БУРОВОЙ ИНЪЕКТОР ДЛЯ ЦЕМЕНТАЦИИ СКАЛЬНОГО ГРУНТА И СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СКАЛЬНОГО ГРУНТА ПРИ ПОМОЩИ ЭТОГО ИНЪЕКТОРА
DRILLING INJECTOR FOR CEMENTATION OF ROCK SOIL AND METHOD FOR CEMENTATION OF ROCK SOIL USING THIS INJECTOR

Область техники, к которой относятся изобретения
Изобретения относятся к строительству, а именно, к упрочнению скального грунта путем инъекции в скальный грунт затвердевающего водно-цементного раствора с использованием операции бурения скважины, технологически совмещенной с операцией инъекции.
Уровень техники
Известен инъектор для закрепления грунта, включающий [подающую] трубу, состоящую из двух труб - верхней меньшего диаметра и нижней большего диаметра, соединенных между собой коническим переходником. При этом на верхнем участке нижней трубы, составляющем одну треть длины нижней трубы, закреплены непрерывные винтовые лопасти. Ниже расположены отдельные винтовые лопасти, закрепленные на съемных вкладышах. На нижнем торце нижней трубы установлен буровой наконечник. Вкладыши имеют продольные выступы и внутреннюю кольцевую проточку и закреплены с продольным зазором между собой в проточках трубы. В этих проточках выполнены боковые отверстия, в которых установлены противоположно размещенные клапаны, попарно стянутые упругими элементами (см. описание изобретения к Авт. свид. СССР №1231139 А1, МПК E02D 3/12, опубликовано 15.05.1986, Бюл. №18).
Признаки известного инъектора, общие с признаками заявленного технического решения, заключаются в наличии подающей трубы и бурового наконечника.
Известен способ цементации скального грунта при помощи инъектора по указанному авторскому свидетельству СССР №1231139 путем инъекции в скальный грунт затвердевающего водно-цементного раствора с использованием операции бурения скважины, технологически совмещенной с операцией инъекции, при этом разрыхленный бурением грунт перемещают вверх в зазор между верхней трубой и стенками скважины, уплотняют этот грунт периодическим подъемом инъектора, создавая грунтовый пакер, после этого через подающую трубу в пространство скважины, расположенное ниже пакера, подают водно-цементный раствор (см. упомянутое авт.свидетельство №1231139 А1).
Признаки известного способа цементации, общие с заявленным способом, заключаются в инъекции при помощи этого бурового инъектора в скальный грунт затвердевающего водно-цементного раствора с использованием операции бурения скважины, выполняемой этим буровым инъектором путем технологического совмещения операции бурения и последующей операции инъекции.
Причина, препятствующая получению в известном инъекторе и в соответствующем способе технического результата, который обеспечивается заявленными техническими решениями, заключается в выполнении трубы с винтовыми лопастями, предназначенными для формирования грунтовой пробки (т.е. грунтового пакера, образованного из грунта путем его уплотнения) в процессе бурения, совмещенного с процессом инъекции в грунт водно-цементного раствора. Наличие указанных лопастей, съемных вкладышей с выступами и проточками, клапанов и упругих элементов значительно усложняет конструкцию инъектора, снижает его надежность, усложняет технологию инъекции. При этом усложнение технологии обусловлено, прежде всего, сложностью формирования грунтового пакера, поскольку это формирование требует многократного периодического подъема инъектора с целью уплотнения грунта в зазоре между верхней трубой и стенкой скважины. Кроме того, и сам грунтовый пакер не может быть использован в процессе цементации скального грунта из-за его (пакера) слабой запирающей способности. Для цементации скального грунта необходимо формирование пакера из того же водно-цементного раствора, который используется для указанной цементации, что для данной конструкции инъектора и соответствующего способа не представляется возможным.
Известен инъектор для закрепления грунта (прототип), который содержит подающую трубу (полый корпус), выполненную в виде двух усеченных конусов (верхнего и нижнего), состыкованных своими большими основаниями, а также содержит непрерывные лопасти и буровой наконечник. При этом в нижней части подающей трубы (а именно, нижнего конуса) выполнены боковые выпускные отверстия и установлен буровой наконечник, диаметр которого равен наибольшему диаметру подающей трубы (корпуса), а на наружной поверхности обоих конусов подающей трубы установлены охватывающие корпус непрерывные лопасти так, что лопасти верхнего конуса имеют обратное направление навивки относительно лопастей нижнего конуса (патент RU №165656 U1, МПК E02D 3/12, опубликовано 27.10.2016 Бюл. №30).
Признаки известного инъектора, общие с признаками заявленного технического решения, заключаются в наличии подающей трубы (полого корпуса), нижний конец которой выполнен с выпускным отверстием, и бурового наконечника.
Известен способ закрепления грунта с помощью инъектора по указанному патенту RU №165656 (прототип), заключающийся в том, что вращением инъектора осуществляют проходку скважины до необходимой глубины без извлечения грунта, при этом благодаря наличию на усеченных конусах подающей трубы двух групп лопастей с противоположной навивкой тем же вращением осуществляют формирование грунтового пакера, после чего через указанную трубу осуществляют подачу водно-цементного раствора в пространство скважины ниже указанного пакера.
Причина, препятствующая получению в известном инъекторе и соответствующем способе (прототипах) технического результата, который обеспечивается заявленными техническими решениями, заключается в выполнении подающей трубы (корпуса) в виде двух усеченных конусов (верхнего и нижнего), состыкованных своими большими основаниями, и наличии установленных на подающей трубе винтовых лопастей с противоположной навивкой этих лопастей на верхнем и нижнем конусах этой трубы. Это, с одной стороны, усложняет конструкцию инъектора и его эксплуатацию, а с другой стороны, обусловливает возможность создания лишь грунтовой пробки в совмещенном процессе бурения, нагнетания раствора и тампонирования скважины, что делает практически невозможным использование известного инъектора и соответствующего способа для цементации скального грунта из-за слабой запирающей способности такой пробки (грунтового пакера).
Техническая проблема, на решение которой направлены заявленные для патентования технические решения, заключается в необходимости создания инъектора для цементации скального грунта и соответствующей технологии цементации скального грунта, характеризующихся более простой конструкцией инъектора и более простой и надежной технологии цементации скального грунта в совмещенном процессе бурения, нагнетания водно-цементного раствора и создания надежного пакера.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, опосредствующий решение указанной технической проблемы, заключается в упрощении конструкции инъектора и технологии цементации скального грунта этим инъектором за счет отказа в конструкции инъектора от лопастей и от упомянутой конусности подающей трубы, а также в формировании пакера с более высокой запирающей способностью за счет его формирования из того же водно-цементного раствора, который используется для цементации скального грунта, в едином процессе инъекции водно-цементного раствора в окружающий скважину скальный грунт и формирования пакера.
Достигается технический в заявленном буровом инъекторе тем, что буровой инъектор для цементации скального грунта содержит подающую трубу, нижний конец которой выполнен с выпускным отверстием для подачи водно-цементного раствора в зону цементации, буровой наконечник, защитную трубу, на нижнем конце которой установлен буровой наконечник, а верхний конец выполнен открытым, и раздуваемый рукав с манжетами на концах, при помощи которых рукав установлен на подающей трубе так, что часть этой трубы находится внутри рукава с образованием соответствующего кольцевого пространства, в области которого в боковой стенке подающей трубы выполнены сквозные отверстия, предназначенные для подачи водно-цементного раствора в указанное кольцевое пространство для формирования в этом пространстве пакера в процессе цементации скального грунта, при этом подающая труба вместе с указанным рукавом расположена внутри защитной трубы и соединена своим нижним концом с нижним концом защитной трубы при помощи разъемного соединения, способного передавать вращательный момент от подающей трубы к буровому наконечнику.
Достигается технический результат в заявленном способе цементации скального грунта тем, что указанную цементацию осуществляют при помощи описанного выше бурового инъектора так, что этим инъектором сначала осуществляют бурение скважины до заданного уровня в скальном грунте, после этого подающую трубу инъектора отсоединяют от защитной трубы инъектора и вместе с раздуваемым рукавом эту подающую трубу поднимают относительно защитной трубы на заданную высоту в пределах высоты скважины в скальном грунте, затем через подающую трубу осуществляют подачу водно-цементного раствора в указанное кольцевое пространство для образования пакера и в пространство скважины, расположенное ниже указанного кольцевого пространства, для цементации скального грунта.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан заявленный буровой инъектор в сборе, состоящий из двух разъемно соединенных узлов - узла бурового наконечника и узла пакера; на фиг. 2 отдельно показан узел бурового наконечника (включает защитную трубу и буровой наконечник, установленный на ее нижнем конце); на фиг. 3 отдельно показан узел пакера (включает подающую трубу и установленный на этой трубе раздуваемый рукав с образованием кольцевого пространства, предназначенного для формирования пакера); на фиг. 4 показано положение упомянутых узлов на стадии инъекции, непосредственно следующей за стадией бурения (узлы разъяты и разнесены по вертикали).
Осуществление изобретений
Буровой инъектор для цементации скального грунта (фиг. 1) выполнен состоящим из двух узлов - узла бурового наконечника, отдельно показанного на фиг. 2, и узла пакера, отдельно показанного на фиг. 3, соединенных между собой с возможностью произвольного разъятия.
Узел бурового наконечника включает буровой наконечник 1 и защитную трубу 2, на нижнем конце которой неразъемно установлен этот наконечник, при этом верхний конец трубы 2 выполнен открытым (фиг. 1, 2, 4).
Узел пакера включает подающую трубу 3, в стенке которой выполнены отверстия 4, а ее нижний и верхний концы выполнены открытыми, и раздуваемый рукав 5 с манжетами 6 на концах, при помощи которых рукав 5 установлен на трубе 3 с образованием кольцевого пространства 7 между этой трубой 3 и этим рукавом 5. При этом рукав 5 выполнен из нежесткого материала (например, текстильного материала, войлока) со складками, обеспечивающими диаметр его условного прохода, превышающий наружный диаметр защитной трубы 2 (фиг. 1, 3, 4).
В собранном инъекторе (фиг. 1) подающая труба 3 с раздуваемым рукавом 5 установлена внутри защитной трубы 2, так что верхний конец трубы 3 выступает за пределы внутреннего пространства трубы 2, а нижний конец трубы 3 соединен с нижним концом трубы 2 (внутри трубы 2) при помощи разъемного соединения 8, способного передавать вращательный момент от трубы 3 к трубе 2 и, соответственно, к буровому наконечнику 1 в процессе бурения, причем, только в одном направлении, например, по часовой стрелке. Соединение 8 выполнено, например, в виде байонетного соединения; его защиту (а также защиту рукава 5) от разрыхленного грунта в процессе бурения обеспечивает защитная труба 2.
Работа бурового инъектора для цементации скального грунта и пример осуществления способа цементации скального грунта при помощи этого инъектора заключаются в следующем.
Инъектор в собранном виде (фиг. 1) устанавливают с помощью штанг (штанги не показаны) на буровую установку и осуществляют вращение подающей трубы 3 по часовой стрелке. Вращательный момент от трубы 3 вследствие наличия соединения 8 передается защитной трубе 2, а от нее - буровому наконечнику 1. Тем самым осуществляется проходка скважины до необходимой глубины скального грунта без извлечения грунта на поверхность. Затем вращение трубы 3 по часовой стрелке прекращают и осуществляют поворот трубы 3 против часовой стрелки на заданный угол, при котором происходит разъятие соединения 8 (т.е. разъединение труб 2 и 3). Вследствие этого разъятия труба 3 вместе с раздуваемым рукавом 5 (узел пакера) становится свободной от соединения с трубой 2 (узлом бурового наконечника). После этого узел пакера (трубу 3 вместе с рукавом 5) поднимают внутри скважины на заданную высоту относительно трубы 2, но в пределах толщины скального грунта, как показано на фиг. 4, и подают в трубу 3 через ее верхний конец водно-цементный раствор. Данный раствор через отверстия 4 в стенке трубы 3 поступает в кольцевое пространство 7, создает в этом пространстве давление, раздувающее рукав 5 до его радиального упора в стенку скважины. При этом излишки воды водно-цементного раствора, поступившего в кольцевое пространство 7, через материал рукава 5, имеющий мелкие поры, выходит наружу в скважину, а частицы цемента ввиду малости указанных пор задерживаются внутри кольцевого пространства 7, создавая тем самым искомый пакер. Одновременно водно-цементный раствор через открытый нижний конец трубы 3 выходит в скважину, осуществляя тем самым постепенное заполнение этой скважины ниже пакера, а также трещин и щелей окружающего скважину скального грунта, осуществляя тем самым его (грунта) цементацию. По окончании цементации трубу 3 извлекают из скважины. При этом в скважине остается рукав 5 и труба 2 с наконечником 1.