CN104583526B - 钻进单元操作站 - Google Patents

Abstract

一个配备可移动操作站的水平定向钻进系统包括框架，小车，底座和可移动驾驶室。小车相对于框架可移动，它为钻柱提供给进和旋转功能。底座安装在框架上，具有连接点和适配件。可移动驾驶室有控制小车和框架的控制系统，还有可以在第一位置和第二位置移动的支架。支架可以和连接点相连接。当支架断开连接，驾驶室相对于底座是可移动的。

Description

钻进单元操作站

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月9日提交的美国临时专利申请No.61/724,472的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及定向钻机领域，尤其涉及定向钻机的控制操作系统。

发明内容

该发明提供一种具有可移动的操作站的水平定向钻机（HDD）系统。该系统包括框架，小车，底座和可移动的驾驶室。小车相对于框架可移动以为钻柱提供给进和旋转。所述底座安装于框架上并包含连接点和适配件（fitting）。所述可移动驾驶室包含控制系统，支架和脚。所述控制系统控制小车和框架的功能。所述支架可以在第一位置和第二位置之间移动，并且在第一位置与所述连接点可连接。当脚安装在适配件上时驾驶室在底座上是稳定的，当支架与连接点分离时，驾驶室相对于底座是可移动的。

该发明还提供一种包含框架、小车和驾驶室的HDD机器。小车相对于框架可移动以为钻柱提供给进和旋转。驾驶室中包括操作站，被安装在框架并相对于框架可以移动。操作站控制小车的给进和旋转。

该发明还提供一种控制HDD机器的方法。钻机包括框架，小车和一个可移动驾驶室。小车相对于框架可移动以为钻柱提供给进和旋转。驾驶室包括控制面板。这个方法包括从框架分离驾驶室，用控制面板来控制小车并推进钻柱。

附图说明

图1是根据本发明的HDD系统结构示意图。

图2是图1中钻机的传动系统的示意图。

图3是图1中HDD系统移除操作驾驶室的视图。

图4是HDD机器供一个操作者使用的驾驶室安装在框架上的部分视图。

图5展示了从HDD机器移除驾驶室并放置在托架上。

具体实施方式

HDD机器被用来安装地下的公共设施或其他对象。HDD技术因为其可以在多种地形底下安装管线以及最小化破坏土地表面和最小的可能性破坏已填埋目标的通用的施工方法而变得很受欢迎。

HDD操作通常情况下是使用钻机推进钻柱通过一条地下的线路来进行。为了避开已填埋的目标诸如公共设施，线路是预先选择的。

钻机通常情况下包括框架，锚固系统，传动装置和钻头，其中传动装置安装在框架上并可连接到钻柱的井口端，钻头连接至钻柱的井底端。传动装置给钻柱提供给进和旋转，依次，给进和旋转钻头在地下土壤中形成钻孔。为了给进和旋转钻柱，传动装置通常由一个或更多的动力源组成。在钻柱通过传动系统给进和旋转的同时，钻柱大体沿着直线方向行进。为了改变方向，传统的操纵技术是利用倾斜面钻头或带有偏向结构的工具的转向技术被使用。当钻孔完成以后，通常钻头被换成回扩工具。然后传动装置被用来给钻柱提供回拖力和旋转，钻柱将依次回拖和旋转扩孔器，并通过钻孔把它拉回来，在此过程中挤压钻孔从而最终形成一定尺寸的钻孔。将要安装的目标将被连接在扩孔工具的尾端并在扩孔器的之后被拉入钻孔。

HDD机器的操作者通常被安置在两个位置，钻机本身的操作站或者远程操作站（针对于较大的HDD机器）。本发明提供了一个操作站，这个操作站可以被放在钻机上或者从钻机上卸下然后放置到远离机器的地方。

现在全部转到附图，特别是图1，示出了根据本发明的水平钻进系统10。该钻进系统10优选地包括一个含有框架14的钻机12。该系统还包括钻柱16（图2）和可移动驾驶室18。该系统可选择地设有依靠框架14支撑的管处理设备20（图2），其夹持多个管段21。在钻柱的井口端，钻柱16连接到传统动系统22。所述传动系统22包括小车40，其相对于框架14可移动以给钻柱16提供给进和旋转功能。钻柱16具有一个地下的工具（图上未表示），它连接到钻柱的井下端。该地下的工具包括一外罩，该外罩是用来支撑追踪这个工具的位置的信号灯。

可移动驾驶室18相对于钻机12是可移动的，下面将对这种方式进行描述。驾驶室18包括控制系统，该控制系统用来控制传动系统22和框架14的功能。控制系统可包括用来控制钻机系统10的操作的控制面板。这些控制可包括压力表，控制杆，拨动开关和数字显示器，以及用于在钻进操作时用来控制钻机的各种不同功能的拉杆。该驾驶室18可在其上方具有接合点24用于连接吊车26至驾驶室18，以将驾驶室升起并从框架14移除。另外，驾驶室18还包括叉车接合点（图上未表示）。驾驶室还包括一窗户28，其可以使操作者在操作过程中观察到钻机。图1中的驾驶室是全封闭的，可包括窗户和门（图上未表示）在坏天气时保护操作者。然而，本领域的技术人员应该认识到本发明的驾驶室在不背离现在发明的基础上可以被打开的技术。

钻机12还包括锚固系统30以相对地面确保钻机12在钻进操作过程的稳定。钻机还包括履带传动系统32，它被用来将钻机从一个地方移动到另一个地方。

参照图2，其示出了传动系统22的组件。传动系统22通过钻机产生并传递施加在钻柱16的动力。下面将详尽的进行介绍，传动系统22包含一个发动机，数个液压泵或马达，阀，和给钻机12各个部件供给动力的管道。然而，发明考虑到了适合给钻机12供给动力的任何系统的作用。例如，电力或者内燃设备被用于发动机和为钻机12的组件提供动力的多个能量源。在可选的实施例中，动力源诸如燃料电池等可以自给被用来给钻机12的任何组件提供动力。

继续参照图2，在该实施例中，传动系统22包含独立的用于旋转和轴向移动钻柱16的液压马达。和钻机12的其他部件一样，发动机和液压泵（图上未表示）供应操控用于通过控制阀为旋转和轴向移动功能的液压马达的必须的动力。这里所用的，液压马达和动力源一起共同控制液压马达被称为动力单元。

旋转动力单元34可操作地连接至旋转轴36并驱动该轴旋转。给进动力单元38可操作地连接至能前进和后退的可移动小车40。需要注意的是，给进与传动系统22驱动的直线力有关，并可以是接下来的既能前进又能后退的直线力。在钻进操作中，钻柱16通过地面向下推进或者向前插入。在回扩过程中，钻柱16通过钻孔收回或者拉回。无论给进还是回拉，小车40的轴向运动将依次引起转轴36和钻柱16各自类似地向前给进和向后回拉。像这里使用的，小车的轴向运动可以被理解成向前或给进，和收回或回拉。

转轴36安装在小车40上，它通常包含一个内螺纹轴管接头，其用来连接管段21的外螺纹端部。管段21的另外一端连接到另一根管段的外螺纹端部。因此，在这个优选方案中，大量的单个管段21通过螺纹接头连接在一起形成了钻柱16。然而，这个发明也适用于使用其他种类的钻柱，例如不同于螺纹接头的由用特殊方法连接把钻段组合到一起的钻柱或者由挠性油管组成的钻柱。

转轴36围绕其中央纵轴旋转。在转轴36和钻柱16末端之间、转轴和单个管段21之间、或包括钻柱的管段之间的连接的组装和拆卸

包括旋转轴旋转和给进之间的协调配合。无论何时连接是做（组装）或是破（拆除），转轴36绕其轴的旋转和轴向运动被调整以大体满足钻段21的螺纹倾斜以防止螺纹接头的损坏。

用这种方式，给进动力单元38和旋转动力单元34可以被有选择性的启动来给予钻柱16旋转和给进的输出。然而，其他的动力单元可以被用来控制钻柱16的其他运动部件，例如以匀速或变速回拉。此外，钻柱16的每一个动作都能被有选择性的独立激活或者和其他组件结合。例如，只有给进激活，或者给进和旋转一起，或者只有旋转。

继续参考图2，管处理设备20用于当钻柱在地下前进时延长钻柱16的长度。在安装和拆除操作中，管处理设备20将螺纹管段21相对于钻柱16安装或移除。适合的管处理设备在公告于2001年1月30日，主题为卧式镗床的用于自动控制管处理系统的系统和方法的美国第6,179,065号，以及公告于2001年7月11日主题为管处理设备的美国第6,085,852号专利中有描述。这两个专利的内容可以通过参考在此引入。

虽然关于单根管钻柱的本实施例已经讨论，本领域技术人员应该认识到本发明的钻机系统可以使用双管钻柱以及公告于2011年8月2日，主题为用于连接双组件管道的自动控制系统的美国第7,987,924号专利，以及公告于2004年2月10日，主题为用于双组件钻柱的管组件管接头的美国第RE38,418号专利中公开的管处理设备。这两个专利的内容可以通过参考在此引入。

图1和2中涉及的HDD系统的每一个功能都可以从驾驶室18用先前描述的控制进行控制。

转到图3，在这里其示出了图1中HDD系统10的后视图。图3的视图清晰的提供了位于框架14上的小车40的视图。示出的小车40可以沿位于框架上的轨道42移动。钻机12进一步可包含一个和滑轨42并排设置的通道44。通道44提供了一个操作工通道以便对依轨道布置的管道钻孔并连接到转轴。在特定实施例中，通常是小尺寸的钻机，通道44可以用先前已经讨论过的管处理设备替换通道44。

继续参阅图3，驾驶室18已经被从底座46上移开。驾驶室18从底座46上移开后可以支腿装置47支撑，或者放在托架68上（图5）。支腿装置47可以从驾驶室18移开或者在不用的时候折叠放在驾驶室18之下。当驾驶室仍然在底座46上并且有线连于在钻机12上，支腿装置47也可以垂直的升起驾驶室18。升高驾驶室18并且远离钻机12可以减少钻机操作过程中驾驶室18中的震动和噪音。

底座46位于框架14上，它包含一个接合点和一个适配件。如图所示，通讯板48安装在底座46上。通讯板48给远程驾驶室提供了连接点。当驾驶室不放在底座46上时，通讯板48给驾驶室18和钻机12提供了有线的和无线的连接点。驾驶室和机器之间的连接方式是一些常用的连接方式，例如Wi-Fi，无线电，蓝牙，同轴电缆，光纤，双绞线等。对于驾驶室放在底座46上的情况，通讯板48可以非常容易的从底座46上拆除供以后使用。通讯板48也包含有对机器的控制功能，当驾驶室不在机器上时，操作者可以使用它把机器12移动到另一个位置或改变框架的角度。当驾驶室没有连接时，操作者可以通过它来运输和调整机器。

图3的实施例中，示出了吊车26被支撑在钻机12上发动机机罩附近。本领域的技术人员应该认识到，把吊车26支撑在钻机12上可能在较小的钻机12的方案中不太实际。因此，驾驶室18可包括叉车运输点来保证操作者移动驾驶室时不需要使用吊车。当然，吊车26可以是一个可以移离钻机的简单的吊车。可选择地，操作者可以用挖沟机从底座移除驾驶室18。

转到图4，这里示出了安装在底座46上的可移动驾驶室18的一角的局部视图。像先前描述的，可移动的驾驶室为包含有侧壁52和窗户28的封闭驾驶室。侧壁52可包括一个区域配置为支撑已经在图3中描述过的通讯板48。设置在驾驶室18下面的脚56，配置为安装在形成底座46上的适配件58中。如图4所示，脚56可包括从驾驶室下侧延伸的圆锥形突起。这样的形状可以帮助操作者往底座46上放置驾驶室时引导脚56进入装置58。驾驶室的各个角落有数个这样的脚56。同样的，底座46上有数个与之配套的适配件58。把脚56放入适配件58里使得驾驶室18在底座46上更稳定。

底座46进一步还将在底座的一侧配备一个供操作者62可以简单使用的连接点60。连接点60与安装在驾驶室18上的支架64相对应。当支架在第一位置时，包括T型棒和蝶形螺母或者锁紧螺母的连接杆件66被用来固定支架64和与之对应的连接点60。支架在第一位置和连接点进行连接。在操作过程中，驾驶室18被放在底座46的上方以便脚56和适配件58对准。驾驶室下降到底座上，脚56引导驾驶室到适当的位置。连接杆件66的T型棒一端端放置在支架64上，有蝶形螺母的一端枢接在连接点60的槽中。顺时针旋转蝶形螺母以紧固底座46和驾驶室18的连接从而使驾驶室固定在钻机12上。

转到图5，图上驾驶室18以更大细节示出并置于托架68上。托架68远离钻机12，它包含地面接合部70和驾驶室接合部72。地面接合部70可包括占有比驾驶室接合部的面积更大的可调支腿。

驾驶室接合部72包含有托架连接点74和类似于图4中的托架适配件（图上未示出）。托架装置上包括形成在托架基座76上的孔，以和脚56（图4）相对应。和驾驶室被连接到钻机12的上底座46一样的方法，托架连接点74和支架64被用来将驾驶室18固定在托架68上。因此，当支架在第一位置时，托架连接点74可包括一形成的槽以使连接杆件66放进连接点。

像以前讨论过的，驾驶室18有数个窗户，这样操作者就能看见钻机12以及周围的工作现场。驾驶室18也可以包含一个门78。驾驶室可以用吊车26通过连接点24进行吊装，也可以配备空调系统。驾驶室内部是一个控制钻机12的操作台。操作者可以在操作台可以控制小车40的给进和旋转，也可以控制在钻柱16上装卸管段21。

在使用中，驾驶室18从钻机12的框架14分离，放到远离钻机的地方。驾驶室可以通过有线或无线的方式连接到钻机，操作者能够从驾驶室的的控制面板（图片未示出）对小车40进行控制。操作者可以控制小车40进行钻柱16的前进和后退，从而任何的地下钻进的工具和仪器连接到钻柱的末端。

驾驶室18可以从钻机12移除并放到托架上，通过把支架从第二位置（打开位置）移动到第一位置（闭合位置）的方法来连接驾驶室和托架，进而固定驾驶室。从钻机12拆除后，托架给驾驶室18提供了一个稳固的底盘，它相对于工作场地提高了操作者，为操作者提供了更好的视野。

本领域的技术人员应该了解到，远程控制钻机12还有很多别的方法。例如，操作者62可以在装在框架14的驾驶室18里控制钻机12，而第二个操作者可以同时在另一个远离框架的驾驶室内控制钻机。远离钻机12的办公室也可以通过连接通讯板48（图片3）来实现对钻机的控制。

尽管本发明已经通过优选实施例进行了描述，本领域技术人员可以提出各种变化和改进，这些变化和改进应该落在本申请的保护范围。

Claims (20)

1.具有可移动操作站的水平定向钻进系统，包括：

框架；

小车，其相对于框架可移动并为钻柱提供给进和旋转；

底座，其位于框架上并包括连接点和适配件；

可移动驾驶室，其包括：

控制系统，其用于控制小车和框架，

支架，其在第一位置和第二位置之间可移动，其中支架在第一位置连接至所述连接点，以及

脚；

其中，当脚置于适配件中时，驾驶室稳定放于底座上；

其中，当支架从连接点分开时，驾驶室相对于底座可移动。

2.根据权利要求1所述的水平定向钻进系统，其中驾驶室还包括用来控制钻进单元的操作的控制面板。

3.根据权利要求2所述的水平定向钻进系统，其中远程驾驶室的控制面板通过有线闭合连接至钻进单元。

4.根据权利要求2所述的水平定向钻进系统，其中控制面板和钻机无线通讯。

5.根据权利要求1所述的水平定向钻进系统，其中驾驶室还包括叉车连接点。

6.根据权利要求1所述的水平定向钻进系统，其中驾驶室还包括吊车连接点。

7.根据权利要求1所述的水平定向钻进系统，其中还包括远离钻进单元的托架，其中托架包括地面结合部和驾驶室接合部，驾驶室接合部包括：

托架连接点，和

托架适配件；

其中，当支架在第一位置时，托架连接点与支架可连接，并且当脚放入托架适配件时，驾驶室稳定于托架上。

8.根据权利要求7所述的水平定向钻进系统，其中托架包括可调支腿。

9.根据权利要求7所述的水平定向钻进系统，其中地面结合部具有比驾驶室接合部更大的面积。

10.根据权利要求1所述的水平定向钻进系统，其中所述脚是圆锥形的。

11.根据权利要求1所述的水平定向钻进系统，其中所述支架可枢转地连接至驾驶室。

12.根据权利要求11所述的水平定向钻进系统，其中连接点具有槽，以便支架在第一位置时通过该槽放置。

13.根据权利要求12所述的水平定向钻进系统，其中支架还包括锁紧螺母，以当支架在第一位置时，支架固定于连接点。

14.根据权利要求11所述的水平定向钻进系统，其中还包括远离钻进单元的托架，其中托架包括地面结合部和驾驶室接合部，驾驶室接合部包括：

托架连接点，和

托架适配件；

其中，当支架在第一位置时，托架连接点与支架可连接，并且当脚放入

托架适配件时，驾驶室稳定于托架上。

15.根据权利要求14所述的水平定向钻进系统，其中托架连接点包括托架连接点槽，供支架在第一位置时通过该槽放置。

16.一种水平定向钻机，包括：

框架；

小车，其相对于框架可移动以为钻柱提供给进和旋转，以及

驾驶室，其相对于框架可连接并可移动，其包括操作站，操作站控制小车的给进和旋转；

紧固件，其在第一位置和第二位置间可移动，在第一位置时，紧固件将驾驶室连接至框架。

17.根据权利要求16所述的水平定向钻机，其中紧固件包括一个可在第一位置和第二位置之间移动的支架。

18.一个控制水平定向钻机的方法，该水平定向钻机包括框架，相对于框架可以移动的为钻柱提供给进和旋转的小车，以及包括控制面板的可移动驾驶室，该方法包括：

从第一位置移动紧固件到第二位置；

从框架移除驾驶室；以及

用控制面板控制小车；以及

推进钻柱。

19.根据权利要求18的方法，还包括推进钻柱后，将驾驶室放置在框架上，并且从第二位置移动紧固件到第一位置以连接驾驶室到框架。

20.根据权利要求18的方法，还包括：

提供托架；

把驾驶室放到托架上；以及

从第二位置移动紧固件到第一位置，以连接驾驶室到托架上。