RU49844U1

RU49844U1 - SCREW DRILL FOR DRILLING WELLS IN STRONG AND FROZEN SOILS

Info

Publication number: RU49844U1
Application number: RU2005120323/22U
Authority: RU
Inventors: И.Г. Мартюченко; Р.В. Южаков; В.В. Борисов
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2005-12-10

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к производству земляных работ, в частности к устройствам для образования скважин. Задачей, которую решает данная модель, является снижение энергоемкости бурения скважин в прочных и мерзлых грунтах, в том числе в мерзлом песке. Поставленная задача решается следующим образом. В винтовом буре для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, при этом диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, а сердечник выполнен с углом при вершине равным не более 12°.The proposed utility model relates to the production of earthworks, in particular to devices for the formation of wells. The task that this model solves is to reduce the energy intensity of drilling wells in strong and frozen soils, including frozen sand. The problem is solved as follows. In a helical drill for driving holes in strong and frozen soils, containing a conical core with a helical blade, consisting of a conical section with a constant pitch of turns and a cylindrical section with a pitch of coils, which has a constant increment relative to the pitch of turns of a conical section of the blade, the spiral blade is made with the same number turns on the cylindrical and conical sections, equal to not more than two, while the diameter of the blade on the cylindrical section is larger than the diameter of the base of the cone, described by the edge of the turns to -ethnic blade portion is more than two times, and the core is made with an apex angle equal to not more than 12 °.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к производству земляных работ, в частности, к устройствам для образования скважин.The proposed utility model relates to the production of earthworks, in particular, to devices for the formation of wells.

Известна конструкция рабочего органа для образования скважин, включающая буровую штангу, имеющую конический и цилиндрический участки, на которых расположена непрерывная винтовая лопасть [1]. Для облегчения процесса завинчивания рабочего органа в грунт лопасть также имеет конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки. Причем шаг разрушающей лопасти больше шага тяговой, а ее диаметр равен основанию конуса, описанного кромкой тяговой лопасти.A known design of the working body for the formation of wells, including a drill rod having a conical and cylindrical sections, which is a continuous helical blade [1]. To facilitate the process of screwing the working body into the soil, the blade also has a conical traction and cylindrical destructive sections. Moreover, the step of the destructive blade is greater than the step of the traction, and its diameter is equal to the base of the cone described by the edge of the traction blade.

Недостатком его является большая энергоемкость процесса бурения прочных мерзлых грунтов, а, кроме того, неспособность завинчиваться в высокоабразивные хрупкие грунты, например, мерзлые пески, вследствие того, что при взаимодействии с лопастью, геометрия которой не соответствует данным грунтовым условиям, происходит их хрупкое разрушение, и конический участок лопасти теряет тяговую способность.Its disadvantage is the high energy consumption of the process of drilling strong frozen soils, and, in addition, the inability to screw into highly abrasive brittle soils, for example, frozen sands, due to the fact that when interacting with a blade, the geometry of which does not correspond to these soil conditions, their brittle fracture occurs and the conical section of the blade loses traction ability.

Наиболее близким к предлагаемому является буровой инструмент для проходки скважин в мерзлых грунтах, который включает сердечник, имеющий конический с углом при вершине не менее 16° и цилиндрический участки, на которых расположена непрерывная винтовая лопасть, также имеющая конический тяговый с тремя витками на коническом участке сердечника и цилиндрический разрушающий (не более одного витка на цилиндрическом участке сердечника) участки [2].Closest to the proposed one is a drilling tool for drilling holes in frozen soils, which includes a core having a conical with an angle at apex of at least 16 ° and cylindrical sections on which a continuous helical blade is located, also having a conical traction with three turns on the conical section of the core and cylindrical destructive (not more than one turn on a cylindrical core section) sections [2].

Лопасть имеет переменное поперечное сечение, его площадь постепенно увеличивается на коническом участке и становиться максимальной на The blade has a variable cross section, its area gradually increases in the conical section and becomes maximum on

цилиндрическом участке сердечника, кроме того, шаг ее на обоих участках неодинаков - меньший и постоянный на коническом участке и дифференциальный, имеющий постоянное приращение относительно шага тяговой лопасти, на цилиндрическом участке. При этом диаметр разрушающего участка лопасти равен основанию конуса, описанного кромкой тягового участка лопасти, имеющего угол при вершине 30°. На верхнем конце сердечника выполнен шестигранный хвостовик, служащий для соединения бурового инструмента со шнеком.the cylindrical section of the core, in addition, its pitch in both sections is not the same - smaller and constant on the conical section and differential, which has a constant increment relative to the pitch of the traction blade in the cylindrical section. The diameter of the destructive section of the blade is equal to the base of the cone described by the edge of the traction section of the blade, having an angle at the apex of 30 °. At the upper end of the core, a hexagonal shank is made, which serves to connect the drilling tool with the screw.

Работает данный бур следующим образом. После установки бура на грунт ему сообщается осевое усилие и крутящий момент. Начинается погружение бура в грунт, и по достижении им некоторой глубины конический участок лопасти развивает тяговое усилие вследствие того, что благодаря определенной геометрии его витков создается уплотнение хрупкого грунта в межвитковом пространстве и тем самым исключается его разрушение. Затем осевое усилие снимается, и бур завинчивается в грунт под действием крутящего момента. После ввода в контакт с грунтом разрушающей лопасти происходит его деформация на величину приращения шага ее витков. Происходит послойное отделение грунта от массива и в результате - образование скважины.This drill works as follows. After installing the drill on the ground, it is informed of the axial force and torque. The drill begins to sink into the ground, and when it reaches a certain depth, the conical section of the blade develops traction due to the fact that due to the specific geometry of its turns, a brittle soil is compacted in the inter-turn space and thereby its destruction is excluded. Then the axial force is removed, and the drill is screwed into the ground under the action of torque. After the destructive blade is brought into contact with the soil, it deforms by the increment of the pitch of its turns. Layer-by-layer separation of soil from the massif occurs and, as a result, a well is formed.

Основным недостатком рассмотренного инструмента является большая энергоемкость процесса погружения в грунт тягового участка лопасти, так как, благодаря геометрии его витков, происходит уплотнение, всестороннее сжатие, грунта в межвитковом пространстве для того, чтобы исключить его хрупкое разрушение и тем самым придать лопасти тяговую способность на хрупких грунтах, например, в мерзлом песке. Кроме того, в процессе работы инструмента выполняются две противоположные задачи: всестороннее сжатие грунта в межвитковом пространстве инструмента, то есть его упрочнение для поддержания тяговой способности конической части лопасти, и последующее разупрочнение, отделение уплотненного объема грунта от массива, которое происходит с использованием сдвиговых усилий, The main disadvantage of the considered tool is the high energy consumption of the process of immersing the traction section of the blade in the soil, since, due to the geometry of its turns, compaction, comprehensive compression of the soil in the inter-turn space occurs in order to exclude its brittle fracture and thereby give the blade traction on brittle soil, for example, in frozen sand. In addition, during the operation of the tool, two opposing tasks are performed: comprehensive compression of the soil in the inter-turn space of the tool, that is, its hardening to maintain the traction ability of the conical part of the blade, and subsequent softening, separation of the compacted soil from the array, which occurs using shear forces,

действующих на поверхности, проходящей в уплотненном объеме грунта, то есть после уплотнения этого объема на его разрушение необходимо затратить большее количество энергии, чем, если бы он оставался в естественном состоянии.acting on a surface passing in a compacted volume of soil, that is, after compaction of this volume, it is necessary to spend more energy on its destruction than if it remained in its natural state.

Задачей полезной модели является снижение энергоемкости бурения скважин в прочных и мерзлых грунтах, в том числе мерзлом песке.The objective of the utility model is to reduce the energy intensity of drilling wells in strong and frozen soils, including frozen sand.

Поставленная задача решается следующим образом. В винтовом буре для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, при этом диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, а сердечник выполнен с углом при вершине, равным не более 12°. При значительном снижении этого угла относительно указанного значения может произойти деформация сердечника при погружении бура в грунт, а также не будет обеспечиваться упрочнение грунта в межвитковом пространстве инструмента, достаточное для развития тяговой способности коническим участком лопасти. Превышение же значения угла, равного 12°, приведет к повышению энергозатрат на погружение в грунт конического участка бура.The problem is solved as follows. In a helical drill for driving holes in strong and frozen soils, containing a conical core with a helical blade, consisting of a conical section with a constant pitch of turns and a cylindrical section with a pitch of coils, which has a constant increment relative to the pitch of turns of a conical section of the blade, the spiral blade is made with the same number turns on the cylindrical and conical sections, equal to not more than two, while the diameter of the blade on the cylindrical section is larger than the diameter of the base of the cone, described by the edge of the turns to -ethnic blade portion is more than two times, and the core is made with an apex angle equal to not more than 12 °. With a significant decrease in this angle relative to the indicated value, core deformation may occur when the drill is immersed in the soil, and the soil will not be strengthened in the inter-turn space of the tool, sufficient for the development of traction ability of the conical section of the blade. Exceeding the angle value equal to 12 ° will lead to an increase in energy consumption for immersion in the soil of the conical section of the drill.

Предлагаемый бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах включает сердечник и размещенную на нем непрерывную винтовую лопасть. Также как и у прототипа, сердечник имеет конический и цилиндрический участки, а лопать - коническую тяговую и цилиндрическую породоразрушающую части. Шаг витков тяговой части лопасти постоянен, а шаг разрушающей части лопасти дифференциальный.The proposed drill for drilling in strong and frozen soils includes a core and a continuous helical blade located on it. Like the prototype, the core has a conical and cylindrical sections, and to burst has a conical traction and cylindrical rock-cutting parts. The pitch of the turns of the traction part of the blade is constant, and the step of the destructive part of the blade is differential.

В отличие от прототипа конический участок сердечника предлагаемого бура выполнен с меньшим углом при вершине не более 12°, тяговая часть лопасти содержит меньшее количество витков, равное не более двум, а разрушающая часть лопасти имеет значительный вылет относительно последнего витка тяговой части лопасти, то есть диаметр разрушающей части лопасти больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков тяговой части лопасти не менее, чем в два раза. К тому же ее витки имеют меньшую площадь сечения по сравнению с одноименными витками лопасти прототипа (разрушающие витки в 1,5 раза).Unlike the prototype, the conical section of the core of the proposed drill is made with a smaller angle at the apex of not more than 12 °, the traction part of the blade contains a smaller number of turns equal to no more than two, and the destructive part of the blade has a significant overhang relative to the last turn of the traction part of the blade, that is, the diameter the destructive part of the blade is larger than the diameter of the base of the cone, described by the edge of the turns of the traction part of the blade not less than twice. In addition, its coils have a smaller cross-sectional area compared to the prototype blades of the same name (1.5 times destructive coils).

Предлагаемый винтовой бур погружается в грунт под действием усилия, приложенного вдоль его оси вниз, и крутящего момента.The proposed helical drill is immersed in the ground under the action of a force applied along its axis downward and torque.

Во время этого процесса происходит деформация грунта коническим сердечником и уплотнение его в направлениях нормальных к образующим сердечник поверхностям. То же самое происходит и в результате внедрения в грунт конической тяговой части лопасти. В результате этих процессов происходит формирование уплотненной зоны, способствующей появлению пластических деформаций грунта, что способствует завинчиванию конического участка лопасти в грунт без разрушения последнего. Это особо актуально для хрупких грунтов таких, как мерзлый песок.During this process, the soil is deformed by the conical core and compacted in the directions normal to the core-forming surfaces. The same thing happens as a result of the introduction of the conical traction part of the blade into the soil. As a result of these processes, a densified zone is formed, which contributes to the appearance of plastic deformations of the soil, which contributes to screwing the conical section of the blade into the soil without destroying the latter. This is especially true for brittle soils such as frozen sand.

На данном этапе снижение энергоемкости происходит посредством уменьшения угла при вершине конического сердечника до значения, равного не более 12°, в результате снижается сопротивление внедрению сердечника в грунт. Выполнение тяговой части лопасти с уменьшенным количеством витков, равным не более двум, способствует уменьшению силы трения их о грунт, а, следовательно, и крутящего момента, необходимого для ее преодоления. Дальнейшее снижение количества витков конического участка лопасти может привести к потери им тяговой способности, что потребует постоянного приложения принудительного осевого усилия к предлагаемому винтовому буру в процессе бурения и, следовательно, к повышению At this stage, the decrease in energy intensity occurs by reducing the angle at the apex of the conical core to a value of not more than 12 °, as a result, the resistance to penetration of the core into the soil decreases. The implementation of the traction part of the blade with a reduced number of turns equal to not more than two, helps to reduce their friction force on the ground, and, consequently, the torque required to overcome it. A further decrease in the number of turns of the conical section of the blade can lead to loss of traction ability, which will require constant application of forced axial force to the proposed screw drill during drilling and, therefore, to increase

энергоемкости рабочего процесса.energy intensity of the workflow.

После тяговой части лопасти в грунт внедряется цилиндрическая разрушающая часть лопасти. Благодаря значительному ее вылету, приращению радиуса более чем в два раза относительно последнего витка тяговой части лопасти, кромка разрушающей части лопасти проходит уплотненную зону в массиве грунта, образованную тяговой частью лопасти, создает расклинивающее усилие, а в результате скол грунта происходит не в уплотненной зоне, а в объеме грунта, плотность которого близка к естественной. Таким образом, в предлагаемом инструменте для разрушения грунта используются преимущественно разрывные усилия взамен сдвиговых, которые имеются у прототипа и которые грунт воспринимает хуже. Схема разрушения грунта становится менее энергоемкой.After the traction part of the blade, a cylindrical destructive part of the blade is introduced into the soil. Due to its significant outreach, a radius increment of more than two times relative to the last turn of the traction part of the blade, the edge of the destructive part of the blade passes through the compacted zone in the soil mass, formed by the traction part of the blade, creates a wedging force, and as a result, soil cleavage does not occur in the compacted zone, and in the volume of soil, the density of which is close to natural. Thus, in the proposed tool for the destruction of the soil mainly used breaking forces instead of shear, which are available in the prototype and which the soil perceives worse. The scheme of soil destruction becomes less energy intensive.

При уменьшении указанного значения вылета разрушающих витков относительно последнего витка тяговой части лопасти не будет происходить полного отделения элементов грунта от массива в забое скважины. Значительное же его превышение потребует приложения к винтовому буру большего крутящего момента, необходимого для преодоления сопротивления грунта внедрению в него витков разрушающей части лопасти и силы трения их о грунт. К тому же в этом случае тяговое усилие, создаваемое коническим участком лопасти, может оказаться недостаточным для обеспечения работы винтового бура и возникнет необходимость в приложении к нему принудительной осевой нагрузки. То есть потребуются дополнительные энергозатраты.With a decrease in the specified value of the departure of destructive turns relative to the last turn of the traction part of the blade, complete separation of soil elements from the array in the bottom of the well will not occur. A significant excess will require the application of a larger torque to the screw drill, necessary to overcome the soil resistance to the introduction of turns of the destructive part of the blade into it and their friction force on the ground. In addition, in this case, the traction created by the conical section of the blade may not be sufficient to ensure the operation of the screw drill and there will be a need to apply a forced axial load to it. That is, additional energy costs will be required.

На фиг.1 представлен предлагаемый винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, общий вид.Figure 1 presents the proposed helical drill for driving wells in strong and frozen soils, a General view.

Предлагаемый бур состоит из конического сердечника 1 (фиг.1), на котором размещена непрерывная винтовая лопасть 2, включающая конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки.The proposed drill consists of a conical core 1 (figure 1), on which there is a continuous helical blade 2, including a conical traction and cylindrical destructive sections.

Работает предлагаемый винтовой бур следующим образом.The proposed screw drill works as follows.

Бур вводится в соприкосновение с грунтом, после чего посредством бурового оборудования ему сообщаются осевое задавливающее усилие и крутящий момент. Происходит погружение бура в грунт. При этом последний раздвигается внедряющимися в него коническим сердечником 1 и тяговой частью лопасти постоянного шага и уплотняется в направлениях, нормальных к образующим их поверхностям. В результате уплотнения грунт в межвитковом пространстве упрочняется и дает возможность конической части лопасти развить тяговую способность, не разрушаясь под ее воздействием. При этом тяговая часть лопасти развивает лишь большую долю всего тягового усилия, необходимого для погружения бура без приложения принудительной осевой нагрузки.The drill is brought into contact with the ground, after which, through drilling equipment, it is informed of the axial crushing force and torque. The drill dives into the ground. In this case, the latter is moved apart by the tapered core 1 introduced into it and the traction part of the constant pitch blade and is compressed in the directions normal to the surfaces forming them. As a result of compaction, the soil in the inter-turn space is hardened and makes it possible for the conical part of the blade to develop traction without breaking under its influence. In this case, the traction part of the blade develops only a large fraction of the total traction force necessary to immerse the drill without applying axial force.

Следом за тяговой частью лопасти в контакт с грунтом вступает разрушающая часть лопасти, работающая как винтовой клин. Благодаря значительному ее вылету, увеличению радиуса, относительно последнего витка тяговой части лопасти кромка разрушающей части лопасти, вклиниваясь в грунт, выходит за границы уплотненной зоны в массиве грунта, образованной тяговой частью лопасти, создает расклинивающее усилие, и таким образом производит отрыв объема грунта в межвитковом пространстве, который происходит вне уплотненной зоны, то есть поверхность отделения скалываемого куска от массива проходит в объеме грунта, плотность которого близка к естественной. Таким образом, происходит образование скважины. Кроме того, разрушающая часть лопасти, воспринимая реакцию грунта, создает давление на тяговую часть лопасти, принимая таким образом на себя роль в создании оставшейся доли необходимого тягового усилия. После погружения 2/3 всей лопасти в грунт принудительное осевое усилие снимается, и погружение бура в грунт происходит под действием одного только крутящего момента.Following the traction part of the blade, the destructive part of the blade, which acts as a screw wedge, comes into contact with the soil. Due to its significant outreach, increase in radius, relative to the last turn of the traction part of the blade, the edge of the destructive part of the blade, wedging into the ground, goes beyond the boundaries of the compacted zone in the soil mass formed by the traction part of the blade, creates a wedging force, and thus produces a separation of the volume of soil in the interturn the space that occurs outside the compacted zone, that is, the surface of separation of the chipped piece from the array passes in the volume of soil, the density of which is close to natural. Thus, the formation of the well. In addition, the destructive part of the blade, perceiving the reaction of the soil, creates pressure on the traction part of the blade, thus taking on a role in creating the remaining fraction of the necessary traction. After 2/3 of the entire blade is immersed in the ground, the forced axial force is removed, and the drill is immersed in the soil under the action of only one torque.

За счет приращения шага разрушающей части лопасти относительно шага витков тяговой части лопасти осуществляется зачистка стенки Due to the increment of the step of the destructive part of the blade relative to the step of the turns of the traction part of the blade, the wall is cleaned

скважины и вынос продуктов разрушения к транспортному устройству, например, шнеку.wells and removal of fracture products to a transport device, for example, a screw.

Предлагаемый винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах отличается тем, что позволяет производить бурение мерзлых песков, имеющих высокую хрупкость, при работе в которых другие инструменты оказываются малоэффективными, например, некоторые конструкции винтовых буров или полностью непригодными, как, например, режущие буры. По сравнению с прототипом энергоемкость проходки скважины с применением предлагаемого бура ниже на 20%. Его износостойкость на 30...40% выше износостойкости режущих инструментов, при этом он может быть изготовлен, например, из стали 35, стоимость которой гораздо ниже твердых сплавов, используемых при изготовлении режущих головок.The proposed screw drill for drilling in strong and frozen soils is distinguished by the fact that it allows the drilling of frozen sands having high brittleness, when working in which other tools are ineffective, for example, some designs of screw drills or completely unsuitable, such as cutting drills . Compared with the prototype, the energy consumption of a well using the proposed drill is 20% lower. Its wear resistance is 30 ... 40% higher than the wear resistance of cutting tools, while it can be made, for example, of steel 35, the cost of which is much lower than the hard alloys used in the manufacture of cutting heads.

Предлагаемый винтовой бур может быть использован для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах в строительстве и на предприятиях добывающей промышленности при геологоразведке в районах с преобладанием вечномерзлых грунтов.The proposed helical drill can be used for sinking wells in strong and frozen soils in construction and mining enterprises during exploration in areas with a predominance of permafrost.

Источники информацииSources of information

1. А. с. №975924 (СССР), МКИ³ Е 02 F 5/20. Рабочий орган для образования скважин / М.И. Артемьев, В.Ф. Миронов // Б.и. - 1982. - №43.1. A. p. No. 975924 (USSR), MKI ³ E 02 F 5/20. The working body for the formation of wells / M.I. Artemyev, V.F. Mironov // B.I. - 1982. - No. 43.

2. Мартюченко И.Г. Буровой инструмент для проходки скважин в мерзлых грунтах / И.Г. Мартюченко, А.А. Цымбалов, М.И. Стрелюхин; Сарат. политехн. ин-т. - Саратов, 1990. - Деп. в ЦНИИТЭстроймаш, №62-сд 90 (прототип).2. Martyuchenko I.G. Drilling tools for drilling holes in frozen soils / I.G. Martyuchenko, A.A. Tsymbalov, M.I. Strelyukhin; Sarat. Polytechnic institute - Saratov, 1990. - Dep. in TsNIITEstroymash, No. 62-sd 90 (prototype).

Claims

A helical drill for drilling holes in strong and frozen soils, containing a conical core with a helical blade, consisting of a conical section with a constant pitch of turns and a cylindrical section with a pitch of turns, which has a constant increment relative to the pitch of turns of a conical section of the blade, characterized in that the helical blade is made with the same number of turns in the cylindrical and conical sections equal to no more than two, the diameter of the blade in the cylindrical section is larger than the diameter of the base of the cone described by the edge th turns of the conical section of the blade more than twice, and the core is made with an angle at the apex equal to not more than 12 °.