БУРОВАЯ УСТАНОВКА
DRILLING UNIT

Изобретение относится к области бурения скважин в грунте с промывкой и может быть использовано в устройствах для создания скважин для забора и подъема грунтовых вод с водоносных горизонтов, а также скважин под фундаменты.
Известна буровая установка, наиболее близкий аналог заявляемого изобретения, содержащая обсадную трубу, в которой с зазором расположена трубчатая буровая штанга, с установленной на торце буровой коронкой, имеющей центральное осевое отверстие. Буровая штанга выполнена в виде набора одинаковых трубчатых секций, которые снабжены элементами для соединения секций между собой с целью наращивания длины буровой штанги. Известная буровая установка также содержит выполненные в виде открытых сверху емкостей сборник для приема буровой мелочи, который имеет донное отверстие для связи с обсадной трубой, и резервуар для промывочной жидкости, который имеет боковое отверстие для связи с входом гидрокомпрессора. В известной буровой установке, ближайшем аналоге, сборник для приема буровой мелочи и резервуар для промывочной жидкости соединены друг с другом так, что образуют единую емкость. Выход гидрокомпрессора может быть соединен с вертлюгом посредством, например, шланга. Один торец вертлюга соединен с приводом для обеспечения вращательного движения буровой штанги, а на другом торце вертлюга закреплена секция буровой штанги. На узле, образованном соединенными вместе приводом и вертлюгом, установлены усилительные элементы, обеспечивающие ему вместе с буровой штангой поступательное перемещение вдоль оси. В известной буровой установке создан замкнутый контур циркуляции промывочной жидкости, обеспечивающий мощный направленный ее поток через гидрокомпрессор, вертлюг, трубчатую буровую штангу, буровую коронку в скважину, а затем, с захваченной потоком буровой мелочью, в сборник для приема буровой мелочи, откуда она снова поступает в гидрокомпрессор.
Известная буровая установка довольно проста конструктивно и малогабаритна, она может быть легко и быстро смонтирована и разобрана, может эксплуатироваться на небольших дачных участках без повреждения растительных посадок, не требует большого запаса промывочной жидкости, производит бурение в широком диапазоне глубин. Однако технико-эксплуатационные показатели известной буровой установки недостаточно высоки. Так, при использовании известной буровой установки процесс наращивания буровой штанги занимает довольно длительное время. Это связано с тем, что, наряду с действиями, связанными с отсоединением вертлюга от буровой штанги, подсоединением к ней дополнительных секций и обратного соединения буровой штанги с вертлюгом, в известной буровой установке процесс замены буровой штанги требует предварительного отключения и, после завершения процесса наращивания буровой штанги, обратного включения гидрокомпрессорного оборудования. Процесс наращивания буровой штанги повторяют многократно, до момента достижения буровой насадкой водоносного слоя. Соответственно этому, весь полный цикл бурения скважины прерывают несколько раз, вследствие чего, время, затраченное на многократные остановку и пуск гидрокомпрессорного оборудования, существенно увеличивает общее время выполнения работ по наращиванию буровой штанги и, следовательно, увеличивает время выполнения полного цикла бурения скважины буровой установкой. Кроме этого, при долгой замене буровой штанги может произойти обвал грунта в пробуренное отверстие и, как следствие, зажим штанги, а это потребует еще дополнительного времени для ее извлечения и замены. Вместе с этим, частые и многократные запуски гидрокомпрессорного оборудования приводят к сокращению срока его службы, что, как известно, обусловлено возрастанием токовой нагрузки в оборудовании при его пуске. Частые включения гидрокомпрессорного оборудования также сокращают срок службы оборудования буровой установки из-за резкого возрастания давления (гидроударов) в трубопроводе установки при его пуске.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, состоит в повышении технико-эксплуатационных показателей буровой установки.
Указанная техническая проблема решается тем, что в буровой установке, содержащей обсадную трубу, выполненные в виде открытых сверху емкостей и соединенные друг с другом сборник для приема буровой мелочи и резервуар для промывочной жидкости, буровую коронку, буровую штангу, коаксиально с зазором установленную в обсадной трубе, привод для обеспечения вращательного движения буровой штанги, вертлюг с боковым отверстием для подачи в него промывочной жидкости, гидрокомпрессор, выход которого связан с боковым отверстием вертлюга, при этом сборник для приема буровой мелочи имеет донное отверстие для связи с обсадной трубой, резервуар для промывочной жидкости имеет боковое отверстие, связанное с входом гидрокомпрессора, буровая штанга выполнена в виде набора одинаковых трубчатых секций, снабженных элементами для соединения секций между собой, а буровая коронка выполнена со сквозным центральным отверстием и закреплена на первой секции буровой штанги, при этом вертлюг расположен между буровой штангой и приводом, а на узле, образованном приводом и вертлюгом, установлены усилительные элементы, согласно заявляемого изобретения, резервуар для промывочной жидкости имеет дополнительное боковое отверстие для связи с выходом гидрокомпрессора, а сборник для приема буровой мелочи и резервуар для промывочной жидкости, выход гидрокомпрессора и дополнительное боковое отверстие резервуара для промывочной жидкости, выход гидрокомпрессора и боковое отверстие вертлюга связаны между собой, соответственно, через запорные устройства.
В предлагаемом изобретении резервуар для промывочной жидкости имеет дополнительное боковое отверстие для связи с выходом гидрокомпрессора, при этом выход гидрокомпрессора и дополнительное боковое отверстие резервуара для промывочной жидкости связаны между собой. Такое выполнение позволяет обеспечить нагнетание промывочной жидкости из гидрокомпрессора в резервуар для промывочной жидкости. При этом в предлагаемом изобретении выход гидрокомпрессора и дополнительное боковое отверстие резервуара для промывочной жидкости, выход гидрокомпрессора и боковое отверстие вертлюга связаны между собой, соответственно, через запорные устройства. За счет такого выполнения становится возможным направлять поток промывочной жидкости от выхода гидрокомпрессора в резервуар для промывочной жидкости или через вертлюг в трубчатый корпус буровой штанги. При этом за счет того, что сборник для приема буровой мелочи и резервуар для промывочной жидкости связаны между собой через запорное устройство, становится возможным предотвратить попадание в сборник для приема буровой мелочи очищенной промывочной жидкости в случае, когда ее поток направлен от выхода гидрокомпрессора в резервуар для промывочной жидкости. Таким образом, становится возможным направлять движение потока промывочной жидкости, с тем, чтобы обеспечить ее циркуляцию по «большому кругу», то есть, из резервуара для промывочной жидкости через гидрокомпрессор и вертлюг в буровую штангу и через нее на буровую коронку и дно скважины и, затем, через сборник для приема буровой мелочи обратно в резервуар для промывочной жидкости, или по «малому кругу», то есть, из резервуара для промывочной жидкости через гидрокомпрессор и обратно в резервуар для промывочной жидкости, минуя вертлюг и буровую штангу с буровой коронкой. При этом во время циркуляции потока промывочной жидкости по «малому кругу» становится возможным отсоединить вертлюг от буровой штанги, подсоединить к ней дополнительные секции и в обратном порядке соединить буровую штангу с вертлюгом, то есть, выполнить работы по наращиванию буровой штанги, не выключая гидрокомпрессорное оборудование. Непрерывная циркуляция промывочной жидкости без остановки гидрокомпрессорного оборудования в процессе наращивания буровой штанги позволяет сократить время выполнения работ по наращиванию буровой штанги и, следовательно, сократить время выполнения полного цикла бурения скважины буровой установкой. Непрерывная циркуляция промывочной жидкости без остановки гидрокомпрессорного оборудования в процессе наращивания буровой штанги позволяет также исключить возникновение электрических и гидравлических нагрузок, связанных с вынужденными остановкой и пуском гидрокомпрессорного оборудования и, тем самым, продлить срок службы оборудования буровой установки.
Таким образом, за счет достигаемых технических результатов, заключающихся в сокращении времени выполнения полного цикла бурения скважины и в повышении срока службы оборудования буровой установки, заявляемая совокупность существенных признаков решает техническую проблему повышения технико-эксплуатационных показателей буровой установки.
На чертеже изображена буровая установка, которая содержит обсадную трубу 1, буровую штангу 2, буровую коронку 3, вертлюг 4 с боковым отверстием (на фиг. не показано) для подачи в него промывочной жидкости, привод 5, гидрокомпрессор 6 с входом 7 и выходом 8, сборник 9 для приема буровой мелочи с донным отверстием 10 для связи с обсадной трубой 1, резервуар 11 для промывочной жидкости с боковым отверстием 12, связанным с входом гидрокомпрессора 6, и дополнительным боковым отверстием 13. Сборник 9 для приема буровой мелочи и резервуар 11 для промывочной жидкости связаны между собой через запорное устройство 14, выход 8 гидрокомпрессора 6 и дополнительное боковое отверстие 13 резервуара 11 для промывочной жидкости связаны между собой через запорное устройство 15, а выход 8 гидрокомпрессора 6 и боковое отверстие вертлюга 4 связаны между собой через запорное устройство 16. Буровая штанга 2 коаксиально с зазором установлена в обсадной трубе 1 и выполнена в виде набора одинаковых трубчатых секций (на фиг. не показано), снабженных элементами (на фиг. не показано) для соединения секций между собой. Буровая коронка 3 выполнена со сквозным центральным отверстием (на фиг. не показано) и закреплена на первой секции (на фиг. не показано) буровой штанги 2. Привод 5 предназначен для обеспечения вращательного движения буровой штанги 2. Вертлюг 4 расположен между буровой штангой 2 и приводом 5 и с приводом 5 образует узел (на фиг. не показано), на котором установлены усилительные элементы 17. Вход 7 гидрокомпрессора 6 связан с боковым отверстием 12 резервуара 11 для промывочной жидкости посредством трубы 18. Сборник 9 для приема буровой мелочи и резервуар 11 для промывочной жидкости выполнены в виде открытых сверху емкостей и связаны между собой трубой 19. Выход 8 гидрокомпрессора 6 и дополнительное боковое отверстие 13 резервуара 11 для промывочной жидкости связаны посредством трубы 20. Выход 8 гидрокомпрессора 6 и боковое отверстие вертлюга 4 связаны посредством трубы 21. Усилительные элементы 17 могут быть выполнены в виде ручек для поступательного перемещения с использованием мускульной силы или в виде устройства (на фиг. не показано), обеспечивающего такое перемещение. Запорные устройства 14, 15 и 16 могут быть выполнены, например, в виде кранов или механических клапанов. Сборник 9 для приема буровой мелочи может быть выполнен с фильтром (на фиг. не показано) для отделения буровой мелочи от промывочной жидкости, для более высокой степени ее очистки. В качестве промывочной жидкости может быть использована вода.
Работа буровой установки осуществляется следующим образом. В предварительно определенном месте земельного участка посредством, например, ручного бура, бурят отверстие, в которое устанавливают обсадную трубу 1. На выступающую над уровнем земли часть обсадной трубы 1 через донное отверстие 10 надевают сборник 9 для приема буровой мелочи, уплотняя, при этом, место соединения. Устанавливают резервуар 11 для промывочной жидкости и соединяют его со сборником 9 для приема буровой мелочи посредством трубы 19, через запорное устройство 14. Боковое отверстие 12 резервуара 11 для промывочной жидкости связывают со входом 7 гидрокомпрессора 6 посредством трубы 18. Дополнительное боковое отверстие 13 резервуара 11 для промывочной жидкости связывают с выходом 8 гидрокомпрессора 6 посредством трубы 20, через запорное устройство 15. Выход 8 гидрокомпрессора 6 связывают с боковым отверстием вертлюга 4 посредством трубы 21, через запорное устройство 16. Запорные устройства 14 и 16 устанавливают в открытое положение, а запорное устройство 15 устанавливают в закрытое положение. Вертлюг 4 устанавливают между буровой штангой 2 и приводом 5, для чего один торец вертлюга 4 соединяют с приводом 5, а другой его торец соединяют с первой секцией буровой штанги 2 с установленной на ней буровой коронкой 3. Конец буровой штанги 2 с установленной на ней буровой коронкой 3 опускают в обсадную трубу
1. Резервуар 11 заполняют водой (промывочной жидкостью) и включают гидрокомпрессор 6. Вода, поступая из резервуара 11 через боковое отверстие 12 во вход гидрокомпрессора 6, нагнетается им через вертлюг 4 в трубчатый корпус буровой штанги
2. Включением привода 5 запускают вертлюг 4, который задает свободное вращательное движение буровой штанге 2. Одновременно задают осевое перемещение буровой штанги 2 вдоль корпуса обсадной трубы 1, для чего прикладывают соответствующее усилие к усилительным элементам 17. Буровая коронка 3, углубляясь в грунт, вращается в горизонтальной плоскости, при этом направленный поток воды, поступая из корпуса буровой штанги 2 под высоким давлением, через осевое отверстие буровой коронки 3 устремляется на дно скважины, разрушает грунт и, тем самым, углубляет скважину. Вращение и поступательное движение буровой штанги 2 в сочетании с циркулирующим потоком воды обеспечивают выемку грунта по сечению буровой скважины и вынос грунта из скважины. Разрушенный грунт вытесняется потоком воды из скважины по кольцевому зазору между буровой штангой 2 и обсадной трубой 1 и, далее, транспортируется с водой в сборник 9 для приема буровой мелочи, где выбранный грунт оседает на дне и дополнительно задерживается фильтром (на фиг. не показано) для отделения буровой мелочи от промывочной жидкости, если сборник 9 для приема буровой мелочи выполнен с таковым. Из сборника 9 для приема буровой мелочи очищенная от грунта вода поступает через трубу 19 и открытое запорное устройство 14 в резервуар 11 для промывочной жидкости и, далее, через боковое отверстие 12 нагнетается гидрокомпрессором 6 через вертлюг 4 в трубчатый корпус буровой штанги 2. Таким образом, промывочная вода циркулирует в системе буровой установки по «большому кругу», вытесняя разрушенный грунт из скважины. В процессе бурения, при достижении верхним краем секции буровой штанги 2 верхнего края обсадной трубы 1, выполняют процесс наращивания буровой штанги 2 дополнительными секциями. Для этого запорное устройство 15 устанавливают в открытое положение, а запорное устройство 16 устанавливают в закрытое положение, запорное устройство 14, по мере освобождения сборника 9 от промывочной воды, также устанавливают в закрытое положение. В результате такой установки запорных устройств работающий гидрокомпрессор 6 нагнетает поступающую из резервуара 11 промывочную воду по трубе 20 через открытое запорное устройство 15 обратно в резервуар 11 для промывочной жидкости, то есть, промывочная вода циркулирует в системе буровой установки по «малому кругу», минуя вертлюг 4 и буровую штангу 2 с буровой коронкой 3. Далее отключают привод 5, разъединяют вертлюг 4 и буровую штангу 2 между собой, к нижней секции буровой штанги 2 подсоединяют следующую дополнительную секцию, тем самым, наращивают буровую штангу 2. После подсоединения к буровой штанге 2 дополнительных секций все действия, до того момента, когда промывочная вода начнет циркулировать в системе буровой установки по «большому кругу», выполняют в обратном порядке. А именно, буровую штангу 2 соединяют с вертлюгом 4, включают привод 5, запорные устройства 14 и 16 устанавливают в открытое положение, а запорное устройство 15 закрывают. В результате такой установки запорных устройств гидрокомпрессор 6 нагнетает поступающую из резервуара 11 промывочную воду через вертлюг 4 в трубчатый корпус буровой штанги 2 и, далее, в сборник 9 для приема буровой мелочи и, через трубу 19 и открытое запорное устройство 14, обратно в резервуар 11 для промывочной жидкости. Таким образом, промывочная вода опять циркулирует по «большому кругу», за счет чего вытесняют разрушенный грунт из скважины. В полном цикле бурения скважины процесс наращивания буровой штанги 2 дополнительными секциями повторяют несколько раз до достижения буровой коронкой 3 водоносного слоя грунта. При этом процесс наращивания буровой штанги 2 выполняют при непрерывной циркуляции промывочной жидкости в системе буровой установки, без отключения гидрокомпрессора 6, что сокращает время выполнения полного цикла бурения скважины и повышает срок службы оборудования буровой установки, тем самым, обуславливает более высокие технико-эксплуатационные показатели заявляемого решения буровой установки в сравнении с решением буровой установки-ближайшего аналога.
По окончании бурения скважины буровую установку демонтируют в порядке, обратном ее установочному монтажу. При этом, взамен буровой штанги 2, извлеченной из пробуренной скважины, в нее устанавливают постоянно действующую трубу для поднятия воды или, например, элементы фундамента.