專利名稱：在多種混合條件下進(jìn)行定向鉆孔的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定向鉆孔，特別是采用同 一設(shè)備鉆入土壤和巖石的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，當(dāng)?shù)叵鹿苍O(shè)施如天然氣、飲用水或生活污水管設(shè)置在巖石中 時，采用大的硬巖石挖壕設(shè)備如Vermeer T-655進(jìn)行挖溝，或者甚至采 用炸藥進(jìn)行爆破。在這些情況下，由于電線、電話線和TV電纜線鋪設(shè) 于地下的困難較大并且費(fèi)用很高，因此通常沿著電線桿架設(shè)在空中。這 樣在很多場合，由于存在固體巖石層而使在地下進(jìn)行安裝很困難，因此 公共設(shè)施線路需要設(shè)置在地面上。在許多工地，施工開始和結(jié)束的情況 很復(fù)雜，包括要部分穿過固體巖石層和穿過其余的土壤。在這樣的場合， 巖石鉆孔設(shè)備或挖壕設(shè)備往往不能鉆通土壤而到達(dá)巖石層。
用于鉆入土壤中的定向鉆孔機(jī)是公知的。定向鉆孔機(jī)通常包括用于構(gòu) 成鉆桿組的首尾相連的一系列鉆桿。鉆桿組由動力液壓裝置如液壓缸推 動或拉動而穿過土壤。參見Malzahn的US4945999和US5070848以及 Cherrington的US4697775( RE33793 )。如Dunn的US4953633和Deken 等的US5242026中所述，同時推動和旋轉(zhuǎn)鉆桿組。用于鉆孔的鏟形物、 刀頭設(shè)置在鉆桿組的端部，可以包括噴射水的噴嘴以輔助鉆孔。
在傳統(tǒng)鉆孔系統(tǒng)的 一種改進(jìn)中， 一 系列鉆桿組桿與安裝在一 系列桿端 部的撞擊工具組合。這些桿可以施加穩(wěn)定的撞擊推力，桿的內(nèi)部用于向
氣動鉆輸送壓縮空氣。參見McDonald等的US4694913。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 該系統(tǒng)由于費(fèi)用較高而使其應(yīng)用受到限制，這是因?yàn)槿绻@孔基本寬于 鉆桿組的直徑，則在推動鉆桿組時，鉆桿組易彎曲變形。
精確的定向鉆孔需要有關(guān)鉆切或鉆探工具的定位和深度的信息，幾乎 不可避免地要將采用傳感器和發(fā)送裝置("探測器，，)與鉆切刀具連接， 以便避免誤鉆孔和重新鉆孔。US5633589中公開了一種這樣的裝置，本 文引入其公開的內(nèi)容。Baker的US4867255公開了利用起動撞擊錘的可 轉(zhuǎn)向定向鉆探工具。
Runquist的US5778991和Cox的EP857852A2和EP857853A2中公 開了能進(jìn)行巖石鉆孔的定向鉆探工具。但是，盡管同時進(jìn)行巖石鉆孔和 土壤穿透的定向鉆探工具是公知的，但是現(xiàn)有裝置沒有一種單一機(jī)器能 同時具備這兩種功能而使工具在土壤和巖石中控制方向。本發(fā)明滿足了 這一要求。
本領(lǐng)域中還需要用于巖石鉆孔和土壤穿透的定向鉆探工具，它具有由 流體驅(qū)動的撞擊錘，提供檢測角度旋轉(zhuǎn)的裝置(如探測器)的分度，提 供撞擊錘(如氣動或流體驅(qū)動)ON/OFF控制的方法。此外，需要一種 具有提高了鉆頭控制方向能力的裝置。
發(fā)明概述
一種本發(fā)明的用于定向鉆孔機(jī)的鉆頭，包括頭尾連接的檢測角度方 位裝置如探測器的架體(或殼體)、氣錘和旋轉(zhuǎn)刀頭總成，使所述角度方 位殼體位于一端并使所述刀頭位于另一端。鉆頭還可以包括起動桿，它 可連接角度方位探測器殼體。刀頭最好具有面向前方的主切削面和計量 器柱，多個切削齒設(shè)置在主切削面上，計量器柱由主切削面徑向向外偏 移，具有至少一個面向前方的計量切削齒，所述切削齒適于切過由小于
刀頭一整轉(zhuǎn)所形成的角度。檢測角度方位的裝置與計量器柱呈預(yù)定的直 線排列，以便確定計量器柱關(guān)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸的方位。在一個優(yōu)選實(shí)施例
中，主切削面基本為平的圓形，并且其上設(shè)有一系列噴射口，鉆頭具有 用于向噴射口輸送鉆用流體的通道。在另一個實(shí)施例中，刀頭外側(cè)面上 具有跟部，跟部處于與計量器柱相對的位置并由后至前向內(nèi)側(cè)傾斜。
這樣的鉆頭可以在釆用定向鉆孔機(jī)的本發(fā)明定向鉆孔方法中使用，該 定向鉆孔機(jī)可以推動并旋轉(zhuǎn)鉆桿組，鉆桿組上安裝有鉆頭。這樣的方法
包括步驟通過用鉆桿組推動和旋轉(zhuǎn)鉆頭而筆直鉆入介質(zhì)，同時用錘撞 擊刀頭；在改變鉆孔方向之前，采用檢測角度方位的裝置確定計量器柱 的角度方位；并且在通過重復(fù)推動和旋轉(zhuǎn)所述刀頭而鉆過小于所述刀頭 一整轉(zhuǎn)所形成的角度時改變方向，同時用錘撞擊刀頭，使得鉆頭沿計量 器柱切削作用的方向偏離。在鉆孔的不同時候，介質(zhì)可以是土壤、固體 巖石或土壤和巖石兩種。特別是，在采用相同刀頭進(jìn)行同一鉆孔時，可 以在土壤和巖石中完成筆直控制方向和改變方向的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供一種在同時包括土壤和固體巖石的混合 條件下進(jìn)行定向鉆孔的方法。這樣的方法包括步驟通過用鉆桿組推動 和旋轉(zhuǎn)鉆頭而筆直鉆入土壤和巖石，同時用錘撞擊刀頭；在土壤和巖石 中改變鉆孔方向之前，采用檢測角度方位的裝置確定計量器柱的角度方 位；在通過重復(fù)推動和旋轉(zhuǎn)刀頭而在巖石中鉆過小于刀頭一整轉(zhuǎn)所形成 的角度時改變方向，同時用錘撞擊刀頭，使得鉆頭沿計量器柱切削作用 的方向偏離；以及在通過用鉆桿組推動鉆頭而不旋轉(zhuǎn)鉆頭而在土壤中鉆 孔時改變方向，使得鉆頭沿計量器柱方向并遠(yuǎn)離跟部偏離。由于鉆刀頭 的主切削面大而平，單是鉆桿組的推力使工具不旋轉(zhuǎn)就不足以在松軟的 地里轉(zhuǎn)向。因此最好用錘撞擊刀頭同時改變在土壤中的方向。本發(fā)明的 方法可以在一些地況中進(jìn)行較好的方向控制。
本發(fā)明的另一方面提供一種用于水平定向鉆孔機(jī)的鉆頭，包括檢測 角度方位的裝置；用于檢測角度方位的裝置的架體，檢測角度方位的裝 置設(shè)置在架體中；由流體驅(qū)動的錘；錘具有的布置和結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生撞擊； 以及連接錘的旋轉(zhuǎn)刀頭總成，旋轉(zhuǎn)刀頭總成具有用于接受撞擊的布置和 結(jié)構(gòu)，其中通過檢測角度方位的裝置來確定旋轉(zhuǎn)刀頭組件的方位，以便 控制刀頭方向。
本發(fā)明的另一方面提供一種在可壓縮土壤中使用的水平定向鉆孔 機(jī)，具有鉆桿組和鉆頭，鉆桿組的近端連接定向鉆孔機(jī)，鉆頭連接鉆桿
組的遠(yuǎn)端，包括鉆刀頭，通常適于鉆穿巖石并具有鉆穿巖石的結(jié)構(gòu)； 檢測鉆刀頭角度方位的裝置，輸出對應(yīng)方位的信號；以及偏移連接件， 其第一端連接鉆桿組，第二端連接鉆刀頭，連接件偏離鉆桿組的軸線， 其中，響應(yīng)輸出信號對偏移件定方位以使鉆刀頭轉(zhuǎn)向。
本發(fā)明的另一方面提供一種釆用水平鉆孔機(jī)并控制鉆孔機(jī)的鉆頭方 向而在巖石中進(jìn)行鉆孔的方法，包括推動鉆頭穿過介質(zhì)，鉆頭位于鉆 桿組的遠(yuǎn)端；采用由流體驅(qū)動的錘撞擊位于鉆頭遠(yuǎn)端的鉆刀頭，其中鉆 刀頭包括用于使鉆頭轉(zhuǎn)向的有效轉(zhuǎn)向幾何形狀；采用裝在鉆頭上的檢測 角度方位的裝置定期檢測鉆刀頭角度方位；以及通過重復(fù)推動和旋轉(zhuǎn)鉆 刀頭鉆過小于刀頭一整轉(zhuǎn)所形成的角度而使鉆頭轉(zhuǎn)向，同時用錘撞擊刀 頭，使得鉆頭沿有效轉(zhuǎn)向幾何形狀的切削作用的方向偏離。
本發(fā)明的另 一方面提供一種采用水平鉆孔機(jī)并使鉆孔機(jī)的鉆頭轉(zhuǎn)向 而在介質(zhì)中進(jìn)行鉆孔的方法，包括推動位于鉆桿組前端的鉆頭穿過介 質(zhì)，同時用通過流體驅(qū)動的錘撞擊位于鉆頭遠(yuǎn)端的鉆刀頭，其中鉆刀頭 包括適于使鉆頭轉(zhuǎn)向的有效轉(zhuǎn)向幾何形狀和鉆頭；采用裝在鉆頭上的檢 測角度方位的裝置定期檢測鉆刀頭角度方位；以及通過以下方式使鉆頭 轉(zhuǎn)向鉆入可壓縮土壤，在通過推動鉆桿組進(jìn)行鉆孔中改變方向，使得 鉆頭沿偏移連接件的方向偏離，連接件由鉆桿組縱軸的中心線偏移，而 不用錘撞擊鉆刀頭并且不旋轉(zhuǎn)鉆桿組；或者如果鉆入巖石，則用錘撞擊 鉆刀頭，使得鉆刀頭沿有效轉(zhuǎn)向幾何形狀偏離。
本發(fā)明的另 一方面提供一種具有適于鉆入巖石和可壓縮土壤的鉆桿
組的水平定向鉆孔機(jī)，該鉆孔機(jī)包括由流體驅(qū)動的主動沖洗(aggressive flushing)型錘， 一種操作主動沖洗型錘的方法，包括確定是否起動主 動沖洗型錘；如果在巖石中鉆孔，并且錘得以起動將驅(qū)動錘的流體流 量減小至基本接近零的第一值；通過鉆孔機(jī)的驅(qū)動件向鉆桿組施加超過 預(yù)定閾值的推力，并使錘離開沖洗位置；以及增大流體流量到預(yù)定閾值, 用起動的錘連續(xù)在巖石中鉆孔；如果在可壓縮土壤中鉆孔，并且沒有起
動錘將推力減小到預(yù)定閾值以下，同時將流體壓力保持在錘上的預(yù)定 閾值以上，由此使錘移動到?jīng)_洗位置；以及繼續(xù)在可壓縮土壤中鉆孔而 不起動錘。
本發(fā)明的另 一方面提供一種具有適于鉆入巖石和可壓縮土壤的鉆桿 組的水平定向鉆孔機(jī)，該鉆孔機(jī)包括由流體驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)型錘， 一種操作 主動沖洗型錘的方法，包括確定是否起動標(biāo)準(zhǔn)型錘；如果在巖石中鉆 孔，并且錘得以起動將驅(qū)動錘的流體流量值增大到預(yù)定閾值以上；或 者將由水平鉆孔機(jī)的驅(qū)動件產(chǎn)生的推力值增大到預(yù)定閾值以上；以及用 起動的錘連續(xù)在巖石中鉆孔；如果在可壓縮土壤中鉆孔，并且沒有起動 錘將流體流量的值限制在起動錘所需的預(yù)定閾值以下；將推力的值限 制在起動錘所需的預(yù)定閾值以下；繼續(xù)在可壓縮土壤中鉆孔而不起動錘。
本發(fā)明的另一方面提供一種在可壓縮土壤和巖石中進(jìn)行水平定向鉆 孔的系統(tǒng)，包括連接有鉆桿組的水平定向鉆孔機(jī)，定向鉆孔機(jī)用于旋 轉(zhuǎn)和推動鉆桿組鉆入要鉆孔的介質(zhì)中，定向鉆孔機(jī)包括驅(qū)動件，驅(qū)動件 適于連接鉆桿組近端的并通常具有用于向鉆桿組施加推力的結(jié)構(gòu)；壓力 源，用于產(chǎn)生工作壓力，工作壓力通過用于鉆孔的流體得以傳遞；以及 控制器，用于控制由驅(qū)動件產(chǎn)生的推力并用于控制由壓力源輸出的工作 壓力；其中鉆桿組的遠(yuǎn)端包括檢測角度方位的裝置；用于檢測角度方 位的裝置的架體，檢測角度方位的裝置置于架體中；由流體驅(qū)動的錘； 以及鉆刀頭；其中，架體、錘和鉆刀頭沿鉆桿組縱軸頭尾連接，使架體 位于鉆頭近端，鉆刀頭位于鉆頭遠(yuǎn)端。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于水平定向鉆孔機(jī)的鉆頭，包括由 液體驅(qū)動的錘，由錘驅(qū)動的鉆刀頭，鉆刀頭具有有效控制方向的幾何形 狀。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于水平定向鉆孔機(jī)的鉆頭，包括由 液體驅(qū)動的錘，所述錘具有可以產(chǎn)生撞擊的布置和結(jié)構(gòu)；以及連接所述 錘的旋轉(zhuǎn)刀頭組件，所述旋轉(zhuǎn)刀頭組件具有用于接受撞擊的布置和結(jié)構(gòu)， 并且具有有效轉(zhuǎn)向的幾何形狀。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明的這些方面。 附圖簡要說明
在附圖中，相同標(biāo)號表示相同部件
圖l是本發(fā)明鉆頭的第一實(shí)施例的側(cè)視圖，鉆頭上省去了石M合金刀
齒；
圖2是

圖1中所示實(shí)施例的俯視圖，示出了探測裝置殼體入口； 圖3是圖l所示刀頭的立體后視圖，省去了刀頭軸； 圖4是本發(fā)明第一種可選擇的刀頭的立體前視圖，帶有硬質(zhì)合金刀 齒，并安裝在刀頭軸上；
圖5A是圖4中所示刀頭和刀頭軸的立體側(cè)4見圖； 圖5B是沿圖5A中的5B - 5B的橫剖視圖6A和6B是沿圖3中線6-6的放大的縱向剖視圖，其中6A示出 了裝置的前部，而6B示出了裝置的后部；
圖7A和7B是沿圖3中線7-7的放大的縱向剖視圖，其中7A示出 了裝置的前部，而7B示出了裝置的后部；
圖8是本發(fā)明第二種可選擇的刀頭和刀頭軸組件的俯視圖9是圖8的刀頭和刀頭軸組件的立體側(cè)視圖IO是圖8的刀頭的前視圖11是圖8的刀頭和刀頭軸組件的側(cè)碎見圖12是本發(fā)明第三種可選擇的刀頭和刀頭軸組件的俯視圖13是圖12的刀頭和刀頭軸組件的立體側(cè)視圖14是圖12的刀頭的前視圖15是圖12的刀頭和刀頭軸組件的側(cè)視圖16是本發(fā)明第四種可選擇的刀頭的側(cè)視圖，省略了其余的刀具， 顯示了在巖石中的控制方向動作；
圖17是圖16的刀頭的前視圖18是本發(fā)明第五種可選擇刀頭的前視圖19是圖18中刀頭的側(cè)視圖20是圖18中刀頭的立體圖21是液力鉆巖機(jī)實(shí)施例的后縱向部分的局部剖視圖； 圖22是液力鉆巖機(jī)實(shí)施例的前縱向部分的局部剖視圖； 圖23A和圖23B是前部設(shè)置有錘的巖石鉆頭第一實(shí)施例的后部和前
部各自的局部縱剖視圖24是對應(yīng)圖23A和23B的、錘位于后部的縮短截斷剖視圖25是本發(fā)明鉆頭的一個實(shí)施例的剖視圖25A是本發(fā)明鉆頭的一部分的放大視圖25B是本發(fā)明鉆刀頭組件的剖視圖26A是本發(fā)明探測角度方位裝置的架體的剖^L圖26B是本發(fā)明探測角度方位架體的分度器組件部分的立體圖26C是本發(fā)明包括隔離器的探測角度方位架體的分度器組件部分
的剖浮見圖27顯示了包括本發(fā)明定向鉆孔機(jī)的系統(tǒng)； 圖28是本發(fā)明操作方法的流程圖；以及 圖29是本發(fā)明操作方法的流程圖。
發(fā)明詳述
下面詳細(xì)說明本發(fā)明各種實(shí)施例的制造和使用，應(yīng)該理解本發(fā)明提出 了許多可應(yīng)用的發(fā)明原理，可以在各種特定情況下實(shí)施這些發(fā)明原理。
式，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。參照以幾種選擇形式A、 B等表示 的具有標(biāo)號的部件，其目的在于指幾種可選擇的形式，沒有這種字母的 是指所有可以選擇的形式。
參照圖1-3、 6A-6B和7A-7B，本發(fā)明鉆頭10包括作為通用部件 的、如圖所示頭尾連接的探測裝置架體14、氣錘16和鉆頭組件18。如 上所述，鉆頭10還可以包括起動桿12。起動桿12的末端13連接由定向 鉆孔機(jī)帶動的普通鉆桿組，通過鉆桿組、起動桿12和探測裝置架體14 內(nèi)的通道輸送壓縮空氣以便操作錘16。刀頭組件18包括刀頭19A，刀頭 19A具有一排切削齒20A和刀頭軸21A,刀頭軸21A用于將刀頭19A安
裝到錘16的前端上。刀頭19A通過插入橫向孔23的滾銷可拆卸地安裝 在軸21A上。帶角度的口部22A設(shè)置在頭部18中，用于將來自錘16的 壓縮空氣由刀頭19A前方噴出。壓縮空氣中加有泡沫形成的介質(zhì)，^吏得 在由刀頭19A噴射/減壓時，自然形成潤滑鉆孔泡沫。該泡沫用于帶走刀 頭路徑上的土屑和/或碎巖石片。
起動桿12、探測裝置架體14和氣錘16可以為現(xiàn)有技術(shù)中已公知類 型的。例如錘16可以是Ingersoll-Rand下井錘而不是所示的錘。由Eearth Tool Corporation of Wisconsin公司提供的以Spline-Lock型號命名的花 鍵類型連接可以用于將探測裝置架體14的任一端與錘16和起動桿12連 接。省去了花鍵的相同類型的滾銷連接用于將刀頭19A安裝在軸21A上， 如上所述。
圖6A-6B和7A-7B顯示了起動前的鉆頭10。由鉆桿組壓縮的液體 沿起動桿12中的中心通道32流動并依次流入探測裝置架體14中的縱向 通道34，通道34與探測裝置腔36隔離。才艮據(jù)一般慣例，通過將探測裝 置的端部裝配在小突起部38而使探測裝置(未示)相對于刀頭安裝在預(yù) 定方向上。減振器可以設(shè)置在探測裝置腔的相對端以對探測裝置進(jìn)行隔 振。
壓力液體接著流出通道34的前端而進(jìn)入構(gòu)成一部分錘16的閥桿42 中的后部開口 40。閥桿42的后環(huán)形凸緣44在錘16的管形殼體48的內(nèi) 延伸環(huán)形凸緣46和探測裝置殼體14的前端面之間固定就位。壓力液體 由開口 40流入具有幾個徑向口 52的歧管50,接著流入在桿42的小直徑 前部56和撞錘60的后管形部58之間形成的環(huán)形后壓力腔54。該腔中的 壓力迫使撞錘60向著所示的位置向前移動，其中撞錘60的前端將沖擊 傳遞給刀頭軸21A的后砧面62。
穿過后管形部58的徑向口 66使壓力液體流入后部58外側(cè)上的向外 打開的環(huán)形槽68。如圖6A所示，槽68通過縱向槽71與撞錘60中徑向 向內(nèi)延伸的口70相通。但是在此處，當(dāng)撞錘60處于所示位置時，由于 口 70被小直徑部56的前面74蓋住，因此阻擋了液體的流動。
刀頭軸21A通常為圓筒形，但是具有一系列沿其中剖部分均勻隔開的
徑向花鍵72A，它們沿軸21A的縱向伸長。花鍵72緊密裝配并滑動安裝 在設(shè)置于套筒76內(nèi)部的相應(yīng)槽74中。套筒76通過螺紋78可拆卸地安 裝在管形殼體48的前端，并具有通過螺栓81固定于其上的前端蓋80。 花鍵72最好包括具有增大寬度的主花鍵(見圖5B中的75B)，該主花鍵 裝配在套筒76的相應(yīng)主槽中。主花鍵75保證刀頭19與探測裝置合適對 準(zhǔn)以便轉(zhuǎn)向，還應(yīng)該采取步驟以保證套筒76中的主槽處于正確位置。為 此，可以設(shè)置用于將套筒76安裝在前端蓋80上的螺栓81的孔79，使得 僅能在孔79處于相對于蓋80的合適位置時才能插入螺栓81。蓋80依次 具有一系列花鍵81,該花鍵81接合錘殼體前部的槽83，如果需要的話， 還包括主花鍵和槽組合以保證正確的裝配。相同槽83如果在徑向上較深， 則還可用于接合套筒76上的相應(yīng)花鍵作為將套筒76鎖定在正確位置的 另一種方式。
根據(jù)本發(fā)明目的，主花鍵和槽的寬度可以大于或小于其它花鍵，以便 提供需要的鎖定功能。連接錘16和探測裝置架體14的花鍵接頭85具有 主花鍵和槽。 一系列鎖定的連接保證了刀頭19，特別是下述的計量器柱 (gagetower)，將關(guān)于探測裝置正確定位。
當(dāng)鉆桿組沿向前的方向在鉆頭10上施加壓力時，該壓力克服壓力液 體并開始移回刀頭19A，縮小刀頭19A和前端蓋80之間的間隙。這樣依 次迫使刀頭軸21A和撞錘60 —前一后地往回移。當(dāng)發(fā)生這樣的動作時， 口 70向后移動，當(dāng)其到達(dá)桿42的小直徑前部56中向外打開的環(huán)形槽82 時打開。此時，壓縮液體流過槽82，向外流過類似于口 70但由口 70向 后偏置的第二徑向口 84,穿過撞錘60外部中的縱向延伸槽86而到達(dá)前 壓力腔88。此時，撞錘60由于腔88中壓力的作用而開始向后移動，間 隙在撞錘60和刀頭軸21A的后砧面62之間打開。但是，安裝在刀頭軸 21A后端內(nèi)和撞錘60中孔91前端內(nèi)的階梯狀塑料管89臨時防止壓縮的 液體進(jìn)入刀頭軸21A中的中心孔90內(nèi)。
當(dāng)撞錘60繼續(xù)其向后的沖程時，后口 84由桿42的前部56覆蓋，撞 錘60清理塑料套筒的后端，通過排泄口 22A使前腔88泄壓。壓力液體 由刀頭噴入孔內(nèi)并變成泡沫。此時，后壓力腔54中的力增大，使撞錘減
速并反向開始其向前的沖程。撞錘60后部的腔92最好通過花鍵連接94 內(nèi)的小通道93進(jìn)行排氣，以便防止在腔92中形成過高的壓力。錘16以 這種方式連續(xù)工作并在通過鉆桿組施加預(yù)定閾值推力時自動開始工作。
刀頭19A具有徑向延伸部或計量器柱96A，它帶有幾個計量器切刀 97A，該計量器切刀97A通常類似于其它石更質(zhì)合金齒或塊20A。如圖4、 5A和5B中所示，其中刀頭19B類似于刀頭19A,如圖所示除了花鍵72B 分成前后段外，刀頭軸21B與軸21A相差不大。
最好有至少三個計量器切刀97，即一個位于柱的中部，其它兩個與其 等距隔開，形成圓弧，通常表示為大于刀頭19外圓周的假想圓。但是， 即使單個切刀97可以證明滿足一些目的，還要求這樣的計量器柱96的 寬度不大于單個切刀97的寬度。但是最好計量器柱96關(guān)于鉆頭10的縱 軸形成大約45至90度的角度A (見圖18)，或其長度大約為刀頭19寬 度的1/2至3/4。計量器切刀97，類似齒20，最好為碳化鎢塊。
計量尺寸是術(shù)語，它表示由刀頭19形成的孔的直徑。如果刀頭旋轉(zhuǎn) 一圏，該直徑是計量器柱和一個或多個計量器切刀97通過由刀頭19相 對側(cè)上的跟部98劃定的尺寸。根區(qū)域98起軸承面的作用，它對計量器 鉆削動作施加反作用力。包括塊20的主鉆削面99以與傳統(tǒng)的非可控撞 擊巖石鉆孔相同的方式從孔的中心區(qū)域去除物質(zhì)。
圖4-5B和8-20顯示可以在本發(fā)明中使用的幾種變化形式的刀頭 19C、 19D、 19E、 19F。如下所述，根據(jù)刀具工作的方式，跟部98可以 是較大的斜面(98C),或具有由后向前的斜度(見98F)。同樣地，計量 器柱96可以伸出一基本距離(96E、 96F)，或僅微樣H申出(96C)，或者 如果刀頭19具有合適的不對稱形狀則根本不伸出。在圖12-15中，設(shè) 置用于運(yùn)土和鉆削的斜槽101。在圖16-20中，每個噴射口 22還包括由 口 22E、 22F延伸的并將泡沫輸送到刀頭19E、 19F的外圓周的淺徑向槽 102E、 102F。盡管已經(jīng)證明刀頭19E和19F對有關(guān)在土壤和巖石中控制 方向的狀態(tài)是最有效的，但是還已經(jīng)證明了這些實(shí)施例中的每個實(shí)施例 可成功地進(jìn)行鉆孔。
本發(fā)明允許將管或電纜放置在地面之下，處于固體巖石狀態(tài)中的預(yù)定 深度處并沿著可以彎曲或方向變化的路徑放置。操作者在地面或在已挖
掘的小坑中開始所述的過程，借助氣體或液體致動撞擊錘16迅速穿過巖 石進(jìn)行鉆孔，并且在任何平面中慢慢控制方向的改變。操作者能這樣保 持要求的深度，并正確地在會穿過要求路徑的其它已有的埋藏公共設(shè)施 之間進(jìn)行操控。
一種改進(jìn)特別在于撞擊鉆削過程中刀頭的形狀和將定向鉆孔機(jī)與氣 錘連接的鉆桿組的運(yùn)動之間的相互影響。有關(guān)刀頭上部件的運(yùn)動是很重 要的。圖18-20中所示的刀頭19F不取決于操作平面、斜度或角度以引 起方向的改變。當(dāng)?shù)额^19F受到?jīng)_擊并通過一致的旋轉(zhuǎn)角度和在關(guān)于鉆 桿組的循環(huán)方式下以恒定角速度旋轉(zhuǎn)時，由于形成非對稱鉆孔形狀，因 而完成方向改變，該角度小于一整轉(zhuǎn)。
旋轉(zhuǎn)速度必須接近恒定，以便使硬質(zhì)合金撞擊切刀20F、 97F穿透整 個開鑿面。旋轉(zhuǎn)角度必須小于一整轉(zhuǎn)，使得鉆孔是非對稱的。對于多循 環(huán)轉(zhuǎn)過的角度必須一致，每循環(huán)穿透度受到限制，才艮據(jù)巖石條件和旋轉(zhuǎn) 速度，每循環(huán)為0.05至0.25。該角度必須大于0，否則不能進(jìn)行鉆削， 通常為45度以上至240度，180度至240度范圍可獲得最好的結(jié)果。角 度掃過的中點(diǎn)必須保持一致，以便引起方向改變。
形成的鉆孔將是非對稱的，因?yàn)榈额^形狀是非對稱的并且它不完全繞 鉆桿組軸線旋轉(zhuǎn)。采用上述動作進(jìn)行鉆孔而鉆到一定距離并進(jìn)行多個循 環(huán)，非對稱鉆孔將引起方向逐漸改變〔見圖16〕。該鉆孔大于鉆頭10或 鉆桿組，使刀頭軸線和刀頭得以關(guān)于鉆孔軸線成一角度傾斜。鉆頭和鉆 孔壁之間的空間使鉆頭10通過產(chǎn)生的鉆孔力而得以在鉆孔中傾斜或復(fù) 位。計量器柱96的存在使刀頭面上的壓力中心由(非可操縱錘具有的) 鉆頭中心軸線移向靠近計量器切刀97的一些點(diǎn)。該靜推力和質(zhì)量沿刀頭 軸線作用。來自撞擊鉆削作用的反作用力是很重要的，每次沖擊的峰值 力容易達(dá)到50000LB并持續(xù)幾毫秒。
由于沖擊作用力沿著不同于錘質(zhì)量和推力的軸線作用，因此產(chǎn)生力矩 (扭矩)，它會使鉆頭10和鉆桿組在鉆孔的間隙內(nèi)進(jìn)行彎曲。鉆頭會趨 于旋轉(zhuǎn)而離開計量器柱。該動作表示鉆頭處于新的方向并進(jìn)行鉆孔，以
沿該軸線行進(jìn)。該軸線連續(xù)改變，它形成了彎曲的鉆孔路徑。
為了在控制方向操作中避免形成圓形的對稱鉆孔，刀頭19決不能在 整個回轉(zhuǎn)中進(jìn)行鉆削。為了實(shí)現(xiàn)該循環(huán)過程，當(dāng)?shù)竭_(dá)角度邊界時，操作 者可以沿相反方向旋轉(zhuǎn)，或由鉆削面拉回并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到到達(dá)開始的 點(diǎn)。第三種選擇的方式是由鉆削面拉回并沿相反方向旋轉(zhuǎn)而回到開始點(diǎn)。 已經(jīng)成功使用了所有這三種方法，但是如果釆用小角度旋轉(zhuǎn)并且孔極不 對稱，則第三種方法會帶來麻煩。在這種情況下，刀頭不能旋轉(zhuǎn)并且會 被卡住。
所示使用良好的所有刀頭19的主要部件是安裝在計量器柱96上的計 量器切刀97。無論在刀頭中是否設(shè)計有斜跟部或楔形部98，鉆頭10必 須具有計量器柱以在固體巖石中進(jìn)行良好方向控制。鉆頭IO將不是用計 量器柱而是用楔形部在顆粒狀松散物質(zhì)如土壤中進(jìn)行方向控制。還可以 不采用楔形部而采用計量器柱在顆粒狀土壤中控制方向。采用兩個部件 在土壤中轉(zhuǎn)向得最快。
在錘/探測裝置殼體組件中放置塊體是很重要的。使塊體的重心偏向于 錘軸線的計量器柱一側(cè)是有害的?？梢栽试S將其^t置在中心。使其偏離 計量器柱放置是有利的。離心塊體的作用力會增大錘的預(yù)期偏向，由此 提高可以實(shí)現(xiàn)的控制方向的最大速度。由于錘16的質(zhì)量分布基本是對稱 的，可以通過探測裝置殼體14的偏置和任選起動桿12遠(yuǎn)離計量器柱來 非常方便地調(diào)整鉆頭10的質(zhì)心移動，以便沿有利方向改變鉆頭10的質(zhì) 心。
旋轉(zhuǎn)角度影響控制方向的速度。較小的旋轉(zhuǎn)角度形成更偏心的鉆孔形 狀并提高轉(zhuǎn)向速度。但是，小旋轉(zhuǎn)角度還形成比大旋轉(zhuǎn)角度小的較小鉆 孔，并難于由鉆孔中向后拉出錘。
一般地，偏心較大的刀頭設(shè)計會比偏心較小的設(shè)計轉(zhuǎn)向的更快。偏心 量受限制是通過由滑動刀頭軸向錘體傳遞彎曲力矩而帶來的問題。偏心 更大的刀頭具有大力矩，并且在滑動接合處更易磨損。存在的力矩導(dǎo)致 了刀頭軸花鍵上的寬支承面以及花鍵后面的輔助支承。
本發(fā)明的鉆頭獨(dú)特之處在于，與土壤這樣的可壓縮物質(zhì)相比，盡管出
現(xiàn)固體巖石會給操作帶來困難，但是操作者可以不受其影響而隨心所欲 地使鉆孔路徑偏移(或沿直線行進(jìn))。合成運(yùn)動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向或直線鉆孔。與 鉆頭幾何形狀組合的錘的工作特性與各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動一起應(yīng)用以對錘進(jìn)行 引導(dǎo)。
筆直鉆孔是最容易獲得的方向。由于通過鉆桿組提供范圍為80-350 psi的壓縮空氣，因此在錘上施加推力。推力作用在錘面上，并抵消已施 加在往復(fù)運(yùn)動的鉆頭上的氣體壓力。錘和鉆桿組必須向前運(yùn)動，向著錘 壓縮鉆頭大約1/2至1"。鉆頭位置關(guān)于錘位置的變化改變了內(nèi)部閥門的 配置并開始進(jìn)行刀具的撞擊。 一般施加在錘上的壓力僅微微大于啟動錘 時施加的壓力。
為了使鉆孔筆直，操作者繞鉆桿組軸線連續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。速度一般為5 至200RPM。最大生產(chǎn)率取決于錘速度和^t轉(zhuǎn)速度，錘速度通常為500 至1200次撞擊/分鐘。理想速度為引起碳化鴒塊(沿切線方向)離開前次 撞擊連續(xù)撞擊其直徑(一般的塊直徑為1/2")的1/2。在該示例中，由每 分鐘700次撞擊的錘形成的6"直徑的鉆孔應(yīng)該按下述方式計算塊直徑 =.50"， 1/2塊直徑=,25"，周長=6.0"*兀=18.84"，每次撞擊的旋轉(zhuǎn) =.25，，/18.84，，*360度=4.78度，度數(shù)*700撞擊數(shù)/分鐘=3346度/分鐘， 3346/360 = 9.3RPM。速度常常大于這一速度。當(dāng)塊圖形(pattern)中心 偏離鉆頭中心時，圍繞理論鉆削軸線鉆削圓孔。該軸線位于計量器切刀 最外面和轉(zhuǎn)向面底部(跟部)之間的中間。
鉆圓弧(轉(zhuǎn)向)需要比沿直線行進(jìn)更復(fù)雜的運(yùn)動。該說明是假定由名 義上的水平鉆孔軸線向上轉(zhuǎn)向?？梢酝ㄟ^重新對轉(zhuǎn)向運(yùn)動的中點(diǎn)定向來 獲得任何方向。為了向上轉(zhuǎn)向，計量器切刀必須被定位在上部，轉(zhuǎn)向面 或跟部位于下面。假想時鐘面位于鉆孔面前部，操作者從計量器塊位于8 點(diǎn)起動。鉆桿組被推入鉆孔面由此致動錘。 一旦運(yùn)轉(zhuǎn)起來，鉆桿組以最 佳匹配的筆直鉆孔的理想速度順時針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)持續(xù)時鐘面的8小時， 直到計量器塊到達(dá)4點(diǎn)。此時，使錘退回到足以將塊拉離鉆孔面，由此 使錘停止。鉆桿組反時針旋轉(zhuǎn)到8點(diǎn)并重復(fù)該過程，或者可以使用返回 到上述起始點(diǎn)的另 一種方法。
該方法，已知為傾斜的，將鉆削出大致的圓形，但是將巖石裂片留在
底部上。裂片是底巖。多次重復(fù)該過程，每4小時時鐘循環(huán)可以前進(jìn).20，，。 采用30次/分鐘的循環(huán)速度，則前進(jìn)6"/分鐘。繼續(xù)筆直地鉆削具有半圓 形面的鉆孔廓形直到轉(zhuǎn)向面(錐形)接觸該底巖。當(dāng)繼續(xù)前進(jìn)時，底巖 裂片迫使廓形增大。在6"鉆孔中所示的裂片具有的高度為0.12"。偏離軸 12度角的轉(zhuǎn)向面將該裂片或底巖向上拱0.12"并移動超過大約.57，，。刀頭 再次用其半圓形輪廓筆直鉆削大約2.5"的距離，直到轉(zhuǎn)向面再次接觸該 平層。
該過程是具有釆用圓錐形提升器的階梯操作，如圖16所示的直階梯。 底巖的動作不僅改變了鉆頭的高度，而且有助于其改變角度傾斜。鉆桿 組的后部(大約距該面后部30")作為杠桿支點(diǎn)或鉸接點(diǎn)。升高錘的前面 而不升高后部則使其傾倒。由于對方向進(jìn)行足夠的改變，操作者現(xiàn)在可 以筆直鉆孔，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向校正。在僅32"的行進(jìn)中鉆頭方向改變3度，即 使在可壓縮介質(zhì)中該數(shù)字也是可以允許的。
上述轉(zhuǎn)向的方法在巖石中最有效，但是還可以用于土壤或其它柏i的 介質(zhì)中。此外，還可以采用停止刀頭旋轉(zhuǎn)的技術(shù)并依靠刀頭側(cè)面上跟部 區(qū)域以引起沿預(yù)期方向偏離來實(shí)現(xiàn)在土壤中轉(zhuǎn)向。如上所述，當(dāng)以該方 式轉(zhuǎn)向時，使錘連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)是最有效的。
由于由本發(fā)明過程引起的破壞是最小的，因此恢復(fù)工作場所的費(fèi)用往 往是最少的。即使在鉆孔中碰到固體巖石，也可以在分成多車道的公路 下面形成鉆孔，且同時使用該道路。當(dāng)可以由公路邊收回設(shè)備時，需要 沒有破壞或進(jìn)行交通控制，不使用爆炸物，在鉆孔中不斷跟蹤鉆頭位置， 不需要將笨重的設(shè)備運(yùn)到道路的相對側(cè)去?？梢蚤_始在地面鉆孔，并且 可以通過在目標(biāo)點(diǎn)形成巖石面而實(shí)現(xiàn)鉆孔。此外，如果為了到達(dá)巖層必 須穿過沙地或土壤，則本發(fā)明鉆頭允許在這樣的條件下轉(zhuǎn)向。
可供選擇的實(shí)施例 在可供選擇的實(shí)施例中，可以用液體介質(zhì)來使本發(fā)明的撞擊錘工作， 以向鉆削工作部傳遞動力。液體介質(zhì)可以包括含水的和不含水流體(例
如鉆用流體溶液、分散物或泥漿)而不是可壓縮流體(如空氣)。這樣液 力驅(qū)動流體用于使流體驅(qū)動錘工作，可以包括含水和不含水流體，該流 體可以用具有各種有用特性的添加劑配制。在的鉆孔操作中，該鉆孔操 作包括了提供有助于鉆孔操作的鉆用流體(通常公知的為鉆孔泥漿)，最 好使用這樣的鉆用流體來傳遞工作壓力以驅(qū)動流體驅(qū)動錘。但是，分別 引導(dǎo)的液力驅(qū)動流體還可以用于操作流體驅(qū)動錘。
適于驅(qū)動流體驅(qū)動錘的基本成分為水的流體包括水溶液或具有各種 類型材料的分散物，如合成聚合物材料或天然或合成粘土，已知它們具 有膨脹和潤滑特性，如膠質(zhì)狀粘土。還可用于驅(qū)動流體驅(qū)動錘的其它基
本成分為水的流體包括以水為基本成分的鉆用流體，含有CaO、 CaC03、 石灰和鉀化合物和類似的無機(jī)材料。流體可以混合小量的聚合物材料， 包括優(yōu)選的未改性聚合物添加劑和硫化聚合物，如苯乙烯馬來酐共聚物 (styrene-maleric anhydride copolymer)和至少一種由丙蜂酸、丙烯酸 胺或其衍生物制備的水溶聚合物。其它含水鉆用流體包括水，水中混合 有膠凝劑、去泡沫劑和由包括甘油、聚甘油和其混合物的組中選取的甘 油醇。其它包括反乳股(inver emulsion)鉆用流體?；境煞譃榫酆衔?的流體可以有有機(jī)的或碳水化合物增稠劑配制而成，增稠劑包括纖維素 化合物、聚丙烯酰胺、天然乳液甘露聚糖(galactomannan)和各種其它
多聚糖。
適于驅(qū)動流體驅(qū)動錘216的基本成分為不含水的流體包括合成流體， 該流體包括聚二醇、合成的碳水化合物流體、有機(jī)酯、磷酸酯和硅。
但是要明白，用于驅(qū)動流體驅(qū)動錘的基本成分為水和基本成分不為水 的流體不限于上述這些流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知道可以采用其它流 體作為鉆用流體并驅(qū)動活塞錘而不背離本發(fā)明的范圍。
用流體驅(qū)動的沖擊錘與氣力沖擊錘相比具有幾種額外的特性和優(yōu)點(diǎn)。 例如，流體驅(qū)動錘可以在大約800至2000psi工作壓力下而不是壓縮空氣 氣動錘所使用的80-350psi的工作壓力范圍下工作。液力驅(qū)動錘在較高 工作壓力下的工作性能產(chǎn)生沖擊錘的較高功率，因此提高了用于鉆孔的 工作能量。
如上所述，通常用于驅(qū)動氣動錘的最大工作壓力限于大約300至
S00psi。氣動錘受較低工作壓力的限制，這部分是由當(dāng)用可壓縮流體工作
時固有的危害安全的因素所導(dǎo)致的。例如，在幾百psi (和更高)工作壓 力下工作帶來由壓力管線失效導(dǎo)致的潛在破壞。為了解決這些潛在的安
全問題，因此氣動錘通常限于大約300至500psi的最大工作壓力。
此外，由于氣動錘的能量與其速度的平方成正比，而速度與工作壓力 成正比，因此，用于鉆孔的能量與與工作壓力的平方成正比。因此，任 何對氣動錘工作壓力的限制直接導(dǎo)致對用于鉆孔的工作能量的限制。
液力驅(qū)動錘的其它特性是具有高于氣動錘的能量傳遞效率。例如，由 于液體的壓縮率實(shí)際為零，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中可以忽略，因此由于由 壓縮引起的熱量轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的液力驅(qū)動錘中的能量損失實(shí)際為零。但是 這是與氣動錘相對照，氣動錘由于用于驅(qū)動錘的流體壓縮性而損失能量 效率。例如，當(dāng)氣體在壓縮時溫度升高，該熱量散發(fā)到環(huán)境中去，并由 此降低氣動錘的能量效率。
此外，在鉆孔中，由于將流體引導(dǎo)到錘的通道保持充滿，因此用于操 作流體驅(qū)動錘的液體不會降低壓力。這與氣動錘的情況不同，當(dāng)將每個 新管段加入到鉆桿組上時，氣體管線通常降壓。因此，在繼續(xù)進(jìn)行鉆孔 操作之前，氣體管線中的容積必須再增壓?？梢岳斫?，當(dāng)鉆桿組中的鉆 桿數(shù)量增大時，需要對管線再增壓是很麻煩的。
流體驅(qū)動錘的另一特征是能從鉆桿組前部帶走在鉆孔工作中產(chǎn)生的 圍繞鉆桿組的鉆屑。用完的液體通過設(shè)置在鉆桿組上的通道流出鉆桿組， 為此提供了有效的方法而將鉆屑由鉆頭前部帶走。反之，在氣動錘中用 完的空氣不能象用完的液體那樣有效地帶走鉆屑。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，流體驅(qū)動錘216 (見圖22)通常以與上述 參照氣錘16相同的原理進(jìn)行工作。而且如上所述，每種類型的錘，無論 是氣力驅(qū)動還是液力驅(qū)動的，都具有只有用于驅(qū)動錘的介質(zhì)(如可壓縮 流體對流體)才有的顯著優(yōu)點(diǎn)。因此，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，氣錘 16可以用流體驅(qū)動錘100 (見圖21和22 )、 400 (見圖23和24 )或216 (見圖25)代替。例如，流體驅(qū)動錘100、 400和216可以用鉆用流體或
任何其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的液力驅(qū)動流體來驅(qū)動，而不會背離本 發(fā)明的范圍。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，本發(fā)明的流體驅(qū)動錘可以是本領(lǐng)域已知的
任何類型的錘。例如，流體驅(qū)動錘可以是由Gustafsson的US5715897、 Eckwall的US5785995、 Gustafsson的US5107944和/或Gustafsson的 US5014796中公開的類型，本文將這些專利內(nèi)容作為參考。但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員會理解，公開在這些參考文獻(xiàn)中的錘不能受到控制，不包括 探測裝置并且不應(yīng)用在水平鉆孔中。
通常，流體驅(qū)動錘以及其它流體錘需要一定水平的工作壓力并流動以 便致動錘。此外，流體驅(qū)動錘需要撞擊鉆桿組的力(如由水平方向鉆機(jī) 的驅(qū)動件產(chǎn)生的推力)，它反抗錘的活塞。在該力作用下，錘不會被致動， 與施加在錘上的壓力或流體無關(guān)。
可以對流體驅(qū)動錘的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)以便改變這些參數(shù)之間的關(guān)系(如 推力和工作壓力)。因此，流體驅(qū)動錘可以設(shè)計成在鉆刀頭上沒有任何推 力時使通過液體傳遞的工作壓力得以施加在錘上，并在隨后頂著鉆刀頭 施加的額定力而使流體驅(qū)動錘起動。該設(shè)計隨后被稱為標(biāo)準(zhǔn)(NIN)型流 體驅(qū)動發(fā)沒計。
瑞典的G-Drill制造了一種標(biāo)準(zhǔn)型(NIN)流體驅(qū)動錘設(shè)計，它由 Water Powered ITH Hammer WASSARA W100和W100S指定供商業(yè)使 用。這里所指的標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動錘通常設(shè)計成用較清潔的7jC作為驅(qū) 動流體來工作?？梢岳斫?，當(dāng)使用用于驅(qū)動錘的鉆用流體時，可以對標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動錘進(jìn)行改進(jìn)。例如，可以修改內(nèi)部間隙和構(gòu)成NIN錘 的材料，使得在鉆用流體所通常具有的較高粘性和較高污染下使錘精確地進(jìn)行操作。
圖21和22顯示了標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動錘100的示例。這里簡要說明 錘100。但是，為了對錘作更詳細(xì)的說明必須參考Gustafsson的 US5715897。
在圖21和22所述實(shí)施例中的液力撞擊電機(jī)的工作中，后驅(qū)動腔126 的增壓引起活塞錘124通過活塞工作面積137的增壓而沿其前沖程移動。 后驅(qū)動腔126的減壓使活塞錘124沿其返回沖程移動。通過使前驅(qū)動腔 134連續(xù)增壓作用在活塞工作面積136上而形成返回沖程。
后驅(qū)動腔126的增壓和減壓由滑閥140的位置來控制?；y140具有 兩個工作位置。圖21顯示了第一工作位置，并對后驅(qū)動腔126增壓。第 二工作位置(未示)使滑閥140向后移動到靠在后蓋138上。該位置引 起后驅(qū)動腔126和控制面Al和A2得以減壓。由于控制面A3上的連續(xù) 偏壓，盡管控制面A1和A2減壓，滑閥140也保持在第二工作位置。
滑閥140由第一位置向第二位置的循環(huán)移動由活塞錘124的位置控 制。當(dāng)活塞錘124向前移動以撞擊鉆刀頭114時，控制面A2增壓以使滑 閥140向著其第二工作位置移動，使控制面A2減壓。當(dāng)活塞錘124到達(dá) 返回沖程的極限時，控制面A1減壓以使滑閥140移動到其笫一工作位置。
在啟動時，假定機(jī)器處于最初的減壓狀態(tài)。增壓水通過后蓋122進(jìn)入 機(jī)器并如上所述使環(huán)形空間158增壓。多個平行通道157沿軸向穿過閥 殼體120并連接前驅(qū)動腔134和空間158。因此，前驅(qū)動腔134實(shí)質(zhì)上在 啟動時立即增壓。類似地，多個通道將進(jìn)入環(huán)形腔147中的一排口 162 和增壓腔158相連，以便腔147實(shí)質(zhì)上在啟動時就立即增壓。
在啟動時，不能推測滑閥140或活塞錘124處于任何特定結(jié)構(gòu)。因此， 將分析不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)，每種分析均假定機(jī)器現(xiàn)在具有增壓的前驅(qū)動腔134 和增壓的環(huán)形腔147,如前所述。
此外，最好能對活塞錘124的限制軸向位置進(jìn)行限定?？梢酝ㄟ^采用 管123阻擋而限制活塞錘124的后移，使得口 160最好保持打開。另夕卜， 釆用面A5通過閥殼體120的阻擋而限制活塞錘124的后移?；蜥娪妹?137通過閥殼體120的阻擋而限制活塞錘124的后移，有效關(guān)閉后驅(qū)動腔 126和關(guān)閉口 160。由口 160泄漏到后驅(qū)動腔126中的液體接著根據(jù)需要 使活塞工作面積137增壓。
活塞錘124的前移可以通過目標(biāo)(鉆刀頭114)(如圖22所示)的撞 擊而受到限制。在該向前的限制下，在表面A6和導(dǎo)向軸承118和表面 A6的活塞工作面積之間產(chǎn)生間隙，保證表面A6的活塞工作面積在啟動 時增壓。
首先，假定滑閥140在啟動時是處于向前的位置，如圖22所示。環(huán) 形腔147與環(huán)形腔148相通，通過口 162、通道159和口 160，將4吏后驅(qū) 動腔126增壓。
如果活塞錘124處于其向后的移動極限位置(未示)，口 153和155 會關(guān)閉?？?156會打開。開口 156與前驅(qū)動腔134相通，并通過通道154 和環(huán)形腔145使活塞工作面積A1增壓，保持滑閥140處于其向前的位置。 后驅(qū)動腔126的增壓將啟動活塞錘124進(jìn)行其向前的沖程，開始工作循 環(huán)。
如果活塞錘124處于中間軸向位置(使口 153關(guān)閉)，口 155和156 可以在啟動時打開或關(guān)閉。如果口 155或156打開，則接著活塞工作面 積A1會增壓，或者通過經(jīng)口 156的前驅(qū)動腔134，或者通過經(jīng)口部155 的后驅(qū)動腔126。滑閥140會由此保持在其向前的位置，活塞錘124將完 成其向前的沖程，開始工作循環(huán)。
如果口 155和156在啟動時關(guān)閉，后驅(qū)動腔126的增壓會啟動活塞錘 124向前移動。在初始的向前沖程中，口 155隨后會打開，在定期的工作 循環(huán)中會使活塞工作面積Al增壓。
如果活塞錘處于或靠近其前移的極限位置，口 153和155會在啟動時 打開。后驅(qū)動腔126的增壓會(通過口 155)使活塞工作面積A1增壓， 并會(通過口 153)使活塞A2增壓。滑閥140會移動到其向后的位置使 后驅(qū)動腔126減壓并通過活塞工作面積136的增壓使活塞錘124開始進(jìn) 行后沖程。
接著，假定滑閥140處于其向前和向后的穩(wěn)定位置之間的中間位置。 如果滑閥140進(jìn)行足夠的前移，使得環(huán)形腔147和環(huán)形腔148保持相通， 接著啟動過程將與上述的完全向前滑閥140的啟動過程相同。
如果滑閥140處于或靠近向后的穩(wěn)定位置，接著肩部149防止環(huán)形腔 147和環(huán)形腔148之間相通。因此，在啟動時，后驅(qū)動腔126將不立即增 壓。
如果活塞腔124處于其向后的移動極P艮位置(未示)，口 153和155 會關(guān)閉?？?156會打開。開口 156與前驅(qū)動腔134相通并通過通道154
22
和環(huán)形腔145使活塞工作面積Al增壓，驅(qū)動滑閥140移動到其向前的穩(wěn) 定位置。環(huán)形腔148現(xiàn)在會與環(huán)形腔147相通，使后驅(qū)動腔126增壓。 后驅(qū)動腔126的增壓將啟動活塞錘124進(jìn)行其向前的沖程，開始工作循 環(huán)。
如果活塞錘124處于中間軸向位置(使口 153關(guān)閉)，口 155和156 可以在啟動時打開或關(guān)閉。如果口 155或156打開，接著活塞工作面積 Al會增壓，或者通過經(jīng)口 156的前驅(qū)動腔134,或者通過經(jīng)口155的后 驅(qū)動腔126?；y140會由此被驅(qū)動到其向前的穩(wěn)定位置，活塞錘124 將完成其向前的沖程，開始工作循環(huán)。
如果口 155和156在啟動時關(guān)閉，前驅(qū)動腔134的增壓將啟動活塞錘 124向后移動以開始工作循環(huán)(后驅(qū)動腔126仍不會增壓)?？?156隨后 在初始的向后沖程中打開，在定期的工作循環(huán)中使活塞工作面積Al增 壓。
如果活塞錘124處于或靠近其前移的極限位置，則口 153和155將在 啟動時打開。但是后驅(qū)動腔126不會增壓，因此前驅(qū)動腔134的增壓會 啟動活塞錘124向后移動以開始工作循環(huán)。
可以理解，制造的上述標(biāo)準(zhǔn)型NIN錘命名為Water Powered ITH Hammer WASSARA，型號為W100/W100S。該錘包括當(dāng)沒有力作用在鉆 刀頭114上時的特性，壓力施加在活塞錘124上，增壓流體通過活塞錘 124涌出通道。
下面的表1中給出了標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動錘的工作限制的一個例子， 例如Water Power ITH Hammer WASSARA型號為W100/W100S。
將力施加在至少300-5001bs.的鉆刀頭上，需要啟動錘的液流將為每 分鐘5至20加侖(gpm ):
1) 如果要求不啟動(NOT ACTIVATE )錘，則流體流動將限制在 a)當(dāng)作用在鉆刀頭上的力在大約0-5001bs內(nèi)時，流動速度必須i殳定為 大約10至15gpm;b)當(dāng)作用在鉆刀頭上的力大于約S001bs時，最大流動速度應(yīng)該設(shè)定在最 大流動速度(gpm ) = 0,03x力(lbs );
2)如果要求啟動(ACTIVATE)錘，則流體流動速度應(yīng)該設(shè)定在 最小流速
a)最小流動速度(gpm) =0.03乂力(lbs);
另外，可以理解，可以設(shè)計一種流體驅(qū)動錘，使得鉆刀頭上沒有作用 任何力時錘不工作。這通常指的是沖洗(flushing)位置。這樣，當(dāng)錘處 于沖洗位置時，向鉆刀頭施加標(biāo)定工作范圍內(nèi)的力將不會啟動錘。以后 該設(shè)計指的是主動沖洗型GIN設(shè)計，Gustafsson的US5014796專利中描 述了一種該類型的設(shè)計。
主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘由瑞典的G - Drill AB制造，該錘以型號 為GIN W100/W100S"G2"進(jìn)行銷售。如上所述，參考標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū) 動錘設(shè)計，這里所指的主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘還通常設(shè)計成用較清 潔的水作為鉆用流體來進(jìn)行操作?？梢岳斫猱?dāng)使用鉆用流體來驅(qū)動錘時， 可以改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)型GIN流體驅(qū)動錘。例如，可以改進(jìn)內(nèi)部間隙和構(gòu)成GIN 錘的材料，使得用通常有較高粘度和較高程度污染物的鉆用流體來正確 操作錘。
圖23a、 23b和24示出了主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘400。盡管這里 將簡要說明錘400，但是Gustafsson的US5014796中對錘400作了進(jìn)一 步的說明。現(xiàn)在參照圖23a和23b，示出了巖石鉆410的外殼"8，它由 一般具有較均勻厚度的長圓筒形管構(gòu)成，該管具有內(nèi)環(huán)形鄰接部413。圓 筒411最好與閥門室412成一體，圓筒411容置在外殼418內(nèi)并由徑向 分離的環(huán)形結(jié)構(gòu)414和415支承，環(huán)形結(jié)構(gòu)414和415抵靠在鄰接部413 上。圓筒411通過管形襯套416沿軸向固定在外殼418內(nèi)，管形襯套416 在閥門室412的后面和后蓋(未示)之間延伸。襯套416通過螺紋固定 在外殼418的后部，并以普通方式將轉(zhuǎn)動傳遞給外殼418。
襯套418的內(nèi)部形成口 417，通常提供有使用高壓流體最好是水的鉆 管。水通過后蓋和口供應(yīng)并用于驅(qū)動下井鉆。
如圖23b的截斷視圖所示，鉆刀頭420可滑動地容置并保持在套管421
內(nèi)，套管421通過螺紋裝配到外殼418的前端上。鉆刀頭420的砧部419 在套管421的環(huán)形槽422中伸出。套管421中的導(dǎo)向軸承423設(shè)置在槽 422的后部。鉆刀頭420具有貫穿的沖洗通道424，通向其工作端部，在 套管421和鉆刀頭420之間設(shè)置通常的花鍵連接(未示)，由此將旋轉(zhuǎn)由 外殼418傳遞到這里。
由外殼418形成長腔425,長腔418在鉆刀頭套管421的導(dǎo)向軸承423 和圓筒411的分離的環(huán)形結(jié)構(gòu)414和415之間延伸。腔425永遠(yuǎn)保持在 低流體壓力下，即由于連接腔425和環(huán)形槽422的一個或多個減壓通道 426而減壓，環(huán)形槽422與鉆刀頭420中的沖洗通道424相通。
錘428可在外殼418中往復(fù)運(yùn)動，以便重復(fù)對鉆刀頭420的砧419進(jìn) 行撞擊。并最好在錘428的后端設(shè)置驅(qū)動活塞429。錘428的撞擊前端具 有軸頸430，軸頸430滑動安裝在套管421的導(dǎo)向軸承423內(nèi)，圓筒形放 大錘部432以往復(fù)運(yùn)動的方式設(shè)置在腔425內(nèi)。直徑增大部432用于增 大錘428的撞擊能量并且使腔425內(nèi)具有足夠的間隙，以便當(dāng)錘428往 復(fù)運(yùn)動時低壓液體在腔425的端部之間基本不受阻礙地進(jìn)行流動。
活塞429和增大的錘部432之間具有縮小的頸部431，該頸部431的 直徑等于軸頸430的直徑。頸部431由徑向分離環(huán)結(jié)構(gòu)414、 415圍繞而 密封并在環(huán)結(jié)構(gòu)414、 415中自由往復(fù)運(yùn)動。
軸向沖洗通道434沿中部延伸穿過錘428，并在其后部活塞"9內(nèi)具 有增大的鉆孔435,活塞429可以密封的方式在中部低壓或泄壓導(dǎo)管438 上滑動，導(dǎo)管438與圓筒411同軸而構(gòu)成圓筒411的組成部分或固定在 圓筒411上。導(dǎo)管438與中部活塞通道434和閥門室412內(nèi)部完全相通。
活塞429以滑動和密封的方式安裝在形成驅(qū)動腔439的圓筒411中， 活塞429的后端面440面對該驅(qū)動腔439，腔439用于驅(qū)動錘428向前移 動而進(jìn)行其工作沖程。
縮小的頸部431周圍設(shè)置相對的圓筒腔441，環(huán)形相對驅(qū)動面442面 向該腔441，驅(qū)動面442小于驅(qū)動面440并適于迫使活塞429向后移動以 完成錘428返回沖程。
閥門室412具有軸向孔445，管形控制閥446 (最好是滑閥)在軸向
孔"5中往復(fù)運(yùn)動?？刂崎y446的內(nèi)部與導(dǎo)管438常通并因此保持在沖 洗通道434和424的低流體壓力。控制閥446具有以密封和滑動的方式 安裝在軸向孔445中的差壓活塞447,通過螺紋檸在閥門室412上的蓋 448封閉軸向孔445。蓋448以密封和滑動的方式套在控制閥446的上裙 部449上?？刂崎y的相對端形成下裙部451?？s小的腰部452設(shè)置在下裙 部451和差壓活塞447之間。下裙部451的外直徑稍微大于上裙部449 的外直徑，并稍微小于孔445的直徑。中間臺階部450是孔445邊界。 伸出的導(dǎo)向懸垂部454 (見圖24)設(shè)置在下裙部451的軸向面上并當(dāng)控 制閥446在圖23a的位置和圖24的位置之間往復(fù)運(yùn)動時作為導(dǎo)向件，在 圖23a的位置中下裙部451緊靠下臺階453而進(jìn)行密封，在圖24所示 的位置中，下裙部451緊靠中間臺階450密封。
流體通道458通過分支通道459將高壓口 417與閥孔445相連，以在 差動閥活塞447上施加恒定下側(cè)壓力，由此使控制閥446偏向于后部活 塞，如圖24所示。流體通道460將驅(qū)動圓筒腔439的上部與閥門室412 中的環(huán)形內(nèi)槽455相連。
在作業(yè)中，控制閥446適于響應(yīng)錘428的移動特別是響應(yīng)控制槽433 在活塞429上的位置而往復(fù)運(yùn)動。為此，如圖23a和24所示，控制通道 461延伸而將位于閥孔445上端的控制腔480與腔439和441之間的圓筒 壁相連。這些腔與活塞控制槽433對準(zhǔn)，如圖23a位置所示，控制槽433 將控制通道461與通向低壓腔425的流體通道462連接，由于閥孔445 的上端泄流，上述向上的閥偏壓使控制閥446向上移動到其圖24所示的 位置，其中下閥裙部451緊靠中間臺階450密封。
因此，當(dāng)圖23b中的錘428撞擊在砧座419上并且閥孔"5的上端泄 流時，由口 417通過通道458和459傳遞到閥孔445下端的高壓將控制 閥446移動到圖24的位置。此時，并且直到在其向上的偏壓作用下的錘 428移動到圖24的位置，驅(qū)動腔439將通過通道460和打開的下臺階453 而被排空到導(dǎo)管438。流出的流體被引入通道434和424以沖洗由鉆刀頭 420在巖石中鉆出的孔。
當(dāng)?shù)竭_(dá)圖24中的后部位置時，活塞429的控制槽433連接分支通道
463而使高壓通道458與通道461相通。這使閥孔445端部增壓。由于閥 裙部449和451之間的直徑差，使差動閥活塞447的后表面大于相對的 凈表面，在閥活塞447上形成了產(chǎn)生了恒定的向后偏壓，結(jié)果使控制閥 移回到圖23A的位置。因此，中間閥臺階450打開，驅(qū)動圓筒腔439通 過通道458和459、閥腰452和通道460與高流體壓力相連。結(jié)果，迫使 錘428完成其工作沖程，以便在鉆刀頭的砧座419上撞擊，見圖23B。 接著重復(fù)上述操作。
在巖石鉆的上升位置，鉆刀頭420會由圖23B所示的位置稍微向前下 沉。此時，錘428的增大部432被截住，錘被拄住并下降到腔425中的 前部孔466內(nèi)。同時，高壓分支通道463與驅(qū)動腔439相通。腔439通 過(設(shè)置在壁導(dǎo)管438中的)孔467泄流以進(jìn)行徹底的流體沖洗，目的 是改變主巖石鉆的沖擊能量。
腔425可以與錘合作，該錘包括具有可變長度的增大部432。這可以 通過圖23B中錘468的虛線來表示。
能將180bar (18Mpa )的水輸送到口 417。在錘往復(fù)運(yùn)動中改變流體 的要求通常由具有流體的管輸送巖石鉆410中的水柱的壓縮和再膨脹來 平衡，由此避免使用底孔氣體加載累積器。
采用180 bar (18Mpa )的水壓和96mm直徑的鉆套管，例如，新的 閥設(shè)計獲得大約25 - 30kW的撞擊能量和接近60Hz的鼓風(fēng)頻率。大約為 150 - 200公升/分鐘的水消耗量獲得了高于0.6米/秒的水沖洗速度，在直 徑為U6mm的孔內(nèi)該速度足以通過提升而帶走垂直鉆井中的巖屑。
可以理解，上述的標(biāo)準(zhǔn)型GIN錘具有這樣的特性，當(dāng)沒有力作用在鉆 刀頭420上時，壓力被施加在活塞錘428上，增壓流體通過活塞錘428 沖出通道。
上述型號為GIN W100/W100S"G2"標(biāo)準(zhǔn)型GIN流體驅(qū)動錘的工作限 制的一個實(shí)例由下表2給出。
表2
1)如果要求不啟動(NOTACTIVATE)錘，按下面的順序執(zhí)行 a)將力減小至大約為0;
b) 向流體錘施加以15gpm的速度流動的流體，結(jié)果是使錘移動到?jīng)_洗
c) 從此時起，控制流體流速和作用在鉆刀頭上的推力，使得 最小流速(gpm) =.025乂力(lbs);或
最大力(lbs) "0x流速(gpm)。
2)如果要求啟動(ACTIVATE)錘，按下面的順序執(zhí)行
a) 將流向錘的流體流速減小至大約為0;
b) 施加最小力5001bs;
c) 應(yīng)用最小流速15gpm;
d) 從此時起進(jìn)行控制，使得
最小力(lbs) = 40x流速(gpm );或 最大流速(gpm ) = .025x力(lbs )。
現(xiàn)在參照圖25，在一個實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)成的鉆頭210由 頭至尾包括作為通用部件的探測器架體/殼體214、流體驅(qū)動錘216和鉆 刀頭總成218。鉆頭210還包括起動桿212。起動桿212的末端213連接 由定向鉆孔機(jī)驅(qū)動的普通鉆桿組。在一個實(shí)施例中，鉆用流體通過鉆桿 組、起動桿212并通過探測器架體214中的通道輸送。該流體還用于驅(qū) 動流體驅(qū)動錘216。
鉆刀頭總成218包才舌鉆刀頭219A和刀頭軸221A，鉆刀頭219A具有 一排切削齒220A，刀頭軸221A (見圖25B)用于將鉆刀頭219A安裝在 流體驅(qū)動錘216的前端。鉆刀頭219A通過插入橫向孔223的滾銷而可拆 卸地安裝在軸221A上。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，帶角度的口 222A(見 圖25B)設(shè)置在鉆刀頭總成218中以將來自流體驅(qū)動錘216的消耗流體 由鉆刀頭219A的前部射出。在帶角度口部222A的鉆用流體用于將來自 鉆刀頭路徑的包括土和/或巖石碎片的鉆屑帶走。
在一個實(shí)施例中，設(shè)置了具有探測器架體214的鉆頭210，其中探測 器架體214包括聯(lián)接件。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該連接件是螺紋件 259,它適于連接到流體驅(qū)動錘216的螺紋端上。如上所述，可以理解，
花鍵連接可以用于將探測器架體214連接在流體驅(qū)動錘216和起動桿212 的任一端。省去了花鍵的相同類型的滾銷連接可以用于將鉆刀頭219A安 裝在軸221A上。
再參照圖25和25A,設(shè)置螺紋端250使得螺紋端250的中心線或縱 軸"l"(彎曲軸)與鉆桿組的縱軸"L"形成角度0。角度0可以由大約0.5。 至大約2.0。變化，通常大約為1.5。。但是，可以理解，角度e受到以下條 件的限制，即鉆頭210可以用于鉆穿固體巖石和可壓縮的土壤。換句話 說，當(dāng)鉆入固體巖石時，彎曲軸的角度不超過預(yù)定的值，使得鉆頭210 不卡在孔中。還可以理解，鉆桿組的指定縱軸L通?？煽拷蛭挥谔綔y 器214和起動桿212處。
流體驅(qū)動錘216連接探測器架體214，使得流體驅(qū)動錘216的長度與 鉆桿組的縱軸"L"形成角度0。角度e形成偏移(或彎曲軸)以使鉆頭210 轉(zhuǎn)向。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會容易理解氣錘216還可以以類似方式連接探 測器架體214的螺紋端250。
在可壓縮物質(zhì)如土壤中鉆孔時，通過利用由探測器架體210和流體驅(qū) 動錘216形成的彎曲軸，操作者可沿要求的偏離方向使鉆頭210由直的 路徑偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)向。例如，盡管沿大體水平方向在土壤中鉆孔，也可以要 求鉆頭210沿通常向上的方向偏轉(zhuǎn)。這可以以下方式來實(shí)現(xiàn)，即通過首 先旋轉(zhuǎn)整個鉆桿組，使得由鉆桿組縱軸"L，，最大程度延伸的流體驅(qū)動錘 216的部分指向要求的偏轉(zhuǎn)方向。當(dāng)將鉆頭210放置在合適的偏轉(zhuǎn)方位上 時，通過由定向鉆孔機(jī)施加鉆孔力而使鉆頭210前進(jìn)。因此，鉆頭210 的路徑才艮據(jù)流體驅(qū)動錘216的方位進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)向操作類似于當(dāng)鉆頭 裝備有用于使鉆桿組偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)向的彎曲件時所使用的操作。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，鉆頭210可以根據(jù)要鉆孔的介質(zhì)特性通過 使用各種技術(shù)而沿要求的方向偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)向。例如當(dāng)鉆通可壓縮土壤時為 了使鉆頭210偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)向，鉆頭210通常不旋轉(zhuǎn)，流體驅(qū)動錘21可以或 不可以被操作。但是，其它土壤類型具有這樣的特性，即為了使鉆頭210 沿合適的方向偏轉(zhuǎn)，單是鉆桿組的推力不足以使鉆頭210偏轉(zhuǎn)。因此， 在某些類型的土壤中，會要求采用流體驅(qū)動錘216向鉆刀頭219A傳遞撞
擊，同時改變在土壤中的方向。
此外，當(dāng)鉆固體巖石時，鉆頭210通常不旋轉(zhuǎn)，通過用流體驅(qū)動錘216 向鉆刀頭219A傳遞撞擊。鉆頭210接著采用與上述采用氣錘16基本相 同的傾斜方法改變在固體巖石中的方向。例如，鉆切出大致圓形，但是 使巖石裂片或底巖(shelf)留在底部并重復(fù)該過程多次。上述的傾斜方 法產(chǎn)生具有圖16所示的具有錐形的立(riser )臺階和直臺階。如上所述， 底巖的動作改變了鉆頭的高度并有助于其改變傾斜角度。
還有中間型土壤，這種土壤具有這樣的特性，即鉆頭210可以旋轉(zhuǎn)小 于360度的圓弧(和/或保持靜止)，同時用流體驅(qū)動錘216對鉆刀頭219A 撞擊，為的是改變在土壤中的方向。而且，該過程可以采用與上述采用 氣錘16相同的傾斜方法來完成。但是在某些條件下，盡管鉆桿組可以在 偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)向過程中旋轉(zhuǎn)，也可以不需要由流體驅(qū)動錘216進(jìn)行的撞擊。
參照圖25B,顯示了鉆刀頭總成218的剖^f見圖。在本發(fā)明的一個實(shí)施 例中，鉆刀頭總成218設(shè)置套筒217內(nèi)，該套筒217具有適于容置鉆刀 頭總成218的內(nèi)表面221和適于容置在流體驅(qū)動錘216末端的外表面 223?？梢岳斫馓淄?17的內(nèi)表面可具有用于容置鉆桿221A的各種部件， 如類似于鉆桿21A的花鍵72B的花鍵，如上所述。此外，套筒217的外 表面223可以具有螺紋，用于將鉆刀頭總成218連接于流體驅(qū)動錘216 的末端，驅(qū)動錘216具有設(shè)置在錘216內(nèi)部的一組配合螺紋。
可以理解，各種鉆刀頭組件可以用于鉆刀頭總成218并與其成一體， 而不背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，鉆刀頭總成218可由Esposito的 W09919596和/或US5778991所/>開類型的鉆刀頭或其它鉆刀頭來替換。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，選擇鉆刀頭是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易明白的設(shè) 計選擇問題。
參照圖25，會理解在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，鉆刀頭219A(如設(shè)置 在鉆刀頭組件18和218中的計量器柱，或其它"非平衡，，鉆刀頭-例如具 有非對稱形狀和/或布置和結(jié)構(gòu)以便以非對稱方式鉆切)的有效轉(zhuǎn)向幾何 形狀應(yīng)該是成直線排列，使得有效轉(zhuǎn)向幾何形狀是位于距離鉆桿組縱軸 "L"最遠(yuǎn)點(diǎn)的位置。此外，鉆刀頭219A的有效轉(zhuǎn)向幾何形狀應(yīng)該是與流
體驅(qū)動錘216的軸"I"成直線排列。因此，在使用前，探測器246 (見圖 22A)的方位應(yīng)該與流體驅(qū)動錘216的方位和鉆刀頭219A的有效轉(zhuǎn)向幾 何形狀對應(yīng)。
現(xiàn)在參照圖26A，探測器246設(shè)置在探測器架體214內(nèi)位于探測器吸 振件255A-B之間。探測器分度器總成251置于探測器246和吸振件 255B之間。
距鉆刀頭219A有效轉(zhuǎn)向幾何形狀的縱軸"L"的最外部分和距流體驅(qū) 動錘216縱軸"l，，的最外點(diǎn)必須與探測器246的方位對應(yīng)。因此，對距縱 軸"L，，的鉆刀頭219A有效轉(zhuǎn)向幾何形狀的最外部和距流體驅(qū)動錘216縱 軸"l"的最外部進(jìn)行這樣的調(diào)整，即，使得它們對準(zhǔn)。設(shè)置探測器分度器 總成251以進(jìn)行流體驅(qū)動錘216和鉆刀頭219A之間和探測器216的最終 方位調(diào)整。
現(xiàn)在參照圖26B-C,探測器分度器總成251包括陰探測器蓋239，該 探測器蓋239具有分度面242和包括凸起241的分度舌部。分度蓋240 與陰探測器蓋239連接。分度蓋240包括分度面253，分度面253與陰探 測器蓋239的分度面242配合。分度舌部凸起241適于與設(shè)置在吸振件 255B中的相應(yīng)槽連接。
探測器分度器總成251的陰探測器蓋239包括小凸起238。陰分度蓋 239通過保持螺栓243連接分度蓋240。保持螺栓243包括保持螺母244 和保持彈簧245。陰探測器蓋239在保持彈簧245的彈力作用下偏向于分 度蓋240?？梢酝ㄟ^保持螺母244來調(diào)整保持力。
在使用中，流體驅(qū)動錘216和鉆刀頭210A的有效轉(zhuǎn)向幾何形狀之間 的方位一旦固定，通過對探測器分度器總成251和探測器246同時轉(zhuǎn)換 角度(例如旋轉(zhuǎn))以便對所有三個部件(如探測器246、流體驅(qū)動錘216 和鉆刀頭219A的有效幾何形狀)進(jìn)行其正確的調(diào)正而完成最終調(diào)整。一 旦三個部件調(diào)整了，探測器246的方位就可以用于決定鉆桿組的偏轉(zhuǎn)方 向，而不論定向鉆孔機(jī)的操作者利用流體錘216的彎曲軸來偏轉(zhuǎn)鉆可壓 縮土壤的路徑，或者不論操作者利用鉆刀頭219A來偏轉(zhuǎn)鉆固體巖石的路 徑。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，可以采用其它技術(shù)和結(jié)構(gòu)完成三
個部件的轉(zhuǎn)換角度而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
現(xiàn)在參照圖27，所示用于鉆孔的系統(tǒng)300包括定向鉆孔機(jī)302。定向 鉆孔機(jī)302包括機(jī)架體304，它具有驅(qū)動件306以使管進(jìn)給和通過螺紋檸 在一起。定向鉆孔機(jī)302用于將具有管的鉆桿組308推入地面下以便鉆 孔。因此為了將鉆桿組308推入地中，定向鉆孔機(jī)302通過驅(qū)動件306 形成沿鉆桿組軸線的推力。
定向鉆孔機(jī)302還裝備有壓力源320，用于產(chǎn)生由流體傳遞的工作壓 力以便操作上述類型(如NIN流體驅(qū)動錘和/或主動沖洗型GIN流體驅(qū) 動錘)的流體驅(qū)動錘。
用于鉆孔的系統(tǒng)300還可包括控制器322，用于檢測和控制由驅(qū)動件 306產(chǎn)生的推力?？刂破?22還可適于檢測和控制壓力源320。
可以理解，控制器322可以是計算機(jī)控制箱，包括一個或多個微處 理器和各種其它控制電路。于1999年9月24日提出的流水號為 09/405,889、名稱為"用于控制地下鉆孔機(jī)的實(shí)時控制系統(tǒng)和方法 (REAL-TIME CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROIXING AN UNDERGROUND BORING MACHINE ),，的美國 專利申請和BischeldUS594412中描述了一種電子控制模塊，這里引入其 全部內(nèi)容作為參考。當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，定向鉆孔機(jī)302的 操作者324還能通過操作控制閥并觀察提供壓力和推力度數(shù)的參數(shù)指示 器以手動方式控制推力和壓力。
鉆孔系統(tǒng)還包括位于鉆桿組308末端的鉆頭310。鉆頭310包括探具 有探測器346的探測器架體314、撞擊錘316和鉆刀頭319。起動桿也可 以撞在鉆頭310內(nèi)。位于地上的定位器326確定探測器346的位置。
在使用中，增壓液體在貫穿鉆桿組308的通道中被輸送，為的是操作 流體驅(qū)動錘316。如上所述，流體驅(qū)動錘316對鉆頭319進(jìn)行撞擊以便鉆 入各種類型的土壤中。但是，可以也可以不要求流體驅(qū)動錘316的撞擊 操作時間。因此，本發(fā)明還提供控制撞擊錘316的接通/斷開(ON/OFF) 狀態(tài)的方法。
現(xiàn)在參照圖28和29，示出了用于控制撞擊錘(如氣動錘或流體驅(qū)動
錘)的ON/OFF的方法。圖28顯示了標(biāo)準(zhǔn)型MN流體驅(qū)動錘的ON/OFF 控制的實(shí)施例，圖29顯示了主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘的ON/OFF控 制的實(shí)施例。可以理解，假定用可壓縮流體來適當(dāng)調(diào)整操作氣錘的閾值 壓力，這些基本原理可以適用于類似于上述氣錘16的氣錘。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解以下方法可以由定向鉆孔機(jī)的操作者或由 定向鉆孔機(jī)的控制模塊(下文中稱為控制器)來實(shí)施。于1999年9月24 日提出的名稱為"用于控制地下鉆孔機(jī)的實(shí)時控制系統(tǒng)和方法 (REAL-TIME CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR
號為09/405,889的美國專利申請中描述了一種實(shí)現(xiàn)這些功能的電子控制 模塊，本文通過引入其全部內(nèi)容而作為參考。
圖28示出了標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動錘的ON/OFF控制方法的一個實(shí)施 例流程圖258。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，假定用可壓縮流體來適當(dāng)調(diào)整 操作氣錘的閾值壓力，這些基本原理適于與上述氣錘16類似的氣錘。
標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動錘的一種操作限制如下
將力施加在至少300-5001bs的鉆桿組上，需要啟動錘的液流將為每 分鐘15至20加侖(gpm ):
1)如果要求不啟動(NOTACTIVATE)錘，則流體流動將限制在
a) 當(dāng)作用在鉆桿組上的力在大約0-5001bs內(nèi)時，流動速度必須設(shè)定為 大約15gpm;
b) 當(dāng)作用在鉆桿組上的力大于約5001bs時，最大流動速度應(yīng)該設(shè)定在最 大流動速度(gpm ) - 0.03x力(lbs );
2)如果要求啟動(ACTIVATE)錘，則流體流動速度應(yīng)該設(shè)定在 最小流速
a)最小流動速度(gpm) :0.03x力(lbs);
因此，在程序塊260,操作者或控制者選擇是否使用錘撞擊功能。如 果不選擇撞擊功能，在程序塊262，操作者或控制者將定向鉆孔機(jī)的流體 流量限制在起動標(biāo)準(zhǔn)NIN流體驅(qū)動錘所需的闊值以下。
接著，在程序塊264，保持流體流量動處于起動標(biāo)準(zhǔn)NIN流體驅(qū)動錘
所需的闊值以下的同時，將定向鉆孔機(jī)的推力調(diào)整到低于起動標(biāo)準(zhǔn)型
NIN流體驅(qū)動錘所需的閾值水平。由于推力和流速之間存在一定關(guān)系， 如果流速超過預(yù)定量，接著推力可以保持低于一定水平，以便保證錘不 起動。 一種順序的實(shí)例包括將流速設(shè)定在要求的水平，然后施加推力。 另外，推力可以首先設(shè)置到要求的水平，然后設(shè)定流速。例如，流速最 初設(shè)定在15gpm，而沒有施加推力。接著一旦推力達(dá)到5001bs，例如， 流速(gpm)可以按比率0.03x力(lbs)提高。
在程序塊266,推力保持在使流體錘不起動的低水平。此外，如果在 鉆孔過程中要求鉆桿組旋轉(zhuǎn)，則將推力限制在低于標(biāo)準(zhǔn)型NIN流體驅(qū)動 錘起動所需的閾值水平。
如果在程序塊260，操作者或控制者選擇使用錘撞擊功能。則過程切 換到程序塊270。在程序塊270，流體流量提高到流體驅(qū)動錘所需的闊值 以上的水平。另外，定向鉆孔機(jī)提供的推力提高到起動流體驅(qū)動錘所需 的閾值水平以上。
圖29是主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘的ON/OFF控制方法的一種實(shí)施 例流程圖278。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，假定用可壓縮流體來適當(dāng)調(diào)整 操作氣錘的閾值壓力，這些基本原理適于類似于上述氣錘16的氣錘。
如上所述，主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘的一種操作限制實(shí)例如下 1)如果要求不啟動(NOTACTIVATE)錘，按下面的順序執(zhí)行
a) 將力減小至大約為0;
b) 向流體錘施加以15gpm的速度流動的流體，結(jié)果是使錘移動到?jīng)_洗 位置；
c) 從此時起，控制流體流速和作用在鉆刀頭上的推力，使得 最小流速(gpm) :.025x力(Ibs);或
最大力(lbs ) = 40x流速(gpm )。
2)如果要求啟動(ACTIVATE)錘，按下面的順序執(zhí)行
a) 將流向錘的流體流速減小至大約為0;
b) 施加最小力5001bs;
c) 應(yīng)用最小流速15gpm;
d)從此時起進(jìn)行控制，使得
最小力(lbs) =40><流速(gpm);或 最大流速(gpm ) = .025x力(lbs )。
在程序塊280，操作者或控制者選擇是否使用錘撞擊功能。如果選擇 撞擊功能，在程序塊282,操作者或控制者降低定向鉆孔機(jī)形成的推力， 同時保持鉆桿組中鉆用流體的壓力。推力的降低與保持鉆用流體的合成 作用迫^f吏鉆刀頭沿向著鉆孔方向的前方移動，由此4吏主動沖洗型GIN流 體驅(qū)動錘轉(zhuǎn)換到?jīng)_洗位置。在沖洗位置，驅(qū)動錘316不往復(fù)移動，鉆用 流體僅穿過口 222A。
在程序塊284,鉆孔過程現(xiàn)在以普通方式進(jìn)行，而不借助主動沖洗型 GIN流體驅(qū)動錘的撞擊動作?？梢岳斫猓阢@桿組中沒有鉆用流體(泥 漿流)存在時，可以不施加推力，這是因?yàn)槭┘恿送屏Χ淮嬖阢@用流 體壓力會使鉆刀頭219A沿定向鉆孔機(jī)的方向向后移動。此外，鉆用流體 流量，壓力或流速應(yīng)該控制在將作為推力作用而改變的一定預(yù)定限度。 可以理解，該P(yáng)艮度會由控制器自動控制。
在程序塊286，對流體驅(qū)動錘進(jìn)行檢測，為的是決定是否不小心起動 了。如果沒有，繼續(xù)進(jìn)行無撞擊鉆孔。否則，繼續(xù)執(zhí)行程序塊282的過 程，直到驅(qū)動錘316停止工作。
如果操作者或控制器在程序塊280選擇錘的撞擊功能，過程轉(zhuǎn)換到程 序塊288，使鉆用流體流量接著基本降低到大約為0。如程序塊290所示， 接著通過定向鉆孔機(jī)向鉆桿組施加推力，從而迫使鉆刀頭219A向著定向 鉆孔機(jī)向后移動，由此使主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘離開其沖洗位置。
在程序塊292，操作者或控制器接著增大鉆用流體流量直到主動沖洗 型GIN流體驅(qū)動錘開始撞擊過程并繼續(xù)進(jìn)行鉆孔過程。操作者或控制器 接著控制起推力作用的鉆用流體流量，使得如果鉆孔推力小，則減小鉆 用流體流量以避免不小心將主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘轉(zhuǎn)換到其沖洗位 置。
在程序塊296，對主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘進(jìn)4亍檢測，為的是決定 是否不小心起動了。如果沒有，則繼續(xù)撞擊鉆孔。否則，繼續(xù)執(zhí)行程序
塊288的過程，直到主動沖洗型GIN流體驅(qū)動錘開始撞擊工作。
盡管為了公開本發(fā)明而圖示說明了本發(fā)明的某些實(shí)施例，但是本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對這里所述的本發(fā)明方法和裝置進(jìn)行改變，這些改變 在由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)施。
權(quán)利要求
1、一種在可壓縮土壤中使用的水平定向鉆孔機(jī)，具有鉆桿組和鉆頭，所述鉆桿組的近端連接定向鉆孔機(jī)，所述鉆頭連接所述鉆桿組的遠(yuǎn)端，包括 鉆刀頭，通常適于鉆穿巖石并具有鉆穿巖石的結(jié)構(gòu)； 檢測所述鉆刀頭角度方位的裝置，輸出對應(yīng)所述方位而產(chǎn)生的信號；以及 偏移連接件，其第一端連接所述鉆桿組，第二端連接所述鉆刀頭，所述連接件偏離所述鉆桿組的縱軸，其中，響應(yīng)所述產(chǎn)生的信號對所述偏移件定方位以控制所述鉆刀頭的方向。
2、 如權(quán)利要求1所述的鉆孔機(jī)，進(jìn)一步包括置于所述偏移連接件和所述 鉆刀頭之間的由流體驅(qū)動的錘。
3、 如權(quán)利要求1所述的鉆孔機(jī)，其中所述鉆刀頭進(jìn)一步包括適于控制所 述鉆刀頭方向的有效轉(zhuǎn)向幾何形狀。
4、 如權(quán)利要求3所述的鉆孔機(jī)，其中所述有效轉(zhuǎn)向幾何形狀是由遠(yuǎn)離鉆 桿組縱軸的最外點(diǎn)徑向向外偏移的并且其上設(shè)有一個或多個面向前方的 計量切削齒的計量器柱，所述一個或多個計量切削齒適于切過小于所述 鉆刀頭一整轉(zhuǎn)形成的角度。
5、 一種采用水平鉆孔機(jī)并控制所述鉆孔機(jī)的鉆頭方向而在介質(zhì)中進(jìn)行鉆 孔的方法，包括推動位于鉆桿組前端的所述鉆頭穿過介質(zhì)，同時用通過流體驅(qū)動的錘 撞擊位于所述鉆頭遠(yuǎn)端的鉆刀頭，其中所述鉆刀頭包括適于控制所述鉆頭方向的有效轉(zhuǎn)向幾何形狀和所述鉆頭；采用裝在所述鉆頭上的檢測角度方位的裝置定期檢測所述鉆刀頭的角度方位；以及通過以下方式控制鉆頭方向(a) 如果鉆入可壓縮土壤，在通過推動所述鉆桿組進(jìn)行鉆孔中改變 方向，使得所述鉆頭沿偏移連接件的方向偏離，所述連接件由所述鉆 桿組縱軸的中心線偏移，而不由所述錘撞擊所述鉆刀頭并且不旋轉(zhuǎn)所述 鉆桿組；或者(b) 如果鉆入巖石，則用所述錘撞擊所述鉆刀頭，使得所述鉆刀頭 沿所述有效轉(zhuǎn)向幾何形狀偏離。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括如果在預(yù)定介質(zhì)中鉆孔，在通過推動所述鉆桿組進(jìn)行鉆孔過程中改變 方向，使得所述鉆頭沿所述偏移連接件的方向偏離，并用所述錘撞擊所 述鉆刀頭并且不旋轉(zhuǎn)鉆桿組。
7、 如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述鉆頭鉆入了可壓縮土 壤還是巖石。
8、 如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括確定是否起動所述錘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在可壓縮土壤中使用的水平定向鉆孔機(jī)，具有鉆桿組和鉆頭，所述鉆桿組的近端連接定向鉆孔機(jī)，所述鉆頭連接所述鉆桿組的遠(yuǎn)端，包括鉆刀頭，通常適于鉆穿巖石并具有鉆穿巖石的結(jié)構(gòu)；檢測所述鉆刀頭角度方位的裝置，輸出對應(yīng)所述方位而產(chǎn)生的信號；以及偏移連接件，其第一端連接所述鉆桿組，第二端連接所述鉆刀頭，所述連接件偏離所述鉆桿組的縱軸，其中，響應(yīng)所述產(chǎn)生的信號對所述偏移件定方位以控制所述鉆刀頭的方向。
文檔編號E21B10/56GK101363307SQ200810214870
公開日2009年2月11日 申請日期2001年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者蘭迪·R·朗奎斯特, 詹姆斯·R·蘭金, 馬克·萬霍威林根 申請人:維米爾制造公司