БУР ДЛЯ БУРЕНИЯ КОЛЬЦЕОБРАЗНЫХ СКВАЖИН
DRILL TO MAKE CIRCULAR WELLS

[0001] Данная заявка представляет притязание на приоритет в соответствии с Указом Патентного бюро Гонконга, Глава 514, ч. 111, по Предварительной патентной заявке США №61/441,656, поданной 11.02.2011 г., содержание которой полностью включено в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Настоящее изобретение в общем относится к области гражданского строительства. В частности, настоящее изобретение относится к способам и оборудованию для создания свайных фундаментов строительных конструкций.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Стандартное оборудование или способы бурения земли обычно позволяют выполнять буровые скважины с установленным единообразным или с требуемым значением наружного диаметра. В зависимости от состояния грунта в него в некоторых случаях устанавливают обсадную колонну для предотвращения обвала грунта в условиях рыхлого грунта. В случае стабильных пород обсадные колонны не требуются. В любом случае в процессе бурения необходимо выполнять выемку всего материала из скважины.
[0004] Одна из конструкций бурового оборудования имеет одиночный бурильный молот с погружным устройством ударного действия. В такой конструкции пробуренная скважина может иметь максимальный диаметр около 1500 мм. Такое бурение одиночным бурильным молотом с погружным устройством ударного действия также ведет к полной выемке всего материала изнутри скважины.
[0005] Другая конструкция бурового оборудования имеет некоторое число бурильных молотов с погружным устройством ударного действия, установленных на круглом диске и заключенных в цилиндрическом корпусе. Так как выполняется полная выемка всего материала такой цилиндрической скважины, эта конструкция также позволяет выполнять бурение сплошных цилиндрических скважин, но не скважин кольцеобразной формы.
[0006] Также распространено использование роторных бурильных машин для бурения скважин при помощи шнека в относительно мягком грунте, либо колонковой трубы для более плотных грунтов. Данный способ бурения также предполагает выемку всего материала изнутри скважины и формирование сплошной цилиндрической скважины.
[0007] При другом способе бурения используется обсадной стол для внедрения в грунт обсадной колонны путем вибрации и вдавливания. Для продолжения внедрения обсадной колонны в грунт необходимо вести выборку материала изнутри обсаженной скважины по мере ее вбивания такими устройствами, как грейферные ковши ударного действия и резцы. Соответственно, этот способ бурения не может быть использован для создания кольцеобразных скважин. Скорость внедрения также очень мала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Целью заявленного изобретения является создание устройства для бурения кольцеобразных скважин в грунте, конкретнее бурового устройства с некоторым количеством бурильных молотов с погружным устройством ударного действия, приводимых в движение посредством сжатого воздуха или жидкости под давлением, например воды, расположенных внутри кольцеобразного корпуса, для бурения кольцеобразных скважин в грунте с различными наружными диаметрами и внутренними диаметрами, которые могут быть спроектированы в соответствии с определенными требованиями бурения или проекта создания свайных фундаментов строительных конструкций. Наружный диаметр кольцеобразной скважины обычно может находиться в пределах от 200 мм до 5000 мм (и более). Чтобы соответствовать требованию формирований различных наружных и внутренних диаметров, количество молотов с погружным устройством ударного действия и их расположение в буровой зоне регулируется.
[0009] Настоящее изобретение направлено на создание устройства для бурения кольцеобразных скважин без выемки или перераспределения грунтового материала в центральной внутренней части кольцеобразной скважины. Выполняется выемка только материалов внутри кольцевой части, при этом в центральной внутренней части (цилиндрическая часть внутри внутреннего диаметра) кольцеобразной скважины остается столб (колонна) материала. Высокая ударная мощность устройства обеспечивает прохождение твердых пород, таких как гранит, с приемлемой скоростью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Ниже следует подробное описание вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
[0011] фиг. 1 иллюстрирует вид сбоку одного из вариантов осуществления заявленного устройства для бурения кольцеобразных скважин;
[0012] фиг. 2 иллюстрирует вид снизу узла бурильных молота с погружным устройством ударного действия одного из вариантов осуществления заявленного устройства для бурения кольцеобразных скважин;
[0013] фиг. 3 иллюстрирует сечение одного из вариантов осуществления заявленного устройства для бурения кольцеобразных скважин;
[0014] фиг. 4 иллюстрирует сечение узла бурильного молота с погружным устройством ударного действия одного из вариантов осуществления заявленного устройства для бурения кольцеобразных скважин;
[0015] фиг. 5 иллюстрирует верхнюю трубу с выходными отверстиями одного из вариантов осуществления заявленного устройства для бурения кольцеобразных скважин;
[0016] фиг. 6 иллюстрирует буровую коронку одного из вариантов осуществления заявленного устройства для бурения кольцеобразных скважин;
[0017] Фиг. 7 иллюстрирует различные примерные разрезы режущей поверхности буровой коронки и различные примерные конфигурации буровых коронок для нескольких периферийных слоев буровых коронок.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0018] В нижеследующем описании в качестве предпочтительных примеров выступают устройство для бурения кольцеобразных скважин и его аналоги. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что внесение изменений, включающих дополнения и/или замены, не выходит за пределы объема и сущности изобретения. Некоторые подробности могут быть опущены с тем, чтобы не затруднять понимание изобретения, однако описание выполнено таким образом, чтобы специалист в данной области техники смог практически использовать сведения, изложенные здесь, без необходимости излишнего экспериментирования. Несмотря на то, что описываемые далее способы осуществления ссылаются на использование сжатого воздуха в качестве среды передачи усилий, вместо сжатого воздуха может быть использована жидкость под давлением, например вода, без внесения существенных изменений в заявленное изобретение.
[0019] На фиг. 1 показан вид сбоку бурильной колонны для бурения кольцеобразных скважин 100. В соответствии с различными вариантами осуществления колонна (труб) для бурения кольцеобразных скважин включает в себя узел 101 буровых молотов с погружным устройством ударного действия, одну или более буровых труб 102, верхнюю трубу с выходными отверстиями 103, пневмораспределитель 104, стыковочный механизм 105 привода-вращателя для подключения привода-вращателя 106. Привод-вращатель 106 поддерживает скорость вращения и выходной крутящий момент всей буровой колонны 100. Привод-вращатель 106 оборудован входным вертлюгом 107, в который от внешнего источника поступает сжатый воздух и подается через внутренний канал вниз на стыковочный механизм 105 привода-вращателя. Возможны другие конфигурации буровой трубы, верхней трубы и пневмораспределителя. Количество и общая длина применяемых буровых труб 102 зависят от требуемой глубины бурения кольцеобразной скважины. В некоторых случаях при небольшой глубине бурения буровая труба не требуется.
[0020] Сжатый воздух, подаваемый от внешнего источника, на входной вертлюг 107 поступает через внутренний канал привода-вращателя 106 вниз, в стыковочный механизм 105 привода-вращателя, затем по внутреннему каналу в стыковочном механизме 105 привода-вращателя в пневмораспределитель 104, расположенный ниже. Пневмораспределитель 104 распределяет поток воздуха на несколько отдельных воздушных каналов, количество которых соответствует числу бурильных молотов с погружным устройством ударного действия, установленных в узле 101 бурильных молотов с погружным устройством ударного действия. В этом примере осуществления используются пять бурильных молотов с погружным устройством ударного действия. В этом случае пневмораспределитель 104 оканчивается пятью воздушными каналами, каждый из них также подключен к внутреннему воздуховоду, расположенному на верхней трубе с выходными отверстиями 103, к внутреннему воздуховоду в буровой трубе 102, затем к соответствующему бурильном молоту с погружным устройством ударного действия.
[0021] Как показано на фиг. 1, во время бурения одновременно с перфорированием грунта бурильными молотами с погружным устройством ударного действия вся буровая колонна, включая пневмораспределитель 104, буровые трубы 102 и передний узел 101 бурильных молотов с погружным устройством ударного действия для бурения кольцеобразных скважин, вращается, приводимая в движение приводом-вращателем сверху. Привод-вращатель обеспечивает крутящий момент вращения, достаточный для преодоления силы трения при бурении. Ось вращения находится в центре кольца. Таким образом, ударное действие, оказываемое каждым буром, вместе с постоянным вращением кольцевых бурильных молотов, ведет к полному дроблению материалов грунта в кольцевой зоне бурения.
[0022] По фиг. 1 и 5. Как показано на фиг. 5, внутренние воздуховоды 501 от верхнего торца и до нижнего торца верхней трубы оборудованы выходными отверстиями 103, там же она подсоединена к буровым трубам 102, расположенным ниже. Сжатый воздух подается по внутренним воздуховодам 501 в верхнюю трубу с выходными отверстиями 103, по внутренним воздуховодам в буровые трубы 102, затем поступает в верхний стыковочный механизм узла 101 бурильного молота с погружным устройством ударного действия. В верхнем стыковочном механизме сжатый воздух, подаваемый по внутренним воздухопроводам буровых труб 102, подается к входному отверстию (патрубку) в верхней части задней головки узла 101 бурильного молота с погружным устройством ударного действия.
[0023] По фиг. 1 и 4. Задняя головка представляет собой кольцеобразный корпус с установленными наружным и внешним диаметрами. В задней головке сжатый воздух поступает по воздуховоду и оказывает давление на верхний переходник бурильного молота с погружным устройством ударного действия, обеспечивая возвратно-поступательное движение поршня 402. Поршень 402 ударяет по буру 401, расположенному ниже, передавая ударное воздействие, буровая коронка, в свою очередь, ударяет по грунту. После каждого удара сжатый воздух проходит через поршень и выходит через выходное отверстие, расположенное в нижней части буровой коронки. Выпускаемый сжатый воздух удаляет размельченные обломки или частицы породы, перемещая их вдоль внутренней и внешней поверхностей кольцевого корпуса 400. Размельченные обломки или частицы породы, прогоняемые вдоль внешней поверхности кольцевого корпуса 400, перемещаются вверх вдоль буровых труб 102 и выходят на поверхность земли. Материал, прогоняемый вдоль внутренней поверхности кольцевого корпуса 400, перемещается вверх вдоль буровых труб 102, достигает верхней трубы с выходными отверстиями 103 и выходит через выходные отверстия на поверхность земли.
[0024] Для соединения передней секции узла 101 бурильного молота с погружным устройством ударного действия, главного корпуса и задней головки служат соединительные болты, гайки и контргайки. При проведении технического обслуживания отдельных бурильных молотов с погружным устройством ударного действия, либо при замене буровых коронок соединительные болты могут быть ослаблены или сняты. Специалистам в данной области техники должны быть известны и иные способы соединения основных элементов узла 101 бурильного молота с погружным устройством ударного действия для бурения кольцеобразных скважин.
[0025] Верхние переходники бурильных молотов с погружным устройством ударного действия находятся и заключены в корпус на задней головке в требуемом положении и скреплены винтами с соответствующими корпусами бурильных молотов с погружным устройством ударного действия. Верхний переходник смонтирован и удерживается в корпусе задней головки парой упорных колец коронки. Зажимной патрон каждого бурильного молота с погружным устройством ударного действия крепится на его нижней части, его внешняя часть имеет шестиугольную форму. Шестиугольные зажимные патроны размещаются в требуемых местах в передней части узла 101 бурильного молота с погружным устройством ударного действия. Шестиугольные зажимные патроны обладают тем преимуществом, что их шестиугольные корпуса выдерживают любую скручивающую нагрузку на отдельные бурильные молоты с погружным устройством ударного действия вдоль их продольных осей во время бурения. Однако допускается использование зажимных патронов других форм, например зажимных патронов с круглым сечением.
[0026] Величина наружного диаметра бурения кольцеобразной скважины определяется величиной радиуса от внешней линии между буровыми головками специально подобранного размера до центра кольцевого корпуса 400. Величина внутреннего диаметра кольцеобразной скважины определяется величиной радиуса от внутренней линии между буровыми головками специально подобранного размера до центра кольцевого корпуса 400.
[0027] Буровой наружный диаметр кольцеобразной скважины рассчитан так, чтобы превышать наружный диаметр узла 101 бурильных молотов с погружным устройством ударного действия для бурения кольцеобразных скважин и буровых труб 102. То есть наружный диаметр кромки буровой коронки 401 превышает наружный диаметр кольцевого корпуса 400. С другой стороны, буровой внутренний диаметр кольцеобразной скважины рассчитан так, чтобы быть меньше внутреннего диаметра узла 101 бурильных молотов с погружным устройством ударного действия для бурения кольцеобразных скважин и буровых труб 102. То есть внутренний диаметр кромки буровой коронки 401 меньше, чем внутренний диаметр кольцевого корпуса 400. Целью такой конструкции является снижение сопротивления на поверхности всей буровой колонны по мере ее все более глубокого проникновения в грунт.
[0028] В зависимости от требований, предъявляемых к кольцеобразной скважине, возможны различные схемы размещения буровых коронок. В случае если разница между наружным и внутренним диаметрами кольцеобразной скважины невелика, используется один кольцеобразный ряд буровых коронок. В одном из вариантов осуществления один кольцеобразный ряд состоит из пяти буровых коронок, как показано на фиг. 2. Для кольцеобразных скважин с большой разницей между наружным и внутренним диаметрами могут быть использованы два или три кольцеобразных ряда буровых коронок, охватывающих большую площадь бурения кольцеобразной скважины, как показано на фиг. 7.
[0029] Передний узел 101 бурильных молотов с погружным устройством ударного действия для бурения кольцеобразных скважин, показанный на фиг. 1, включает пять буровых коронок с погружным устройством ударного действия с пневматическим приводом, распределенных и установленных в кольцевом корпусе 400. Кольцевой корпус 400 имеет внешний кожух и внутренний кожух требуемого диаметра. Поверхности, создаваемые внешним и внутренним кожухами, служат для выбрасывания отработанного воздуха и породы. Пространство между внешним и внутренним кожухами вмещает бурильные молоты с погружным устройством ударного действия, количество и диаметр которых определяются требуемым наружным и внутренним диаметрами кольцеобразной скважины. Каждый бурильный молот с погружным устройством ударного действия устанавливается вдоль этого пространства между кожухами, параллельно оси бурения буровой колонны. Все бурильные молоты с погружным устройством ударного действия смонтированы и удерживаются корпусом в продольном направлении.
[0030] Как показано на фиг. 2, каждая буровая коронка 202 удерживается на месте двумя смежными делительными узлами 201. Делительные узлы 201 предотвращают проворачивание буровых коронок 202 вдоль оси соответствующего бурильного молота с погружным устройством ударного действия. Делительные узлы 201 встроены специально для сопротивления скручивающим и осевым нагрузкам, испытываемым буровыми коронками 202 в процессе бурения, при котором узел бурильных молотов с погружным устройством ударного действия для бурения кольцеобразных скважин вращается, а все буровые коронки 202 оказывают ударное воздействие на грунт. Разделение всех буровых коронок 202 также предотвращает их прокручивание и таким образом обеспечивает максимальную поверхность ударного воздействия на грунт как на внешней, так и на внутренней выступающей кромке в течение всего времени бурения.
[0031] По фиг. 6. В соответствии с различными вариантами осуществления в нижней части каждой буровой коронки устанавливаются буровые коронки специальной конструкции с наконечниками из карбида вольфрама 601. Буровые коронки имеют внешние кромки специальной формы, позволяющие достичь большей площади дробления по наружному и внешнему диаметрам кольцевой зоны бурения. Режущая поверхность буровой коронки не обязательно имеет круговую форму, она может быть треугольной, четырехугольной, либо иметь любой специальный профиль, как показано на фиг. 7. Режущая поверхность буровой коронки спроектирована так, чтобы обеспечивать максимальную силу удара как на внешней, так и на внутренней кромке.
[0032] В зависимости от различных вариантов осуществления для обеспечения возвратно-поступательных ударных движений бурильных молотов вместо сжатого воздуха может быть использована жидкость под давлением. В этом случае жидкость под давлением (вместо сжатого воздуха) подается через входной вертлюг 107 в привод-вращатель 106, поступает через патрубки подачи жидкости в верхнюю трубу 103, затем через буровые трубы 102 во все бурильные молоты с погружным устройством ударного действия, обеспечивая возвратно-поступательное ударное движение во время бурения.
[0033] Вышеприведенное описание настоящего изобретения изложено в иллюстративных и описательных целях. Оно не должно считаться полным, либо ограничивать изобретение точными описанными формами. Возможно множество различных дополнений и изменений, очевидных для специалиста в данной области техники.
[0034] Варианты осуществления были выбраны и описаны с целью наиболее полного описания принципов изобретения и его практического применения, позволяя специалистам в данной области техники понять изобретение с различными вариантами осуществления и с разнообразными изменениями, применимыми для конкретных целей. Предполагается, что объем изобретения должен быть определен в соответствии с изложенной далее формулой изобретения и ее аналогами.