БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ БУРЕНИЯ ГРУНТА
DRILLING TOOL AND METHOD FOR DRILLING IN SOIL

Область техники
Настоящее изобретение относится к буровому инструменту для бурения грунта, содержащему элемент буровой штанги, который может быть присоединен к приводу вращения и может приводиться во вращение вокруг оси бурения, корпус типа рамы и по меньшей мере один разрабатывающий зуб, который установлен в корпусе с возможностью радиальной регулировки между втянутым положением в корпусе и рабочим положением, в котором по меньшей мере один разрабатывающий зуб радиально выступает из корпуса, в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение относится также к способу выполнения в грунте буровой скважины инструментом этого типа.
Уровень техники
Буровые инструменты для бурения грунта используются, в частности, для устройства фундаментных свай строительных сооружений. В этом процессе буровое устройство с буровым приводом вращения используется для ввода в грунт вращающегося бурового инструмента, так что грунтовый материал разрабатывается и транспортируется на поверхность. В результате выполняется буровая скважина, которая имеет по существу равномерный диаметр по всей глубине бурения.
Однако в некоторых случаях применения бывает желательно или необходимо расширить диаметр бурения в нижней области скважины. Для этой цели может использоваться, например, универсальный буровой инструмент, известный из патентного документа DE 3219362 С1. В этом известном буровом инструменте разрабатывающий зуб, расположенный на основном теле типа корпуса, может быть установлен с помощью гидроцилиндра из втянутого положения в радиально выступающее рабочее положение. В этом выступающем положении разработки путем регулировки в буровой скважине может достигаться получение увеличенного диаметра бурения.
После увеличения диаметра бурения разрабатывающий зуб может быть вновь втянут гидроцилиндром, что позволяет удалить буровой инструмент через верхнюю часть скважины меньшего диаметра.
Однако было установлено, что в приводимых во вращение буровых инструментах с буровой штангой подача гидравлической жидкости к буровому инструменту связана с проблемами. Для подачи гидравлической жидкости от наружного окружения буровой скважины к вращающемуся буровому инструменту основным требованием является так называемое вращательное устройство ввода, в котором вращающаяся часть соединителя должна быть герметизирована относительно неподвижной части соединителя при высоком давлении. Кроме того, направление и расположение гидравлических линий в скважине подвержены неполадкам. В случае расположения жестких гидравлических линий вдоль буровой штанги должны быть предусмотрены дополнительные уплотнения, если требуется присоединение дополнительных элементов буровой штанги для увеличения глубины бурения. Альтернативная подача гидравлической жидкости по гибкому шлангу подвержена повреждениям в тяжелых условиях строительного участка и, кроме того, требует отдельного запаса шланга со шланговым барабаном.
Раскрытие изобретения
Основной задачей настоящего изобретения является создание бурового инструмента и способа бурения грунта, при которых возможность увеличения диаметра бурения в нижней области буровой скважины обеспечивается простым и надежным образом.
Решение поставленной задачи достигается, с одной стороны, за счет бурового инструмента, обладающего признаками по пункту 1, и, с другой стороны, за счет способа, обладающего признаками по пункту 10 формулы изобретения. Предпочтительные примеры осуществления изобретения изложены в соответствующих зависимых пунктах.
Буровой инструмент по изобретению отличается тем, что на элементе буровой штанги в корпусе расположен передаточный механизм, посредством которого обеспечено преобразование хода и/или вращательного движения элемента буровой штанги в радиальное движение для радиальной регулировки по меньшей мере одного разрабатывающего зуба.
Основная изобретательская идея заключается в том, что энергия, требуемая для привода в действие регулируемого разрабатывающего зуба на буровом инструменте, обеспечивается обычным ходом и/или вращательным движением буровой штанги. При этом можно обойтись без гидравлических или электрических органов позиционирования и связанных с ними средств подачи гидравлической жидкости или электричества. Для этой цели в корпусе бурового инструмента расположен передаточный механизм, посредством которого ход или вращательное движение элемента буровой штанги может быть воспринято и преобразовано в требуемое радиальное перемещение по меньшей мере одного разрабатывающего зуба. Таким образом создана механически действующая передача, которая приводится в действие непосредственно буровой штангой и ее движениями. Известным образом буровая штанга служит для передачи осевого движения подачи во время бурения и для передачи крутящего момента от бурового привода вращения, расположенного на поверхности грунта. Предпочтительно обеспечивается буровая установка с вертикальной мачтой, на которой буровой привод установлен известным образом с возможностью перемещения по вертикали на буровой каретке.
Чисто механическое решение для радиальной регулировки разрабатывающих зубьев на буровом инструменте надежно, требует небольшого технического обслуживания и поэтому меньше подвержено нарушениям.
В предпочтительном примере осуществления изобретения передаточный механизм содержит скользящую втулку, которая установлена с возможностью скольжения вдоль оси бурения, предусмотрен по меньшей мере один скользящий орган, который поддерживается в корпусе с возможностью радиальной регулировки и на котором установлен по меньшей мере один разрабатывающий зуб и по меньшей мере один отклоняющий рычаг, шарнирно прикрепленный с одной стороны к скользящей втулке и с другой стороны к скользящему органу, причем осевой ход скользящей втулки может быть преобразован отклоняющим рычагом в радиальное установочное движение скользящего органа. Предпочтительно скользящая втулка установлена с возможностью осевого скольжения за счет того, что она концентрична оси бурения элемента буровой штанги или образует часть элемента буровой штанги бурового инструмента.
Осевое скользящее перемещение предпочтительно может быть вызвано тем, что буровой инструмент помещают на дно буровой скважины, и за счет прилагаемого сверху давления скользящая втулка скользит вдоль оси на определенную длину. Это параллельное оси бурения осевое перемещение передается через радиально направленные наклонно расположенные отклоняющие рычаги и вызывает радиальное установочное перемещение скользящего органа, направляемого в корпусе с возможностью радиальной регулировки. Здесь скользящий орган служит опорой для установки и удержания одного или нескольких разрабатывающих зубьев.
Далее, предпочтительно буровой инструмент по изобретению выполнен таким, что на его верхней стороне предусмотрен верхний соединитель для буровой штанги, а на нижней стороне предусмотрен нижний соединитель для разрабатывающего средства для разработки грунта на дне буровой скважины. Таким образом, буровой инструмент по изобретению может быть промежуточным элементом или вставкой более крупного узла бурового инструмента. Так, например, в качестве разрабатывающего средства может быть предусмотрена радиально направленная режущая головка или предпочтительно шнек для циклического бурения с ведущей квадратной келли-штангой. Верхний соединитель на верхней стороне предпочтительно выполнен в виде так называемой обоймы с квадратным отверстием. При этом может быть установлено соединение с обычной буровой штангой, в частности с телескопической ведущей келли-штангой.
Другой предпочтительный пример осуществления бурового инструмента по изобретению заключается в том, что посредством монтажного элемента верхний соединитель соединен с нижним соединителем с возможностью передачи крутящего момента и осевого скольжения на определенную длину хода, причем осевая длина хода ограничена с помощью скользящей втулки. Таким образом, проходящий через корпус элемент буровой штанги не является жестким, а выполнен по меньшей мере из двух частей. Между двумя частями может быть предусмотрен соединительный орган, который допускает передачу крутящего момента и в то же время допускает осевое перемещение вдоль оси бурения. Для этого может быть предусмотрено, например, шлицевое соединение, которое имеется в качестве соединительного органа на внутренней или наружной поверхности монтажного элемента. Осевое позиционирование или длина хода ограничивается механическими упорами.
Альтернативный пример бурового инструмента по изобретению заключается в том, что передаточный механизм содержит поворотный орган, установленный с возможностью закручивания вокруг оси бурения, предусмотрен по меньшей мере один шарнирный орган, который установлен на корпусе с возможностью радиального шарнирного поворота и на котором установлен по меньшей мере один разрабатывающий зуб, и по меньшей мере один шарнирный рычаг, шарнирно прикрепленный с одной стороны к поворотному органу и с другой стороны к шарнирному органу, причем закручивание поворотного органа может быть преобразовано шарнирным рычагом в радиальное установочное перемещение шарнирного органа. В результате такой конструкции с поворотным органом движение закручивания буровой штанги может преобразовываться в желаемое радиальное регулировочное перемещение разрабатывающего зуба. Подобно описанной выше скользящей втулке закручивание поворотного органа может быть ограничено соответствующими упорами до определенного угла поворота. Верхний соединитель также установлен с возможностью закручивания на угловой шаг относительно нижнего соединителя.
В соответствии с предпочтительным дальнейшим развитием этого решения поворотный орган может быть закручен между первым поворотным положением, в котором по меньшей мере один разрабатывающий зуб находится во втянутом положении в корпусе, и вторым поворотным положением, в котором разрабатывающий зуб находится радиально снаружи корпуса в рабочем положении, и поворотный орган может быть заперт в первом поворотном положении и/или во втором поворотном положении. Запирание или отпирание может производиться с помощью пальцев дистанционно снаружи буровой скважины. Однако предпочтительно запирание или отпирание может производиться путем осевого установочного перемещения буровой штанги, как это известно, например, из запирания или отпирания телескопической келли-штанги. Для этого на элементе бурового инструмента могут быть предусмотрены соответствующие запорные гнезда.
Согласно другому решению по развитию изобретения на нижней стороне присоединены разрабатывающие средства для разработки грунта на дне буровой скважины. Разрабатывающие средства могут быть выполнены, в частности, в виде шнека. Однако могут использоваться также другие типы разрабатывающих средств, такие как буровой грейфер.
Кроме того, в соответствии с изобретением предпочтительно разрабатывающие средства выполнены в виде шнека по меньшей мере с одной буровой шнековой лопастью. Однако в области нижней режущей головки могут быть расположены две или большее число буровых шнековых лопастей.
Особенно в случае более длинных шнеков в соответствии с изобретением предпочтительно на нижней части шнека расположен по меньшей мере один шарнирный зуб, который при наличии окружающего грунта может быть повернут из втянутого поворотного положения в радиально выступающее положение разработки. Предпочтительно на нижнем конце шнека шарнирно укреплены два или большее число шарнирных зубьев. Предпочтительно конструкция такова, что в ненагруженном состоянии шарнирные зубья находятся в повернутом внутрь втянутом положении и не выступают радиально относительно буровых шнековых лопастей. При установке на дно буровой скважины и под влиянием давления буровой штанги шарнирные зубья могут поворачиваться наружу в положение разработки, в котором они выступают радиально за шнековые лопасти. В положении разработки шарнирные зубья на шнеке предпочтительно выступают радиально настолько же, насколько выступают разрабатывающие зубья бурового инструмента в радиально выдвинутом рабочем положении.
Способ выполнения буровой скважины в грунте в соответствии с изобретением отличается тем, что грунт разрабатывают, по меньшей мере, временно посредством описанного выше бурового инструмента. Буровое устройство может иметь модульную конструкцию, причем буровой инструмент по изобретению является модульным компонентом, который устанавливают на буровой штанге только для выполнения специфических рабочих фаз в ходе разработки буровой скважины.
Согласно изобретению особенно предпочтительный вариант способа состоит в том, что вначале выполняют обсаженную буровую скважину с имеющей внутренний диаметр и наружный диаметр обсадной трубой до первой глубины бурения, далее буровую скважину продолжают под обсадной трубой до второй глубины бурения, причем последующая буровая скважина имеет диаметр бурения, соответствующий внутреннему диаметру обсадной трубы, и, по меньшей мере, в частичной области диаметр бурения последующей буровой скважины увеличивают с помощью бурового инструмента по изобретению до диаметра бурения, который равен наружному диаметру обсадной трубы или больше него.
Этим способом может быть выполнена равномерная буронабивная или фундаментная свая с постоянным диаметром бурения, которая в целях стабилизации буровой скважины снабжена бурильной или обсадной трубой. Обычно металлическая обсадная труба вводится в грунт только на несколько метров. Обсадную или бурильную трубу обычно вводят в грунт вместе с буровым инструментом. В принятых способах бурения проблема состоит в том, что скважина под обсадной трубой ограничена внутренним диаметром обсадной трубы. Благодаря буровому инструменту по изобретению создана возможность того, что посредством выдвижения радиально регулируемых разрабатывающих зубьев последующая скважина под обсадной трубой может быть легко расширена от первого диаметра бурения, соответствующего внутреннему диаметру обсадной трубы, до большего диаметра, в частности до наружного диаметра обсадной трубы.
Краткий перечень чертежей
Далее изобретение будет описано на предпочтительных примерах выполнения со ссылками на схематичные прилагаемые чертежи. На чертежах изображено следующее.
На фиг. 1 показан на виде сбоку буровой инструмент в соответствии с изобретением с выдвинутыми шарнирными зубьями;
на фиг. 2 буровой инструмент по фиг. 1 показан на виде снизу;
на фиг. 3 показан буровой инструмент по фиг. 1 с втянутыми шарнирными зубьями;
на фиг. 4 буровой инструмент по фиг. 3 показан на виде снизу;
на фиг. 5 показан на виде сбоку буровой инструмент в соответствии с изобретением с втянутым скользящим органом;
на фиг. 6 буровой инструмент по фиг. 5 показан в разрезе;
на фиг. 7 показан на виде сбоку буровой инструмент по фиг. 5 с выдвинутым скользящим органом;
на фиг. 8 буровой инструмент по фиг. 7 показан в разрезе;
на фиг. 9 буровой инструмент со скользящим органом показан в перспективе;
На фиг. 10-12 показан в поперечном разрезе другой буровой инструмент в соответствии с изобретением при различных радиально выдвинутых положениях режущих зубьев;
На фиг. 13 показан в перспективе в разобранном виде буровой инструмент по фиг. 10-12 без передаточного механизма; и
На фиг. 14 буровой инструмент по фиг. 13 показан в сборе.
Осуществление изобретения
Базовая конструкция бурового инструмента 10 по изобретению, который образует часть узла 5 бурового инструмента, показана на фиг. 1-4. Буровой инструмент 10 по изобретению содержит рамный корпус 12 в форме втулки, наружный диаметр которой примерно соответствует диаметру бурения. Корпус 12 имеет крышку 18 на верхней стороне и элемент 16 основания на нижней стороне. В окружной стенке цилиндрического корпуса 12 расположены два диаметрально противоположных отверстия 20 для разрабатывающих зубьев. По соображениям наглядности радиально выдвижные разрабатывающие зубья бурового инструмента 10 на фиг. 1-3 не показаны и будут описаны дальше.
На нижнем основании 16 бурового инструмента 10 расположен нижний соединитель 24 в виде келли-штанги. Для формирования узла 5 бурового инструмента на нижнем соединителе 24 бурового инструмента 10 разъемно укреплено разрабатывающее средство, выполненное в виде шнека 52.
Шнек 52 содержит буровую штангу 54, проходящую коаксиально оси 7 бурения, причем на ее нижнем конце расположен так называемый направляющий наконечник 60 для центрирования. Вдоль длины буровой штанги 54 проходит первая шнековая буровая лопасть 56 для приема и транспортирования разработанного грунтового материала. В нижней части проходит вторая шнековая лопасть 58, которая обеспечивает возможность симметричной разработки грунтового материала с помощью режущих зубьев 62. В нижней части первой и второй буровых лопастей 56, 58 расположены шарнирные зубья 64, каждый из которых укреплен на опоре 66 шарнирного зуба, установленной с возможностью поворота вокруг шарнирного болта 68. Опора 66 шарнирного зуба 64 может быть повернута между повернутым внутрь втянутым положением, показанным на фиг. 4, и повернутым наружу радиально выступающим положением, показанным на фиг. 2.
В ненагруженном состоянии опора 66 шарнирного зуба поворачивается вниз во втянутое положение по фиг. 4. При наличии окружающего грунтового материала опора 66 шарнирного зуба выталкивается наружу в положение по фиг. 2 для увеличения диаметра бурения по отношению к диаметру бурения первой шнековой буровой лопасти 56. При этом шарнирные зубья 64 позволяют увеличить диаметр бурения даже под буровым инструментом 10 по изобретению.
Для формирования бурового инструмента 10 по изобретению в корпусе 12 по фиг. 1 и 3 может быть вставлено разрабатывающее средство, которое подробно показано на фиг. 5-9 и будет описано со ссылками на эти чертежи.
Первый передаточный механизм 30 содержит монтажный элемент 32, укрепленный коаксиально оси 7 бурения на элементе 14 буровой штанги. Как это не показано подробно, элемент 14 буровой штанги имеет отдельный нижний элемент и второй верхний элемент 14′ буровой штанги, который является отдельным от нижнего элемента, но соединен с ним с возможностью передачи крутящего момента, однако с возможностью относительного скольжения. На монтажном элементе 32 укреплены две диаметрально противоположные направляющие пластины 35, вдоль каждой из которых может перемещаться радиально скользящий орган 34 в виде пластины. Для каждого скользящего органа 34 предусмотрены два несущих рычага 36, шарнирно прикрепленных с одной стороны к монтажному элементу 32, вернее к укрепленной на нем направляющей пластине 35, и с другой стороны к скользящему органу 34.
На фиг. 5 и 6 показано втянутое положение скользящего органа 34, на наружной периферии которого съемным образом укреплено множество разрабатывающих зубьев 26. По направлению к нижнему соединителю 24 предусмотрена кольцевая скользящая втулка 40, которая, будучи коаксиальной оси 7 бурения, установлена с возможностью скольжения на элементе 14 буровой штанги. Когда верхний соединитель 22 подается под давлением вниз в направлении дна буровой скважины, скользящая втулка 40 прижимается дном скважины в направлении к монтажному элементу 32. На скользящей втулке шарнирно укреплены отклоняющие рычаги 37. Во время толкающего движения вниз отклоняющие рычаги 37 и несущие рычаги 36 шарнирно поворачиваются в более пологое угловое положение, показанное на фиг. 7. В результате этого шарнирного движения отклоняющих рычагов 37 скользящий орган 34, который поддерживается с возможностью радиального скольжения, перемещается радиально наружу вдоль направляющей пластины 35. Как показано на фиг. 7 и 8, при этом разрабатывающие зубья 26 устанавливаются из положения первого диаметра бурения, которое определяется разрабатывающими средствами 50, в радиально наружном направлении к выходу наружу из корпуса 12, который показан только на фиг. 5. Осевая длина хода скользящей втулки 40 ограничена нижней стороной монтажного элемента 32.
Следующее выполнение бурового инструмента 10 по изобретению со вторым передаточным механизмом 130 будет описано со ссылками на фиг. 10-14.
Второй передаточный механизм 130 с поворотным органом 132, установленным с возможностью вращения вокруг оси 7 бурения, показан на фиг. 10-12 в различных рабочих положениях. На нижнем соединителе 24 расположено упорное средство с тремя упорами 140, которые равномерно распределены по окружности и выполнены в виде секторов. В соответствии с этим поворотный орган 132 в виде кольцевого диска снабжен тремя ведущими элементами 133, которые также разнесены на 120° относительно друг друга.
Поворотный орган 132 соединен с возможностью передачи крутящего момента с верхним соединителем 22, как это можно видеть, в частности, на фиг. 13. В целом в результате получен элемент буровой штанги, который соединен соединителем 22 с расположенной выше буровой штангой с возможностью передачи крутящего момента, так что может осуществляться передача крутящего момента через ведущие элементы 133 и упоры 140 на элемент 14 буровой штанги, который соединен с возможностью передачи крутящего момента с нижним соединителем 24. Внутренние шлицевые устройства служат по существу для осевого направления.
Для формирования второго передаточного механизма 130 каждый отклоняющий рычаг 136 шарнирно прикреплен к одному из трех ведущих элементов 133. Противоположный свободный конец отклоняющего рычага 136 шарнирно прикреплен к шарнирному органу 134, на котором съемным образом установлены разрабатывающие зубья 26. Шарнирный орган 134 соединен с несущим рычагом 137, который шарнирно укреплен на несущем блоке 138, жестко укрепленном внутри корпуса 12 в виде втулки.
На фиг. 10 буровой инструмент 10 по изобретению со вторым передаточным механизмом 130 показан во втянутом положении, в котором разрабатывающие зубья 26 расположены внутри корпуса 12. В этом положении ведущие элементы 133 поворотного органа 132 упираются в направлении по часовой стрелке в секторные упоры 140, которые соединены с возможностью передачи крутящего момента с корпусом 12 и нижним соединителем 24.
При закручивании поворотного органа 132 против часовой стрелки, как это показано на фиг. 11, вращательное движение буровой штанги преобразуется вторым передаточным механизмом 130 в радиальное перемещение наружу разрабатывающих зубьев 26. Закручивание поворотного органа 132 толкает отклоняющие рычаги 136 в более радиальное положение, как показано на фиг. 12. В результате шарнирный орган 134 с несущим рычагом 137 перемещаются радиально наружу, так что зубья 26 проходят через отверстие в корпусе 12, который здесь не показан, и выступают от корпуса радиально наружу в рабочее положение по фиг. 12. Соответственно при обратном поворотном движении разрабатывающие зубья 26 могут быть вновь втянуты.
Как можно видеть на фиг. 13, в показанном буровом инструменте 10 по изобретению цилиндрический корпус 12 имеет три отверстия 20 на окружной стенке корпуса 12 для прохода разрабатывающих зубьев 26. Соответствующие упорные поверхности ведущих элементов 133 поворотного органа 132 и соответствующие им упорные поверхности упоров 140 могут быть выполнены наклонными, так что поворотный орган 132 при своем осевом ненагруженном состоянии, например, когда буровой инструмент 10 свободно висит на буровой штанге, скользит вверх из своего положения взаимодействия, показанного на фиг. 14, на определенный осевой ход. Можно также организовать поддержку поворотного органа 132 относительно корпуса 12 таким образом, что он остается в осевом положении взаимодействия при своем осевом ненагруженном состоянии. Это позволяет вводить буровой инструмент 10 через введенную обсадную трубу в уже существующую скважину первого диаметра. Как только буровой инструмент 10 опирается на дно скважины, верхний соединитель 22 и нижний соединитель 24 перемещаются вдоль оси друг к другу, вызывая перемещение поворотного органа 132 с ведущими элементами 133 в положение взаимодействия, показанное на фиг. 14.
Путем передачи крутящего момента бурения в направлении против часовой стрелки втянутые разрабатывающие зубья 26 по фиг. 10 могут быть повернуты в выдвинутое рабочее положение по фиг. 12. Этим путем может быть осуществлено увеличение диаметра бурения под обсадной трубой до наружного диаметра выдвинутых разрабатывающих зубьев 26.
По завершении проходки скважины и передачи крутящего момента бурения в направлении по часовой стрелке разрабатывающие зубья вновь втягиваются передаточным механизмом 130 из рабочего положения по фиг. 12 во втянутое положение по фиг. 10. При подъеме бурового инструмента 10 нижний соединитель 24 под действием силы тяжести вновь отодвигается от верхнего соединителя 22 и в случае выполнения наклонными ведущих элементов 133 и поверхностей упоров 140 эти наклонные ведущие элементы 133 и наклонные поверхности упоров 140 вызывают втягивание разрабатывающих зубьев 26 посредством передаточного механизма 130 из рабочего положения по фиг. 12 во втянутое положение по фиг. 10.