IT202000014086A1

IT202000014086A1 - CORE DRILL WITH THREE CONCENTRIC DRILLING HEADS

Info

Publication number: IT202000014086A1
Application number: IT102020000014086A
Authority: IT
Inventors: Rossella Montuori
Original assignee: Sip & T S P A
Priority date: 2020-06-13
Filing date: 2020-06-13
Publication date: 2021-12-13

Description

Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: Patent Application for Industrial Invention entitled:

"Carotiere con tre teste concentriche di perforazione "Corer barrel with three concentric drilling heads

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce ad un carotiere con tre teste concentriche di perforazione, in scavi in direzione discendente mediante la cosiddetta tecnica del "carotaggio". The present invention relates to a core barrel with three concentric drilling heads, in excavations in a downward direction by means of the so-called "coring" technique.

Come ? noto il carotiere comprende un utensile di perforazione, provvisto di un corpo cilindrico cavo, terminante con una corona di utensili realizzati in materiale ad alta resistenza ed atta ad abradere la roccia da scavare. Il carotiere ? solitamente azionato in rotazione mediante una macchina motrice che la fa ruotare attorno ad un asse verticale, man mano che lo scavo progredisce in profondit?. Durante le operazioni di scavo, il materiale scavato rimane incastrato all'interno del corpo cilindrico, man mano che esso penetra nel terreno; il materiale scavato si accumula all'interno del corpo cilindrico, formando un nucleo di materiale scavato, che deve essere rimosso per la ripresa delle operazioni di scavo. A tale scopo, il carotiere viene estratto dallo scavo, ed il nucleo di materiale scavato viene depositato sulla superficie esterna, alla sommit? dello scavo; ci? consente il reinserimento nel terreno del carotiere stesso ed il proseguimento dei lavori. Like ? The core barrel is known to comprise a drilling tool, provided with a hollow cylindrical body, terminating in a ring of tools made of high-strength material and adapted to abrade the rock to be excavated. The corer? usually operated in rotation by means of a driving machine which makes it rotate around a vertical axis, as the excavation progresses in depth. During excavation operations, the excavated material remains wedged inside the cylindrical body as it penetrates the ground; the excavated material accumulates inside the cylindrical body, forming a nucleus of excavated material, which must be removed to resume excavation operations. For this purpose, the core barrel is extracted from the excavation, and the core of excavated material is deposited on the external surface, at the top of the excavation. of the excavation; there? it allows the reintegration into the ground of the core barrel itself and the continuation of the works.

E? facile comprendere, quindi, come il carotaggio, con le tecnologie attuali, consente l?asportazione di ridotte quantit? di terreno scavato per volta, portando a lunghi tempi di lavoro e ad una ridotta produttivit?, in special modo quando il diametro del foro ? grande e la roccia ? molto dura. AND? easy to understand, therefore, as the coring, with current technologies, allows the? removal of small quantities? of soil excavated at a time, leading to long working times and reduced productivity, especially when the diameter of the hole is ? big and the rock ? very hard.

E? ben noto che la perforazione diventa pi? difficile allaumentare della resistenza a compressione della roccia e all'aumentare del diametro del foro; infatti la carota rocciosa non ? abbastanza indebolita per permettere la sua agile rottura ed estrazione. Alcune tecniche come FFC (Full Face Cutter), DTFI (Down The Hole) e MFID (Multi Hammer Drill) prevedono l'uso di strumenti molto costosi, a causa dell'uso di sofisticati componenti meccanici personalizzati, fabbricati in accordo con il diametro del palo, il tipo di roccia da perforare e le caratteristiche della trivella. Inoltre, non ? da trascurare l'impatto ambientale dovuto alla polvere che ? uno dei peggiori inconvenienti di cui soffrono le tecnologie innanzi dette. Nelle aree remote, le emissioni di polvere potrebbero essere accettabili ma non nelle aree suburbane. Tuttavia la polvere costituisce, in ogni caso, un grave rischio per la salute e la sicurezza sul lavoro e dovrebbe essere ridotta al minimo. AND? well known that the drilling becomes more? difficult as the compressive strength of the rock increases and the hole diameter increases; in fact, the rocky carrot doesn't ? weakened enough to allow its easy breaking and extraction. Some techniques such as FFC (Full Face Cutter), DTFI (Down The Hole) and MFID (Multi Hammer Drill) involve the use of very expensive tools, due to the use of sophisticated customized mechanical components, manufactured according to the diameter of the pole, the type of rock to be drilled and the characteristics of the drill. Also, isn't it? to overlook the environmental impact due to the dust that ? one of the worst drawbacks from which the aforementioned technologies suffer. In remote areas, dust emissions may be acceptable but not in suburban areas. However dust is, in any case, a serious risk to occupational health and safety and should be kept to a minimum.

Scopo della presente invenzione ? quello di proporre un carotiere con tre teste concentriche di perforazione che consente di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota, nell'ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto, riducendo notevolmente i tempi di lavoro ed aumentando la produttivit? complessiva del carotiere stesso. Purpose of the present invention? that of proposing a core barrel with three concentric drilling heads which allows the aforementioned drawbacks of the prior art to be overcome, in the context of a simple, rational solution, easy and effective to use and with a contained cost, considerably reducing working times and increasing the productivity? total of the core barrel itself.

Altro scopo della presente invenzione ? quello di proporre un carotiere con tre teste concentriche di perforazione che consente la perforazione di strati rocciosi estremamente duri e abrasivi, con resistenza a compressione superiore a 100 Mpa e di avere una efficiente penetrazione, anche a forte profondit?, nonch? accorciare i tempi di perforazione. Another purpose of the present invention? that of proposing a core barrel with three concentric drilling heads which allows the drilling of extremely hard and abrasive rock layers, with a compressive strength exceeding 100 Mpa and to have efficient penetration, even at great depths, as well as shorten drilling times.

Gli scopi sopra esposti e altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un carotiere con tre teste concentriche di perforazione, come illustrato a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui: The objects set out above and other characteristics and advantages of the present invention will become more evident from the description of a preferred, but not exclusive, embodiment of a core barrel with three concentric drilling heads, as illustrated by way of example, but not in limitation, in the joint drawings where:

la figura 1 ? una vista in assonometria del complessivo del carotiere; figure 1 ? an isometric view of the core barrel assembly;

la figura 2 ? una vista in sezione frontale del carotiere; figure 2 ? a front sectional view of the core barrel;

la figura 3 ? una vista in pianta dall?alto del carotiere; figure 3 ? a top plan view of the core barrel;

la figura 4 ? una vista in pianta dal basso del carotiere; figure 4 ? a bottom plan view of the core barrel;

la figura 5 ? una vista laterale della testa di perforazione esterna di maggiore diametro del carotiere; figure 5 ? a side view of the larger diameter outer drill head of the core barrel;

la figura 6 ? una vista della testa di perforazione interna di minore diametro; figure 6 ? a view of the smaller diameter inner drill head;

la figura 7 ? una vista della testa di perforazione interna di maggiore diametro. figure 7 ? a view of the larger diameter inner drill head.

Con particolare riferimento a tali figure, si ? indicato con (1) un carotiere avente una prima testa cilindrica escavatrice (2) di ridotto diametro, con (3) una seconda testa cilindrica escavatrice di diametro pi? grande e atto ad alloggiare concentricamente la prima testa escavatrice (2), con (4) una terza testa cilindrica escavatrice di diametro ancora pi? grande atto ad alloggiare internamente e concentricamente la seconda testa escavatrice (3) con all?interno la prima testa escavatrice (2). With particular reference to these figures, yes? indicated with (1) a core barrel having a first excavating cylindrical head (2) of reduced diameter, with (3) a second excavating cylindrical head with a larger diameter? large and able to concentrically house the first excavating head (2), with (4) a third cylindrical excavating head of even larger diameter? suitable for internally and concentrically housing the second excavating head (3) with the first excavating head (2) inside.

Il carotiere (1) comprende un elemento di collegamento (5) ad una macchina motrice per la messa in rotazione del carotiere stesso. Con riferimento alla particolare soluzione realizzativa rappresentata nelle figure, l'elemento di collegamento (5) al Kelly bar per il trasferimento del moto rotativo ? costituito da una piastra circolare (6), multiforata con piccoli fori (7) , saldata sui bordi superiori delle teste cilindriche scavatrici (2, 3, 4), e avente centralmente saldato un pilastrino quadrangolare (8) sostenuto ai suoi quattro angoli da quattro flange conformate (9) che si collegano mediante saldatura alla superficie della piastra circolare (6) sottostante. The core barrel (1) comprises a connection element (5) to a driving machine for rotation of the core barrel itself. With reference to the particular embodiment shown in the figures, the connecting element (5) to the Kelly bar for transferring the rotary motion ? consisting of a circular plate (6), multi-perforated with small holes (7), welded on the upper edges of the cylindrical excavator heads (2, 3, 4), and having a centrally welded quadrangular pillar (8) supported at its four corners by four shaped flanges (9) which are connected by welding to the surface of the underlying circular plate (6).

Il pilastrino quadrangolare (8) ? provvisto di fori (10) per spinotto di attacco (11) e coppiglia di bloccaggio al Kelly bar. The quadrangular pillar (8) ? provided with holes (10) for the coupling pin (11) and cotter pin to lock the Kelly bar.

Nella forma di attuazione mostrata nelle figure, la testa cilindrica escavatrice (4) ? provvista sulla sua superficie laterale circonferenziale di una pluralit? di nervature o barre di rinforzo (12) saldate e poste trasversalmente all?asse del cilindro ed equidistanti tra loro e provviste di bottoni al tungsteno (13) e di asole di raffreddamento (14); inferiormente lungo il bordo perimetrale (15) del cilindro sono fissati gli utensili di scavo (16) sporgenti e orientati verso il basso e, alternativamente, verso l'interno e l?esterno del cilindro della testa escavatrice. Gli utensili di scavo (16) sono costituiti ciascuno da un corpo sostanzialmente di forma conica e fissato mediante chiodatura a una placca (17) che a sua volta ? saldata al cilindro della testa escavatrice (4) . La superficie di ciascun utensile di scavo (16), ? provvista con molti inserti taglienti o abrasivi al carburo di tungsteno. Le due teste cilindriche escavatrici (2, 3), poste concentricamente all?interno della testa cilindrica escavatrice (4), sono provviste, sulla loro superficie laterale circonferenziale, degli stessi elementi della testa cilindrica escavatrice (4) , in particolare di una pluralit? di nervature o barre di rinforzo (12) saldate e poste trasversalmente all?asse del cilindro ed equidistanti tra loro e provviste di bottoni al tungsteno (13) e di asole di raffreddamento (14) , In the embodiment shown in the figures, the excavating cylindrical head (4) is? provided on its lateral circumferential surface of a plurality? ribs or reinforcing bars (12) welded and placed transversely to the axis of the cylinder and equidistant from each other and provided with tungsten buttons (13) and cooling slots (14); below, along the perimeter edge (15) of the cylinder, the excavating tools (16) are fixed, protruding and oriented downwards and, alternatively, towards the inside and outside of the cylinder of the excavator head. The digging tools (16) each consist of a substantially conical body fixed by means of nails to a plate (17) which in turn? welded to the excavator head cylinder (4) . The surface area of each digging tool (16), ? equipped with many cutting or abrasive tungsten carbide inserts. The two excavating cylindrical heads (2, 3), placed concentrically inside the excavating cylindrical head (4), are provided, on their lateral circumferential surface, with the same elements as the excavating cylindrical head (4), in particular with a plurality of? of welded ribs or reinforcing bars (12) and placed transversely to the axis of the cylinder and equidistant from each other and provided with tungsten buttons (13) and cooling slots (14),

Sul bordo dei due cilindri ( 2 , 3) sono fissati, mediante chiodatura , gli utensili di scavo (16) sporgenti e orientati verso il basso e, alternativamente, verso l'interno e l?esterno di ciascun cilindro (2, 3 ). L?inclinazione e l?orientazione degli utensili di scavo (16) pu? variare in base alla natura e alla durezza della roccia nonch? in base alla potenza conferita al carotiere . On the edge of the two cylinders (2, 3) the digging tools (16) protruding and oriented downwards and, alternatively, towards the inside and outside of each cylinder (2, 3) are fixed by nailing. The inclination and orientation of the excavation tools (16) can vary according to the nature and hardness of the rock as well as? based on the power given to the core barrel.

Gli utensili di scavo (16) possono , in alternativa, non essere saldati, ma collegati in modo da poterli sostituire in caso di usura. The digging tools (16) can, alternatively, not be welded, but connected so that they can be replaced in case of wear.

Il carotiere (1), cos? composto ? atto, in particolare, ad eseguire scavi a secco su rocce dure. Nellambito della presente descrizione per "scavi a secco" si intendono scavi che avvengono in assenza di acqua o in condizioni terrestri in assenza di falde acquifere Tuttavia lo scavo, in certe condizioni, pu? essere migliorato con l?uso di una piccola quantit? di acqua. The corer (1), so? compound ? suitable, in particular, to carry out dry excavations on hard rocks. In the context of the present description, "dry excavations" mean excavations that take place in the absence of water or in terrestrial conditions in the absence of aquifers. However, excavation, under certain conditions, can be improved with the? use of a small amount? of water.

La messa in rotazione avviene attorno ad un asse centrale del carotiere (1), che individua anche la direzione di scavo . Vantaggiosamente durante le operazioni di scavo, l'asse centrale ? quello longitudinale e la direzione di scavo ? discendente . A questo proposito si specifica che, nel'ambito della presente trattazione, espressioni come "alto", "basso", "superiore", "inferiore", "sopra", "sotto", ?interno?, ?esterno? e simili sono da considerare con riferimento ad una configurazione operativa in cui il carotiere (1) ? impiegato appunto per scavi verticali discendenti. L'invenzione descritta raggiunge gli scopi proposti, infatti il trovato realizzato con tre corone concentriche di scavo, riesce a realizzare un solco nella roccia che ? tre volte superiore a quello della tecnica nota, indebolendo in modo considerevole la roccia e permettendo la sua agile rottura e quindi estrazione, oltre che accorciare i tempi di perforazione. Consente altres? di trasferire un momento torcente, attraverso il kelly bar, fino ad una profondit? di 100 metri. The rotation takes place around a central axis of the core barrel (1), which also identifies the direction of excavation. Advantageously during excavation operations, the central axis is the longitudinal one and the excavation direction? descendant . In this regard it is specified that, in the context of the present discussion, expressions such as "high", "low", "superior", "inferior", "above", "below", ?internal?, ?external? and the like are to be considered with reference to an operating configuration in which the core barrel (1) ? used precisely for descending vertical excavations. The described invention achieves the proposed aims, in fact the invention realized with three concentric excavation crowns, manages to create a furrow in the rock which is ? three times higher than that of the prior art, considerably weakening the rock and allowing it to be easily broken and then extracted, as well as shortening the drilling times. Also allows? to transfer a twisting moment, through the kelly bar, up to a depth? of 100 meters.

Si sono constatati, nella pratica questi risultati, in una perforazione per realizzare pali di fondazione in condizioni estreme di durezza della roccia, utilizzando strumenti rotativi convenzionali ed il trovato, oggetto della presente domanda di brevetto. These results have been observed in practice in a drilling for making foundation piles in extreme conditions of rock hardness, using conventional rotary tools and the invention which is the subject of the present patent application.

In una prima fase la perforazione ? avvenuta con l'utilizzo di carotieri classici, se pur nella versione rinforzata, riscontrando una velocit? di avanzamento tra i 40 e 70 cm/h, che ha permesso il completamento del palo a una profondit? di 35 m in una settimana di lavoro, il tutto con una coppia massima applicata alla testa di rotazione di 217 kNm a una pressione di 300 bar, e un numero di giri di 11 al minuto. In a first phase the drilling? occurred with the use of classic core barrels, albeit in the reinforced version, finding a speed? progress between 40 and 70 cm/h, which allowed the completion of the pole at a depth? of 35 m in a week of work, all with a maximum torque applied to the rotation head of 217 kNm at a pressure of 300 bar, and a number of revolutions of 11 per minute.

Sostituendo il carotiere classico con il trovato, la velocit? di avanzamento ? aumentata di circa il 57% con conseguente completamento del palo in approssimativamente tre giorni. La coppia massima applicata alla testa di rotazione ? restata inalterata e pari a 217 kNm, ma la pressione della stessa si ? ridotta a 180 bar , il numero di giri ? aumentato da 11 a 18 con un incremento percentuale del 64%. Replacing the classic corer with the invention, the speed? of progress ? increased by approximately 57% resulting in stake completion in approximately three days. The maximum torque applied to the rotation head ? remained unchanged and equal to 217 kNm, but the pressure of the same ? reduced to 180 bar , the number of revolutions ? increased from 11 to 18 for a percentage increase of 64%.

Altro beneficio ? stato il consumo di carburante che ? passato da 55 a 37 l/h con una riduzione percentuale di circa il 33% . Other benefit? was the fuel consumption that ? passed from 55 to 37 l/h with a percentage reduction of about 33%.

Per quanto detto, si ? osservato un comportamento molto pi? stabile del carotiere che ha mostrato meno vibrazioni, durante le operazioni di scavo, e in generale un'usura inferiore. As stated, yes? observed a behavior much more? core barrel which showed less vibration during excavation operations and generally less wear.

E' possibile affermare che la perforazione per realizzare pali di fondazione, utilizzando strumenti rotativi convenzionali della tecnica nota, ? generalmente limitata a rocce con resistenze a compressione minore o uguali a 100 MPa. It is possible to state that the drilling to make foundation piles, using conventional rotary tools of the prior art, is generally limited to rocks with compressive strengths less than or equal to 100 MPa.

Il trovato rappresenta, a ragione, un mezzo alternativo per penetrare la roccia molto dura, quando gli strumenti di perforazione convenzionali diventano inefficaci e quando le spese generali si impennano. The invention rightly represents an alternative means of penetrating very hard rock when conventional drilling tools become ineffective and overheads soar.

Claims

1) Core barrel for excavations in a downward direction using the so-called "coring" technique characterized by the fact that it comprises three cylindrical heads placed concentrically one inside the other, in particular: a first small diameter digging cylindrical head (2), a second cylindrical head excavator diameter pi? large (3) and capable of housing concentrically the first excavating head (2), a third cylindrical excavating head of even larger diameter? large (4) suitable for internally and concentrically housing the second excavating head (3) with the first excavating head (2) inside; the excavating cylindrical heads (2,3,4) on the surface have reinforcing and anti-wear elements (12,13) and cooling slots (14); above, a connection element (5) to the kelly bar for the rotation of the core barrel itself and, below, along the perimeter edge (15) of each excavating cylindrical head there are the excavating tools (16) positioned protruding and whose inclination and orientation varies according to the nature and hardness of the rock as well as? based on the power applied to the core barrel.

2) Core barrels for excavations in the descending direction using the so-called "coring" technique as in claim 1) characterized by the fact that the connecting element (5) to the Kelly bar for transferring the rotary motion ? consisting of a circular plate (6), multi-perforated with small holes (7), welded on the upper edges of the cylindrical excavator heads (2, 3, 4), and having a centrally welded quadrangular pillar (8) supported at its four corners by four shaped flanges (9) which are connected by welding to the surface of the underlying circular plate (6); the pillar

quadrangular (8) ? provided with holes (10) for the coupling pin (11) and cotter pin to lock the Kelly bar.

3) Core barrel for excavations in a downward direction by means of the so-called "coring" technique as in claim 1), characterized by the fact that the cylindrical excavating heads (2, 3, 4) are provided on their lateral circumferential surface with a plurality of of ribs or reinforcing bars (12) welded and placed transversally to the axis of the cylinder and equidistant from each other and provided with tungsten buttons (13).

4) Core barrel for excavations in a descending direction using the so-called "coring" technique as in claim 1), characterized in that the protruding and downward-oriented excavation tools (16) are fixed along the bottom edge of each cylinder and, alternatively, towards the inside and outside of the cylinder of the excavating heads (2,3,4).

5) Core barrel for excavations in a descending direction by means of the so-called "coring" technique as in claim 1) characterized in that the excavation tools (16) each consist of a conical shaped body whose surface ? equipped with many cutting or abrasive tungsten carbide inserts, and fixed by nailing to a plate (17) which in turn ? welded to the edge of the cylinder of the excavator heads (2, 3, 4) .

6) Core barrel for excavations in a downward direction by means of the so-called "coring" technique as in claim 1) characterized by the fact that the excavation tools (16) can, alternatively, not be welded, but connected in a movable way so as to be able to replace them in case of wear.