БУРОВАЯ МАШИНА И СПОСОБ ПОДАЧИ БУРОВОГО ЭЛЕМЕНТА В ГРУНТЕ Российский патент 2006 года по МПК E21B7/02 E21B3/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к буровой машине для подачи бурового элемента в грунт с помощью привода, который установлен на буровой мачте для подачи бурового элемента, а также с помощью вращательно-зажимного устройства, снабженного зажимным патроном, который может приводиться во вращение с помощью по меньшей мере одного исполнительного цилиндра. Изобретение относится также к способу подачи бурового элемента в грунт, при этом крутящий момент передают на буровой элемент посредством вращательно-зажимного устройства.

Уровень техники

Из уровня техники известно множество наземных буровых машин, которые используются в особенности в строительстве подземных сооружений для устройства оснований и фундаментов. При этом в одном варианте с помощью буровой машины выполняют проходку буровой скважины, которую затем заполняют, например, бетоном для изготовления набивной сваи. В другом варианте с помощью буровой машины в грунт может быть завинчен винтовой анкер или винтовая свая. В особенности в последнем случае при большой длине свай могут требоваться относительно высокие крутящие моменты для завинчивания свай.

В соответствии с ожидаемым максимальным крутящим моментом проектируется привод вращения при бурении, в значительной мере определяющий фактор затрат для буровой машины.

Известны также буровые машины для изготовления скважин, укрепленных обсадными трубами, дополнительно снабженные так называемыми обсадными механизмами, например, трубовкручивающими столами для обсадки, которые служат для подачи в грунт обсадных труб. Такие обсадные механизмы оснащены зажимными патронами, которые могут приводиться во вращение посредством исполнительных цилиндров.

Передвижная буровая машина с навесным обсадным механизмом раскрыта в патентном документе ФРГ №3809626 С2. Обсадной механизм содержит несущий стол, который может подниматься и опускаться гидроцилиндром. Опорное кольцо, установленное на несущем столе с возможностью вращения, может приводиться во вращение в одну иди другую сторону посредством двух гидроцилиндров, укрепленных на несущем столе. На своей верхней стороне опорное кольцо несет подвижные относительно друг друга зажимные колодки, которые могут открываться и закрываться гидроцилиндром. С помощью зажимных колодок конец колонны обсадных труб зажимается и посредством вращения опорного кольца подается в грунт или вытягивается из грунта.

В патентном документе ФРГ №1215624 В раскрыто другое устройство для глубокого бурения или крепления скважины обсадными трубами. В описанном устройстве перед началом каждого изменения направления циклически переменного движения вращения производят движение обсадной трубы вниз. Циклически изменяющееся вращательное движение осуществляется посредством жестко укрепленной на буровой трубе трубчатой обоймы с двумя консолями, которые приводятся в движение попеременно в одном и другом направлениях толкающими цилиндрами. Рама для трубчатой обоймы и толкающего цилиндра перемещается в вертикальном направлении с помощью напорного цилиндра.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании буровой машины, с помощью которой обеспечивается экономичное выполнение особенно энергоемких буровых работ. Изобретение направлено также на создание эффективного способа подачи бурового элемента в грунте.

В соответствии с изобретением решение поставленных задач достигается за счет создания буровой машины, обладающей признаками по пункту 1, и способа, обладающего признаками по пункту 8 формулы изобретения. Предпочтительные примеры осуществления изобретения отражены в зависимых пунктах.

Буровая машина по изобретению отличается тем, что предусмотрены по меньшей мере два вращательно-зажимных устройства, которые могут быть установлены в положение зажима бурового элемента для передачи ему крутящего момента. Основная идея изобретения заключается в том, чтобы передавать на буровой элемент крутящий момент посредством двух вращательно-зажимных устройств либо в дополнение к имеющемуся приводу вращения, обычно в виде гидромотора, либо исключительно. Такое дополнительное усиление крутящего момента на буровом элементе в добавление к обычному приводу вращения может производиться по меньшей мере в определенные (заданные) моменты времени. При этом буровой элемент может представлять собой либо буровой рабочий орган, который после проходки скважины должен быть поднят из нее, либо обсадную трубу для установки в скважине, либо винтовой анкер или винтовую сваю, которые остаются в грунте в качестве элементов основания.

Использование зажимного патрона с исполнительным гидроцилиндром для вращения зажимного патрона позволяет развивать очень высокий крутящий момент на ограниченном угле поворота при вращении. Практика показывает, что при бурении максимальный крутящий момент требуется не все время, а только в очень ограниченные моменты пиковых нагрузок, поэтому привод вращения может быть экономично рассчитан на нормальный крутящий момент. Для преодоления пиков крутящего момента могут использоваться вращательно-зажимные устройства.

При этом в соответствии с изобретением вращательно-зажимные устройства могут быть установлены в положение зажима бурового элемента для передачи ему крутящего момента одновременно и/или со смещением по времени относительно друг друга. За счет привода в действие по меньшей мере двух вращательно-зажимных устройств с определенным смещением по времени достигается более равномерное обеспечение крутящего момента, а в определенных случаях даже квази-непрерывный привод вращения. При определенных очень высоких пиках крутящего момента в принципе возможно также приводить в действие одновременно несколько вращательно-зажимных устройств для увеличения соответственно в несколько раз максимального крутящего момента.

Для желаемой синхронизации вращательно-зажимных устройств в соответствии с изобретением предусмотрена связь, посредством которой обеспечивается взаимная координация перемещений вращательно-зажимных устройств. При этом связь может быть механической связью, которая при перемещении одного вращательно-зажимного устройства в направлении бурения с передачей крутящего момента вызывает одновременное обратное перемещение второго вращательно-зажимного устройства в исходное положение при соответствующем положении свободного хода зажимного патрона. Далее соответствующим образом второй зажимной патрон может зажимать буровой элемент и передавать на него крутящий момент с подачей в грунт, в то время как первое вращательно-зажимное устройство посредством связи, в особенности соединительной тяги или штанги, возвращается в свое исходное положение. Кроме такой чисто механической связи может быть предусмотрена также электронная управляемая связь. При этом для перемещения отдельных вращательно-зажимных устройств вместе с буровым элементом могут быть предусмотрены отдельные исполнительные устройства, например, исполнительные гидроцилиндры, управляемые центральным устройством управления по предварительно заданной программе для получения желаемой синхронизации. Сама соединительная тяга или штанга может быть также выполнена в виде исполнительного цилиндра, в особенности гидроцилиндра.

В соответствии с изобретением вращательно-зажимные устройства предпочтительно укреплены на нижней концевой части мачты. Это позволяет обеспечивать передачу крутящего момента также и тогда, когда буровой элемент почти полностью подан в грунт.

В соответствии с изобретением эффективный процесс бурения достигается за счет того, что вращательно-зажимные устройства установлены с возможностью поворота и/или перемещения в направлении бурения. При этом крутящий момент может передаваться на буровой элемент также и при его подаче в грунт.

Следующий пример выполнения изобретения отличается тем, что зажимной патрон содержит две зажимные колодки, выполненные с возможностью установки посредством зажимного цилиндра из положения зажима в положение свободного хода и наоборот. Регулируемый зажимной патрон позволяет производить зажим бурового элемента по всей его длине, при этом могут компенсироваться также изменения диаметра бурового элемента. Зажимные колодки могут быть отрегулированы на конкретный буровой элемент с надежным обеспечением передачи усилия в положении зажима и созданием достаточного зазора с буровым элементом в положении свободного хода. Зажимной цилиндр и исполнительные цилиндры вращательно-зажимных устройств предпочтительно выполнены в виде гидроцилиндров, которые могут развивать особенно высокие усилия.

И наконец, согласно изобретению предусмотрено устройство управления, посредством которого обеспечивается координация работы привода вращения, привода перемещения и вращательно-зажимных устройств. При этом устройство управления может координировать действие непрерывного привода вращения, в особенности гидромотора, с работой вращательно-зажимных устройств циклического действия.

Способ в соответствии с изобретением отличается тем, что предусмотрены по меньшей мере два вращательно-зажимных устройства, с помощью которых крутящий момент передают на буровой элемент. При относительно простой конструкции буровой машины посредством этих вращательно-зажимных устройств можно простым образом передавать на буровой элемент относительно высокие крутящие моменты.

При этом согласно изобретению вращательно-зажимные устройства передают крутящий момент на буровой элемент одновременно и/или со смещением по времени. За счет этого может достигаться либо передача особенно высокого максимального крутящего момента, либо равномерное усиление крутящего момента, либо квазинепрерывный привод посредством вращательно-зажимных устройств.

Другой предпочтительный пример осуществления изобретения заключается в том, что вращательно-зажимные устройства во время передачи крутящего момента по меньшей мере частично перемещают вместе с буровым элементом в направлении бурения до их обратной установки в исходное положение, и что одно из вращательно-зажимных устройств перемещают вместе с буровым элементом, в то время как другое вращательно-зажимное устройство устанавливают обратно в исходное положение. За счет такого привода со смещением по времени между действием отдельных вращательно-зажимных устройств, несмотря на ограниченность угла поворота одного вращательно-зажимного устройства достигается улучшенная передача повышенного крутящего момента. В зависимости от угла поворота вращательно-зажимных устройств и их числа, которое может быть больше двух, может достигаться квазинепрерывный привод вращения.

Для координации или синхронизации действия приводов непрерывного и циклического действия согласно изобретению управляют приводом вращения, движением подачи бурового элемента и приводом в действие вращательно-зажимных устройств во взаимной координации. Это может осуществляться посредством центрального устройства управления, обычно, компьютера.

Далее, в соответствии с изобретением усиление передачи крутящего момента обеспечивают только в определенные (заданные) периоды времени, в особенности на заключительной стадии бурения. При завинчивании бурового элемента в грунт нагрузка по крутящему моменту повышается с увеличением глубины бурения и поверхности трения. Поэтому усиление крутящего момента производят предпочтительно на заключительной стадии для обеспечения надежного вращательного движения в этот момент времени.

В принципе буровой элемент может представлять собой либо буровой рабочий орган, который после проходки скважины должен быть поднят из нее, - например, буровой шнек или любой другой рабочий орган непрерывного или циклического действия, либо обсадную трубу. Однако, согласно изобретению предпочтительно в качестве бурового элемента используют винтовую сваю, в особенности с коническим винтовым наконечником. Именно при завинчивании таких фундаментных свай с винтовыми лопастями обычно требуются высокие крутящие моменты, так как они вытесняют значительную часть грунта, создавая высокое трение поверхностей.

Следующий пример осуществления изобретения заключается в том, что для сооружения оснований винтовую сваю продвигают через рыхлые грунтовые слои до слоя твердого грунта, а для подачи в слой твердого грунта обеспечивают усиление крутящего момента. Таким образом, винтовые сваи могут завинчиваться в рыхлый грунт посредством привода вращения, а при усилении крутящего момента с помощью устройства по изобретению эффективно закрепляться в твердых слоях грунта.

Перечень фигур чертежей

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:

фиг.1 изображает буровую машину с вращательно-зажимным устройством на виде сбоку,

фиг.2 изображает вращательно-зажимное устройство по изобретению на виде сверху,

фиг.3 схематично изображает на виде сбоку систему из двух вращательно-зажимных устройств с механической связью.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Показанная на фиг.1 буровая машина 10 содержит шасси 20, выполненное в виде гусеничного ходового механизма, на котором установлена мачта 14 с возможностью поворота между горизонтальным транспортным положением и показанным на чертеже вертикальным рабочим положением. Мачта 14, поворот которой производится известным образом с помощью гидроцилиндра, выполнена в виде так называемого копра с неподвижной основной мачтой 16, на которой установлена подвижная мачта 15 с возможностью перемещения посредством привода перемещения.

На подвижной мачте 15 с помощью привода 26 перемещения подвижно установлен привод 12 вращения, который служит для привода не показанного бурового элемента. На нижнем конце мачты 14 расположены вращательно-зажимные устройства, из которых на фиг.1 по соображениям наглядности показано только одно вращательно-зажимное устройство 30.

На фиг.2 представлена принципиальная конструкция вращательно-зажимного устройства 30 с зажимным патроном 32, охватывающим буровой элемент 50. На фиг.2 зажимной патрон 32 показан в положении свободного хода, в котором зажимной патрон отстоит со всех сторон от охватываемого им бурового элемента 50, так что буровой элемент может свободно перемещаться через зажимной патрон 32 в направлении бурения, перпендикулярном плоскости чертежа.

Зажимной патрон 32 содержит дугообразный основной зажимной корпус 31, на двух концах которого с возможностью поворота шарнирно укреплены зажимные колодки 33, 34. Свободные концы зажимных колодок 33, 34 расположены напротив друг друга и соединены зажимным цилиндром 46. Посредством втягивания штока зажимного цилиндра 46 зажимные колодки 33, 34 могут перемещаться друг к другу, за счет чего обеспечивается силовое соединение зажимного патрона с буровым элементом 50.

Основной зажимной корпус 31 прикреплен с помощью несущего звена 38 изменяемой длины к опорному блоку 40 на мачте 14. Для карданной навески опорный блок 40 снабжен горизонтальной осью 42 шарнирного поворота, установленной с возможностью поворота в опоре 45. На горизонтальной оси 42 предусмотрена вертикально ориентированная цапфа 44, к которой с возможностью шарнирного поворота прикреплены обращенные к мачте концы несущего звена 38 и двух исполнительных цилиндров 35, 36. Исполнительные цилиндры 35, 36 служат для поворота или вращения зажимного патрона 32 относительно опорного блока 40, при этом концы исполнительных цилиндров 35, 36 со стороны зажимного патрона шарнирно прикреплены к основному зажимному корпусу 31 в тех же точках, в которых к нему шарнирно прикреплены зажимные колодки 33, 34. Опорный блок 40 обеспечивает возможность перемещения зажимного патрона 32 вместе с зажатым им буровым элементом в направлении бурения. При подаче бурового элемента 50 во время бурения зажимной патрон 32 в положении зажима следует вместе со своими исполнительными цилиндрами 35, 36 за движением бурового элемента в грунте. После выдвижения зажимного цилиндра 46 в положение свободного хода при возобновлении вращательного движения зажимной патрон 32 устанавливается обратно в верхнее положение.

В схематичном виде по фиг.3 частично показаны первое вращательно-зажимное устройство 30 и второе вращательно-зажимное устройство 70, расположенные одно над другим по направлению бурения. Принципиальная конструкция обоих вращательно-зажимных устройств 30, 70 соответствует примеру выполнения по фиг.2 за исключением их навески на мачту. Каждое вращательно-зажимное устройство укреплено на коромысле 84, которое шарнирно соединено горизонтальной осью с опорой 82, укрепленной на несущем звене 80а или 80b, выполненном в виде балки. Несущие звенья 80а, 80b ориентированы горизонтально и с помощью шарнирных опорных блоков 86 горизонтального поворота установлены на основной раме 88, жестко соединенной с мачтой.

Для механической координации или синхронизации перемещения двух вращательно-зажимных устройств 30, 70 предусмотрена связь в виде соединительной тяги 90, шарнирно прикрепленной одним концом к верхнему несущему звену 80а между шарнирным опорным блоком 86 горизонтального поворота и опорой 82. Другой конец соединительной тяги 90 шарнирно соединен с подъемным рычагом 81 нижнего несущего звена 80b. Подъемный рычаг 81 выполнен в виде продолжения несущего звена 80b и выступает в другую сторону от шарнирного опорного блока 86 горизонтального поворота.

За счет создания диагональной связи с помощью соединительной тяги 90 при повороте вниз верхнего несущего звена 80а нижнее несущее звено 80b одновременно поворачивается вверх и наоборот, при обратном повороте вверх верхнего несущего звена 80а нижнее несущее звено 80b одновременно поворачивается вниз. Благодаря координации вращательных движений обоих вращательно-зажимных устройств 30, 70 достигается более равномерное обеспечение крутящего момента. Так, при передаче крутящего момента вращательно-зажимным устройством 30, при котором оно в своем положении зажима вместе с зажатым буровым элементом перемещается вниз в направлении бурения, одновременно другое вращательно-зажимное устройство 70 в своем положении свободного хода поворачивается обратно вверх. Затем оба вращательно-зажимных устройства могут быть отрегулированы в обратном порядке, так что второе вращательно-зажимное устройство 70 в своем положении зажима перемещается вниз, в то время как первое вращательно-зажимное устройство 30 в своем положении свободного хода одновременно поворачивается обратно вверх.

Изобретение относится к буровой машине и способу подачи бурового элемента в грунте с помощью привода, который установлен на буровой мачте для подачи бурового элемента, а также с помощью вращательно-зажимного устройства, снабженного зажимным патроном, который может приводиться во вращение с помощью по меньшей мере одного исполнительного цилиндра. Для усиления крутящего момента предусмотрены по меньшей мере два вращательно-зажимных устройства, которые могут быть установлены в положение зажима бурового элемента. Техническая задача заключается в создании буровой машины, с помощью которой обеспечивается экономичное выполнение особенно энергоемких буровых работ, а также в создании эффективного способа подачи бурового элемента в грунт. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Буровая машина для подачи в грунт бурового элемента (50), содержащая привод (12) вращения, установленный на мачте (14) для подачи бурового элемента (50), и вращательно-зажимное устройство (30), снабженное зажимным патроном (32), приводимым во вращение по меньшей мере одним исполнительным цилиндром (35, 36), отличающаяся тем, что предусмотрены по меньшей мере два вращательно-зажимных устройства (30, 70), выполненные с возможностью установки в положение зажима бурового элемента (50), приводимого приводом (12) вращения, для дополнительного усиления крутящего момента.2. Буровая машина по п.1, отличающаяся тем, что вращательно-зажимные устройства (30, 70) выполнены с возможностью одновременной и/или со смещением по времени относительно друг друга установки в положение зажима бурового элемента (50) для передачи ему крутящего момента.3. Буровая машина по п.2, отличающаяся тем, что предусмотрена связь, посредством которой обеспечивается взаимная координация перемещений вращательно-зажимных устройств (30, 70).4. Буровая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что вращательно-зажимные устройства (30, 70) укреплены на нижней концевой части мачты (14).5. Буровая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что вращательно-зажимные устройства (30, 70) установлены с возможностью поворота и/или перемещения в направлении бурения.6. Буровая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что зажимной патрон (32) содержит две зажимные колодки (33, 34), выполненные с возможностью установки посредством зажимного цилиндра (46) в положение зажима и в положение свободного хода.7. Буровая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она снабжена устройством управления, выполненным с возможностью координации работы привода (12) вращения, привода (26) перемещения и вращательно-зажимных устройств (30, 70).8. Способ подачи бурового элемента (50) в грунт, в особенности с помощью буровой машины, заявленной в любом из пп.1-7, причем крутящий момент передают на буровой элемент (50) через посредство вращательно-зажимного устройства (30), отличающийся тем, что предусмотрены по меньшей мере два вращательно-зажимных устройства (30, 70), которые передают крутящий момент на буровой элемент (50) со смещением по времени относительно друг друга.9. Способ по п.8, отличающийся тем, что вращательно-зажимные устройства (30, 70) во время передачи крутящего момента по меньшей мере частично перемещают вместе с буровым элементом (50) в направлении бурения до их обратной установки в исходное положение, при этом одно из вращательно-зажимных устройств (30, 70) перемещают вместе с буровым элементом (50), в то время как другое вращательно-зажимное устройство (30, 70) устанавливают обратно в исходное положение.10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что управляют приводом (12) вращения, движением подачи бурового элемента (50) и приводом в действие вращательно-зажимных устройств (30, 70) во взаимной координации.11. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительное усиление крутящего момента обеспечивают только в заданные периоды времени, в особенности на заключительной стадии бурения.12. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве бурового элемента (50) используют винтовую сваю, в особенности с коническим винтовым наконечником.13. Способ по п.12, отличающийся тем, что для сооружения оснований винтовую сваю продвигают через рыхлые грунтовые слои до слоя твердого грунта, а для подачи в слой твердого грунта обеспечивают дополнительное усиление крутящего момента.