CN1276166C - 用于土壤材料或岩石材料中孔的钻进和排水的装置 - Google Patents

Abstract

在用于土壤材料或岩石材料中的孔的钻进，特别是冲击式钻进或旋转冲击式钻进和排水的装置中，一安装在钻杆(4)上的钻头(2，3)形成一钻孔，护套管(6)与钻杆(4)或钻头(2，3)连接，其中护套管(6)做得在与钻头(2，3)相连的区域内带有至少一个穿通孔，它通入钻杆和护套管之间形成的环形腔，在与钻头(2，3)相连的末端区域内护套管被至少一个过滤管(7)包围，过滤管做得带有很多特别是均匀地分布在圆周上的穿通孔或槽(8)，由此可以在钻孔过程中以简单的措施实现相应地安全和可靠的排水。

Description

用于土壤材料或岩石材料中孔的钻进和排水的装置

技术领域

本发明涉及一种用于土壤材料或岩石材料中孔的钻进，特别是冲击式钻进或旋转冲击式钻进，和排水的装置，其中安装在一钻杆上的钻头形成一钻出的孔，一护套管与钻杆或钻头连接，其中护套管在与钻头相连的区域内做得至少带一个穿通孔，该孔通入一在钻杆和护套筒之间形成的环形腔内。

背景技术

例如由WO98/21439可以得到一种这一类型的装置，其中公开了一种同时用于孔的钻进和加衬的方法和装置。通过包围对钻头加载的钻杆的护套管提供了一个在护套管和钻杆外表面之间的环形腔，其中例如在紧接着钻头的区域内护套管上设有至少一个穿通孔，在后续顺序中切下的材料可以通过此穿通孔从待加工的钻孔中排出。其次当然位于紧靠钻头区域内的水也可以通过这个穿通孔从钻孔中排出，因此用这种已知装置也可以进行钻孔在钻头区域内的最前段的去水或排水。但是这里从这样的观点出发，即最终它也不可能有目的地去水或排水，因为在紧接钻头的区域内的至少一个穿通孔用来排除切下的材料，因此此穿通孔必须具有相当大的横截面，它在排水时自然不能满足相应的过滤作用。

例如由FR-A 2 543 213可以得到一种开头所述这一类型的装置的略微改变的结构形式，其中钻杆被一护套管包围，在钻杆内最前一段处设有另一个配有穿孔的管状构件。其次应该设置一例如垫子形的过滤元件。

由US-A 2 891 623已知一种用来形成或保持一水井的相应过滤作用的装置或工具，它和开头所述这一类型的装置在应用目的方面有很大不同。同样由US-A 3 221 819和US-A 4 869 323可以得到用于水井建造的打孔的管子或元件。

发明内容

因此本发明的目的在于，提供一种开头所述这一类型的装置，用它不仅可以钻进，特别是冲击式钻进或旋转冲击式钻进钻孔，而且在希望的情况下用它可以有目的地去除或排出包围孔的岩石材料的水，特别是在加工完孔以后。

为了解决这一任务按本发明的、用于土壤材料或岩石材料中的孔的钻进和排水的装置以一种开头所述这种类型的装置为出发点，其主要特征在于：在与钻头相连的末端区域内护套管被至少一个过滤管所包围，过滤管做得带有很多特别是均匀分布地设置在圆周上的穿通孔或槽。按照本发明，除了做得在与钻头相连的区域内至少带有一个穿通孔的护套管以外另外还设有一个包围护套管的附加的过滤管，通过这样的方法，既可以在钻进过程中也可以在钻孔形成以后接着有目的地，特别是在钻孔的一个大的长度上排出或去除包围孔的土壤材料或岩石材料中的水。通过在至少一个过滤管上穿通孔或穿通槽相应的布局、结构和尺寸可以实现相应的过滤效果，并且仅仅这样地排出的液体在过滤以后引入由护套管和钻杆确定的环形腔或者说空腔内，并从钻孔中排出。这种通过很长一段孔的过滤作用也可以例如在撤除钻杆连同钻头部分以后继续保持。其次按照本发明设想，护套管在其圆周的部分区域上，例如约三分之一内没有穿通孔，通过这种方法，在在仅仅承受拉应力而没有扭应力的护套管的无穿通孔区域这种结构时，在钻孔的下部区域内防止待取出和待去除的液体从护套管的上部区域内进入，并且在下部区域内重新从护套管内部流出，使得即使在向上倾斜分布的孔时也能实现位于护套管内部的液体的可靠排出。

为了使得能够通过过滤管以及被过滤管包围的护套管整个圆周上基本均匀的过滤作用，按本发明一种优选的实施形式设想，过滤管在形成另一个环形腔的情况下包围护套管。

为了使待排出的液体正常地穿过过滤管设想，在护套管外圆和过滤管内径之间形成的环形腔具有至少1mm，最好约1.5mm的净流通间距，就像相当于按本发明的装置的另一个优选的实施形式那样。护套管外圆和过滤管内圆周之间的环形腔的这种类型的净流通横截面或这种尺寸选择通常足以使得待排出的液体可以正常地引入护套管内部，这里同时确保，在加工钻孔时不需要过大的，或者根本不需要加大钻孔的直径或钻孔的横截面，以考虑包围护套管的、待装入的过滤管的额外的尺寸，因此在加工钻孔时不发生额外的费用。

此外如果在与钻头相连的区域内护套管的较大的长度上希望设置一个或几个过滤管，优先考虑，环形腔由设置在护套管和过滤管之间的垫圈或者特别是设置在过滤管端部区域内的连接器元件确定，使得在较大长度的一段过滤管上可靠地保持对于正常的过滤作用所需要的护套管和过滤管之间的环形腔。

此外为了避免过滤管和护套管之间的环形腔由于有时随待排出液体夹带的、切下的岩石而阻断，建议，过滤管在其圆周上做得带有分别等距分布的、具有各约0.5mm至1mm宽度的穿通槽，就像相应于按本发明的装置的另一种优选实施形式那样。

特别是在设置具有较大长度的过滤管或设置多个相互连接的过滤管，以便能够提供相应长度的排水或去水路程时，按照本发明另一种优选的实施例建议，护套管在通过过滤管包围的长度段上设置许多特别是均匀地分布在圆周上的穿通孔，其净宽度超过在过滤管上形成的穿通孔或槽的净宽度，使得可以通过护套管和过滤管之间的环形腔相应地可靠排出液体。此外通过相应地加大护套管圆周上的穿通孔或槽的尺寸自然在设置较少数量的穿通孔或槽时确保，可以可靠地实现液体的直接排出。这里不必担心护套管上的穿通孔或槽的阻塞，因为过滤管做得带有相应地更小的穿通孔或槽，因此不必担心较大颗粒的进入。其次也可以通过护套管上穿通孔或槽的相应分布这样地确定结构，使得不必担心护套管机械强度或抵抗能力的过度削弱。

与此相关按一种优选的实施形式建议，护套管的穿通孔做得沿护套管的轴向母线分布，在圆周方向各自分布在一基本上沿护套管纵轴的一个平面内。由此在护套管圆周上留出一沿轴向的、不设置穿通孔的区域，使得即使在有时材料壁厚较小时也能使护套管可靠地承受作用在它上面的拉应力。

按本发明的另一种略有不同的实施形式优先推荐，护套管在其朝向过滤管的表面上形成波纹，或者做得带有筋状凸起，过滤管可以通过其圆周的至少一部分支承在这些凸起上，使得在护套管的结构刚性比较好的情况下同时可以实现过滤管在护套管外围上的可靠支承。

为了支持所希望的排水，按照另一种优选的实施形式建议，在背向钻头的末端上离过滤管一定距离处护套管的外圆上设一密封元件，并且与密封元件相邻在背向过滤管的末端处护套管上设有至少一个排出孔，以排出填充物，特别是变硬的悬浮液。通过特别是在排出填充物，尤其是变硬的悬浮液，例如水泥等等后可以使钻孔相对于周围岩石密封的这种密封元件，不仅确切地确定钻孔用来排水的距离或长度，而且通过这种密封还防止，有时处于钻头区域内的液体沿着护套管外侧在钻孔内扩展，并且例如导致喷出或者使钻孔的尺寸非预期地加大，就像例如担心在装入屋顶的固定螺钉处出现水时那样，在这种情况下钻孔出口向下倾斜地分布，因此存在于岩石中的液体可能会在护套管的外面流出。

对于相应地简单的密封件优先这样地确定其结构，即密封元件由一环形包围护套管的、唇形或舌形塑料元件构成，它在填充物的载荷作用下可以胀开，其中与此相关进一步优先推荐，密封元件做得具有80至100，特别是约90的肖氏硬度。这样在保持密封元件相应的机械强度或抵抗能力的情况下还得到相应的弹性，由此在加入填充物可以实现正常的胀开和由此可以实现密封元件在加工出的孔壁上的贴合。

按照一种稍有不同的实施形式本发明建议，密封元件设置在与过滤管相连的区域内，由此通过密封元件和随后加入填充物达到，接在过滤管上实现相应的密封作用和构成衬垫的护套管的固定。如果待排水的地面或岩石层的位置并不准确知道，可以在过滤管末端和密封元件之间设置相应地比较大的距离。

为了进一步支持特别是可扩胀的密封元件的密封作用，或者为了密封元件有目的的扩胀，设想一包围护套管并且最好可以沿护套管移动的环形套管元件与密封元件共同作用，就像相应于按本发明装置的另一种优选实施形式那样。

特别是在在松的岩石中或不同成分的岩层中的孔时有时可以通过与最佳钻孔方向的偏差部分地得到钻孔直径的加大，它也许不能完全通过密封元件来补偿，或者说可靠地密封。因此在这种关系时优先建议，直接安装在密封元件前面的一个堵塞器，特别是可以通过压缩空气吹胀的堵塞器包围护套管。通过这种类型的堵塞器即使在与最佳的钻孔横截面有较大偏差时仍然可以可靠地至少是预防性的密封，由此连同密封元件和加入的填充物在后续顺序中对于正常的排水可以达到完全的密封。

对于由于在岩石材料中存在少量水对于从水平线向上的孔的情况不能指望自动的和特别是尽可能完全的排水的情况，按照另一种优选的实施形式建议，在护套管上背向钻头的末端上可以连接一抽吸泵或一负压源，由此在加入填充物后在密封元件贴合的情况下达到，通过相应的抽吸泵或者负压源实现钻孔和周围岩石材料的符合目的的排水。

为了用不必承受过大载荷并且特别是不通过它把驱动作用或冲击作用传递到钻头上去的薄壁护套管就足够了，建议，用公知的方法在产生拉伸载荷的情况下将护套管与钻头连接，在有些情况下中间连接一连接元件，特别是一作用在钻头上的冲击座，就像相应于按本发明装置的另一个优选的实施形式那样。此外在这种情况下优先考虑，护套管由钢制成，而其上不承受作用力的过滤管由塑料制成，其中通过护套管和过滤管的这种类型的材料组合可以实现足够的牢固性或者说持久性，同时用由塑料组成的过滤管使附加的质量和在紧接钻头的区域内所需要的外圆的附加加大限制到最小的程度。

附图说明

下面借助于在附图中表示的实施例对本发明作较详细的说明。附图中：

图1按本发明的、用于土壤材料或岩石材料中的孔的钻进和排水的装置的局部剖开的示意图；

图2图1中部分区域II的局部剖开的放大图；

图3图1中部分区域III的同样是局部剖开的放大图；

图4按本发明的装置的一个略有改变的实施形式的类似于图1的视图；和

图5图4中沿剖分线V-V的放大的截面图。

具体实施方式

在图1中总体以1表示一用于在土壤材料或岩石材料中的孔的钻进、特别是冲击式钻进或旋转冲击式钻进，和排水的装置，其中一例如在径向分为一中央钻头2和一环形钻头3的钻头通过一用4示意表示的钻杆以公知的方式驱动，以进行冲击式钻进式旋转冲击式钻进。此外钻头与一冲击座5共同作用，其中钻杆4被一由许多单个零件组合成的护套管6包围，如由图2和3更清楚地所见。

在紧接钻头2、3或冲击座5的区域内设有一包围护套管6的、在所示视图中由许多单个元件组合而成的过滤管7，过滤管具有许多在圆周上特别是均匀地分布的穿通孔或穿通槽8。

如特别是由按图2的放大图所见，待排出的液体通过过滤管7上的穿通槽8到达在护套管6的外圆和过滤管7的内圆之间形成的环形腔或空腔9，接着在后续顺序中进入的液体或者说待排出的水通过至少设置在护套管6上被过滤管7包围的区域内的那一段上的穿通孔10到达在同样以4表示的钻杆的外径和护套管6的内径之间确定的环形腔11之内。因此通过例如具有约0.5mm至约1mm宽度的穿通槽8通过过滤管7实现相应的过滤作用，接着在后续过程中通过护套管6上具有较大尺寸或净穿通宽度的穿通孔10经过钻杆4和护套管6之间的环形腔11可靠地输出待排出液体。

此外这里在附图中以12表示装置1的中心线。

为了保持护套管6和过滤管7之间相应的环形腔或空腔9，设有其他的垫圈和特别是在过滤管或过滤管段的末端区域内的连接元件，它在图1中用13示意表示，此外其中在紧接冲击座5的区域内设有一导向套管14，它同样主要用来保持过滤管7和护套管6之间的相应环形腔或空腔9，其中附加的导向套管在图2中未画出。

此外为了相应地密封和一由此可能的更高的去水和排水效果在离过滤管7一定距离处设有一密封元件15，它包围护套管6或一护套管段，此外其中还有一同样包围护套管6的套管元件16与密封元件15共同作用，如局部地在图3中更详细地所示。

由图3可见，密封元件15是一包围护套管6的、至少部分唇形或舌形的塑料元件，其中例如通过套管元件16的沿双箭头方向17的移动可以相应地选择密封元件15的构成一臂或舌18的部分扩胀的尺寸。

为了孔的流通性这里希望，舌或唇18的自由端不贴合在用19示意表示的孔壁上，因此在某些情况下钻屑或切下的材料可以从密封元件15旁边通过。如果应该实现密封作用，一方通过套管16向密封元件15方向的移动使舌或唇18扩胀。这里通过按箭头20通过至少一个出口21将变硬的悬浮液或者一般地填充物加入包围护套管6的护套管6和孔壁19之间的空腔的方法支持唇或舌18的自由端的扩胀并最终有效地贴合，其中通过填充物在唇或舌18的自由端贴合的情况下可以实现在贴合在密封元件15上的区域内的密封封闭。

在在密封元件区域内建立密封以后在后续过程中在图1中用22示意表示的负压源或抽吸泵可以接在护套管6和钻杆4之间确定的环形腔11上，使得可以进行经过过滤管7和穿通孔10到达空间11内部的或抽出的液体的抽吸或排出。

密封元件15的定位可以根据情况这样地选择，使得例如进行连接在所希望的过滤区段7上的密封。

为了达到相应的机械强度护套管6由钢制成，而过滤管或过滤管段7可以由塑料构成。

在图4和5中所示的实施形式中对于相同的元件保持前面各图中的附图标记。紧接着钻头2、3或冲击座5同样设有一包围护套管23的、带有大量穿通槽8的过滤管7，其中护套管23设有制有波纹或筋的表面，它可以提高护套管的强度或抵抗能力，其中同时可以实现过滤管7在各个凸起24上的支承。在凹槽内同样分别设有穿通孔10，通过这些穿通孔经过过滤管7进入的液体可以进入护套管23内部，并在后续过程中可从护套管23中排出。其次护套管23在下部三分之一的延伸长度的部分区域内设有穿通孔，使得在倾斜分布的孔时可以使液体通过穿通孔10可靠地进入上部区域内护套管23的内部，而避免不希望地从下部区域流出，这会使液体重新进入周围的岩石。此外通过沿轴向的母线设置穿通孔10，而圆周区域保持没有穿通孔，使护套管23保持相应的有承受能力的结构。

当然图1至3的护套管6也可以做得带有基本上光滑的外部轮廓，仅仅只有沿轴向母线设置的穿通孔10，例如在下部区域没有穿通孔10。

除了类似于前面的结构在紧接过滤区域7有一密封元件15外在图4中还表示另一个可选择地采用的堵塞器26，它安装在密封元件15的前面。这种类型的、例如可通过压缩空气扩胀的堵塞器26，特别是在加工出来的孔形状不太准确和有时孔经扩大仅仅用密封元件15可能不足以密封的情况下，可以额外地、至少是临时性地加以密封。图4中用26′表示堵塞器可达到的扩胀位置。

其次通过设置包围护套管6或23的过滤管7，即使在从钻孔19中撤去钻杆4连同钻头部分2以后仍能保持排水和过滤作用。

Claims (26)

1.用于土壤材料或岩石材料中的孔的钻进和排水的装置，其中安装在钻杆(4)上的钻头(2，3)形成一钻孔(19)，一护套管(6，23)与钻杆(4)或钻头(2，3)连接，其中护套管(6，23)在与钻头(2，3)相连的区域内做得至少带有一个穿通孔(10)，它通入在钻杆(4)和护套管(6，23)之间形成的环形腔(9)，其特征在于：在与钻头(2，3)相连的末端区域内护套管(6，23)被至少一个过滤管(7)包围，过滤管做得带有许多分布在圆周上的穿通孔或槽(8)，并且护套管在其圆周的部分区域上不设穿通孔(10)。

2.按权利要求1的装置，其特征在于：过滤管(7)在形成另一环形腔(9)的情况下包围护套管(6)。

3.按权利要求2的装置，其特征在于：在护套管(6)的外圆和过滤管(7)的内径之间形成的环形腔(9)具有一至少1mm的净流通间距。

4.按权利要求2或3的装置，其特征在于：环形腔(9)由设置在护套管(6)和过滤管(7)之间的垫圈或者设置在过滤管(7)末端区域内的套管元件(13，14)确定。

5.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：过滤管(7)做得在其圆周上具有各自等距的穿通槽(8)，其宽度分别为0.5mm至1mm。

6.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：护套管(6)在由过滤管(7)包围的区段内设有许多分布在圆周上的穿通孔(10)，其净开度超过在过滤管(7)上形成的穿通孔或槽(8)的净开度。

7.按权利要求6的装置，其特征在于：护套管(6，23)的穿通孔(10)沿护套管(6，23)的轴向母线制作，在圆周方向各自分布在一垂直于护套管(6，23)纵轴(12)的平面内。

8.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：护套管(23)在其朝向过滤管(7)的表面上制成波纹或者做得带有筋状凸起，过滤管(7)可通过其圆周的至少一部分支承在这些凸起上。

9.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：在背向钻头(2，3)的末端处护套管(6，23)外圆上离过滤管(7)一距离处设有一密封元件(15)，并在密封元件(15)附近护套管(6，23)上背向过滤管(7)的末端处至少设有一输出孔(21)，以排出填充物。

10.按权利要求9的装置，其特征在于：密封元件(15)由一环形包围护套管(6，23)的唇形或舌形塑料元件构成，它在加入填充料时可扩胀。

11.按权利要求9的装置，其特征在于：密封元件(15)做得具有80至100度的肖氏硬度。

12.按权利要求9的装置，其特征在于：密封元件(15)设置在靠近过滤管(7)的区域内。

13.按权利要求9的装置，其特征在于：一包围护套管(6，23)的环形套管元件(16)与密封元件(15)共同作用。

14.按权利要求9的装置，其特征在于：一紧靠在密封元件(15)前面的堵塞器(26)包围护套管(23)。

15.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：在护套管(6，23)上背向钻头(2，3)的末端处可连接一抽吸泵或负压源(22)。

16.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：护套管(6，23)在拉力作用下与钻头(2，3)连接。

17.按权利要求1至3之任一项的装置，其特征在于：护套管(6，23)由钢制成，而过滤管(7)由塑料制成。

18.按权利要求1的装置，其特征在于：上述设置在过滤管(7)的穿通孔或槽(8)均匀地分布在圆周上，护套管在其圆周的三分之一区域上不设穿通孔(10)。

19.按权利要求3的装置，其特征在于：上述净流通间距为1.5mm。

20.按权利要求6的装置，其特征在于：上述设置在护套管(6)的穿通孔(10)均匀地分布在圆周上。

21.按权利要求9的装置，其特征在于：上述排出的填充物为变硬的悬浮液。

22.按权利要求11的装置，其特征在于：密封元件(15)做成具有90度的肖氏硬度。

23.按权利要求13的装置，其特征在于：上述环形套管元件(16)能沿护套管(6，23)移动。

24.按权利要求14的装置，其特征在于：上述堵塞器(26)为能通过压缩空气扩胀的堵塞器。

25.按权利要求16的装置，其特征在于：护套管(6，23)通过一连接元件的中间连接与钻头(2，3)连接。

26.按权利要求25的装置，其特征在于：上述连接元件为作用在钻头(2，3)上的冲击座。

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