CN1734052A - 利用反循环洗孔钻进系统形成混凝土桩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻孔的方法，其中采用气动方式使一井底锤运转以便形成一井孔，并且将一种混凝土状的材料通过该井底锤中的通道注入该井孔中。

Description

利用反循环洗孔钻进系统形成混凝土桩的方法

技术领域

本申请是于2002年11月07日申请的美国临时专利申请No.60/425,074的部分后续申请，本身请明确要求该在先申请的优先权并且该在先申请的全部内容以参引方式包含在本申请中。

本发明涉及形成混凝土桩，尤其是形成混凝土桩井眼的气动冲击锤钻进系统。

发明背景

现有的偏心安装的扩孔钻头包括在一轨道中运行以便进行偏心运转的臂，并且该扩孔钻头可以向该孔轴缩回以便将撤除工具。其它现有的扩孔钻头设备都采用安装有三个钻头的板，该板可以向外移动，钻头都具有一个完整的加工表面，该加工表面明显小于该孔的周边。这种尺寸不足的板受到过度磨损并导致钻孔操作减慢。利用一种环状钻头可以实现井下扩孔，但是在完成钻井后那些钻头的部件必须遗留在被扩孔的区域，这样的话成本就会较高或者在有些钻井操作中是不为人所接受的。

不过，还有一个较为困难的任务是在土壤中形成混凝土桩，其中有大量的石块分散在相对不太紧凑的土壤中。当冲击锤从该新钻的孔中撤出来时，该土壤中的散布的石块会被挤向该孔内并防止整个孔中都填充上结构完整性所需的混凝土。在混凝土桩中必须包含有I型钢梁的情况下，由于石块的侵入会防止钢梁的插入，因此这种问题会更为严重。

在其中具有悬置的石块和漂砾的这种土壤中，采用现有的方法形成混凝土桩时这些石块和漂砾会在将混凝土和钢梁插入孔内之前就侵入该孔中，因此，依然需要一种在这种土壤中形成混凝土桩的方法。

发明概述

在本人的美国专利US5511628(该专利在此以参引方式包含在本申请中)中，本人披露了一种带有中心排除孔的底部井眼气动钻机。该美国专利US’628的装置能够通过该钻头中形成的中心轴孔和安装在其上的中心排除孔连续地排出大量碎块。通过周边槽道将压缩空气向下引到该钻头的下面并引入中心排除孔中。该流过中心排除孔的压缩空气连续而有效地将泥土碎块从该孔中清理出去，包括快速清除那些通过沿着该套管的周边路径进行清理起来显得太大的碎块。

附图简要说明

图1是本发明的一钻井组件的局部剖视图；

图2是图1中所示的组件的放大的局部剖视图，其中表示出了动力头组件、压缩空气入口轴环、双壁管组件的上端；

图3是图1中所示的组件的放大的剖视图，其中更为详细地表示出了该套管驱动器；

图4是图1中所示的组件的放大的局部剖视图，其中表示出了双壁管组件、箱套以及将该双壁管组件的下端连接到井底气动锤上的后头组件；

图5是井底气动锤组件的剖视图，其中包括钻头组件；

图5A是井底气动锤组件的锤筒的另一种设计方案的透视图；

图6A是本发明的钻头组件的第一实施例的分解透视图；

图6B是本发明的钻头组件的第二实施例的分解透视图；

图7A是图6A所示的实施例的导向钻头的透视图；

图7B是图7A所示的导向钻头的仰视图；

图8是图6A所示的实施例中所采用的扩孔器臂(underreamer arm)的透视图；

图9A是图8所示的扩孔器臂外部端部视图；

图9B是图8所示的扩孔器臂外部侧视图；

图10是图6A所示的实施例中的钻头驱动器的仰视图，其中表示出了形成有一些凹部的轴向表面，这些凹部接收扩孔器臂，并且该轴向表面靠在该扩孔器臂上以便使得该臂绕着该导向钻头旋转使其伸出和缩回；

图11是图6B所示的钻头组件的侧向正视图；

图12是图11中所示的钻头组件的放大分解视图；

图13和14是沿图11中的截面3-3所作的水平剖视图，并且表示出了该驱动器的用于接收该扩孔臂的下部，其中表示出该臂处于伸出状态和缩回状态；

图15是沿图13中的截面5-5所作的水平剖视图，表示出了该驱动器底壁的一部分以及其上的一臂制动垫；

图16是沿图11中的截面6-6所作的垂直剖视图；

图17是一扩孔器臂的透视图；

图18A是一种适于实施所要求保护的方法的底部井孔冲击装置的上部的示意性剖视图；

图18B是一种适于实施所要求保护的方法的底部井孔冲击装置的下部的示意性剖视图。

具体实施方式

参见图1，总体用标记10表示的反循环洗孔钻进系统包括头部组件11，双壁管组件12，以及在一套管14中的井底气动锤13。看图2和3，头部组件11包括套管驱动器15用于在钻头前进时向下驱动该套管14，并且标准结构的的动力头组件16用于旋转并向下驱动套管14。套管驱动器15包括一环形锤17，该环形锤随着压缩空气交替地进入该锤17的上方和下方的腔室而沿垂直方向往复运动。该锤17撞击在砧台18上，该砧台又撞击在套管头19上。套管头19密封住该套管14的内表面以便通过孔口20使得套管头19和井底气动锤组件13之间的套管中的压力增加。套管压力的增加使得套管和井底锤之间的空气向下流动，从而防止井底锤和套管之间的碎屑向上移动，这样就妨碍了该气动锤的移动(removal)。动力头组件16通过连杆组件21与砧台18相连使得双管组件和井底锤旋转。动力头组件16的结构为本领域所公知，不同的是其中心部件22，该中心部件螺纹拧在该双壁管组件14的上端上，该中心部件22包括与该双壁管组件连通的中心孔，以便使得该碎屑排出路径延伸穿过该动力头到达该肘管29。该中心部件22和双壁管14的接头包括一孔口23，该孔口使得空气进入该双壁管组件的内壁25和外壁26之间的环形空间24中。轴环27套装在接头上并且包括空气入口28，压缩空气通过该空气入口进入该双壁管组件以便象下面所述的那样驱动该井底锤。肘管29可旋转地安装在中心部件22的上端并密封住该上端。肘管29，中心部件22以及该双壁管组件14的内壁25一起形成了一中心钻屑排出管，以便如下面更为完整的描述那样将钻屑从井底锤中连续排出。

再来参见图4，双壁管组件12采用单独管段组装而成，每个管段都包括一内管31和一外管33。每段管段都包括一外螺纹接头33以及位于相对端的一内螺纹接头35。外螺纹接头33和内螺纹接头35每个都包括空气孔口36和37，该空气孔口各自与双壁管组件11的外环形空间24连通。在其上端，双壁管组件被螺纹拧进动力头16的中心部件22中。在其下端，双壁管组件11与箱套38相连，该箱套又螺纹拧进井底锤13的后头部40中。孔口36和37与双壁管组件的环形空间24连通以便将压缩空气从该孔口处引导到该井底锤中。

现在参见图5，井底锤14包括箱套38，该箱套螺纹拧在后头部40上。套筒41和锤筒43螺纹拧进后头部40中。位于中心的排出管43被压进套筒41中。耐磨套筒44套装在锤筒42上，并压力装配在环45上并压在后头部40的台肩46上。套筒41和锤筒42形成了环形上部空气腔室48。中心排出管43和锤筒42构成了一环形下部空气腔室50。锤筒42的下端抵靠钻头驱动器52，并且还包括一周向唇边54，该周向唇边与耐磨套44配合使得锤筒42位于该耐磨套的中心。锤体53可滑动装配在锤筒42中以便能够往复运动。钻头驱动器52可滑动地装配在锤体53下面的锤筒42中，并且位于中心排出管43的下端的上方。钻头驱动器52通过一些键固定在锤筒42中，每个键都装配在钻头驱动器52的键槽58和环形凹部60中。(还是参见上面参引过的美国专利US5511628，其中详细地描述了另一种锤筒组件，其中包含一种将该钻头驱动器安装在该锤筒中的类似键以及键槽组件。)键-键槽组件使得钻头组件在钻孔期间能够在双壁管组件之前推进。

图6-10表示出了用于本发明的钻头组件。在一个实施例中(图6A)，钻头组件包括一钻头驱动器52、导向钻头82、以及臂88a-c。钻头驱动器52包括具有包括一其上具有凹斜面84的上柄83、凸轮系统表面85a和85b、以及下部86。该下部86包括三个周边凹部87a-c。在导向钻头的外周表面的下部(见图7A)安装有一些渗碳淬硬钻井钻头固定块(hardened drillingbutton)，该钻头固定块最好采用一种碳花物材料制成。臂88a-c套在导向钻头82的顶部，并且可以沿着一条如下面所要描述的指定的弧形路径在该导向钻头上滑动。每个臂都包括隆起的凸台89，该凸台被安装在该钻头驱动器52中的相应的凹部90中(见图10)。该隆起的凸台89具有多个方面的作用。首先，通过钻头驱动器52、凸台89、以及臂88将锤体的冲击力向下传递给导向钻头52。其次，该凸台89被安装和固定在凹部90中，该凸台89通过旋转过一限定弧段而使得臂88伸出和缩回。在臂88处于缩回位置时，表面91靠近凸轮系统表面85a。在这种结构中，该钻头组件的整体直径小于该套管的内径，使得该钻头组件可以从该井孔中抽出来。当通过顺时针旋转钻头驱动器52而使得臂88绕着导向钻头82顺时针旋转时，倾斜表面85a与表面92配合并向外推动所述臂88。该臂88的一直旋转和伸出到表面92a抵靠表面85b并且表面92b抵靠表面85a从而将臂88锁定在伸出状态为止。为了解除对臂88的锁定并使得该臂缩回，需要沿反方向旋转钻头驱动器52。在其处于完全缩回的位置处，该扩孔器组件的整体直径小雨该套管的内径，使得整个扩孔器钻头组件在必要情况下能够通过套管而被撤出来。该特征显示出了明显优于现有扩孔器的优点，而现有的扩孔器就不能缩回并且在必要的情况下也不能穿过套管被撤出来。

在运转时，压缩空气通过孔口37、径向孔口60、环形空间62以及轴向孔口64被输送给环形腔室59。在图5中所示的锤体53处于向下的行程中。唇边66与唇边68配合，密封住腔室48。唇边72与唇边74配合，密封住腔室50。孔口78被关闭。当活塞53持续下行，孔口76开口，使得腔室48排出气体。几乎与此同时，唇边74与唇边72脱开，使得新充的压缩空气进入腔室50，从而在其已经撞击到钻头驱动器之后使得活塞53上升到其上部位置。在活塞53上升时，孔口78也被打开，使得腔室50排出气体。唇边74与唇边72配合，密封住腔室50。孔口76被活塞53密封住，并且唇边66与唇边68脱开，使得新充注的压缩空气进入腔室48。腔室48中的新充注的压缩空气向下驱动活塞53开始另一个行程。排出到空口6和78的压缩空气汇集到孔口80中(见图5A)，并且通过钻头组件被排出到中心排出管43中，并随之携带走钻头所排出的钻屑和泥土碎块。为了进一步预防钻屑淤积在臂88a-c和导向钻头之间，在图6B所示的钻头组件的实施例，设置了一个孔口91，压缩空气可以通过该孔口排出一边清理碎屑。

通过钻头组件的压缩空气流基本上是连续的，并且能够连续地将钻屑从井孔的钻进表面排出。而且排出管和双壁管组件的内壁的基本上恒定的直径使得空气的速度基本恒定，这进一步有助于碎屑的排除。通过中心排出管连续排出碎屑有助于连续钻进。因此，停止钻进并将钻头从井孔中提升出来清理碎屑的情况就是有也极少见。因此这直接导致钻井速率的显著改善。此外，也可以从井孔中获得相对精确的“岩心”样本，该样本可以提供勘探和环境用途方面的有用信息。

图6B和图11-17表示出了另一种钻头组件。参考标记101总体上表示该钻头组件，其安装在井底气动锤的下端。在102处的驱动器包括具有一定直径的轴103，该轴通过花键安装到冲击锤上。该轴上一体形成有一驱动器头104。在该驱动器头的104周围沿圆周方向间隔分布有一些槽道105作为泥土颗粒或碎屑向上排处的通道。该驱动器的轴向延伸的孔106接收向下增压的空气流以便清除颗粒。驱动器头104在107处中心形成有横孔，用于接收销子108，该销子可与该钻进装置的后面将要描述的导向钻头相啮合。

该驱动头104的最下面的表面110形成了一系列圆柱形套筒111，这些套筒均匀地与该驱动器的垂直轴线A间隔开(见图13)。每个套筒头具有一相伴的细长凹槽113，该细长凹槽形成于该驱动器的下部以便接收下面描述的扩孔器臂的止动器销。此外，该驱动器头104的最下面的表面110上设有多个臂制动垫114，该臂制动垫呈向下突起的形式，这些臂制动垫能够将每个扩孔器臂锁定在伸出操作位置。该驱动器的内壁包括分段116和117，该分段形成了一敞开区域，该区域接纳一凸轮块118并使得驱动器头可以绕着该凸轮块运动。不规则的壁表面116-117在如后面所述的那样进行臂定位期间交替地抵靠该凸轮块从而限制驱动器的旋转。

一套扩孔器臂在图12中总体表示为119，其中下面描述的一种臂适用于所有的臂120，该臂在平面视图中为角形。注意图17，臂的枢转柱121坐装于形成于该驱动器的头部14的下侧套筒111内。臂上的止动器柱或止动器销122向上凸伸到在驱动器头104的下侧的一细长的凹槽113内，该凹槽的端壁113A具有限制所述臂的止动器销122向外移动的凹部。臂的顶壁和底壁123-124向外都分别终止于被斜削的臂外边缘123A-124A，该下部斜削边缘上设有一些硬合金镶齿或钻头固定块125。臂120的内侧壁126在臂伸出和缩回的过程中相对于下面所述的凸轮块来回运动。标记27处是一向后(相对于臂的旋转而言)斜削的臂的端壁。斜削的臂的边缘123A可与套管内的一孔的下边缘配合以在钻井操作结束时在臂缩回的过程中有助于臂向内运动。臂肩128在臂伸出时与驱动器上的制动垫114配合。每个臂120的内侧壁126在臂定位期间沿着该凸轮块的壁表面运行。

导向钻头通常标注为130，并且包括一主体131，其最上表面为132，凸轮块118位于该最上表面132的中心，该凸轮块具有多个侧壁136。与该凸轮块一体形成有一轴架137，该轴架上有环绕其的环形槽138，用于以切向方式接纳承载头部的销子108。槽138的尺寸要大到使得驱动器12在对臂定位和随后锁定臂的过程中能够向上移动。压缩空气中心通道在钻头的139处，并且与驱动器空气通道106对齐。在导向钻头130的下部周边131的周围间开分布有一些槽道141，在运转过程中碎屑通过这些槽道向上流过该臂。该钻头的底壁142上形成有径向分布的空气槽道143，通过轴向通道139经内部通道向这些径向分布槽道提供压缩空气。该导向钻头的最下面的表面142上适当地装配有一些钻土设备所通用的碳化钨钻头固定块或其它耐磨元件144。

在进行钻井和井底扩孔操作的时候，导向钻头130推进到地面中，其中扩孔器臂锁定在套管的前端C的下面并且径向超出该前端的伸出位置。如果需要的话可以通过套管驱动器15来使得套管运动经过相对较大扩孔后的区域。在一实施例中，如果钻头组件在套管之前进一步推进一预定距离，则连杆21对一阀进行操作以便向气动锤17和相关的移动(porting)套管驱动器15提供压缩空气。

在完成该操作时，该驱动器沿着与钻进旋转相反的方向部分旋转，使得该臂的枢转销偏移，具体来说就是使得该臂的内端沿着凸轮块的侧壁136偏移以便使得每个臂缩回。在钻进操作结束的时候，在缩回的过程中通过斜削的臂的外边缘123A与套管C的底部边缘配合促进该臂的缩回，从而使得钻头组件经该套管而拆卸出来。

在臂53a-c伸出的操作过程中，来自于井底锤的排出空气从孔口42经驱动器51、臂54a-c、导向钻头56流进中心排出管17中(见图2)，并随着该空气带走钻屑。申请人提出的从井底锤经驱动器进入扩孔器组件的排出空气的路线在该钻井领域显示出了显著的进步。

现在参见图18A和18B对本发明的方法进行描述。井底冲击锤和扩孔器钻头总体采用1810表示。如上所述，组件1810运转形成井孔1820。一旦井孔1820形成，就关闭阀1830使得该中心管道1840与真空单元(未示出)隔离开。随后，通过入口1850将混凝土泵送进中心管道1840中。通过空气入口1860引入低压空气以便套管1870略微施加压力。当混凝土已经填充中心管道1840时，由于有更多的混凝土被泵送进中心管道1840，该套管就被缓慢地从该井眼中撤出来。该混凝土向下流经中心管道1840并经过钻头1880流出进入井孔1820的底部。将一较小的隔离件安装在钻头1880的底部使其隔离在混凝土表面的上方以确保混凝土能流到井孔中。该低压空气在套管中形成一压力以防止混凝土侵入锤体和套管中。套管的上升速度必须与混凝土的填充速度相匹配，由此在锤体和套管被拆除时在井孔中填充上混凝土，并且防止石块侵入该井孔中，如上所述。采用这种方法，几乎在钻出井眼1820的同时就形成了均匀的混凝土桩，从而获得相当可靠和坚固的混凝土桩，并且该方法也具有更好的成本效益。

在一种优选的下述步骤中，在锤体和套管被拆除并且井孔被填充上混凝土后，采用传统的驱动和震动方式将I字结构梁插入还未凝固的混凝土中。

本发明的前述说明是为了阐述本发明而不是为了限制本发明。本领域的普通技术人员可以认识到在不脱离本发明的范围的情况下可以对一些细节部位进行个中改变。

Claims (4)

1.一种钻孔的方法：

提供一种井底锤，该井底锤包括一驱动器；一先导钻头，该先导钻头可旋转地连接在该驱动器上，该先导钻头具有一柄(shank)，一周向钻进表面，一下表面，以及从该下表面基本上向上延伸穿过该柄的孔；一些扩孔器臂，这些扩孔臂可转动地安装在驱动器和导线钻头的中间并且包括一些扩孔表面，在该扩孔器臂处于伸出位置时，该扩孔表面在导向钻头的周边外侧以中心对称布置；凸轮表面，该凸轮表面可与扩孔器臂配合以便将扩孔臂推到其伸出位置，该凸轮表面用于将该扩孔器臂锁定在各自的伸出位置以及用于随着所述驱动器和所述导向钻头之间的旋转运动而使得该扩孔器臂缩回来；以及

构成在所述驱动器的一外表面和导向钻头中的孔之间的至少一个空气通道的表面；

该至少一个流体通道与混凝土状的材料源以及至少一个所述凸轮表面连通，并且还包括一阀，该阀可操作而将该混凝土状材料排到所述至少一个凸轮表面；

操作该井底锤以便钻出一个井孔；以及

将混凝土状材料填充到该年个井孔中。

2.一种井底锤，包括：

一驱动器；

一先导钻头，该先导钻头可旋转地连接在该驱动器上，该先导钻头具有一柄(shank)，一周向钻进表面，一下表面，以及从该下表面基本上向上延伸穿过该柄的孔；

一些扩孔器臂，这些扩孔器臂可转动地安装在驱动器和导线钻头的中间并且包括一些扩孔表面，在该扩孔臂处于伸出位置时，该扩孔表面在导向钻头的周边外侧以中心对称布置；

至少一个凸轮表面，该至少一个凸轮表面可与扩孔器臂配合以便将扩孔臂推到其伸出位置；

构成在所述驱动器的一外表面和导向钻头中的孔之间的至少一个空气通道的表面；并且

该至少一个流体通道与混凝土状的材料源以及至少一个所述凸轮表面连通，并且还包括一阀，该阀可操作而将该混凝土状材料排到所述至少一个凸轮表面。

3.一种如权利要求2所述的井底锤，其还包括：

该至少一个凸轮表面包括至少一个用于将该扩孔臂锁定在各自的伸出位置上的表面。

4.一种如权利要求2所述的井底锤，其还包括：

该至少一个凸轮表面包括至少一个用于随着所述驱动器和所述导向钻头之间的旋转运动而使得该扩孔器臂缩回来的表面。

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