УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ УШИРЕНИЯ В СКВАЖИНЕ
DEVICE AND METHOD FOR FORMATION OF BROADENING IN BOREHOLE

Изобретение относится к области строительства, а в частности может применяться при устройстве буронабивных свай, в том числе, с уширенной пятой.
Известен механический универсальный уширитель скважин, позволяющий выполнять в скважине уширенные полости различной конфигурации посредством разбуривания, содержащий два коаксиально расположенных вала с размещенными на них скользящей и фиксированной муфтами, к которым шарнирно закреплен пантографный пространственный механизм, вооруженный породоразрушающими ножами для разрушения грунта, причем оба коаксиально расположенных вала выполнены с возможностью взаимной фиксации и независимого соединения с бурильным валом буровой установки, от которой производится привод уширителя (Патент РФ №2119036 С1, дата приоритета 14.03.1995, дата публикации 20.09.1998, автор Запорожец А.Т., RU).
Недостатками известного устройства, а также технологии образования уширения в скважине разбуриванием являются: отсутствие уплотнения грунтовой оболочки уширения; возможность заклинивания устройства и обрушения грунта.
Известно выполнение уширения скважины, осуществляемое в процессе возведения буронабивной сваи по известному способу, при котором используют помещаемую в скважину цилиндрическую обсадную трубу с коническим нижним концом, который располагают с зазором относительно дна забоя скважины, а для выполнения уширения в полость обсадной трубы устанавливают дополнительную трубу, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру меньшего основания конического конца обсадной трубы, через дополнительную трубу осуществляют укладку бетонной смеси в нижнюю часть скважины с использованием трамбовки и с одновременным пригрузом обсадной трубы, причем трамбовку устанавливают в полость дополнительной трубы без зазора относительно ее стенки, и перед установкой арматурного каркаса дополнительную трубу извлекают (Авторское строительство СССР №903473, дата приоритета 28.04.1979, дата публикации 07.02.1982, автор Вильчинский Г.Я., RU).
Недостатком известного способа и применяемого оборудования является низкая эффективность из-за сравнительно небольшого давления на стенки скважины и высокой трудоемкости выполнения уширения путем многократных циклов трамбования бетонной смеси.
В качестве прототипа принято устройство для образования уширения в скважине посредством воздействия давлением на стенки скважины, включающее корпус, расположенный в центральной части скважины, упруго эластичную камеру, выполненную в виде сплошного кольца из термостойкой резины и закрепленную к корпусу с помощью болтов, прижимных элементов и заглушки, эластичная камера частично заполнена жидкостью и снабжена установленным в ней нагревательным устройством с возможностью создания давления паром на стенки камеры и на соприкасающиеся с ними стенки скважины, образуя при этом уширение в скважине вдавливанием грунта (Авторское строительство СССР №956692, дата приоритета 08.12.1980, дата публикации 07.09.1982, автор Чевердинский Ю.А., RU, прототип).
Недостатками прототипа, как устройства, так и способа образования уширения в скважине с помощью этого устройства, являются:
- во-первых, значительная масса устройства, что затрудняет его эксплуатацию;
- во-вторых, продолжительные сроки выполнения операций, которые включают размещение устройства, подводку всех коммуникаций, нагрев жидкости до требуемого давления пара, удаление жидкости, выемку устройства;
- в-третьих, невысокая долговечность термостойкой резины, которая подвергается одновременным воздействиям высокого перепада температуры, высоким давлениям и местным сосредоточенным воздействиям от грунта;
- в-четвертых, ограниченная область эффективного применения, зависящая от температуры воздуха, так как при отрицательных температурах затрудняется применение воды, а при использовании незамерзающей жидкости увеличивается время нагрева и соответственно потребность в электроснабжении.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение эффективности процесса образования уширения в скважине путем облегчения и усовершенствования конструкции, сокращения сроков выполнения работ, увеличения долговечности устройства и расширения области применения.
Для решения технической проблемы предложено устройство для образования уширения в скважине, содержащее расположенный в центральной части скважины корпус и закрепленное на корпусе распорное устройство, выполненное с возможностью воздействия давлением на стенки скважины при активации устройства и выполнения уширения вдавливанием грунта. Согласно изобретению, устройство содержит одно или несколько распорных устройств в виде системы, выполненных с возможностью их активации давлением преимущественно сжатого воздуха, или гидросистемы, или от иных силовозбудителей, и с возможностью выполнения уширения пяты или всей скважины, при этом корпус выполнен в виде трубы, а система распорных устройств содержит домкраты, преимущественно пневмодомкраты, или упругоэластичные элементы в виде пневмоподушек, подключенные к нагнетателю давления.
Согласно изобретению, система распорных устройств содержит пневмодомкраты высокого давления, подключенные к контролеру со встроенными предохранительными клапанами, с возможностью управления пневмодомкратами от одного источника сжатого воздуха.
Согласно изобретению, распорные устройства объединены в пакет с возможностью воздействия на нижнюю часть стенки скважины в горизонтальном направлении.
Согласно изобретению, распорные устройства равномерно расположены по высоте трубы с возможностью воздействия на стенку скважины несколькими распорными устройствами, обжимающими скважину.
Согласно изобретению, распорные устройства установлены в одном или в нескольких уровнях радиально относительно центра скважины.
Согласно изобретению, в устройстве могут быть использованы пневмодомкраты, имеющие форму или цилиндра, или полого цилиндра, или тора, или конуса, или полого конуса, или призмы, или полой призмы, или пирамиды, или сферы, или полой сферы.
Согласно изобретению, система распорных устройств содержит нижний неполый пневмодомкрат и расположенные над ним полые пневмодомкраты.
Согласно изобретению, каждый пневмодомкрат системы распорных устройств подключен к одному контроллеру, с возможностью подачи сжатого воздуха одновременно всем домкратам через корпус от одного источника.
Согласно изобретению, каждый пневмодомкрат системы распорных устройств подключен к отдельному контроллеру, с возможностью подачи сжатого воздуха к соответствующему домкрату от одного источника.
Согласно изобретению, в качестве распорных устройств могут быть использованы также гидродомкраты, реечные и винтовые домкраты.
Согласно изобретению, по периметру пневмоподушек в местах предполагаемого контакта с грунтом выполнено металлическое обрамление.
Согласно изобретению, каждое распорное устройство системы распорных устройств имеет свой контролер и источник силовозбуждения.
Согласно изобретению, устройство может быть использовано в качестве временной сваи, с возможностью работы на выдергивающие нагрузки за счет силы трения раскрытых распорных устройств, обжимающих грунт.
Для решения технической проблемы также предложен способ образования уширения в скважине, характеризующийся воздействием давления на стенки скважины и выполнением уширения вдавливанием грунта, а также тем, что реализация способа осуществляется с помощью заявляемого устройства, при этом выполняют скважину, опускают в нее указанное устройство, содержащее одно или несколько распорных устройств в виде системы, выполненных с возможностью их активации давлением преимущественно сжатого воздуха, или гидросистемы, или от иных силовозбудителей, и выполняют уширение при активации устройства от источника силовозбуждения посредством воздействия давлением на стенки скважины и вдавливания грунта.
Способ, в частности характеризуется тем, что перед нагнетанием давления между стенками скважины и распорными устройствами выполняют засыпку либо бетоном, либо щебнем, либо дресвой, либо галькой, либо сухим цементом и.т.п.
Способ, в частности характеризуется тем, что уширение скважины осуществляют в уровне ее пяты одним домкратом или несколькими пневмоподушками, установленными в ряд в горизонтальном направлении, а затем, не снимая давления в распорных устройствах, осуществляют их подъем на поверхность лебедкой или краном с уплотнением стенок скважины при подъеме.
Способ, в частности характеризуется тем, что в скважину закачивают тиксотропный раствор, а затем осуществляют уширение скважины.
Способ, в частности характеризуется тем, что уширение скважины в уровне ее пяты осуществляют одним или несколькими распорными устройствами, установленными радиально относительно центра скважины.
Способ, в частности характеризуется тем, что в многослойных грунтах с разной степенью сжимаемости образование уширений в скважине осуществляют только в уровне прослоек хорошо сжимаемых грунтов, при этом распорные устройства располагают на таком уровне, чтобы нижняя грань раскрытого домкрата по возможности располагалась в уровне низа слабого грунта над слоем слабо сжимаемого грунта.
Способ, в частности характеризуется тем, что в каждое четное/нечетное распорное устройство системы распорных устройств, опущенных в скважину, нагнетают более высокое или более низкое давление по сравнению с нечетными/четными соответственно распорными устройствами и выполняют рельефную стенку скважины.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан технологический цикл образования уширения скважины от диаметра dl до диаметра d2 с помощью цилиндрических пневмодомкратов, где:
- на фиг. 1,а схематично изображен этап выполнения буровой установкой скважины 1 с диаметром d1;
- на фиг. 1,б - этап опускания в скважину цилиндрических полых пневмодомкратов 2, закрепленных на трубе 3 и находящихся в «сжатом положении»;
- на фиг. 1,в - начальный этап активации закрепленных на трубе 3 пневмодомкратов 2 с указанием направления действия усилий на стенки скважины 1 при нагнетании давления насосной станцией 4;
- на фиг. 1,г - завершающий этап выполнения уширения стенок скважины 1, увеличенных до диаметра d2 закрепленными на трубе 3 пневмодомкратами 2 в «раскрытом положении», подключенными к насосной станции 4;
на фиг. 1,д - заключительный этап снятия давления и поднятия отключенных от насосной станции закрепленных на трубе 3 пневмодомкратов 2, находящихся в «сжатом положении».
На фиг. 2 схематично изображена система распорных устройств из трех цилиндрических пневмодомкратов 2, закрепленных на трубе 3, нижний из которых не является полым, а также показано направление действующих усилий от пневмодомкратов в момент нагнетания в них давления, 3-d вид.
На фиг. 3 схематично изображена скважина 1 с опущенными в ее нижнюю часть цилиндрическими пневмодомкратами 2, устроенными в двух уровнях, по 4 пневмодомкрата в каждом из них, и расположенными равномерно вокруг трубы 3.
На фиг. 4 - поперечный разрез А-А на фиг. 3.
На фиг. 5 показан цикл выполнения уширения пяты скважины от диаметра d1 до размера d2 с помощью пневмоподушек, где:
- на фиг. 5,а схематично изображена нижняя часть скважины 1 с диаметром d1;
- на фиг. 5,б схематично изображена скважина 1 с опущенными в нее пневмоподушками 2 в «сжатом положении», закрепленными на трубе 3 (условно не показано);
- на фиг. 5,в схематично изображены закрепленные на трубе 3 пневмоподушки 2 в «раскрытом положении» увеличившие размер скважины до d2;
- на фиг. 5,г схематично изображена нижняя часть скважины с увеличенным размером d2.
При этом на фиг. 5,б и 5,в труба 3 условно не показана.
Реализация технологического процесса образования уширения в скважине, приведенного на фиг. 1, осуществляется с помощью предложенного устройства.
Заявляемое устройство для образования уширения в скважине 1 содержит одно или несколько распорных устройств 2 в виде системы, закрепленных на трубе 3. Система распорных устройств содержит преимущественно пневмодомкраты (фиг. 2) или упругоэластичные элементы в виде пневмоподушек (фиг. 5), подключенные к нагнетателю давления, например к насосной станции 4.
В устройстве могут быть использованы пневмодомкраты, имеющие форму или цилиндра, или полого цилиндра, или тора, или конуса, или полого конуса, или призмы, или полой призмы, или пирамиды, или сферы, или полой сферы, с возможностью выполнения уширенной стенки скважины рельефной формы (условно не показано).
В качестве распорных устройств могут быть использованы также гидродомкраты, реечные и винтовые домкраты, подключенные к соответствующим источникам силовозбуждения (условно не показано).
Система распорных устройств может быть использована как для образования уширения всей скважины, например цилиндрическими пневмодомкратами, закрепленными на трубе 3, нижний из которых не является полым (фиг. 1, фиг. 2), так и для выполнения уширенной пяты или с помощью цилиндрических пневмодомкратов, установленных, например в двух уровнях равномерно вокруг трубы 3 (фиг. 3, фиг. 4), или с помощью пневмоподушек, установленных в ряд в горизонтальном направлении, как показано на фиг. 5. При этом по периметру пневмоподушек в местах предполагаемого контакта с грунтом выполнено защитное металлическое обрамление.
Для управления работой домкратами могут быть использованы разные схемы подключения домкратов к источнику силовозбуждения.
Пневмодомкраты высокого давления системы распорных устройств могут быть подключены, например к контролеру со встроенными предохранительными клапанами, с возможностью управления пневмодомкратами от одного источника сжатого воздуха.
Каждый пневмодомкрат системы распорных устройств может быть подключен к одному контроллеру, с возможностью подачи сжатого воздуха одновременно всем домкратам через корпус от одного источника.
Каждый пневмодомкрат системы распорных устройств может быть подключен к отдельному контроллеру, с возможностью подачи сжатого воздуха к соответствующему домкрату от одного источника.
Каждое распорное устройство системы распорных устройств может иметь свой контролер и свой источник силовозбуждения.
Кроме того, устройство может быть использовано в качестве временной сваи, с возможностью работы на выдергивающие нагрузки за счет силы трения раскрытых распорных устройств, обжимающих грунт.
Реализация способа образования уширения в скважине с помощью заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
Буровой установкой выполняют скважину 1, опускают в нее указанное выше устройство, содержащее одно или нескольких распорных устройств в виде системы, выполненных с возможностью их активации давлением преимущественно сжатого воздуха, или гидросистемы, или от иных силовозбудителей, и выполняют уширение при активации устройства от источника силовозбуждения посредством воздействия давлением на стенки скважины и вдавливания грунта.
Для повышения эффективности способа применяют следующие технологические приемы.
Для получения более прочной уплотненной стенки перед нагнетанием давления между стенками скважины и распорными устройствами выполняют засыпку либо бетоном, либо щебнем, либо дресвой, либо галькой, либо сухим цементом и.т.п.
В способе возможно дополнительное использование устройства для уплотнения стенок всей скважины после выполнения уширения скважины в уровне ее пяты одним домкратом или несколькими пневмоподушками, установленными в ряд в горизонтальном направлении, при этом после выполнения уширения пяты, не снимая давления в распорных устройствах, осуществляют их подъем на поверхность лебедкой или краном с уплотнением стенок скважины при подъеме.
В способе также возможно использование тиксотропного раствора, который закачивают в скважину, а затем более эффективно осуществляют ее уширение, сопровождаемое уменьшением трения распорного устройства о стенки скважины.
Для получения уширения скважины в уровне ее пяты, в том числе, рельефного, используют одно или несколько распорных устройств, установленных радиально относительно центра скважины.
В многослойных грунтах с разной степенью сжимаемости образование уширений в скважине осуществляют только в уровне прослоек хорошо сжимаемых грунтов, при этом распорные устройства располагают на таком уровне, чтобы нижняя грань раскрытого домкрата по возможности располагалась в уровне низа слабого грунта над слоем слабо сжимаемого грунта, что позволяет повысить долговечность устройства и повышает несущую способность сваи.
Для выполнения рельефной стенки скважины в каждое четное/нечетное распорное устройство системы распорных устройств, опущенных в скважину, нагнетают более высокое или более низкое давление по сравнению с нечетными/четными соответственно распорными устройствами.
Приведенное разнообразие систем распорных устройств и технологических приемов свидетельствует об упрощении конструкции распорных устройств и более эффективной технологии процесса образования уширения скважины по сравнению с прототипом, о расширении области применения, включая возможность образования рельефных и уплотненных стенок скважины, повышающих несущую способность возводимой сваи.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств для эффективного процесса образования уширения в скважине, в облегчении конструкции устройства, сокращении сроков выполнения работ, увеличении долговечности устройства и в расширении области применения, что достигается за счет усовершенствования конструкции распорного устройства, обжимающего грунт, и технологии, обусловленных применением более эффективного гидравлического или работающего на сжатом воздухе распорного устройства, а в частности системы распорных устройств, преимущественно в виде пневмодомкратов высокого давления, подключенных к нагнетателю давления.