CN104533290A - 一种水平定向多功能钻机及扩孔工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平定向多功能钻机及扩孔工艺，其中，水平定向多功能钻机包括底盘总成和动力系统，设置于所述底盘总成上的支撑油缸连接大梁，在所述大梁一侧设置有机械手，夹持器在大梁上浮动，动力头通过设置在所述大梁上的齿条做推拉运动，动力头上的主轴做旋转运动，在所述动力头上设置有推拉马达、旋转马达和主轴。水平定向多功能钻机在钻杆出杆端安装钻杆时，具有预紧钻杆的功能，防止钻杆接头粘扣，达到保护钻杆的目的。

Description

一种水平定向多功能钻机及扩孔工艺

技术领域

本发明属于机械工程和土木工程的钻井机械设备、钻井动力机械与传动机械技术领域，涉及一种大型水平定向钻机，尤其涉及一种水平定向多功能钻机及其扩孔工艺。

背景技术

随着非开挖技术在管道铺设方面的广泛应用，大型水平定向钻机被大量使用在长距离、大口径的管道铺设过程中。在扩孔施工阶段，大型水平定向钻机带动钻杆和扩孔器在孔内回拖、旋转与切屑，由于扩孔器后面连接多根钻杆，距离太长、质量太重，旋转时钻杆就像钢丝绳一样在孔内甩动，运动轨迹呈现螺旋状，这就是俗称的“甩钻杆”现象，这种现象对钻杆的使用寿命影响极大。另外扩孔器在孔内切屑时，由于受自重及扩孔时的冲击力等因素的影响，使扩孔器的旋转中心与孔的中心位置不一致，重心向下偏移，由此造成扩孔时扩孔器存在不规则的摆动现象，这样以来即增加了扩孔时的阻力，又增加了钻杆与土壤及岩石之间的摩擦力，还会使钻杆随之产生交变应力，如果超过钻杆的疲劳极限，会造成钻杆断裂，导致发生严重的孔内事故，大大降低施工效率。钻机在扩孔过程中，当发生钻杆断裂、钻杆脱落等孔内事故时，钻杆及扩孔器无法从孔内拖出，拖延施工进度，甚至会造成前期施工工程全部报废的情况。施工方为了解决这些问题虽然采取了一些办法，但均未彻底解决，效果并不显著。

目前基于水平定向钻机使用时变负载工况、扩孔器拉力自适应性、钻杆安装易粘扣、事故维修性等研究还不多见的现状，如何开发和正确使用水平定向多功能钻机至关重要。现代地下施工要求水平定向钻机效率高、负载适应能力强、振动小、可维修性好，环境友好。如何开发一种变负载、可靠、准确、环境友好的水平定向钻机建筑基础施工机械装备，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有水平定向多功能钻机中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的一个目的是提供一种减少扩孔时发生孔内事故的水平定向多功能钻机，可以大大降低扩孔阻力。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种水平定向多功能钻机，其包括底盘总成和动力系统，设置于所述底盘总成上的支撑油缸连接大梁，在所述大梁一侧设置有机械手，夹持器在大梁上浮动，动力头通过设置在所述大梁上的齿条做推拉运动，动力头上的主轴做旋转运动，在所述动力头上设置有推拉马达、旋转马达和主轴。

作为本发明所述的水平定向多功能钻机的一种优选方案，其中：所述水平定向多功能钻机上还设置有旋转自由轮液压系统和推拉随动液压系统。

作为本发明所述的水平定向多功能钻机的一种优选方案，其中：所述旋转自由轮液压系统包括：旋转控制模块，通过第一油管、第二油管与旋转控制模块相连接的旋转马达，与所述旋转马达内部的壳体泄油接口和通过第三油管与所述壳体泄油接口相连接的油箱。

作为本发明所述的水平定向多功能钻机的一种优选方案，其中：所述推拉随动液压系统包括：推拉控制模块，通过第四油管、第五油管与推拉控制模块相连接的推拉马达，所述推拉马达通过第五油管、第六油管与液压溢流阀相连接，所述推拉马达通过第四油管、第七油管与第六油管相连接，在所述第七油管上设置有电磁开关阀、液压节流阀和液压溢流阀。

作为本发明所述的水平定向多功能钻机的一种优选方案，其中：所述动力头上设置有泥浆泵接口。

本发明的另一个目的是提供一种开孔新工艺，其利用现有的钻机和本发明的水平定向多功能钻机进行高效率钻孔。

为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种扩孔工艺，其包括，将水平定向钻机与水平定向多功能钻机分别设置于钻杆入土端与出土端；所述水平定向钻机扩孔，至出土端，钻头钻出；将所述水平定向钻机的扩孔器与所述水平定向多功能钻机上的钻杆连接固定；所述水平定向钻机带动钻杆和扩孔器在孔内回拖、旋转与切屑，所述水平定向多功能钻机通过钻杆与扩孔器连接，并沿着与扩孔器前进方向相反方向拉钻杆，两者同步旋转与移动；所述水平定向多功能钻机回收钻杆，完成扩孔。

本发明的有益效果：

本发明水平定向多功能钻机使用时，位于施工工程中钻杆出杆端，根据工况需要，控制旋转马达作自由轮工作状态；同时水平定向多功能钻机反拉扩孔器，给扩孔器及其后面的钻杆施加与扩孔器前进方向相反的拉力，减少扩孔器下垂高度，消减钻杆与土壤及岩石之间的摩擦力，从而减少扩孔阻力，降低扩孔时的施工风险。水平定向多功能钻机在钻杆出杆端安装钻杆时，具有预紧钻杆的功能，防止钻杆接头粘扣，达到保护钻杆的目的。当遇到孔内事故时，水平定向多功能钻机可以从扩孔器后面拖出扩孔器及钻杆，避免延误工期及工程报废的情况发生。

附图说明

图1为本发明的一种水平定向多功能钻机的结构示意图；

图2为本发明的一种水平定向多功能钻机的旋转自由轮液压系统的结构示意图；

图3为本发明的一种水平定向多功能钻机的推拉随动液压系统的结构示意图。

其中：1为底盘总成，2为动力系统，3为大梁，4为机械手，5为齿条，6为夹持器，7为动力头，8为推拉马达，9为旋转马达，10为主轴，11为旋转控制模块，12为第一油管，13为第二油管，14为电气控制系统，15为壳体泄油接口，16为第三油管，17为推拉控制模块，18为第四油管，19为第五油管，20为第六油管，21为油箱，22为第七油管，23为电磁开关阀，24为液压节流阀，25为液压溢流阀，26为泥浆泵接口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

一种水平定向多功能钻机，包括：底盘总成1、动力系统2，通过锚板总成1上的支撑油缸连接大梁3，在大梁3一侧设置有机械手4，夹持器6在大梁3上浮动，动力头7通过设置在大梁3上的齿条5做推拉运动，动力头7上的主轴10做旋转运动，在所述动力头7上设置有推拉马达8、旋转马达9和主轴10。在所述水平定向多功能钻机上设置有旋转自由轮液压系统和推拉随动液压系统。所述的旋转自由轮液压系统包括：旋转控制模块11，通过第一油管12、第二油管13与旋转控制模块11相连接的旋转马达9，与所述旋转马达9内部的壳体泄油接口15和通过第三油管16与所述壳体泄油接口15相连接的油箱21。所述推拉随动液压系统包括：推拉控制模块17，通过第四油管18、第五油管19与推拉控制模块17相连接的推拉马达8，所述推拉马达8通过第五油管19、第六油管20相与液压溢流阀25连接，所述推拉马达8通过第四油管18、第七油管22与第六油管20相连接，在所述第七油管22上设置有电磁开关阀23、液压节流阀24和液压溢流阀25。而在所述的动力头7上设置有泥浆泵接口26。

图1是本发明的一种水平定向多功能钻机的结构示意图。如图1所示，上述水平定向多功能钻机在施工过程中，先将机械手4翻转，把机械手2中的钻杆送到动力头7中心位置，推拉马达8带动动力头7移动，将钻杆推到夹持器6内，与夹持器6另一端的钻杆对准中心距，启动旋转马达9转动主轴10，将两根钻杆进行预紧，将推拉马达8变换为随动状态，旋转马达9启动自由轮状态，打开与泥浆泵接口26相连的泥浆泵，从水平定向多功能钻机处向孔内注入泥浆，动力头推拉座7向扩孔器前进的相反方向施加一定拉力拖住钻杆，降低扩孔阻力，减少孔内事故的发生，同时水平定向多功能钻机与主钻机保持同步工作状态，直到扩孔工作结束为止。

图2是本发明的一种水平定向多功能钻机的旋转自由轮液压系统的结构示意图。如图2所示，所述的旋转自由轮液压系统中的旋转马达9，采用带自由轮的马达，当需要预紧钻杆时，通过电气控制电流使马达切换为非自由轮状态，使旋转马达工作产生扭矩预紧钻杆。当工作不需要预紧钻杆时，无控制电流输入，马达作自由轮状态，主轴空转，切换很方便、快捷，方便了施工要求。旋转马达9可采用变排量马达，可以根据工况要求，调整马达排量，达到不同预紧钻杆的扭矩。

图3是本发明的一种水平定向多功能钻机的推拉随动液压系统的结构示意图。如图3所示，所述的推拉随动液压系统可以带动水平定向多功能钻机上的动力头推拉座7进行移动，所述推拉马达8可以采用摆线马达，摆线马达具有良好的随动功能，当工作时，电磁开关阀23得电工作，推拉控制模块17处于关闭状态，推拉马达8通过第五油管19、第六油管20和液压溢流阀25相连接，提供单向随动功能。根据工况要求，通过调节液压溢流阀25，可产生相应的反拉力，实现推拉随动液压系统反拉压力可控功能。通过调节液压节流阀24，可调节回油开口度，可以根据工况要求，调节液压节流阀24，实现推拉随动液压系统回油流量可控功能。

进一步，水平定向多功能钻机，可以通过所属的旋转控制模块11、电气控制系统14、推拉控制模块17进行水平定向多功能钻机的负载自适应设定和控制。通过所述的负载自适应设定和控制，实现水平定向多功能钻机的变负载工况和扩孔器拉力自适应性工作状态的控制，也可避免水平定向钻机钻杆安装时易粘扣的问题，在异常状况时的保证水平定向钻机的事故可维修性、便利性和安全性。

现有技术中的水平钻机只有1台钻机，然后连着多节钻杆，钻杆的顶端是钻头，水平打孔时，先是钻头打个小孔过去，到达指定位置之后(通常是两边各挖个坑，钻头从一边坑打洞到另一边坑)，加上扩孔器，使其截面积变大，再往回拉，对之前的小孔进行扩孔。在这过程中，多节钻杆会出现甩钻杆现象。而一旦发生钻杆断裂、钻杆脱落等孔内事故时，钻杆及扩孔器无法从孔内拖出，则拖延施工进度，甚至会造成前期施工工程全部报废的情况。

而本发明提供了一种新的扩孔工艺，其采用两台钻机，第一台钻机是现有技术中的水平定向钻机，第二台钻机则是本发明提供的水平定向多功能钻机。其步骤为：

(1)将水平定向钻机与水平定向多功能钻机分别设置于要扩孔的钻杆的入土端与出土端；

(2)水平定向钻机扩孔，至水平定向钻机的钻头从出土端出来；

(3)将水平定向钻机与水平定向多功能钻机上的钻杆连接固定；

(4)水平定向钻机带动钻杆和扩孔器在孔内回拖、旋转与切屑，水平定向多功能钻机通过钻杆与扩孔器连接，并沿着与扩孔器前进方向相反方向拉钻杆，两者同步旋转与移动；

(5)水平定向多功能钻机回收钻杆，完成扩孔。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种水平定向多功能钻机，其特征在于：包括底盘总成(1)和动力系统(2)，设置于所述底盘总成(1)上的支撑油缸连接大梁(3)，在所述大梁(3)一侧设置有机械手(4)，夹持器(6)在大梁(3)上浮动，动力头(7)通过设置在所述大梁(3)上的齿条(5)做推拉运动，动力头(7)上的主轴(10)做旋转运动，在所述动力头(7)上设置有推拉马达(8)、旋转马达(9)和主轴(10)。

2.如权利要求1所述的水平定向多功能钻机，其特征在于：所述水平定向多功能钻机上还设置有旋转自由轮液压系统和推拉随动液压系统。

3.如权利要求2所述的水平定向多功能钻机，其特征在于：所述旋转自由轮液压系统包括：旋转控制模块(11)，通过第一油管(12)、第二油管(13)与旋转控制模块(11)相连接的旋转马达(9)，与所述旋转马达(9)内部的壳体泄油接口(15)和通过第三油管(16)与所述壳体泄油接口(15)相连接的油箱(21)。

4.如权利要求2所述的水平定向多功能钻机，其特征在于：所述推拉随动液压系统包括：推拉控制模块(17)，通过第四油管(18)、第五油管(19)与推拉控制模块(17)相连接的推拉马达(8)，所述推拉马达(8)通过第五油管(19)、第六油管(20)与液压溢流阀(25)相连接，所述推拉马达(8)通过第四油管(18)、第七油管(22)与第六油管(20)相连接，在所述第七油管(22)上设置有电磁开关阀(23)、液压节流阀(24)和液压溢流阀(25)。

5.如权利要求2所述的水平定向多功能钻机，其特征在于：所述动力头(7)上设置有泥浆泵接口(26)。

6.一种扩孔工艺，其特征在于：包括，

将水平定向钻机与如权利要求1～5任一所述的水平定向多功能钻机分别设置于入土端与出土端；

所述水平定向钻机扩孔，至出土端，钻头钻出；

将所述水平定向钻机的扩孔器与所述水平定向多功能钻机上的钻杆连接固定；

所述水平定向钻机带动钻杆和扩孔器在孔内回拖、旋转与切屑，所述水平定向多功能钻机通过钻杆与扩孔器连接，并沿着与扩孔器前进方向相反方向拉钻杆，两者同步旋转与移动；

所述水平定向多功能钻机回收钻杆，完成扩孔。