (среднее значение) наработки объекта от первого отказа.

В качестве показателей долговечности используются: средний ресурс, гаммапроцентный ресурс, назначенный ресурс, средний срок службы, гамма-процентный срок службы, назначенный срок службы. В терминах показателей долговечности следует указывать вид действий после наступления предельного состояния объекта (например, средний ресурс до капитального ремонта, гамма-процентный ресурс до среднего ремонта и т.д.). Если предельное состояние обусловливает окончательное снятие объекта с эксплуатации, то показатели долговечности называются следующим образом: полный средний ресурс (срок службы), полный гамма-процентный ресурс и т.д. В полный срок службы входит продолжительность всех видов ремонта.

Средним ресурсом называют математическое ожидание ресурса. Гаммапроцентный ресурс – наработка (календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта), в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах. Для невосстанавливаемых объектов ответственного назначения показателем долговечности является назначенный ресурс (срок службы), определяющий суммарную наработку (календарную продолжительность эксплуатации) объекта, при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено независимо от состояния объекта.

Если известна функция наработки объекта до первого отказа, то среднюю наработку до отказа (средний ресурс, средний срок службы, средний срок сохраняемости) определяют по формуле

153

где t – средняя наработка до отказа (средний ресурс, средний срок службы, средний срок сохраняемости); F(t) – функция распределения наработки до отказа (ресурс, срок службы, срок сохраняемости); f(t) – плотность распределения наработки до отказа (ресурс, срок службы, срок сохраняемости).

Показателем ремонтопригодности является среднее время восстановления, выражающее математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния. Время восстановления слагается из времени обнаружения, поиска причины отказа и устранения последствий отказа. Среднее время восстановления

где ftв(t) – плотность распределения времени восстановления; Fв(t) – функция распределения времени восстановления. Нормирование среднего времени восстановления имеет значение для вертлюгов, роторов, манифольдов буровых насосов, пневмоприводов и других нерезервируемых объектов, длительный простой которых может повлечь за собой осложнения в бурении и значительные материальные потери. Среднее время восстановления нормируется для серийных машин и оборудования и может быть назначено для вновь проектируемых машин, не имеющих серийного аналога.

Показателем ремонтопригодности является вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданного, называемого вероятностью восстановления работоспособного состояния и представляющего собой функцию распределения времени восстановления при tв = Tв, где Тв – заданное время восстановления.

Для оценки сохраняемости изделий пользуются двумя показателями: гаммапроцентным и средним сроками сохраняемости. Термин «средний срок сохраняемости» означает математическое ожидание срока сохраняемости, включающего календарную продолжительность хранения и транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения заданных показателей в установленных пределах. Гамма-процентный срок сохраняемости – срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Буровые машины и оборудование, как правило, сохраняют заданные эксплуатационные показатели, если соблюдаются правила их хранения и транспортирования. Показатели сохраняемости обычно нормируются для изделий, при длительном хранении которых эксплуатационные показатели ухудшаются. К комплексным показателям надежности относятся коэффициент готовности и коэффициент технического использования. Коэффициенты готовности и технического использования назначаются для ремонтируемых машин и оборудования, имеющих серийный аналог.

Экономическим показателем надежности буровых машин и оборудования может служить сумма затрат на проведение их технического обслуживания за время бурения скважин. Рассмотренные показатели наиболее существенны для оценки надежности буровых машин и оборудования [1].

8.2. Выбор номенклатуры показателей надежности буровых машин и оборудования

Номенклатура показателей надежности выбирается в зависимости от технических, эксплуатационных и экономических параметров и особенностей рассматриваемых машин и оборудования. Число выбранных параметров надежности должно быть

154

минимальным, но достаточным для оценки, планирования и контроля уровня надежности, регламентации требований к надежности в технических заданиях, стандартах и других нормативно-технических и конструкторских документах на опытные и серийные машины и оборудование.

При выборочном рассмотрении технических условий и другой документации на буровые машины и оборудование оказалось, что в большинстве случаев показатели надежности не указываются. В отдельных случаях указываются лишь показатели долговечности. Исходя из этого разработка номенклатуры нормируемых показателей надежности буровых машин и оборудования – неотложная задача отрасли.

Взависимости от последствий отказа, ремонтопригодности и признаков, по которым определяется необходимость прекращения эксплуатации, буровые машины и оборудование подразделяются на отдельные группы.

Первая группа объединяет ремонтируемые и эксплуатирующиеся до предельного состояния машины и оборудование, последствием отказов которых являются потери от вынужденных простоев и затраты на ремонтные работы. В число этой группы входят: буровая установка в целом, буровые и подпорные насосы, гидроциклонные установки и вибрационные сита системы очистки промывочного раствора, буровые лебедки, двигатели и силовые передачи привода буровых установок. Экономический эффект от эксплуатации указанных машин и оборудования зависит от длительности их безотказной работы и времени простоев из-за отказов.

За фиксированный период эксплуатации доля времени безотказной работы определяется коэффициентом готовности для оборудования, работающего в прерывистом режиме, и коэффициентом технического использования для оборудования, работающего в непрерывном режиме. Долговечность буровой установки

вцелом определяется полным средним ресурсом (срок службы), а других видов перечисленного оборудования – средним ресурсом до капитального ремонта.

За основные показатели надежности рассматриваемой группы машин и оборудования принимаются следующие:

– коэффициент готовности, или коэффициент технического использования;

– наработка на отказ;

– средний ресурс до капитального ремонта, или полный средний ресурс.

Во вторую группу входят буровая вышка и талевый канат, испытывающие циклические нагрузки. За цикл принимается подъем и спуск бурильной колонны при смене долота. Отказы вышки и талевого каната приводят к аварии на буровой и угрожают безопасности обслуживающего персонала. Эффект от эксплуатации в каждом цикле зависит от вероятности безотказной работы за время t, равное длительности цикла. В связи с многократным повторением циклов для полной характеристики надежности необходим также показатель долговечности, в качестве которого для буровой вышки принимается средний срок службы и для талевого каната – средний ресурс.

Нормируемыми показателями надежности второй группы оборудования являются следующие:

– вероятность безотказной работы за время t – P(t);

– средний ресурс и средний срок службы.

Ктретьей группе относят ремонтируемое оборудование, первый отказ которого совпадает с наступлением его предельного состояния, и отдельные элементы машин и оборудования, которые эксплуатируются до первого отказа и не подлежат ремонту. Последствиями отказа ремонтируемого оборудования являются затраты на ремонт, а для неремонтируемых элементов – их утрата. К этому оборудованию относится ротор буровой установки, а к элементам – уплотнения, поршни, клапаны буровых насосов. Эффект от эксплуатации этих и подобных изделий зависит от их долговечности.

Вкачестве нормируемых показателей надежности принимаются следующие:

155

–средний ресурс до капитального ремонта (для ремонтируемого оборудования);

–средний ресурс (для неремонтируемых узлов и деталей, а также для ремонтируемого оборудования, которое не подлежит капитальному ремонту).

Наиболее многочисленна четвертая группа оборудования, эксплуатируемая до предельного состояния, последствиями которого являются вынужденные простои и связанные с ними экономические потери, значительно превышающие затраты на ремонт. К этой группе оборудования относятся узлы талевого механизма, турботрансформаторы, цепные передачи, вертлюги, гидравлические затворы, дроссельно-запорные устройства, установка для осушки воздуха в системе пневмоуправления, тяжеловозы и др. Эффект от эксплуатации этого оборудования пропорционален доле времени его безотказной работы от общего времени работы и вынужденных простоев.

Наиболее важными показателями надежности являются следующие:

–коэффициент готовности, или коэффициент технического использования;

–средний ресурс до капитального ремонта, либо полный средний ресурс.

В пятую группу входит ремонтируемое оборудование, эксплуатируемое до предельного состояния, после которого необходим капитальный ремонт. Отказы рассматриваемой группы оборудования не вызывают отказов и простоев буровой установки благодаря резервированию либо отсутствию непосредственной функциональной связи с процессами бурения. К этой группе относятся компрессорные блоки, топливомасляные установки, смесители и перемешивающие устройства, установки для очистки промывочного раствора и регенерации утяжелителя. Последствия отказа подобного оборудования – затраты на ремонт, величина которых за фиксированный период эксплуатации зависит от числа отказов.

Основными показателями надежности являются следующие:

–наработка на отказ;

–средний ресурс до капитального ремонта, либо полный средний ресурс.

К шестой группе относятся устройства, используемые для обеспечения безопасности и устранения аварий. Для оборудования шестой группы (например, противовыбросовое оборудование, ограничители подъема талевого блока) характерны режимы ожидания и работы. В режиме ожидания оборудование должно быть готово к применению, но при этом возможно наступление предельного состояния. Режим работы может наступить в произвольный момент эксплуатации, и оборудование должно работать непрерывно в течение определенного времени. Последствия отказа – аварии на буровой и угроза безопасности обслуживающего персонала.

Показателями надежности устройств, обеспечивающих безопасность и безаварийность работы, являются следующие:

–коэффициент оперативной готовности;

–назначенный ресурс.

Как уже отмечалось, начальный период эксплуатации оборудования обычно характеризуется резко повышенным значением параметра потока отказов или интенсивности отказов вследствие скрытых дефектов конструктивного, технологического и производственного происхождения. После замены отказавших в период приработки элементов наступает период нормальной эксплуатации, характеризующийся накоплением износных, усталостных и других повреждений и редкими отказами из-за случайных чрезмерных нагрузок. Дальнейший (третий) период характеризуется интенсивным ростом числа отказов, обусловленным потерей несущей способности.

Вбольшинстве случаев наработка измеряется машинным временем, выраженным

вчасах. Для буровых и подпорных насосов, роторов, вертлюгов, регуляторов подачи долота, узлов обвязки буровых насосов, установок для приготовления и очистки промывочного раствора в машинное время включается продолжительность

156

механического бурения, проработки и промывки скважины. Для буровых лебедок, кронблоков, талевых блоков и крюков в машинное время принято включать продолжительность спуско-подъемных операций, ловильных и других аварийных работ с бурильными и обсадными трубами. Для вспомогательных тормозов буровой лебедки машинное время определяется продолжительностью спуска инструмента.

Наработку гидротрансформаторов, цепных и зубчатых редукторов, коробки перемены передач, муфт и других узлов привода определяют по наработке приводимых машин и механизмов. В некоторых случаях машинное время недостаточно полно характеризует наработку на отказ. Для талевых канатов наработку принято определять по их работе, выраженной в тонно-километрах.

Отказы клиновых захватов, буровых ключей и других механизмов, используемых при спуско-подъемных операциях, зависят от числа циклов их работы. Ввиду этого наработку оборудования для спуско-подъемных операций определяют суммарным числом свинчиваний и развинчиваний свечей. В наработку буровых ключей дополнительно включают число наращиваний бурильной колонны. Наработка клиновых захватов включает число посадок колонн бурильных и обсадных труб на клинья.

Наработка буровых вышек, оснований, резервуаров, устройств для обеспечения безопасности, задвижек для обвязки противовыбросового оборудования определяется календарным временем, выраженным в годах [1].

8.3. Ремонт бурового оборудования и охрана труда при его эксплуатации

Наиболее часто в установках скважинных центробежных насосов выходят из строя узлы скважинного электропривода (погружной электродвигатель и кабель): 80 % ремонтов установок связано с выходом из строя этих узлов. Реже подвергаются ремонту насос и гидрозащита двигателя.

Характерный ремонт двигателя – ремонт выводных концов обмотки, частичная замена обмотки его статора, замена подшипников ротора, полная выпрессовка и замена статорных жестей.

Кабель ремонтируют в местах механических повреждений, на участках с пониженным сопротивлением изоляции, в местах сростки и у кабельной муфты.

В насосе обычно ремонтируют рабочие колеса и направляющие аппараты, заменяют текстолитовые кольца рабочих колес, подшипники скольжения.

Поверхностное оборудование (трансформатор и станция управления) ремонтируют значительно реже, обычно производят регулировку или замену реле и другой контрольной и регулирующей аппаратуры.

Для ремонта скважинного оборудования имеются специализированные мастерские. Линия ремонта электродвигателя обычно имеет стеллажи для разборки двигателей, устройство для промывки его статора, пресс для выпрессовки и запрессовки статорных жестей, участок для ремонта или замены обмотки статора, приспособление для дорновки (выравнивания) отверстия статора и печь для сушки обмотанного статора.

Отремонтированный двигатель испытывают на специальном стенде без нагрузки или с подключенным насосом. При испытании проверяют сопротивление изоляции обмотки статора.

Кабель ремонтируют на своем участке. Здесь проверяют сопротивление изоляции кабеля. Участки с низким сопротивлением вырезают, а выдержавшие испытание участки сращивают. При местном повреждении изоляции кабеля или его брони это место можно вскрыть без нарушения целостности токопроводящих жил. При сращивании или местном ремонте жилы изолируются. Затем на три изолированные жилы накладывают слои киперной ленты и ткани и сверху наматывают ленту металлической брони, концы которой припаивают к основным участкам брони кабеля. Для проверки длинного кабеля его перематывают с одного барабана на другой. Перемотку осуществляют с помощью барабанов с электроприводом.

157

Линия ремонта скважинного насоса имеет стеллажи и лебедки для выпрессовки ступеней насоса из корпуса и запрессовки их в корпус. На стеллажах сборку ротора насоса разбирают на детали, которые идут на мойку. Мойка должна быть механизирована, поскольку очищение деталей от нефти, парафина и солей – трудоемкая операция с применением керосина и других вредных моющих средств. В рабочих колесах заменяют текстолитовые кольца, а при повреждении самого рабочего колеса или направляющего аппарата их обычно заменяют полностью. В некоторых случаях возможна вырезка на токарном станке изношенных мест и запрессовка на их место (в рабочее колесо или направляющий аппарат) новых элементов этих деталей.

Отремонтированный собранный насос проверяется на свободу вращения вала, величину его осевого люфта.

В хорошо оснащенных мастерских имеется стенд для обкатки и испытания отремонтированных установок (двигателя, гидрозащиты и насоса).

При монтаже и эксплуатации установок ЭЦН должны строго соблюдаться правила безопасности в нефтяной промышленности, правила устройства, технической эксплуатации и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителями.

Все работы с электрооборудованием установки производятся двумя работниками, причем один из них должен иметь квалификацию электрика не ниже III группы.

Включение и выключение установки нажатием кнопки или поворотом переключателя, расположенных на наружной стороне двери станции управления, выполняются персоналом, имеющим квалификацию не ниже I группы и прошедшим специальный инструктаж.

Оборудование установки ЭЦН монтируют согласно руководству по эксплуатации. Кабель от станции управления до устья скважины прокладывают на металлических стойках на высоте от земли 0,5 м. Этот кабель должен иметь на своей длине открытое соединение с тем, чтобы газ из скважины не мог проходить по кабелю (например, по скрутке проволок в жиле) в помещение станции управления. Для этого делается металлическая коробка, в которой размещено соединение жил кабеля,

исключающее перемещение газа к станции управления.

Все наземное оборудование установки надежно заземляется. Сопротивление контура заземления должно быть не более 4 Ом.

При спуско-подъемных работах скорость движения труб с кабелем не должна быть больше 0,25 м/с. Для намотки и смотки кабеля с барабана используют установки УПК с дистанционным управлением приводом механизированного барабана.

При работах по погрузке и разгрузке оборудования установок ЭЦН с транспортных средств необходимо соблюдать правила безопасности при такелажных работах. В частности, нельзя быть на пути кабельного барабана, спускаемого лебедкой с откосов машины или саней. Нельзя находиться и сзади него. Все погрузочные и разгрузочные устройства должны подвергаться периодическим испытаниям и не реже чем раз в 3 мес. осматриваться и регулироваться.

На транспортировочном агрегате все части установки ЭЦН должны быть надежно закреплены. Насосы, гидрозащита и электродвигатель закрепляются скобами и винтами, трансформатор, станция управления – цепями, а барабан – за свою ось четырьмя винтовыми растяжками [13].

9.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

9.1.Стандартизация и унификация бурового оборудования

Внастоящее время бурение применяется для решения разнообразных задач в различных геологотехнических условиях. При этом используются разные способы и технологические режимы. Создание оборудования узкого целевого назначения в таких

158

условиях неизбежно приводит к его многотипности, что крайне затрудняет организацию серийного производства, эксплуатации и ремонта. В связи с этим большое значение приобретает стандартизация оборудования и его унификация.

Стандартизация буровых станков прежде всего требует определения их номенклатуры по целевому назначению. По этому признаку могут быть выделены станки для геологической съемки, поисков и картирования, разведки твердых полезных ископаемых, инженерно-геологических изысканий и гидрогеологических исследований, бурения разведочных и эксплуатационных скважин на воду, взрывных и других технических скважин.

Целевое назначение предопределяет типовые геологические разрезы, диапазоны глубин и характерные конструкции скважин, требования к их опробованию или проведению скважинных исследований, а также к самому оборудованию и, в частности, к его транспортабельности. Так, для геологической съемки, поисков и картирования характерно бурение скважин на глубину преимущественно до 50–100, реже до 300 – 500 м в разрезах, представленных обычно мягкими и средней твердости породами с включением коренных пород различной твердости. Основными значениями диаметра скважин являются 59, 76, 93 мм. Возможно бурение скважин диаметрами 26, 46 мм.

Важным требованием к оборудованию является его хорошая транспортабельность, что может быть достигнуто созданием буровых станков, разборных на узлы, приспособленные для транспортирования вручную, водным транспортом, вертолетами. В этом случае должна быть обеспечена простота разборки и сборки узлов в полевых условиях. Возможно создание самоходных буровых установок на транспортных базах высокой проходимости, в том числе на разборных транспортных базах, которые сами могут транспортироваться вертолетами.

Разведка твердых полезных ископаемых осуществляется в разнообразных условиях и требует бурения скважин глубиной до 3000 м. Хотя основными значениями диаметра и в этом случае являются 59–93 мм, но бурят и скважины диаметром 112–132 мм, реже 151 мм и более. Высокие требования на этом этапе предъявляют к опробованию скважин.

Свою группу составляет оборудование, предназначенное для разведки строительных материалов и россыпных месторождений цветных и редких металлов. Для этих видов геологоразведочных работ характерны сложные геологотехнические условия, разрезы, представленные рыхлыми неустойчивыми породами со значительными включениями валунно-галечного материала. Скважины имеют диаметр 152–243 мм и более при глубине в основном до 50 м. При разведке россыпей цветных и редких металлов необходим тщательный отбор проб с определенных интервалов по глубине, а глубина достигает 100 м и более. Работы ведутся в различных условиях по проходимости транспорта, преобладают труднодоступные, малоосвоенные районы.

Инженерно-геологические изыскания осуществляются главным образом в рыхлых и мягких породах на глубине до 25–50 м, иногда необходимо бурить также в коренных породах высокой твердости. Диаметр скважин в зависимости от цели изысканий изменяется от 76 до 219 мм. Предъявляются наиболее жесткие требования к качеству отбираемого кернового материала, во многих случаях в скважинах должны проводиться различные исследования. Условия транспортирования оборудования аналогичны условиям транспортирования при геологосъемочных работах. Но инженерногеологические изыскания в больших объемах проводятся в населенных пунктах, что определяет дополнительные требования к габаритным размерам оборудования и его маневренности.

Гидрогеологические скважины бурят на глубину преимущественно до 100–300 м, хотя иногда значения глубины достигают 500–1000 м. Разрезы представлены обычно мягкими и средней твердости породами. В мягких породах возможно наличие гравийногалечного материала. Необходимость проведения опытных откачек, наблюдений и

159

эксплуатация требуют бурения скважин большого диаметра – от 176 до 500 мм, их крепления обсадными трубами и надежной изоляции водоносных горизонтов.

Как видно из анализа, требования к оборудованию для бурения скважин различного назначения в ряде случаев совпадают. Это создает основу для унификации по назначению, при которой один и тот же станок может быть использован, например, для геологосъемочных работ и инженерно-геологических изысканий, для разведки стройматериалов и гидрогеологических исследований и т.д.

Условия бурения и требования к опробованию определяют выбор способа бурения, который, в свою очередь, требует соответствующих параметров оборудования

ивлияет на его конструктивный облик. Следовательно, возникает необходимость подразделения оборудования в зависимости от способов бурения, существенно отличающихся требованиями к параметрам и конструкции основных рабочих органов.

Близость или совпадение параметров позволяет сочетать в одном оборудовании возможность применения нескольких способов бурения, т.е. осуществлять унификацию

ипо этому признаку. Примером такой унификации является создание оборудования для вращательного бурения с промывкой и шнеками; шнеками, ложковыми и спиральными бурами и лопастными долотами; оборудования для вращательного и ударновращательного способов, с алмазными и твердосплавными коронками и шарошечными долотами.

Таким образом, в результате анализа условий бурения могут быть выделены группы оборудования, предназначенного для одного или нескольких технологических способов. В пределах каждой группы должен быть определен ряд типоразмеров буровых станков, которые обеспечивают бурение скважин в соответствующем диапазоне значений глубины и диаметра с наименьшими затратами общественного труда, складывающимися из затрат труда на изготовление этого оборудования и его эксплуатацию.

Для изготовления наиболее выгодным было бы существование одного типоразмера станка. Это позволило бы получить наибольшую серийность и наименьшие затраты на освоение производства. Но очевидно, что этот станок должен был бы иметь наибольшие параметры, обеспечивающие бурение всех скважин данного назначения, и, следовательно, наибольшую массу. Такой путь привел бы к повышению расхода металла и потерям средств при эксплуатации вследствие излишних затрат энергии, трудности транспортирования и монтажно-демонтажных работ.

Увеличение числа типоразмеров неизбежно ведет к уменьшению серийности, повышению затрат на организацию производства и стоимости единицы оборудования. Увеличение числа типоразмеров до некоторого предела позволяет снизить стоимость бурения, но затем вызывает упомянутые выше трудности, особенно при подготовке кадров и ремонтных работах. Следовательно, каждый ряд должен иметь рациональное число типоразмеров, установление которого представляет очень сложную, многофакторную задачу. Возможно два принципиально различных подхода к ее решению.

Первый заключается в том, что на основании статистических данных

определяются преобладающие значения глубины скважин данного назначения L1, L2, ..., Li и устанавливается ряд значений глубины. Затем определяются технологические параметры, необходимые для эффективного бурения скважин принятым способом при основном диаметре породоразрушающего инструмента и соответствующем диаметре бурильных труб. Таким параметром является мощность привода, которая тесно связана с массой оборудования и в значительной мере предопределяет его стоимость. Она также характеризует эксплуатационно-технологические возможности буровых станков, непосредственно влияет на реализацию рациональных режимов бурения, его производительность и стоимость 1 м скважины.

160