Вертлюг - насадка для ручной буровой установки

Полезная модель относится к вертлюгам-насадкам для ручной буровой установки, использующей мускульную силу и предназначенной для бурения бытовых скважин на воду в грунте с промывкой глубиной до 50 метров методом вращательного бурения водой. Вертлюг может использоваться в буровых установках для создания скважин для забора и подъема грунтовых вод с водоносных горизонтов, бурения артезианских скважин, колодцев, а также скважин на дачных участках и огородах.
При проведении поиска изучались известные заявителю буровые установки, в которых описаны конструкции вертлюгов.
Известны вертлюги, применяемые в составе буровой установки, колонны или вышки в горнодобывающей отрасли, а также для бурения газонефтяных скважин. Вертлюги этих установок и бурильных машин жестко закреплены на штангах и при бурении применяются различные растворы для бурения, подаваемые в вертлюг сверху, а также масляные камеры, что обуславливает конструкцию вертлюгов (например, авт. свид. СССР №48040, НКИ 5а, 34/20, 1936; авт. свид. СССР №651114, Е21В 21/02, 1979; SU 1506067, Е21В 21/02, 1989; SU 1723298, Е21В 3/02, 1992; RU 2470139, Е21В 21/02, 2012; RU 2562623, Е21В 21/02, 2015; полезная модель RU 11110, Е21В 21/02, 1999; US 1596144, Е21В 21/02, 1926; US 3804186, Е21В 21/10, 1974; US 6105692, Е21В 21/02, 2000; WO 2017091495, Е21В 3/025, 2017 и др.).
Указанные вертлюги являются тяжелыми, жестко закрепленными на буровых штангах и не могут быть использованы в ручных буровых установках, т.к. эти вертлюги не удерживаются мускульной силой бурильщика.
Известны вертлюги для бурения скважин большого диаметра вращательным способом с обратной промывкой для буровых установок, содержащих патрубки для подачи воздушной смеси и бурового раствора, работающие поочередно. Один из вертлюгов является распределительным, а другой предназначен для обратной промывки. Вертлюги расположены по разным концам ведущей трубы (SU 1093786, Е21В 21/02, 1984; SU 1204693, Е21В 21/02, 1986).
Недостатком вертлюгов является сложность изготовления, большой вес и длительный по времени технологический процесс бурения.
Известна установка, обеспечивающая непрерывную циркуляцию бурового раствора во время бурения. В циркуляционном блоке - корпус содержит центральный канал, предназначенный для размещения в нем части трубы; центральный канал ограничен верхним и нижним кольцевыми уплотнительными элементами, которые опираются на корпус с возможностью вращения; уплотнительные элементы имеют центральное отверстие, которое, при расширении указанных уплотнительных элементов, выполнено с возможностью закрываться или плотно охватывать трубу, упираясь внутренней уплотняющей поверхностью в трубу; и запорный клапан в закрытом положении образует герметичную перегородку между верхней и нижней камерами в корпусе. Каждый из уплотнительных элементов герметично соединен с выполненной с возможностью вращения пакерной трубой, выступающей в соответствующую камеру и окруженной пакером, который плотно прилегает к периферии пакерной трубы и к корпусу. Корпус разделен на две камеры посредством запорного клапана, который в открытом положении образует центральное отверстие, соединяющее две указанные камеры, а в закрытом положении образует герметичную перегородку между указанными камерами. Запорный клапан, например, может представлять собой шаровой клапан, ось поворота которого расположена перпендикулярно центральной оси циркуляционного блока. Каждая из двух камер содержит канал для входа бурового раствора, соединенный с системой подачи бурового раствора при помощи первого и второго трубопроводов для бурового раствора, и связанную с ними систему клапанов для направления бурового раствора в соответствующую камеру, а также, возможно, для обеспечения дренажа камеры. Третий трубопровод для бурового раствора, который соединяется с указанной системой подачи бурового раствора и системой клапанов, соединяется также с предохранительным переводником, который предназначен для соединения с верхним концом трубы, чтобы направлять буровой раствор в трубу. Предохранительный переводник установлен с возможностью вращения относительно третьего трубопровода для бурового раствора (RU 2610054, Е21В 19/16, 2017).
Описанный вертлюг является сложным в изготовлении и эксплуатации, т.к. для попеременной подачи в вертлюг используют несколько буровых растворов, которые подаются под давлением через различные отверстия в корпусе вертлюга. Подача буровых растворов управляется переключающим клапаном, например, шаровым. Вертлюг является громоздким, тяжелым и не может применяться для ручного бурения.
Известен буровой вертлюг-сальник для бурения с одновременной обсадкой, включающий корпус, соединенный с обсадной колонной, трубу для соединения с бурильной колонной, переводник для соединения с приводом и вход для промывочной жидкости. В корпусе дополнительно установлен вращающийся толкатель, выполненный в виде полого цилиндра с нижней втулочной частью, с возможностью перемещения вверх и вниз по внутренней поверхности корпуса для передачи осевой разнонаправленной нагрузки на обсадную колонну за счет подшипников, расположенных в верхней и нижней частях корпуса, герметизированных сальниковым уплотнением от промывочной жидкости, поступающей в межтрубное пространство корпуса через дополнительный боковой вход, при этом корпус не вращается. Промывочная жидкость подается в вертлюг сверху под давлением и имеется дополнительный боковой вход для промывочной жидкости. Данный вертлюг (полезная модель RU 172469, Е21В 21/02, 2017), согласно области применения по этому патенту - вертлюг-сальник, относится к горному делу и строительству и может применяться при бурении с одновременной обсадкой вертикальных, наклонных, вертикально-горизонтальных геологоразведочных, водозаборных, гидродобычных скважин в рыхлых, неустойчивых, склонных к обрушению, обводненных и плывучих горных породах для подачи бурового раствора и соединения с бурильной и обсадной колоннами.
Для бурения данным оборудованием необходимо применение специальной техники и бригады квалифицированных бурильщиков, т.к. вертлюг в комплекте с обсадной трубой и буровыми трубами имеет огромный вес. Поэтому описанный вертлюг не может применяться в установках ручного бурения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вертлюг мобильной установки для бурения скважин (RU 2401376, Е21В 3/00, 2010). На стр. 4 и 5 описания и фиг. 5 описан и показан вертлюг, содержащий корпус с боковым патрубком для подвода промывочной жидкости, вращающийся вал с отверстиями для подвода воды в буровые штанги, камеру, образованную стенками корпуса и валом, уплотнительные кольца и подшипниковые опоры. Корпус вертлюга выполнен из одной детали. Вал вертлюга для подвода воды установлен в подшипниковых опорах и выполнен с пересекающимися радиальным и осевым отверстиями. Подшипниковые опоры расположены по торцам вала. Уплотнительные кольца представляют собой сальники, установленные в канавках на валу, и контактируют с внутренней поверхностью корпуса. При бурении сальники вращаются вместе с валом. В качестве промывочной жидкости может использоваться вода. Вертлюг является тяжелым и громоздким, не может насаживаться на штангу вручную и перемещаться вдоль нее с помощью мускульной силы. Поэтому вертлюг насаживается на штангу и перемещается вдоль штанги с помощью специального приспособления, например каретки, установленной на ползунах для перемещения по вертикальным направляющим.
Недостатком прототипа является сложность сборки и разборки вертлюга, т.к. для разборки необходимо снимать подшипники, что требует специального оборудования, и практически полностью разбирать вертлюг. Следствием этого является низкая ремонтопригодность, т.к. разобрать и отремонтировать этот вертлюг в полевых условиях невозможно.
Задачей полезной модели является упрощение разборки и сборки вертлюга-насадки, и как следствие, повышение ремонтопригодности.
Поставленная задача решается в вертлюге-насадке для ручной буровой установки, содержащем корпус с боковым патрубком для подвода промывочной жидкости, вращающийся вал с отверстиями для подвода воды в буровые штанги, камеру, образованную стенками корпуса и валом, уплотнительные кольца и подшипниковые опоры, - корпус выполнен разъемным, состоящим из двух соединенных между собой частей - нижней и верхней; камера расположена в нижней части вертлюга, уплотнительные кольца представляют собой манжеты, контактирующие с наружной поверхностью вала и установленные в корпусе в пространстве, ограниченном камерой, а подшипники расположены между валом и корпусом в верхней части корпуса.
Поставленная задача решается за счет конструкции вертлюга-насадки, раскрытой в нижеприведенном описании и в прилагаемой формуле полезной модели.
Полезная модель, на наш взгляд, является новой и обладает промышленной применимостью.
На фиг. 1 представлен заявляемый вертлюг-насадка в разрезе, на фиг. 2 - вид заявляемого вертлюга-насадки.
Вертлюг-сальник содержит:
1 - корпус вертлюга-насадки, состоящий из двух частей;
2 - вращающийся вал, расположенный внутри корпуса;
3 - камера в нижней части корпуса;
4 - отверстия в валу вертлюга;
5 - болты для соединения двух частей корпуса между собой;
6 - уплотнительные кольца, выполненные в виде манжет;
7 - шайбы защиты манжет (резиновые, пластмассовые и др.);
8 - боковой вход для промывочной жидкости;
9 - шайба защиты подшипника;
10 - болты крепления шайбы; 11- подшипники;
12 - конический хвостовик;
13 - вход для привода (вращающего устройства);
14 - промежуточные втулки под болты, соединяющие две части корпуса между собой.
В предлагаемом вертлюге-насадке корпус 1 (фиг. 1) выполнен разъемным и состоит из двух частей, соединенных между собой болтами 5, находящимися внутри промежуточной втулки 14 (фиг. 2). Камера 3, образована стенками корпуса 1 и вращающимся валом 2. Она расположена в нижней части корпуса вертлюга, обращенной к буровым штангам (на чертежах не показаны). Манжеты 6, контактируют с наружной поверхностью вращающегося вала 2 и установлены в нижней части корпуса 1 в пространстве, ограниченном камерой 3. Подшипники 11 могут быть любыми, например, шариковыми, и они расположены между валом и корпусом в верхней части корпуса, обращенной к приводу (привод на чертежах не показан). Конический хвостовик 12 соединяет вращающийся вал 2 с приводом.
Сборка вертлюга-насадки осуществляется следующим образом. В верхнюю часть корпуса 1 запрессовываются подшипники 11. Затем в подшипники 11 устанавливается вращающийся вал 2, после чего устанавливается шайба защиты подшипника 9, которая закрепляется болтами 10. После чего в нижнюю часть корпуса 1 запрессовываются манжеты 6, закрывающиеся шайбами защиты 7 манжет 6. Нижняя часть корпуса 1 фиксируется на валу 2 и закрепляется болтами 5 с промежуточными втулками 14. Последняя операция - установка в нижнюю часть корпуса 1 бокового входа для промывочной жидкости 8. Далее вертлюг крепится к приводу (привод на чертежах не показан) хвостовиком 13.
Разборка вертлюга осуществляется в обратном порядке и может быть проведена в полевых условиях. Например для замены манжет 6 достаточно открутить болты 5, снять нижнюю часть корпуса 1 с вала 2 и открутить шайбы защиты манжет 7. После чего вручную, либо отверткой выпрессовать манжеты 6 и поставить новые. Запас прочности подшипников достаточен для работы, даже если один из них будет поврежден.
Предлагаемый вертлюг-насадка работает следующим образом. Промывочная жидкость подается под давлением, например, от гидрокомпрессора в боковой вход 8. Жидкость через отверстия 4 в валу 2 двигается вниз к буровым штангам, которые наращиваются при увеличении глубины скважины. В нижней буровой штанге установлен бур, который производит рыхление породы, а промывочная жидкость выносит ее наверх в пространство между буровой штангой и обсадной трубой и попадает в емкость (или емкости), где оседает буровая мелочь, а промывочная жидкость из емкости снова поступает в гидрокомпрессор за счет всасывания (буровые штанги, бур, обсадная труба и емкость на чертеже не показаны, т.к. они не являются частями вертлюга-насадки).
Особенно эффективно использовать предложенный вертлюг-насадку в замкнутом контуре циркуляции промывочной жидкости.
Преимущество предложенного вертлюга-насадки - упрощение разборки и сборки вертлюга-насадки, и как следствие, повышение ремонтопригодности. Вертлюг может использоваться как насадка на любой привод, удерживаемый только мускульной силой.