УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ КЛАСТЕРНОГО БУРА ПОГРУЖНЫХ МОЛОТОВ Российский патент 2015 года по МПК E21B4/16 E21B1/24 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится в общем к строительству зданий гражданского назначения. Более конкретно настоящее изобретение относится к технике (способам) и оборудованию, используемым в строительстве несущих фундаментных свай. Еще конкретнее настоящее изобретение относится к методам и оборудованию для контроля работы кластерного бура погружных (DTH) молотов для бурения грунта.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Традиционное оборудование или техника для бурения грунта обычно осуществляют бурение отверстия с одним заданным или наружным диаметром (НД). В зависимости от состояния грунта опалубка иногда вставляется в грунт, чтобы предотвратить разрушение почвы, если грунт рыхлый. В случае когда грунтовые слои являются стабильными, нет необходимости вставлять в грунт опалубку. В любом из случаев в процессе бурения все материалы необходимо будет удалить из отверстия.

[0003] Одинарный погружной ударный молот хорошо известен своим использованием для общего бурения грунта. Погружной ударный молот может приводиться в движение либо сжатым воздухом, либо жидкостью под давлением, такой как вода.

[0004] Кластерный бур погружных ударных молотов является реализацией множества DTH молотов, скомпонованных и расположенных в цилиндрическом корпусе, наружный диаметр которого определяет диаметр пробуриваемого отверстия. Одна такая реализация показана на фиг.1. Множество погружных молотов также могут быть скомпонованы и расположены в кольцеобразном корпусе, имеющем наружный диаметр и внутренний диаметр (ВД), предназначенном для бурения кольцеобразных отверстий определенного размера. Одна такая реализация показана на фиг.2. В обоих случаях наружный диаметр отверстия, которое будет пробурено, может варьироваться от минимального 300 мм до диаметра любой величины. Не существует теоретического предела максимального размера отверстия, так как может быть много различных возможных компоновок множества погружных молотов. В случае бурения кольцеобразных отверстий внутренний диаметр кольцеобразного отверстия может варьироваться от минимального 200 мм до любой большей величины диаметра.

[0005] Современное исполнение и компоновка для кластерного бура погружных ударных молотов часто имеют централизованные источники подачи сжатого воздуха или жидкости под давлением для своих приводных механизмов молота. Сжатый воздух или жидкость под давлением подается по ответвлениям ко всем погружным ударным молотам, так что каждый из них может приводить в движение соответствующий поршень, чтобы ударять по его передней буровой головке. При такой конфигурации кластерная буровая установка механизма погружных ударных молотов может забивать и проникать в однородные твердые материалы или грунтовую формацию в области бурения. Другими словами, когда все погружные ударные молоты одновременно воздействуют на однородные твердые материалы или грунтовое образование (формацию), будет достаточно равномерно распределенной силы противодействия, передаваемой на буровые головки, и, в свою очередь, обратного толкающего действия на поршни для обеспечения ударного цикла.

[0006] Тем не менее, на практике возникает проблема, когда необходим кластерный бур погружного ударного молота для бурения смешанного грунта, состоящего из материалов различной твердости. Если твердый грунт может обеспечить достаточное обратное усилие на буровую головку для продолжения ударного цикла соответствующего поршня, мягкий грунт не обеспечивает достаточного обратного усилия, в результате чего буровая головка падает и задерживается на стопорном кольце буровой головки. Вслед за буровой головкой поршень также остается сверху. Сжатый воздух или жидкость под давлением затем немедленно уходит из буровой головки через главные выпускные отверстия в поршне, вместо того чтобы проходить через нижнюю камеру, которая обычно питает поршень для обратного хода в нормальном ударном цикле, если грунт достаточно твердый, чтобы обеспечить достаточную обратную силу. В этот момент DTH молот находится в состоянии максимальной промывки, а сжатый воздух или жидкость под давлением, поступающие к нему, напрямую отводятся через нижнюю часть буровой головки. Это состояние называется «эффектом прямого выпуска».

[0007] Условие, описанное выше, является результатом того, что сжатый воздух или жидкость под давлением подается из единого централизованного источника подачи для работы всех погружных ударных молотов в кластере узла погружного ударных молотов. Эффект прямого выпуска имел место в погружных ударных молотах (или даже в одном погружном ударном молоте), которые воздействуют на мягкий грунт. Это привело к перетеканию (перепуску) всего сжатого воздуха или жидкости под давлением от централизованного источника подачи через этот прямой путь (пути) выпуска из-за значительно меньшего сопротивления потока через нижнюю часть буровой головки (головок), в отличие от гораздо большего сопротивления потока, которое получается, когда сжатый воздух или жидкость под давлением подается на поршень (поршни) того погружного ударного молота (молотов), который воздействует на твердый грунт.

[0008] Кроме того, в связи с выпуском сжатого воздуха или жидкости под давлением по пути меньшего сопротивления течению потока, связанному с погружным ударным молотом (молотами), которые воздействуют на мягкий грунт, есть немного сжатого воздуха или жидкости под давлением, оставленной для приведения в движение другого поршня (поршней) того погружного ударного молота (молотов), который воздействует на твердый грунт. Потом поршень (поршни) погружного ударного молота (молотов), который воздействует на твердый грунт, останавливается. Поэтому, когда кластерный бур погружных ударных молотов сталкивается со смешанным грунтом во время бурения, он не может проникнуть дальше на эту глубину грунта и бурение не может продолжаться дальше.

[0009] Фактически вышеупомянутое условие является ограничением применения современных конструкций кластерных буров погружных ударных молотов в буровых работах, то есть они могут быть использованы только при бурении однородных или пород допустимой толщины, но не смешанной грунтовой породы. Таким образом, существует необходимость в оборудовании и/или способах для управления работой кластерного бура погружных ударных молотов для бурения смешанной грунтовой породы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Целью заявленного изобретения является обеспечение способа и устройства для контроля работы кластерного бура погружных (DTH) ударных молотов. Еще одной целью заявленного изобретения является обеспечение возможности кластерному буру погружных ударных молотов бурить не только однородную горную породу, но также и смешанную грунтовую породу, включающую как твердую, так и мягкую грунтовую породу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Варианты осуществления изобретения описаны более подробно ниже со ссылкой на чертежи, на которых:

[0012] фиг.1 показывает разрез и вид снизу примера варианта осуществления бурильной колонны, которая включает кластерный бур погружных ударных молотов;

[0013] фиг.2 показывает разрез и вид снизу одного варианта осуществления бурильной колонны для бурения кольцеобразного отверстия;

[0014] фиг.3 показывает разрез одного варианта осуществления кластерного бура погружных ударных молотов для бурения кольцеобразного отверстия; и

[0015] фиг.4 показывает увеличенный разрез поворотной головки и специальный распределитель одного из вариантов осуществления и иллюстрирует поток сжатого воздуха или жидкости под давлением из нескольких источников.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] В следующем описании способы и устройства для контроля работы кластерного бура погружных (DTH) ударных молотов и т.п. приводятся как предпочтительные варианты. Для квалифицированных специалистов в данной области техники будет очевидно, что изменения, включая дополнения и/или замены, могут быть сделаны без отхода от объема и сущности изобретения. Конкретные детали могут быть опущены, чтобы не затруднять понимание изобретения, однако описание представлено для того, чтобы дать возможность квалифицированным специалистам в данной области техники использовать изложенную идею изобретения без необходимости проведения дополнительных экспериментов.

[0017] На фиг.1 показан разрез примерного варианта осуществления бурильной колонны 100. Бурильная колонна 100 включает в себя кластерный бур погружных ударных молотов 101, который включает в себя один или несколько погружных молотов 102, скомпонованных и расположенных либо в цилиндрическом корпусе, либо в кольцеобразном корпусе, одну или несколько бурильных труб 103; специальный распределитель 104 сжатого воздуха или жидкости под давлением, имеющий один или более вращающихся шарнирных узлов впуска, таких как 110 и 111, как показано, для снабжения сжатым воздухом или жидкостью под давлением, и интерфейс подключения 105 поворотной головки для подключения поворотной головки 106. В некоторых случаях мелкого бурения бурильная труба не обязательна.

[0018] Кластерный бур погружных ударных молотов 101 включает в себя один или несколько DTH молотов 102, скомпонованных и расположенных либо в цилиндрическом корпусе, либо в кольцеобразном корпусе. С цилиндрическим корпусом внешний диаметр корпуса определяет диаметр пробуриваемого круглого отверстия. С кольцеобразным корпусом размер кольцеобразного отверстия определяется внешним диаметром и внутренним диаметром кольца корпуса. Кластерные буры погружных ударных молотов в цилиндрическом корпусе и кольцеобразном корпусе являются двумя типичными вариантами осуществления. Настоящее заявленное изобретение применимо к множеству модификаций и вариаций исполнения кластерного бура погружных ударных молотов, которые будут очевидными квалифицированным специалистам в данной области техники.

[0019] В соответствии с вариантом осуществления настоящего заявленного изобретения специальный распределитель 104 сжатого воздуха или жидкости под давлением содержит один или более вращающихся шарнирных узлов впуска, таких как 110 и 111, как показано, для снабжения сжатым воздухом или жидкостью под давлением. Один или несколько вращающихся приемных шарнирных узлов сконструированы с целью обеспечения независимого поступления сжатого воздуха или жидкости под давлением от каждого вращающегося шарнира для приведения в движение погружного ударного молота кластерного бура. Это отличается от обычной конструкции, где используется один централизованный источник подачи сжатого воздуха или жидкости под давлением для запуска всех погружных ударных молотов. Количество необходимых вращающихся шарнирных узлов зависит от конфигурации и размера кластерного бура погружных ударных молотов.

[0020] Поворотная головка 106 обеспечивает угловую скорость вращения и выходной крутящий момент бурильной колонны 100. Поворотная головка 106 также оснащена шарнирным узлом 107 впуска, где сжатый воздух или жидкость под давлением подается из источника, который может быть независимым от тех, которые питают специальный распределитель 104 через один или несколько поворотных шарнирных узлов впуска. Сжатый воздух или жидкость под давлением затем подается через внутренний канал в поворотной головке 106 во внутренний канал в интерфейсе 105 подсоединения вращающейся головки. Фигура 4 показывает увеличенный разрез поворотной головки и специальный распределитель. Различные источники сжатого воздуха или жидкости под давлением снабжаются через шарнирный узел 401 впуска поворотной головки и вращающихся шарниров узлов 402 и 403 впуска специального распределителя; а сжатый воздух или жидкость под давлением проходят через отдельные пути 411, 412 и 413 соответственно к соответствующим погружным ударным молотам.

[0021] Одна или более бурильных труб 103 прикреплены вертикально, обеспечивая увеличение длины для бурильной колонны 100 для удовлетворения требования по глубине бурения. Внутренние трубы 112 подачи пролегают сверху вниз внутри каждой из бурильных труб 103. Сжатый воздух или жидкость под давлением подаются через внутренние трубы 112 подачи и достигают кластерного бура погружных ударных молотов 101. Когда две бурильные трубы прикреплены вертикально, их соответствующие трубы подачи выровнены внутри и соединены, формируя непрерывные каналы подачи сжатого воздуха или жидкости под давлением через поворотные шарнирные узлы специального распределителя 104 и впускной шарнир поворотной головки 106. Каждый погружной ударный молот подключен к одной трубе подачи. Бурильные трубы 103 также передают крутящий момент от поворотной головки 106 кластерному буру погружных ударных молотов 101. В некоторых случаях мелкого бурения бурильная труба не обязательна. В этих случаях кластерный бур погружных ударных молотов 101 напрямую соединен со специальным распределителем 104.

[0022] В зависимости от требований отверстия для бурения возможны различные способы установки буровых головок. В случае кольцеобразного отверстия, если разница между наружным и внутренним диаметром кольцеобразного отверстия мала, используется один круговой слой буровых головок. Для кольцеобразного отверстия с большой разницей НД-ВД два или более круговых слоя буровых головок могут быть использованы для покрытия большой площади кольцеобразного бурения. Точно так же для бурения больших круглых отверстий два или более круговых слоев буровых головок могут быть использованы для покрытия площади бурения.

[0023] Обратимся к виду снизу 120 и 121 примерной конфигурации кластерного бура погружных ударных молотов, показанных на фиг.1, в котором два круговых слоя буровых головок расположены от центра кластерного бура погружных ударных молотов 101 к его наружному диаметру, если смотреть снизу. Площадь бурения, которая может быть образована каждой буровой головкой, регулируется площадью ее охвата при вращательном движении вокруг оси вращения кластерного бура погружных ударных молотов 101. Обычно буровые головки в кластерном буре размещаются таким образом, что суммирование площади бурения, образованной всеми буровыми головками, расположенными на различном радиальном расстоянии от центра кластерного бура, полностью покроет всю нижнюю лицевую часть кластерного бура.

[0024] Со ссылкой на фиг.2 показана другая примерная конфигурация кластерного бура DTH ударных молотов. Как показано на виде снизу 210, один круговой слой буровых головок используется в кольцеобразном корпусе для бурения кольцеобразных отверстий.

[0025] В соответствии с вариантом осуществления представленного изобретения в каждом круговом слое буровых головок есть, как минимум, один погружной ударный молот, соответствующий буровой головке, снабженный автономным источником сжатого воздуха или жидкости под давлением через один из поворотных шарнирных узлов, таких как 110 и 111, специального распределителя 104 или шарнирного узла 107 впуска из поворотной головки 106.

[0026] Для примерной конфигурации кластерного бура погружных ударных молотов, как показано на фиг.1, поскольку имеется два круговых слоя, есть, по меньшей мере, два независимых источника подачи сжатого воздуха или жидкости под давлением и три поворотных шарнирных узла в специальном распределителе 104. В этом примерном варианте осуществления внутренний круговой слой буровых головок состоит только из одной буровой головки 122. Ее погружной ударный молот снабжается сжатым воздухом или жидкостью под давлением от независимого источника подачи через поворотный шарнирный узел 110 специального распределителя 104. Внешний круговой слой включает в себя четыре буровые головки: 123, 124, 125 и 126. Погружной ударный молот буровой головки 123 выбирается, чтобы получать независимую подачу сжатого воздуха или жидкости под давлением от независимого источника подачи через поворотный шарнирный узел 111 специального распределителя 104. Погружные ударные молоты буровой головки 124, 125 и 126 снабжаются сжатым воздухом или жидкостью под давлением из центрального источника подачи через шарнирный узел впуска поворотной головки.

[0027] В ситуации, когда буровая головка 124, 125 или 126 ударяет по смешанной грунтовой породе во время бурения и вызывает прямой выпуск сжатого воздуха или жидкости под давлением из центрального источника подачи - эффект прямого выпуска. Однако, поскольку погружной ударный молот буровой головки 123 снабжается независимым источником сжатого воздуха или жидкости под давлением, он может продолжать ударное воздействие и проникать в смешанный грунт. При достижении еще одного слоя твердой горной породы остановленные погружные ударные молоты буровой головки 124, 125 или 126 могут возобновить нанесение ударов.

[0028] В соответствии с различными вариантами осуществления специально разработанные ударные буровые головки с наконечниками из карбида вольфрама установлены в нижней части каждой буровой головки. Буровая головка имеет специальный круговой профиль для получения большей ударной площади по обеим кольцеобразным областям наружного и внутреннего бурения. Режущий профиль буровой головки не обязательно должен быть круглым, а может быть треугольным, прямоугольным или иметь любую специальную профилированную форму.

[0029] Приведенное выше описание настоящего изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не обязательно должно быть исчерпывающим или ограничивать изобретение точно описанными видами. Многие модификации и вариации будут очевидными квалифицированным специалистам в данной области техники.

[0030] Варианты осуществления были выбраны и описаны для того, чтобы лучше объяснить принципы изобретения и его практическое применение, тем самым позволяя другим специалистам в данной области техники понять изобретение для различных вариантов осуществления и с различными модификациями, которые подходят для конкретного предусмотренного использования. Предполагается, что область применения настоящего изобретения будет определяться следующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

Изобретение относится к технике и оборудованию, используемым в строительстве несущих фундаментных свай для бурения грунта. Устройство для бурения содержит кластерный бур погружных ударных молотов, состоящий из двух или более погружных ударных молотов, каждый из которых оснащен буровой головкой, распределитель для распределения сжатого воздуха или жидкости под давлением из двух или более независимых источников подачи в кластерный бур погружных ударных молотов и поворотную головку для обеспечения угловой скорости вращения и крутящего момента для устройства. Распределитель подключен к кластерному буру погружных ударных молотов. Вращающаяся головка подключена к распределителю, в котором по меньшей мере два ударных молота снабжаются сжатым воздухом или жидкостью под давлением из двух независимых источников подачи. Обеспечивается бурение смешанного грунта, состоящего из материалов различной твердости. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для бурения, содержащее:
кластерный бур погружных ударных молотов, причем кластерный бур погружных ударных молотов состоит из двух или более погружных ударных молотов, каждый из которых оснащен буровой головкой,
распределитель для распределения сжатого воздуха или жидкости под давлением из двух или более независимых источников подачи в кластерный бур погружных ударных молотов, причем распределитель подключен к кластерному буру погружных ударных молотов; и
поворотную головку для обеспечения угловой скорости вращения и крутящего момента для устройства, при этом вращающаяся головка подключена к распределителю,
в котором по меньшей мере два ударных молота снабжаются сжатым воздухом или жидкостью под давлением из двух независимых источников подачи.

2. Устройство по п.1, в котором распределитель имеет один или более поворотных шарнирных узлов и каждый из поворотных шарнирных узлов снабжает один из независимых источников подачи.

3. Устройство по п.1, в котором погружные ударные молоты расположены в цилиндрическом корпусе для бурения круглых отверстий; где наружный диаметр корпуса определяет диаметр круглого пробуриваемого отверстия.

4. Устройство по п.1, в котором погружные ударные молоты расположены в кольцеобразном корпусе для бурения кольцеобразных отверстий, где наружный диаметр корпуса определяет наружный диаметр пробуриваемого кольцеобразного отверстия, а внутренний диаметр корпуса определяет внутренний диаметр пробуриваемого кольцеобразного отверстия.

5. Устройство по п.3, в котором погружные ударные молоты скомпонованы так, что два или более круговых слоя буровых головок формируются, покрывая круговую площадь бурения.

6. Устройство по п.4, в котором погружные ударные молоты скомпонованы так, что два или более круговых слоя буровых головок формируются, покрывая кольцеобразную площадь бурения.

7. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя одну или несколько бурильных труб, причём бурильные трубы прикреплены вертикально друг к другу, формируя цепочку бурильных труб, цепочка бурильных труб соединяется на первом конце с кластерным буром погружных ударных молотов и цепочка бурильных труб соединяется на втором конце с распределителем, где бурильные трубы имеют две или более внутренние подающие трубы внутри для подачи сжатого воздуха или жидкости под давлением из распределителя и поворотной головки на погружные ударные молоты.