专利名称：双管水平定向钻孔系统的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种用于定向钻孔的设备和方法。
背景技术：
用于形成地下孔的定向钻孔机和方法是已知的。典型的定向钻孔机通常被构造成将一串首尾相连以形成钻柱的钻杆驱动到地面中。旋转钻具位于钻柱的端部处。通常，钻具的旋转由泥浆电动机驱动或通过使钻柱本身轴向旋转而被驱动。可以使用各种技术和结构以在钻孔操作期间提供对钻柱的转向。需要对定向钻孔机、与这种定向钻孔机一起使用的钻柱以及定向钻孔方法提出改进。
发明内容
本发明提供一种用于与双管钻柱结构一起使用的钻机驱动单元和钻柱组装和拆卸方法。钻机驱动单元包括被构造成独立于彼此旋转的伸缩式外驱动轴和内驱动轴。所述方法涉及连接和拆开双管钻柱的内轴和外轴。
图1A-B是根据本发明的钻机的一个实施例的立体图；图2是与图1的机器类似的钻机的钻柱驱动组件的侧视图，其中在一端上具有本发明的驱动组件和本发明的拆卸机构，在另一端具有设置在与单个底部钳夹装置纵向分隔开的位置的一对钳夹装置；图3是图2的俯视图；图4是类似于图3的俯视图，且具有本发明的拆卸组件，且一对钳夹装置设定在与单个底部钳夹装置相邻的位置；图5是沿图4的线5-5截得的剖视图；图6是沿着图3的线6-6截得的放大剖视图；图7是图5所示的拆卸机构的分解图；图8是在内杆驱动器伸出的情况下如图5所示的驱动单元的放大剖视图；图9是在内杆驱动器伸出的情况下与图8类似的驱动单元的放大剖视图；图10是图8和图9所示的钻杆驱动单元的分解图11是钻柱驱动组件的液压回路的一部分；图12是连接到本发明的钻柱驱动器的钻头的横截面；图13是处于分解结构下的钻头的横截面；图14a_14k显示将钻杆添加到第一结构的钻头的操作顺序；图15a_15j显示将钻杆添加到第二结构的钻头的操作顺序；图16a_16n显示从第一结构的钻头移除钻杆的操作顺序；图17a_17n显示从第二结构的钻头移除钻杆的操作顺序；图18a和18b显示控制系统；图19是典型的钳夹装置的示意图；图20是本发明的钳夹组件处于第一方向的等角投影图；以及图21是本发明的钳夹组件处于第二方向的等角投影图。
具体实施例方式图1A-B显示了可以使用本发明的各种方面的机器的示例。该所示的示例显示了被构造成主要用于水平面钻孔的钻机，其中孔将以通常当从水平面测量时在10度与30度之间的角度进入地面。本发明不局限于该结构，并且可以被应用于通常包括相同的基本机器元件的被构造成用于垂直钻孔的钻机。钻机10的基本元件包括底盘12，所述底盘12在一些实施例中被可移动地支撑在轮子或履带13上。底盘12支撑钻柱驱动组件14和拆卸机构20。钻机10还包括钻杆装载组件22。在所述的实施例中，底盘12的下向孔端连接到将底盘固定到地面的被显示为一对设标桩(stake down) 132 > 134的锚定机构130。钻柱驱动组件14被构造成使钻柱24绕着钻孔轴线15旋转，并通过沿着齿条纵向移动而推拉钻柱24。钻柱24由已经首尾相连的任何数量的单独的钻杆25组成。可以通过控制倾斜机构17(例如，液压缸)调节钻柱驱动组件14相对于地面的角度。换句话说，倾斜控制机构17可以用于当钻柱24被引入到地面中时控制钻柱24的垂直方向。钻杆装载组件22被构造成在钻柱驱动组件14与钻杆储存单元之间输送钻杆25。在所述的实施例中，钻杆装载组件22被显示为杆盒，所述杆盒被构造成以多个垂直列23存储钻杆25。一对装载臂19、21设置在杆盒的下端处以在钻柱24插入过程(这里还被称为杆添加过程)期间使来自杆盒的钻杆25移动成与钻孔轴线15对准并在钻柱24收回过程(这里还被称为杆拆卸过程或杆移除过程)期间使来自杆盒的钻杆25不与钻孔轴线15对准而返回到杆盒。仍然参照图1A和IB，所述实施例的钻柱驱动组件14还包括驱动单元16。钻柱驱动单元16被构造成被朝向拆卸机构20驱动以将钻柱24的一部分推入到地面中和被远离拆卸机构20驱动以从地面拉动钻柱24的一部分。在推拉期间，钻进单元16还可以使钻柱24绕着其纵向轴线旋转。在所述的实施例中，钻柱驱动组件14包括接合框架18上的齿条138的托架136。托架136支撑驱动单元16并使驱动单元16相对于框架18在轴向方向上移动。在所述的实施例中，托架136包括两个液压电动机104、103，所述液压电动机驱动托架136沿着齿条138移动。拆卸机构20被构造成在钻柱的多个部分(钻杆25)被添加或移除的同时将钻柱24保持在适当的位置。在钻杆添加过程中，拆卸机构20固定钻柱24的上端，同时钻杆装载组件22使要被添加到钻柱24的钻杆25与钻柱24的上端和驱动单元16对准。对于没有杆装载机构的机器来说，钻杆以交替法被保持对准。一旦新添加的杆25的下端固定到钻柱的上端，拆卸机构20释放钻柱24,从而允许驱动单元将钻柱24进一步旋转和推入到地面中。在钻杆移除过程中，拆卸机构20固定钻柱24的上端，同时要被移除的钻杆脱离钻柱24并通过钻杆装载组件22被输送成不与钻柱24对准。对于没有杆装载机构的机器，钻杆以交替法被保持对准。一旦杆被移除，驱动单元16向下移动到钻柱24的上端并与所述上端连接。拆卸机构20然后释放钻柱24的端部，从而允许驱动单元旋转钻柱24并将钻柱24进一步从地面拉出。本发明包括钻机的尤其对其中钻柱是具有外构件和内构件的双管、双管道或双杆结构的钻孔系统有益的特征。外构件有时被称为套管，但是在本发明中外构件被称为外杆或外管，而内构件将被称为内杆或内管。在本文献中，钻孔系统将被称为双杆系统。在一些情况下，连接到钻柱之前的每一个单独的钻杆由内杆和外杆组成。可选的机器被构造成单独地操纵外杆和内杆。将在被构造成操纵作为由外杆和内杆形成的组件的杆的机器的上下文下说明本发明的元件和采用这些部件的方法，但是许多特征可以与被构造成单独操纵内杆和外杆的机器一起使用。总体参照图2-7，显示了钻机10的实施例。在所述的实施例中，钻杆驱动系统1000包括下钳夹组件1400(这里也被称为拆卸机构)、齿条1600和钻杆驱动单元1800。下钳夹组件1400包括下钳夹装置2400、中间钳夹装置2600和上钳夹装置2800。在所述的实施例中，本实施例的中间钳夹组件和上钳夹组件包括都被构造成夹持和松开以及沿着齿条1600横向移动的钳夹装置，如由图3和图6的比较所示，钳夹装置2600和2800处于与下钳夹装置2400分离的位置，如图4和图7所示，钳夹装置2600和2800与下钳夹装置2400相邻移动到交替位置。参照图19，在这些说明中所示的钳夹机构被构造成具有钳夹臂，所述钳夹臂由钳夹缸致动以迫使钳夹模与钻杆接合。对于执行类似功能的钳夹装置具有许多可选设计，包括一对夹持缸定位在钻杆的相对侧以使钳夹模直线移动以与钻杆接合的装置。本发明总之不旨在限于仅与这里所示的钳夹装置类型一起使用。参照图20和21，更加详细地显示了本发明的钳夹装置。如上所述，钳夹装置包括下钳夹装置2400、中间钳夹装置2600和上钳夹装置2800。中间钳夹装置2600可以相对于其他钳夹装置旋转。在本文中随后更加详细地描述的本发明的操作方法具有对不同类型的机器有用的性能。将在与这里所述的杆驱动单元一起使用的上下文下更加详细地描述所述操作，但是本钳夹装置的应用不旨在限于与该钻杆驱动机构一起使用。本发明的钻杆驱动单元1800包括位于齿条1600上的托架3000，所述托架支撑具有用于使双杆钻柱的内杆旋转的内杆驱动主轴的内杆驱动组件和具有用于使双杆钻柱的外杆旋转的外杆驱动主轴的外杆驱动组件3400。杆驱动单元1800还包括用于使内杆驱动主轴相对于外杆驱动主轴延伸足以确保整个系统的正确操作的距离的补偿组件3600，如以下更加详细地所述。在图5、8和9中更加详细地显示了本发明的钻杆驱动单元1800，所述钻杆驱动单元1800具有被构造成提供旋转转矩以旋转地驱动内杆的内驱动组件3200、被构造成将旋转转矩提供给被构造成旋转地驱动外杆的外杆驱动主轴506的外驱动组件3400、和被构造成纵向驱动内驱动组件3200和外驱动组件3400的托架3000。驱动单元1800包括支撑两个液压电动机518和520的外杆驱动器齿轮箱500、外杆驱动轴504、主动轴502和一组齿轮505和503。这些部件被构造成通过包括连接到适配器504的主动轴502并包括外杆驱动主轴506的装置将旋转驱动转矩提供给外杆驱动主轴506，所述外杆驱动主轴被构造成螺纹连接到钻柱的钻杆的外构件的端部上。钻杆驱动单元1800还包括支撑图10所示的液压电动机515的内杆驱动器齿轮箱516。图5、8和9以横截面视图显示了与齿轮519啮合的齿轮517，所述齿轮517由电动机515驱动，以将旋转转矩提供给连接到中空花键轴501的齿轮517，所述中空花键轴可以相对于外钻杆驱动组件3400在纵向方向上滑动。中空花键轴501 (这里也被称为补偿轴)连接到中空内杆适配器512。内杆适配器512包括在其远端处的内杆驱动主轴514，所述内杆驱动主轴514被构造成螺纹连接到钻柱的钻杆的内杆的端部上。在所述的实施例中,花键轴501的旋转由内杆驱动齿轮箱516驱动。在所述的实施例中，中空花键轴501被部分地容纳在构造成旋转的主动轴502以及活塞管524内。钻泥被供应到活塞管524的后部空间530并通过中心孔花键轴501和内杆适配器512被运送到钻柱。另外，允许泥浆流出内杆适配器512的孔528进入内杆适配器512的外表面与主动轴502的内表面之间的空间526中。在所述的实施例中，花键轴501的外表面与活塞管524的内表面之间的空间534以及花键轴501的外表面与主动轴502的内表面之间的空间535容纳润滑油。润滑油润滑花键轴501与齿轮箱516之间的连接。第一密封轴承组件536设置在花键轴501的近端538处。第一密封轴承组件536被构造成防止泥浆进入空间530和污染该空间530内的润滑油。第一密封轴承组件536被构造成允许花键轴501相对于活塞管524旋转。第二密封轴承组件540设置在花键轴501的远端处。第二密封轴承组件540被构造成防止泥浆进入空间535并污染该空间535内的润滑油。第二密封轴承组件540被构造成允许花键轴501相对于主动轴502旋转。可以通过增加(或减小)空间534或535内的油的体积来控制花键轴501的横向位置(花键轴501伸出的程度)。在所述的实施例中，花键轴501通过由期望的压力增加油体积而伸出和通过与钻柱的钻杆的机械接合缩回。在所述的实施例中，空间534和535互相流体连通；因此，两个空间中的液压压力是相同的。参照图11，显示了用于补偿组件3600的液压回路的部分。液压回路被构造成防止液压系统污染，如果空间530或526中的泥浆通过第一密封轴承组件536或第二密封轴承组件540泄漏到空间526或535中，则会产生所述液压系统的污染。为了防止该污染，系统被设计成使得油压略大于泥浆压力。在操作中，泥浆中的压力可能会非常不可预期并迅速地改变。本系统提供即使当泥浆压力急剧达到峰值时也可以保持空间534和535中的液压压力处于大于泥浆压力的水平的结构。在所述的实施例中，防污染系统是无源的，这是在于该防污染系统不依赖于主动控制系统(例如，测量泥浆和控制阀或泵中的压力以保持一定压差)。在所述的实施例中，系统是瞬时的，这在于泥浆压力的增加导致液压流体压力的直接增加。在所述的实施例中，增压器组件544包括与含有泥浆的空间526流体连通的第一管路546和与含有液压流体的空间534/535流体连通的第二管路548。在所述的实施例中，第二管路548与用于增加或减小空间534/535中的油的体积的控制阀549和泵547流体连通，以在建立钻柱或拆卸钻柱的过程期间使内驱动组件3200相对于外驱动组件伸出和缩回。在所述的实施例中，无源增压器组件544被构造成不管该有源流体控制部件是在通常的钻孔(例如，钻杆的推进和旋转)期间被关闭或是当在钻柱的组装和拆卸期间使内杆驱动组件3200伸出和缩回时被启动都作用。第一管路546被弓I导到具有活塞表面的缸组件522的第一部分550，且所述活塞表面具有第一区域，第二管路548被引导到具有第二区域的缸组件522的第二部分554。第一管路546还与泥浆泵流体连通，所述泥浆泵通过空间530和526将泥浆供应给钻柱。第一区域550大于第二区域554，这使得第二部分554中的压力大于第一部分550。活塞的第一区域与第二区域的比与缸组件522的两个部分之间的压差成比例。因此，空间530和526中的泥浆的压力增加(峰值)将导致空间534/535中的相应液压压力增加(峰值)。图11中示出了示例性活塞尺寸。由于上述钻杆驱动单元1800的结构，在外杆驱动器506可以相对于托架3000处于固定位置的同时，内杆驱动器514可以移动纵向。由中空花键轴501和主动轴502的长度确定内杆驱动器514可以移动的距离，因此所述距离是一种设计选择。利用这种结构，所述距离可以有利地地超过十二英寸。所述的本发明的结构通过被设定为近似为二十四英寸的该距离而提供紧凑的结构。在其它实施例中，通过这些部件的修改，可以将该距离设计成最少为四英寸，或大于四英寸的任何距离(例如，十二英寸)。如图2中所示，钻杆驱动单元安装在托架3000上，所述托架3000被构造成沿着齿条1600移动。应该理解的是具有许多可选的方法使托架沿着齿条移动。所述的系统包括给与齿条齿轮3002接合的小齿轮提供动力的液压电动机104。小齿轮的旋转使托架沿着齿条在任一方向上移动，从而使钻杆纵向移动，同时外驱动组件3400能够独立旋转外杆驱动主轴506，而内杆驱动组件3200能够独立旋转内杆驱动主轴514。另外，如先前说明中所述，驱动组件提供一种控制外杆驱动主轴506相对于内杆驱动主轴514的相对纵向位置和移动的方法。托架组件另外被构造成允许托架与外驱动组件之间的少量相对移动。所述的实施例包括滑杆，所述滑杆提供运动自由度，使得在其中不需要整个托架的移动的螺纹连接操作期间，外驱动组件和内驱动组件可以纵向移动。通过所述的这种性能，驱动机构被构造成连接到双杆钻柱，所述双杆钻柱连接到图12和13所示的钻头160，如以下更加详细地所示。图12和图13的钻头160类似于图1中的附图标记112所示的钻头，所述钻头包括被显示为三锥牙轮钻头的切削结构162。钻头162连接到由轴承166支撑在壳体172内的钻头适配器162。壳体172包括为公知为弯接头的结构的偏置弯管部分，其中轴承安装孔174的轴线178与主体176的主轴线有角度地偏离。钻头适配器还连接到将来自内驱动轴170的旋转转矩传递给钻头适配器164的传输元件168。利用这种结构，钻头由主体定位，同时通过内驱动轴旋转。钻头还包括被构造成用于支承探测器的空腔179，所述探测器是可以将关于壳体172的位置和方向的信息传送给地面的部件。壳体172被构造成连接到适配器190。所述的实施例包括具有螺纹端180的壳体，所述螺纹端180被构造成配合到适配器的螺纹端192中。适配器190的相对端部被构造成连接到外杆28。所述的实施例包括具有通常被公知为公接头(Pin)的阳螺纹端194的适配器，且外杆28具有被公知为母接头(box)的阴螺纹端。适配器可以被构造成在端部194上具有母接头，其中钻杆28需要在配合端部上具有公接头。钻杆28的相对侧被构造成连接到外杆驱动主轴506。所述的示例显示了外杆的具有母接头的下向孔端和外杆的具有公接头的上向孔端，且外杆驱动主轴具有母接头。应该认识的是母接头/公接头布置可以颠倒，驱动主轴可以可选地是公接头，且所有以下连接也可以颠倒。采用任一种结构，钻头160的壳体172都直接连接到外杆驱动主轴506。因此，通过旋转外杆驱动主轴506控制作为壳体172的一部分的弯接头的方向。该性能用于控制孔的前进方向。移动钻头所需的通常被称为钻压的力可以通过外钻杆、通过轴承166传递给钻头适配器164。依此方式，外杆能够控制钻头的位置、钻头的旋转位置和纵向位置。钻头162的旋转由内杆提供，且扭矩通过传动装置168被传递，所述传动装置168在一端连接到钻头适配器，而在相对端连接到钻头的内驱动轴170。内驱动轴182的相对端被构造成连接到适配器190的内驱动构件196。当端部182连接到端部198时出现钻头的内驱动轴170与适配器190之间的连接。该连接可以以包括以下所述的至少两种可选方式被构造而成例如在两个端部螺纹连接以进行配合连接的情况下的刚性连接，或者在端部滑动接合的情况下的非刚性连接，例如在端部182具有六边形外轮廓，并且端部198具有带有六边形内轮廓的孔，使得连接将传递转矩但不会传递纵向力的情况。这两种可选结构影响机器的其它部件的结构，如以下将更加详细地说明。在任一种结构中，内驱动构件196的相对端部200被构造成与内杆螺纹连接。所述的结构包括被构造成公接头端部的端部200,且内杆26的配合端部被构造成为母接头端部。如上所述，在外杆的说明中，该公接头/母接头布置可以互换，并且任一种布置都可以操作。一旦完成所有连接，内杆驱动器514将被连接以将旋转动力传递给钻头。内杆驱动器514相对外杆驱动器506的纵向运动的作用将受到端部182与198之间的连接的设计选择的影响。如果该连接是刚性的，则一旦所有杆连接完成，则内杆驱动器514与外杆驱动器506之间不会存在相对移动，并且这两个驱动器的相对位置将受到内杆和外杆的累计长度的影响。由于内杆和外杆两者的长度都具有一些固有变化，因此需要能够调节内杆驱动器514和外杆驱动器506的相对位置以补偿内钻柱相对于外钻柱的长度的差值。例如,在由10英尺长钻杆制成的500英尺的钻柱并且可能的长度差为每个钻杆1/4英寸的情况下，该差值可以相当大，内钻柱与外钻柱之间的长度差可以超过10英寸。补偿该长度差值的能力由本发明的先前所述的钻杆驱动单元来提供。除了提供对长度差的累加的补偿之外，还需要本发明的钻杆驱动单元允许内杆驱动器相对于外杆驱动器移动的能力，以能够使钳夹装置在组装和拆卸作用期间夹持内钻杆。为了强调钻孔系统的灵活性，说明了四个不同的组合a)图14a_14k显示了本发明的与内杆驱动器和外杆驱动器的移动协作从而以组装顺序添加钻杆的钳夹组件的移动顺序,其中内杆刚性连接到钻头的内驱动轴；b)图15a_15j显示了本发明的与内杆驱动器和外杆驱动器的移动协作从而以组装顺序添加钻杆的钳夹组件的移动顺序,其中内杆非刚性地连接到钻头的内驱动轴；c)图16a_16n显示了本发明的与内杆驱动器和外杆驱动器的移动协作从而以拆卸顺序移除钻杆的钳夹组件的移动顺序，其中内杆刚性连接到钻头的内驱动轴；
d)图17a_17n显示了本发明的与内杆驱动器和外杆驱动器的移动协作从而以拆卸顺序移除钻杆的钳夹组件的移动顺序，其中内杆非刚性地连接到钻头的内驱动轴。图14a_14k显示的顺序开始于杆驱动器514和506，所述杆驱动器514和506连接到第一钻柱构件，并沿着齿条定位在行进端部处。图14a显示了连接到仅包括适配器190和钻头160的钻柱的驱动器。在该位置，驱动器更通常连接到钻杆25，但是钳夹装置和驱动器的功能在任一种情况下是相同的。如图14a所示，当外驱动主轴与钻柱之间的连结部与下钳夹装置2400相邻时，开始所述过程。一旦在该位置，下钳夹装置被夹持到钻柱的外杆上，如图14b所示，钻柱仅包括适配器和钻头。可以以手动或自动方式实现外杆驱动器的适当定位以开始该第一夹持步骤，其中在所述手动方式中，操作者观察所述过程并直接操作控制，在所述自动方式中，控制系统被构造成监测来自位置传感器的信号并调节到机器系统的控制信号以独立于操作者输入控制所述过程。在钻柱被下钳夹装置2400夹持之后，外杆驱动器506旋转并被拉回，如图14b所示，以露出内杆，并到达外杆可以被润滑的位置。中间钳夹装置2600和上钳夹装置2800然后被重新定位成与内杆中的接头对准。图18a和18b显示了提供将钳夹装置定位在恰当位置以实现上述步骤的能力的系统。图18a显示了包括固定到齿条1600的前钳夹装置2400的系统的元件。钳夹装置2600和2800安装到可以相对于齿条移动的钳夹装置托架2200。缸2210用于定位钳夹装置托架，并包括连接到控制器2220以监测钳夹装置2600和2800的位置的变换器。控制器2220可操作地连接到控制缸2210的伸出和缩回的系统，如果缸为液压缸形式，则所述缸可以包括液压系统，或者如果缸为电气线性致动器形式，则所述缸可以包括电气系统。所述系统还包括支撑在托架3000上的钻杆驱动单元1800，且外杆驱动器齿轮箱500支撑在齿轮箱托架3010上。托架3000沿着齿条1600的位置由旋转编码器测量，所述旋转编码器可操作地连接到控制器2220以监测小齿轮的旋转并连续计算托架的位置。如先前所述，存在多种方式沿着齿条推动托架，且小齿轮和齿条齿轮是一种示例方式。旋转编码器的使用同样是监测托架的位置的多种可选方法的一种选择。关键特征在于变换器产生控制器2220监测以确定托架位置的信号。虽然未示出，但是控制器为控制托架的移动的系统产生控制信号。为了可靠地控制组装钻杆和拆卸钻杆的过程，控制系统需要能够确定外杆驱动器和内杆驱动器的位置。由于内杆驱动器可以相对于外杆驱动器移动，因此控制系统的第一实施例包括提供控制器2220可以使用以确定所述相对位置的信号的变换器3030。同样地，由于外杆驱动器可以通过齿轮箱托架3010相对于托架3000的移动相对于托架移动，因此系统包括提供控制器2220可以使用以确定所述相对位置的信号的变换器3020。通过由这些不同变换器提供的信息，控制器2220能够监测所有部件的相对位置，并且执行所需的控制指令以可靠地执行预定顺序的步骤。控制系统的可选实施例不包括变换器3030或3010，而是可选地包括控制逻辑，所述控制逻辑在所述过程的特定阶段相对于外杆驱动器将内杆驱动器定位在已知位置处并相对于主托架将齿轮箱托架定位在已知位置处，然后使用由旋转编码器的产生的信息计算杆驱动器的位置。图18b中显示了用于与具有固定连接到尤其值得注意的内钻柱的钻头一起使用的示例过程中的一个阶段的状态。在钻柱的外杆被下钳夹装置2400夹持并且被移除的杆的外杆被松开并被拉回以露出内杆之后，然后需要定位钳夹装置托架以使钳夹装置与内杆的接头适当地对准。该接头的位置受内钻柱的长度的影响，所述内钻柱的长度由于单个内杆的长度的变化而变化。内杆钻柱的范围可以从所示的没有内杆件、其中驱动器连接到适配器的示例到可以具有20或更多个内杆的情况。由于内杆的长度可以变化，通常每个钻杆达到O. 25英寸，因此内杆接头的位置可以距离标称位置几英寸。为了适当地定位钳夹装置托架，控制系统需要补偿这种变化。一种补偿方法是当钻杆驱动单元1800适当地连接到钻柱时控制器2220监测变换器3030的输出。在所述结构中，可以测量内杆驱动器514相对于外杆驱动器506的位置，并且所述位置用于确定补偿因数。这可以通过考虑如图18b中的尺寸3032所示的标称杆偏移量来说明。在内钻柱和外钻柱处于标称状态的情况下，在内驱动器与外驱动器之间存在已知的偏移量，变换器3030的输出将是已知的。如果当钻杆驱动单元连接到钻柱时，变换器3030的输出表示该偏移量小于标称量，则内杆比标称杆少所述差值。在这种情况下，可以为随后的钳夹操作确定钳夹装置托架的适当位置。因此，所述过程对于每一个连接测量内杆驱动器与外杆驱动器之间的偏移量，并且使用所述偏移量信息为随后的拆卸程序计算钳夹装置托架的适当位置。一种可选的方式是当齿轮箱托架在其下部位置时将内杆驱动器定位在当内杆驱动器螺纹连接到内钻柱时所述内杆驱动器相对于外杆驱动器充分伸出的位置处。当在这种结构中时，由编码器测量的托架的位置可以用于确定内钻柱相对于外钻柱的相对位置。可以对每一个单独的钻杆进行这种测量，并且控制算法可以为每一个钻杆根据内钻柱的端部的测量位置计算补偿因数。对于没有固定连接到内钻柱的钻头来说，所述过程稍有不同。在这种情况下，不需要改变钳夹装置的位置以补偿内杆钻柱的长度的变化。上钳夹组件2600和2800可以被设定在固定位置。内杆驱动器将需要被定位成通过调节作为由变换器3030和变换器3020测量的偏移量的函数的主托架的位置使内杆与钳夹装置适当地对准，而不需要改变内杆驱动器相对于外杆驱动器的位置，或者可选地，内杆驱动器可以被充分伸出，并且托架相对于钳夹组件的位置定位在预定位置处。返回到图14所示的组装过程的说明，在图14c中，钳夹装置托架被适当定位并且中间钳夹装置夹持内钻柱。托架在图14d中移动以临近中间钳夹装置移动外杆驱动器，并且将准备好的内杆驱动主轴和外杆驱动主轴定位成添加新的钻杆。在图14e中，内杆驱动器与内钻柱分离并向回移动以形成添加新的钻杆的空间，如图Hf所示。在所述的实施例中，为了将新的钻柱放置在适当的位置，所述的过程包括以下步骤打开中间钳夹装置，然后重新定位钳夹装置托架以移动钳夹组件，使得杆装载机构可以清除钳夹组件。一旦新的钻杆在适当的位置，钳夹装置托架移动，使得中间钳夹装置与新的接头对准，并且中间钳夹装置夹持钻柱的内杆，如图Hg所示。内杆驱动器然后旋转，然后纵向移动以将新的钻杆螺纹连接到钻柱和内杆驱动器，如图14h所示。一旦内杆被适当地扭转，中间钳夹装置打开并且钳夹装置托架使钳夹组件移动到其最低位置，如图14i所示。托架然后前进以完成外杆到外钻柱的螺纹连接，如图14j所示，并且下钳夹装置在图14k中打开以完成组装程序。图15a_15j中显示了构造成非刚性连接到内钻柱的钻头的组装顺序，其中以与14a所示的相同的结构开始，且驱动器与下钳夹装置相邻定位。下钳夹装置夹持外钻柱并且外钳夹装置驱动器在图15b中被颠倒以露出内钻柱。在图15c中由于与钻头的非刚性连接，内钻柱然后由内驱动器拉回，并与中间钳夹装置和上钳夹装置对准。在图15d中，中间钳夹装置夹持内钻柱。在图15e中，内驱动器被颠倒，并且托架使驱动器移动以形成用于新钻杆的空间。在图15f中添加新钻柱，并且在图15g中托架使驱动器向下移动以使驱动器与新杆的内杆和外杆接合并使新钻杆的内钻杆与内钻柱接合。图15h显示了中间钳夹装置打开，并且驱动器使钻杆朝向钻柱移动。内驱动器使内钻柱朝向钻头向后移动，并且将非刚性联接器接合到钻头。图15i显示了外杆驱动器旋转并且通过外钻柱扭转外杆的随后步骤，以及图15j显示了打开下钳夹装置的最终步骤。图16a_16n显示了拆卸钻杆与钻头的顺序，其中内杆刚性连接到钻头的内驱动轴，且所述顺序开始于图16a，其中内杆驱动器和外杆驱动器缩回到要被移除的钻杆的外杆与下钳夹装置相邻定位的位置，如先前所述。一旦外杆处于正确的位置，下钳夹装置被夹持，并且中间钳夹装置被夹持并在第一方向上旋转。旋转方向根据需要使钻杆与钻柱分离。通过右旋螺纹，中间钳夹装置将旋转，因此顶部从纸张旋转出，而钳夹装置的底部将旋转到纸张里面，如在该图中所示。一旦接头损坏，外杆驱动器的反向旋转将使外杆旋转，并且随着外杆驱动器纵向向后移动与下钳夹装置相邻的接头将分离，如图16b所示。如先前所述，钳夹装置托架如图16c所示将被重新定位以将中间钳夹装置和上钳夹装置定位成与内杆中的接头对准，并且如图16d所示，钳夹装置夹持到内杆上。如果内钻杆具有与外钻杆中的螺纹相同方向的螺纹，则所示的实施例具有右旋螺纹，中间钳夹装置将在与用于拆卸外杆的方向相反的方向上旋转。图16显示了中间钳夹装置旋转使得顶部将旋转到纸张里面，而底部将从纸张旋转出来。这种顺序的益处在于该顺序最小化中间钳夹装置的不必要运动，从而允许中间钳夹装置起始于原始位置，在第一方向上旋转以拆卸外杆，然后在相反方向上旋转以拆卸内杆，并回到原始位置。对于齿轮箱还有益的是在拆卸内杆的步骤期间，齿轮箱和驱动电动机固定，不能旋转，而允许钻柱和钻头旋转。一旦内杆被拆卸，上钳夹装置打开，并且外杆驱动器可以向下移动回去，以使外杆朝向上钳 夹装置向后移动，如图16e所示。内杆驱动器可以在旋转和纵向上被反向以使内杆与钻柱分离，如图16f所示。一旦钻杆与钻柱分离，中间钳夹装置如图16g所示可以打开，然后如图16h所示移动以与钻杆的下端对准。一旦被适当对准，如图16i中所示，中间钳夹装置和上钳夹装置夹持正在被移除的钻杆的内钻杆和外钻杆，并且杆驱动器在旋转和纵向上都被反向以与杆分离。一旦分离，钳夹装置可以如图16j打开，并且杆装载系统将用于移除分离或拆除的钻杆。钳夹装置托架将如图16k所示使中间钳夹装置和上钳夹装置向下移动回去，并且中间钳夹装置如图161所示夹持在内钻柱上，同时内杆驱动器螺纹连接到钻柱。外杆驱动器可以移动返回到内杆驱动器在这点上充分伸出的位置处，从而允许控制系统根据来自编码器的数据计算内钻柱长度补偿因数，如先前所述。一旦内驱动器固定到内钻柱，中间钳夹装置可以打开，从而如图16m所示允许外驱动器与外钻柱接合。一旦固定，如图16η所示，当下钳夹装置打开时，所述过程完成。图17a_17n显示了钻头的拆卸顺序，其中内钻柱没有刚性连接到钻头的内驱动轴，该顺序起始于外杆被适当定位，且接头与下钳夹装置相邻。下钳夹装置然后被夹持，同时中间钳夹装置被夹持并在第一方向上旋转以拆卸外杆。该简图中所示的顺序显示了中间钳夹装置将外杆夹持在其不与下钳夹装置相邻的位置。这作用于一些类型的外杆。然而，在螺纹接头附近具有颠倒部分的其它类型的外杆的情况下，在该步骤期间需要与下钳夹装置相邻定位中间钳夹装置。因此，虽然未示出，但是本发明的具有纵向移动中间钳夹装置和上钳夹装置的钳夹组件能够与多种钻杆一起操作。一旦外杆被拆卸，中间钳夹装置被释放，同时杆驱动器拉回钻杆以露出内杆并在中间钳夹装置与上钳夹装置之间对准内杆接头，如图17b所示，从而导致内钻柱与钻头的内驱动轴之间的接头分离。中间钳夹装置和上钳夹装置被夹持，并且中间钳夹装置如图17c所示在相反的方向上旋转以拆卸内杆。上钳夹装置打开，同时中间钳夹装置保持夹持，并且内杆驱动器在旋转和纵向上反向以分离内杆，如图17d中所示。一旦与钻柱分离，则如图17f所示，上钳夹装置被夹持到内杆上，并且内驱动器在旋转和纵向上反向以使驱动器与内杆分离，如图17f所示。上钳夹装置打开并且外杆驱动器使外杆向下移动回到上钳夹装置中，如图17g所示。上钳夹装置夹持外杆，同时外钻杆驱动器在旋转和纵向上反向以与钻杆分离，如图17h所示。上钳夹装置打开并且钻杆能够被自由移除，如图17i所示。一旦钻杆被移除，驱动器将向下移动返回，使得内驱动器可以重新接合内钻柱，如图17j所示。所述接头被扭转，如图17k所示。中间钳夹装置打开并且驱动器将向下移动返回，同时内杆驱动器用于重新接合内钻柱与钻头的内驱动轴之间的联接器，如图171所示。外杆驱动器然后如图17m所示前进并旋转以螺纹连接到外钻柱，并且如图17η所示，当下钳夹装置打开时所述程序终止。
以上说明、示例和数据提供了制造和使用本发明的结构的完整描述。由于可以在不背离本发明的精神和保护范围的情况下完成本发明的许多实施例，因此本发明属于以下所附权利要求。
权利要求
1.一种定向钻机，包括 钻柱驱动组件，包括 包括下钳夹装置、上钳夹装置和中间钳夹装置的钳夹组件，其中至少所述中间钳夹装置被构造成绕着纵向钻柱轴线旋转； 驱动单元，所述驱动单元被构造成在纵向方向上朝向和远离所述钳夹组件移动，其中所述驱动单元包括内驱动轴和外驱动轴，其中所述内驱动轴和所述外驱动轴同轴布置并被构造成独立于彼此旋转，其中所述驱动单元的所述内驱动轴和所述外驱动轴被构造成相对于彼此伸出和缩回。
2.根据权利要求1所述的定向钻机，其中，所述下钳夹装置、所述上钳夹装置和所述中间钳夹装置中的至少一个被构造成在所述纵向方向上移动。
3.根据权利要求2所述的定向钻机，还包括 控制器，所述控制器控制所述下钳夹装置、所述上钳夹装置和所述中间钳夹装置中的至少一个相对于所述钻柱的纵向位置。
4.根据权利要求3所述的定向钻机，还包括 多个位置传感器，所述多个位置传感器能够操作地连接到所述控制器。
5.根据权利要求4所述的定向钻机，其中，所述多个位置传感器中的至少一个感测所述上钳夹装置、所述下钳夹装置和所述中间钳夹装置中的至少一个的位置。
6.根据权利要求3所述的定向钻机，还包括 位置编码器，所述位置编码器能够操作地连接到所述控制器，其中所述位置编码器被构造成至少提供关于所述驱动单元的纵向位置的信息。
7.根据权利要求6所述的定向钻机，其中，所述控制器被构造有控制逻辑，所述控制逻辑使所述控制器能够根据所述驱动单元的所述内驱动轴和所述外驱动轴的位置确定所述钻柱的内杆和外杆的位置。
8.根据权利要求3所述的定向钻机，还包括 变换器，所述变换器能够操作地连接到所述控制器并被构造成提供关于所述钻柱的纵向位置的信息。
9.根据权利要求2所述的定向钻机，还包括 液压缸和变换器，其中所述液压缸被构造成使所述下钳夹装置、所述上钳夹装置和所述中间钳夹装置中的被构造成在所述纵向方向上移动的至少一个移动，并且其中所述变换器被构造成提供关于所述下钳夹装置、所述上钳夹装置和所述中间钳夹装置中的被构造成在所述纵向方向上移动的至少一个的位置的数据。
10.一种定向钻机，包括 齿条框架； 托架，所述托架被构造成沿着所述齿条框架移动； 安装到所述托架的钻柱驱动组件，所述钻柱驱动组件包括驱动单元，所述驱动单元包括具有相对于所述托架处于固定位置的外驱动主轴的外驱动系统和具有与所述外驱动主轴同轴的内驱动主轴的内驱动系统，所述内驱动主轴被构造成独立于所述外驱动主轴旋转并相对于所述外驱动主轴纵向移动至少四英寸。
11.根据权利要求10所述的定向钻机，其中，所述内驱动主轴被构造成相对于所述外驱动主轴纵向移动至少十二英寸。
12.—种钻机的控制方法，所述钻机具有齿条、钳夹组件、钻柱驱动组件和双杆钻柱，所述钳夹组件具有处于固定位置的第一钳夹装置以及能够移动的第二钳夹装置和第三钳夹装置，所述钻柱驱动组件具有安装在沿着所述齿条纵向移动的托架上的内杆驱动器和安装在沿着所述齿条纵向移动的托架上的外杆驱动器，使得所述内杆驱动器能够相对于所述外杆驱动器纵向移动，所述方法包括以下步骤 当所述内杆驱动器连接到所述钻柱时，根据所述内杆驱动器的位置的测量值计算内钻柱长度补偿因数；以及 至少部分地根据所述钻柱长度补偿因数定位所述第二钳夹装置和所述第三钳夹装置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述内杆驱动器正在连接到所述内钻柱时，通过相对于所述外杆驱动器将所述内杆驱动器定位在已知位置处计算所述内钻柱补偿因数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当所述内杆驱动器和所述外杆驱动器固定到所述钻柱时，根据所述内杆驱动器与所述外杆驱动器的相对位置计算所述内钻柱补偿因数。
15.一种从钻柱移除钻杆的方法，包括以下步骤 用第一钳夹装置夹持要被移除的钻杆的下向孔端； 用第二钳夹装置夹持钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的上向孔端；以及 通过所述第二钳夹装置旋转所述钻杆的直接连接到所述要被移除的钻杆的所述上向孔端，同时通过所述第一钳夹装置防止所述要被移除的钻杆旋转。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过所述第二钳夹装置旋转所述钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的所述上向孔端同时通过所述第一钳夹装置防止所述要被移除的钻杆旋转的所述步骤释放所述钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的所述上向孔端与所述要被移除的钻杆的所述下向孔端之间的螺纹连接。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤 在所述旋转步骤之后松开要被移除的钻杆的下向孔端，并通过所述驱动单元旋转所述要被移除的钻杆，使所述要被移除的钻杆的所述下向孔端和所述钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的所述上向孔端之间的连接松脱。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，通过所述第二钳夹装置旋转所述钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的所述上向孔端同时防止所述要被移除的钻杆旋转的所述步骤使所述钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的钻柱下向孔端的至少一部分旋转。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，由所述第一钳夹装置夹持的钻杆和由所述第二钳夹装置夹持的钻杆是钻柱结构中的内杆，所述钻柱结构包括同轴布置的内钻杆和外钻杆。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤 缩回外杆构件以露出所述钻杆的与所述要被移除的钻杆相邻并直接连接到所述要被移除的钻杆的所述上向孔端与所述要被移除的钻杆的所述下向孔端之间的连接部。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤 通过第三钳夹装置夹持外杆构件的上向孔端，从而在所述内杆构件之间的连接断开时防止所述外杆移动。
全文摘要
本发明提供了一种钻机驱动单元和钻柱组装及拆卸单元以及用于双管钻柱结构的方法。钻机驱动单元安装到单个托架并包括处于固定到托架的位置的外驱动主轴和被构造成独立于外驱动主轴旋转同时能够相对于外驱动主轴纵向移动至少12英寸的内驱动主轴。所述方法涉及连接和断开双管钻柱的内轴和外轴。
文档编号E21B7/08GK103069096SQ201180035214
公开日2013年4月24日 申请日期2011年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者迈克尔·D·范咨, 赖安·D·奥蒂斯, 克林特·M·雷克, 大卫·维希涅夫斯基, 罗宾·W·卡尔逊 申请人:维米尔制造公司