CN101603411B - 钻探设备和钻探方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻探设备和钻探方法，其中，通过钻探驱动装置致使钻探元件旋转并沿井架运动，该钻探元件具有设置在钻探驱动装置下方的连续螺旋钻，以及连接到连续螺旋钻上并经由钻探驱动装置向上延伸的加长部分。根据本发明，移置头设置在连续螺旋钻与加长部分之间，并且适于迫使土料进入钻孔壁中。

Description

钻探设备和钻探方法

技术领域

本发明涉及一种包括井架、安装成用于在其上移动的钻探驱动装置以及钻探元件的钻探设备，该钻探元件可通过钻探驱动系统受到可旋转地驱动并沿井架移动，钻探元件包括设置在钻探驱动系统下方的连续螺旋钻，以及连接到连续螺旋钻上且经由钻探驱动装置向上延伸的加长部分。

本发明还涉及一种钻探方法，其中，钻探元件通过钻探驱动装置受到可旋转地驱动并沿井架移动，钻探元件包括设置在钻探驱动装置下方的连续螺旋钻，以及连接到连续螺旋钻上且经由钻探驱动装置向上延伸的加长部分。

背景技术

使用所谓的连续螺旋钻来产生钻孔、且尤其是用于产生基础元件(foundation element)，多年来已为公众所知。在连续螺旋钻中，钻子螺旋线设置在沿钻杆的整个长度上，以便通过旋转运动从钻孔朝向地表输送出松散的土料。连续螺旋钻由钻探驱动系统驱动，借助于该钻探驱动系统，连续螺旋钻还在钻孔方向上沿通常竖直地进行定位的井架移动。在此公知的方法中，钻孔的深度受到连续螺旋钻的长度和井架的高度所限制。

为了将钻孔的深度增大到超过井架的长度或连续螺旋钻的长度，DE 601 022 55T2或EP 1 614 853B1提出了设置在连续螺旋钻顶部的加长杆，该加长杆经由钻探驱动系统向上延伸。因此，钻孔的深度可增大大约加长杆的长度。

然而，出于功能性的原因，供送螺旋线不可安装在加长杆上。当钻孔开凿到超过连续螺旋钻的长度时，挖掘出的土料因此可能不再由供送螺旋线向上输送到地表。这些土料因而会堆积在钻孔中，位于连续螺旋钻上方的加长杆区域中。这可导致不期望的土壤压实或钻孔堵塞，使得随后难以将钻探元件从钻孔中取回。此外，钻孔壁在该区域可受到破坏，这可对通过装填与填料相同的材料而不利地影响将基础元件安装到钻孔中。为了避免这种情况，就必须间歇性地从钻孔中取出钻探元件来移除土料。这相当耗时。

发明内容

本发明的根本目的在于提供一种钻探设备和钻探方法，通过该钻探设备和钻探方法，借助于连续螺旋钻，可有效地产生超过后者长度的钻孔，同时保证钻孔的优良质量。

根据本发明，利用具有权利要求1所述特征的钻探设备和通过具有权利要求11所述特征的钻探方法来实现此目的。在各个从属权利要求中列举了优选的实施例。

本发明的钻探设备的特征在于，移置头设置在连续螺旋钻子与加长部分之间。

当钻孔开凿到超过连续螺旋钻的长度时，移置头迫使土料朝向顶部输送从旁边进入直接位于连续螺旋钻上方的钻孔壁中。因此，土料可不再堆积在钻孔内部，且因此不再导致堵塞。相反，移置头将土料推到旁边，并且这样做是用来积极地压实钻孔壁和使其更加地稳定。这提高了钻孔的稳定性和质量，并且主动地防止钻孔塌陷。这样，本发明的钻探设备可用于在单个连续操作中将钻孔开凿到超过连续螺旋钻的长度，直到到达加长部分的末端。这样就显著地促进了产生具有增大深度的钻孔，并且还减少了将被拉走的挖掘料的总量。

原则上，加长部分可具有任何形状。具体而言，加长部分可为伸缩杆或由若干区段构成的杆件。根据本发明，特别优选的是将加长杆设计成在其外表面上具有驱动脊的方钻杆。在通常为单件式杆件的外表面上的驱动脊可操作地与钻探驱动系统的输出装置的对应输送器(entrainer)相互作用，以便将转矩从钻探驱动系统传递到加长部分上。驱动脊设置成平行于钻探轴线，使得前者容许加长部分经由环形钻探驱动系统的轴向位移。还可提供所谓的具有横向定向的脊段的锁定凹口，以便将轴向力从钻探驱动系统传递到加长部分上。

根据本发明，当连续螺旋钻的长度大致等于井架的长度或钻探驱动装置的最大移动距离时，这有利于实现特别大的钻探深度。可以此方式来利用可沿井架移动的钻探驱动装置的最大移动距离。因此，可有效地产生深度对应于连续螺旋钻长度的钻孔。

根据本发明，当连续螺旋钻和/或加长部分包括空心管时，这将有利于安装基础元件。因此，空心管容许填料、尤其是固化的或可凝固的悬浮物如混凝土，例如在开凿钻孔之后直接经由钻探元件而供送。为此目的，在连续螺旋钻的底端上提供了一个或多个排出孔。因此，在将连续螺旋钻从钻孔取出时，可同时自下而上地填充钻孔。

多种移置头可用于本发明的钻探元件上。因此，有可能在加长部分与连续螺旋钻之间使用轴向对称的移置头、相对于钻探轴线偏心的移置头，或其它移置头。

根据本发明，当移置头包括圆柱形移置段时，特别优选的是圆柱形移置段的直径大致等于钻孔直径。钻孔直径是由连续螺旋钻上的钻子螺旋线的外径或由连续螺旋钻底端上的对应径向截割刃预先确定的。移置段可比该钻子直径稍小或稍大，这取决于土壤性质。相同大小的直径较为有利，这是由于其便于移置头插入钻孔以及从钻孔取出连续螺旋钻。

根据本发明，当移置头包括下圆锥段时，有利的是下圆锥段的直径从连续螺旋钻的中心管直径向上增大到移置段的直径。因此，可逐渐将向上输送到移置头上的土料推入钻孔壁中。这还便于将移置头插入钻孔中。

根据本发明，通过向所述下圆锥段提供可在钻探操作期间将土料向上输送到移置段的下螺旋线，可进一步改善移置头到钻孔的插入。因此，该下螺旋线位于移置段的圆锥形外表面上，并且具有与连续螺旋钻的供送螺旋线相同的输送方向。

此外，根据本发明，当移置头包括上圆锥段时，有利的是上圆锥段的直径从移置段的直径向上渐缩至加长部分的直径。这种布置容许材料从上方下落到移置头上，进入移置段的移置区域。

根据本发明，此效果通过将能够在钻探操作期间把土料向下输送到移置段的上螺旋线提供到上圆锥段上而得到帮助。因此，该螺旋线具有与连续螺旋钻的螺旋线或提供在下圆锥段上的螺旋线相反的倾斜方向。上螺旋线将从上方落下的土料主动地输送到移置段区域中。

在本发明的优选实施例中，移置段和/或其至少一个圆锥段还设有元件。移置元件可为焊接上的条带或弯曲的分段形(segment-shaped)元件，其改善了将土料推入或并入到钻孔壁中的作用。同时，移置元件可用作磨损件，其可在经受重载的泥土移除时较为容易地进行更换。

本发明的钻探方法，其特征在于在延伸到等于进行到螺旋钻长度的第一钻探深度的第一钻探步骤中，土料由连续螺旋钻输送到地表，而在从第一钻探深度开始的第二钻探步骤中，钻取料由连续螺旋钻供送到移置头上，借助于移置头，迫使土料进入钻孔壁中。

在使用本发明的该方法时，实现了上文有关将钻孔开凿到超过连续螺旋钻的长度、使钻孔壁稳定，以及防止挖掘料的堆积进行描述的优点。该钻探方法使得有可能以单个连续操作或间歇地以多个步骤产生钻孔，钻探元件以有限的时间间隔或在一定深度取出。因此，可借助于移置头数次移动穿过钻孔壁的事实来实现钻孔壁的特别有效的稳定。

根据本发明，对于产生基础元件，优选的是在已经达到最终深度时将用于形成基础元件的填料引入钻孔中。填料可为干燥的材料，例如沙、石灰等，或如混凝土混合料的可凝固的悬浮物。填料优选的是经由连续螺旋钻中的中心管而引入到钻孔中。

附图说明

下文参照在所附附图中示意性地示出的示例性优选实施例来进一步阐述本发明，在附图中：

图1为本发明的钻探设备在本发明的钻探方法的开始的示意性侧视图；

图2为图1中所示的钻探设备在第一钻探步骤结束时的示意性侧视图；

图3为图1和图2中所示的钻探设备在第二钻探步骤中的示意性侧视图；

图4为本发明的钻探设备在第一钻探步骤期间的示意性局部视图；以及

图5为本发明的钻探设备在第二钻探步骤期间的示意性局部视图。

具体实施方式

图1至图3中示出了本发明的钻探方法以及本发明的钻探设备10。如图1中所示，钻探设备10包括大致为竖直定位的井架12，其通过调整机构13枢转地安装在基座14上。在本示例性实施例中，基座14为具有可旋转的上部结构的履带式车辆的形式。

滑动件18以公知的方式安装成以便通过索轮机构沿井架12移置。环形钻探驱动装置16提供在滑动件18上用于驱动杆形钻探元件20。钻探元件20的下部区域包括所谓的连续螺旋钻22，其由中间导管或芯管24构成，在中间导管或芯管24的外表面上，供送螺旋线26实际上在其整个长度上延伸。用于移除土料的截割单元28以公知的方式形成在连续螺旋钻22的底端上。

连续螺旋钻22的长度调整成井架12的长度，并且大致等于井架12的长度。在所示的示例性实施例中，井架具有大约为20m的长度，而连续螺旋钻的长度为大约15m。连续螺旋钻22的长度比井架12的长度稍短，这大致上是由于包括滑动件18的钻探驱动装置16的尺寸和长度所引起的。

将在下文中参照图4和图5更为详细地描述移置头40，其连接到位于钻探驱动装置16下方的连续螺旋钻22的顶端。杆形加长部分30附接到移置头40附近，杆形加长部分30从设置在钻探驱动系统16下方的移置头40经由环形钻探驱动装置16向上延伸。在钻探方向上纵向延伸的驱动脊32如在方钻杆中一样设置在加长部分30的外表面上。钻探驱动系统16的转矩可经由这些驱动脊32传递到加长部分30上，且因此传递到作为整体的钻探元件20上。驱动脊32还以公知的方式容许加长部分30相对于钻探驱动装置16的轴向位移与转矩传递同时进行。

在图2中所示的第一钻探步骤中，开凿钻孔6，直到到达连续螺旋钻22的顶端。在该第一钻探步骤期间，由截割单元28移除的土料通过供送螺旋线26向上输送出钻孔6。在第一钻探步骤结束时，钻探驱动装置16进行移动，直到其到达其最大移动距离，也就是说，从图1中所示的其上部初始位置到井架底端的其下端位置。为了进一步开凿钻孔6，钻探元件20进一步向下移动加长部分30的范围，而现在钻探驱动装置16静止。钻探设备在钻探方向上的向下行进较大地可大致由钻探元件20的重量和供送螺旋线26的推进作用造成。然而，作为备选，可重新设置钻探驱动装置16，并且加长部分30可主动地在钻探方向上移动。

在该第二钻探步骤期间，移除的土料可不再由连续螺旋钻22的供送螺旋线26朝地表输送。为了避免在现已进入钻孔6的杆形加长部分30区域中的堵塞，移置头40迫使该移除的土料如本发明所提出的那样从旁边进入钻孔壁中。在第二钻探步骤结束时，其中如图3中所示，杆形加长部分移到其底端位置，填料可从加长部分30顶端上的悬浮物端口34，经由加长部分30的内腔和芯管24供送到钻孔6中，位于连续螺旋钻22的底端。

图4示出了在第一钻探步骤期间的本发明的钻探方法。这里，钻孔6通过连续螺旋钻22形成在地面2上。供送螺旋线26将移除的土料4向上朝地表3输送出钻孔6。挖掘出的土料4可从这里移除，并以公知的方式拉走。

在连续螺旋钻22的芯管24顶端设置有管接头25，移置头40(这里未示出)不可旋转地联接到管接头25上。

如图5中所示，在第一钻探步骤结束时，当已经到达钻探驱动装置16的最大移动距离并且连续螺旋钻22使其整个长度穿过地面2时，移置头40迫使向上输送的土料4从旁边进入钻孔壁7中。

在优选的示例性实施例中，移置头40包括大致在中央的圆柱形移置段42，条形移置元件44设置在圆柱形移置段42的外表面上。其外表面设有下螺旋线48的下圆锥段46设置在移置段42的下方。下螺旋线48用作将移除的土料4输送到移置段42的区域中。

倒置的锥形下圆锥段46借助于导管接头25不可旋转地连接到连续螺旋钻22上。下圆锥段46的直径从芯管24的直径连续地增大到圆柱形移置段42的直径。

相反，包括上螺旋线52的上圆锥段50设置在移置段42的上方。上螺旋线52具有相对于下螺旋线48的相反输送方向，使得土料由上螺旋线52在通常的钻探方向上向下地输送到中央移置段42上。

上圆锥段50具有规则的圆锥形状，其直径均匀地从移置段42的直径向上渐缩至大致为杆形加长部分30的直径。杆形加长部分30通过上管接头不可旋转地连接到移置头40上。

Claims (12)

1.一种钻探设备，包括：

井架，

可移置地安装于其上的钻探驱动装置，以及

钻探元件，其可由所述钻探驱动装置可旋转地驱动和沿着所述井架运动，

所述钻探元件具有设置在所述钻探驱动装置下方的连续螺旋钻，以及连接到所述连续螺旋钻上并经由所述钻探驱动装置向上延伸的加长部分，

其中，移置头设置在所述连续螺旋钻与所述加长部分之间，其中，当钻孔开凿到超过所述连续螺旋钻的长度时，所述移置头迫使朝向顶部输送的土料从所述移置头的旁边进入直接位于所述连续螺旋钻上方的钻孔壁中。

2.根据权利要求1所述的钻探设备，其特征在于，所述加长部分构造成在其外部上具有驱动脊的方钻杆。

3.根据权利要求1所述的钻探设备，其特征在于，所述连续螺旋钻的长度大致等于所述井架的长度或所述钻探驱动装置的最大移动距离。

4.根据权利要求1所述的钻探设备，其特征在于，所述连续螺旋钻和所述加长部分中的至少一个具有中空的芯管。

5.根据权利要求1所述的钻探设备，其特征在于，所述移置头具有圆柱形移置段，所述移置段的直径大致等于所述钻孔的直径。

6.根据权利要求5所述的钻探设备，其特征在于，所述移置头具有下圆锥段，所述下圆锥段的直径从所述连续螺旋钻的中心管的直径向上增大到所述移置段的直径。

7.根据权利要求6所述的钻探设备，其特征在于，下螺旋线设置在所述下圆锥段上，所述下螺旋线使得在钻探操作期间将土料向上输送到所述移置段上。

8.根据权利要求5所述的钻探设备，其特征在于，所述移置头具有上圆锥段，所述上圆锥段的直径从所述移置段的直径向上朝所述加长部分减小。

9.根据权利要求8所述的钻探设备，其特征在于，上螺旋线设置在所述上圆锥段上，所述上螺旋线使得在钻探操作期间将土料向下输送到所述移置段上。

10.根据权利要求5所述的钻探设备，其特征在于，所述移置段设有移置元件。

11.一种执行根据权利要求1中所限定的钻探设备的钻探方法，其中，通过钻探驱动装置使得钻探元件旋转并沿井架运动，以及所述钻探元件具有设置在所述钻探驱动装置下方的连续螺旋钻和连接到所述连续螺旋钻上并经由所述钻探驱动装置向上延伸的加长部分，

其中，在进行到大致等于所述连续螺旋钻长度的第一钻探深度的第一钻探步骤中，通过所述连续螺旋钻将土料输送到地表，而在从所述连续螺旋钻的所述第一钻探深度开始的第二钻探步骤中，将土料供送到所述移置头，借助于所述移置头，迫使所述土料进入所述钻孔壁中。

12.一种用于产生基础元件的方法，其中，通过根据权利要求11所限定的钻探方法产生钻孔，以及当达到最终钻探深度时，将填料置于所述钻孔中以形成所述基础元件。

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