大地鉆機裝置的制作方法

專利名稱：大地鉆機裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一用于潛孔鉆進的鉆機，它用于鉆探地面和覆蓋的巖層，所述鉆機要在后續的鉆管之前先鉆一個洞。
背景技術：
以前公知的鉆機包括一個中心導向孔鉆頭(pilot drill bit)，一個鉸孔鉆(reamer)和一個引導所述鉆機的引導體(guide body)以及相互相對的鉆管，當在所述鉆機所有工作狀態中所述引導體在所述鉆機上具有一個軸向的安裝位置。所述引導體位于鉆管內部并將轉動和沖擊能量傳遞到所述括孔鉆頭和導向孔鉆頭。所述括孔鉆頭可以位于與所述引導體和導向孔鉆頭對中的位置，在該位置上所述導向孔鉆頭和括孔鉆頭能夠由鉆管引導，并且在一個可操作的徑向伸出位置鉆出一個比所述鉆管大的孔。例如，這樣的鉆機可以參考EP-A-36847和SE-B-411139。
在使用這種鉆機的情況下，當鉆堅硬地面或裂縫性巖石時，例如所述括孔鉆頭插入太緊以致有時會發生丟失所述鉆具的危險。這里的困難之處是所述引導體與導向孔鉆頭要被防止與被卡住的括孔鉆頭的偏心軸孔一起旋轉。以相反的轉動，螺紋就會松開并且與鉆桿分離，就不能將所述括孔鉆頭帶回到收回的位置以通過所述鉆管被收起。
而且，例如在引導體和支承所述括孔鉆頭的部件直之間的螺紋連接是已知鉆機的弱點。一個已知的結構包括一個引導體，與所述引導體成為一體并要與一個潛孔鉆沖擊器連接的軸。一個導向孔鉆頭鉆管一個外部螺紋塞與所述引導體連接，所述螺紋塞被接受在引導體的一個內部螺紋孔內，并且一個括孔鉆頭可轉動地由一個中間部件支承在所述導向孔鉆頭上。在這種情況下最經常發生的損害是在螺紋塞上部的螺紋被損壞。
對在潛孔鉆的鉆機中避免螺紋連接已經做了一些嘗試。如EP-A-515538描述一個潛孔鉆機，其中在引導體和導向孔鉆頭的軸之間沒有使用螺紋連接。根據該已知的結構，所述鉆機包括一個中心導向孔鉆頭，一個括孔鉆頭和一個引導體以控制鉆機及相互相對的鉆管，還有一個軸，該軸要連接到一個潛孔鉆沖擊器上，所述軸和導向孔鉆頭形成一體的一個單元，并且所述引導體安裝到所述軸上以使其能夠拆卸，例如用于替換所述括孔鉆頭。但是，根據該結構，所述引導體的軸仍然由一個外部螺紋用于固定潛孔鉆沖擊器的內螺紋，這仍然有發生螺紋松開的可能，特別是如果所述括孔鉆頭被卡住得太緊時。所述括孔鉆頭由導向孔鉆頭的軸來驅動。
已知結構(包括所述EP-A-515538)的螺紋有時會松開的一個主要原因是除非所述導向孔鉆頭以與鉆進的旋轉方向相反地旋轉所述被卡住的括孔鉆頭，否則就不可能被收回。因此，容易理解如果所述括孔鉆頭和/或導向孔鉆頭的軸被緊緊卡住或被阻止相反方向自由地轉動，所述螺紋就會松開并導致將鉆具拉開。
在US-A-5787999中描述了一種潛孔鉆機的結構，包括一個引導體，一個鉆頭和安裝在這兩個元件之間的括孔鉆頭臂，所述臂能夠延伸進入到一個工作位置并被提升而收回，例如通過一個鉆管。但是，這些括孔鉆頭臂是較脆的并容易被損壞。而且，鉆屑，地上的雜物很容易進入到臂的后面或中間，阻止所述臂返回其應停留的位置，這樣再次會使鉆具失落。而且，根據該US說明書所述沖擊能量從括孔鉆頭臂傳遞到導向孔鉆頭(肩部座)，這在承受大力的連接時無疑是一個缺點。

發明內容
因此，本發明的第一目的是能夠在不需要轉動所述導向孔鉆頭的情況下收回潛孔鉆機的括孔鉆頭。
本發明的另一個目的在于避免螺紋連接。
本發明的第三個目的在于得到一種用于潛孔鉆進的對進入的鉆屑和其它雜物不敏感的具有操作可靠性的鉆機。
本發明的進一步的目的在于設計一種用于潛孔鉆進的由近可能少的部件組成的鉆機。
本發明尚有另一個目的在于提供一種具有改進特性的鉆機，以在卡住發生時進行補救及同時在所述鉆具的工作位置和收回位置上確保改進的控制靈活性。
延伸和收回被確定地被控制。如果發生一個軸的斷裂并且所述導向孔鉆頭和括孔鉆頭離開提升的孔，它們會被與工作位置相同方向進行旋轉的鉆具抓住。
這些和其它目的，對專家而言是很明顯的，通過根據權利要求1的特征部分設計的鉆機能夠認為以令人意外的方式被認識。所發明的最佳實施例的鉆機由獨立權利要求來限定。


下面將參考附圖對本發明的一較佳實施例進行示意性的描述，但不是要限制該實施例，簡要說明如下圖1表示側視的導向孔鉆頭中引導體穿過鉆管的剖視圖，并且表示鉸孔鉆在一收回位置同心地相對所述引導體的剖視圖。
圖2表示所述導向孔鉆頭和所述延伸鉸孔鉆位于工作的位置，低于所述鉆管孔口的鉆管箍的相應的視圖。
圖3表示圖1中的導向孔鉆頭和鉸孔鉆在3-3的剖視圖。
圖4表示圖2中的導向孔鉆頭和鉸孔鉆在4-4的剖視圖。
圖5表示帶有凸輪軸的所述導向孔鉆頭，凸輪和軸的側視圖。
圖6是圖5所示導向孔鉆頭的頂視圖。
圖7表示圖1和2所示的引導體的側視圖。
圖8是圖7所示的引導體在8-8的剖視圖。
圖9表示圖1和2所示的鉸孔鉆的側視圖。
圖10是圖9所示的鉸孔鉆在10-10的剖視圖。
圖11是圖9所示的鉸孔鉆在11-11的剖視圖。
圖12表示由圖5的12-12的底部視圖。
具體實施例方式
圖1表示鉆頭與鉸孔鉆33在收回(非工作)位置。所述引導體12(同樣見圖7)以常規方式在一鉆管13內通過一個裝置連接到一個連續的鉆桿，該裝置帶著引導體以在實施例中表示的順時針轉動并且接收在所述鉆桿和引導體12之間以扭轉剛性方式連接的潛孔鉆沖擊器或一個左旋頂部沖擊器的沖擊能量。所述鉆桿和其部件為常規類型因此圖中沒有顯示。所述引導體12具有一個圓筒形的引導部分47，它被同心地安裝并通過所述鉆管13的孔口的引導與鉆軸16同軸地轉動。如實施例所示，通過驅動潛孔鉆沖擊器，所述鉆管包括一個焊接的鉆管箍14(casing shoe)，它在鉆管13內部形成一個環形的領部15，和一個為引導體12的引導部分47形成的引導孔19。而且，所述引導體12具有一個在工作時靠在所述領部15的后面肩部17，以使一部分潛孔鉆沖擊器的沖擊能被傳到所述鉆管13以驅動它向下。
所述導向孔鉆頭20(同樣見圖5和圖6)包括一個軸21和一個凸輪22一體成為一個凸輪軸42，以及一個工作鉆頭48。所述軸21由鉆頭平面23到其頂部表面24的長度測量L(和凸輪軸42一起)大于軸21的直徑D。所述軸21的頂端表面24垂直于所述縱軸16以接受沖擊能量并且具有這樣的長度使得在所述引導體下部表面和與之相對的鉸孔鉆的上表面之間形成一個槽59。所述軸21同樣具有一個徑向的槽26以容納一個柔性的滑動銷30(同樣見圖8)。所述軸21可轉動地支承在引導體的中心孔28內。所述軸21以一個凹部25作為上部的終點，該凹部以平行所述凸輪180度地封住所述軸。而且，所述引導體12在其下部端具有一個有兩個平行平面27A，27B的肩部27，其位置如圖8所示。這些平面與鉸孔鉆靠近孔28的底孔處的的兩個肩部36′，36″(見圖9和10)的兩個平行平面36A，36B相互接觸。在引導體12和鉸孔鉆33之間的這種連接的優點是非常便宜并且容易替換部件，所述鉸孔鉆在操作中非常容易損壞。
圖2所述的鉸孔鉆33位于它的延伸的工作位置并且其單件的設計在圖9，10和11中表示。在圖10中，可以看到為使凸輪22右旋(從上看)被定位的凹部34及平面35，所形成下側應該鄰近所述導向孔鉆頭的平面23。在鉆探鉆具具有左旋轉動的情況下，所述凹部34應該位于一個與圖10為鏡象的位置，因此當使用一個同樣的導向的鉆頭20時也能夠工作。圖11表示所述鉸孔鉆的頂部，它有兩個平行的肩部36，其縱向表面平行于橢圓形凹部37的縱向延伸。當所述鉸孔鉆33被延伸時，所述表面36A，36B滑入引導體的兩個平面27A，27B，使所述鉸孔鉆的運動為徑向的，通過相對所述縱軸16的位移，所述凸輪22移入所述凹部34，從收回位置到延伸位置。
圖1中，所述導向孔鉆頭20，通過一個橫向孔38(見圖8)在引導體12內自由地懸掛，該孔穿過并進入在所述孔28的內表面上的一個環形徑向槽，所述柔性滑動銷插在所述徑向槽并且將可轉動的軸21與引導體支持在一起。在一個基本上垂直所述鏜孔38的一個小孔內，插入一管狀銷31用于鎖住所述滑動銷30。該鎖住銷/插頭31最好由比固定器12的密度低的材料制造。所述鎖定銷3 1希望由彈性材料，如尿烷橡膠或塑性聚合物(PAG)。使用了低密度材料的鎖定銷31，鎖定銷31被損害或脫出的危險大大減少。因此這種解決原理能夠對該鉆具的操作可靠性更有利。應該了解這種最新命名的方案并不打算限制在僅僅這種類型的鉆頭，而是該原理可以應用到其它類型鉆頭的相互作用部件的鎖定。
由圖1應該清楚，在鉆頭內部中心設置一個沖刷通路43，44，其直徑要適合于所述希望的沖刷介質和/或流量。所述在引導體12內的沖刷通路43通過并進入一個在導向孔鉆頭20內的沖刷通路44。筒形凹部43A和44A分別位于在引導體12和所述導向孔鉆頭20之間的沖刷通路43，44的經過區域內。所述凹部具有基本上一樣的外徑，能夠容納以適當材料最好是塑料的材料制造的密封襯套50。在導向孔鉆頭的凹部44A的大致的中間部位設置一個槽44B，該槽用于與相應形成的密封襯套50的環形突起51相結合。由于這樣，所述密封襯套50就能夠被牢固地卡在導向孔鉆頭20的凹部44A處并且被固定。所述密封襯套50的作用是密封在導向孔鉆頭20和所述引導體12中間的上部接頭。因此這樣就能夠防止沖刷介質從所述接頭泄露出來進入所述接頭。
如圖5所示，通過選擇一個具有所希望的直徑R50的密封襯套，使用所述密封襯套50以調節沖刷介質的沖刷是有利的。所述鉆頭因此具有接受許多各種內徑的密封襯套，能夠迅速而方便地獲得最佳的沖刷。
根據圖2，所述導向孔鉆頭20和所述鉸孔鉆33位于工作的位置。帶有所述座15的所述鉆管箍14傳遞沖擊能量，所述沖擊能量來自于位于領部15的后面的肩部17(當驅動使用一個頂部沖擊器時，由于沒有所述鉆管箍且所述引導體12緊靠著實際的鉆管內側而受到引導時不要使用)在所述鉆管內的所述鉆桿的軸向方向，在這種情況下引導體12的超過鉆管箍14的或鉆管13前端的突出部分應該達到從該處到鉸孔鉆上部的平面39的距離大約等于或小于肩部17的長度。當邊緣挖掘鉸孔鉆齒49靠在一個堅硬的基礎上時，所述平面39被壓向引導體的下側并且所述沖擊能量被傳遞到所述鉸孔鉆齒49，根據圖4，通過凸輪22所述鉸孔鉆被固定地停留在延伸位置，并且，括孔鉆頭33在孔28內由軸21支持其后部而在相反側由導向孔鉆頭的硬質合金齒46以較緊密的齒型(如圖4和12)支持，從而提供一個由鉆探孔壁來的反壓。由圖6證明所述導向孔鉆頭20裝備多個邊緣齒58很有利。
所述鉸孔鉆由中心軸16以一個半徑突出并且通過轉動提供一個圓形的洞，該洞大于鉆管13的外部包圍的直徑。所述導向孔鉆頭通過帶有凸輪22(圖5)的凸輪軸42，定位在所述鉸孔鉆的凹部34中，以及在軸的凹部25(圖5和6)和所述支持肩部18(圖8)得到其轉動。
所述引導體12具有軸向的，最好是直的沖刷槽40，它在肩部17之間的后部終止并具有作用到后部的用作排出孔41并連接到內部底平面上。它包括孔28。所述沖刷槽40在它們到達引導體12的前邊緣之前被堵住地終止并且所述槽的一部分在平面27上開口。
在鉆探中，鉆探工作的主要部分由導向孔鉆頭的磨損而耐用，由于該鉆探的一個區域稍小于鉆管箍14或鉆管13的內徑。鉸孔鉆33在當鉆管或鉆管箍的孔位于引導體12的端平面之后才進行徑向的延伸，導向孔鉆頭安裝齒的平面被壓到地面并且它的保持力和摩擦力顯著大于在軸21的相反端平面上的摩擦力，當所述引導體和所述鉸孔鉆相對所述軸21和凸輪軸42轉動時，所述導向孔鉆頭保持穩態。所述凸輪22的徑向端進入在重合的孔37和凹部34的端部位置。所述凸輪22的背部形成一個凸輪軸42，它靠在孔37相反的端部，防止所述鉸孔鉆在操作中進行振動的運動。在所述鉸孔鉆33收回時，轉動的方向被反轉且由所述鉸孔鉆重復進行上述的徑向運動，其所述肩部36′，36″進行滑動，使滑動平面36A，36B靠在引導體的平行平面27A，27B上，確保所述鉸孔鉆的收回和維持在根據圖3的位置上。
所述沖刷介質，可以包括潛孔鉆沖擊器的出汽口，通過鉆桿供應到引導體的通路43(圖7)并且經過向前進入到導向孔鉆頭的通路44，它打開經過通路支管，一方面分別進入凸輪軸43和凸輪22的開口45，并且另一方面進入安裝有齒的導向孔鉆頭的前表面。所述引導體具有出口孔41靠近底表面的孔28。如上所述，在具有凸輪44的導向孔鉆頭上有多個沖刷孔45，這些孔徑向地進入凸輪軸42和凸輪22，為凹部34提供一個極大的壓力，防止鉆屑和其它雜物進入。所述沖刷介質部分地由鉸孔鉆的端平面35流出。
由上面的描述會很清楚，已經改進了用于潛孔鉆沖擊器的鉆機的設計，其中可以完全不用螺紋連接方式。它給出了迄今為止未能達到的操作可靠性的水平。而且，連續從引導體到鉸孔鉆，及從鉸孔鉆到導向孔鉆頭傳遞動力，意味著所述鉸孔鉆可以旋轉半圈收回而不用導向孔鉆頭轉動。這種便利確保鉸孔鉆在一個擠的工作位置下的收回，由于根據已有技術中由導向孔鉆頭驅動鉸孔鉆，而其迄今為止是不可能的。
應該理解上面的描述僅僅是一個較佳的實施例并且對于專家來說仍有落入權利要求范圍內的多個改進的空間。根據上述的實施例，應該指出所述軸21和操作的鉆頭48是一體的一個單元。但是，在本發明的框架內能夠讓所述軸和鉆頭分開，但是以剛性扭轉方式彼此連接，例如通過分子連接方式。而且，應該明白在引導體和鉸孔鉆33之間的連接27，36可以用相反的方式，使鉸孔鉆33代替引導體12設置中心肩部而在引導體12上設置兩個橫向布置的肩部。應該清楚布置在沖刷通路的各個凹部的密封襯套50不是必要的。在確定的情況下可以希望如僅在導向孔鉆頭20上布置凹部，或甚至不要凹部，而僅使用在導向孔20上的槽或其它適合的裝置以保持所述襯套在接合部處定位。還有，應該理解可以使用另一個滑動連接30，例如直徑適合于槽26，38的球。也可以明白沖刷孔41可以放在許多平面上而不止是上面所描述的平面，在確定的情況下放在高于襯套50更為有利。
也應該知道鉸孔鉆的位移也不是一定要沿一個直的滑動平面，也可以經過一個彎曲的滑動平面達到相對于引導體12的鉸孔鉆33的一個確定的范圍，一個確定的轉動，但是該位移仍然要認為是基本徑向地相對所述引導體。而且，應該明白根據本發明的基本原理同樣可以使用在動力傳遞的螺紋連接上。
所述摘要也是本說明書的一個整體部分。
權利要求
1.用于潛孔鉆進的鉆機，其中鉆機要在后續鉆管(13)之前鉆一個孔，所述鉆機包括一個中心導向孔鉆頭(20)，一個括孔鉆頭(33)和一個控制所述鉆機的引導體(12)和鉆管，其特征在于所述引導體(12)，括孔鉆頭(33)和導向孔鉆頭(20)形成為使得轉動能量由所述引導體(12)到括孔鉆頭(33)并從括孔鉆頭(33)到導向孔鉆頭(20)傳遞，并使得在引導體(12)和括孔鉆頭(33)之間存在一個基本上徑向的位移。
2.如權利要求1所述鉆機，其特征在于所述引導體(12)具有至少一個滑動平面(27A；27B)，所述括孔鉆頭(33)具有至少一個帶有滑動表面(36A；36B)的肩部(36′；36″)以至少部分地靠在并滑靠在所述滑動平面(27A；27B)，從而使得通過所述滑動平面(27A；27B)和滑動表面(36A；36B)之間的相互作用將引導體的轉動運動傳遞到所述括孔鉆頭，并且所述滑動平面和滑動表面之間可以允許相互的滑動以分別方便地徑向延伸和收回所述括孔鉆頭(33)。
3.如權利要求1或2的所述鉆機，其特征在于所述導向孔鉆頭(20)具有一個徑向伸出的凸輪(22)，它與括孔鉆頭(33)內適合容納該凸輪(22)的一個凹部(34)嚙合，以這樣的方式將轉動運動從所述括孔鉆頭(33)傳遞到導向孔鉆頭(20)。
4.如權利要求3所述鉆機，其特征在于所述括孔鉆頭(33)的凹部(34)設計為允許所述凸輪(22)和所述凹部(34)相互轉動，當所述括孔鉆頭(33)的凹部(34)繞所述凸輪(22)由第一位置到第二位置轉動時，括孔鉆頭(33)從一個徑向伸出位置到一個徑向收回位置。
5.如上述任一權利要求所述鉆機，其特征在于所述導向孔鉆頭(20)包括一個通過一個滑動連接裝置可轉動地連接所述引導體(12)的軸(21)，最好以一個環形滑動銷(30)的形式，使所述導向孔鉆頭在引導體和括孔鉆頭分別在括孔鉆頭的收回和伸出位置轉動時保持不動。
6.如權利要求4和/或5所述鉆機，其特征在于所述引導體(12)和括孔鉆頭(33)在括孔鉆頭的收回和伸出時大致轉動半圈。
7.如上述任一權利要求所述鉆機，其特征在于所述括孔鉆頭(33)除了所述的凹部(34)外具有一個基本上為橢圓形狀的通孔(37)，并且所述通孔(37)與所述凹部(34)一起形成一個具有三個邊的大致上的多邊形(圖10)。
8.如上述任一權利要求所述鉆機，其特征在于所述括孔鉆頭(33)具有多個邊緣切割齒(40)并且在操作期間抵住這些齒的壓力沿在所述導向孔鉆頭(20，48)相反的邊緣上的一個較緊密的齒型(46)在一定程度上進行補償。
9.如上述任一權利要求所述鉆機，其特征在于鉆管(13)的孔具有一個鉆管箍(14)，其上部端具有一個座(15)，所述引導體(12)上端具有一肩部(17)，其在操作期間靠在所述座(15)上，因此所述鉆管(13)被驅動向下進入所述孔。
10.如權利要求2所述鉆機，其特征在于所述滑動表面(36A；36B)和滑動平面(27A；27B)分別具有同樣的彎曲，最好所述滑動表面和滑動平面分別是直的平面。
11.如權利要求1所述鉆機，其特征在于其中所述兩個轉動能量的的傳遞都沒有包括任何螺紋連接。
12.如權利要求1所述鉆機，其特征在于在所述鉆頭內部同心地設置沖刷通路(43，44)，其中沖刷通路(43，44)通過引導體(12)延伸到導向孔鉆頭(20)，在引導體(12)和導向孔鉆頭(20)之間沖刷通路(43，44)的經過區域設置一個密封襯套(50)。
13.如權利要求12所述鉆機，其特征在于在引導體(12)和導向孔鉆頭(20)之間沖刷通路(43，44)的經過區域設置至少一個凹部(43A，44A)，最好兩個，其中所述凹部(43A，44A)具有基本上與所述密封襯套(50)外徑相同的直徑。
14.如權利要求5所述鉆機，其特征在于通過一個密度低于用于緊固件/引導體(12)的材料的銷體(31)的裝置，將所述滑動連接件(30)鎖定在引導體(12)上。
15.使用鉆機在后續鉆管(13)之前鉆一個孔的潛孔鉆進方法，所述鉆機包括一個中心導向孔鉆頭(20)，一個括孔鉆頭(33)和一個控制所述鉆機的引導體(12)和鉆管，其特征在于所述引導體(12)，括孔鉆頭(33)和導向孔鉆頭(20)形成為使得轉動能量由所述引導體(12)到括孔鉆頭(33)并從括孔鉆頭(33)到導向孔鉆頭(20)傳遞，但是所述兩個轉動能量的傳遞都沒有包括任何螺紋連接。
全文摘要
本發明涉及一種用于潛孔鉆進的鉆機和方法，所述鉆機包括一個中心導向孔鉆頭(20)，一個括孔鉆頭(33)和一個控制所述鉆機的引導體(12)和相互相對的鉆管，所述引導體(12)，括孔鉆頭(33)和導向孔鉆頭(20)形成為使得轉動能量由所述引導體(12)到括孔鉆頭(33)并從括孔鉆頭(33)到導向孔鉆頭(20)傳遞，但是所述兩個轉動能量的傳遞都沒有包括任何螺紋連接。并且使在引導體(12)和括孔鉆頭(33)之間存在一個基本上徑向的位移。該結構同樣方便地收回所述括孔鉆頭(33)而不必使導向孔鉆頭也轉動。
文檔編號E21B10/66GK1599832SQ02813357
公開日2005年3月23日 申請日期2002年6月27日 優先權日2001年7月2日
發明者尤諾·洛夫 申請人:尤諾·洛夫