устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода

Формула изобретения

1. Устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода, включающее имеющий форму тела вращения расширитель с рабочей поверхностью, диаметр которой увеличивается в направлении от головной к хвостовой части, приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением и соединенную с головной частью расширителя штангу для передачи тягового усилия и/или вращающего момента на расширитель, отличающееся тем, что расширитель выполнен с кольцевой выемкой, которая разделяет его рабочую поверхность на два участка, при этом приспособление для подачи тиксотропного раствора сообщено с полостью кольцевой выемки, а максимальный диаметр первого участка рабочей поверхности расширителя составляет не менее 0,25 и не более 0,75 от максимального диаметра второго участка рабочей поверхности расширителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расширитель выполнен с, по меньшей мере, одной дополнительной кольцевой выемкой, которая образует на одном из участков его рабочей поверхности дополнительный участок, при этом приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением сообщено с полостью дополнительной кольцевой выемки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что рабочая поверхность, по меньшей мере, одного участка расширителя имеет форму боковой поверхности конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии расширителя.

4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что по меньшей мере, одна боковая стенка кольцевой выемки имеет форму боковой поверхности конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии расширителя, а дно кольцевой выемки образовано боковой поверхностью цилиндра вращения.

5. Устройство по одному из пп.1 - 4, отличающееся тем, что приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением сообщено с полостью кольцевой выемки посредством, по меньшей мере, одного радиального канала, выполненного в расширителе.

6. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением выполнено в виде расположенного в штанге канала.

7. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением выполнено в виде растворопровода, который соединен с хвостовой частью расширителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для расширения скважин при бестраншейной прокладке трубопроводов, и может быть использовано при прокладке инженерных коммуникаций под препятствиями.

Известно устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода, включающее имеющий форму тела вращения расширитель с рабочей поверхностью, диаметр которой увеличивается в направлении от головной к хвостовой части, и приспособление для передачи тягового усилия на расширитель (см., например, Руководство по проходке горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций.- ЦНИИОМТП Госстроя СССР.- М.: Стройиздат, 1982, с. 28, рис. 13).

Конструкция известного устройства достаточно эффективно обеспечивает расширение предварительно образованной пионерной скважины до необходимого диаметра, обеспечивающего последующую прокладку инженерной коммуникации. Однако при работе в несвязанных грунтах, например песчаных грунтах, после расширения скважины с помощью известного устройства происходит обрушение ее стенок, которое приводит к необходимости проведения дополнительных работ по очистке скважины перед прокладкой инженерной коммуникации. При этом увеличивается энергоемкость процесса укладки коммуникации в образованную скважину за счет того, что при затягивании коммуникации в скважину обрушившийся грунт вызывает дополнительное сопротивление перемещению коммуникации по скважине.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода, которое включает имеющий форму тела вращения расширитель с рабочей поверхностью, диаметр которой увеличивается в направлении от головной к хвостовой части, приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением и соединенную с головной частью расширителя штангу для передачи тягового усилия и/или вращающего момента на расширитель (см., например, патент РФ N 2034118, кл. Е 02 F 5/18, опубл. 30.04.95).

Известное устройство частично устраняет недостатки описанного выше аналога за счет того, что стенки скважины после ее расширения частично укрепляются тиксотропным раствором, который проникает в грунтовый массив расширенной скважины за счет подачи его под давлением. Однако при работе в несвязанных грунтах такого поверхностного укрепления стенок расширяемой скважины оказывается явно недостаточно. Для предотвращения обрушения стенок расширенной скважины необходимо обеспечить более глубокое проникновение в грунтовый массив тиксотропного раствора по периметру скважины. Таким образом, к недостаткам известного устройства можно отнести относительно большую вероятность обрушения стенок расширенной скважины перед прокладкой в ней коммуникации, что снижает производительность процесса прокладки коммуникации, за счет увеличения объема дополнительных работ по очистке полости расширенной скважины от вывалов грунта.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такого устройства для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода, которое обеспечивало бы снижение трудоемкости работ по прокладке трубопровода в несвязанных грунтах за счет снижения объема работ по очистке полости расширенной скважины от грунта, появившегося в результате обрушения стенок скважины. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в увеличении глубины проникновения тиксотропного раствора в окружающий скважину грунтовый массив.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода, которое содержит имеющий форму тела вращения расширитель с рабочей поверхностью, диаметр которой увеличивается в направлении от головной к хвостовой части, приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением и соединенную с головной частью расширителя штангу для передачи тягового усилия и/или вращающего момента на расширитель, последний выполнен с кольцевой выемкой, которая разделяет его рабочую поверхность на два участка, при этом приспособление для подачи тиксотропного раствора сообщено с полостью кольцевой выемки, а максимальный диаметр первого участка рабочей поверхности расширителя составляет не менее 0,25 и не более 0,75 от максимального диаметра второго участка рабочей поверхности расширителя.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что расширитель выполнен с, по меньшей мере, одной дополнительной кольцевой выемкой, которая образует на одном из участков его рабочей поверхности дополнительный участок, при этом приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением сообщено с полостью дополнительной кольцевой выемки. При таком варианте конструктивного выполнения устройства появляется возможность увеличения глубины проникновения тиксотропного раствора в окружающий скважину грунтовый массив за счет последовательного укрепления стенок образуемой скважины в несколько этапов.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что рабочая поверхность, по меньшей мере, одного участка расширителя имеет форму боковой поверхности конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии расширителя, что позволяет снизить стоимость устройства за счет упрощения технологии его изготовления.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что, по меньшей мере, одна боковая стенка выемки имеет форму боковой поверхности конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии расширителя, а дно выемки образовано боковой поверхностью цилиндра вращения, что позволяет снизить стоимость устройства за счет упрощения технологии его изготовления.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением сообщено с полостью кольцевой выемки посредством, по меньшей мере, одного радиального канала, выполненного в расширителе. При таком варианте конструктивного выполнения устройства появляется возможность обеспечить более равномерную подачу тиксотропного раствора в окружающий грунт по всему периметру образовываемой скважины.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением выполнено в виде расположенного в штанге канала, что позволяет существенно упростить конструкцию.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением выполнено в виде растворопровода, который соединен с хвостовой частью расширителя. Такой вариант конструктивного выполнения устройства обеспечивает возможность проведения работ в стесненных условиях за счет размещения оборудования в двух котлованах.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода, на фиг. 2 - один из вариантов конструктивного выполнения устройства и на фиг. 3. - поперечное сечение по А-А на фиг. 1.

Устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода содержит расширитель 1 с рабочей поверхностью 2. Расширитель 1 имеет форму тела вращения и может быть выполнен в виде сварной или литой конструкции. Диаметр рабочей поверхности 2 увеличивается в направлении от головной части расширителя 1 к его хвостовой части. С головной частью расширителя 1 с помощью разьемного или неразъемного соединения соединена штанга 3 для передачи тягового усилия и/или вращающего момента на расширитель 1. Расширитель 1 выполнен с кольцевой выемкой 4, которая разделяет его рабочую поверхность 2 на два участка - соответственно первый 5 и второй 6. Устройство содержит приспособление 7 для подачи тикcотропного раствора под давлением, которое сообщено с полостью кольцевой выемки 4. Максимальный диаметр (d) первого участка 5 рабочей поверхности 2 расширителя 1 составляет не менее 0,25 и не более 0,75 от максимального диаметра (D) второго участка 6 рабочей поверхности 2 расширителя 1, то есть выполняется условие, при котором 0,25 D < d < 0,75 D. Указанное соотношение установлено эмпирическим путем. Оно определяет соотношение между степенью предварительного уплотнения грунта первым участком 5 рабочей поверхности 2 расширителя 1 и степенью окончательного уплотнения грунта вторым участком 6 рабочей поверхности расширителя 1 с одновременной подачей в уплотняемый массив тиксотропного раствора, поступающего из полости кольцевой выемки 4. При выходе максимального диаметра (d) первого участка 5 рабочей поверхности 2 расширителя 1 за нижнюю границу указанного ограничения происходит забивание полости кольцевой выемки 4 грунтом, что препятствует поступлению в нее тиксотропного раствора. При выходе максимального диаметра (d) первого участка 5 рабочей поверхности 2 расширителя 1 за верхнюю границу указанного ограничения тиксотропный раствор не проникает в грунтовый массив на глубину, обеспечивающую достаточное укрепление стенок образованной скважины.

Расширитель 1 может быть выполнен дополнительной кольцевой выемкой 8 (фиг. 2), которая образует на первом участке 5 рабочей поверхности 2 расширителя 1 дополнительный участок 9. При таком варианте конструктивного выполнения устройства приспособление 7 для подачи тиксотропного раствора под давлением должно быть сообщено с полостью дополнительной кольцевой выемки 8. Дополнительная кольцевая выемка 8 может быть выполнена на расширителе 1 таким образом, что образует на втором участке 6 рабочей поверхности расширителя 1 дополнительный участок (на чертежах не изображен). Расширитель 1 может быть выполнен с двумя дополнительными кольцевыми выемками 8, каждая из которых образует соответственно на первом 5 и втором 6 участках рабочей поверхности расширителя 1 дополнительный участок (на чертежах не изображены).

Рабочая поверхность 2 расширителя 1 и каждого его участка 5 и 6 может иметь любую форму, например параболоида или гиперболоида вращения (фиг. 1). При этом один из участков рабочей поверхности 2 расширителя 1 может иметь одну форму, а второй участок - форму, отличную от формы первого участка рабочей поверхности 2 расширителя 1 (на чертежах не изображено). Наиболее предпочтительным является такой вариант конструктивного выполнения устройства, при котором рабочая поверхность 2, по меньшей мере, одного участка расширителя 1 имеет форму боковой поверхности конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии расширителя 1 (фиг. 2).

Кольцевая выемка 4 на расширителе 1 может иметь в поперечном сечении любую форму, например треугольника, прямоугольника или круга. Наиболее предпочтительным является такой вариант конструктивного выполнения устройства, при котором, по меньшей мере, одна боковая стенка 10 кольцевой выемки 4 имеет форму боковой поверхности конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии расширителя 1 (фиг. 2). При этом дно 11 кольцевой выемки 4 образовано боковой поверхностью цилиндра вращения.

Приспособление 7 для подачи тиксотропного раствора под давлением может быть сообщено с полостью кольцевой выемки 4 любым известным способом, например с помощью шланга (на чертежах не изображен). Наиболее предпочтительным является такой вариант конструктивного выполнения устройства, при котором приспособление 4 для подачи тиксотропного раствора под давлением сообщено с полостью кольцевой выемки посредством, по меньшей мере, одного радиального канала 12 (фиг. 3), выполненного в расширителе 1. При выполнении расширителя 1 с несколькими радиальными каналами 12 целесообразно расположить их выходы равномерно по периметру расширителя 1.

Приспособление 7 для подачи тиксотропного раствора под давлением может быть выполнено в виде расположенного в штанге 3 канала 13 (фиг. 2), который сообщен с центральным распределительным каналом 14 (фиг. 3) в расширителе 1.

По другому варианту конструктивного выполнения устройства приспособление 7 для подачи тиксотропного раствора под давлением может быть выполнено в виде растворопровода 15 (фиг. 1), который соединен с хвостовой частью расширителя и сообщен с центральным распределительным каналом 14 в расширителе 1.

Расширитель 1 может быть выполнен с участками 16, которые имеют цилиндрическую форму и служат для релаксации грунта после радиального уплотнения грунтового массива.

Устройство для расширения скважины при бестраншейной прокладке трубопровода работает следующим образом.

Из предварительно оборудованного рабочего котлована (на чертежах не изображен) в направлении приемного котлована (на чертежах не изображен) проходят пионерную скважину (на чертежах не изображена), диаметр которой меньше диаметра прокладываемого трубопровода. Пионерная скважина может быть образована любым известным способом, например методом бурения с помощью размещенного в рабочем котловане бурового станка (на чертежах не изображен) или методом прокола с помощью грунтопрокалывающей установки (на чертежах не изображена). После образования пионерной скважины в ней размещают штангу 3, в качестве которой может быть использована штанга бурового станка, используемого при образовании пионерной скважины, или специальная штанга. В одном из котлованов с одним концом штанги 3 соединяют головную часть расширителя 1. В другом котловане монтируют силовую установку (на чертежах не изображена) для перемещения расширителя 1. Установка для перемещения расширителя 1 может быть выполнена в виде рамы, на которой с возможностью принудительного перемещения, например с помощью подающего механизма в виде гидроцилиндров, установлена каретка. Каретка имеет захватный механизм, посредством которого она соединяется с штангой 3. В этом случае при перемещении каретки вместе с ней перемещается и штанга 3, которая передает тяговое усилие на расширитель 1. На каретке может быть дополнительно размещен вращатель, который кинематически связан с двигателем, например гидродвигателем. Вращатель имеет захватный механизм, посредством которого он соединяется с штангой 3. В этом случае при перемещении каретки с включенным двигателем вращателя вместе с ней перемещается и вращающаяся штанга 3, которая передает тяговое усилие и вращающийся момент на расширитель 1. В качестве силовой установки для перемещения расширителя 1 может быть использован буровой станок, с помощью которого была осуществлена проходка пионерной скважины. В одном из котлованов размещают приспособление 7 (на чертежах изображено условно) для подачи тиксотропного раствора под давлением, которое может быть выполнено, например, в виде насоса, емкости для размещения тиксотропного раствора и магистрали для подвода тиксотропного раствора под давлением к расширителю. Одновременно с включением силовой установки для перемещения расширителя включают приспособление для подачи тиксотропного раствора под давлением. При перемещении расширителя 1 по пионерной скважине он последовательно взаимодействует рабочей поверхностью 2 своего первого участка 5 с грунтовым массивом и осуществляет предварительное радиальное уплотнение грунта. Одновременно тиксотропный раствор из емкости с помощью насоса поступает под давлением в центральный распределительный канал 14 и далее через радиальные каналы 12 в полость кольцевой выемки 4 и заполняет ее. Из полости кольцевой выемки 4 тиксотропный раствор поступает в окружающий расширитель 1 грунтовый массив, проникая между частицам грунта. При дальнейшем перемещении расширителя 1 по пионерной скважине он взаимодействует рабочей поверхностью 2 своего второго участка 6 с пропитанным тиксотропным раствором грунтовым массивом и осуществляет окончательное радиальное уплотнение с образованием скважины, диаметр (D) которой соответствует диаметру прокладываемого трубопровода. В процессе окончательного радиального уплотнения пропитанного тиксотропным раствором грунта тиксотропный раствор выдавливается в окружающий грунтовый массив. Частички глины, находящиеся в тиксотропном растворе, спрессовываются с частичками грунта, обеспечивая взаимное сцепление последних между собой, что предотвращает обрушение стенок образованной скважины. После образования скважины или одновременно с ее проходкой в нее любым известным способ затаскивают трубопровод. Прокладку трубопровода в образованную скважину осуществляют, например, с помощью силовой установки, которая была использована для перемещения расширителя 1, или путем соединения прокладываемого трубопровода с расширителем 1 при его перемещении по пионерной скважине.

Работа расширителя 1, имеющего дополнительную кольцевую выемку 8, осуществляется аналогичным образом. После предварительного радиального уплотнения грунта рабочей поверхностью 2 первого участка 5 расширителя 1 в грунтовый массив подают из полости дополнительной кольцевой выемки 8 тиксотропный раствор под давлением. Затем пропитанный тиксотропным раствором грунт дополнительно радиально уплотняют путем воздействия на грунтовый массив рабочей поверхностью 2 дополнительного участка 9 расширителя 1. После дополнительного радиального уплотнения грунта его повторно обрабатывают тиксотропным раствором, поступающим под давлением из кольцевой выемки 4. Окончательное расширение скважины до необходимого диаметра (D) осуществляют путем воздействия на грунтовый массив рабочей поверхностью 2 второго участка 6 расширителя 1.