УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОХОДКИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к технологии строительных работ при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.
Известно устройство для образования скважин способом уплотнения грунта в стенке скважины (см. 1. патент на изобретение РФ №2470119, МПК E02F 5/16, опубл. 20.12.2012 г.). Изобретение относится к строительству, а именно к возведению фундаментов на набивных сваях, а также для бестраншейной прокладки трубопроводов, кабельных линий связи и электропередач. Устройство содержит расширитель в виде ступицы с винтовой лопастью и конусным наконечником, жестко соединенным трубчатым валом с выхлопными отверстиями, ориентированными перпендикулярно его оси, винтовой лидер, винтовая лопасть которого имеет такую же навивку и шаг, что и винтовая лопасть ступицы расширителя, источник газодинамического импульса, соединенный с трубчатым валом. Винтовой лидер оснащен механизмом разрушения препятствий, а трубчатый вал соединен с источником газодинамического импульса полой штангой, внутри которой смонтирован трубопровод для подачи сжатого воздуха для привода механизма разрушения препятствий. Устройство позволит свести к минимальным потерям скважин в грунтах с включением камней и валунов. Однако, для использования данного устройства необходимо предварительно иметь скважину хотя бы минимального диаметра.
Известно пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте (см. 2. патент на изобретение РФ №2455445, МПК E02F 5/16, E21B 1/30, E21C 37/00, опубл. 10.07.2012 г.). Изобретение относится к строительной технике для образования скважин в грунте.
Устройство включает полый корпус с бесступенчатым ударником с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры рабочего и холостого хода, центральную трубку, взаимодействующую с центральным сквозным каналом ударника, футорку с постоянно открытым каналом впуска и шлангом для подачи сжатого воздуха из сети, крышку с отверстием для пропуска центральной трубки, предкамеру сетевого воздуха, хвостовик, входящий в камеру холостого хода, хвостовик и футорка выполнены со сквозными каналами для пропуска центральной трубки, уплотненно закрепленной относительно хвостовика и футорки, в центральной трубке установлена коаксиально с кольцевым зазором дополнительная трубка с радиальным выпускным каналом и с закреплением по ее торцам относительно центральной трубки. В дополнительной трубке выполнены пазы, уплотненно сопряженные с поверхностью центральной трубки, образуя при этом раздельно продольный дроссельный канал впуска воздуха в камеру холостого хода и канал выпуска воздуха из камер рабочего и холостого хода, причем продольный дроссельный канал со стороны камеры холостого хода и предкамеры снабжен радиальными каналами в центральной трубке. Обеспечивает увеличение силовых импульсов давления со стороны камеры рабочего и холостого ходов и увеличение кинетической энергии удара.
Данное устройство является достаточно сложным, поскольку для обеспечения его работоспособности требуется наличие источника сжатого воздуха.
Известно устройство для погружения в грунт труб (см. 3. патент РФ на полезную модель №8376, МПК E02F 5/16, опубл. 16.11.1998 г.), включающее ударный механизм с полым корпусом и наковальней, отличающееся тем, что один конец наковальни выполнен в виде фланца для присоединения к забиваемой трубе, а другой размещен в корпусе с возможностью осевого перемещения, причем корпус и наковальня соединены с помощью тяги. Боковая поверхность наковальни, размещенная в корпусе, выполнена сферической.
Однако данное устройство обладает низкой производительностью из-за сложности и длительности погружения трубы при проходке последней через трудноразрушаемую породу (валуны). В этой конструкции труба является фактически проходческим снарядом, а для выполнения данной функции она, как правило, не приспособлена.
Известно устройство для проходки скважин (см. 4. патент РФ на полезную модель №13218, МПК E02F 5/16, опубл. 27.03.2000 г.), включающее ударный узел и насадку на головной части ударного узла, отличающееся тем, что насадка выполнена в виде стакана, открытого в сторону проходки. Внутренняя поверхность насадки выполнена конической, большее основание которой обращено в сторону проходки. Насадка выполнена съемной.
Однако данное устройство также обладает малой производительностью, т.к. скорость проходки низка из-за необходимости частого опорожнения насадки.
Данное устройство наиболее близко по технической сущности к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение скорости проходки горизонтальных скважин ударным способом путем последовательного прохождения в грунте инструментом разного сечения.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемой установке для проходки горизонтальных скважин, содержащей ударный механизм, воздействующий на буровой снаряд, при этом согласно полезной модели ударный механизм выполнен в виде дизель-молота, снабженного ударной бабой, и установленного вертикально в направляющих копра и взаимодействующего с ударно-поворотным механизмом гидравлической системы, выполненным в виде блока из двух сообщающихся между собой вертикального и горизонтального гидроцилиндров, причем последний ориентирован в направлении проходки, и соединенных общей полостью, при этом шток горизонтального гидроцилиндра соединен с наращиваемой штангой, взаимодействующей с буровым снарядом, выполненным в виде телескопической трубы, внутри которой размещен ударный наконечник предварительной проходки, оборудованный на своем торце наковальней, с возможностью взаимодействия с фигурным бойком наращиваемой штанги, установленный в шлицах внутри телескопической трубы, задний торец которой также выполнен в виде наковальни, с возможностью взаимодействия с упомянутым бойком, а передняя часть трубы выполнена конусной и сопряженной с носовой частью наконечника предварительной проходки.
Гидравлическая система установки может быть дополнительно снабжена гидронасосом для работы на легких грунтах и технологического обеспечения при отключенном дизель-молоте.
При этом гидроцилиндры один от другого в этой полости перекрыты первым клапаном, а вертикальный гидроцилиндр соединен трубопроводом со вторым клапаном с запоршневым пространством горизонтального гидроцилиндра, при этом запоршневое пространство горизонтального гидроцилиндра сообщается со сливным баком через третий клапан, четвертый клапан служит для слива жидкости в сливной бак из вертикального гидроцилиндра а пятый клапан - для слива жидкости из горизонтального гидроцилиндра.
Для перехода в режим работы на легких грунтах гидронасос снабжен шестым клапаном.
Установка может содержать седьмой клапан для возврата гидроцилиндров в исходное положение для совершения рабочего хода.
Кроме того, фигурный боек ударной наращиваемой штанги может быть снабжен центрирующим конусом.
Установка может быть снабжена горизонтальной опорной и вертикальной упорной плитами, на которые опирается ударно-поворотный механизм, удерживаемый в вертикальной плоскости копром.
Телескопическая труба установки может быть снабжена защитной оболочкой, элементы которой, выполнены навинчиваемыми последовательно на телескопическую трубу и друг на друга и смонтированы поэлементно снаружи ударной наращиваемой штанги.
Шток горизонтального гидроцилиндра может быть выполнен наращиваемым отдельными элементами с помощью конического резьбового соединения.
Шток вертикального гидроцилиндра выполнен с возможностью соединения с ударным грузом дизель-молота гибкой связью.
Введение указанных отличий в предлагаемую установку приводит к тому, что ударная энергия дизель-молота расходуется на проходку скважины последовательно. Сначала скважина проходится малым диаметром ударного наконечника, а затем телескопической ударной трубой. Усилие на проходку по сравнению с прототипом уменьшается в два раза, что приводит к повышению скорости проходки.
На фиг.1 представлен общий вид установки. На фиг.2 изображен общий вид бурового снаряда в исходном положении, а на фиг.3 - он же с выдвинутым ударным наконечником. На фиг.4 и 5 - показано сочленение бурового снаряда с бойком ударной наращиваемой штанги. На фиг.6 изображена гидравлическая схема установки.
Согласно фиг.1 устройство содержит ударный механизм, выполненный в виде дизель-молота 1, воздействующего на буровой снаряд 2. Дизель-молот 1 установлен вертикально в направляющих 3 копра 4 и взаимодействует с ударно-поворотным механизмом 5, который служит для передачи энергии дизель-молота 1 буровому (проходческому) снаряду. Ударно-поворотный механизм 5 выполнен в виде блока из двух сообщающихся между собой вертикального 6 и горизонтального 7 гидроцилиндров, причем горизонтальный гидроцилиндр 7 ориентирован в направлении проходки, и удерживается копром 4. Шток 8 гидроцилиндра 7 соединен с ударной штангой 9, наращиваемой отдельными элементами с помощью конического резьбового соединения, и взаимодействующей с буровым (проходческим) снарядом 2, выполненным в виде сборной толстостенной трубы 10, внутри которой размещен ударный наконечник 11 предварительной проходки. Наконечник 11 оборудован на своем торце наковальней 12, с возможностью взаимодействия своей поверхностью Т1 с поверхностью ТО фигурного бойка 13 ударной (наращиваемой) штанги 9, установленный в шлицах внутри телескопической трубы 10. Задний торец трубы 10 также выполнен в виде наковальни 14, с возможностью взаимодействия своей поверхностью T1 с поверхностью ТО фигурного бойка 13. Передняя часть трубы 10 выполнена конусной и сопряженной с носовой частью наконечника 11 предварительной проходки. Боек 13 наращиваемой штанги 9 снабжен центрирующим конусом 15. Устройство оборудовано горизонтальной опорной 16 и вертикальной упорной 17 плитами, на которые опирается ударно-поворотный механизм 5, а также защитной оболочкой 18. Элементы защитной оболочки 18, выполнены навинчиваемыми последовательно на телескопическую трубу и друг на друга и монтируются поэлементно снаружи ударной наращиваемой штанги 9. Ударно-поворотный механизм 5 установки, как упомянуто выше, состоит из двух гидроцилиндров 6 (вертикальный) и 7 (горизонтальный), соединенных общей полостью. Причем один гидроцилиндр от другого в этой полости перекрываются клапаном K1. При этом гидроцилиндр 6 соединен трубопроводом с клапаном K2 с запоршневым пространством цилиндра 7. Запоршневое пространство цилиндра 7 сообщается со сливным баком 19 через клапан К3. Клапан K4 служит для слива жидкости в сливной бак 19 из вертикального цилиндра 6, а К5 - для слива из горизонтального гидроцилиндра 7. Устройство дополнительно снабжено клапаном K6 и гидронасосом 20 для работы на легких грунтах и технологического обеспечения при отключенном дизель-молоте 1. Клапан K7 служит для возврата поршней обоих цилиндров в исходное положение для совершения рабочего хода.
Шток вертикального гидроцилиндра 6 выполнен с возможностью соединения с ударным грузом дизель-молота съемной связью.
Установка работает следующим образом. Перед началом работы копер 4 устанавливают в приямок перед его вертикальной стенкой в направлении проходки. На горизонтальную опорную плиту 16 устанавливают ударно-поворотный механизм 5 и упирают его в вертикальную упорную плиту 17, установленную вертикально, в противоположную стенку приямка для принятия реакции удара. Монтируют дизель-молот 1. Соединяют шток цилиндра 6 с ударной бабой дизель-молота с помощью съемной связи (на чертежах не показана) и поднимают его поршень вверх до исходного положения. При этом поршень гидроцилиндра 7 занимает крайнее левое исходное положение, а гидравлическая жидкость из цилиндра 7 перетекает в цилиндр 6. Затем устанавливают первый элемент наращиваемой штанги 9, который стыкуют с проходческим снарядом 2. На трубу 10 навинчивают элемент защитной оболочки 18 (фиг.4). При этом фигурный боек 13 поверхностью To наращиваемой штанги 9 упирают в наковальню 12 (поверхность T1) ударного наконечника 11. Переводят поршень вертикального гидроцилиндра 6 в верхнее положение, а поршень горизонтального 7 в исходное (крайнее левое). Закрывают все клапаны, кроме K1 и К3. Наносят удары дизель-молотом 1 по штоку гидроцилиндра 6 усилием Руд 1., энергия которых через жидкость, размещенную в общей полости гидроцилиндров 6 и 7, передается на поршень гидроцилиндра 7 и, соответственно, через его шток 8 и ударную штангу 9 - на самоцентрирующийся наконечник 11 проходческого снаряда 2 с усилием Руд 2. Жидкость горизонтального цилиндра 7 из его запоршневой полости передавливается в сливной бак через клапан КЗ. При этом через ударно-поворотный механизм 5 наносят удары по ударному наконечнику 11 бойком 13, центрируя последний конусом 15. Наконечник 11 под действием ударов дизель-молота 1 внедряется в грунт на величину своего хода. В конце рабочего хода установки останавливают дизель-молот 1 и с помощью гидронасоса (ГН) возвращают поршни цилиндров 6 и 7 в исходное положение, вытягивая шток поршня 6, связав его с ударной бабой дизель-молота или закачивая жидкость через клапан K7 в запоршневое пространство гидроцилиндра 7. При этом все клапаны закрыты, кроме K7 и K1. Выключают гидронасос 20 и закрывают клапан K7. Наращивают ударную штангу 9, навинчивая на нее дополнительный элемент, а на трубу 10 навинчивают элемент защитной оболочки 18. Установка готова к следующему циклу работы.
Далее, в зависимости от сопротивления грунта, выполняют следующие действия. Если грунт достаточно слабый, то вставляют следующий элемент наращиваемой штанги 9 и продолжают проходку. При этом ударный наконечник 11 не только продолжает внедряться в грунт, но и тянет за собой телескопическую трубу 10, которая формирует полный профиль скважины, устанавливая защитную оболочку 18.
При большом сопротивлении грунта, наращиваемую штангу вытягивают из трубы 10 через фигурный вырез, проворачивают на 90° и удары производят по наковальне 14 (поверхность T2) заднего торца трубы 10 тем же бойком 13. При этом труба 10 движется по наконечнику 11, расширяя сечение скважины. Выбрав весь рабочий ход, устанавливают следующий элемент наращиваемой штанги 9 и элемент защитной оболочки 18. Цикл работы повторяют.
После окончания проходки, при необходимости сохранить профиль скважины, на трубу 10 монтируют облицовочную оболочку, например, полипропиленовую трубу (на чертежах не показана), которую обратным ходом установки протаскивают через образовавшуюся скважину с помощью гидроцилиндра 7.
При этом возможны два варианта его работы. Первый из них применяется при малом сопротивлении протаскиванию оборудования и прикрепленной к нему оболочки. Для этого в запоршневое пространство гидроцилиндра 7 гидронасосом 20 через клапан K7 под давлением закачивают жидкость и закрепив за шток гидроцилиндра 7 вытягивают штангу 9 и защитную оболочку 18. Удаляют лишние элементы штанги 9 и защитной оболочки 18.
Во втором случае давление в запоршневом пространстве гидроцилиндра 7 создают дизель-молотом 1 передавая его из цилиндра 6 через клапан К2.
В обоих случаях удаление жидкости из гидроцилиндра 7 производят через клапан К5 в сливной бак 19 при остальных закрытых клапанах.
Заявителем изготовлена опытная лабораторная установка, детали проходческого снаряда которой выполнены из высокопрочной стали: в качестве материала бойка 13 может быть использована сталь Г13, шток 8 может быть изготовлен из стали 45 ХНМА, гидроцилиндры - из стали 45 л, копер 4 - из стали 20, в гидросистеме может быть применена незамерзающая жидкость, например МТ 10.
Опорная 16 и упорная 17 плиты опираются на грунт приямка, опорная 16 на его дно, а упорная 17 - на заднюю вертикальную стенку и могут быть выполнены из стальных листов, между которыми расположены листы упругого материала, например резины.
Установка продемонстрировала удовлетворительные характеристики.