專利名稱：利用反循環洗孔鉆進系統形成混凝土樁的方法
技術領域：
本申請是于2002年11月07日申請的美國臨時專利申請No.60/425,074的部分后續申請，本身請明確要求該在先申請的優先權并且該在先申請的全部內容以參引方式包含在本申請中。
本發明涉及形成混凝土樁，尤其是形成混凝土樁井眼的氣動沖擊錘鉆進系統。
背景技術：
現有的偏心安裝的擴孔鉆頭包括在一軌道中運行以便進行偏心運轉的臂，并且該擴孔鉆頭可以向該孔軸縮回以便將撤除工具。其它現有的擴孔鉆頭設備都采用安裝有三個鉆頭的板，該板可以向外移動，鉆頭都具有一個完整的加工表面，該加工表面明顯小于該孔的周邊。這種尺寸不足的板受到過度磨損并導致鉆孔操作減慢。利用一種環狀鉆頭可以實現井下擴孔，但是在完成鉆井后那些鉆頭的部件必須遺留在被擴孔的區域，這樣的話成本就會較高或者在有些鉆井操作中是不為人所接受的。
不過，還有一個較為困難的任務是在土壤中形成混凝土樁，其中有大量的石塊分散在相對不太緊湊的土壤中。當沖擊錘從該新鉆的孔中撤出來時，該土壤中的散布的石塊會被擠向該孔內并防止整個孔中都填充上結構完整性所需的混凝土。在混凝土樁中必須包含有I型鋼梁的情況下，由于石塊的侵入會防止鋼梁的插入，因此這種問題會更為嚴重。
在其中具有懸置的石塊和漂礫的這種土壤中，采用現有的方法形成混凝土樁時這些石塊和漂礫會在將混凝土和鋼梁插入孔內之前就侵入該孔中，因此，依然需要一種在這種土壤中形成混凝土樁的方法。
發明概述在本人的美國專利US5511628(該專利在此以參引方式包含在本申請中)中，本人披露了一種帶有中心排除孔的底部井眼氣動鉆機。該美國專利US’628的裝置能夠通過該鉆頭中形成的中心軸孔和安裝在其上的中心排除孔連續地排出大量碎塊。通過周邊槽道將壓縮空氣向下引到該鉆頭的下面并引入中心排除孔中。該流過中心排除孔的壓縮空氣連續而有效地將泥土碎塊從該孔中清理出去，包括快速清除那些通過沿著該套管的周邊路徑進行清理起來顯得太大的碎塊。
附圖簡要說明
圖1是本發明的一鉆井組件的局部剖視圖；圖2是圖1中所示的組件的放大的局部剖視圖，其中表示出了動力頭組件、壓縮空氣入口軸環、雙壁管組件的上端；圖3是圖1中所示的組件的放大的剖視圖，其中更為詳細地表示出了該套管驅動器；圖4是圖1中所示的組件的放大的局部剖視圖，其中表示出了雙壁管組件、箱套以及將該雙壁管組件的下端連接到井底氣動錘上的后頭組件；圖5是井底氣動錘組件的剖視圖，其中包括鉆頭組件；圖5A是井底氣動錘組件的錘筒的另一種設計方案的透視圖；圖6A是本發明的鉆頭組件的第一實施例的分解透視圖；圖6B是本發明的鉆頭組件的第二實施例的分解透視圖；圖7A是圖6A所示的實施例的導向鉆頭的透視圖；圖7B是圖7A所示的導向鉆頭的仰視圖；圖8是圖6A所示的實施例中所采用的擴孔器臂(underreamer arm)的透視圖；圖9A是圖8所示的擴孔器臂外部端部視圖；圖9B是圖8所示的擴孔器臂外部側視圖；圖10是圖6A所示的實施例中的鉆頭驅動器的仰視圖，其中表示出了形成有一些凹部的軸向表面，這些凹部接收擴孔器臂，并且該軸向表面靠在該擴孔器臂上以便使得該臂繞著該導向鉆頭旋轉使其伸出和縮回；圖11是圖6B所示的鉆頭組件的側向正視圖；圖12是圖11中所示的鉆頭組件的放大分解視圖；
圖13和14是沿圖11中的截面3-3所作的水平剖視圖，并且表示出了該驅動器的用于接收該擴孔臂的下部，其中表示出該臂處于伸出狀態和縮回狀態；圖15是沿圖13中的截面5-5所作的水平剖視圖，表示出了該驅動器底壁的一部分以及其上的一臂制動墊；圖16是沿圖11中的截面6-6所作的垂直剖視圖；圖17是一擴孔器臂的透視圖；圖18A是一種適于實施所要求保護的方法的底部井孔沖擊裝置的上部的示意性剖視圖；圖18B是一種適于實施所要求保護的方法的底部井孔沖擊裝置的下部的示意性剖視圖。
具體實施例方式
參見圖1，總體用標記10表示的反循環洗孔鉆進系統包括頭部組件11，雙壁管組件12，以及在一套管14中的井底氣動錘13。看圖2和3，頭部組件11包括套管驅動器15用于在鉆頭前進時向下驅動該套管14，并且標準結構的的動力頭組件16用于旋轉并向下驅動套管14。套管驅動器15包括一環形錘17，該環形錘隨著壓縮空氣交替地進入該錘17的上方和下方的腔室而沿垂直方向往復運動。該錘17撞擊在砧臺18上，該砧臺又撞擊在套管頭19上。套管頭19密封住該套管14的內表面以便通過孔口20使得套管頭19和井底氣動錘組件13之間的套管中的壓力增加。套管壓力的增加使得套管和井底錘之間的空氣向下流動，從而防止井底錘和套管之間的碎屑向上移動，這樣就妨礙了該氣動錘的移動(removal)。動力頭組件16通過連桿組件21與砧臺18相連使得雙管組件和井底錘旋轉。動力頭組件16的結構為本領域所公知，不同的是其中心部件22，該中心部件螺紋擰在該雙壁管組件14的上端上，該中心部件22包括與該雙壁管組件連通的中心孔，以便使得該碎屑排出路徑延伸穿過該動力頭到達該肘管29。該中心部件22和雙壁管14的接頭包括一孔口23，該孔口使得空氣進入該雙壁管組件的內壁25和外壁26之間的環形空間24中。軸環27套裝在接頭上并且包括空氣入口28，壓縮空氣通過該空氣入口進入該雙壁管組件以便象下面所述的那樣驅動該井底錘。肘管29可旋轉地安裝在中心部件22的上端并密封住該上端。肘管29，中心部件22以及該雙壁管組件14的內壁25一起形成了一中心鉆屑排出管，以便如下面更為完整的描述那樣將鉆屑從井底錘中連續排出。
再來參見圖4，雙壁管組件12采用單獨管段組裝而成，每個管段都包括一內管31和一外管33。每段管段都包括一外螺紋接頭33以及位于相對端的一內螺紋接頭35。外螺紋接頭33和內螺紋接頭35每個都包括空氣孔口36和37，該空氣孔口各自與雙壁管組件11的外環形空間24連通。在其上端，雙壁管組件被螺紋擰進動力頭16的中心部件22中。在其下端，雙壁管組件11與箱套38相連，該箱套又螺紋擰進井底錘13的后頭部40中。孔口36和37與雙壁管組件的環形空間24連通以便將壓縮空氣從該孔口處引導到該井底錘中。
現在參見圖5，井底錘14包括箱套38，該箱套螺紋擰在后頭部40上。套筒41和錘筒43螺紋擰進后頭部40中。位于中心的排出管43被壓進套筒41中。耐磨套筒44套裝在錘筒42上，并壓力裝配在環45上并壓在后頭部40的臺肩46上。套筒41和錘筒42形成了環形上部空氣腔室48。中心排出管43和錘筒42構成了一環形下部空氣腔室50。錘筒42的下端抵靠鉆頭驅動器52，并且還包括一周向唇邊54，該周向唇邊與耐磨套44配合使得錘筒42位于該耐磨套的中心。錘體53可滑動裝配在錘筒42中以便能夠往復運動。鉆頭驅動器52可滑動地裝配在錘體53下面的錘筒42中，并且位于中心排出管43的下端的上方。鉆頭驅動器52通過一些鍵固定在錘筒42中，每個鍵都裝配在鉆頭驅動器52的鍵槽58和環形凹部60中。(還是參見上面參引過的美國專利US5511628，其中詳細地描述了另一種錘筒組件，其中包含一種將該鉆頭驅動器安裝在該錘筒中的類似鍵以及鍵槽組件。)鍵-鍵槽組件使得鉆頭組件在鉆孔期間能夠在雙壁管組件之前推進。
圖6-10表示出了用于本發明的鉆頭組件。在一個實施例中(圖6A)，鉆頭組件包括一鉆頭驅動器52、導向鉆頭82、以及臂88a-c。鉆頭驅動器52包括具有包括一其上具有凹斜面84的上柄83、凸輪系統表面85a和85b、以及下部86。該下部86包括三個周邊凹部87a-c。在導向鉆頭的外周表面的下部(見圖7A)安裝有一些滲碳淬硬鉆井鉆頭固定塊(hardened drillingbutton)，該鉆頭固定塊最好采用一種碳花物材料制成。臂88a-c套在導向鉆頭82的頂部，并且可以沿著一條如下面所要描述的指定的弧形路徑在該導向鉆頭上滑動。每個臂都包括隆起的凸臺89，該凸臺被安裝在該鉆頭驅動器52中的相應的凹部90中(見圖10)。該隆起的凸臺89具有多個方面的作用。首先，通過鉆頭驅動器52、凸臺89、以及臂88將錘體的沖擊力向下傳遞給導向鉆頭52。其次，該凸臺89被安裝和固定在凹部90中，該凸臺89通過旋轉過一限定弧段而使得臂88伸出和縮回。在臂88處于縮回位置時，表面91靠近凸輪系統表面85a。在這種結構中，該鉆頭組件的整體直徑小于該套管的內徑，使得該鉆頭組件可以從該井孔中抽出來。當通過順時針旋轉鉆頭驅動器52而使得臂88繞著導向鉆頭82順時針旋轉時，傾斜表面85a與表面92配合并向外推動所述臂88。該臂88的一直旋轉和伸出到表面92a抵靠表面85b并且表面92b抵靠表面85a從而將臂88鎖定在伸出狀態為止。為了解除對臂88的鎖定并使得該臂縮回，需要沿反方向旋轉鉆頭驅動器52。在其處于完全縮回的位置處，該擴孔器組件的整體直徑小雨該套管的內徑，使得整個擴孔器鉆頭組件在必要情況下能夠通過套管而被撤出來。該特征顯示出了明顯優于現有擴孔器的優點，而現有的擴孔器就不能縮回并且在必要的情況下也不能穿過套管被撤出來。
在運轉時，壓縮空氣通過孔口37、徑向孔口60、環形空間62以及軸向孔口64被輸送給環形腔室59。在圖5中所示的錘體53處于向下的行程中。唇邊66與唇邊68配合，密封住腔室48。唇邊72與唇邊74配合，密封住腔室50。孔口78被關閉。當活塞53持續下行，孔口76開口，使得腔室48排出氣體。幾乎與此同時，唇邊74與唇邊72脫開，使得新充的壓縮空氣進入腔室50，從而在其已經撞擊到鉆頭驅動器之后使得活塞53上升到其上部位置。在活塞53上升時，孔口78也被打開，使得腔室50排出氣體。唇邊74與唇邊72配合，密封住腔室50。孔口76被活塞53密封住，并且唇邊66與唇邊68脫開，使得新充注的壓縮空氣進入腔室48。腔室48中的新充注的壓縮空氣向下驅動活塞53開始另一個行程。排出到空口6和78的壓縮空氣匯集到孔口80中(見圖5A)，并且通過鉆頭組件被排出到中心排出管43中，并隨之攜帶走鉆頭所排出的鉆屑和泥土碎塊。為了進一步預防鉆屑淤積在臂88a-c和導向鉆頭之間，在圖6B所示的鉆頭組件的實施例，設置了一個孔口91，壓縮空氣可以通過該孔口排出一邊清理碎屑。
通過鉆頭組件的壓縮空氣流基本上是連續的，并且能夠連續地將鉆屑從井孔的鉆進表面排出。而且排出管和雙壁管組件的內壁的基本上恒定的直徑使得空氣的速度基本恒定，這進一步有助于碎屑的排除。通過中心排出管連續排出碎屑有助于連續鉆進。因此，停止鉆進并將鉆頭從井孔中提升出來清理碎屑的情況就是有也極少見。因此這直接導致鉆井速率的顯著改善。此外，也可以從井孔中獲得相對精確的“巖心”樣本，該樣本可以提供勘探和環境用途方面的有用信息。
圖6B和圖11-17表示出了另一種鉆頭組件。參考標記101總體上表示該鉆頭組件，其安裝在井底氣動錘的下端。在102處的驅動器包括具有一定直徑的軸103，該軸通過花鍵安裝到沖擊錘上。該軸上一體形成有一驅動器頭104。在該驅動器頭的104周圍沿圓周方向間隔分布有一些槽道105作為泥土顆粒或碎屑向上排處的通道。該驅動器的軸向延伸的孔106接收向下增壓的空氣流以便清除顆粒。驅動器頭104在107處中心形成有橫孔，用于接收銷子108，該銷子可與該鉆進裝置的后面將要描述的導向鉆頭相嚙合。
該驅動頭104的最下面的表面110形成了一系列圓柱形套筒111，這些套筒均勻地與該驅動器的垂直軸線A間隔開(見圖13)。每個套筒頭具有一相伴的細長凹槽113，該細長凹槽形成于該驅動器的下部以便接收下面描述的擴孔器臂的止動器銷。此外，該驅動器頭104的最下面的表面110上設有多個臂制動墊114，該臂制動墊呈向下突起的形式，這些臂制動墊能夠將每個擴孔器臂鎖定在伸出操作位置。該驅動器的內壁包括分段116和117，該分段形成了一敞開區域，該區域接納一凸輪塊118并使得驅動器頭可以繞著該凸輪塊運動。不規則的壁表面116-117在如后面所述的那樣進行臂定位期間交替地抵靠該凸輪塊從而限制驅動器的旋轉。
一套擴孔器臂在圖12中總體表示為119，其中下面描述的一種臂適用于所有的臂120，該臂在平面視圖中為角形。注意圖17，臂的樞轉柱121坐裝于形成于該驅動器的頭部14的下側套筒111內。臂上的止動器柱或止動器銷122向上凸伸到在驅動器頭104的下側的一細長的凹槽113內，該凹槽的端壁113A具有限制所述臂的止動器銷122向外移動的凹部。臂的頂壁和底壁123-124向外都分別終止于被斜削的臂外邊緣123A-124A，該下部斜削邊緣上設有一些硬合金鑲齒或鉆頭固定塊125。臂120的內側壁126在臂伸出和縮回的過程中相對于下面所述的凸輪塊來回運動。標記27處是一向后(相對于臂的旋轉而言)斜削的臂的端壁。斜削的臂的邊緣123A可與套管內的一孔的下邊緣配合以在鉆井操作結束時在臂縮回的過程中有助于臂向內運動。臂肩128在臂伸出時與驅動器上的制動墊114配合。每個臂120的內側壁126在臂定位期間沿著該凸輪塊的壁表面運行。
導向鉆頭通常標注為130，并且包括一主體131，其最上表面為132，凸輪塊118位于該最上表面132的中心，該凸輪塊具有多個側壁136。與該凸輪塊一體形成有一軸架137，該軸架上有環繞其的環形槽138，用于以切向方式接納承載頭部的銷子108。槽138的尺寸要大到使得驅動器12在對臂定位和隨后鎖定臂的過程中能夠向上移動。壓縮空氣中心通道在鉆頭的139處，并且與驅動器空氣通道106對齊。在導向鉆頭130的下部周邊131的周圍間開分布有一些槽道141，在運轉過程中碎屑通過這些槽道向上流過該臂。該鉆頭的底壁142上形成有徑向分布的空氣槽道143，通過軸向通道139經內部通道向這些徑向分布槽道提供壓縮空氣。該導向鉆頭的最下面的表面142上適當地裝配有一些鉆土設備所通用的碳化鎢鉆頭固定塊或其它耐磨元件144。
在進行鉆井和井底擴孔操作的時候，導向鉆頭130推進到地面中，其中擴孔器臂鎖定在套管的前端C的下面并且徑向超出該前端的伸出位置。如果需要的話可以通過套管驅動器15來使得套管運動經過相對較大擴孔后的區域。在一實施例中，如果鉆頭組件在套管之前進一步推進一預定距離，則連桿21對一閥進行操作以便向氣動錘17和相關的移動(porting)套管驅動器15提供壓縮空氣。
在完成該操作時，該驅動器沿著與鉆進旋轉相反的方向部分旋轉，使得該臂的樞轉銷偏移，具體來說就是使得該臂的內端沿著凸輪塊的側壁136偏移以便使得每個臂縮回。在鉆進操作結束的時候，在縮回的過程中通過斜削的臂的外邊緣123A與套管C的底部邊緣配合促進該臂的縮回，從而使得鉆頭組件經該套管而拆卸出來。
在臂53a-c伸出的操作過程中，來自于井底錘的排出空氣從孔口42經驅動器51、臂54a-c、導向鉆頭56流進中心排出管17中(見圖2)，并隨著該空氣帶走鉆屑。申請人提出的從井底錘經驅動器進入擴孔器組件的排出空氣的路線在該鉆井領域顯示出了顯著的進步。
現在參見圖18A和18B對本發明的方法進行描述。井底沖擊錘和擴孔器鉆頭總體采用1810表示。如上所述，組件1810運轉形成井孔1820。一旦井孔1820形成，就關閉閥1830使得該中心管道1840與真空單元(未示出)隔離開。隨后，通過入口1850將混凝土泵送進中心管道1840中。通過空氣入口1860引入低壓空氣以便套管1870略微施加壓力。當混凝土已經填充中心管道1840時，由于有更多的混凝土被泵送進中心管道1840，該套管就被緩慢地從該井眼中撤出來。該混凝土向下流經中心管道1840并經過鉆頭1880流出進入井孔1820的底部。將一較小的隔離件安裝在鉆頭1880的底部使其隔離在混凝土表面的上方以確保混凝土能流到井孔中。該低壓空氣在套管中形成一壓力以防止混凝土侵入錘體和套管中。套管的上升速度必須與混凝土的填充速度相匹配，由此在錘體和套管被拆除時在井孔中填充上混凝土，并且防止石塊侵入該井孔中，如上所述。采用這種方法，幾乎在鉆出井眼1820的同時就形成了均勻的混凝土樁，從而獲得相當可靠和堅固的混凝土樁，并且該方法也具有更好的成本效益。
在一種優選的下述步驟中，在錘體和套管被拆除并且井孔被填充上混凝土后，采用傳統的驅動和震動方式將I字結構梁插入還未凝固的混凝土中。
本發明的前述說明是為了闡述本發明而不是為了限制本發明。本領域的普通技術人員可以認識到在不脫離本發明的范圍的情況下可以對一些細節部位進行個中改變。
權利要求
1.一種鉆孔的方法提供一種井底錘，該井底錘包括一驅動器；一先導鉆頭，該先導鉆頭可旋轉地連接在該驅動器上，該先導鉆頭具有一柄(shank)，一周向鉆進表面，一下表面，以及從該下表面基本上向上延伸穿過該柄的孔；一些擴孔器臂，這些擴孔臂可轉動地安裝在驅動器和導線鉆頭的中間并且包括一些擴孔表面，在該擴孔器臂處于伸出位置時，該擴孔表面在導向鉆頭的周邊外側以中心對稱布置；凸輪表面，該凸輪表面可與擴孔器臂配合以便將擴孔臂推到其伸出位置，該凸輪表面用于將該擴孔器臂鎖定在各自的伸出位置以及用于隨著所述驅動器和所述導向鉆頭之間的旋轉運動而使得該擴孔器臂縮回來；以及構成在所述驅動器的一外表面和導向鉆頭中的孔之間的至少一個空氣通道的表面；該至少一個流體通道與混凝土狀的材料源以及至少一個所述凸輪表面連通，并且還包括一閥，該閥可操作而將該混凝土狀材料排到所述至少一個凸輪表面；操作該井底錘以便鉆出一個井孔；以及將混凝土狀材料填充到該年個井孔中。
2.一種井底錘，包括一驅動器；一先導鉆頭，該先導鉆頭可旋轉地連接在該驅動器上，該先導鉆頭具有一柄(shank)，一周向鉆進表面，一下表面，以及從該下表面基本上向上延伸穿過該柄的孔；一些擴孔器臂，這些擴孔器臂可轉動地安裝在驅動器和導線鉆頭的中間并且包括一些擴孔表面，在該擴孔臂處于伸出位置時，該擴孔表面在導向鉆頭的周邊外側以中心對稱布置；至少一個凸輪表面，該至少一個凸輪表面可與擴孔器臂配合以便將擴孔臂推到其伸出位置；構成在所述驅動器的一外表面和導向鉆頭中的孔之間的至少一個空氣通道的表面；并且該至少一個流體通道與混凝土狀的材料源以及至少一個所述凸輪表面連通，并且還包括一閥，該閥可操作而將該混凝土狀材料排到所述至少一個凸輪表面。
3.一種如權利要求2所述的井底錘，其還包括該至少一個凸輪表面包括至少一個用于將該擴孔臂鎖定在各自的伸出位置上的表面。
4.一種如權利要求2所述的井底錘，其還包括該至少一個凸輪表面包括至少一個用于隨著所述驅動器和所述導向鉆頭之間的旋轉運動而使得該擴孔器臂縮回來的表面。
全文摘要
本發明涉及一種鉆孔的方法，其中采用氣動方式使一井底錘運轉以便形成一井孔，并且將一種混凝土狀的材料通過該井底錘中的通道注入該井孔中。
文檔編號E21B4/06GK1734052SQ20041005843
公開日2006年2月15日 申請日期2004年8月11日 優先權日2004年8月11日
發明者阿迪絲·L·霍爾特 申請人:阿迪絲·L·霍爾特