УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ И ЗОНДИРОВАНИЯ
DRILLING AND PROBING PARAMETERS MEASURING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к области строительства и предназначено для использования при проведении инженерно-геологических изысканий с целью определения механических свойств грунтов в полевых условиях.
Уровень техники
Аналогом данного предполагаемого изобретения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЖАЮЩИХСЯ ПО ПЛОТНОСТИ ГРУНТОВ (патент на изобретение RU №2378452, заявка 2008123776/03 от 18.06.2008, МПК E02D 1/02, опубликовано 10.01.2010 [1]), состоящее из полой шнековой колонны и лопастного шнекового долота, включающего корпус с лопастями и пилотный резец, отличающееся тем, что одна из лопастей шнекового долота выполнена большего размера, чем другая, и жестко соединена с корпусом шнекового долота и ребордой, а лопасть меньшего размера шарнирно связана с корпусом шнекового долота для обеспечения ее отклонения от оси и выполнена заодно с пилотным резцом, верхний торец которого является клапаном и входит во внутреннюю полость корпуса шнекового долота, перекрывая ее, при этом верхний торец жестко закрепленной к корпусу шнекового долота лопасти большего размера расположен выше торца лопасти меньшего размера.
Недостаток данного устройства - невозможность непрерывного измерения параметров статического зондированиям, так как зонд выдвигается в грунт через внутреннюю полость корпуса шнекового долота только после прекращения проходки скважины шнековой колонной. Кроме того, время затрачиваемое на опускание зонда в скважину и подъем его обратно уменьшают производительность испытаний.
Другим аналогом заявляемого технического решения является ЗОНД ДЛЯ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ (патент SU №1742415, заявка 4838433/33 от 12.06.90, МПК E02D, 1/00 опубликовано 23.06.92 [2]), включающий корпус, полый конусный наконечник с фильтром, датчик лобового сопротивления, датчик порового давления мембранного типа, гидравлически связанный рабочей камерой с фильтром конусного наконечника, компенсационный фильтр, уширитель, при этом компенсационный фильтр расположен на верхнем торце уширителя, а компенсационная камера расположена над нерабочей поверхностью мембраны и гидравлически связана с компенсационным фильтром.
Недостаток данного устройства - невозможность измерения параметров бурения в виде крутящего момента и скорости вращения. Кроме того, зонд для статического зондирования практически невозможно использовать для исследования свойств галечниковых, крупнообломочных, скальных и мерзлых грунтов без устройства скважины.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ (патент RU №2626865, заявка №2015154948 от 21.12.2015, опубликовано 02.07.2017 [3]), содержащее транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, и устройство для измерения параметров бурения, один конец которого соединен с валом вращателя транспортного средства, другой - с хвостовиком буровой колонны, отличающаяся тем, что с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерений устройство для измерения параметров бурения снабжено датчиком силы двунаправленного действия, датчиком для измерения скорости вращения и датчиком для измерения угла наклона буровой колонны, при этом измерение глубины погружения буровой колонны и линейной скорости выполняется потенциометрическим дальномером.
Основным недостатком данного устройства является невозможность измерения параметров статического зондирования. Кроме того, устройство для измерения параметров бурения расположено в верхней части колонны шнеков над поверхностью грунта. Поэтому на измеряемые крутящий момент, усилие и скорость вращения оказывает влияние изгиб колонны шнеков, силы трения между поверхностью реборд шнека и грунтом, силы трения между перемещаемым грунтом и стенками скважины и другие факторы.
Сущность технического решения
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и повышения точности измерений.
Цель достигается тем, что в установке для бурения скважин, содержащая транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, колонну полых шнеков и буровое долото, устройство для измерения параметров бурения и зондирования функционально объединяет возможности устройства бурового зондирования [4] и устройства статического зондирования [5, 6] в единое устройство измерения параметров бурения и зондирования, которое выполнено в виде стального цилиндра с ребордами, содержащее с одной стороны хвостовик, а с другой буровое долото и зонд для статического зондирования.
Параметрами бурения являются крутящий момент, скорость вращения, осевая нагрузка, глубина погружения, время в процессе стабилизации процесса нагрева и оттаивания мерзлого грунта.
Параметрами статического зондирования являются лобовое сопротивления грунта под конусом зонда, силы трения на боковой поверхности зонда, угол наклона, поровое давление, скорость поперечных и продольных волн, температура грунта, глубина погружения.
Основным недостатком зонда для статического зондирования является малая глубина зондирования из-за большой величины сил трения по всей боковой поверхности погружаемого зонда и штанг, что частично устраняется путем введения уширителя над зондом [5]. Однако полностью трение на штангах исключить не удается, что приводит к большой погрешности измерений. Кроме того, практически невозможно погрузить зонд на большую глубину в песчаные, крупнообломочные, мерзлые грунты и скальные грунты. Эти недостатки устраняются если выполнять бурение скважины, а зондирование грунта выполнять ниже забоя скважины по мере ее проходки. В этом случае, кроме параметров зондирования можно измерять одновременно и параметры бурения что существенным образом расширяет возможности исследования свойств различных грунтов. При исследовании свойств скальных грунтов зонд может быть удален из устройства и выполнено зондирование с измерением параметров бурения.
Зонд расположен ниже бурового долота и соединен резьбовой втулкой с опорным подшипником над буровым долотом. Поступательное движение зонда создает шнек при своем погружении вдавливая тем самым статический зонд в грунт. Подшипник в данном случае выполняет роль развязки, снимает вращение с зонда и передает осевую нагрузку. Трение зонда о грунт намного выше трения в подшипнике поэтому зонд не будет вращаться вокруг своей оси. Включение в конструкцию устройства зонда позволяет измерять параметры статического зондирования, что расширяет функциональные возможности устройства.
Конструкция зонда предусмотрена съемной для чего в верхней части зонда имеется резьба для соединения с резьбовой втулкой в опорном подшипнике. Подобное соединение позволяет убирать зонд при бурении скважин в скальных грунтах и выполнять операции по подготовке зонда к работе (калибровка, водонасыщение фильтров и др.).
Сигналы с датчиков зонда передаются по беспроводной связи в блок электроники измерения параметров бурения, а затем совместно с сигналами с датчиков устройства измерения параметров бурения передаются в цифровом виде по беспроводной связи на поверхность грунта через внутреннюю полость колонны шнеков. Введение беспроводной связи в зонде допускает передачу сигналов при вращении шнековой колонны относительно зонда, что невозможно при проводной связи.
Вес шнековой колонны и вес грунта на ее ребордах измеряются датчиком силы расположенный в верхней части полой шнековой колонны. Определив вес полой шнековой колонны и вес грунта на ее ребордах можно найти давление в забое скважины, как отношение суммарного веса к площади поперечного сечения бурового долота. Это позволяет найти модуль деформации грунта из зависимости осадка колонны шнеков - давление на грунт методом испытаний штампом [7].
Введение в устройство кольцевого нагревательного элемента над буровым долотом и зондом позволяет измерять осадку шнековой колонны при нагревании и оттаивании мерзлого грунта, что расширяет функциональные возможности устройства в случае испытаний мерзлых грунтов горячим штампом [7].
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг. 1 изображена установка для измерения параметров бурения и зондирования.
На фиг. 2 показано устройство для измерения параметров бурения и зондирования.
На фиг. 3 показан профиль параметров бурения: 1 - крутящий момент; 2 - осевая нагрузка; 3 - скорость вращения; 4 - линейная скорость
На фиг. 4 показан профиль одного из параметров зондирования: 1, 2, 3, 4 - значения лобового сопротивления при зондировании на расстоянии не более 2 м друг от друга.
s
На фиг. 5 показан пример интерпретации параметров бурения и зондирования при определении инженерно-геологических элементов (ИГЭ). Здесь кривая 1 - механическая мощность (А), кривая 2 - удельная энергия (Е) [4]; q - лобовое сопротивление, МПа; f - силы трения, кПа.
Пример реализации технического решения
На фиг. 1 установка для измерения параметров бурения и зондирования содержит транспортное средство 1, мачту 2, вращатель 3, полую колонну шнеков 4, устройство для измерения параметров бурения и зондирования 5, дальномер 6, датчик силы 7, компьютер 8.
На фиг. 2 показано устройство для измерения параметров бурения и зондирования, которое содержит устройство измерения параметров бурения и устройство измерения параметров зондирования.
Устройство измерения параметров бурения содержит цилиндрический корпус 9, реборды 10, хвостовик 11, блок электроники 12 включая источник питания и датчики крутящего момента, скорости вращения, осевой нагрузки (на рис. 2, условно не показаны), опорный подшипник 12, резьбовую втулку 13, буровое долото 14, кольцевой нагревательный элемент 15. Сигналы с датчиков усиливаются, преобразуются в цифровой вид и по беспроводной связи передаются на поверхность грунта в компьютер через полость шнековой колонны.
Устройство измерения параметров зондирования содержит корпус 16, блок электроники 17 включая блок питания и датчики лобового сопротивления грунта под конусом зонда, датчик сил трения на боковой поверхности зонда, датчик угла наклона, датчик порового давление, датчик вибрации, датчик температуры (на рис. 2, условно не показаны). Сигналы с датчиков зонда передаются по беспроводной связи в блок электроники устройства измерения параметров бурения 12, а затем совместно с сигналами датчиков бурения в компьютер на поверхность грунта по беспроводной связи.
Устройство для измерения параметров бурения и зондирования (далее по тексту как «устройство») работает следующим образом.
В нижней части устройства присоединяется буровое долото 14 и зонд для статического зондирования 16 вворачивается во втулку опорного подшипника 12. Устройство хвостовиком 11 соединяется с датчиком силы 7 и вращателем 3 бурового станка, на мачте 2 закрепляется дальномер 6 и тросик дальномера фиксируется на корпусе вращателя 3, включаются источники питания и сигналы с датчиков начинают поступать в цифровом виде по беспроводной связи в компьютер 8.
Далее буровой мастер приводит в действие вращатель и начинается процесс бурения скважины. Крутящий момент и осевая сила, от буровой установки, одновременно передаются на хвостовик устройства 11. Крутящий момент, осевая нагрузка, скорость вращения, измеряется датчиками встроенные в корпусе 9 устройства. Осевое перемещение измеряется дальномером 6.
Лобовое сопротивление грунта под конусом зонда, силы трения на боковой поверхности зонда, угол наклона, поровое давление, скорость поперечных и продольных волн, температура грунта измеряются датчиками встроенные в корпус зонда 16.
Испытания грунтов, с использованием устройства, проводятся следующим образом.
1. В точке исследования свойств грунтов устанавливают транспортное средство 1 производят подъем мачты 2, на которой расположен вращатель 3, верхний хвостовик устройства 11 соединяется с датчиком силы 7 и вращателем бурового станка 3. Дальномер 6 закрепляется на мачте бурового станка, а его тросик соединяется с корпусом вращателя 3. Затем включаются компьютер 8, автономные источники питания дальномера и устройств для измерения параметров бурения и зондирования, после чего начинают процесс бурения скважины. Сигналы с датчиков устройства и, дальномера поступают в компьютер и отображаются в физических величинах на его экране.
2. При полном погружении устройства к нему присоединятся следующий стандартный полый шнек, а верхний хвостовик шнека 11 соединяется с датчиком силы 7 и вращателем 3. После чего продолжается процесс бурения скважины.
3. В процессе бурения скважины в базу данных компьютера заносятся параметры бурения и зондирования: крутящий момент, осевая нагрузка, глубина погружения, время в процессе стабилизации процесса нагрева и оттаивания мерзлого грунта, скорость вращения буровой колонны и ее угол наклона, лобовое сопротивление грунта под конусом зонда, силы трения грунта вдоль боковой поверхности зонда, температуру конуса зонда, скорость поперечных и продольных волн, поровое давление.
4. В случае испытаний мерзлого грунта используя кольцевой нагревательный элемент выполняют нагревание грунта и измеряют мощность нагрева и температуру нагрева мерзлого грунта [7].
5. Используя данные измерений, строят профили измеряемых параметров бурения (фиг. 3), зондирования (фиг. 4) и определяют физико-механические характеристики грунтов. На фиг. 5 показан пример определения модуля деформации грунтов используя данные зондирования и корреляционные уравнения СП 47.13330 [8], приложение И.
Промышленная применимость
Устройство для измерения параметров бурения и зондирования промышленно реализуемо, обладает более широкими функциональными возможностями и повышенной точностью измерений.
Список литературы
1. Патент на изобретение RU №2378452, заявка 2008123776/03 от 18.06.2008, МПК E02D 1/02, опубликовано 10.01.2010. Устройство для проведения статического зондирования перемежающихся по плотности грунтов.
2. Патент на изобретение SU №1742415, заявка 4838433/33 от 12.06.90, МПК E02D 1/00, опубликовано 23.06.92. Зонд для статического зондирования водонасыщенных грунтов.
3. Патент на изобретение RU №2626865, заявка №2015154948 от 21.12.2015, опубликовано 02.07.2017. Устройство для измерения параметров бурения.
4. Болдырев Г.Г., Кальбергенов Р.Г., Кушнир Л.Г., Новичков Г.А. Буровое зондирование грунтов. Инженерные изыскания, 2012, №12. С. 38-45.
5. Рыжков И.Б., Исаев О.Н. Статическое зондирование. АСВ, 2010. - 496 с.
6. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М., Стандартинформ, 2012.
7. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. М., Стандартинформ, 2013.
8. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Общие положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. М., 2012.