CN102822442B - 钻机和钻孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够相对于地面以宽范围角度钻入到地面中的机器。本发明还提供了一种新颖的钻进方法。

Description

钻机和钻孔方法

本申请作为PCT国际专利申请在2011年1月14日提出申请，其中除了仅指定对于美国申请人为美国公民Louis C.Hartke、David J.Hackman、Daniel L.Gustafson、Chad A.Bartels、Orin L.Miller和John W.Philbrook之外，该国际专利申请对于除了美国之外的所有指定国家申请人都是美国国有企业的Vermeer Manufacturing Company，并且该申请主张2010年1月15日提出申请的美国临时专利申请第61/295,535号的优先权，该美国临时专利申请在此全文并入供参考。

技术领域

本发明涉及用于地下钻孔的钻机和方法。

背景技术

已知被构造成以相对较低的角度(例如，相对于地面在十度至三十度之间)钻入地面的水平定向钻机。另外，还已知被构造成相对于地面垂直钻孔的机器。

发明内容

本发明的一个方面涉及能够相对于地面以宽范围角度钻入到地面中的机器。本发明的其它方面涉及：用于确保钻柱的钻杆被牢固地螺纹连接在一起的控制系统；可以用于改变转速以优化钻孔效率的控制系统；在钻孔操作期间稳定机器的稳定组件；钻孔角度调节组件，所述钻孔角度调节组件以各种角度定向钻杆驱动组件，所述角度包括通常在传统的水平钻孔中使用的角度以及通常在地热钻孔中使用的角度；用于将钻杆盒中的钻杆朝向钻杆排出部偏压的压组件(hold down assembly)；钳夹组件(viseassemblyl)，所述钳夹组件被构造成移动以与钻柱对齐和不与钻柱对齐；和具有指状部(fingure)的装载臂，所述指状部牢固地夹紧钻杆。本发明的这些及其它方面可以单独使用或相互组合使用。

本发明的一个方面提供一种地面钻机，包括：机架，所述机架包括上向钻孔(up hole)端和下向钻孔(down hole)端；钻杆驱动单元，所述钻杆驱动单元能够移动地安装在机架上，钻杆驱动单元被构造成将钻杆螺纹连接到钻柱；钻杆装载臂，所述钻杆装载臂被构造成将钻杆从钻杆盒移动成与钻杆驱动单元对齐，并且当将钻杆被螺纹连接到驱动单元时，钻杆装载臂固定钻杆；钳夹组件，所述钳夹组件在下向钻孔端处连接到机架，钳夹组件包括下钳夹装置，下钳夹装置被构造成当被启动时支撑钻柱的重量并防止钻柱旋转；和控制系统，控制系统被构造成防止下钳夹装置松开，直到钻杆驱动单元将预定水平的转矩施加到钻杆为止。

钳夹组件包括上钳夹装置，上钳夹装置被构造成相对于下钳夹装置旋转。

所述地面钻机还包括转矩传感器，所述转矩传感器被构造成估算钻杆与钻柱之间的转矩。

转矩传感器被构造成测量施加在钻杆驱动单元与钻杆之间的转矩。

控制系统被构造成根据由钻杆驱动单元持续设定的时间间隔施加的转矩来确定是否施加所述预定水平的转矩。

控制系统被构造成根据机架的取向选择性地使使用者控制的钳夹装置释放装置禁用或启用。

使用者控制的钳夹装置释放装置是钳夹装置释放按钮。

控制系统进一步被构造成当钻杆驱动单元将预定水平的转矩施加到钻杆时自动释放下钳夹装置。

控制系统根据测量参量来确定预定水平的转矩施加到钻杆，所述参量与钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关。

与钻柱的上向钻孔端和钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是钻杆驱动系统中的液压压力。

与钻柱的上向钻孔端和钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是钻杆驱动系统的转速的减速度。

本发明的另一个方面提供一种将钻杆连接到钻柱的方法，包括以下步骤：夹持步骤，包括将钻柱的上向钻孔端夹持在钳夹装置中，其中所述夹持步骤限制钻柱的旋转运动和钻柱的横向运动；装载步骤，包括使用装载臂将钻杆移动成与驱动单元对齐；第一螺纹连接步骤，包括在钻杆固定在装载臂中时，将驱动单元螺纹连接到钻杆；第二螺纹连接步骤，包括通过使用驱动单元使钻杆旋转而将钻杆的下向钻孔端螺纹连接到钻柱的上向钻孔端；确定步骤，包括确定钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩；以及启用步骤，包括在确定所述确定的转矩超过阈值转矩时使钳夹装置与钻柱的上向钻孔端分离。

所述确定步骤与所述螺纹连接步骤同时进行。

所述确定步骤包括：在施加到钻杆的转矩超过阈值水平时螺纹连接持续设定的时间间隔。

所述第一螺纹连接步骤包括：在钻杆通过装载臂以小于阈值转矩的转矩被固定时，通过驱动单元旋转钻杆。

所述确定步骤包括：测量与钻柱的上向钻孔端和钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的参量。

与钻柱的上向钻孔端和钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是钻杆螺纹连接旋转的减速度。

与钻柱的上向钻孔端和钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是钻杆驱动系统中的液压压力。

所述启用步骤包括：重新启动钳夹装置释放操作者控制装置。

即使当通过手动超驰程序使转矩不超过阈值转矩时，也能够启用钳夹装置的操作者控制。

本发明又一个方面提供一种地面钻机，包括：底盘；连接到底盘的钻杆驱动组件，其中钻杆驱动组件被构造成被定位成相对于水平面成大于四十五度的角度；钻杆装载组件，所述钻杆装载组件包括用于存储钻杆的钻杆盒，钻杆盒被构造成容纳布置成多列的钻杆；装载臂，所述装载臂用于将钻杆从钻杆盒输送到钻杆驱动组件；和安装到钻杆盒的压组件，所述压组件包括至少一个推杆，所述至少一个推杆被构造成朝向装载臂推动钻杆盒中的钻杆。

压组件在每一列包括至少一个推杆，并且其中每一个推杆被布置成朝向装载臂推动钻杆盒中的钻杆。

钻杆盒包括相对的侧壁和相对的端壁、顶部平面以及底部平面，其中端壁中的至少一个相对于底部平面倾斜，使得至少一个端壁以锐角远离底部平面延伸。

钻杆盒包括相对的侧壁和相对的端壁、顶部平面以及底部平面，其中两个端壁都相对于底部平面倾斜，使得一个端壁以锐角远离底部平面延伸，而一个端壁以钝角远离底部平面延伸。

压组件还包括支撑件，其中支撑件连接在安装框架的第一侧部构件与第二侧部构件之间，其中推杆套筒连接到支撑件，以及其中至少一个推杆定位在推杆套筒内。

压组件还包括支撑件，其中支撑件连接在安装框架的第一侧部构件与第二侧部构件之间，其中多个推杆套筒连接到支撑件，并且推杆定位在推杆套筒中的每一个内。

压组件包括绕着推杆的至少一部分布置的螺旋弹簧，并且压组件被构造成迫使推杆朝向装载臂。

推杆被流体致动。

所述地面钻机还包括：钻杆提升器，所述钻杆提升器被构造成迫使钻杆在与推杆推动钻杆的方向相反的方向上从钻杆装载臂进入到钻杆盒中。

推杆被构造成独立于彼此移动。

压组件包括在钻杆盒的第一端处的多个推杆和在钻杆盒的第二端处的多个推杆。

压组件包括至少两个推杆，所述至少两个推杆被布置成将压力施加到每一列中的钻杆。

钻杆驱动组件被构造成被定位成相对于水平面成在十度与九十度之间的角度。

推杆包括增大的端部构件，所述增大的端部构件接触钻杆并保持螺旋弹簧的端部。

本发明的进一步的方面提供一种用于地面钻机的压组件，包括：安装框架，所述安装框架被构造成安装到多列式钻杆盒；和由安装框架支撑的多个推杆，所述推杆被构造成在朝向钻杆盒的钻杆排出开口的方向上将压力施加在钻杆盒中的钻杆上。

推杆受到弹簧载荷。

推杆被流体致动。

压组件还包括支撑件，其中支撑件连接在安装框架的第一侧部构件与第二侧部构件之间，其中多个推杆套筒连接到支撑件，并且其中多个推杆定位在推杆套筒内。

螺旋弹簧绕着每一个推杆的外部设置在推杆套筒与推杆的端部构件之间。

每一个推杆都包括用于容纳预加载荷销的孔，所述预加载荷销被构造成将推杆锁定在缩回位置。

本发明的另一个方面提供一种地面钻机，包括：底盘；由底盘支撑的钻杆驱动装置，所述钻杆驱动装置包括适于连接到钻柱的驱动单元，驱动单元能够沿着驱动轴线往复移动，驱动轴线能够定位成相对于水平面成大于60度的角度，驱动轴线还能够定位成相对于水平面成小于30度的角度；钻杆盒，所述钻杆盒包括用于存储钻杆的多列，钻杆盒具有钻杆排出端；钻杆输送组件，所述钻杆输送组件在钻杆盒的钻杆排出端与驱动轴线之间输送钻杆；至少第一推动构件，所述至少第一推动构件在朝向钻杆盒的排出端的第一方向上推动存储在钻杆盒中的钻杆；和钻杆重新装载装置，所述钻杆重新装载装置通过钻杆盒的钻杆排出端将钻杆重新装载回到钻杆盒中，其中钻杆重新装载装置包括第二推动构件，所述第二推动构件在第二方向上从钻杆输送组件推动钻杆通过钻杆盒的钻杆排出端推回钻杆，第二方向与第一方向相反。

第一推动构件在相对于钻杆盒固定的导向套筒内滑动。

单独的第一推动构件被设置成对应于钻杆盒的每一列。

本发明的另外一个方面提供一种地面钻机，包括：钻机；连接到钻机的钻机稳定子组件，所述钻机稳定子组件包括能够缩回和伸出的部分；和下推致动器，所述下推致动器被构造成伸出和缩回钻机稳定子组件的能够缩回和伸出的所述部分；其中，钻机稳定子组件的能够缩回和伸出的所述部分包括第一展开结构和第二展开结构，其中在第一展开结构中，钻机稳定子组件的能够伸出和缩回的所述部分在地面下方延伸至少一英尺，以及其中在第二展开结构中，钻机稳定子组件的所述部分向下压在地面上并相对于地面升高钻机。

下推致动器是液压缸，当液压缸缩回时，液压缸使钻机稳定子组件的所述部分伸出，而当液压缸伸出时，液压缸使钻机稳定子组件的所述部分缩回。

钻机稳定子组件包括一对分隔开的下桩(stakedown)锚定部和一对分隔开的支腿，其中所述一对分隔开的支腿和所述一对分隔开的下桩锚定部连接到枢转管，枢转管连接到定向致动器，使得伸出和缩回定向致动器使所述一对支腿和所述一对下桩锚定部旋转，其中所述一对支腿和所述一对下桩锚定部被支撑在连接到枢转管的一对伸出臂上。

所述地面钻机还包括：第一滑动构件和第二滑动构件，第一滑动构件连接到安装框架并连接到下推致动器的端部，第二滑动构件能够滑动地连接到第一滑动构件，其中下桩锚定部连接到第二滑动构件，使得当下推致动器缩回时，下桩锚定部伸出。

稳定支腿连接到第二滑动构件，使得当下推致动器缩回时，下桩锚定部伸出。

稳定支腿能够被从第二滑动构件释放，使得当下推致动器缩回时，仅下桩锚定部伸出。

定向致动器是液压缸，并且其中下推致动器是液压缸。

本发明的又一个方面提供一种地面钻机，包括：底盘；能够移动地支撑在底盘上的钻杆驱动组件，钻杆驱动组件包括下向钻孔端和上向钻孔端；和钻机稳定组件，所述钻机稳定组件被构造成稳定钻杆驱动组件的下向钻孔端，钻机稳定组件包括：安装框架，所述安装框架连接到钻杆驱动组件的下向钻孔端；和下桩组件，所述下桩组件连接到伸出臂的第二端，下桩组件包括：下推缸；地锚；和稳定足部(foot)；以及其中：下桩组件包括锚定位置，在锚定位置，下推缸缩回，而地锚伸出到地面中；下桩组件包括支撑位置，在支撑位置，下推缸缩回，而地锚伸出且稳定足部接合地面；以及下桩组件包括缩回位置，在缩回位置，下推缸伸出，而地锚缩回。

本发明的另外一个方面包括一种钻入到地面中的方法，包括以下步骤：将钻杆驱动组件定向成相对于地面成钻孔角度；相对于地面将稳定元件定向在期望的方位；和使稳定元件朝向地面伸出；以及其中，定向稳定元件的步骤包括：将伸出臂定向成相对于钻杆组件成在零度与九十度之间的角度。

相对于地面的钻孔角度的范围包括30度和80度。

当钻孔角度是30度时，驱动履带与地面接触。

当钻孔角度是80度时，驱动履带升高离开地面。

稳定元件包括地锚。

稳定元件包括稳定足部。

相对于地面以期望的角度定向稳定元件的步骤包括：相对于地面以大致垂直方向定向稳定元件。

本发明的进一步的方面提供一种地面钻机，包括：底盘；钻杆驱动组件，所述钻杆驱动组件能够移动地支撑在底盘上；和钻孔角度调节组件，所述钻孔角度调节组件被构造成定向钻杆驱动组件从而以一定范围的钻孔角度进行钻孔，钻孔角度调节组件包括：摆缸，所述摆缸包括第一端和第二端，第一端在摆缸底盘连接部处连接到底盘；摇杆，所述摇杆包括在摇杆钻杆驱动组件连接部处连接到钻杆驱动组件的第一端部、在摇杆摆缸连接部处连接到摆缸的第二端的第二端部、和在第一端部与第二端部之间的在摇杆底盘连接部处枢转地连接到底盘的枢转安装部；和致动器，所述致动器包括在致动器钻杆驱动组件连接部处连接到钻杆驱动组件的第一端，并且致动器的第二端在致动器摇杆连接部处连接到摇杆。

钻孔角度调节组件被构造成使得摇杆摆缸的伸出或缩回升起和降下钻杆驱动组件的下向钻孔端。

致动器是提升缸，并且其中钻孔角度调节组件被构造成使得伸出所述提升缸能够将钻杆驱动组件的方向从大致水平方向改变到大致垂直方向。

摇杆钻杆驱动组件连接部是枢转连接，其中致动器摇杆连接部是枢转连接，其中摆缸底盘连接部是枢转连接，其中致动器钻杆驱动组件连接部是枢转连接，以及其中致动器摇杆连接部是枢转连接。

摇杆钻杆驱动组件连接部位于钻杆驱动组件的下向钻孔端，其中致动器摇杆连接部位于摇杆钻杆驱动组件连接部与摇杆底盘连接部之间，以及其中摇杆底盘连接部在致动器摇杆连接部与摇杆摆缸连接部之间。

摇杆底盘连接部与摇杆钻杆驱动组件连接部之间的距离在45英寸与50英寸之间。

摇杆底盘连接部与摇杆提升缸连接部之间的距离在30英寸与35英寸之间。

钻杆驱动组件包括钻杆盒、钳夹装置、机架和能够移动地安装在机架上的驱动单元。

本发明的另外一个方面提供一种地面钻机，包括：底盘；能够移动地支撑在底盘上的钻杆驱动组件，所述钻杆驱动组件包括上向钻孔端和下向钻孔端；和钻孔角度调节组件，所述钻孔角度调节组件被构造成定向钻杆驱动组件从而以一定范围的钻孔角度进行钻孔，并且钻孔角度调节组件被构造成独立地升起和降下钻孔角度调节组件的下向钻孔端，其中钻杆驱动组件被构造成绕着钻杆驱动组件与钻孔角度调节组件之间的枢转连接部枢转；其中钻杆驱动组件被构造成升起和降下枢转连接部。

钻孔角度调节组件被构造成将钻杆驱动组件定位成相对于地面成十五度角度以进行钻孔。

钻孔角度调节组件被构造成将钻杆驱动组件定位成相对于地面成九十度角度以进行钻孔。

本发明的又一个方面提供一种相对于地面定向钻柱的方法，包括以下步骤：使钻杆驱动组件的机架绕着枢转点枢转；以及使枢转点上升。

使机架枢转的步骤包括致动连接在机架与摇杆之间的提升缸，使枢转点上升的步骤包括致动连接在摇杆与钻机的底盘之间的摆缸。

所述枢转步骤和所述上升步骤能够同时发生。

所述枢转和所述上升步骤能够依次发生。

本发明的进一步方面提供一种地面钻机，包括：机架，所述机架包括上向钻孔端和下向钻孔端；能够移动地安装在机架上的钻杆驱动单元，所述钻杆驱动单元被构造成沿着钻柱轴线在机架的上向钻孔端与下向钻孔端之间移动；和钳夹组件，所述钳夹组件定位在机架的下向钻孔端处，其中钳夹装置被构造成移动以与钻柱轴线对齐或不与钻柱轴线对齐。

钳夹组件被构造成通过在基本上垂直于钻柱轴线的方向上滑动而移动。

钳夹组件被构造成使得当钳夹组件没有与钻柱对齐时，钻柱的钻杆至少间隔开三英寸。

钳夹组件包括轴向钻杆接收开口和侧部钻杆接收开口。

钳夹组件包括导向组件，所述导向组件包括邻近侧部钻杆接收开口的闸门(gate)。

钳夹组件包括第一钳夹装置和第二钳夹装置，其中第一钳夹装置和第二钳夹装置被构造成相对于彼此绕着钻柱轴线旋转。

第一钳夹装置比第二钳夹装置更靠近机架的下向钻孔端，并且其中第二钳夹装置被构造成旋转。

所述地面钻机还包括：导向组件，所述导向组件被构造成围绕钻杆的周边，其中辊组件包括被构造成打开以使钳夹组件从钻杆释放的闸门。

本发明的又一个方面提供一种地面钻孔的方法，包括以下步骤：沿着钻柱轴线定位钻杆；将钳夹组件定位成不与钻柱轴线对齐；将钻具连接到钻杆；将钻杆驱动到地面中；以及将钳夹组件定位成与钻柱轴线对齐。

在将钳夹组件定位成不与钻柱轴线对齐的同时进行将钻具连接到钻杆的所述步骤。

所述地面钻孔方法还包括以下步骤：将钳夹组件定位成不与钻柱轴线对齐；沿着钻柱轴线缩回钻杆；以及拆卸钻具。

在将钳夹组件定位成不与钻柱轴线对齐的同时进行拆卸钻具的所述步骤。

所述地面钻孔方法还包括以下步骤：通过钻机钳夹组件夹持钻杆；以及断开钻杆与驱动单元之间的连接。

本发明的另一个方面提供一种地面钻孔的方法，包括以下步骤：沿着钻柱轴线缩回钻杆；以及当钳夹组件不与钻柱轴线对齐时，从钻杆拆卸钻具。

所述地面钻孔方法还包括以下步骤：当钳夹组件与钻柱轴线对齐时，通过钻机钳夹组件夹持钻杆；以及断开钻杆与驱动单元之间的连接。

本发明的进一步方面提供一种地面钻孔的方法，包括以下步骤：设置钻柱，所述钻柱包括连接到钻具的钻杆，钻杆沿着钻孔轴线定位；和当钻具连接到钻杆或从钻杆拆卸钻具时，远离钻孔轴线移动钳夹组件。

钻具包括气锤。

钻具包括钻杆套管。

本发明的一个方面提供一种地面钻孔的方法，包括以下步骤：首先，相对于地面将钻杆盒倾斜到大于四十五度的角度；第二，邻近钻杆盒定位装载臂；第三，通过致动装载臂上的指状部将钻杆固定在装载臂中；第四，将钻杆驱动单元螺纹连接到钻杆的上向钻孔端；第五，释放对指状部的致动；以及第六，将钻杆螺纹连接到钻柱。

致动指状部的步骤包括：使指状部绕着枢转轴线枢转。

指状部被构造成使得指状部能够枢转大于九十度。

指状部包括夹紧表面，所述夹紧表面使指状部能够在垂直方向上固定钻杆。

夹紧表面由具有在50与70之间的硬度的材料构成。

致动所述指状部的步骤包括：将指状部的一部分延伸以与钻杆以在50度与75度之间的角度重叠。

本发明的又一个方面提供一种地面钻机，包括：钻杆装载臂，所述钻杆装载臂包括：包括上表面和下表面的主体部，上表面被构造成能够滑动地支撑钻杆，上表面限定滑动平面；在滑动表面中的凹部，所述凹部被构造成容纳钻杆，其中凹部是具有侧壁和底壁的大致L形形状，底壁限定底部平面，而侧壁限定侧平面；指状部，所述指状部被构造成通过在朝向侧平面和底部平面的方向上将力施加在钻杆上而将钻杆保持在凹部中；以及缸，所述缸连接到指状部以使指状部朝向和远离凹部移动，所述缸在主体部内定位在上表面与下表面之间。

指状部包括具有凹入的钻杆接触面的夹紧垫。

夹紧垫由具有在50与70之间的硬度的材料构成。

所述地面钻机还包括弹簧加载抓挡臂(catch arm)。

指状部包括近端和远端，并且其中近端在邻近主体的下表面的指状部枢转点处枢转地连接到主体部，其中所述缸在指状部枢转点与指状部的远端之间连接到指状部。

指状部包括近端和远端，并且其中近端被构造成邻近底壁枢转，其中指状部被构造成从打开位置移动到关闭位置，其中在打开位置，指状部的远端在远离滑动平面的方向上低于底部平面延伸。

在关闭位置，指状部的远端在底部平面与侧平面之间。

本发明的另外一个方面提供一种地面钻机，包括：机架，其中机架被构造成被定位成相对于地面成至少在十度与九十度之间的范围内的角度；邻近于机架的钻杆盒；能够移动地安装到机架的钻杆驱动单元；以及上装载臂和下装载臂，每一个装载臂都包括用于夹紧钻杆的指状部；其中装载臂相对于钻杆盒和机架的运动是同步的，其中上装载臂和下装载臂被构造成在第一方向上从钻杆盒接收钻杆和在第二方向上将钻杆排放到机架。

第一方向垂直于第二方向。

本发明的又一个方面提供一种钻孔方法，包括以下步骤：在控制系统处接收一组机器参数，所述一组机器参数包括钻柱的转速的指示；在控制系统处接收一组钻柱工具参数，其中控制系统部分地基于钻柱工具参数确定优选的转速；以及在钻柱的操作期间，在控制系统处从使用者接收对钻柱的转速的逐渐调节，并根据所述逐渐调节在钻柱的操作期间调节钻柱的转速。

钻柱工具参数包括工具名称。

钻柱工具参数包括工具几何结构信息。

钻柱工具参数由使用者通过用户界面手动输入。

通过用户界面接收钻柱的转速的逐渐调节。

用户界面包括可调节旋钮。

在钻柱的操作期间，自动逐渐增加和减小钻柱的转速以优化钻速。

自动增加和减小钻柱的转速导致驱动单元相对于机架的速度增加。

本发明的一个方面提供一种钻孔方法，包括以下步骤：在控制系统处接收一组钻柱工具参数和一组钻机参数；以及根据所述一组钻柱工具参数和所述一组钻机参数确定钻柱的转速。

所述方法还包括以下步骤：根据确定的转速设定钻柱的转速。

所述方法还包括以下步骤：根据确定的转速为使用者提供推荐的钻柱的转速。

至少一个工具参数与工具按钮尺寸相关，并且至少一个机器参数与锤击频率相关。

确定转速使得钻柱在每个锤击间隔以与按钮尺寸的直径的一半相关的速度旋转。

与工具按钮尺寸相关的至少一个工具参数是工具的名称。

与工具按钮尺寸相关的至少一个工具参数是关于工具几何结构的使用者输入信息。

与锤击频率相关的至少一个机器参数是气锤的监控频率。

与锤击频率相关的至少一个机器参数是气锤类型和钻机空气压缩机规格。

本发明的另一个方面提供一种地面钻机，包括：钻杆驱动单元，所述钻杆驱动单元被构造成将钻柱推到下向钻孔并旋转钻柱，其中钻杆驱动单元使钻柱以基于与连接到钻柱的切削工具相关的信息的转速旋转。

所述地面钻机还包括钻柱转速传感器。

所述地面钻机还包括：用于监测钻杆驱动单元相对于钻机机架的速度的传感器，其中钻杆驱动单元被构造成自动增加转速，直到钻杆驱动单元相对于机架的速度开始减小为止。

附图说明

图1是沿运输方向显示的根据本发明的地面钻机的侧视图；

图2是沿水平钻孔方向显示的图1的地面钻机的侧视图；

图3是沿地热钻孔方向显示的图1的地面钻机的侧视图；

图4是沿运输方向显示的图1的地面钻机的立体图；

图5是沿水平钻孔方向显示的地面钻机的立体图；

图6是沿地热钻孔方向显示的地面钻机的立体图；

图7是在为了清楚起见移除结构的情况下在运输方向上的图1的地面钻机的提升连杆装置的部分剖视图；

图8是在水平钻孔方向上的图7的提升连杆装置的部分剖视图；

图9是在地热钻孔方向上的图5的提升连杆装置的部分剖视图；

图10是图1的地面钻机的钻机稳定组件的立体图；

图11是图10的钻机稳定组件的前视图；

图12是图10的连接到钻机的下向钻孔端的钻机稳定组件的侧视图；

图13是在第一方向上的图1的地面钻机的钻杆驱动组件、钳夹组件和钻杆装载组件的多个部分的立体图；

图14是在第二方向上的图13的钻杆驱动组件、钳夹组件和钻杆装载组件的多个部分的立体图；图15是在第三方向上的图13的钻杆驱动组件、钳夹组件和钻杆装载组件的多个部分的立体图；

图16是在第一方向上的图13的钳夹组件的第一立体图；

图17是在第一方向上的图13的钳夹组件的第二立体图；

图18是在第二方向上的图13的钳夹组件的立体图；

图19是图13的钻杆装载组件的装载臂的第一侧视立体图，显示了指状部处于关闭位置；

图20是图13的钻杆装载组件的装载臂的第一侧视立体图，显示了指状部处于打开位置；

图21是在指状部处于关闭位置的情况下图13的钻杆装载组件的装载臂的第二侧视立体图；

图22是图19的装载臂的剖视图；

图23是图1的地面钻机的钻杆盒、装载臂和压组件的立体图；

图24是图23的钻杆盒和压组件的剖视图；

图25是钳夹装置锁定及释放控制系统的部件的示意图；

图26是钳夹装置控制系统的流程图；

图27是钻杆转速控制系统的示意图；

图28是显示可用于实施这里描述的各种方法和系统的电子计算装置的示例性物理部件的方框图；

图29是图23的钻杆盒的剖视图；

图30是图23的压组件的第一可选实施例的剖视图；

图31是图23的压组件的第二可选实施例处于第一位置的剖视图；

图32是图31的压组件处于第二位置的剖视图；以及

图33是图31的压组件处于第三位置的剖视图。

具体实施方式

本发明的一个方面涉及能够相对于地面以宽范围角度钻入到地面中的机器。参照图1-6，在多个不同的方向上显示了根据本发明的地面钻机的实施例。图1和图4显示了在运输方向上的地面钻机10的视图。图2和图5显示了在水平钻孔方向上的地面钻机10的视图。图3和图6显示了在地热钻孔方向上的地面钻机的视图。

运输方向这里用于表示与当机器被运输到钻孔位置和/或从钻孔位置驱动机器时钻机通常所沿的方向相对应的方向。参照图1和图4，在所述的实施例中，机架和钻杆盒在运输方向上基本上是水平的，且钻机稳定组件朝向钻机的底盘向上枢转。应该认识的是所述的实施例的机器还可以同样在其它方向上被从一个位置运输和/或驱动到另一个位置。

水平钻孔方向这里用于表示与当机器被定位成进行水平定向钻孔时钻机通常所沿的方向相对应的方向。参照图2和图5，在所述的实施例中，机架和钻杆盒相对于地面大致呈大于零度且小于四十五度(更加通常地是在十度至三十度之间)的角度，并且钻机稳定组件远离底盘向下枢转，使得地锚被固定到地面中。应该认识的是可以通过钻机10沿水平钻孔方向执行许多不同的钻孔应用，包括典型的水平钻孔应用以及地热钻孔应用，在所述地热钻孔应用中，钻孔从地面至少起始于小于四十五度角度。

地热钻孔方向这里用于表示与当钻机被构造成用于地热应用时钻机通常所沿的方向相对应的方向。参照图3和图6，在所述的实施例中，机架100和钻杆盒18相对于地面呈在四十五度至九十度之间的角度，钻机稳定组件20朝向底盘12向上枢转，并且稳定支腿78、79延伸成使得稳定支腿78、79与地面接合。应该认识的是可以通过钻机10沿地热钻孔方向执行许多不同的钻孔应用，例如，钻井。

总体参照图1-6，更加详细地说明了地面钻机10。在所述的实施例中，地面钻机10包括：支撑在一对履带180上的底盘12，所述一对履带旋转以移动地面钻机10；钻杆驱动组件14，所述钻杆驱动组件14被支撑在底盘12上以用于将钻柱驱动到地面中和从地面缩回钻柱；钻杆装载组件102，所述钻杆装载组件102用于将钻杆输送到钻杆驱动组件14以装配成钻柱200和从钻杆驱动组件14输送钻杆以拆卸钻柱200；钳夹组件112，所述钳夹组件112有助于从钻柱200连接和断开钻杆201；钻进角度调节组件90，所述钻进角度调节组件90用于朝向期望的方向提升和降下钻杆驱动组件14；钻机稳定组件20，所述钻机稳定组件20用于在钻孔操作期间稳定地面钻机10；和控制系统150，所述控制系统150用于控制具体的钻孔操作。

在所述的实施例中，钻孔角度调节组件90被构造成将钻杆驱动组件14从图1和图4所示的运输方向移动到期望的钻孔方向。如上所述，期望的钻孔方向可以是与通常被称为图2和图5所示的水平方向钻孔(HHD)的传统的低角度方向钻孔相对应的角度，或者期望的钻井方向可以是与图3和图6所示的地热钻孔应用或钻井应用的典型的高角度钻孔相对应的角度。

总体参照图1-9，更加详细地说明钻孔角度调节组件90。在所述的实施例中，钻孔角度调节组件90被构造成相对于地面2提升钻杆驱动组件14的下向钻孔端50以及相对于地面2倾斜钻杆驱动组件14。在所述的实施例中，提升运动和倾斜运动是独立的。例如，钻孔角度调节组件90可以在提升或不提升钻杆驱动组件14的情况下使钻杆驱动组件14倾斜。另外，倾斜运动和提升运动可以同时或依次进行。钻孔角度调节组件90被构造成使得钻杆驱动组件14的下向钻孔端50沿水平钻孔方向靠近地面(例如，距离地面不少于四英尺，或更优选地距离地面不少于三英尺)定位。

更加具体地参照图7-9，所述的实施例的钻孔角度调节组件90包括摇杆26，所述摇杆26在摇杆底盘连接部28处枢转地连接到底盘12。摇杆包括位于摇杆底盘连接部28的下向钻孔的第一端部和位于摇杆底盘连接部28的上向钻孔的第二端部。钻进角度调节组件90包括摆缸22，所述摆缸22具有在摇杆摆缸连接部34处枢转地连接到摇杆26的第二端部的第一端和在摆缸底盘连接部38处枢转地连接到底盘12的第二端。在所述的实施例中，摇杆底盘连接部28的摇杆下向钻孔的第一部分在摇杆钻杆驱动组件连接部36处枢转地连接到钻杆驱动组件14的下向钻孔端。在所述的实施例中，钻孔角度调节组件90包括提升缸24，所述提升缸24具有在提升缸摇杆连接部30处枢转地连接到摇杆26的第一端，其中所述提升缸摇杆连接部30位于摇杆钻杆驱动组件连接部36与摇杆底盘连接部28之间。提升缸24包括第二端，所述第二端在位于摇杆钻杆驱动组件连接部36的上向钻孔处的提升缸钻杆驱动组件连接部32处连接到钻杆驱动组件14。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，钻孔角度调节组件90被构造成使得摇杆摆缸22的伸出和缩回提升和降下钻杆驱动组件的下向钻孔端，并且伸出提升缸24能够将钻杆驱动组件的方向从大致水平方向改变到大致垂直方向。在所述的实施例中，摇杆钻杆驱动组件连接部36位于钻杆驱动组件14的下向钻孔端50处，提升缸摇杆连接部30位于摇杆钻杆驱动组件连接部36与摇杆底盘连接部28之间，并且摇杆底盘连接部28在提升缸摇杆连接部30与摇杆摆缸连接部34之间。在所述的实施例中，摇杆底盘连接部28不与提升缸摇杆连接部30和摇杆摆缸连接部34对齐(即，偏离提升缸摇杆连接部30和摇杆摆缸连接部34)。在所述的实施例中，摇杆底盘连接部与摇杆钻杆驱动组件连接部之间的距离在45英寸与50英寸之间，并且摇杆底盘连接部与摇杆提升缸连接部之间的距离在30英寸与35英寸之间。在所述的实施例中，摇杆钻杆驱动组件连接部36(即，钻杆驱动组件枢转的点)被定位在钻杆驱动组件的下向钻孔端50后面在25英寸与30英寸之间的距离处。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

本发明的一个方面涉及一种具有相对于底盘和地面升高和降低枢转点的能力的机器，其中机架绕着所述枢转点枢转以在不同的位置(即，运输、水平钻孔和地热)之间移动。在所述的实施例中，通过使钻杆驱动组件的机架绕着枢转点36枢转并升高枢转点36来定向钻机。如上所述，在所述的实施例中，使机架100枢转包括致动连接在机架100与摇杆26之间的提升缸24，而升高枢转点36包括致动连接在钻机的摇杆26与底盘12之间的摆缸22。如上所述，枢转和升高可以同时发生或者可以依次发生。

总体参照图1-6和10-12，更加详细地描述了钻机稳定组件20。在所述的实施例中，钻孔方法可以包括以下步骤：将钻杆驱动组件14定向到相对于地面2的钻孔角度；将稳定元件定向到相对于地面的期望角度；以及使稳定元件朝向地面伸出。在所述的实施例中，将稳定元件定向到相对于地面2的期望角度包括：首先将钻杆驱动组件14定向到相对于地面的钻孔角度，然后将稳定元件相对于地面定向在水平角度(零)至垂直(九十)角度之间(例如，30度、80度等)。

在所述的实施例中，钻机稳定组件20被构造成为地面钻机10提供稳定性，从而以宽范围角度钻孔。钻机稳定组件20包括稳定子组件170。在所述的实施例中，稳定子组件170包括一对稳定支腿78、79和一对地锚74、75。所述一对稳定支腿78、79和所述一对地锚74、75被构造成绕着轴线62相对于钻杆驱动组件14向上枢转到缩回位置(参见图1、3、4和6)和向下枢转到伸出位置(参见图2和图5)。在所述的实施例中，当钻机处于水平钻孔方向时(参见图2)，钻机被支撑在履带180上且地锚伸出。在所述的实施例中，当钻机处于地热钻孔方向时(参见图3)，钻机被支撑在支腿上(履带180从地面升起)。在所述的实施例中，钻机在地热方向上被支撑在四个支腿上(即，两个可缩回后支腿410和两个可缩回前支腿78、79)。

更加具体地参照图10-12，机架相对于第一侧的稳定支腿78和锚定部74以及机架相对于第二侧的稳定支腿79和锚定部75的角度方位经由枢转管60联系在一起。枢转管由定向缸42驱动，所述定向缸被布置和构造成使得当定向缸伸出和缩回时，承载稳定子组件170的稳定支腿和锚定部的伸出臂64相对于框架40枢转。安装框架40将钻机稳定组件20连接到钻机10的下向钻孔端50。在所述的实施例中，安装框架40连接到钻杆驱动组件14的机架100。在所述的实施例中，稳定支腿和锚定部通过臂64被运载到与机架相邻的收起位置和偏离机架的稳定位置。臂64提供至少1英尺(例如，1英尺、3英尺或6英尺)的偏移长度以为操作者台420提供空间(参见图3)。

在所述的实施例中，定向缸42包括第一端44和第二端46。定向缸42的第一端44连接到安装框架40，而定向缸42的第二端46连接到驱动臂48的第一端56。在所述的实施例中，定向缸42的任一端上的连接是枢转连接。驱动臂48包括连接到伸出臂64的第一端66的第二端58。驱动臂48与伸出臂之间的连接也是枢转连接。连接部处的枢转运动驱动枢转管60绕着枢转轴线62旋转。当定向缸伸出时，枢转管60沿逆时针方向旋转，从而使稳定子组件170远离钻机的底盘向下旋转运动(参见图2和图5)。当定向缸缩回时，枢转管沿顺时针方向旋转，从而使稳定子组件170朝向钻机的底盘12向上旋转运动(参见图1、3、4和6)。销或其它紧固件可以用于将臂64固定在收起位置或稳定位置(例如，销430被构造成在水平钻孔方向上固定臂)。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。例如，在一个可选的实施例中，与钻机的下向钻孔端相邻的锚定部和支腿远离机器的侧部定位，而不是定位在机器的端部处。

在所述的实施例中，第一侧的稳定支腿78和锚定部74可以独立于第二侧的稳定支腿79和锚定部75伸出和缩回。这种结构能够使钻机稳定组件在侧向倾斜的地面上使钻机10水平。在所述的实施例中，锚定部74被构造成在地面下方延伸至少六英寸，而稳定支腿79被构造成向下压在地面上。

在所述的实施例中，稳定组件20的第一侧和第二侧的稳定子组件170的部件是相似的，因此仅在这里详细说明第一侧的部件。在所述的实施例中，伸出臂64包括连接到第一滑动构件192的下部190的第二端68。稳定子组件170包括可滑动地接合第一滑动构件192的上部194的第二滑动构件196(例如，构件192、196可以具有可伸缩关系)。稳定子组件170包括下推缸72，所述下推缸72被构造成使第一滑动构件192相对于第二滑动构件196移动。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，下桩组件70连接到第二滑动构件196，使得当下推缸72缩回时，该下桩组件70相对于第一滑动构件192向下移动，而当下推缸72伸出时，该下桩组件70相对于第一滑动构件12向上移动。在所述的实施例中，下推缸72在下端处连接到第一滑动构件192，而在上端198处连接到第二滑动构件196的上端。在所述的实施例中，第一滑动构件的上端194被容纳在第二滑动构件196的下端199中，使得第一滑动构件192和第二滑动构件196以可伸缩方式布置。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，下桩组件70包括下推缸72和地锚74，地锚74包括由电动机84驱动的钻轴86。钻轴86被构造成延伸通过足部76。足部76连接到第一滑动构件192和下推缸72的下端。在所述的实施例中，足部76包括被构造成覆盖钻机锚定部的螺旋片(flighting)的钻机锚定部螺旋片罩和允许稳定支腿延伸通过足部76的稳定支腿切口。

在所述的实施例中，稳定子组件170还包括放置在地面上而不是锚定到地面中的稳定支腿78。稳定支腿78可以被构造成选择性地与第二滑动构件196一起移动，或者可选地，稳定支腿78可以被构造成允许第二滑动构件196相对于稳定支腿78移动。当稳定支腿78被构造成与第二滑动构件196一起移动时，稳定支腿78(而不是地锚74)的足部1002接合地面。因此，下推缸72可以用于相对于稳定支腿独立地提升和降下锚定部，或者同时降下和提升锚定部和稳定支腿。

在所述的实施例中，钻机稳定组件20包括：安装框架40，所述安装框架40被构造成将钻机稳定组件连接到钻机；连接到安装框架的钻机稳定子组件170，所述钻机稳定子组件170包括可以缩回和伸出的部分；定向致动器(例如，液压缸)，所述定向致动器被构造成使钻机稳定子组件170相对于安装框架枢转；以及下推致动器72、73，所述下推致动器72、73被构造成使钻机稳定子组件的可以缩回和伸出的部分伸出和缩回。稳定组件20还包括连接到安装框架和下推致动器的端部的第一滑动构件192和可滑动地连接到第一滑动构件的第二滑动构件196，其中下桩锚定部连接到第二滑动构件，使得当致动器缩回时，下桩锚定部伸出。钻机稳定子组件170的可以缩回和伸出的部分包括稳定支腿，所述稳定支腿被构造成向下压在地面上，稳定支腿连接到第二滑动构件，使得当致动器缩回时，下桩锚定部伸出。稳定支腿可以被从第二滑动构件释放，使得当致动器缩回时，仅下桩锚定部伸出。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。例如，在一个可选的实施例中，支腿78被省略，并且足部1002直接连接到地锚74。

在所述实施例的地面钻机中，钻机稳定组件被构造成稳定钻杆驱动组件的下向钻孔端。根据一个实施例，所述实施例的钻机稳定器组件包括：安装框架，所述安装框架连接到钻杆驱动组件的下向钻孔端；稳定器定向缸，所述稳定器定向缸包括第一端和第二端，第一端连接到安装框架；驱动臂，所述驱动臂包括第一端和第二端，所述第一端连接到定向缸的第二端；枢转管，所述枢转管包括相对于安装框架固定的枢转轴线，枢转管连接到第一臂的第二端，使得当驱动臂移动时，枢转管旋转；伸出臂，所述伸出臂包括第一端和第二端，第一端连接到枢转管；下桩组件，所述下桩组件连接到伸出臂的第二端，下桩组件包括：下推缸；地锚；和稳定支腿；其中下桩包括锚定位置，在所述锚定位置，下推缸缩回且锚定部相对于稳定支腿伸出，其中下桩包括缩回的支撑位置气缸，并且下推缸的锚定部相对于安装框架伸出足部，其中下桩包括缩回位置，在所述缩回位置，下推缸伸出而锚定部和稳定支腿缩回，以及其中当稳定器定向缸伸出和缩回时，下桩组件相对于安装框架枢转。

如上所述，操作者控制装置设置在邻近钻机的下向钻孔端的操作者台420。另外，操作者控制装置也同样被设置在邻近机器的上向钻孔端的操作者辅助控制台1004。在所述的实施例中，控制台420处的操作者可以将地锚驱动到地面中。换句话说，操作者可以从台420控制电动机84和下推缸72。在所述的实施例中，辅助控制台处的操作者可以相对于地面升起机器(即，控制下推缸72)，但是不能将地锚驱动到地面中(即，控制电动机84)。此外，在所述的实施例中，当机架以高角度(例如，相对于水平方向大于45度)被定向时，也不能控制电动机84。该旋转控制的自动停止在典型的地热钻孔应用期间促使操作者使用稳定组件20以相对于地面提升钻机，这与使钻机支撑在其履带上且地锚被驱动到地面中相反。

总体参照图1-6和13-15，更加详细地描述所述实施例的钻杆驱动组件14、钻杆装载组件102和钳夹组件112。如上所述，钻杆驱动组件14被构造成将钻柱驱动到地面中或将钻柱驱动出地面以及使钻柱绕着钻柱旋转轴线旋转。

在所述的实施例中，钻杆驱动组件14包括机架100和驱动单元104。驱动单元104被构造成在机架100的上向钻孔端52和下向钻孔端50之间移动。驱动单元104包括驱动驱动单元104相对于机架100移动的电动机和驱动钻柱200的旋转的电动机。驱动单元104使钻杆旋转以将钻杆拧入到钻柱200或从钻柱200拧出钻杆。另外，驱动单元使钻柱旋转以驱动连接在钻柱的下向钻孔端处的切削工具202的旋转。如上所述，机架100通过钻机调节组件90被升起和下降，并且可以在钻孔操作期间通过钻机稳定组件20稳定机架100的下向钻孔端50。

钻杆装载组件102被构造成将钻杆输送到钻杆驱动组件14和从钻杆驱动组件14输送钻杆。钻杆装载组件102包括被构造成使杆往返于机架100移动的上装载臂106和下装载臂108、用于储存杆的钻杆盒18、以及压组件16、17。

在所述的实施例中，上装载臂106和下装载臂108从图13所示的第一钻柱位置移动到图14和图4-6所示的第二钻杆盒位置。在第一钻柱位置，上装载臂106和下装载臂108伸出，使得固定在上装载臂106和下装载臂108中的钻杆与驱动单元104和钻柱(未显示)对齐。在第二钻杆盒位置，上装载臂和下装载臂位于钻杆盒18下方，使得可以将钻杆输送到钻杆盒或从钻杆盒接收钻杆。在所述的实施例中，装载臂106、108的滑动运动通过同步杆110同步进行。在所述的实施例中，同步杆110的旋转驱动装载臂106、108的平移运动。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，钻杆装载组件102的压组件16、17被构造成将钻杆盒中的钻杆朝向装载臂106、108驱动。在所述的实施例中，压组件16、17迫使钻杆盒中的钻杆抵靠钻杆提升器1044，所述钻杆提升器1044由缸1022(例如，液压缸)致动(升起和下降)。钻杆提升器1044用作钻杆盒18的可移动底部，并被构造成当钻柱正在缩回且被拆卸时将钻杆推回到钻杆盒18中。在所述的实施例中，提升器1044在与推杆推动钻杆的方向相反的方向上推动钻杆。在美国专利第7,694,751号、第5,607,280号、第6,474,932号、第6,332,502号和第5,556,253号中公开了其它示例性钻杆提升和输送系统。以上所列专利通过引用在此全文供参考。

在所述的实施例中，当钻杆盒在水平方向或近似水平方向上时，钻杆盒18内的钻杆通过重力被自然地朝向钻杆盒18的底部开口偏置。然而，当钻杆盒18垂直或近似垂直时，通常朝向钻杆盒18的底部开口偏压钻杆的重力可能不足。因此，压组件被构造成将钻杆盒中的钻杆推向钻杆盒18的底部开口以有助于钻杆在钻杆盒18与装载臂106、108之间输送。在所述的实施例中，钻杆盒的下向钻孔端具有将钻杆朝向钻杆盒的钻杆排出开口引导的倾斜表面402(参见图2、4和29)。该倾斜表面可以与压组件一起操作，从而即使当钻杆盒相对于地面垂直定向时也能够确保钻杆盒中的钻杆被朝向排出开口偏压。参照图29，钻杆盒18的下向钻孔端处的倾斜表面402相对于平行于钻杆盒18的钻杆的长度的平面形成锐角(例如，60度)。在所述的实施例中，钻杆盒18的上向钻孔端还包括倾斜表面802；倾斜表面被定向成相对于平行于钻杆盒18的钻杆的长度的平面成钝角(例如，120度)。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，钳夹组件112被构造成有助于组装和拆分钻柱。在所述的实施例中，钳夹组件112固定钻杆的下向钻孔端以及钻柱的上向钻孔端，所述下向钻孔端被定位成被增加到钻柱或从钻柱移除。钳夹组件112被布置成使得该钳夹组件112可以与钻柱和驱动单元104对齐，如图13或图14所示，或者可选地被布置成使得如图15所示该钳夹组件移动而与钻柱和驱动单元104不对齐。期望的是当连接到钻具202的钻杆正在操作时移动钳夹使其不对齐。使钳夹装置滑动而不对齐允许具有较大直径和长度的钻具202(钻孔套管、气锤等)容易地连接到钻杆和与钻杆分离。当钻具连接到钻杆时，钳夹装置滑动还允许钻杆与钻柱对齐或不与钻柱对齐。例如，期望的是当正在更换切削工具时或当连接到切削工具的钻杆正在移动到适当的位置或正在从适当的位置移出所述钻杆时，或者在所述钻杆太大而不能穿过钳夹装置的轴向开口的情况下，使钳夹组件移动而不对齐。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

参照图16-18，更加详细地描述了所述实施例的钳夹组件112。钳夹组件112包括第一钳夹装置114和第二钳夹装置116。与还被称为上钳夹装置的第二钳夹装置116相比较，还被称为下钳夹装置的第一钳夹装置114更靠近机架的下向钻孔端50。第一钳夹装置114被构造成夹到钻柱的上向钻孔端上，而第二钳夹装置116被构造成夹到正在被从钻柱200移走的钻杆的下向钻孔端上。在所述的实施例中，第一和第二钳夹装置被构造成能够相对于彼此绕着钻柱轴线AA相对于锚定部旋转，以断开钻杆的下向钻孔端与钻柱的上向钻孔端之间的螺纹连接。在所述的实施例中，在第一钳夹装置保持固定的同时，第二钳夹装置116旋转。在所述的实施例中，第二钳夹装置116连接到扭转缸124，当扭转缸124伸出和缩回时，扭转缸124使第二钳夹装置旋转。

在所述的实施例中，第一钳夹装置114和第二钳夹装置116包括轴向杆接收开口130，所述轴向杆接收开口130被构造成容纳钻杆，并且当钻柱通过驱动单元104被推入到地面中或由驱动单元104从地面来拉出时允许钻杆穿过。第一钳夹装置114和第二钳夹装置116还包括允许钳夹装置远离钻柱滑动的侧开口128。在所述的实施例中，闸门122被定位成靠近侧开口并保持钻柱与第一钳夹装置114和第二钳夹装置116对齐(闸门122在图17中被显示为关闭，而在图18中被显示为打开)。在所述的实施例中，闸门122与导向组件120(辊组件)相邻，所述导向组件120被构造成当该导向组件在钳夹装置114、116内旋转时支撑钻柱。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，钳夹组件包括滑动单元118，所述滑动单元118包括基板204、滑动槽、锁销126和滑动杆208。在所述的实施例中，滑动单元118能够使钳夹装置移动成与钻柱和驱动单元104对齐，或者可选地能够使钳夹装置移动成不与钻柱和驱动单元104对齐(例如，钳夹装置可以向侧部移动三英寸，向侧部移动六英寸，向侧部移动一英尺等等)。锁销126相对于基板204将钳夹装置锁定在适当位置。为了使钳夹装置114、116移动而不与钻柱对齐，操作者可以拉锁销126并手动使滑动杆208移动，从而使钳夹装置114、116相对于底板204沿着滑动槽206滑动。为了使钳夹装置114、116移动而对齐，操作者可以使滑动杆208在相反的方向上移动并重新接合锁销126。在所述的实施例中，钳夹组件被构造成在基本上垂直于钻柱轴线的方向上滑动成与钻柱轴线对齐和不与钻柱轴线对齐。在所述的实施例中，钳夹组件被构造成滑动至少三英寸以不与钻柱对齐，并且更优选地滑动至少六英寸以不与钻柱对齐。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，地面钻机通过以下步骤被起动：沿着钻柱轴线定位钻杆；将钳夹组件定位成不与钻柱轴线对齐；将钻具连接到钻杆；在下向钻孔方向上通过钻机驱动钻杆，将钳夹组件重新定位成与钻柱轴线对齐；以及将钻杆进一步驱动到地面中。在所述的实施例中，在钳夹组件被定位成不与钻柱轴线对齐的同时，进行将钻具连接到钻杆的步骤。

钳夹组件112移动从而不与钻柱对齐的能力能够使钻机在不干扰钳夹装置的情况下将钻具拉到机架上。具体地，一旦孔被钻出，钻柱的钻具202可以通过以下步骤被从地面移除：将钳夹组件定位成不与钻柱轴线对齐；沿着钻柱轴线缩回钻杆和连接到钻杆的钻具；从钻杆拆卸钻具；以及将钳夹组件重新定位成与钻柱轴线对齐。在所述的实施例中，在钳夹组件被定位成不与钻柱轴线对齐的同时，进行拆卸或完全缩回钻具的步骤。拆分钻柱的步骤包括用钻机钳夹组件夹持钻杆并断开钻杆与驱动单元之间的连接的步骤。当向上拉上一个钻杆时，可以在钳夹组件没有与钻柱轴线对齐的同时从钻杆拆卸钻具。在钻具被移除之后，钳夹组件可以重新与钻柱轴线对齐并夹紧到钻杆上以断开上一个钻杆与驱动单元之间的连接。

参照图19-22，更加详细地描述了所述实施例的装载臂106、108。在所述的实施例中，上装载臂106和下装载臂108相对于钻杆盒的平移运动同步。上装载臂106和下装载臂108被构造成在第一方向(例如，机架水平时的大致垂直方向)上从钻杆盒接收钻杆和在第二方向(例如，机架水平时的大致水平方向)上将钻杆排放到机架。

在所述的实施例中，上装载臂106和下装载臂108基本上是相同的，因此这里仅详细地描述上装载臂的特征。在所述的实施例中，上装载臂106包括主体210，所述主体210包括第一端212、第二端214、顶部216、底部220、上表面150和下表面400。在所述的实施例中，上表面150(在这里也被称为滑动表面)设置在主体的顶部216上并被构造成抵靠钻杆盒18中的钻杆滑动。可移动位置止动部件166位于主体的侧部上以控制装载臂在钻杆盒下方的位置，使得装载臂106停止在钻杆盒中期望列的钻杆的下方(参见图21)。在所述的实施例中，限度调节器151设置在主体210的第二端214处以限制装载臂106相对于钻杆盒18的总行程。在所述的实施例中，主体具有大约24英寸的高度L1。应该认识的是许多其它可选的结构也是可以的。

在所述的实施例中，装载臂106包括在主体210的第一端212处的指状部160。指状部160被构造成绕着指状部枢轴282枢转，所述指状部枢轴282邻近主体210的底部位于第一端212处。在所述的实施例中，指状部160由于位于装载臂的主体210内的夹紧缸280的缩回和伸出而打开和关闭。夹紧缸280包括连接到主体210的一端和在夹紧缸枢轴224处连接到指状部160的另一端，所述夹紧缸枢轴224在指状部的远端与指状部枢轴282之间。在所述的实施例中，指状部长度L2大约为3.5英寸，枢轴282与连接点284之间的距离L3大约为1.25英寸，连接点284与夹紧缸枢轴224之间的距离L4大约为13英寸。在所述的实施例中，连接点284和夹紧缸枢轴224位于主体210的上表面150与下表面400之间。在所述的实施例中，连接点284与枢轴282相比更加远离装载臂的底部220。在所述的实施例中，通过缩回夹紧缸280使指状部移动到夹紧位置(参见图20)。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，夹紧垫162设置在指状部160的远端上，这有助于即使当钻杆相对于地面处于垂直方向或近似垂直方向也能够防止钻杆相对于指状部160(在任意方向上)滑移。在所述的实施例中，夹紧垫162包括凹入的钻杆接触面。在所述的实施例中，夹紧垫162由橡胶材料构成。所述实施例的夹紧垫具有夹紧表面，所述夹紧表面具有在50与70之间的肖氏硬度。在所述的实施例中，耐磨垫164可以设置在指状部160的任一侧，以当钻杆下降以与指状部160接合时支撑钻杆。所述实施例的耐磨垫164具有大于夹紧垫162的硬度的硬度。

在所述的实施例中，装载臂106还包括抓挡臂152，所述抓挡臂被构造成即使当指状部160处于打开位置(参见图21)时也能够保持钻杆。在所述的实施例中，抓挡臂152包括保持钩158，即使当指状部160处于打开位置时，所述保持钩158也能够防止钻杆远离装载臂106滚动。因此，在低角度钻孔应用中，抓挡臂152可以代替指状部160使用或与指状部160结合使用。在所述的实施例中，抓挡臂152在抓挡臂枢轴156处连接到主体210。抓挡臂弹簧154用于偏压处于升起位置的抓挡臂152。应该认识的是许多可选的结构和布置也是可以的。

在所述的实施例中，钻杆通过以下步骤被从钻杆盒输送：首先邻近钻杆盒定位装载臂；其次，通过制动装载臂上的指状部将钻杆固定在装载臂中；第三，将钻杆驱动单元螺纹连接到钻杆的上向钻孔端；第四，释放致动的指状部；以及第五，将钻杆螺纹连接到钻柱。在所述的实施例中，指状部被构造成绕着枢转轴线枢转大于九十度的范围。

在所述的实施例中，钻杆装载臂包括在上滑动面上被构造成容纳钻杆201的凹部。指状部被构造成通过在朝向凹部的方向上将力施加在钻杆201上将钻杆保持在凹部中。在所述的实施例中，凹部是L形，从而具有侧壁和底壁，底壁限定第一平面，上滑动面限定第二平面，以及侧臂限定第三平面。

在所述的实施例中，指状部的近端在下方枢转地连接到底壁。指状部被构造成移动到打开位置和关闭位置以及从打开位置移动到关闭位置。在打开位置，指状部的远端(在下方)延伸通过允许装载臂释放钻杆并被直接拉离钻柱轴线的第一平面。在关闭位置，指状部的远端在第一平面与第二平面之间。在关闭位置，指状部的远端在平行于第三平面的平面中与钻杆重叠。重叠度可以被称作为图23中所示的重叠角度θ。如果重叠角度为零度，则指状部在平行于第三平面的平面中根本不会与钻杆重叠，如果重叠角度是180，则指状部将与钻杆完全重叠，如果重叠角度是90，则指状部将与钻杆的一半重叠。在所述的实施例中，重叠角度θ在30度与80度之间(更加优选地在50度与70度之间)。这种结构有助于装载臂在钻杆盒中的钻杆下方与任意位置的指状部一起移动，并允许在不枢转或下降钻杆臂的情况下从装载臂释放钻杆。

参照图23-24，更加详细地描述了所述实施例的压组件16、17。在所述的实施例中，压组件16和17基本上是相同的，因此这里仅详细描述压组件16。

在所述的实施例中，压组件16包括安装框架132，所述安装框架132包括第一侧部构件230和第二侧部构件232。第一侧部构件230连接到钻杆盒18的第一侧234，而第二侧部构件232连接到钻杆盒18的第二侧236。侧部构件通过支撑件238连接在顶端处，所述支撑件238支撑多个推杆套筒240、242、244，所述推杆套筒240、242、244被构造成将压力施加到钻杆盒中的钻杆。推杆套筒240、242、244与钻杆盒列246、248、250对齐。推杆134、136、138容纳在套筒240、242、244中并在朝向装载臂106、108的方向上被螺旋弹簧140偏压，所述螺旋弹簧140定位在推杆134、136、138上并位于套筒240、242、244与推杆端部构件252、254、256之间。在所述的实施例中，推杆端部构件成形为球形且具有用于接合钻杆盒18中的钻杆260的平坦远端面。应该认识的是虽然所述实施例的推杆受到弹簧负载，但是许多其它偏压结构也是可以的。例如，不是被弹簧致动或除了被弹簧致动之外，推杆可以被液压致动或受到气波(参见图30-33)。

在所述的实施例中，钻杆盒包括用于将钻杆布置在其内的多列。压组件包括被布置成将每一列中的钻杆朝向装载臂偏压的推杆。在所述的实施例中，两个推杆被布置成将压力施加到每一列中的钻杆。在所述的实施例中，推杆被构造成独立于彼此移动。在所述的实施例中，钻杆中的每一个都包括孔950(参见图24)，所述孔950被构造成容纳插入其中的销以将推杆锁定在预加载荷状态下。当移除销时，所述销朝向钻杆盒中的钻杆自由移动并将压力施加在所述钻杆上。

参照图30，描述了压组件的第一可选实施例。压组件810包括安装框架732，所述安装框架包括第一侧部构件830和第二侧部构件832。第一侧部构件830连接到钻杆盒18的第一侧，而第二侧部构件832连接到钻杆盒18的第二侧。侧部构件通过支撑件838连接在顶端处，所述支撑件838支撑多个流体缸(fluid cylinder)(例如，气缸、液压缸等)840、842、844，所述流体气缸被构造成将压力施加到钻杆盒中的钻杆。

在所述的实施例中，流体缸与钻杆盒18中的钻杆列对齐并被构造成独立于彼此移动。在所述的实施例中，所述缸的伸出部分(例如，轴834)包括位于远端的钻杆接合端852、854、856。在所述的实施例中，流体缸被构造成将大致恒定力施加在钻杆盒中的钻杆上。在其中流体是液压流体的实施例中，所述缸可以连接到装载回路，使得由所述缸施加在钻杆上的力大致恒定，并且不取决于气缸的伸出度。

参照图31-33，描述了压组件的第二可选实施例。压组件910包括安装框架932，所述安装框架包括第一侧部构件830和第二侧部构件830。压组件910安装在钻杆盒上方，使得压组件910可以相对于钻杆盒1000移动并指引自身移动通过钻杆盒1000中的不同的钻杆列。在所述的实施例中，钻杆盒1000包括定位在主体部942下方的下部组件940。下部组件940将来自主体部942中的单列的钻杆输送到装载臂。下部组件940被构造成相对于主体部942横向滑动，以阻挡除了一列之外的所有钻杆而允许每次排放来自钻杆盒的一列的钻杆。在所述的实施例中，下部组件940用作主体部942的底部，所述底部允许选择性地排放来自钻杆盒中的钻杆列。

图31和图32显示了定位在钻杆盒1000中的最左侧列钻杆上的压组件910，而图33显示了在钻杆盒1000中的相邻列上移动的压组件910。在所述的实施例中，压组件可以包括单个致动单元902，所述致动单元布置在钻杆的端部之间的大约中间。可选地，压组件可以包括多个致动单元(例如，被构造成将力施加到钻杆的上向钻孔端的一个单元和被构造成将力施加到钻杆的下向钻孔端的一个单元)。应该认识的是许多其它可选的结构也是可以的。

参照图25和图26，描述了所述实施例的钻机10的钳夹装置控制系统170。在所述的实施例中，钳夹装置控制系统170被构造成确保钻杆适当地连接到钻柱。在所述的实施例中，钳夹装置控制系统170包括用于感测钻杆201的下向钻孔端与钻柱的上向钻孔端之间的转矩的转矩传感器172、用于控制下钳夹装置114可以释放(例如，被松开)的顺序的钳夹装置锁定装置174以及可操作地连接到转矩传感器172和钳夹装置锁定装置174的机载计算机176。转矩传感器可以被构造成估算钻杆201与钻柱之间的转矩。在所述的实施例中，下钳夹装置114夹到钻柱的上向钻孔端上，并且驱动单元104使增加到钻柱的钻杆旋转并将该钻杆螺纹连接到钻柱的上向钻孔端。转矩传感器被构造成测量施加在钻杆驱动单元与钻杆201之间的转矩。

在所述的实施例中，钳夹装置控制系统170被构造成确定钻柱与钻杆201之间的转矩何时是充足的。如果确定的钻柱与钻杆201之间的转矩是不充足的，则控制系统可以向操作者报警，使得操作者可以通过驱动单元104手动将更多的转矩施加到钻杆201。可选地，控制系统可以自动地引导钻机10将更多的转矩施加到钻杆201，直到钻杆201相对于钻柱被充分扭转为止。可以由使用者输入或自动确定(例如，根据机器的尺寸或机器所使用的钻杆类型确定)充足的转矩水平(这里也被称为阈值转矩)。

在所述的实施例中，钳夹装置控制系统170进一步被构造成防止下钳夹装置114释放钻柱，直到系统确定钻杆与钻柱之间的转矩是充足的为止。在所述的实施例中，所述系统通过使钳夹装置释放使用者控制装置(例如，释放杆/按钮)禁用来防止下钳夹装置114的释放，直到检测到期望的转矩水平为止。这种功能有助于避免由于钻柱与钻杆之间的不良连接而导致钻柱在孔中丢失。在所述的实施例中，使用者可以经由重置过程(例如，启动即使检测到的转矩小于阈值转矩也能够重新启动钳夹装置控制装置的重置按钮)使自动锁定功能最优先。控制系统还可以进一步被构造成当钻杆驱动单元将预定水平的转矩施加到钻杆时自动释放下钳夹装置。

在所述的实施例中，控制系统170被构造成与将钻杆螺纹连接到钻柱同步地确定转矩。在所述的实施例中，转矩传感器位于驱动单元104处。控制系统170被构造成当由驱动单元104施加到钻杆的感测到的转矩超过一定水平持续设定的时间间隔时确定达到阈值转矩。在所述的实施例中，根据由驱动单元104施加到钻杆的感测到的转矩估算钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的转矩水平。施加到上向钻孔端的感测到的转矩基于与驱动单元104的驱动轴上的转矩和/或直接扭矩测量值相关的参量。与钻柱的上向钻孔端和钻杆的下向钻孔端之间的连接处的转矩相关的参量可以例如是钻杆驱动系统中的液压压力、钻杆螺纹旋转减速时的减速度、或相关的或以其它方式指示钻杆的下向钻孔端与钻柱的上向钻孔端之间的连接是否牢固的任何其它参量。

在所述的实施例中，钳夹装置控制程序可以包括以下步骤：包括将钻柱的上向钻孔端夹持在钳夹装置中的夹持步骤；包括将钻杆的下向钻孔端螺纹连接到钻柱的上向钻孔端的螺纹连接步骤；包括确定钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的连接处的转矩的确定步骤；以及包括在确定转矩超过阈值转矩时使钳夹装置与钻柱的上向钻孔端分离的启用步骤。如上所述，确定步骤可以与螺纹连接步骤同时发生。确定步骤可以使螺纹连接持续设定的时间间隔，同时钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的连接处的转矩高于阈值水平。确定步骤可以包括测量施加到钻杆的上向钻孔端的转矩。测量所施加的转矩的步骤可以包括测量与钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的连接处的转矩相关的参量。与钻柱的上向钻孔端与钻杆的下向钻孔端之间的连接处的转矩相关的参量可以是钻杆驱动系统的液压压力。启用步骤可以包括重新启动钳夹装置的操作者控制装置(例如，重新启动手动钳夹装置释放按钮)。

在所述的实施例中，钻杆的上向钻孔端被构造成在钻杆螺纹连接到钻柱的上向钻孔端之前螺纹连接到驱动单元104。螺纹连接步骤被完成，使得控制系统170不会错误地认为钻柱的上向钻孔端和钻杆牢固地连接并能够分离钳夹装置。在所述的实施例中，在驱动单元104螺纹连接到钻杆时，装载臂的夹紧指状部固定所述钻杆。夹紧指状部被构造成在钻杆连接到驱动单元104达到足以将钻杆固定到驱动单元104但小于阈值转矩的转矩水平之后，在钻杆仍然与装载臂接触的同时允许钻杆旋转。由于一旦达到低于阈值转矩水平的转矩水平，钻杆将在装载臂内旋转，因此控制系统170不会由于将钻杆连接到驱动单元104的步骤而错误地认为钻柱的上向钻孔端和新钻杆被固定。

在所述的实施例中，上述控制系统170可以被构造成根据钻柱的角度自动启动和停止。在低角度操作(例如，小于45度的水平钻孔操作)中，即使钻柱与钻机分离，钻柱也不可能丢失下向钻孔。在这种低角度操作中，系统可以被构造成基于操作者的控制不用防止下钳夹装置松开。另一方面，在高角度操作(例如，以大于45度的角度进行地热钻孔)中，如果钻柱与钻机分离，则钻柱将可能独自沿下向钻孔移动。在这种高角度操作中，控制系统170自动启动。在所述的实施例中，系统包括当自动锁定系统被启动时向操作者报警的指示灯。在所述的实施例中，控制系统170包括测量机架100的角度以触发自动启动的测斜仪。如上所述，控制系统还可以由使用者手动启动或停止。应该认识的是许多其它结构也是可以的。

参照图27，描述了所述实施例的钻机的钻速调节系统360。钻速调节系统360被构造成确定钻柱的对应于各种钻孔应用的优选转速。用于钻孔的理想的转速在应用之间变化，并且可以取决于包括工具参数268和机器参数266的多种因素。系统可以包括与各种工具参数268和机器参数266的变化相关的转速查阅表。

工具参数的示例可以包括切削工具262的类型(例如，气锤、非锤击钻头等)、切削工具的尺寸、切削面的几何结构(例如，切削按钮270的布置、切削按钮270的形状和尺寸)。示例性机器参数可以包括机器类型、驱动单元类型、机器的功率、机器的定向(例如，机架的角度、钻柱中的空气压力、空气压缩机264的规格等)。应该认识的是机器参数和工具参数可以被感测、有线通信或通过用户界面由使用者输入到机载计算机269，所述机载计算机269可以是控制其它功能的相同的计算机(例如，机载钳夹装置控制计算机176)。

在所述的实施例中，钻速调节系统360根据诸如上述使用者限定的输入或感测到的输入确定转速或转速范围。钻速调节系统360进一步被构造成使用确定的转速设定默认旋转钻速和/或通过显示器263为操作者提供推荐转速。例如，在所述的实施例中，钻速调节系统360可以确定用于使用气锤的应用的转速。钻速调节系统360可以确定钻柱的与每次冲击旋转为切削按钮的直径的一半的距离相关的转速。

钻速调节系统360可以根据与特定按钮尺寸和布局相对应的切削工具名称、与特定空气压力下的一定冲击频率相对应的气锤名称来确定转速，并且可以根据机器类型或空气压缩机类型估算空气压力。可选地，钻速调节系统360可以根据通用数据确定速度。例如，可以根据切削工具上的按钮的几何结构和布局、气锤的类别和钻柱中感测到的空气压力确定转速。

可以根据操作期间的诸如实际冲击频率和正在被钻进的物质的类型进一步逐渐调节确定的转速。在所述的实施例中，在钻孔操作期间可以监控和修改钻柱的转速。在所述的实施例中，钻机包括具有输入装置265(标度盘、踏板、旋钮、杆件、触摸屏等)的用户界面267，当钻柱正在旋转时，使用者可以使用所述输入装置265来逐渐调节钻柱的速度。在所述的实施例中，钻速调节组件被构造成通过调节转速(调大或调小)以最大化将钻杆驱动到地面中的速度来优化钻速。例如，所述实施例的钻速调节组件被构造成只要钻速增加则自动地逐渐增加钻柱的转速，以及被构造成只要钻速增加则自动地逐渐降低钻柱的转速。钻柱的转速的自动递增和递减可以被构造成持续直到达到驱动单元相对于机架的最高速度为止。

参照图28，更加详细地描述了电子计算装置的物理部件(例如，176和296)。图28是显示电子计算装置700的示例性物理部件的方框图，所述电子计算装置700可以用于执行上述各种操作。诸如电子计算装置700的计算装置通常包括至少某种形式的计算机可读介质。计算机可读介质可以是可以被电子计算装置700访问的任何可用介质。以示例的方式并且不受到限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。

如图28的示例中所示，电子计算装置700包括存储单元702。存储单元702是能够存储数据和/或指令的计算机可读数据存储介质。存储单元702可以是各种不同类型的计算机可读存储介质，包括但不限于动态随机存取存储器(DRAM)、双倍数据率同步动态随机存取存储器(DDR SDRAM)、时延减少型DRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、Rambus RAM或其它类型的计算机可读存储介质。

另外，电子计算装置700包括处理单元704。如上所述，处理单元是一组一个或多个能够执行指令的物理电子集成电路。在第一示例中，处理单元704可以执行使电子计算装置700提供特定功能的软件指令。在该第一示例中，处理单元704可以被实现为一个或多个处理内核和/或作为一个或多个单独的微处理器。例如，在该第一示例中，处理单元704可以被实现为一个或多个英特尔内核2微处理器。处理单元704能够执行诸如x86指令组、POWER指令组、RISC指令组、SPARC指令组、IA-64指令组、MIPS指令组或其它指令组的指令组中的指令。在第二示例中，处理单元704可以被实现为提供特定功能的ASIC。在第三示例中，处理单元704可以通过使用ASIC以及通过执行软件指令提供特定功能。

电子计算装置700还包括视频接口706。视频接口706能够使电子计算装置700将视频信息输出到显示装置708。显示装置708可以是各种不同类型的显示装置。例如，显示装置708可以是阴极射线管显示器、LCD显示面板、等离子屏显示面板、触控式显示面板、LED阵列或其它类型的显示装置。

另外，电子计算装置700包括非易失性存储装置710。非易失性存储装置710是能够存储数据和/或指令的计算机可读数据存储介质。非易失性存储装置710可以是各种不同类型的非易失性存储装置。例如，非易失性存储装置710可以是一个或多个硬盘驱动器、磁带驱动器、CD-ROM驱动器、DVD-ROM驱动器、蓝光盘驱动器、或其它类型的非易失性存储装置。

电子计算装置700还包括能够使电子计算装置700与外部部件通信的外部部件接口712。如图7的示例中所示，外部部件接口712能够使电子计算装置700与输入装置714和外部存储装置716通信。在电子计算装置700的一个实施方式中，外部部件接口712是通用串行总线(USB)接口。在电子计算装置700的其它实施方式中，电子计算装置700可以包括能够使电子计算装置700与输入装置和/或输出装置通信的另一种类型的接口。例如，电子计算装置700可以包括PS/2接口。输入装置714可以是各种不同类型的装置，包括但不限于键盘、鼠标、跟踪球、触针输入装置、触摸垫、触控式显示屏或其它类型的输入装置。外部存储装置716可以是各种不同类型的计算机可读数据存储介质，包括磁带、闪速存储器模块、磁盘驱动器、光盘驱动器及其它计算机可读数据存储介质。

在电子计算装置700的上下文下，计算机存储介质包括在用于诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息存储的任意方法或技术中所实施的易失性介质和非易失性介质、可移除介质和不可移除介质。计算机存储介质包括但不局限于以上关于存储单元702、非易失性存储装置710或外部存储装置716所列的各种存储器技术以及其它RAM、ROM、EEPROM、闪速存储器或其它存储技术、CD-ROM、数字多用盘(DVD)或其它光存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其它磁性存储器、或可以用于存储期望的信息并可以被电子计算装置700存取的任何其它介质。

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获得本发明的许多实施例，因此本发明属于所附权利要求。

Claims (20)

1.一种地面钻机，包括：

机架，所述机架包括上向钻孔端和下向钻孔端；

钻杆驱动单元，所述钻杆驱动单元能够移动地安装在所述机架上，所述钻杆驱动单元被构造成将钻杆螺纹连接到钻柱；

钻杆装载臂，所述钻杆装载臂被构造成将钻杆从钻杆盒移动成与所述钻杆驱动单元对齐，并且当将所述钻杆螺纹连接到所述驱动单元时，所述钻杆装载臂固定所述钻杆；

钳夹组件，所述钳夹组件在下向钻孔端处连接到所述机架，所述钳夹组件包括下钳夹装置，所述下钳夹装置被构造成当被启动时支撑钻柱的重量并防止所述钻柱旋转；和

控制系统，所述控制系统被构造成防止所述下钳夹装置松开，直到所述钻杆驱动单元将预定水平的转矩施加到所述钻杆为止。

2.根据权利要求1所述的地面钻机，其中，所述钳夹组件包括上钳夹装置，所述上钳夹装置被构造成相对于所述下钳夹装置旋转。

3.根据权利要求1所述的地面钻机，还包括：

转矩传感器，所述转矩传感器被构造成估算钻杆与钻柱之间的转矩。

4.根据权利要求3所述的地面钻机，其中，所述转矩传感器被构造成测量施加在所述钻杆驱动单元与钻杆之间的转矩。

5.根据权利要求1所述的地面钻机，其中，所述控制系统被构造成根据由所述钻杆驱动单元持续设定的时间间隔施加的转矩来确定是否施加所述预定水平的转矩。

6.根据权利要求1所述的地面钻机，其中，所述控制系统被构造成根据所述机架的取向选择性地使使用者控制的钳夹装置释放装置禁用或启用。

7.根据权利要求6所述的地面钻机，其中，所述使用者控制的钳夹装置释放装置是钳夹装置释放按钮。

8.根据权利要求1所述的地面钻机，其中，所述控制系统进一步被构造成当所述钻杆驱动单元将预定水平的转矩施加到所述钻杆时自动释放所述下钳夹装置。

9.根据权利要求1所述的地面钻机，其中，所述控制系统根据测量参量来确定预定水平的转矩施加到所述钻杆，所述参量与所述钻柱的上向钻孔端与所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关。

10.根据权利要求9所述的地面钻机，其中，与所述钻柱的上向钻孔端与所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是钻杆驱动系统中的液压压力。

11.根据权利要求9所述的地面钻机，其中，与所述钻柱的上向钻孔端与所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是所述钻杆驱动系统的转速的减速度。

12.一种将钻杆连接到钻柱的方法，包括以下步骤：

夹持步骤，包括将钻柱的上向钻孔端夹持在钳夹装置中，其中所述夹持步骤限制所述钻柱的旋转运动和所述钻柱的横向运动；

装载步骤，包括使用装载臂将钻杆移动成与驱动单元对齐；

第一螺纹连接步骤，包括在所述钻杆固定在所述装载臂中时，将所述驱动单元螺纹连接到所述钻杆；

第二螺纹连接步骤，包括通过使用所述驱动单元使所述钻杆旋转而将钻杆的下向钻孔端螺纹连接到所述钻柱的上向钻孔端；

确定步骤，包括确定所述钻柱的上向钻孔端与所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩；以及

启用步骤，包括在确定所述确定的转矩超过阈值转矩时使所述钳夹装置与所述钻柱的所述上向钻孔端分离。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述确定步骤与所述螺纹连接步骤同时进行。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述确定步骤包括：

在施加到所述钻杆的转矩超过阈值水平时螺纹连接持续设定的时间间隔。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一螺纹连接步骤包括：

在所述钻杆通过所述装载臂以小于所述阈值转矩的转矩被固定时，通过所述驱动单元旋转所述钻杆。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述确定步骤包括：

测量与所述钻柱的上向钻孔端和所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的参量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，与所述钻柱的上向钻孔端和所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是所述钻杆螺纹连接旋转的减速度。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，与所述钻柱的上向钻孔端和所述钻杆的下向钻孔端之间的连接部处的转矩相关的所述参量是钻杆驱动系统中的液压压力。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述启用步骤包括：

重新启动钳夹装置释放操作者控制装置。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，即使当所述转矩不超过所述阈值转矩时，也能够由操作者启用所述钳夹装置的操作者控制。