PT2133507E - Dispositivo de perfuração e processo de perfuração - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO DE PERFURAÇÃO E PROCESSO DE PERFURAÇÃO" A invenção refere-se a um dispositivo de perfuração com um mastro, um acionamento de perfuração aí alojado de forma movivel e um elemento de perfuração que é rotativamente acionado por meio do acionamento de perfuração e é deslocado ao longo do mastro, em que o elemento de perfuração apresenta uma broca sem-fim disposta por baixo do acionamento de perfuração, e uma extensão que está ligada à broca sem-fim e que se estende para cima por entre o acionamento de perfuração. A invenção refere-se ainda a um processo de perfuração, no qual um elemento de perfuração é rotativamente acionado por meio de um acionamento de perfuração e é deslocado ao longo de um mastro, em que o elemento de perfuração apresenta uma broca sem-fim disposta por baixo do acionamento de perfuração, e uma extensão que está ligada à broca sem-fim e que se estende para cima por entre o acionamento de perfuração.

Para criar furos e, principalmente, para produzir estacas de fundação já se conhece há muito a utilização das chamadas brocas sem-fim. Numa broca sem-fim existe, ao longo de todo o comprimento da barra de brocas, uma espiral de perfuração, através da qual o material do solo perfurado é extraido para fora do furo para a superfície por meio do movimento rotativo. Neste caso, uma broca sem-fim é acionada através de um acionamento de perfuração, através do qual a broca sem-fim também é deslocada no sentido de perfuração ao longo de um mastro normalmente colocado na 2 vertical. Neste conhecido processo, a profundidade do furo é limitada pelo comprimento da broca sem-fim e pela altura do mastro.

Para aumentar a profundidade do furo para além do comprimento do mastro ou do comprimento da broca sem-fim já é conhecido o processo, publicado em DE 601 02 255 T2 ou EP 1 61 4 853 Bl, de dispor no topo da broca sem-fim uma barra de extensão, que se estende para cima por entre o acionamento de perfuração. A profundidade do furo pode ser aumentada, mais ou menos, em o comprimento da barra de extensão.

Condicionado pela função, não pode existir porém na barra de extensão uma espiral de extração. Ao submergir um furo para além do comprimento da broca sem-fim, deixa de ser possível transportar o material do solo escavado pelas espiras de extração até à superfície. Este material do solo acumula-se, assim, no furo acima da broca sem-fim na área da barra de extensão. Isto pode provocar uma compactação ou bloqueio indesejado do furo, o que dificulta depois o ato de puxar o elemento de perfuração para fora do furo. Além disso, a parede do furo nesta área pode ficar destruída, o que pode influenciar negativamente o fabrico de um elemento da fundação no furo devido ao enchimento com um material de enchimento. Para evitar isso, o elemento de perfuração tem de ser puxado para fora do furo de forma intermitente, de modo a remover material do solo. Isto torna-se dispendioso. O documento EP 0 228 138 A2 descreve uma broca de deslocamento com uma broca helicoidal e uma cabeça de deslocamento, que se encontra acima da broca helicoidal. 3 0 US 6.033.152 já apresentou uma broca de deslocamento de solo e de compactação, que possui uma haste central com rolos aí dispostos para remover o solo. A invenção tem por objetivo disponibilizar um dispositivo de perfuração e um processo de perfuração, com os quais se podem fazer furos por meio de brocas sem-fim mesmo para além do comprimento da broca sem-fim, de forma eficiente e com boa qualidade. O objetivo é alcançado em conformidade com a invenção por um dispositivo de perfuração com as características da reivindicação 1 e com um processo de perfuração com as características da reivindicação 11. As reivindicações dependentes apresentam versões privilegiadas. O dispositivo de perfuração em conformidade com a invenção caracteriza-se pelo fato de entre a broca sem-fim e a extensão se encontrar uma cabeça de deslocamento.

Ao submergir o furo para além do comprimento da broca sem-fim, o material do solo trazido para cima é imediatamente empurrado acima da broca sem-fim, através da cabeça de deslocamento, lateralmente para a parede do furo. Assim deixa de se poder acumular material do solo dentro do furo, o que provocaria um bloqueio. Bem pelo contrário, o material do solo é lateralmente empurrado pela cabeça de deslocamento, sendo assim a parede do furo positivamente compactada e adicionalmente estabilizada. Isto melhora a estabilidade e a qualidade do furo e contraria ativamente um resvalamento do furo. Deste modo, pode-se submergir o furo de uma vez só com o dispositivo de perfuração em conformidade com a invenção para além do comprimento da broca sem-fim, até chegar também à extremidade da extensão. Isto acelera significativamente a realização de um furo a 4 maiores profundidades, reduzindo-se também a quantidade de material escavado por remover.

Em principio, a extensão pode ser constituída livremente. A extensão pode ser, principalmente, uma barra telescópica ou uma barra composta por vários segmentos. Privilegia-se, em conformidade com a invenção, que a extensão seja constituída como uma barra Kelly com calhas de arrastador no seu lado exterior. As calhas de arrastador no lado exterior da barra, maioritariamente constituídas como peça única, estão em união eficaz com os respetivos arrastadores de um dispositivo de abrasão do acionamento de perfuração, para transmitir um binário do acionamento de perfuração à extensão. As calhas de arrastador estão dispostas paralelamente ao eixo de perfuração, de modo a permitirem uma deslocação axial através do acionamento de perfuração constituído de forma anelar. Para transmitir forças axiais do acionamento de perfuração à extensão, podem prever-se os chamados sacos de bloqueio com secções de calhas transversalmente alinhadas.

Para obter profundidades de perfuração particularmente grandes está previsto, conforme a invenção, que o comprimento da broca sem-fim corresponda ao comprimento do mastro ou de um percurso de deslocação máximo do acionamento de perfuração. Deste modo, pode começar por se aproveitar a elevação máxima do acionamento de perfuração, que pode ser deslocado ao longo do mastro. Deste modo, pode começar por fazer eficazmente um furo com uma profundidade de acordo com o comprimento da broca sem-fim.

Para criar um elemento da fundação é vantajoso, conforme a invenção, que a broca sem-fim e/ou a extensão apresente um tubo de alma oco. Através do tubo de alma é 5 possível assim introduzir material de enchimento, principalmente uma suspensão endurecível, como o betão, diretamente pelo elemento de perfuração depois de submergir o furo. Para isso, existem na extremidade inferior da broca sem-fim uma ou várias aberturas de saída. Deste modo, pode-se - com o recuo da broca sem-fim para fora do furo -simultaneamente encher o furo por baixo.

No elemento de perfuração em conformidade com a invenção podem utilizar-se as mais diferentes cabeças de deslocamento. É, assim, possível utilizar cabeças de deslocamento simetricamente rotativas, cabeças de deslocamento excêntricas em relação ao eixo de perfuração ou outras cabeças de deslocamento entre a extensão e a broca sem-fim.

Privilegia-se principalmente, segundo a invenção, que a cabeça de deslocamento possua uma secção de deslocamento cilíndrica, cujo diâmetro corresponda aproximadamente ao diâmetro de perfuração. 0 diâmetro de perfuração é indicado pelo diâmetro exterior das espirais de perfuração na broca sem-fim ou por respetivos bordos cortantes radiais na extremidade inferior da broca sem-fim. A secção de extensão pode ser ligeiramente inferior ou também maior do que o diâmetro de perfuração, dependendo das características do solo. É vantajoso que o diâmetro seja igual, pois isso simplifica tanto a entrada da cabeça de deslocamento no furo como a extração da broca sem-fim.

Em conformidade com a invenção é vantajoso que a cabeça de deslocamento possua outra secção cónica inferior, cujo diâmetro se alarga desde o diâmetro de um tubo central da broca sem-fim até cima para o diâmetro da secção de deslocamento. Obtém-se, assim, uma inclusão gradual do 6 material do solo transportado para cima para a cabeça de deslocamento para dentro da parede de perfuração. Facilita ainda a introdução da cabeça de deslocamento para dentro do furo.

Isto é ainda melhorado, segundo a invenção, pelo fato de na secção cónica inferior se encontrar uma espiral inferior, pela qual o material do solo pode ser transportado para cima para a secção de deslocamento, durante a perfuração. Esta espiral inferior estende-se, assim, na superfície exterior em forma de cone da secção de deslocamento e tem a mesma direção de transporte da espiral de extração da broca sem-fim.

Em conformidade com a invenção, a cabeça de deslocamento possui uma secção cónica superior, cujo diâmetro se estreita desde o diâmetro da secção de deslocamento para cima até à extensão. Esta disposição permite que também o material que cai de cima para a cabeça de deslocamento possa ser encaminhado para a zona de deslocamento da secção de deslocamento.

Este efeito é ainda reforçado, segundo a invenção, pelo fato de na secção cónica superior se encontrar uma espiral superior, pela qual o material do solo pode ser transportado para baixo para a secção de deslocamento, durante a perfuração. Esta espiral tem, pois, uma subida contrária em comparação com as espirais da broca sem-fim ou as espirais na secção cónica inferior. A espiral superior transporta ativamente o material do solo que cai de cima para a zona da secção de deslocamento.

Uma versão privilegiada da invenção ainda consiste em que a secção de deslocamento e/ou pelo menos uma das secções cónicas sejam ocupadas por elementos de 7 deslocamento. Os elementos de deslocamento podem ser calhas soldadas ou elementos em forma de aduela, que melhoram a compressão ou inclusão do material do solo na parede do furo. Simultaneamente, os elementos deslocamento podem servir de peças de desgaste, que podem ser facilmente substituídas em caso de um processo de trabalho mais intenso. 0 processo de perfuração em conformidade com a invenção caracteriza-se pelo fato de numa primeira operação de perfuração até uma primeira profundidade, que corresponde ao comprimento da broca sem-fim, a broca sem-fim transportar material do fundo para a superfície, e pelo fato de numa segunda operação de perfuração a partir da primeira profundidade de perfuração, a broca sem-fim encaminhar material de perfuração para a cabeça de deslocamento, pela qual o material do fundo é empurrado para uma parede de furo.

Deste processo em conformidade com a invenção resultam as vantagens anteriormente descritas no que diz respeito à submersão do furo para além do comprimento da broca sem-fim, a estabilização da parede do furo e a prevenção de material escavado. Com este processo de perfuração, o furo pode ser realizado de uma só vez ou em várias etapas de forma intermitente, em que o elemento de perfuração é recuado em determinados intervalos de tempo ou de profundidade. A passagem repetida da cabeça de deslocamento sobre a parede do furo possibilita uma excelente estabilização da parede do furo.

Para criar um elemento de fundação, a invenção privilegia a introdução de material de enchimento no furo depois de chegar à profundidade de perfuração definitiva, e 8 é isso que vai constituir o elemento de fundação. 0 material de enchimento pode ser um material seco, como areia, cal ou idêntico, ou pode ser uma suspensão endurecivel, sobretudo uma massa de betão. 0 material de enchimento é, neste caso, preferencialmente introduzido no furo por um tubo de alma central da broca sem-fim.

Passamos a explicar em pormenor a invenção por meio de exemplos de execução privilegiados, que são esquematicamente apresentados nos desenhos anexos. Nos desenhos temos: a Fig. 1 mostra uma vista lateral esquemática de um dispositivo de perfuração em conformidade com a invenção no inicio do processo de perfuração em conformidade com a invenção; a Fig. 2 mostra uma vista lateral esquemática do dispositivo de perfuração da Fig. 1 na conclusão da primeira operação de perfuração; a Fig. 3 mostra uma vista lateral esquemática do dispositivo da Fig . 1 e Fig. 2 na segunda operação de perfuração; a Fig. 4 mostra uma vista parcial esquemática do dispositivo de perfuração em conformidade com a invenção durante a primeira operação de perfuração; e a Fig. 5 mostra uma vista parcial esquemática do dispositivo de perfuração em conformidade com a invenção durante a segunda operação de perfuração. 9

As Figuras 1 até 3 evidenciam um processo de perfuração em conformidade com a invenção juntamente com um dispositivo de perfuração 10 segundo a invenção. O dispositivo de perfuração 10 apresenta, de acordo com a Fig. 1, um mastro 12 disposto mais ou menos na vertical, que se encontra rotativamente alojado (através de um mecanismo de regulação 13) num aparelho de suporte 14. O aparelho de suporte 14 é constituído, no presente exemplo de execução, como um veículo sobre lagartas com uma superstrutura giratória.

Ao longo do mastro 12 encontra-se um carro 18, de forma já conhecida, que pode ser rodado por um mecanismo de tração por cabo. No carro 18 está previsto um acionamento de perfuração anelar 16 para acionar o elemento de perfuração 20 em forma de barra. O elemento de perfuração 20 engloba na sua área inferior uma chamada broca sem-fim 22, que é composta por um tubo central ou um tubo de alma 24, em cujo lado exterior se estende uma espiral de extração 29 sobre quase todo o comprimento 26. Na extremidade inferior da broca sem-fim 22 existe, de forma já conhecida, um dispositivo de corte 28, que tritura o material do solo. O comprimento da broca sem-fim 22 está adaptada ao comprimento do mastro 12 e corresponde mais ou menos ao comprimento do mastro 12. No exemplo de execução apresentado, o mastro possui um comprimento de aprox. 20 m, enquanto a broca sem-fim tem aprox. 15 m de comprimento. O comprimento um pouco mais curto da broca sem-fim 22 relativamente ao comprimento do mastro 12 é essencialmente 10 condicionado pelo tamanho e expansão do acionamento de perfuração 16 com o carro 18.

Na extremidade superior da broca sem-fim 22 por baixo do acionamento de perfuração 16 está ligada uma cabeça de deslocamento 40, que é de seguida explicada em pormenor juntamente com as Figuras 4 e 5. À cabeça de deslocamento 40 está fixada uma extensão em forma de barra 30, que se estende desde a cabeça de deslocamento 40 disposta por baixo do acionamento de perfuração 16, passando para cima pelo acionamento de perfuração anelar 16. No lado exterior da extensão 30 existem calhas de arrastador 32 tipo barras Kelly que evoluem longitudinalmente no sentido da perfuração. Através destas calhas de arrastador 32 é possível transmitir o binário do acionamento de perfuração 16 à extensão 30 e, consequentemente, ao elemento de perfuração 20 em geral. As calhas de arrastador 32 permitem ainda, de uma forma conhecida, deslocar axialmente a extensão 30 em relação ao acionamento de perfuração 16, ao mesmo tempo que o binário é transmitido.

Numa primeira operação de perfuração conforme a Fig. 2, é submerso um furo 6 até se chegar à extremidade superior da broca sem-fim 22. Durante esta primeira operação de perfuração, o dispositivo de corte 28 transporta material do solo escavado pelas espirais de extração 26 para cima para fora do furo 6. No fim da primeira operação de perfuração, o acionamento de perfuração 16 deslocou-se o máximo, ou seja, desde a sua posição inicial superior conforme a Fig. 1 para a sua posição final inferior na extremidade inferior do mastro. Para continuar a submergir o furo 6, o elemento de perfuração 20 continua a ser deslocado para baixo através 11 da extensão e com o acionamento de perfuração 16 agora fixo. 0 avanço no sentido da perfuração pode ser determinantemente induzido pelo peso do elemento de perfuração 20 e o efeito do avanço das espirais de extração 26. Porém, o acionamento de perfuração 16 pode, em alternativa, ser também reposto e a extensão 30 pode ser ativamente deslocada no sentido da perfuração.

Nesta segunda operação de perfuração, o material do solo escavado deixa de poder ser transportado até à superfície pelas espirais de extração 26 da broca sem-fim 22. De modo a evitar um bloqueio na área da extensão em forma de barra 30 agora introduzida no furo 6, este material do solo escavado é empurrado, de um modo conforme a invenção, pela cabeça de deslocamento 40 de lado para a parede o furo. Uma vez concluída a segunda operação de perfuração, na qual a extensão em forma de barra conforme a Fig. 3 foi deslocada para a sua posição final inferior, é possível introduzir, através de uma ligação da suspensão 34 na extremidade superior da extensão 30 acima do espaço interior oco da extensão 30 e do tubo de alma 24, um material de enchimento para dentro do furo 6 na extremidade inferior da broca sem-fim 22. A Fig. 4 apresenta um processo de perfuração em conformidade com a invenção durante a primeira operação de perfuração. Neste caso, é feito um furo 6 no solo 2 pela broca sem-fim 22. O material do solo 4 escavado é transportado para fora do furo 6 pelas espirais de extração 26 para cima em direção a uma superfície 3. A partir daqui, o material do solo escavado 4 pode ser retirado e transportado de forma conhecida. 12

Na extremidade superior do tubo de alma central 24 da broca sem-fim 22 existe uma união de tubos 25, à qual é acoplada (fixamente para não rodar) a cabeça de deslocamento 40, que não é aqui apresentada.

Uma vez concluída a primeira operação de perfuração, quando é alcançado o trajeto máximo do acionamento de perfuração 16 e a broca sem-fim 22 tiver sido introduzida no solo 2 em todo o seu comprimento, o material do solo 4 transportado para cima conforme a Fig. 5 é incluído de lado na parede do furo 7 através da cabeça de deslocamento 40. A cabeça de deslocamento 40 possui, no exemplo de execução privilegiado, uma secção de deslocamento 42 cilíndrica mais ou menos central, em cujo lado exterior existem elementos de deslocamento em forma de barra 44. Abaixo da secção de deslocamento 42 existe uma secção cónica inferior 46, que possui no seu lado exterior uma espiral inferior 48. A espiral inferior 48 serve para transportar o material do solo escavado 4 para a área da secção de deslocamento 42. A secção cónica inferior em forma de cone invertido 46 está ligada, fixamente para não rodar, à broca sem-fim 22 através da união de tubos 25. Neste caso, o diâmetro da secção cónica inferior 46 distancia-se do diâmetro do tubo de alma 24 continuamente até ao diâmetro da secção de deslocamento cilíndrica 42.

Em oposição, acima da secção de deslocamento 42 existe uma secção cónica superior 50 com uma espiral superior 52. A espiral superior 52 tem uma direção de transporte oposta à espiral inferior 48, de modo a que no sentido de rotação da perfuração habitual o material do solo é transportado 13 pela espiral superior 52 para baixo até à secção de deslocamento central 42. A secção cónica superior 50 possui uma forma cónica regular, cujo diâmetro se estreita uniformemente desde o diâmetro da secção de deslocamento 42 para cima até aproximadamente ao diâmetro da extensão em forma de barra 30. A extensão em forma de barra 30 está ligada (fixamente para não rodar) à cabeça de deslocamento 40 através de uma união de tubos. 14

DOCUMENTOS APRESENTADOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista dos documentos apresentados pelo requerente foi exclusivamente recolhida para informação do leitor e não faz parte do documento europeu da patente. Foi elaborada com o máximo cuidado; o IEP não assume, porém, qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos da patente apresentados na descrição DE 60102255 T2 EP 0228138 A2

EP 1614853 Bl US 6033152 A

Claims (12)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo de perfuração com - um mastro (12) , - um acionamento de perfuração (16) alojado de forma deslocável no mastro, e um elemento de perfuração (20), que pode ser rotativamente acionado pelo acionamento de perfuração (16) e deslocado ao longo do mastro (12), - em que o elemento de perfuração (20) apresenta - uma broca sem-fim (22) com espiral de extração (26) e dispositivo de corte (28) para extrair material do solo, em que a broca sem-fim se encontra abaixo do acionamento de perfuração (16) e cujo comprimento corresponde mais ou menos ao comprimento do mastro (12) ou de um trajeto máximo do acionamento de perfuração (16), e - uma extensão (30) que está ligada à broca sem-fim (22) e que se estende para cima pelo acionamento de perfuração (16), e em que - num lado exterior da extensão (30), estão dispostas calhas de arrastador (32) para transmitir um binário do acionamento de perfuração (16) e - entre a broca sem-fim (22) e a extensão (30) se encontra uma cabeça de deslocamento (40). 2

2. Dispositivo de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a extensão (30) ser constituída como uma barra telescópica com calhas de arrastador (32) no seu lado exterior.

3. Dispositivo de perfuração de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de a broca sem-fim (22) e/ou a extensão (30) apresentar um tubo de alma oco (24).

4. Dispositivo de perfuração de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo facto de a cabeça de deslocamento (40) apresentar uma secção de deslocamento cilíndrico (42), cujo diâmetro corresponde mais ou menos ao diâmetro de perfuração.

5. Dispositivo de perfuração de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de a cabeça de deslocamento (40) apresentar uma secção cónica inferior (46), cujo diâmetro se alarga desde o diâmetro de um tubo central da broca sem-fim (22) para cima até ao diâmetro da secção de deslocamento (42).

6. Dispositivo de perfuração de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo facto 3 de, na secção cónica inferior (46), se encontrar uma espiral inferior (48), através da qual se pode transportar material do solo (4) para cima, durante a perfuração, até à secção de deslocamento (42).

7. Dispositivo de perfuração de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 6, caracterizado pelo facto de a cabeça de deslocamento (40) apresentar uma secção cónica superior (50), cujo diâmetro se estreita desde o diâmetro da secção de deslocamento (42) para cima até à extensão (30).

8. Dispositivo de perfuração de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, na secção cónica superior (50), se encontrar uma espiral superior (52), através da qual se pode transportar material do solo (4) para baixo, durante a perfuração, até à secção de deslocamento (42).

9. Dispositivo de perfuração de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 8, caracterizado pelo facto de a secção de deslocamento (42) e/ou pelo menos uma das secções cónicas (46, 50) estar ocupada por elementos de deslocamento (44).

10. Dispositivo de perfuração de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo facto 4 de a cabeça de deslocamento (40) estar ligada, por uniões de tubos (25), à broca sem-fim (22) e à extensão (30) .

11. Processo de perfuração, sobretudo com um dispositivo de perfuração (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, no qual um elemento de perfuração (20) é rotativamente acionado através de um acionamento de perfuração (16) e é deslocado ao longo de um mastro (12), em que o elemento de perfuração (20) apresenta uma broca sem-fim (22) com espiral de extração (26) e dispositivo de corte (28) para extrair material do solo, em que a broca sem-fim fica abaixo do acionamento de perfuração (16), e uma extensão (30) que está ligada à broca sem-fim (22) e se estende para cima pelo acionamento de perfuração (16), sendo que num lado exterior da extensão (30) se encontram calhas de arrastador (32) para transmitir um binário do acionamento de perfuração (16), caracterizado pelo facto de, numa primeira operação de perfuração até uma primeira profundidade de perfuração, que corresponde aproximadamente ao comprimento da broca sem-fim (22) e na qual o acionamento de perfuração (16) chegou à sua posição final inferior na extremidade inferior do mastro (12), a broca sem-fim (22) transportar material do solo (4) para a superfície (3), e de, numa segunda operação de perfuração a partir da primeira profundidade de perfuração, a broca sem-fim (22) encaminhar material do solo (4) para uma cabeça de deslocamento (40) entre a broca sem-fim (22) e a extensão 5 (30), através da qual o material do solo (4) é empurrado para uma parede do furo (7) .

12. Processo para produzir um elemento da fundação, caracterizado pelo facto de ser realizado um furo (6) com um processo de perfuração de acordo com a reivindicação 11 e de, depois de alcançar a profundidade de perfuração definitiva, ser introduzido no furo (6) material de enchimento que forma o elemento da fundação. 1/2

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