ПОЛУЗАМОК ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ОТ ВРАЩАТЕЛЯ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ ПОЛОЙ ШНЕКОВОЙ КОЛОННЕ
SEMI-LOCK FOR TRANSFER OF TORQUE FROM ROTARY HEAD OF DRILLING UNIT TO HOLLOW SCREW COLUMN

Изобретение относится к буровой технике, в частности к бурению в неустойчивых грунтах колоннами полых шнеков, предназначенными для погружения различных устройств в скважину, заполнения скважин бетоном при устройстве буронабивных и буроинъекционных свай, или погружения зарядов взрывчатых веществ при геофизических исследованиях.
Известно замковое соединение полых буровых штанг, применяемых при бурении буроинъекционных скважин, содержащее ниппель на конце одной штанги и муфту на конце другой, снабженное втулкой, жестко и герметично закрепленной в диаметрально расположенных боковых отверстиях ниппеля, фиксирующий палец, размещенный внутри этой втулки, а уплотнительный элемент - на боковой поверхности головного цилиндрического участка ниппеля, причем участок ниппеля с некруглой в поперечном сечении формой, примыкающий к головному участку, имеет образующие, параллельные его продольной оси. Диаметрально расположенные боковые отверстия ниппеля выполнены на участке с некруглой в поперечном сечении формой. При этом втулка снабжена внутренним запорным элементом фиксирующего пальца, выполненным в виде разрезного пружинного кольца (Патент №2157879 RU. Опубл. 20.10.2000).
Описанное замковое соединение обеспечивает его надежность и герметичность, однако необходимость точного совмещения его элементов при наращивании буровой колонны усложняет эту процедуру и увеличивает ее трудоемкость. Причина этого недостатка, кроме отдельной проблемы с соединительным пальцем, заключается в том, что размер направляющих фасок на сопрягаемых поверхностях муфты и ниппеля, обеспечивающих совмещение их осей для возможности дальнейшего сопряжения, недостаточен, поскольку ограничен толщиной стенок.
Известен переходник для передачи крутящего момента с вращателя буровой установки на полую шнековую колонну, использующийся в составе комплекта инструмента с забивными снарядами КИЗС-121. Переходник выполнен в виде полузамка, имеющего n-гранный хвостовик для соединения с вращателем, жестко связанный с муфтой, предназначенной для соединения с ниппелем (хвостовиком) шнека. Муфта и ниппель снабжены элементами для передачи крутящего момента и осевого усилия в виде отверстия и сопряженного с ним пальца. Аналогичные переходники используются в комплексах равнопроходных шнеков, также выпускаемых ОАО «Геомаш» для строительства буронабивных и буроинъекционных скважин (Каталог бурового инструмента ОАО «Геомаш», http://www.geomash.ru/files/cat_burovoi instr.pdf?ban=left, С.14).
Устройство аналогично описанному выше замковому соединению по патенту №2157879 RU, как и его недостаток - трудоемкость манипуляций по наращиванию полой шнековой колонны. Причины недостатка также связаны с недостаточностью размеров направляющих элементов муфты и ниппеля (фасок), ограниченных толщиной стенок. Указанный недостаток компенсируют небольшой длиной шнека, ограничиваемой, кроме того, еще и условием досягаемости полузамка для ручных манипуляций по соединению муфты и ниппеля пальцем.
Известно резьбовое соединение шнеков, содержащее муфту и ниппель, сопряженные цилиндрической несамозаклинивающейся резьбой с углом подъема винтовой линии в 1,2…2,0 раза больше угла трения на витках резьбовой пары (Патент №44730 RU Опубл. 27.03.2005). Крутящий момент и осевое усилие передается витками резьбы.
Это соединение обеспечивает удобство работы и производительность за счет того, что не требует ручных манипуляций для соединения секций шнековой колонны пальцем, как в описанных выше. Однако в варианте его использования в полых шнеках, применяемых в сейсморазведке для бурения взрывных скважин, возникает уже описанный выше недостаток, связанный с трудностью совмещения оси ниппеля с осью муфты из-за ограниченности размеров направляющих фасок на их сопрягаемых поверхностях.
Известно замковое соединение шнеков, применяемое в той же области, содержащее муфту и ниппель, соединяемые цилиндрической резьбой, и взаимодействующие друг с другом упоры, выполненные в виде зубьев, причем зубья образованны на торцевой поверхности кольцевых элементов, неподвижно соединенных с муфтой и ниппелем, при этом рабочая поверхность зубьев расположена в плоскости оси шнека, а угол наклона спинки зуба не меньше угла подъема резьбы (Патент №2347886 RU. Опубл. 27.02.2009 г.). Его конструкция предусматривает передачу осевого усилия через резьбу, а крутящего момента - через торцевые зубья, что, в сравнении с предыдущим, усложняет и удорожает конструкцию, но предотвращает чрезмерную затяжку резьбового сопряжения, затрудняющую демонтаж колонны. Однако эта конструкция не устраняет неоднократно упомянутого выше недостатка - трудности совмещения оси сопрягаемых при наращивании колонны ниппеля и муфты.
Известен полузамок для передачи крутящего момента от вращателя буровой установки полой шнековой колонне, содержащий хвостовик для соединения с вращателем и муфту для соединения с ниппелем каждого очередного шнека колонны. Для передачи осевого усилия муфта и ниппель снабжены резьбовым участком, а для передачи крутящего момента полузамок снабжен упорным элементом, взаимодействующим с аналогичным элементом, размещенным на ниппеле шнека. Это, как и в предыдущей конструкции, исключает затяжку резьбового соединения в процессе бурения, облегчая, соответственно, его развинчивание при демонтаже колонны. Кроме того, полузамок снабжен съемным закладным элементом, взаимодействующим с обратной стороной упорного элемента на ниппеле шнека и предназначенным для отвинчивания последнего реверсом вращателя. Муфта снабжена цилиндрической выточкой, а ниппель - цилиндрической проточкой, предназначенными для взаимного центрирования упомянутых деталей при свинчивании (Авт. свид. №1571201 SU. Опубл. 15.06.1990 г.).
Резьбовое замковое соединение шнеков, особенно в совокупности с конструкцией упоров, исключающих затяжку резьбы, в отличие от аналогов, оснащенных для передачи крутящего момента и осевого усилия пальцем, сокращает потери времени при наращивании и демонтаже полой колонны за счет исключения ручных манипуляций по соединению муфты и ниппеля. Это потенциально позволяет в 2-3 раза увеличить длину шнековой секции для соответствующего уменьшения количества монтажно-демонтажных процедур и, соответственно, повысить производительность. Однако при такой длине шнековой секции это невозможно, т.к. муфта полузамка и ниппель шнека располагаются вверху на большом удалении от рук глаз оператора, что препятствует достаточному для их сопряжения точному взаимному позиционированию. При этом необходимая для сборки сопряжения точность совмещения осей упомянутых поверхностей ограничена величиной центрирующих выточек, равных высоте профиля резьбы, и величиной фасок на кромках сопрягаемых поверхностей. Для обеспечения производительной работы этого недостаточно для шнеков длиной больше чем 1,5…2.0 м, в зависимости от конструкции буровой установки.
Причиной недостатка является следующее техническое противоречие. Совмещение сопрягаемых поверхностей муфты и ниппеля можно было бы облегчить увеличением центрирующих фасок на муфте полузамка и ниппеле шнека. Но, поскольку их размер ограничен толщиной стенок муфты и ниппеля, это приводит к прямо пропорциональному увеличению толщины стенок муфты и ниппеля, что влечет за собой увеличение диаметральных размеров шнековой колонны, и неприемлемому увеличению ее массы и стоимости. Поэтому длину шнеков ограничивают компромиссной величиной, обеспечивающей приемлемые условия наращивания, но увеличивающей, при этом, число шнековых секций в колонне. Это приводит, с одной стороны, к удорожанию колонны за счет повышения удельной стоимости ее погонного метра, а с другой - к повышению трудоемкости буровых работ за счет увеличения удельных затрат времени на демонтаж замковых соединений.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство по авт.свид. SU №1571201, как наиболее близкое заявленному решению по технической сущности.
Задачей изобретения является уменьшение затрат времени на соединение полузамка с каждой очередной шнековой секцией полой колонны. Техническим результатом, посредством которого предполагается решить эту задачу, является повышение точности взаимного позиционирования ниппеля шнековой секции относительно муфты полузамка в процессе наращивания колонны.
Поставленная задача решается тем, что полузамок для передачи крутящего момента от вращателя буровой установки полой шнековой колонне, содержащий силовой элемент для соединения с вращателем, например в виде хвостовика, муфту для соединения с ниппелем каждого очередного шнека колонны, и силовые элементы сопряжения друг с другом упомянутых муфты и ниппеля для передачи крутящего момента и осевого усилия, согласно изобретению, снабжен ловителем, в виде заостренного тела вращения, имеющего направляющую и центрирующую часть, размещенным соосно муфте перед входом в ее отверстие, и установленным на конце стержня, консольно закрепленного внутри муфты.
Заостренное тело вращения может иметь различную форму, например, гиперболическую, или параболическую, но наиболее технологичным и одновременно функционально приемлемым вариантом является выполнение направляющей части ловителя в виде конической поверхности, а центрирующей - цилиндрической.
Соотношение диаметральных размеров ловителя с размерами муфты и ниппеля, в общем случае, может быть любым, т.к. взаимное позиционирование муфты и ниппеля и облегчается уже наличием самого ловителя, однако наилучшее соотношение упомянутых размеров необходимо выбирать из условия соблюдения следующего неравенства:
н
ц
ц
н
м
н
1
2
(d-d)max+е+е≤(D-D)min+C+C
где:
н
d - внутренний диаметр ниппеля;
ц
d - диаметр ловителя-центратора;
м
D - диаметр отверстия в муфте полузамка, сопряженного с ниппелем;
н
D - наружный диаметр ниппеля;
ц
е - величина несоосности ловителя-центратора относительно отверстия в муфте полузамка;
н
е - величина несоосности внутреннего диаметра ниппеля относительно наружного;
1
2
C и С - фаски на сопряженных поверхностях муфты и ниппеля.
При выполнении этого условия исключается даже сама вероятность несовмещения сопрягаемых поверхностей.
Для уменьшения потерь времени на наращивание и демонтаж полой шнековой колонны, силовые элементы сопряжения муфты для передачи крутящего момента и осевого усилия выполнены в виде резьбы, конгруэнтной резьбе ниппеля шнековой секции.
В другом варианте выполнения этого резьбового замка на муфте полузамка выполнены торцевые зубья для зацепления с конгруэнтными им зубьями на ниппеле, обеспечивающие передачу крутящего момента и предотвращающие затяжку резьбового соединения.
Для облегчения погружения заряда взрывчатого вещества в сейсмоскважину в неустойчивых грунтах с помощью подачи сжатого воздуха, или решения иных задач подачей агента внутрь колонны, муфта полузамка в верхней части может быть снабжена отверстием, а ловитель - лысками, образующими в сопряжении с ниппелем канал необходимого сечения.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием и чертежами, на которых:
фиг.1 показывает в продольном разрезе полузамок для передачи крутящего момента от вращателя буровой установки полой шнековой колонне и ниппель во взаимодействии с ловителем согласно изобретению;
фиг.2 иллюстрирует продольный разрез муфты резьбового варианта полузамка;
фиг.3 показывает частично продольный разрез муфты резьбового варианта полузамка с торцевыми зубьями для передачи крутящего момента;
фиг.4 иллюстрирует продольный разрез муфты резьбового полузамка, верхняя часть которой снабжена отверстием для подачи сжатого воздуха;
фиг.5 показывает в поперечном разрезе А-А на фиг.4 сопряжение ниппеля шнековой секции и ловителя полузамка с лысками для подачи сжатого воздуха.
м
н
ц
Полузамок для передачи крутящего момента от вращателя полой шнековой колонне содержит хвостовик 1, или иной элемент, например, фланец (не показан) для соединения с вращателем (не показан) и муфту 2 с внутренним диаметром D для соединения с наружной поверхностью ниппеля 3 диаметром D, принадлежащего одной из шнековых секций 4, составляющих полую колонны(Фиг.1). Полузамок снабжен ловителем 5 в виде заостренного тела вращения, имеющим направляющую часть, образованную конусообразной поверхностью 6, и центрирующую часть, образованную цилиндрической поверхностью 7 диаметром d. Ловитель 5 размещен соосно муфте перед входом в нее на конце стержня 8, консольно закрепленного внутри муфты 2. Коническая часть 6 ловителя 5 предназначена для направления ниппеля 3 в отверстие муфты 2, а его центрирующая цилиндрическая часть 7 предназначена для совмещения осей их сопрягаемых поверхностей в процессе соединения муфты 2 с ниппелем 3 шнековой секции 4. Для передачи крутящего момента и осевого усилия на шнековую колонну 4 муфта 2 снабжена диаметральным отверстием 9 для размещения в нем пальца (не показан). Последний имеет возможность взаимодействия, при совмещении, с аналогичным отверстием 9а в ниппеле 3 шнековой секции 4.
Несмотря на то, что наличие ловителя 5 облегчает взаимное позиционирование ниппеля и муфты в любом случае, уменьшая вероятность взаимного зацепа кромками, все же наилучшие условия их сопряжения обеспечиваются при соблюдении следующего неравенства:
н
ц
ц
н
м
н
1
2
(d-d)max+е+е≤(D-D)min+С+C
где:
н
d - внутренний диаметр ниппеля 3;
ц
d- диаметр ловителя - центратора 5;
м
D - диаметр отверстия в муфте 2, сопрягаемый с ниппелем 3;
н
D - наружный диаметр ниппеля 3;
ц
е - величина несоосности ловителя 5 относительно отверстия 9 в муфте 2 полузамка;
н
н
н
e - величина несоосности внутреннего диаметра d ниппеля 3 относительно наружного D;
1
2
C и С - фаски на кромках сопрягаемых поверхностей муфты 2 и ниппеля 3.
Сформулированное условие исключает даже теоретическую возможность несовмещения сопрягаемых поверхностей муфты и ниппеля и зацепа их кромок при сопряжении.
Для уменьшения потерь времени на наращивание и демонтаж полой шнековой колонны 4 силовые элементы сопряжения муфты 2 для передачи крутящего момента и осевого усилия целесообразно выполнять в виде резьбы 10 (Фиг.2).
Для передачи крутящего момента и предотвращения чрезмерной затяжки резьбового соединения на муфте 2 полузамка могут быть выполнены торцевые зубья 11 для зацепления с конгруэнтными им зубьями ниппеля шнековой секции (Фиг.3) (не показаны).
Для облегчения с помощью сжатого воздуха погружения заряда взрывчатого вещества в сейсмоскважину в неустойчивых грунтах муфта 2 в верхней части снабжена отверстием 12, а ловитель - лысками 13 для его подачи внутрь колонны через ниппель 3 (Фиг.4, 5).
Полузамок для передачи крутящего момента от вращателя буровой установки полой шнековой колонне работает следующим образом.
а
ц
ц
Первую шнековую секцию 4 колонны устанавливают на грунт или в зажимное устройство буровой установки (не показаны). Опуская вращатель (не показан) с установленным на его выходном валу полузамком, совмещают ось ниппеля 3 с осью муфты 2 полузамка с отклонением  не более половины диаметра d центрирующей части 7 ловителя 5 (Фиг.1). При опускании вращателя с полузамком, выполненная в виде конуса направляющая часть 6 ловителя 5 входит в соприкосновение с кромкой отверстия d ниппеля 3 шнековой секции 4 и направляет его до сопряжения с центрирующей частью 7 и далее с муфтой 2 до упора в ее торец и совмещения отверстий 9 в муфте и ниппеле. Затем соединяют муфту 2 и ниппель 3 пальцем (не показан) и ведут бурение известным образом. После окончания бурения каждой очередной шнековой секцией и отсоединения от него полузамка описанный процесс повторяют, как описано выше. Демонтаж колонны осуществляют в обратном порядке.
Описанный в первом примере вариант выполнения полузамка целесообразно применять в строительстве, при бурении скважин для устройства буронабивных и буроинъекционных свай, где применяется пальцевое соединение муфты и ниппеля, обеспечивающее возможность реверсирования направления вращения шнековой колонны.
В другом варианте выполнения заявленного полузамка силовой элемент сопряжения муфты 2 и ниппеля 3, передающих крутящий момент и осевые усилия, выполняют в виде резьбового участка 10 поверхности сопряжения муфты 2 (Фиг.2). Ответный участок поверхности ниппеля 3 (не показано) имеет ответную резьбу. Такую конструкцию применяют в шнековых колоннах относительно небольшого (до 200 мм) диаметра при бурении геофизических скважин в сейсморазведке.
Использование полузамка в этом варианте выполнения происходит аналогично описанному выше, с тем лишь отличием, что соединение и рассоединение муфты 2 полузамка с ниппелем 3 шнековой колонны 4 производят свинчиванием и развинчиванием.
Усовершенствованием резьбового варианта полузамка, описанного выше, является пример его выполнения, где муфта 3 полузамка снабжена торцевыми зубьями 11 (Фиг.3). В таком варианте торцевые зубья 11 взаимодействуют с конгруэнтными им зубьями на ниппеле 3 (не показан). В этом варианте при бурении осевое усилие передает резьбовой участок 10, а крутящий момент - торцевые зубья 11. Это позволяет исключить чрезмерную затяжку резьбового соединения под действием большого крутящего момента и облегчить демонтаж колонны после окончания проходки скважины.
Для облегчения погружения заряда взрывчатого вещества в сейсмоскважину в неустойчивых грунтах внутрь полой колонны подают сжатый воздух. Для этого муфта 2 снабжена радиальным отверстием 12, а ловитель 5 - лысками 13 (Фиг.4, 5), обеспечивающие проход воздуха во внутреннюю полость шнековой колонны через просвет образованный лысками 12 и внутренней поверхностью ниппеля 3 (фиг.5). Порядок использования полузамка с этими особенностями конструкции, с точки зрения технической сущности заявленного изобретения, не имеет существенных отличий от описанных выше.
Приведенные примеры доказывают промышленную применимость технического решения.
Предложенный полузамок для передачи крутящего момента от вращателя буровой установки полой шнековой колонне позволяет увеличить производительность буровых работ за счет уменьшения затрат времени на соединение полузамка с каждым очередным шнеком полой колонны. Это обеспечивается повышением точности взаимного центрирования ниппеля шнека относительно муфты полузамка в процессе наращивания колонны. Кроме этого повышается безопасность работы персонала за счет удержания шнековой секции ловителем от падения при случайной потере контроля над ним оператором до момента начала сопряжения муфты и ниппеля. Кроме того, сопутствующим результатом является также уменьшение удельной материалоемкости и трудоемкости изготовления шнековой колонны за счет увеличения длины шнековой секции, и, соответственно, уменьшения в колонне количества замковых соединений.