Пристрій для проходки свердловини і польового визначення щільності грунту

1. Пристрій для проходки свердловини і польового визначення щільності ґрунту, що містить колонковий забурник з коронкою і штанговим кінцевиком для стикування з буровою трубою, який відрізняє ться тим, що додатково містить механічний виштовхувач, що складається з поршня, жорстко з'єднаного з кільцем за допомогою стрижнів, при цьому поршень розташований усередині колонкової частини забурника з можливістю вільного ходу, а кільце розташоване зовні штангового кін 3 20719 вправності перераховані вище методи досить ефективні. Однак при вибиванні керна глинястодисперсних ґрунтів практично цілком порушується їхня стр уктурно-текстурна будівля. Крім того, для видавлювання керна з колонкової тр уби промивною рідиною необхідний буровий насос, однак інженерно-геологічне буріння, як правило, виконується в суху чи з частковим підливом води без пристрою циркуляційної системи для промивання свердловини. Видування керна повітрям через компресор може привести до визначених порушень техніки безпеки. На даному етапі розвитку інженерногеологічних вишукувань і досліджень основним методом визначення природної щільності ґрунтів є лабораторний метод визначення щільності ґрунтів [Е.Г. Чаповский. "Лабораторні роботи з ґрунтознавства і механіки ґрунтів", М., "Надра", 1975р., с.21-23]. При цьому щільність ґрунту природного додавання визначають, в основному, лабораторним методом: за допомогою кілець, що ріжуть, і за допомогою парафінування зразків неправильної форми. Для лабораторних досліджень ґрунтоносами ручної конструкції з технічних свердловин відбираються зразки ґрунту природного додавання (моноліти), з яких вирізують кільця для наступних лабораторних іспитів і досліджень. Метод має певні обмеження, обумовлені малим обсягом досліджуваної проби, кількістю і розміром уламкових включень у ґрунті. При цьому відомий метод виконується практично вручну, без засобів механізації, у зв'язку з чим його проведення вимагає великих тимчасових і тр удови х витрат. Для ґрунтів, що ви ходять за межі області застосування лабораторного методу визначення природної щільності застосовують польовий метод визначення природної щільності ґрунту [М.А. Солодухин, І.В. Ар хангельський, "Довідник техніка по інженерно-геологічних і гідрогеологічних роботах, М., "Надра", 1982р., с.201], що включають проходку шурфу розміром від 0,5´0,5´0,5м до 1,0´1,0´1,0м, зважування на технічних вагах вантажопідйомністю до 50кГ ґрунту і породи із шурфу і визначення маси з точністю до 0,1кг, потім у шурф укладають тонку поліетиленову плівку і наливають воду, обсяг якої в процесі наливу визначають з точністю до 0,1м 3. Далі по формулі підраховують щільність породи. Метод має певні обмеження, обумовлені тим, що відомий метод виконується практично вручну, без засобів механізації, у зв'язку з чим його проведення вимагає великих тимчасових і трудови х витрат. Недоліками відомого методу є обмежена область його застосування - тільки для визначення щільності ґрунту в шур фа х, значна трудомісткість визначення щільності ґрунту на великій глибині від 5,0 до 15,0м, а також складність і трудомісткість проведення досліджень. Відомий "Буровий снаряд для забурки шпар" [Ф.А. Шамшев і ін. Розвідницьке буриння. М., Госнаучте хіздат, 1958р., с.254), що включає коронку, колонкову тр убу, переходник і штангу. 4 Однак відомий пристрій призначений тільки для забурки свердловин і не може використовуватися для польового визначення щільності ґрунту, тобто має обмежені функціональні можливості. Відомий "Подвійний колонковий II типу" [Н.В. Проскурін і ін. Розвідницьке буриння. М., ізд-во "Надра", 1979р., с.283], що включають колонковий забурник з коронкою, перехідником і кінцевиком для стикування з буровою трубою, штангу, керноприємну гільзу, кільцевий штамп, кільце з загарбними пружинами. Визначеним недоліком відомого пристрою є його конструктивна складність. Найбільш близьким по технічній сутності і результату, який досягається, і обраним як прототип є "Подвійний колонковий снаряд" [Авт.св. №1228603, МПК-5 F42В3/02, БВ-15-84p.], що містить перехідники, керноприймальні внутрішню і зовнішню труби, з'єднані між собою пружинофрикційним механізмом з підшипниками, тарілчастими пружинами і конусною муфтою, зовнішню коронку і внутрішню коронку-штамп, при цьому підшипник виконаний у вигляді кулькового підп'ятника, сполученого з пружинами і муфтою в єдиному герметичному корпусі, а керноприймальна труба виконана рознімної зі шліцьовим замком у верхній частині і різьбленням на нижній для приєднання внутрішньої коронки-штампа, причому остання постачена кільцевим буртиком з гідравлічними каналами, що утворять зі сполученим виступом зовнішньої коронки опорні поверхні, крім того, пружино-фрикційний механізм поміщений в ізольовану олієзаповняну порожнина постійного обсягу, а в тілі конусної муфти виконані радіальні прорізи по довжині утворюючої, причому в середній частині внутрішньої рознімної труби встановлені кулькові центраторы. Недоліком прототипу є відносна складність конструкції. Задачею корисної моделі є розробка нового пристрою для проходки свердловин і польових іспитів щільності ґрунтів з досягненням технічного результату - спрощення пристрою і розширення області застосування. Поставлена задача досягається тим, що в "Пристрої для проходки свердловин і визначення щільності ґрунту, що містить колонковий забурник з коронкою, перехідником і кінцевиком для стикування з буровою трубою, додатково містить механічний виштовхувач, що складається з поршня, жорстко з'єднаного з кільцем за допомогою стрижнів, при цьому поршень розташований усередині колонкової частини забурника з можливістю вільного ходу, а кільце розташоване зовні штангового кінцевика і має можливість вільного ходу уздовж його, крім того, колонкова частина забурника має діаметр 108-325мм, а при діаметрі забурника більш 146мм колонкова частина виконана у вигляді труби, армованої знизу твердосплавними різцями, при цьому поршень з'єднаний з кільцем за допомогою трьох стрижнів. Сутність пристрою, що заявляється, складається у використанні колонкового забурника з механічним виштовхувачем, що призначений для буріння свердловин і фіксованого добору ґрунту. 5 20719 Використання пристрою, що заявляється, дозволяє максимально використовувати бурову установку, підвищи ти якість процесу буріння і розширити область застосування пристрою з метою оперативного польового визначення щільності ґрунтів у свердловинах на різних глибинах. Суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, співпадаючими з прототипом. є наступні ознаки: - колонковий забурник з коронкою; - перехідник; - кінцевик для стикування з буровою трубою. Суттєвими відмітними від прототипу ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - додатково містить механічний виштовхувач; - механічний виштовхувач складається з поршня, жорстко з'єднаного з кільцем за допомогою стрижнів; - поршень розташований усередині колонкової частини забурника з можливістю вільного ходу; - кільце розташоване зовні кінцевика і має можливість вільного ходу уздовж його. Приватними відмітними від прототипу ознаками пристрою, що заявляється, є: - колонкова частина забурника має діаметр 108-325мм; - при діаметрі забурника більш 146мм колонкова частина виконана у вигляді тр уби, армованої знизу твердосплавними різцями; - поршень з'єднаний з кільцем за допомогою трьох стрижнів. Між суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, і досягаємого з їхньою допомогою технічним результатом існує наступний причиннонаслідковий зв'язок. Дійсно, досягнення зазначеного вище технічного результату - спрощення і розширення області застосування - можливо тільки при реалізації всіх суттєвих ознак корисної моделі, при відсутності кожного з них досягнення технічного результату неможливо. Наприклад, при відсутності в заявляємому колонковому забурнику виштовхувача, виникають усі проблеми, зазначені в прототипі - складне конструктивне виконання пристрою, висока трудомісткість і висока вартість польового визначення щільності ґрунту на різній глибині - від 5,0 до 15,0м. Крім того, пристрій, що заявляється, є надзвичайно простим і технологічним у виго товленні і застосуванні, що дозволяє рекомендувати його застосування при проведенні польових іспитів ґрунту з метою визначення щільності і водонасиченому ґрунту, тому що після проведення польового визначення щільності ґрунту навішення ґрунту відправляють у лабораторію для визначення природної вологості на границі плинності і розкочування, а також щільності часток ґрунту з наступним розрахунком фізичних (класифікаційних) характеристик. Проведений заявником аналіз рівня техніки, що включає пошук по патентних і науковотехнічних джерелах інформації, з виявленням джерел, яки містять інформацію про аналоги технічного рішення, що заявляється, дозволяє уста 6 новити, що заявником не виявлені аналоги, ідентичні пристрою, який заявляється. Тому можна затверджувати, що корисна модель, яка заявляється, відповідає умові охороноздатності за критерієм "новизна". Крім того, корисна модель промислово придатна, тому що те хнічне рішення, яке заявляється, дозволяє використовува ти його при польовому визначенні щільності ґрунтів визначення фізичних характеристик ґрунтів і гірських порід, необхідних для розрахунку основ на стадії проектних робіт для будівництва. Можливість здійснення корисної моделі, що заявляється, підтверджується описом його практичної реалізації й ілюструється кресленням. На Фіг.1 зображений колонковий забурник з механічним виштовхувачем. Опис заявляємого колонкового забурника приводиться на прикладі колонкового забурника з діаметром понад 146мм. Пристрій, що заявляється, з достатньою точністю для цілей будівництва і проектування може бути широко використаний для проведення робіт з визначення природної щільності ґрунтів зони аерації, тобто до глибини залягання водоносного шару. Колонковий забурник 1 з механічним виштовхувачем 2 складається з колонкової частини 3, виконаної у вигляді циліндру 4, у дні 5 якого маються три отвори 6, і ребра жорсткості 7. Дно цилиндру 5 і ребра жорсткості 7 являють собою перехідник 8. Дно 5 циліндру 4 жорстко співвісно з'єднано з кінцевиком 9, що є направляючої для механічного виштовхувача 2, оформленого у вигляді поршня 10, жорстко з'єднаного з упорним кільцем 11 трьома металевими штангами 12, що мають вільний прохід через отвори 6. Поршень 10 виконаний з можливістю вільного переміщення усередині колонкової частини 3 забурника 1. Кільце 11 має можливість вільного ходу по кінцевику 9. Т.я. діаметр колонкової частини 3 забурника 1 перевищує 146мм, то колонкова частина 3 являє собою трубу, армовану знизу твердосплавними різцями 12, що виконані у вигляді коронки 13. Таким чином, забурник 1 складається з колонкової частини 3 з коронкою 13, перехідника 8 із трьома отворами 6 і кінцевика 9, виконаного з бурової штанги, або збірним з елементів бурового замка (муфти, перехідника і ніпеля). Колонкова частина 3 і кінцевик 9 є напрямними для виштовхувача 2, що о формлений у вигляді поршня 10, жорстко з'єднаного з упорним кільцем 11 трьома металевими штангами 12, що мають вільний прохід через три отвори 6 у перехіднику 8 (верхньої частини) забурника 1. Технологія буріння колонковим забурником стандартна і при інженерно-геологічному бурінні відмінність складається лише в мінімальному (0,51,0л) порціонному підливі води чи водяного розчину КМЦ на один рейс і мінімально можливому примусовому тиску на вибій свердловини. Особливість полягає у витягу керна. 7 20719 Для верстатів УРБ 2,5-а забурник, з'єднаний з ведучої штангою-квадратом при підйомі бурового інструмента упирається кільцем виштовхувача в ротор. Керн, у даному випадку, витягається найбільше технологічно - без розбирання бурового снаряда. У такий спосіб виконують буріння до глибини 7,0м. Далі буріння роблять з розбиранням бурового снаряда забурником, що припустимо і необхідно для проходки технічних і дослідних свердловин. Крім того, буріння розвідницьких свердловин можливо виконувати з використанням колонкового снаряда стандартних розмірів за технологією, припустимої для інженерно-геологічного буріння. Аналогічно виробляється буріння верстатами УРБ 2А-2. Для достатнього виходу снаряда і витягу керна без розбирання бурового снаряда, бурову штангу виконують довжиною 4,3м. Без розбирання бурового снаряда роблять буріння свердловини до глибини близько 4,0-4,3м. Для технологічного витягу керна до столу бурової установки приварюють два обрізки труби для завзятих стрижнів, що є знімним упором для кільця виштовхувача. У верстатах УГБ, ЛБУ процес витягу керна зв'язаний з розбиранням бурового снаряда, що при пальцевому з'єднанні штанг прийнятне. Витяг керна, у даному випадку, зв'язано з відводом забурника від устя свердловини і натягом троса лебідки. Упором для кільця виштовхувача служить підкладкова бурова вилка, приєднана жорстко на визначеній висоті до щогли бурової установки. Заявляємий колонковий забурник з механічним виштовхувачем використовується в такий спосіб. Заявляємий пристрій для проходки свердловини і польового визначення щільності ґрунту дозволяє використовувати колонковий забурник з механічним виштовхувачем для надійного, ефективного і високотехнологічного буріння до рівня підземних вод. При цьому буриння роблять короткими рейсами, що не перевищують 0,5м з порціонним підливом малої кількості води. Це дозволяє звести до мінімуму порушення природного додавання ґрунту. Таким чином, свердловина проходиться при 100% виході керна і практично ідеальній якості вибуреного ґрунту. При бурінні хитливих ґрунтів замість води використовують водяний розчин КМЦ. Технологічна і високоефективна проходка забурником перших 4,3м (верстатом УРБ-2А-2) і 7,0м (верстатом УРБ 2,5А), коли буріння виконують без розбирання бурового снаряда. Далі свердловину проходять з розбиранням інструмента, або колонковим снарядом нормальної довжини. Діаметр забурника (по трубі) складає 108-127мм - для розвідницьких і технічних шпар, 127-325мм - для технічних і опитних свердловин. 8 При діаметрі труби більш 146мм, колонкову частину оформляють у вигляді тр уби необхідного діаметра з армуванням торця твердосплавними різцями. Вибій свердловини при проходці забурником утворить, як правило, плоску поверхню. При точній (до 1мм) фіксації по бурових штангах довжини рейса всухую роблять дослід по польовому визначенню щільності ґрунту. Операцію роблять у такий спосіб. Углубку рейса перед дослідом точно фіксують тонкою алюмінієвою пластинкою. При обертанні бурової штанги на її поверхні пластинка залишає чіткий слід. Дослідний рейс забурюють в суху без примусової подачі на вибій, або з незначним тиском. Забурюють близько 20см, зупиняють проходку без зупинки обертання бурового снаряда. Алюмінієвою пластинкою по штангах фіксують углубк у дослідного рейса, підривають буровий снаряд, замірять з точністю ±1,0мм. При підйомі, упором у кільце механічного виштовхувача, у попередньо зважену ємність приймають пробу, що зважують з точністю до 5г. Діаметр дослідної проби для обчислення обсягу приймається середнім між внутрішнім і зовнішнім діаметром забурника. Розподілом маси зваженої проби на обчислений обсяг одержують щільність забуренного фунту з точністю 0,01г/см 3, яка визначає щільність ґрунту природного додавання. Прийнятий у розрахунок діаметр дослідної проби ґрунту обумовлений розподілом ґрунту, що руйнується при бурінні, частково в дослідну пробу, а частково - ущільненням ґрунту в стінки свердловини. Після зважування відбирають із проби навішення для здачі в лабораторію для визначення природної вологості, меж пластичності, щільності часток ґрунту - характеристик, що разом із щільністю ґрунту є ви хідними для розрахунку класифікаційних фізичних характеристик ґрунтів. Щільність ґрунту є базовою характеристикою для розрахунку основ, як по деформаціях, так і по несучій здатності, а також для розрахунку схилів і укосів. Для буріння свердловин і виробництва дослідів по визначенню щільності ґрунту застосовні всі типи самохідних бурових установок, використовуваних при інженерно-геологічних вишук уваннях. Таким чином, з огляду на усе ви щевикладене, можна зробити висновок, що задача, поставлена в дійсній корисній моделі - розробка нового пристрою для проходки свердловин і польового визначення щільності ґрунтів - виконана з досягненням технічного результату - спрощення пристрою і розширення області застосування. 9 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 20719 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601