CN102105638B - 利用机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备 - Google Patents

Abstract

通过机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备(1)，其设计成连接到一或多个钻杆上并且进行钻进和混合操作；所述设备具有：主体(10)；一或多个刮刀(30、30’、30”)，其相对于所述主体(10)是可动的并且通过凸轮(22)由位于所述主体(10)内的中心结构(20)控制；该设备(1)还具有供流体流动的装置(40)，其以液密方式连接到至少一个喷射器上；根据被引入到所述供流体流动的装置(40)中的液体的压力，在所述中心结构(20)和外部所述主体(10)之间产生相对运动，使所述刮刀(30、30’、30”)打开。

Description

利用机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备

技术领域

本发明涉及深钻领域；具体地，涉及利用机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备。

背景技术

土壤固结有助于利用钻井装置进行钻孔。在钻进步骤期间，或者在其结束时进行操作，用于提高与孔大体上对应的土壤区域或其周围区域的坚固特性。

众所周知，固结操作可以使用如下详述的技术。

第一种技术称作“机械干混合”，其在含有大量水的土壤中频繁使用；使用这种技术需要利用例如在通常不超过30巴的压力下压缩的空气以及配备有相对于钻杆组固定的旋转刮刀的混合工具将粉末状水泥注入到土壤中。

第二种技术称作“低压湿法混合”，其中，利用由水和混凝土的混合物(通常称作“水泥浆”)组成的流体射流提供固结。同样，流体射流的特征是贯穿工具的低压(最大为大约40-50巴)，所述工具配备有能够使土壤与上述流体混合的刮刀。

第三种技术称作“高压机械湿法混合”。

利用第三种方法，利用注入高压(通常为大约100-400巴)水泥浆射流进行固结土壤的处理，水泥浆从配备有混合刮刀(通常位于径向位置)的钻进和注入工具的筒体流出。

这样，通过混合刮刀确保固结区域的最小直径(为此，使用术语“机械最小量”)，通过固结流体的压力确保最大直径。更具体地，实际上，固结流体还可以对未被钻进和注入钻进工具的范围覆盖的土壤区域起作用。

特别是参考所述的第三种即最后一种方法，在钻进(向下)期间或在钻进(向上)结束时，或者根据所处理土壤的类型沿双方向发生土壤混合。

对于特殊的设计要求(例如，在建筑地基已经安放或者已经进行土壤的必要处理之后需要出土操作的情况下)，可能只需要在位于某一深度处的部分土壤中进行机械混合。在这种情况下，在行业内使用术语“无效横动”，描述了在刮刀保持闭合的状态下，钻进和混合工具(安装有径向设置的可延伸刮刀)从现场地平面到达处理深度以确保最小钻进直径的过程。该解决方案能够高速钻进并且更为经济。

目前存在能够进行包容尺寸的初始钻进的工具，当达到预定深度时，通过打开类似于刀具的一些机械构件，称作“混合刮刀”，在与更低深度处相比大得多的直径上进行钻进作业或者仅将土壤与注入的胶结液混合。

就易处理土壤而言，可以顺利地向下进行土壤混合；作为替代，在面对“难处理”土壤时，在进行注入不同流体的预操作之后(在初始下降步骤期间)，混合优选地向上进行，以便使土壤变轻并使其准备进行随后的混合。

就钻进、切割和混合装置而言，现有技术中已知多篇文献。

例如，文献No.US 7,195,080教导了如何解决为钻进直径(其可以由加工构造中的切割装置(刀具)提供)的独特性所固有的问题。文献No.US 7,195,080还教导了如何通过阻挡装置(其在操作期间减少了刀具的振动)使刀具的刚性更大。

更具体地，文献No.US 7,195,080显示了在下降步骤期间扩宽钻孔的工具，对于其切割装置(刀具)的径向打开运动而言，其可以利用：

液压能，通过插入连接到位置指示器(分度器)上的线性致动器(千斤顶)，所述位置指示器能够调整所述刮刀的开启以便使钻进直径可变；

其他形式的能量，例如电能，通过提供电动机和/或其它简单机械装置。

更具体地，液压能通过专用流体提供或者使用与用于挖掘相同的流体(膨润土)。该流体致动使主体轴向位移的千斤顶，所述主体通过在多个支点上撬动使刀具向外打开。在加压流体进入之后，阻挡装置推压刀具。一旦达到预定深度，在钻进作业结束时，专用流体或钻井液(膨润土)的输送中断，使得阻挡装置自由移动，随后松开刀具，所述刀具能够再次自动关闭，直到它们到达初始位置为止。

然而，先前文献所述的方法存在一些不足。事实上，利用该方法不可能在钻进步骤期间利用钻井液(膨润土)进行动作，使刀具保持关闭。此外，上述文献没有教导注入不同于钻井液(膨润土)的胶结液的可能性。最终，根据由文献No.US 7,195,080所代表的现有技术，钻头在刮刀通过机械和电气装置移动的情况下必须具有专用于刮刀移动系统的通道或机械装置。此外，更具体地，根据工作环境，刮刀通过电气装置进行运动是非常麻烦和精细的。

同样重要的是，美国文献没有教导如何制造头部，其能有效地进行向下运转和向上运转且均能进行固结。

发明内容

本发明的目的在于提供不具有上述缺陷的设备，用于通过机械混合和注入胶结液使土壤固结。

根据本发明，提供了利用机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备，其设计成连接到一或多个钻杆上并且进行钻进和混合操作；所述设备包括：主体；一或多个刮刀，所述刮刀相对于所述主体是可动的并且由位于所述主体内的中心结构通过凸轮控制；该设备还包括供流体流动的装置，其以液密方式连接到至少一个喷射器上；其中，根据被引入到所述供流体流动的装置中的液体的压力，在所述中心结构和外部所述主体之间产生相对运动，使所述刮刀打开。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，所述附图显示了本发明实施例的非限制实例，其中：

图1显示了利用机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备的第一立体视图，所述设备配备有刮刀，刮刀处于闭合状态；

图2显示了图1所示设备的横截面；

图3显示了刮刀处于打开状态的图1所示设备的第二立体视图；

图4显示了图3所示设备的横截面；

图5和图6显示了图1所示设备的一部分的第一可替换实施例；和

图7显示了图1所示设备的一部分的第二可替换实施例。

具体实施方式

参考图1，利用机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备整体上由附图标记1表示。该设备包括在使用中固定到钻杆组(未显示)上的主体10，可以利用该主体将流体引入钻孔中。所述流体通常在钻杆内流动。

设备1(其在使用期间通常自动开启)具有多个活动式钻进和/或混合刮刀30，所述刮刀沿着设备的主体设置，并且具有第一使用位置(此时刮刀大体上沿设备1的最大延伸方向设置)和第二使用位置(此时刮刀延伸至大体上由设备1的主体10确定的体积之外)。

如图2所示，设备1还包括位于其内部的内部结构20，所述内部结构在主体10的内部被轴向引导，其具有一或多个侧向区域21，所述侧向区域被设计成沿主体10的一或多个导向装置12滑动。

更具体地，内部结构20可以相对于主体10滑动并且接收旋转钻进扭矩。

内部结构20相对于主体10沿由箭头表示的方向滑动导致铰接在主体10上的多个刮刀30打开，这样，所述刮刀从设备1向外延伸。

更具体地，所述运动可以通过设置在内部结构20的特意设计的支架上的多个凸轮22进行，所述凸轮与固定于相应刮刀30上的相应销31接合。

设备1还具有用于使流体通过的内部管道40，所述内部管道设计成(通过已知方式)以确保流体密封的方式连接到钻杆上。固定于内部结构20上的内部管道40具有第一终端41、43和面向设备1的外表面的相应的第二终端42；更具体地，第一终端41、43沿着相对于内部管道20的朝向的横向方向定位，并且定位于刮刀30的上方区域和下方区域；终端41、43可以按照操作需要而封闭。

与之不同的是，第二终端42引导流体以一定倾角(例如但不限于45度)向下流动，所述倾角可以相对于钻进方向发生变化。根据设备1的优选实施例，所述第二终端42定位在设备1本身的底端。

最后，设备1安装有被限制在主体10和内部结构20之间的对抗弹簧(contrast spring)50，所述弹簧具有非工作位置(此时内部结构20向上缩回)和伸展位置(此时内部结构20向下移动并因此导致多个刮刀30向外打开)。对抗弹簧50的作用力可以进行调节。

为了辅助刮刀30保持在闭合位置(第一使用位置)，设备1还设置有沿着由内部结构20大体上限定的圆周径向设置的多个接纳件60，一个接纳件对应于一个刮刀30，所述接纳件在距离刮刀30的铰接端部一定距离处产生作用于端部的机械对抗。

接纳件60向下方敞开，以有助于可能在钻进和混合步骤期间积聚在其内部的任何物质排出。

当对抗弹簧50使刮刀30保持在第一使用位置(即，闭合位置)时，接纳件60能够固定刮刀30；实际上，接纳件60以至少部分地与刮刀30重叠的方式设置在内部结构20上。反之，当提供了足以压缩对抗弹簧50的作用力并且中心结构20向下延伸(即，延伸到主体10之外)时，接纳件60松开刮刀30的一端，从而使刮刀伸出。

总之，无论怎样，中心结构20的行程要使得：当刮刀30完全闭合时，具有确保接纳件60将其自身至少部分地设置在刮刀30(只有当其完全闭合时)上的一定间隙。换句话说，中心结构20的行程包括第一无用行程(其中，接纳件平行于刮刀30移动，从而由此脱离接纳件)和第二行程(其中，上述刮刀30向外打开)。

多个机械对抗元件23对刮刀30的打开进行限制。机械对抗元件23布置在中心结构20的径向位置处，通过与形成主体10的一部分、并位于刮刀30上方的止动装置13相抵靠而确定由刮刀30在旋转期间大体上限定的圆周的最大直径。所述止动装置13(其可以拆下和互换)具有这样的形状：该形状能够使中心结构20相对于主体10进行不同的位移，从而获得处理土壤的多个直径。

作为所述实施例的可替换方案，可以使用设备1的另一实施例，其可以使用平衡流体作用力的其它装置代替弹簧，例如具有压缩气体的腔室，或者电气或磁性液压补偿器。

在使用中，在下放设备1期间，低压(大约40-50巴)的钻井液例如空气、水、膨润土或水泥浆通过内部管道40引入井孔中。

在钻进步骤，即向下工作期间，设备1可以在刮刀30处于第一使用位置的情况下移动，其中，刮刀设置为与设备1的最大延伸方向大体上平行。

低压流体引入内部管道40内产生沿与钻进方向大体上平行方向作用的作用力，其作用在内部结构20上，然而，该作用力不能导致多个刮刀30打开。实际上，所述作用力由对抗弹簧50施加的相反作用力(至少在绝对值上相等)平衡。

显而易见，在干式工作情形下，即，不使用任何流体进行钻进期间，刮刀30仍然保持在第一使用位置。

反之，当到达必须进行机械混合及井孔加宽处理的深度时，混合流体在如下压力下被引入内部管道40内：所述压力能够克服由对抗弹簧50施加的作用力，从而使刮刀30能够向外打开。

更具体地，混合流体可以是水泥、水泥浆、树脂或其它固结化学混合物。

显而易见，迄今为止所描述的作用力不仅仅考虑对抗弹簧50的保持力；特别地，使刮刀30能够打开所需的作用力必须高于弹簧作用力、摩擦力、用于打开刮刀的作用力以及在设备有效操作期间可能介入的通常所有其它作用力。

显而易见，最大钻进直径与刮刀30相对于第一使用位置旋转90度之后的直径相对应。

更具体地，图3和图4分别显示了设备1的立体视图和剖视图，其中，可以注意到与相应止动装置13抵靠的机械对抗元件23。还可以注意到，刮刀30怎样才能够根据要求闭锁在小于90度的最大打开角度，乃至大于90度的角度(指相对于设备1在使用中首先进入土壤中的部分进行测量而言)。

更具体地，在固结操作过程中，即，刮刀30打开(第二使用位置)期间，除了由混合流体作用在中心结构上的压力导致的打开效应之外，还存在阻挡作用力。该阻挡作用力由因主体10和中心结构20之间旋转引起的扭矩传递所产生的摩擦力的分量形成；扭矩实际上通过导向装置12的表面传至侧向区域21。因此，使中心结构20趋于移动的任何外部作用力在导向装置12和侧向区域21之间产生反向摩擦力，从而防止刮刀30的任何运动。

在阻挡中心结构20时，通过接合在相应凸轮22中的销31获得对刮刀30的机械式阻挡。

当施加向上的运动时，设备1开始机械混合处理，混合流体从第一、第二和第三终端41-43流出。适当的阀装置(未显示)通过封闭通往终端42(如果受到混合流体(处于较高压力下)作用的话)的通路可以防止流体本身从下面流出，以及使在刮刀30附近仅沿横向方向的分散作用集中。

一旦已经到达固结处理结束的深度(根据特定情况，所述深度可以与地表一致或不一致)，混合流体的输送中止，对抗弹簧50使中心结构20缩回设备1的主体10中，从而闭合刮刀30，其随后由多个接纳件60阻挡。

尽管已经描述了向上混合的步骤，实际上，还可以向下执行刮刀30打开的步骤以及注入混合流体的步骤。在后一种情况下，与之前描述的情况不同，刮刀30在混合之后闭合的深度是所希望的最大深度或者回到混合开始时的深度。

特别地，在向下进行土壤混合的情况下，刮刀30的这种布置(其在打开期间具有面向土壤的、远离主体10的自由端)在混合操作期间产生与钻进运动相反的作用力，其有助于刮刀30本身保持向外打开。这在对难处理土壤进行处理时尤为有用。

设备1还可以进行改造以便在其向上返回时获得刮刀30的凹入构造，在这种情况下，将刮刀30的铰链定位在主体10上低于中心结构20的区域内，并且将凸轮22和销31两者的布置颠倒。

另外，该设备安装有用于测量主体10和中心结构20之间距离或者用于测量刮刀30的向外打开程度即有效固结直径的感测装置(未显示)。实际上，如果预先知道刮刀30的长度的话，例如通过测量主体10和中心结构20之间的相对位移，或者替代性地通过测量刮刀30的打开角度，可以以相当高的精度获知它们正在进行工作的直径。

上述装置可以包括利用电动液压或其它方式进行驱动的线性位置或角位置传感器以及显示或表示数据的适当系统。

就从位置传感器向用于显示或表示数据的系统的数据传输而言，可以使用信号电缆或者无线型数据传输技术。

图5和图6显示了上述设备的刮刀30′的第一可替换实施例。

更具体地，刮刀30′是可伸缩式，其设计成向外延伸，从而能够在不显著增大设备的纵向尺寸的情况下获得更大的混合直径。此外，获得了逐渐增大的混合直径，因此在最靠外区域(对应于较大直径)进行混合期间对销的反作用力不太剧烈，因为位于较靠内区域(对应于较小直径)的土壤已经混合并因此分散，从而承受低得多的阻力。

更具体地，刮刀30′包括铰接到设备本体上的第一内部部分30′.1和部分地包覆在内部部分30′.1内的第二外部部分30′.2。

刮刀30′的延伸通过利用与控制其向外打开的相同流体来实现，并且尤其通过设置成只在刮刀30′本身的给定打开阶段才与管道40连通的腔室50来实现，腔室50与管道40连通使加压流体通过，所述加压流体对第二部分30′.2的头部51起作用，如图6的箭头所示。进而头部51作用于弹簧90，所述弹簧设计成在没有流体压力的情况下使刮刀30′保持在缩回(和未延伸)位置。

更具体地，螺旋弹簧90位于刮刀30′的第一部分30′.1的最外区域，并且在腔室50中的压力增大时被压缩。

替换性地，刮刀30′还可以通过取决于专用阀(未显示)的压力进行延伸。

最终，图7显示了刮刀30″的第二可替换实施例，其中，旋转轴(铰链32的轴线)沿不与工具的横向直径相切的方向设置，但无论怎样均能够使刮刀30延伸到最大直径。

本发明的优点通过上面的描述清晰地显现出来。更具体地，设备1能够使用于扩宽钻孔的单个工具(其能够向上和向下操作)与用于混合流体输送的装置组合。装置可以利用相当简单的机械装置致动，在很大程度上(除了沿钻进方向产生的可能的作用力之外)通过注入到内部管道40中的液体压力导致刮刀30向外打开。因此，在无需安装特别复杂或昂贵的设备的情况下，改变引入所述管道的流体压力就足以改变设备1的操作构造；例如，提供能够产生不同压力范围的泵就行。因此，还可以利用钻井液进行操作，保持刮刀闭合并且以较小直径进行钻进，从而节省了能量和时间。

这样，钻杆的结构同样可以显著改进，因为它不再需要：

-具有两个专用的输送头部，一个专用于传送流体，另一个专用于致动刮刀；或

-具有双通道杆，从而减少了结构难度并且减轻了所要移动的设备重量。

最后，通过去除专用于打开或关闭刮刀30的致动器装置例如千斤顶、电机或分度器，进一步简化了设备；仅通过利用由流体压力产生的作用力就可以进行操作。

可以对所述设备进行一些改变。更具体地，相对于已经描述的情形而言，要安装在设备上的刮刀数目可以变化，同样，其形状也可以变化。

首先，相对于附图所示的情形而言，如前所述的设备的刮刀数目可以变化，因此附图所示情形表示设备的优选实施例的非限制实例。

可替换地，可以使用铰接在中心处的单个刮刀以产生自动平衡的反作用力负载。

此外，在设备1的底部，可以具有其形状有助于在例如特别坚硬的土壤中进行钻进的尖锐横刃。

显而易见，中心主体20和外部主体10之间的相对运动可以通过作用于前者(如上文所述)或后者(即，保持中心主体20固定)获得。

Claims (15)

1.一种用于通过机械混合和注入胶结液来固结土壤的设备（1），其设计成连接到一或多个钻杆上并且进行钻进和混合操作；所述设备包括：主体（10）；一或多个刮刀（30、30’、30”），所述刮刀相对于所述主体（10）是可动的并且通过凸轮（22）限制到位于所述主体（10）内的中心结构（20）上；该设备（1）还包括供流体流动的装置（40），其以液密方式连接到至少一个喷射器上；

其特征在于，根据被引入到所述供流体流动的装置（40）中的液体的压力，在所述中心结构（20）和外部所述主体（10）之间产生相对运动，使所述刮刀（30、30’、30”）打开。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述中心结构（20）连接到对抗装置（50）上，所述对抗装置用于对抗引入到所述供流体流动的装置（40）中的液体的压力；所述对抗装置（50）具有：

第一操作状态，其中，液体压力处于第一范围内，并且其中，对抗装置（50）使所述中心结构（20）保持朝其缩回并且还使所述刮刀（30、30’、30”）保持在第一使用位置，在第一使用位置，刮刀（30、30’、30”）大体上沿所述设备（1）的最大延伸方向设置；

第二操作状态，其中，液体压力处于平均值明显高于第一范围的第二范围内，其中，所述液体的压力将所述中心结构（20）推向设备（1）的外侧并且还将所述刮刀（30、30’、30”）设置在第二使用位置，在第二使用位置，所述刮刀（30、30’、30”）延伸超过大体上由设备（1）的主体（10）确定的体积，从而限定比对应于第一使用位置的钻进直径更大的钻进直径。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述对抗装置（50）包括负载可调的弹簧。

4.如权利要求2所述的设备，其中，所述中心结构（20）在所述第二操作状态中滑动，直至其达到最大行程，所述最大行程通过机械对抗元件（23）撞击多个止动装置（13）来限定；所述机械对抗元件具有设计成在主体（10）的一或多个导向装置（12）内滑动的侧部区域（21）。

5.如权利要求3所述的设备，其中，作用在所述中心结构（20）上的处于所述第一范围内的液体的压力确定了一作用力，该作用力明显小于至少部分地由所述对抗装置（50）施加的反向力；并且其中，作用在所述中心结构（20）上的处于所述第二范围内的液体的压力产生一作用力，该作用力明显高于至少部分地由所述对抗装置（50）施加的反向力。

6.如权利要求1所述的设备，还包括设置在所述中心结构（20）的支架上的多个凸轮（22），所述凸轮与固定于相应的刮刀（30、30’、30”）上的相应的销（31）接合。

7.如权利要求2所述的设备，其中，所述中心结构（20）上固定有用于刮刀（30）的多个保持装置（60），所述保持装置设计成：当所述刮刀（30、30’、30”）设置在所述第一使用位置时，所述保持装置在与刮刀（30、30’、30”）的被限制到主体（10）上的端部相距一定距离处实现固定。

8.如权利要求7所述的设备，其中：

所述保持装置（60）是敞开的，且敞开方式使得有助于在钻进和混合操作期间可能积聚在其内部的任意材料排出；和

所述中心结构（20）具有包括第一无用延伸行程的移动，其中，刮刀（30、30’、30”）能够相对于保持装置（60）移动并脱离，并且在刮刀（30、30’、30”）自身闭合的最后步骤中在刮刀（30、30’、30”）和保持装置（60）之间存在部分重合。

9.如权利要求1所述的设备，其中，混合流体能够在深度下降的第一步骤和朝向地面上升的第二步骤期间引入所述供流体流动的装置（40）内。

10.如权利要求4所述的设备，其中，在所述设备（1）旋转期间，所述导向装置（12）提供用于阻挡所述刮刀（30、30’、30”）的辅助手段，这通过由导向装置（12）的表面传递给侧部区域（21）的扭矩产生的摩擦来实现。

11.如权利要求1所述的设备，包括感测装置，所述感测装置用于测量主体（10）和中心结构（20）之间的相互移动和/或刮刀（30、30’、30”）的向外打开程度；所述感测装置包括线性位置传感器或角位置传感器和用于显示或表示数据的系统。

12.如权利要求7所述的设备，其中，所述喷射器形成包括第一系列喷射器（41，43）和第二系列喷射器（42）的多个喷射器的一部分，其中，所述第一系列喷射器（41，43）的至少一部分的取向沿所述刮刀（30、30’、30”）重叠的方向引导液体射流，并且其中，所述第二系列喷射器（42）的至少一个喷射器在所述保持装置（60）的附近向下取向并且能够由阻断流动的装置封闭。

13.如权利要求1、6、9、11、12中任一项所述的设备，其中，所述刮刀（30'）为可伸缩的并且均具有对抗装置（90），所述对抗装置设计成施加与所述刮刀（30'）的延伸相反的作用力。

14.如权利要求1所述的设备，其中，所述刮刀（30"）具有沿不与所述设备的横向直径相切的方向设置的相应的支撑销（32）。

15.如权利要求2－5、7－8、10中任一项所述的设备，其中，所述刮刀（30'）为可伸缩的并且均具有第二对抗装置（90），所述第二对抗装置设计成施加与所述刮刀（30'）的延伸相反的作用力。

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