Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов в слабоустойчивых или склонных к вспучиванию горных породах

Изобретение относится к горной и строительной промышленности, в частности для бестраншейной прокладки трубопроводов в слабоустойчивых или склонных к вспучиванию горных породах, и может быть использовано при проходке горизонтальных и слабонаклонных скважин методом обратного расширения с одновременным уплотнением стенок скважины раскаткой. Технический результат - обеспечение эффективной и безаварийной прокладки трубопроводов в слабоустойчивых или склонных к вспучиванию горных породах. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов, состоящее из вала с резьбой в передней части, переходника, и римера, имеющего переднюю коническую часть, переходящую в концевую цилиндрическую часть, дополнительно снабжено раскатчиком с эксцентриковыми втулками и коническими катками, причем ример и раскатчик смонтированы последовательно на валу и жестко соединены с ним и между собой, а радиус концевой цилиндрической части римера равен расстоянию от породоуплотняющей кромки переднего конического катка раскатывателя до оси вала по нижнему краю катка и меньше на 15-20% расстояния от породоуплотняющей кромки концевого конического катка до оси вала по верхнему краю катка, при этом хвостовая часть вала выполнена с утолщением, в котором размещен подшипниковый узел, жестко соединенный с валом переходника. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горной и строительной отраслям промышленности, в частности для бестраншейной прокладки трубопроводов в слабоустойчивых или склонных к вспучиванию горных породах, и может быть использовано при проходке горизонтальных и слабонаклонных скважин методом обратного расширения с одновременным уплотнением стенок скважины раскаткой.

Известно устройство для образования буронабивных свай методом раскатки, включающее приводной вал, с жестко закрепленными эксцентриковыми втулками и фланцами, установленные на эксцентриковых втулках с возможностью вращения конические и цилиндрические катки и размещенные между катками и фланцами уплотнительные элементы, выполненные в виде по крайней мере двух колец, взаимодействующие между собой и подпружиненные относительно торцовой поверхности катка и внутренней торцовой поверхности соответствующего катку эксцентрикового фланца (см, например, свидетельство на полезную модель RU №27607, кл. Е 02 F 5/18).

Для бестраншейной прокладки трубопроводов данное устройство, так же как и целый ряд остальных устройств для раскатки скважин (патент РФ №2080442, кл. Е 02 F 5/20, опублик. 1997 г., патент РФ №2026936, кл. Е 02 F 5/18, Е 02 F 5/16 опублик. 1995 г., патент РФ №2204659, кл. Е 02 F 5/16 опублик. 05.20.2003, А.С. СССР №1714059, а.с. СССР №1764517, а.с. СССР №1090812), имеет довольно ограниченное применение по следующим причинам:

- эти устройства имеют диаметр, как правило, до 300 мм и реже более 300 мм, т.к. величина зоны уплотнения имеет ограниченные параметры и зависит от первоначальной плотности горной породы. Увеличение этой зоны возможно только при условии создания значительных усилий на раскатыватель, что не всегда оправдано с экономической точки зрения, а также из-за ограниченных прочностных характеристик раскатывателей и бурового инструмента, применение которых эффективно преимущественно при проходке скважин в породах с числом С=5-10 (С - количество ударов плотномера конструкции ДорНИИ для погружения его в грунт на 10 см), т.е. в неплотных породах типа супесей, суглинков, глин и т.д. При бурении в плотных породах они практически не применяются;

- область применения раскатывателей ограничена проходкой вертикальных и слабо наклонных скважин небольшой глубины (максимум 15 м), и практически не применяются для проходки горизонтальных скважин большой протяженности.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов, состоящее из вала с резьбой в передней части, переходника, и римера имеющего переднюю коническую часть, переходящую в концевую цилиндрическую часть. Это один из применяемых в настоящее время расширителей (римеров) для бестраншейного строительства подземных коммуникаций методом горизонтального направленного бурения, эффективно работающих в широком диапазоне горных пород по крепости - от I до VI категории по буримости (Голыжбин В.И. Бестраншейные технологии: опыт и новаторство. - Журнал РОБТ, 2005, №2).

Применение таких расширителей имеет весьма существенный недостаток, заключающийся в том, что при расширении пилотной скважины расширителями (римерами) с одновременной протяжкой трубопровода, для выноса разрушенной породы необходимо использовать очистные агенты, в качестве которых в основном используются буровые растворы или техническая вода. В подобных случаях стенки скважины насыщаются влагой, что в слабоустойчивых породах зачастую приводит к их обрушению, а в породах склонных к вспучиванию - к значительному уменьшению проходного диаметра скважины. И то, и другое является нежелательным явлением, т.к. часто приводит к зажиму протягиваемых труб и их обрыву, несмотря на то, что на практике бестраншейной прокладки трубопроводов диметр римеров больше диаметра труб от 50 до 150 мм в зависимости от диметра прокладываемых труб.

Технический результат от применения настоящего изобретения заключается в обеспечении эффективной и безаварийной прокладки трубопроводов в слабоустойчивых или склонных к вспучиванию горных породах.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов, состоящее из вала с резьбой в передней части, переходника, и римера, имеющего переднюю коническую часть, переходящую в концевую цилиндрическую часть, дополнительно снабжено раскатчиком с эксцентриковыми втулками и коническими катками, причем ример и раскатчик смонтированы последовательно на валу и жестко соединены с ним и между собой, а радиус концевой цилиндрической части римера равен расстоянию от породоуплотняющей кромки переднего конического катка раскатывателя до оси вала по нижнему краю катка и меньше на 15-20% расстояния от породоуплотняющей кромки концевого конического катка до оси вала по верхнему краю катка, при этом хвостовая часть вала выполнена с утолщением, в котором размещен подшипниковый узел, жестко соединенный с валом переходника, а также тем, что в нижнем торце утолщенной части вала имеется эксцентричная проточка, в которую входит конгруэнтный ей по форме выступ концевой эксцентриковой втулки, имеющей в нижнем торце эксцентричную проточку меньшего диаметра, чем эксцентричная проточка в утолщенной части вала, и смещенной относительно ее на 180°; а также тем, что каждая последующая эксцентриковая втулка так же, как и концевая, имеет эксцентрические выступ и проточку, конгруэнтные расположенным выше и ниже эксцентриковым втулкам, эксцентриситеты которых также имеют смещение на 180°; и тем, что ример в концевой части имеет эксцентричную проточку, в которой размещена начальная эксцентриковая втулка, эксцентричный выступ которой входит в конгруэнтную ему проточку в начальной эксцентриковой втулке. Указанный технический результат достигается и тем, что геометрические параметры эксцентриковых втулок рассчитываются таким образом, что ни один из конических катков, не соприкасается с соседними катками, и тем, что опорами конических катков служат торцы эксцентриковых втулок.

Изобретение поясняется чертежом, где представлено схематическое изображение устройства для бестраншейной прокладки трубопроводов, состоящее из вала 1 с утолщенной хвостовой частью с полостью, в которой смонтирован подшипниковый узел 2. Подшипниковый узел 2 жестко соединен с валом переходника 3, имеющего резьбу для соединения с протягиваемыми трубами (на чертеже не показаны). Переходник 3 соединен с валом 1 крепежными болтами 4. В утолщенной части вала 1 выполнена эксцентричная проточка 5, в которую входит конгруэнтный ей по форме выступ 6 эксцентриковой втулки 7 раскатывателя и последовательно установленные эксцентриковые втулки 8, 9 и 10. На эксцентриковой втулке 7 смонтирован концевой конический каток 11 с возможностью вращения вокруг оси втулки 7, а на эксцентриковых втулках 8, 9 и 10 смонтированы последующие конические катки 12, 13 и передний конический каток 14 также с возможностью вращения вокруг осей эксцентриковых втулок 8, 9 и 10. Каждая эксцентриковая втулка на верхнем торце имеет эксцентричный оси вала 1 выступ 6, а на нижнем торце эксцентричную оси вала 1 проточку 5, эксцентриситеты которых смещены относительно друг друга на 180°. Каждая последующая эксцентриковая втулка своим эксцентричным выступом 6 входит в конгруэнтную ему проточку 5 предыдущей эксцентриковой втулки, создавая жесткую систему коленчатого вала с заданным эксцентриситетом для концевого конического катка 11, последующих конических катков 12, 13 и переднего конического катка 14, и препятствуя провороту эксцентриковых втулок 8, 9 и 10 вокруг оси вала 1. Геометрические параметры эксцентриковых втулок 7, 8, 9 и 10 раскатывателя рассчитываются таким образом, чтобы ни один из конических катков 11, 12, 13 и 14 не соприкасался с соседним катком. Конические катки 12 и 13 своими торцами опираются в торцы эксцентриковых втулок 7, 8, 9 и 10, концевой конический каток 11 - в торцы утолщенной части вала 1 и эксцентриковой втулки 8, а передний конический каток 14 - в верхний торец римера 15 и эксцентриковую втулку 10.

Ример 15, имеющий переднюю коническую часть, переходящую в концевую цилиндрическую часть, армированный породоразрушающими элементами 16, имеет систему промывочных каналов 17 и своей эксцентричной проточкой 18 входит в эксцентриковую втулку 19, которая своим эксцентриковым выступом 6 входит в конгруэнтную ей проточку 5 в эксцентриковой втулке 10, что обеспечивает жесткое соединение римера 15 с валом 1, препятствуя его провороту относительно оси вала 1. В передней части вал 1 имеет резьбу для соединения с буровым снарядом 20. Радиус концевой цилиндрической части римера 15 равен расстоянию L₁ от породоуплотняющей кромки переднего конического катка 14 раскатывателя до оси вала 1 по нижнему краю катка и меньше на 15-20% расстояния L₂ от породоуплотняющей кромки концевого конического катка 11 до оси вала 1 по верхнему краю катка. Такая разница между величинами L₁ и L₂ (минимальный радиус начального и максимальный радиус концевого катков) объясняется тем, что при проходке скважин методом раскатки диаметром до 200 мм на каждый каток раскатывателя приходится увеличение радиуса скважины на 6-8%, а при проходке скважин диаметром 300 мм и более на каждый каток приходится увеличение радиуса скважины на 4-5% (в зависимости от количества катков в раскатывателе). В предлагаемом устройстве количество катков должно быть не менее 4, а средняя величина общего увеличения радиуса скважины равна 15-20%.

Устройство для бестраншейной прокладки трубопровода в неустойчивых или склонных к вспучиванию горных породах работает следующим образом. Проходится пилотная скважина малого сечения. Затем на выходе скважины породоразрушающий инструмент заменяется на устройство, подсоединяемое к буровому снаряду. К устройству присоединяют протягиваемые трубы, диаметр которых должен быть меньше конечного диаметра раскатывателя на 50-150 мм в зависимости от горных пород.

Ример разрушает горную породу до своего максимального диаметра, а раскатыватель расширяет ее до нужного диаметра, одновременно уплотняя породу в пристеночной зоне скважины породоуплотняющими кромками конических катков. Последнее препятствует обрушению стенок скважины при проходке неустойчивых пород, а при проходке пород склонных к вспучиванию уплотнение пристеночной зоны скважины способствует отжиму из нее жидкости, которой они насыщаются в результате применения промывочной жидкости для выноса разрушенной римером породы. Таким образом создаются условия для свободного прохождения протягиваемых труб.

Таким образом, предлагаемое техническое решение устройства для бестраншейной прокладки трубопроводов имеет следующие преимущества перед известными:

- проходка скважины осуществляется одновременно с уплотнением пристеночной зоны, обеспечивая прокладку труб в любых геологических условиях;

- исключается необходимость проходки скважин большого диаметра исключительно римерами, на что требуется значительные затраты энергии и мощное оборудование;

- исключается необходимость проходки скважин исключительно раскатчиками, имеющими ограниченное применение, как по диаметру, так и по глубине скважин;

- значительно расширяется диапазон проходимых скважин по диаметру и области применения.

1. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов, состоящее из вала с резьбой в передней части, переходника и римера, имеющего переднюю коническую часть, переходящую в концевую цилиндрическую часть, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено раскатчиком с эксцентриковыми втулками и коническими катками, причем ример и раскатчик смонтированы последовательно на валу и жестко соединены с ним и между собой, а радиус концевой цилиндрической части римера равен расстоянию от породоуплотняющей кромки переднего конического катка раскатывателя до оси вала по нижнему краю катка и меньше на 15-20% расстояния от породоуплотняющей кромки концевого конического катка до оси вала по верхнему краю катка, при этом хвостовая часть вала выполнена с утолщением, в котором размещен подшипниковый узел, жестко соединенный с валом переходника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижнем торце утолщенной части вала имеется эксцентричная проточка, в которую входит конгруэнтный ей по форме выступ концевой эксцентриковой втулки, имеющей в нижнем торце эксцентричную проточку меньшего диаметра, чем эксцентричная проточка в утолщенной части вала, и смещенной относительно нее на 180°.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая последующая эксцентриковая втулка также как и концевая имеет эксцентрические выступ и проточку, конгруэнтные расположенным выше и ниже эксцентриковым втулкам, эксцентриситеты которых также имеют смещение на 180°.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ример в концевой части имеет эксцентричную проточку, в которой размещена начальная эксцентриковая втулка, эксцентричный выступ которой входит в конгруэнтную ему проточку в начальной эксцентриковой втулке.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что геометрические параметры эксцентриковых втулок рассчитываются таким образом, что ни один из конических катков не соприкасается с соседними катками.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорами конических катков служат торцы эксцентриковых втулок.