[发明专利]用于控制地下钻孔的地下钻机和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于控制地下钻孔的地下钻机和方法。更具体地，本发明 涉及用于水平定向钻的地下钻机，以及钻孔功能自动控制的改进方法和用于钻 孔功能自动控制的装置。

背景技术

出于对安全和美观的考虑，用于水、电、气、电话和有线电视的公用事业 管线经常敷设在地下。有时，地下公用设施被埋设在一条管沟中然后进行回填。 然而，挖管沟是耗费时间的，并对现有的建筑物或道路造成严重损害。因此， 像水平定向钻(HDD)这样的替代方法越来越普及了。

典型的水平定向钻机包括其上安装旋转驱动机构的框架，该旋转驱动机构 可以沿框架的纵轴可滑动地移动，当沿框架滑动时绕钻柱纵轴旋转钻柱，以将 钻柱推入地下或从地下退出。钻柱包括管柱上连接在一起的一根或多根钻杆。

钻具被安装在钻柱离开HDD水平钻机最远的末端。例如，当钻柱被推进 到本来不存在井孔的地下时，钻头被使用。同样地，回扩孔装置被用来扩大钻 出的井孔，并在在井孔被钻出以后钻柱被收回时使用。这些钻具可以包括针对 特定地层设计的相当多的土壤切割装置，例子包括剪切土壤的切削刃和当在岩 石状况下钻孔时将钻柱的纵向力集中于一个集中范围以破碎地层的压力部件。 对于两种情况中的任一种，钻具的运行包括旋转运动和纵向(或推进)运动。

钻机包括允许操作者控制钻柱的旋转运动和纵向(也被称为推进)运动， 从而控制钻具的控制装置。典型地，旋转运动和推进运动的幅度与控制装置的 位置成比例。旋转运动和推进运动的最优设置依赖于多种因素，例如土壤条件、 地层以及钻具的类型。因此，操作者有必要以各个特定的钻孔情况为基础建立 最优的设置。然而，在某些情况下，土壤情况可以变化得很快，特别是当钻具 穿过土壤前进并遇到不同密度和类型的土壤的时候，例如粘土和岩石。在这种 情况下，操作者可能不能足够快地调整设置以补偿这些变化。通过参考，将授 予Bischel的美国专利5,746,278在这里包括进来，其披露了独立于操作者的输 入并自动调整旋转运动和推进运动设置的控制系统。

在一些情况下，钻孔工艺要求维持旋转运动的和推进运动设置的一致值， 进而要求操作者在相对很长的时间里把控制维持在适当的位置。然而对于操作 者而言，要在相对很长的时间里精确地维持控制的位置而不会疲劳或丧失注意 力是很困难的。在这种情况下，一旦操作者确定了转动和推进的最优水平，控 制系统可以被设置为自动维持钻孔参数。以这种方式配置的控制系统允许操作 者首先人工设定期望的旋转运动和推进运动参数，然后通过按下单独控制装置 (例如一个开关)以维持这种状态，其中该单独控制装置使得控制系统在操作 者放掉控制装置时维持这些设置。虽然控制装置通常返回到它们的空档位置(转 动和推进运动被设置为零的位置)，转动和推进运动设置被自动地维持在优选的 操作状态。

然而钻孔操作通常必须周期性地中断，例如在钻孔期间需要给钻柱增加钻 杆时或在回扩孔期间需要将钻杆从钻柱上去掉时。当钻孔工艺恢复时，钻头必 须从静止状态转换到钻进状态。钻进状态通常被定义为包括向着土壤的转动和 推进。为了达到这种状态，控制系统可以进一步配置恢复旋转运动和推进运动 的参数，这些参数在钻孔操作被中断之间就已经存在了。然而，当控制系统试 图很快地恢复旋转运动的和推进运动设置时，钻具和钻柱会遇到很高的负荷。 这种高负荷会损害钻具和钻柱，并导致钻进性能变差。因此，需要一种优化的 钻孔恢复工艺的和实现这一目的的装置。

发明内容

本发明的一个方面包括控制地下钻具的方法。该方法包括设定钻具的转速， 并设定钻具的轴向推力。如上面指出的，钻具旋转和轴向推进的设定速度通常 被周期性地中断，例如向钻柱增加钻杆时。钻进中断之后，在钻具轴向的推进 设定值于增大的轴向推进的设定速度处恢复之前，先恢复设定的钻具转速。尽 管在这里周期性地使用术语来描述钻进状态的中断，但是应当理解到，只需要 一次这样的钻进状态的中断和恢复来实现本发明的原理。