[發明專利]用于控制地下鉆孔的地下鉆機和方法

有效

• 申請號: 200710087958.9
• 申請日: 2007-01-17
• 公開（公告）號: CN101059074A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: R·W·卡爾森;R·R·倫奎斯特
• 申請（專利權）人: 維米爾制造公司
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00;E21B7/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 趙培訓

技術領域

本發明一般涉及用于控制地下鉆孔的地下鉆機和方法。更具體地，本發明 涉及用于水平定向鉆的地下鉆機，以及鉆孔功能自動控制的改進方法和用于鉆 孔功能自動控制的裝置。

背景技術

出于對安全和美觀的考慮，用于水、電、氣、電話和有線電視的公用事業 管線經常敷設在地下。有時，地下公用設施被埋設在一條管溝中然后進行回填。 然而，挖管溝是耗費時間的，并對現有的建筑物或道路造成嚴重損害。因此， 像水平定向鉆(HDD)這樣的替代方法越來越普及了。

典型的水平定向鉆機包括其上安裝旋轉驅動機構的框架，該旋轉驅動機構 可以沿框架的縱軸可滑動地移動，當沿框架滑動時繞鉆柱縱軸旋轉鉆柱，以將 鉆柱推入地下或從地下退出。鉆柱包括管柱上連接在一起的一根或多根鉆桿。

鉆具被安裝在鉆柱離開HDD水平鉆機最遠的末端。例如，當鉆柱被推進 到本來不存在井孔的地下時，鉆頭被使用。同樣地，回擴孔裝置被用來擴大鉆 出的井孔，并在在井孔被鉆出以后鉆柱被收回時使用。這些鉆具可以包括針對 特定地層設計的相當多的土壤切割裝置，例子包括剪切土壤的切削刃和當在巖 石狀況下鉆孔時將鉆柱的縱向力集中于一個集中范圍以破碎地層的壓力部件。 對于兩種情況中的任一種，鉆具的運行包括旋轉運動和縱向(或推進)運動。

鉆機包括允許操作者控制鉆柱的旋轉運動和縱向(也被稱為推進)運動， 從而控制鉆具的控制裝置。典型地，旋轉運動和推進運動的幅度與控制裝置的 位置成比例。旋轉運動和推進運動的最優設置依賴于多種因素，例如土壤條件、 地層以及鉆具的類型。因此，操作者有必要以各個特定的鉆孔情況為基礎建立 最優的設置。然而，在某些情況下，土壤情況可以變化得很快，特別是當鉆具 穿過土壤前進并遇到不同密度和類型的土壤的時候，例如粘土和巖石。在這種 情況下，操作者可能不能足夠快地調整設置以補償這些變化。通過參考，將授 予Bischel的美國專利5,746,278在這里包括進來，其披露了獨立于操作者的輸 入并自動調整旋轉運動和推進運動設置的控制系統。

在一些情況下，鉆孔工藝要求維持旋轉運動的和推進運動設置的一致值， 進而要求操作者在相對很長的時間里把控制維持在適當的位置。然而對于操作 者而言，要在相對很長的時間里精確地維持控制的位置而不會疲勞或喪失注意 力是很困難的。在這種情況下，一旦操作者確定了轉動和推進的最優水平，控 制系統可以被設置為自動維持鉆孔參數。以這種方式配置的控制系統允許操作 者首先人工設定期望的旋轉運動和推進運動參數，然后通過按下單獨控制裝置 (例如一個開關)以維持這種狀態，其中該單獨控制裝置使得控制系統在操作 者放掉控制裝置時維持這些設置。雖然控制裝置通常返回到它們的空檔位置(轉 動和推進運動被設置為零的位置)，轉動和推進運動設置被自動地維持在優選的 操作狀態。

然而鉆孔操作通常必須周期性地中斷，例如在鉆孔期間需要給鉆柱增加鉆 桿時或在回擴孔期間需要將鉆桿從鉆柱上去掉時。當鉆孔工藝恢復時，鉆頭必 須從靜止狀態轉換到鉆進狀態。鉆進狀態通常被定義為包括向著土壤的轉動和 推進。為了達到這種狀態，控制系統可以進一步配置恢復旋轉運動和推進運動 的參數，這些參數在鉆孔操作被中斷之間就已經存在了。然而，當控制系統試 圖很快地恢復旋轉運動的和推進運動設置時，鉆具和鉆柱會遇到很高的負荷。 這種高負荷會損害鉆具和鉆柱，并導致鉆進性能變差。因此，需要一種優化的 鉆孔恢復工藝的和實現這一目的的裝置。

發明內容

本發明的一個方面包括控制地下鉆具的方法。該方法包括設定鉆具的轉速， 并設定鉆具的軸向推力。如上面指出的，鉆具旋轉和軸向推進的設定速度通常 被周期性地中斷，例如向鉆柱增加鉆桿時。鉆進中斷之后，在鉆具軸向的推進 設定值于增大的軸向推進的設定速度處恢復之前，先恢復設定的鉆具轉速。盡 管在這里周期性地使用術語來描述鉆進狀態的中斷，但是應當理解到，只需要 一次這樣的鉆進狀態的中斷和恢復來實現本發明的原理。