CN87107859A - 钻孔的隔封装置 - Google Patents

Abstract

该隔封装置用于占孔中作为地下水取样器段层隔离密封。所述隔封包括一个道威尔(商标)水胀材料可胀环套(63)。其外围是一橡胶压力套(61)。编织凯沃拉(商标)层(64)包围在套及道威尔环套外面，使凯沃拉层端部(67，68)搭叠。凯沃拉外围是一橡胶外套(69)。靠隔封膨胀来填充钻孔，凯沃拉层搭叠滑退使道威尔无约束地扩张。一旦隔封填满钻孔，凯沃拉层阻止再滑退。若钻孔内有裂缝(71)，则凯沃拉成一刚性桥跨过裂缝，阻止隔封向外胀入裂缝。

Description

本发明是关于在钻孔中隔离各段层的那种隔封装置的。所提到的钻孔是在地层中钻成，譬如目的在于检验可能出现在地下水中的杂质。

用于地下水取样器的这种隔封装置的一般构造，可以描述如下。取样器本身包含一个被放置在钻孔中的聚氯乙烯或其他适当材料的管子。管子容纳着一段或数段被置放在钻孔中予定深度处的取样段。

每个取样段都要以放置在取样段上面及下面的相应的隔封装置密封而与钻孔的其余部分隔离，各隔封装置间的（垂直）距离的范围从几厘米到数米。

隔封装置要求能够膨胀。当管子往孔中下放时，隔封装置必须与钻孔壁无阻碍，而一旦隔封装置放到正确的深度定位时，则隔封装置必须扩张到与孔壁呈良好的密封接触。

为了使隔封装置可以扩张，常规的隔封装置一直是从地面充气，或基于使用吸水时能显著膨胀的材料，如膨润土或道威尔（Dowell）环形化学密封垫（注册商标）。

隔封装置可以设计成能从钻孔中取回或不能取回的。

钻孔是钻入被取样的地层中。通常情况是，取样地层是那种包含有数种不同地层、各种局部缺陷及空穴的类型，因为正是这种地层最易于导致杂质在地下水中扩散。在这些条件下，就需要隔封装置来密封可能是非常不好的钻孔壁面。

另一方面，对密封的可靠性提出的设计要求是非常严格的。如果密封泄漏，通常是无法发现已经发生泄漏的事实的。取样设备继续允许水的取样在取样段取出，而分析员无法知道样品中的水是从不同深度漏进来的。

本发明的目标是提供一种隔封装置，不用过多花钱，而能使分析员有一种高度信心，相信隔封装置确实是密封着的，即使分析员知道由于在钻孔中有裂缝、缺陷、空穴、局部坍塌、非粘性材料等等而使壁面可能不完整。

现在转到隔封装置的实际构造上来。迄今为止，隔封装置一直是那种使用水膨胀材料者，诸如膨润土之类，膨润土被填充在聚氯乙烯管子和橡胶套管之间的环形空间。橡胶套管用卡箍或端夹从膨润土的上面及下面固定到聚氯乙烯管子上。在端夹之间，聚氯乙烯管子上开有孔洞以使管子内部能与膨润土相通。一旦隔封装置固定在适当位置，水就从地面充入聚氯乙烯管子中，而这些水穿过孔洞流出与膨润土接触，使膨润土膨胀。要在钻孔中被取样的、可能含有杂质的水当然必须密封而与从地面充入的水相隔离。

膨润土，及其它遇水发胀的材料，膨胀时具有相当大的力。如果钻孔壁面是坚固的，膨润土是包封着的，则会被阻止进一步膨胀。但是如果壁面局部很弱，或者不存在，则膨润土会继续膨胀，而只有橡胶套管去阻止它。

如果橡胶套管很薄，膨润土可能撑破套管，导致隔封装置泄漏，如前所述，分析员可能不知道这事发生。另一方面，如果橡胶太厚太强，那末即使膨润土克服橡胶之阻抗而能膨胀到一定程度，套管也不可能适应壁面的小凸凹，因而密封也会泄漏。

因此，如果橡胶套管太薄，如果它膨胀到裂缝中，套管会爆裂，而将泄漏。如果橡胶太厚，套管将不能充分适应小凸凹，因而也将泄漏。隔封装置各种性能的这种兼顾意味着，应用常规取样装置，从具有不完善壁面的钻孔中所取的样品，一直是很不可靠而不能被接受的。

应当注意，无论隔封装置是用水膨胀材料还是充气膨胀材料，这个问题都会发生。出于这一技术要求，在两种情况下隔封装置都包括一个可以称为可胀环套的东西。

可以看到在本发明中套管材料的各种要求的兼顾不可能用橡胶本身来很好地满足。

本发明除了橡胶套外，在膨胀环套之外增加一个补充抑制套管。

本发明中，补充抑制套管由具有比橡胶更大的固有刚性的材料制成，强化纤维即为此种材料之一例。

无论怎样，在本发明中，补充抑制套管是这样构成的，依靠本身而无支撑，补充抑制套管基本上对周边扩张是无阻抗的;并且在本发明中这种固有的对周边扩张没有阻抗是由补充抑制套管的形状造成的。

材料如何由其可能的形状造成允许周边扩张的例子，是材料可以作成薄层，它包围在可膨胀环套之外。薄层尺寸最好大到足够满足周端上很大的搭叠。当可胀环套扩张时，补充抑制套简单地通过滑退可调节到需要的范围。

补充抑制套继续滑退直到膨胀足以使隔封装置与孔壁发生密切接触为止。在此点上，补充抑制套被孔壁抵住与限制而不能进一步膨胀，结果是，当滑退运动的状态突然受阻时，补充抑制套现在被“冻结”（即其周边中刚性骤然增加）。

此后，可胀环套越要膨胀，补充抑制套就越被孔壁的约束所抑制。这种约束就迫使套的搭叠的两端紧压在一起，由于搭叠端彼此紧紧咬合的结果，因此就阻止住抑制套沿园周进一步扩张。

如果或者当孔壁由于出现空穴或裂缝而不完整时，补充抑制套就抑制可胀套管局部地向裂缝内扩张。当然，依此方式所能弥补的裂缝大小是有限的，不过可以确认，在发明中垂直高度数厘米的裂缝是可以弥补的。大于此的裂缝，在任何情况下，在钻孔时是会被检测到的因而是可以避开的。

本发明的隔封装置的整体尺寸可以和常规隔封装置相同，对于7或10cm直径的钻孔它可以处于50或70cm数量级。

在本发明中，制造补充抑制套的材料最好使用凯沃拉（Kevlar，注册商标）。编织纤维形式的凯沃拉具有许多本发明所要求的性质，实际上能无阻滞地滑退，而且十分刚韧以抵抗局部扭曲。

一般来说编织纤维是不防水的，编织凯沃拉也不防水。凯沃拉自身不含水的事实将招致两个因素，设计者在设计隔封时应当将其牢记在心。第一、设计者自然应当清楚没有泄漏途径通过管子内、外之间的编织材料。

第二因素如下，隔封膨胀的措施可能是多种不同措施之一;但所有措施共同方面是在隔封内部被建立起一种压力。这个压力，不论它是气动方式还是液压方式产生的，必须要保持。即使当膨胀措施是可胀材料，如前述的诸如道威尔或膨润土，都必须向材料供水使它膨胀，并且一般需要在压力下供水。

既然编织凯沃拉不能经受这个压力，通常，就必须在凯沃拉抑制套与压力介质之间固定一个橡胶压力套管。这个橡胶压力套管应当放在凯沃拉抑制套内-如果压力套放在凯沃拉抑制套之外，并且如果压力此时经凯沃拉抑制套而泄漏，则该压力就会使这样一个外部压力套从凯沃拉抑制套上膨胀开去。

另一方面，隔封的主要目的当然是对钻孔壁提供一个防水密封，因此设计者应知在凯沃拉与孔壁之间尚有进一步密封措施。

在本发明中，当补充抑制套的材料是凯沃拉时，因而除了放在凯沃拉抑制套内的橡胶压力套管外，最好在凯沃拉外面再放一个第二橡胶套管。这样，在本发明中，当使用凯沃拉抑制套时，该套最好夹在两个橡胶套管之间。

为进一步描述本发明，现描述采用本发明的隔封案例。参考插图，其中：

图1是一种示例的隔封横截面，

图2是图1隔封的表示构造细节的局部剖视图;

图3表示图1隔封在钻孔中的使用;

图4与图5表示可能构成隔封的另外方式。

一个地下水取样器的一段示于图1。取样器包括一个聚氯乙烯管子60，它向下伸入一个钻孔中。钻孔具有孔壁面62。

管子60外围是一个可胀的套管63，它由道威尔Dowell环形化学密封垫（注册商标）水性膨胀材料制成。或者，套管材料可用膨润土，或者套管63可以是那种包括由地面上充以空气或气体压力的袋子。

道威尔套63外围是一个压力套61，依次外围是一个补充抑制套64，它包含一层编织凯沃拉材料65。该层尺寸应使该层65的两横端67与68很宽裕地搭叠在一起。

在凯沃拉外面依次是一个橡胶外套69。橡胶套61与69是各自封闭管的形式，而与凯沃拉搭叠层形式是不同的。

管子60上开有孔或槽70，以此使道威尔环套63能与管子60内部相通。当取样器被装进钻孔中时，管子60内部是干的，但是一旦管子60在钻孔中处于适当位置时，管子就由地面往里灌水。水通过孔70流出（最好在压下后）而与道威尔环套63接触。

道威尔套63因此而膨胀，它导致压力套61及抑制套64也发生膨胀。因为它含有重叠或搭叠层65，所以套64可以迅速扩张，以跟随道威尔环套的膨胀。外橡胶套管是足够柔软的，所以对道威尔环套63及凯沃拉套64的膨胀绝无阻碍效应。压力套61防止外套直接受到水的内压。

在套64扩张期间，薄层65的搭叠两端67和68彼此靠近。只要膨胀不受阻碍，层65的搭叠两端67和68的相对滑动就绝不会因摩擦而受阻。

但是，一旦外套69与钻孔壁面62发生接触，道威尔环套63的进一步膨胀就受到制约。因为道威尔环套在管子60与孔壁62间受到挤压，所以在隔封构件中开始产生力。这些力就使得搭叠的两端67与68由于巨大的摩擦力而紧贴，它有效地使凯沃拉层65变成或凝固成为一个管子，此管具有正确的直径而完美地封在孔中。

一旦这个直径建立起来，道威尔环套进一步扩张的趋势就具有不使隔封装置向外膨胀但使该正确直径更加坚固的效用。

在本发明中，外橡胶套69并不需要去阻止膨胀着的道威尔环套。因此，用于套69中的橡胶可以是柔软的，这意味套的材料对孔壁中任何微小的不规则都能高度地适应。

如果钻孔62有一个裂缝71，在裂缝71最接近的范围内就不会发生凯沃拉层65卡住或凝固成一个不胀的管子。然而在钻孔完整处，即裂缝71的上部72和下部74之处这种凝固确会发生。只要裂缝71不太长，即只要孔壁62上阻胀部位72与74间的相隔距离不太大，则凯沃拉就会跨骑在裂缝上，并将阻止道威尔环套膨胀进入裂缝中去。

本发明的一个特点是，本发明的隔封具有容易扩张以配合很大范围内的钻孔直径的性能，而且一旦隔封与钻孔壁接触之后，则隔封装置就凝固了，并且刚性地阻止隔封装置向任何可能存在的裂缝中发生任何进一步显著变形。

外套69在两头以端用卡箍75和76封死。必须不让土壤中的水漏入管子1的内部，而且卡箍可以用双箍或三箍结构以增强这种防漏可靠性。

图4所示另一种隔封结构中，凯沃拉层65伸展到通过并超越卡箍75。此种安排中，内压力套61是双层的并且安排的能使隔封的端部防漏。

可以注意到在图4的方案中，由于有卡箍，在卡箍区域中的凯沃拉总是凝固的，即使在道威尔环套膨胀之前可阻止任何周边的滑退。隔封端部的这种约束在防止套管胀入位于卡箍处的裂缝中去是很有用的。

在图5所示的又一种结构中，凯沃拉的一个封套79被包含在隔封装置中。封套79与凯沃拉层65是分离的，而以卡箍80象图示那样固定。（可以设想套层65整个是双层的，象一个封套那样起作用，但是最好不用，因为在那种情况下很难使隔封可靠地防漏。）

外露的封套79起防止隔封被损伤的作用。

Claims (10)

1、可胀隔封装置，其特点是该装置包括：

一个可胀环套；

一个补充抑制套，它在可胀环套的外围，其特点是：

补充抑制套包含一层材料；

该材料是刚性的；

该层包在可胀环套外围；

围层的周边端部是搭叠的；

而且该装置包括这种装置，它保证当补充抑制套扩张时，该层的所述搭叠两端彼此滑动，从而减小周边搭叠范围。

2、按权利要求1所述的装置，其特征是：

该装置包括一个弹性材料制成的外套，它套在可胀环套的外围;

并且外套的弹性材料质地是柔韧可弯的，即该材料基本上不能抑制可胀环套膨胀。

3、按权利要求2所述的装置，其特征是：

该装置还包括一个弹性材料的内套管;

所述外套围在补充抑制套的外面;

补充抑制套在内套管的外围;

而内套管在可胀套管的外围。

4、按权利要求3所述的装置，其特征是：

该装置包括防水侵入套管的密封装置，其结构是这样的：

补充抑制套被封装在防止水从装置外部和内部侵入的两个套管之间。

可胀环套是密封的，以防水从装置的外部侵入，但是和装置内部的水是相通的。

5、按权利要求4的所述装置，其特征是：

该装置包括上端卡箍及下端卡箍;

端用卡箍有密封各套各自的上端及下端以防水侵入之效用。

6、按权利要求5所述的装置，其特征是：

内套及外套之一的一端是双层的，绕过这两套中另一套的对应端;

该结构是这样的，位于该端的端用卡箍有夹紧内外套材料以达彼此直接密封接触之效用。

7、按权利要求1所述的装置，其特征是：

该装置包括上下套管卡箍;

该套管卡箍环绕补充抑制套的上部及下部，且有抑制补充抑制套在该部位内周向扩张的效用;

从而所述周向搭叠范围的减少只发生在补充抑制套的在两卡箍之间的中间部位上。

8、按权利要求1所述的装置，其特征是：

补充抑制套的材料是规固与刚性的，即，当该材料在其区域的一部分受到支持而能抑制周向扩张时，在区域的其余部分上基本上也能抑制套管的周边扩张。

该补充抑制套的材料是如此成型和配置的在没有支撑的情况下，补充抑制套不能依靠自己本身来抵抗周向扩张。

9、按权利要求8所述的装置，其特征是：

该补充抑制套的材料是编织凯沃拉（注册商标）。

10、按权利要求1所述的装置，其特征是：

该装置与一个取样管一起适用于将该管子和在地层中形成的钻孔的壁面相密封。

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