ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ БУРОВАЯ КОЛОННА Российский патент 2005 года по МПК E21B17/07 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к телескопической буровой штанге по меньшей мере с двумя ведущими штангами, которые имеют возможность смещения относительно друг друга и снабжены средствами для передачи крутящего момента на смежную ведущую штангу.

Уровень техники

Телескопические буровые колонны такого типа используются при производстве работ так называемым буровым методом Келли или методом ведущей буровой штанги, который является одним из наиболее гибких методов при возведении фундаментных свай для зданий. При этом крутящий момент передается на буровой инструмент от привода вращения, который установлен на мачте с возможностью подъема и опускания через буровую штангу, называемую также ведущей буровой штангой (Келли-штангой). Ведущая буровая штанга состоит из нескольких входящих одна в другую трубчатых ведущих штанг. Самая внутренняя ведущая штанга подвешена на тросе буровой машины, который обеспечивает ее подъем и опускание. Посредством этого движения осуществляется телескопическое движение ведущей штанги. На нижнем конце внутренней ведущей штанги закреплен буровой инструмент. За счет более или менее вертикально проходящих планок снаружи на каждой отдельной трубчатой ведущей штанге и соответствующих вертикальных выемок для ведущего захвата на смежной с ней ведущей штанге от одной штанги на другую передается крутящий момент, а следовательно, и вращательное движение, по принципу передачи крутящего момента от вала на втулку, жестко связанную с ним шпонкой или шлицевым соединением. Таким путем вращательное движение передается от привода вращения на буровой инструмент в скважине.

Телескопическое движение осуществляется следующим образом. Вначале, когда ведущая штанга находится полностью снаружи скважины, все ведущие штанги опираются своим нижним упором на последнюю нижнюю ведущую штангу, называемую также внутренней ведущей штангой. Таким образом, полностью сложенная или втянутая буровая штанга подвешена на подъемном тросе машины посредством самой внутренней ведущей штанги. Когда буровую штангу заглубляют в скважину, в определенный момент времени верхний упор буровой штанги входит в контакт с ведущим захватом привода вращения и накладывается на него сверху. При дальнейшем движении вниз перемещаются только остальные ведущие штанги до тех пор, пока предпоследняя внутренняя ведущая штанга не «повиснет» своим верхним упором на нижнем конце самой наружной ведущей штанги. Этот процесс может продолжаться до полного телескопического выдвижения буровой колонны. Ведущие штанги этого типа известны, например, из патентного документа ЕПВ 0376239 А или патента США № 3517760.

Крутящий момент может передаваться в любом состоянии выдвижения ведущей штанги. Ведущие штанги либо опираются своим нижним упором на смежную внутреннюю ведущую штангу, либо висят с опорой своего верхнего упора на смежную наружную ведущую штангу. При этом крутящий момент передается на все ведущие штанги либо на верхнем, либо на нижнем конце. Только в одной ведущей буровой трубчатой штанге, самой наружной по отношению к той, которая внизу опирается на самую внутреннюю трубчатую штангу, ведущий захват предпоследней наружной трубы зацепляется с упорными планками и передает крутящий момент где-то между верхним и нижним концами.

Кроме передачи вращательного движения в так называемых «запирающихся ведущих штангах» передается также вертикальное усилие от каретки, на которой привод вращения движется вверх и вниз по мачте, через ведущие штанги на буровой инструмент для того, чтобы создать давление подачи, необходимое для выемки грунта. Для этого во всех ведущих штангах на определенных расстояниях выполнены запорные карманы.

Из патентного документа ЕПВ 0335059 А известна ведущая буровая штанга с зубчатыми захватными планками, которые обеспечивают осевую передачу усилия во множестве пунктов в соответствии с распределением зубьев.

В качестве материала для ведущих штанг используется сталь с соответствующим легированием для обеспечения необходимой прочности в эксплуатации. При этом диаметр и толщина ведущих штанг определяются крутящим моментом, который они должны передавать. В особенности для больших глубин бурения, для которых требуется соответствующая длина буровой штанги, вес ведущих штанг может достигать значительной величины. Это невыгодно не только в аспекте проектирования необходимых лебедок и приводов, но также и для статики мачты, на которую навешена буровая штанга. Поскольку ось бурения по конструктивным условиям должна проходить между гусеницами буровой машины, тяжелая буровая штанга означает соответственно высокий опрокидывающий момент машины. Следовательно, для достаточно надежной устойчивости машины необходимо уравновешивать ее балластом, что, в свою очередь, требует более мощного и устойчивого гусеничного шасси. Все это приводит к повышенным затратам и ограничениям при транспортном передвижении и позиционировании буровой машины.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании телескопической буровой штанги, обеспечивающей эффективную и экономичную эксплуатацию при производстве буровых работ.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания телескопической буровой колонны, обладающей признаками по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные примеры выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Телескопическая буровая колонна по изобретению отличается тем, что по меньшей мере одна из ведущих штанг выполнена по меньшей мере из двух секций, которые изготовлены из различного материала. Основная идея изобретения основана на знании того, что в ведущей штанге имеются области, выполняющие различные функции и подверженные различным нагрузкам. Согласно изобретению области с высокой нагрузкой и высоким удельным напряжением изготовлены из соответствующего высокопрочного материала, в то время как области с меньшей нагрузкой и меньшим удельным напряжением изготовлены из более простого материала. Это позволяет создать ведущую штангу с оптимальными функциональными и конструктивными характеристиками при экономии высокопрочного и, как правило, дорогого материала.

В особенности в более длинных буровых колоннах для увеличенных глубин бурения благодаря изобретению создается значительная экономия по весу за счет того, что материал секции штанги является легким конструкционным материалом, в особенности синтетическим материалом, армированным углеродным волокном. Могут использоваться также другие легкие конструкционные материалы, такие как легкие металлы. При выполнении буровой штанги из трубчатых секций или секций штанги усиленный углеродным волокном синтетический материал допускает передачу достаточно высокого крутящего момента и осевого усилия.

В областях с высоким контактным напряжением, а такими областями в особенности являются области передачи крутящего момента и усилия от одной ведущей штанги на смежную ей ведущую штангу, может быть использован более прочный и тяжелый материал, такой как сталь с соответствующим легированием.

Согласно изобретению средство для передачи крутящего момента выполнено на секции штанги, которая изготовлена из стального материала. Предпочтительно предусмотрено, что верхний и/или нижний конец ведущей штанги образован той секцией штанги, которая изготовлена из стального материала. Для передачи крутящего момента и усилия на одном или нескольких участках, лежащих между ними, на них могут быть расположены дополнительные устройства передачи. При этом другие секции штанги, расположенные между секциями из стального материала, могут быть изготовлены из легкого конструктивного материала.

По условиям функционирования отдельные ведущие штанги выполнены трубчатыми, причем внутренняя ведущая штанга может представлять собой сплошную штангу. Отдельные ведущие штанги могут иметь любое поперечное сечение. Однако особенно выгодное соотношение между весом и жесткостью на кручение достигается в соответствии с изобретением за счет того, что секции штанги выполнены трубчатыми круглого поперечного сечения. Круглое кольцевое поперечное сечение придает особенно высокую жесткость на кручение прежде всего легким секциям из синтетического материала, усиленного углеродным волокном.

Кроме возможности передачи крутящего момента буровая колонна по изобретению содержит в своем составе расположенные на секциях штанги средства для передачи осевого усилия на смежную секцию штанги. Предпочтительно средства для передачи осевого усилия выполнены совместно со средствами для передачи крутящего момента, например, в виде так называемых запорных карманов.

В особенности прочная и надежная буровая штанга обеспечивается в соответствии с изобретением за счет того, что средства для передачи крутящего момента и/или средства для передачи осевого усилия снабжены элементами для формирования геометрически замкнутого соединения.

Предпочтительно элементы для формирования геометрически замкнутого соединения содержат упорные планки, запорные карманы и/или выемки для ведущего захвата. За счет этих совместных средств между отдельными ведущими штангами достигается такая передача крутящего момента и осевого усилия, как в известных соединениях валов с втулками через шпонки или шлицевые соединения.

Практически в секциях штанги из легкого конструктивного материала не происходит никакой передачи крутящего момента или усилия непосредственно от смежной ведущей штанги, так как эта передача приводит к особенно высоким удельным напряжениям. Поэтому такие секции штанги могут быть выполнены гладкостенными в виде простых труб. Однако для достижения надежного телескопического эффекта согласно изобретению на секции штанги из легкого конструктивного материала предусмотрены направляющие планки, проходящие в осевом направлении. Поскольку эти направляющие планки не предусмотрены для прямой передачи усилия, они могут быть укреплены на секциях штанги после изготовления с помощью соответствующих крепежных устройств.

Дальнейшее развитие изобретения состоит в том, что наружная ведущая штанга изготовлена полностью из металла. Предпочтительно наружная ведущая штанга снабжена несколькими средствами для передачи крутящего момента и/или осевого усилия, которые расположены на различной высоте. При этом наружная ведущая штанга создает возможность передачи крутящего момента по всей своей длине. За счет этого на других ведущих штангах число средств для передачи крутящего момента или осевого усилия может ограничиваться двумя средствами.

Таким образом, при опускании буровой колонны самая наружная ведущая штанга должна вначале на определенной высоте подсоединиться к приводу вращения. Это может осуществляться пассивно с помощью механизма по типу байонетного соединения или активно посредством выходного механизма привода вращения. После этого буровую колонну опускают дальше таким образом, что все другие ведущие штанги либо выдвигаются полностью, либо не выдвигаются совсем. Кроме того, за счет изготовления наружной ведущей штанги полностью из металла достигается хорошая пассивная защита буровой штанги во втянутом состоянии.

Перечень фигур чертежей

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будет описан предпочтительный пример осуществления изобретения. На чертежах:

фиг.1 изображает в перспективе внутреннюю ведущую буровую штангу по изобретению,

фиг.2 изображает в перспективе с частичным разрезом буровую колонну с ведущей штангой по фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 и 2 в качестве примера выполнения изобретения схематично представлена простая телескопическая буровая колонна 10, содержащая первую, внутреннюю ведущую штангу 20 и вторую, наружную ведущую штангу 40. Внутренняя ведущая штанга 20 состоит из трех трубных секций - верхней секции 22, нижней секции 24 и расположенной между ними средней секции 26. На верхней секции 22 и нижней секции 24 расположены вдоль окружной периферии несколько средств 27 для передачи крутящего момента и осевого усилия.

Кроме того, нижняя секция 24 снабжена проходящими в осевом направлении упорными планками 28, каждая из которых на своих обоих концах ограничена осевыми упорами 30а, 30b. Упорная планка 28 и два отстоящих друг от друга осевых упора 30а, 30b образуют запорный карман 32, в который может входить ведущий захват смежной ведущей штанги. В окружном направлении оба осевых упора 30а, 30b отстоят на определенное расстояние от следующей упорной планки 28 с образованием выемки 31 для осевого прохода ведущего захвата.

На верхней секции 22 аналогичным образом выполнено средство 27 для передачи крутящего момента и осевого усилия, однако при этом на упорной планке 28 расположен только один осевой упор 30с на ее нижнем конце. Верхняя секция 22 и нижняя секция 24 с выполненными на них упорными планками 28 и осевыми упорами 30 изготовлены из стали, которая обеспечивает требуемую прочность, в особенности упорных планок 28 и осевых упоров 30, для передачи усилия между отдельными ведущими штангами 20, 40.

В отличие от этих секций средняя секция 26 по соображениям снижения веса изготовлена из легкого конструкционного материала, в частности из синтетического материала, армированного углеродным волокном. Трубчатая средняя секция 26 с помощью соответствующих устройств крепления жестко соединена своими концами с верхней секцией 22 и нижней секцией 24 соответственно. На наружной поверхности средней секции 26 могут быть укреплены проходящие в осевом направлении направляющие планки 34, однако они не служат для передачи крутящего момента, а только для направления телескопического движения.

В дополнение к ним на внутренней поверхности наружной ведущей штанги 40 предусмотрены расположенные соответствующим образом осевые направляющие элементы 42 с выполненными в них направляющими пазами, в которые входят направляющие планки 34. Кроме того, на внутренней поверхности наружной ведущей штанги 40 расположен по меньшей мере один ведущий захват 44 для передачи крутящего момента.

За счет опускания или подъема внутренней ведущей штанги 20 посредством не представленного троса подвески ведущей штанги ведущий захват 44 смещается вдоль выемки 31 и доходит до области запорного кармана 32 на нижней секции 24 внутренней ведущей штанги 20. Посредством контакта с упорной планкой 28 или с упорными поверхностями нижнего осевого упора 30а или верхнего осевого упора 30b может осуществляться передача крутящего момента или осевого усилия между двумя взаимодействующими ведущими штангами 20, 40. На внутренней ведущей штанге 20 предусмотрено не представленное приемное устройство для установки бурового инструмента. Буровая штанга в соответствии с изобретением может использоваться для установки на ней не только буровых и фрезерных рабочих органов, но также других рабочих органов для разработки грунта, например грейферов.

Изобретение относится к области бурения, в частности к телескопической буровой колонне по меньшей мере с двумя ведущими штангами, которые имеют возможность смещения относительно друг друга и снабжены средствами для передачи крутящего момента на смежную ведущую штангу. Усовершенствование конструкции буровой колонны достигается за счет того, что по меньшей мере одна из ведущих штанг выполнена по меньшей мере из двух секций штанги, которые изготовлены из различного материала, что позволяет оптимизировать функциональные и конструктивные характеристики ведущей штанги при экономии высокопрочного и дорогого материала. 10 з.п.ф-лы, 2ил.

1. Телескопическая буровая колонна с, по меньшей мере, двумя ведущими штангами (20, 40), выполненными с возможностью смещения относительно друг друга и снабженными средствами (27) для передачи крутящего момента на смежную ведущую штангу (20, 40), отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из ведущих штанг (20) выполнена, по меньшей мере, из двух секций (22, 24, 26) штанги, которые изготовлены из различных материалов.2. Буровая колонна по п.1, отличающаяся тем, что материал секции (26) штанги является легким конструкционным материалом, в особенности синтетическим материалом, армированным углеродным волокном.3. Буровая колонна по п.1, отличающаяся тем, что средство (27) для передачи крутящего момента выполнено на секции (22, 24) штанги, которая изготовлена из стали.4. Буровая колонна по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что верхний и/или нижний конец ведущей штанги (20) образован на секции (22, 24) штанги из стали.5. Буровая колонна по п.1, отличающаяся тем, что секции (22, 24, 26) штанги выполнены трубчатыми круглого поперечного сечения.6. Буровая колонна по п.1, отличающаяся тем, что секции (22, 24) штанги снабжены средствами для передачи осевого усилия на смежную ведущую штангу (40).7. Буровая колонна по п.6, отличающаяся тем, что средства для передачи крутящего момента и/или средства для передачи осевого усилия снабжены элементами для формирования геометрически замкнутого соединения.8. Буровая колонна по п.7, отличающаяся тем, что элементы для формирования геометрически замкнутого соединения содержат упорные планки (28), запорные карманы (32) и/или выемки для ведущего захвата.9. Буровая колонна по п.2, отличающаяся тем, что на секции (26) штанги из легкого конструкционного материала предусмотрены направляющие планки (34), проходящие в осевом направлении.10. Буровая колонна по п.1, отличающаяся тем, что наружная ведущая штанга (40) изготовлена полностью из металла.11. Буровая колонна по п.1, отличающаяся тем, что наружная ведущая штанга (40) снабжена несколькими средствами для передачи крутящего момента и/или осевого усилия, которые расположены на различной высоте.