鑽孔的隔封裝置的製作方法

2023-07-15 19:19:46 1

專利名稱:鑽孔的隔封裝置的製作方法
本發明是關於在鑽孔中隔離各段層的那種隔封裝置的。所提到的鑽孔是在地層中鑽成，譬如目的在於檢驗可能出現在地下水中的雜質。
用於地下水取樣器的這種隔封裝置的一般構造，可以描述如下。取樣器本身包含一個被放置在鑽孔中的聚氯乙烯或其他適當材料的管子。管子容納著一段或數段被置放在鑽孔中予定深度處的取樣段。
每個取樣段都要以放置在取樣段上面及下面的相應的隔封裝置密封而與鑽孔的其餘部分隔離，各隔封裝置間的(垂直)距離的範圍從幾釐米到數米。
隔封裝置要求能夠膨脹。當管子往孔中下放時，隔封裝置必須與鑽孔壁無阻礙，而一旦隔封裝置放到正確的深度定位時，則隔封裝置必須擴張到與孔壁呈良好的密封接觸。
為了使隔封裝置可以擴張，常規的隔封裝置一直是從地面充氣，或基於使用吸水時能顯著膨脹的材料，如膨潤土或道威爾(Dowell)環形化學密封墊(註冊商標)。
隔封裝置可以設計成能從鑽孔中取回或不能取回的。
鑽孔是鑽入被取樣的地層中。通常情況是，取樣地層是那種包含有數種不同地層、各種局部缺陷及空穴的類型，因為正是這種地層最易於導致雜質在地下水中擴散。在這些條件下，就需要隔封裝置來密封可能是非常不好的鑽孔壁面。
另一方面，對密封的可靠性提出的設計要求是非常嚴格的。如果密封洩漏，通常是無法發現已經發生洩漏的事實的。取樣設備繼續允許水的取樣在取樣段取出，而分析員無法知道樣品中的水是從不同深度漏進來的。
本發明的目標是提供一種隔封裝置，不用過多花錢，而能使分析員有一種高度信心，相信隔封裝置確實是密封著的，即使分析員知道由於在鑽孔中有裂縫、缺陷、空穴、局部坍塌、非粘性材料等等而使壁面可能不完整。
現在轉到隔封裝置的實際構造上來。迄今為止，隔封裝置一直是那種使用水膨脹材料者，諸如膨潤土之類，膨潤土被填充在聚氯乙烯管子和橡膠套管之間的環形空間。橡膠套管用卡箍或端夾從膨潤土的上面及下面固定到聚氯乙烯管子上。在端夾之間，聚氯乙烯管子上開有孔洞以使管子內部能與膨潤土相通。一旦隔封裝置固定在適當位置，水就從地面充入聚氯乙烯管子中，而這些水穿過孔洞流出與膨潤土接觸，使膨潤土膨脹。要在鑽孔中被取樣的、可能含有雜質的水當然必須密封而與從地面充入的水相隔離。
膨潤土，及其它遇水發脹的材料，膨脹時具有相當大的力。如果鑽孔壁面是堅固的，膨潤土是包封著的，則會被阻止進一步膨脹。但是如果壁面局部很弱，或者不存在，則膨潤土會繼續膨脹，而只有橡膠套管去阻止它。
如果橡膠套管很薄，膨潤土可能撐破套管，導致隔封裝置洩漏，如前所述，分析員可能不知道這事發生。另一方面，如果橡膠太厚太強，那末即使膨潤土克服橡膠之阻抗而能膨脹到一定程度，套管也不可能適應壁面的小凸凹，因而密封也會洩漏。
因此，如果橡膠套管太薄，如果它膨脹到裂縫中，套管會爆裂，而將洩漏。如果橡膠太厚，套管將不能充分適應小凸凹，因而也將洩漏。隔封裝置各種性能的這種兼顧意味著，應用常規取樣裝置，從具有不完善壁面的鑽孔中所取的樣品，一直是很不可靠而不能被接受的。
應當注意，無論隔封裝置是用水膨脹材料還是充氣膨脹材料，這個問題都會發生。出於這一技術要求，在兩種情況下隔封裝置都包括一個可以稱為可脹環套的東西。
可以看到在本發明中套管材料的各種要求的兼顧不可能用橡膠本身來很好地滿足。
本發明除了橡膠套外，在膨脹環套之外增加一個補充抑制套管。
本發明中，補充抑制套管由具有比橡膠更大的固有剛性的材料製成，強化纖維即為此種材料之一例。
無論怎樣，在本發明中，補充抑制套管是這樣構成的，依靠本身而無支撐，補充抑制套管基本上對周邊擴張是無阻抗的;並且在本發明中這種固有的對周邊擴張沒有阻抗是由補充抑制套管的形狀造成的。
材料如何由其可能的形狀造成允許周邊擴張的例子，是材料可以作成薄層，它包圍在可膨脹環套之外。薄層尺寸最好大到足夠滿足周端上很大的搭疊。當可脹環套擴張時，補充抑制套簡單地通過滑退可調節到需要的範圍。
補充抑制套繼續滑退直到膨脹足以使隔封裝置與孔壁發生密切接觸為止。在此點上，補充抑制套被孔壁抵住與限制而不能進一步膨脹，結果是，當滑退運動的狀態突然受阻時，補充抑制套現在被「凍結」(即其周邊中剛性驟然增加)。
此後，可脹環套越要膨脹，補充抑制套就越被孔壁的約束所抑制。這種約束就迫使套的搭疊的兩端緊壓在一起，由於搭疊端彼此緊緊咬合的結果，因此就阻止住抑制套沿園周進一步擴張。
如果或者當孔壁由於出現空穴或裂縫而不完整時，補充抑制套就抑制可脹套管局部地向裂縫內擴張。當然，依此方式所能彌補的裂縫大小是有限的，不過可以確認，在發明中垂直高度數釐米的裂縫是可以彌補的。大於此的裂縫，在任何情況下，在鑽孔時是會被檢測到的因而是可以避開的。
本發明的隔封裝置的整體尺寸可以和常規隔封裝置相同，對於7或10cm直徑的鑽孔它可以處於50或70cm數量級。
在本發明中，製造補充抑制套的材料最好使用凱沃拉(Kevlar，註冊商標)。編織纖維形式的凱沃拉具有許多本發明所要求的性質，實際上能無阻滯地滑退，而且十分剛韌以抵抗局部扭曲。
一般來說編織纖維是不防水的，編織凱沃拉也不防水。凱沃拉自身不含水的事實將招致兩個因素，設計者在設計隔封時應當將其牢記在心。第一、設計者自然應當清楚沒有洩漏途徑通過管子內、外之間的編織材料。
第二因素如下，隔封膨脹的措施可能是多種不同措施之一;但所有措施共同方面是在隔封內部被建立起一種壓力。這個壓力，不論它是氣動方式還是液壓方式產生的，必須要保持。即使當膨脹措施是可脹材料，如前述的諸如道威爾或膨潤土，都必須向材料供水使它膨脹，並且一般需要在壓力下供水。
既然編織凱沃拉不能經受這個壓力，通常，就必須在凱沃拉抑制套與壓力介質之間固定一個橡膠壓力套管。這個橡膠壓力套管應當放在凱沃拉抑制套內-如果壓力套放在凱沃拉抑制套之外，並且如果壓力此時經凱沃拉抑制套而洩漏，則該壓力就會使這樣一個外部壓力套從凱沃拉抑制套上膨脹開去。
另一方面，隔封的主要目的當然是對鑽孔壁提供一個防水密封，因此設計者應知在凱沃拉與孔壁之間尚有進一步密封措施。
在本發明中，當補充抑制套的材料是凱沃拉時，因而除了放在凱沃拉抑制套內的橡膠壓力套管外，最好在凱沃拉外面再放一個第二橡膠套管。這樣，在本發明中，當使用凱沃拉抑制套時，該套最好夾在兩個橡膠套管之間。
為進一步描述本發明，現描述採用本發明的隔封案例。參考插圖，其中圖1是一種示例的隔封橫截面，圖2是圖1隔封的表示構造細節的局部剖視圖;
圖3表示圖1隔封在鑽孔中的使用;
圖4與圖5表示可能構成隔封的另外方式。
一個地下水取樣器的一段示於圖1。取樣器包括一個聚氯乙烯管子60，它向下伸入一個鑽孔中。鑽孔具有孔壁面62。
管子60外圍是一個可脹的套管63，它由道威爾Dowell環形化學密封墊(註冊商標)水性膨脹材料製成。或者，套管材料可用膨潤土，或者套管63可以是那種包括由地面上充以空氣或氣體壓力的袋子。
道威爾套63外圍是一個壓力套61，依次外圍是一個補充抑制套64，它包含一層編織凱沃拉材料65。該層尺寸應使該層65的兩橫端67與68很寬裕地搭疊在一起。
在凱沃拉外面依次是一個橡膠外套69。橡膠套61與69是各自封閉管的形式，而與凱沃拉搭疊層形式是不同的。
管子60上開有孔或槽70，以此使道威爾環套63能與管子60內部相通。當取樣器被裝進鑽孔中時，管子60內部是幹的，但是一旦管子60在鑽孔中處於適當位置時，管子就由地面往裡灌水。水通過孔70流出(最好在壓下後)而與道威爾環套63接觸。
道威爾套63因此而膨脹，它導致壓力套61及抑制套64也發生膨脹。因為它含有重疊或搭疊層65，所以套64可以迅速擴張，以跟隨道威爾環套的膨脹。外橡膠套管是足夠柔軟的，所以對道威爾環套63及凱沃拉套64的膨脹絕無阻礙效應。壓力套61防止外套直接受到水的內壓。
在套64擴張期間，薄層65的搭疊兩端67和68彼此靠近。只要膨脹不受阻礙，層65的搭疊兩端67和68的相對滑動就絕不會因摩擦而受阻。
但是，一旦外套69與鑽孔壁面62發生接觸，道威爾環套63的進一步膨脹就受到制約。因為道威爾環套在管子60與孔壁62間受到擠壓，所以在隔封構件中開始產生力。這些力就使得搭疊的兩端67與68由於巨大的摩擦力而緊貼，它有效地使凱沃拉層65變成或凝固成為一個管子，此管具有正確的直徑而完美地封在孔中。
一旦這個直徑建立起來，道威爾環套進一步擴張的趨勢就具有不使隔封裝置向外膨脹但使該正確直徑更加堅固的效用。
在本發明中，外橡膠套69並不需要去阻止膨脹著的道威爾環套。因此，用於套69中的橡膠可以是柔軟的，這意味套的材料對孔壁中任何微小的不規則都能高度地適應。
如果鑽孔62有一個裂縫71，在裂縫71最接近的範圍內就不會發生凱沃拉層65卡住或凝固成一個不脹的管子。然而在鑽孔完整處，即裂縫71的上部72和下部74之處這種凝固確會發生。只要裂縫71不太長，即只要孔壁62上阻脹部位72與74間的相隔距離不太大，則凱沃拉就會跨騎在裂縫上，並將阻止道威爾環套膨脹進入裂縫中去。
本發明的一個特點是，本發明的隔封具有容易擴張以配合很大範圍內的鑽孔直徑的性能，而且一旦隔封與鑽孔壁接觸之後，則隔封裝置就凝固了，並且剛性地阻止隔封裝置向任何可能存在的裂縫中發生任何進一步顯著變形。
外套69在兩頭以端用卡箍75和76封死。必須不讓土壤中的水漏入管子1的內部，而且卡箍可以用雙箍或三箍結構以增強這種防漏可靠性。
圖4所示另一種隔封結構中，凱沃拉層65伸展到通過並超越卡箍75。此種安排中，內壓力套61是雙層的並且安排的能使隔封的端部防漏。
可以注意到在圖4的方案中，由於有卡箍，在卡箍區域中的凱沃拉總是凝固的，即使在道威爾環套膨脹之前可阻止任何周邊的滑退。隔封端部的這種約束在防止套管脹入位於卡箍處的裂縫中去是很有用的。
在圖5所示的又一種結構中，凱沃拉的一個封套79被包含在隔封裝置中。封套79與凱沃拉層65是分離的，而以卡箍80象圖示那樣固定。(可以設想套層65整個是雙層的，象一個封套那樣起作用，但是最好不用，因為在那種情況下很難使隔封可靠地防漏。)外露的封套79起防止隔封被損傷的作用。
權利要求
1.可脹隔封裝置，其特點是該裝置包括一個可脹環套；一個補充抑制套，它在可脹環套的外圍，其特點是補充抑制套包含一層材料；該材料是剛性的；該層包在可脹環套外圍；圍層的周邊端部是搭疊的；而且該裝置包括這種裝置，它保證當補充抑制套擴張時，該層的所述搭疊兩端彼此滑動，從而減小周邊搭疊範圍。
2.按權利要求
1所述的裝置，其特徵是該裝置包括一個彈性材料製成的外套，它套在可脹環套的外圍;並且外套的彈性材料質地是柔韌可彎的，即該材料基本上不能抑制可脹環套膨脹。
3.按權利要求
2所述的裝置，其特徵是該裝置還包括一個彈性材料的內套管;所述外套圍在補充抑制套的外面;補充抑制套在內套管的外圍;而內套管在可脹套管的外圍。
4.按權利要求
3所述的裝置，其特徵是該裝置包括防水侵入套管的密封裝置，其結構是這樣的補充抑制套被封裝在防止水從裝置外部和內部侵入的兩個套管之間。可脹環套是密封的，以防水從裝置的外部侵入，但是和裝置內部的水是相通的。
5.按權利要求
4的所述裝置，其特徵是該裝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.按權利要求
5所述的裝置，其特徵是內套及外套之一的一端是雙層的，繞過這兩套中另一套的對應端;該結構是這樣的，位於該端的端用卡箍有夾緊內外套材料以達彼此直接密封接觸之效用。
7.按權利要求
1所述的裝置，其特徵是該裝置包括上下套管卡箍;該套管卡箍環繞補充抑制套的上部及下部，且有抑制補充抑制套在該部位內周向擴張的效用;從而所述周向搭疊範圍的減少只發生在補充抑制套的在兩卡箍之間的中間部位上。
8.按權利要求
1所述的裝置，其特徵是補充抑制套的材料是規固與剛性的，即，當該材料在其區域的一部分受到支持而能抑制周向擴張時，在區域的其餘部分上基本上也能抑制套管的周邊擴張。該補充抑制套的材料是如此成型和配置的在沒有支撐的情況下，補充抑制套不能依靠自己本身來抵抗周向擴張。
9.按權利要求
8所述的裝置，其特徵是該補充抑制套的材料是編織凱沃拉(註冊商標)。
10.按權利要求
1所述的裝置，其特徵是該裝置與一個取樣管一起適用於將該管子和在地層中形成的鑽孔的壁面相密封。
專利摘要
該隔封裝置用於佔孔中作為地下水取樣器段層隔離密封。所述隔封包括一個道威爾(商標)水脹材料可脹環套(63)。其外圍是一橡膠壓力套(61)。編織凱沃拉(商標)層(64)包圍在套及道威爾環套外面，使凱沃拉層端部(67，68)搭疊。凱沃拉外圍是一橡膠外套(69)。靠隔封膨脹來填充鑽孔，凱沃拉層搭疊滑退使道威爾無約束地擴張。一旦隔封填滿鑽孔，凱沃拉層阻止再滑退。若鑽孔內有裂縫(71)，則凱沃拉成一剛性橋跨過裂縫，阻止隔封向外脹入裂縫。
文檔編號E21B33/127GK87107859SQ87107859
公開日1988年8月10日 申請日期1987年11月14日
發明者唐納德·圖恩, 彼得·庫利羅維茨, 道格拉斯·貝爾肖, 保羅·E·詹森, 約翰·A·徹裡 申請人:滑鐵盧大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan