CN106065767B - 用于产生套管钻孔的钻进设备及用于操作钻进设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生套管钻孔的钻进设备，其具有用于以旋转方式驱动钻杆的第一钻进驱动器，用于除去地面材料的钻进工具布置在该第一钻进驱动器下端处，柱，第一钻进驱动器可沿该柱与锤一起移动，以及第二驱动器，用于钻孔的支承管可利用第二驱动器引入地面中。根据本发明，提供了计算机单元，其中指出了钻进工具的当前钻进深度和支承管的引入的深度。此外，提供了监视器，关于支承管的引入的深度的当前钻进深度可由计算机单元显示在该监视器上。本发明还涉及用于操作此钻进设备的方法。

Description

用于产生套管钻孔的钻进设备及用于操作钻进设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生套管钻孔(cased bore)的钻进设备，其具有用于以旋转方式驱动钻杆的第一钻进驱动器，用于除去地面材料的钻进工具布置在该第一钻进驱动器下端处，柱，第一钻进驱动器可沿该柱与锤一起移动，以及第二驱动器，用于钻孔的支承管可利用第二驱动器引入地面中。

本发明还涉及一种用于操作钻进设备的方法，利用该方法，产生具有支承管的钻孔。

背景技术

例如，用于产生套管钻孔的钻进设备从EP1548226A1中获知。例如，在疏松地面中产生地基桩柱需要套管钻孔。钻孔设有支承管，其稳定钻孔的壁，且确保地面材料不会落入钻孔中，且防止钻孔塌陷。

基本上，存在不同方法来将支承管设在钻孔上。例如，已知的是，在挖掘地面材料之前，支承管使用振动器或打桩机引入。随后，可除去和挖掘支承管内的地面材料。用于产生套管钻孔的该方法仅可在特定地面条件存在时实施。

此外，已知的是，钻孔首先产生，且随后支承管引入钻孔中。同样，该方法仅证明在特定地面条件的情况中适合，因为钻孔的壁必须足够稳定，直到引入支承管。

常用的方法在于支承管基本在钻孔产生的同时引入地面中。出于此目的，使用普通钻进设备，其具有用于以旋转方式驱动钻进工具的第一钻进驱动器，借助于其，地面材料除去且传送出钻孔。此外，钻进设备具有第二驱动器，利用第二驱动器，支承管螺旋进入地面中。

在这些已知方法中，存在两个基本方法变型。例如，根据一个变型，支承管可先于钻进工具。例如，在穿透含有地下水的地层时，该方法变型是有利的。在此情况下，支承管确保了防止地下水进入钻孔中或扩张到其它地层中。支承管的之前的介绍用作防止地面故障。取决于壳的期望深度，支承管由若干连续管元件相继构成。

根据方法变型，钻进工具可先于支承管。这尤其在穿透较硬的地层时是有利的，因为钻进工具的先前位置便于支承管的随后引入。

在钻孔的开凿期间，两个方法变型也可取决于待穿透的地层组合。在此情况下，套管钻孔的产生需要钻进设备的操作者一方的较大程度的经验。

发明内容

本发明基于提供用于产生套管钻孔的钻进设备和用于操作此钻进设备的方法的目的，利用该钻进设备和方法，其套管钻孔可有效地且以特别可靠的方式产生。

根据本发明，该目的一方面通过根据本发明的钻进设备，且另一方面通过根据本发明的方法实现。。

根据本发明的钻进设备特征在于提供了计算机单元，其中指出了钻进工具的当前钻进深度和支承管的引入的深度，且在于提供了监视器，关于支承管的引入的深度的当前钻进深度可由计算机单元显示在监视器上。

本发明的基本构想在于，借助于计算机单元，关于支承管的引入的深度的当前钻进深度在监视器上显示给操作者。因此，操作者可容易地识别支承管和钻进工具的位置。具体而言，可容易确定支承管是否先于钻进工具或反之亦然。对于操作者，这较大程度简化了套管钻孔的产生。具体而言，取决于深度，操作者也可在方法变型之间切换，其中支承管有时在在先位置，而在其它时间钻进工具在在先位置。因此，适合的方法变型可总是在穿过不同地层的钻孔的产生期间选择。这允许了尤其有效且因此成本效益合算的套管钻孔产生。

计算机单元可完全地或部分地整体结合到钻进设备的控制中，或构成还可构造的独立于其的单元。

本发明的优选实施例在于第二驱动器为输出元件，其由第一钻进驱动器的马达驱动。第一钻进驱动器优选由一个或若干液压马达构成。这些优选通过对应的齿轮减速来驱动钻杆，特别是伸缩方钻杆。为了引入支承管，钻进驱动器的马达的转矩经由环形输出元件传送至支承管。在此情况下，第二驱动器基本由齿轮单元构成，而没有其自身的独立马达。

具有两个输出选择的仅一个马达单元位于钻进设备的柱上。一方面，方钻杆且因此钻进工具经由中空轴通路驱动，且另一方面，钻进管可拧入其中的旋转板经由通过优选介入的卡登接头(Cardan joint)凸缘安装在中空轴的下端处的输出元件驱动。旋转齿轮设有用于安装在顶部处的方钻杆的驱动壳，以及用于拧到下方的旋转板的驱动的凸缘。

根据本发明的另一个发展方案，尤其有利的是，第一钻进驱动器和第二驱动器共同布置在锤上。也称为钻进驱动锤的锤通过给送绞车沿柱移动。作为优选，钻杆突出穿过环形第一钻进驱动器，在此情况下，具有钻进工具的钻杆可由钻进设备上的主绞车竖直地调整。钻进驱动器优选构成用于钻杆的下止挡件。

本发明的另一个备选发展方案在于第二驱动器为套管机，其安装在钻进设备的基础结构上。套管机构成独立于第一钻进驱动器的驱动单元。套管机可具有适合的马达或驱动器，其可将所需的转矩和(如可能的情况)所需轴向力施加到支承管上来用于引入地面中。

以此方式，根据本发明，提供给了优选实施例，其中套管机具有可枢转的夹头来以旋转方式将支承管引入地面中。夹头可借助于液压缸钩住支承管，且因此形成与支承管的抗转矩连接。通过其它枢转缸，旋转移动和转矩可施加到支承管上，由此其螺旋进入地面中。

根据用于操作钻进设备的按照本发明的方法，其中产生具有支承管的钻孔，提供了支承管引入地面中的深度在计算机单元中指出，钻进工具的当前钻进深度在钻孔的产生期间检测到，且在计算机单元中指出，且借助于计算机单元，关于支承管的引入的深度的当前钻进深度显示在监视器上。

该方法特别用于操作前述描述的钻进设备。这导致了前文所述的优点。

根据按照本发明的方法的另一个发展方案，优选的是钻进工具的当前钻进深度的检测经由第一传感器器件发生。具体而言，传感器器件可包括测量器件，其检测用于钻杆的竖直移动的主绞车的主绳索的放出长度，和/或用于确定给送绞车的放出长度，锤与第一钻进驱动器通过给送绞车沿柱移动。基本上，还可使用其它传感器器件，以用于确定当前钻进深度，诸如光学传感器或借助于超声波或激光的深度测量。

根据本发明的方法的另一个有利实施例在于支承管的引入的深度的输入经由操作终端人工地发生，或经由第二传感器器件自动地发生。作为引入深度的量规的支承管的长度可由操作者直接输入计算机单元中，例如，经由可在监视器上示出的对应输入栏。在此情况下，假定了支承管以其整体引入地面中。输入还可自动地发生，例如，通过用于读取支承管上的对应标记(诸如RFID标签)的器件。在该标签上，可储存关于支承管的相关信息，特别是关于长度且因此支承管的引入深度的相关信息。此外，优选提供支承管的引入的当前深度由第二传感器器件确定。取决于驱动器布置的类型，这还可由利用用于引入支承管的第二驱动器对应确定锤的位置或通过对应的光学传感器来实现。甚至在使用套管机时，支承管的引入的当前深度可由对应的传感器器件可靠地确定。例如，这可通过检测夹头的移动，或还经由用于确定支承管的位置的光学传感器来实施。

根据本发明，优选方法变型在于当前钻进深度的检测借助于第一钻进驱动器的锤的位置测量和/或钻杆的位置测量而发生，钻进工具安装在钻杆的下端处。出于此目的，可使用前述传感器器件。

基本上，关于支承管的引入的深度的当前钻进深度的显示可以以任何选择的方式实现。

根据本发明的另一个发展方案，特定示范性显示可由以下事实产生：通过计算机单元，支承管的引入的深度和当前钻进深度的条形显示在监视器上生成。尤其是在杆处于竖直对准时，使得钻进工具相对于支承管的下端的当前位置特别清楚且为示范性的。具体而言，支承管可在截面视图中示出，其具有两条侧线和一条对应的水平横线来限定上缘和下缘。钻进工具可以以图形方式示出或程式化为支承管中的水平杆。

有利地，根据本发明的方法进一步发展，其中支承管由至少两个支承管元件构成，其中提供了引入深度的附加总体显示。通过附加支承管的长度的对应输入，支承管的最大引入的深度增大且相应地改变。监视器上的显示相应地变化。如果具有附接到顶部处的附加支承管元件的支承管然后进一步引入地面中，则引入深度和监视器上的相关显示相应地变化。基本上，引入的支承管可由不同长度的多个支承管元件构成。独立的支承管元件的长度可经由可在监视器上示出的适合的输入栏输入到计算机单元中。基本上，输入还可通过选择支承管元件的预定标准长度发生。作为优选，例如，通过支承管元件上的前述RFID标签来提供自动识别和输入。

根据本发明的方法的另一个优选实施例变型在于，在监视器上，支承管或支承管元件在引入地面中之前和之后显示在监视器上。在监视器上，具有附接到顶部上的附加支承管元件的支承管在初始状态中示出。其中，支承管或相应的支承管元件位于显示的地表面上方。在对应引入之后，引入的支承管最大引入的深度或当前达到的实际引入深度显示。

支承管或钻进管可借助于可在钻进设备的柱上位移的旋转驱动器的旋转板和利用套管机来螺旋进入建筑物地面中。当借助于旋转板拧入钻进管时，钻进管的当前引入深度可借助于安装在给送系统上的换能器来确定。为此，沿柱的旋转驱动器的位置被确定且相对于钻进工具的当前钻进深度偏移。旋转驱动器的位置可由沿柱的位移换能器或给送系统(例如，给送绳索)上的位移换能器确定。钻进管的总长度可通过驱动器的输入或例如借助于RFID标签自动识别独立钻进管区段来确定。独立的钻进管区段的长度合计为总钻进管长度。例如，钻进工具的钻进深度可通过移动方钻杆的主绳索绞车的深度测量和方钻杆的当前锁定位置来确定。还存在的选择在于，通过驱动器的输入，钻进深度的零位置在钻进管的上缘由钻进工具的底部达到时限定。这使得其有可能相对于之前计算的总钻进管长度来偏移当前钻进深度，且确定钻进深度与安装的钻进管长度之间的差异。

如果钻进管的安装深度由钻进设备的柱上的测量系统确定，则必须通过切换或触发来限定钻进管拧入或钻进管钻出。这种触发可通过驱动器的输入来实现，或在自动旋转台的情况下，其可通过管固定器件的促动自动地发生。

附图说明

下文通过在附图中示意性地示出的优选实施例进一步描述了本发明，其中示出了：

图1是根据本发明的钻进设备的示意性侧视图，以及

图2a至2i是根据本发明的支承管和钻孔的条形显示。

具体实施方式

根据图1a，按照本发明的钻进设备10具有设计为履带传动行走齿轮的底架12，以及以可旋转方式支承在底架12上的上架14。底架12和上架14形成基础结构15。驱动单元和用于钻进设备10的操作者的台以已知方式布置在上架14上。

具有上柱头19的竖直柱18以可调整的方式经由具有颈部缸的运动连杆机构16安装在上架14的前侧上。锤20以可位移的方式沿柱18的前侧引导。具有液压马达24的第一钻进驱动器22设在锤20上。此外，具有套筒形旋转连接件27的第二驱动器26设在锤20上，以用于提供形成与支承管4的抗转矩连接。第二驱动器26基本由至带有液压马达24的第一钻进驱动器22的齿轮连接构成，以便由此将转矩施加到旋转连接件27且因此支承管4上。

大致套筒形第一钻进驱动器22由钻杆30穿透，钻杆30设计为具有外部驱动键的方钻杆(Kelly rod)。钻杆30具有上悬架32，钻杆30通过上悬架32连接到主绳索39上。主绳索39经由柱头19上的偏转滚子引导至上架14的上侧上的主绞车38。通过主绞车38的促动，钻杆30可竖直地移动。

锤20连接到给送绳索37上，给送绳索37沿柱18在锤20的上方和下方引导，且由给送绞车36促动。通过给送绞车36，锤20可沿柱18的引导件向上或向下移动。

用于除去地面材料的钻进工具34安装在钻杆30的上侧上。在根据图1的所示实施例中，钻进工具34设计为钻进轮叶。钻进工具34的直径设计成使得其可引入支承管4的内中空空间中。

利用钻进设备10，套管钻孔可在地面1中产生。对于套管钻孔的有效产生，支承管4与钻孔的开凿协调引入是所需的。根据图1，在第一步骤中，支承管4引入地面1中达到第一引入深度。

该状态在图2a中示意性地示出，图2a示出了根据本发明提供的条形图，其可在监视器上显示给钻进设备10中的操作者。根据图2a的图示，地面的挖掘还未发生。

以此方式，支承管4的管长度可由操作者在计算机单元的监视器上输入。对于深度测量，钻进工具34的下缘设置在支承管的上缘上为零。以此方式，钻进工具34与支承管4之间的关系在计算机单元中记录。

根据图2b，下一个步骤由利用钻进工具34将地面1钻出支承管4构成。通过以主绞车38上的第一传感器器件执行的深度测量，钻进过程可在计算机单元的监视器上控制。支承管4的长度和达到的钻进深度两者在计算机单元的监视器上图解示出。图2b中的支承管4内的向下转移的水平条指出了钻进工具34的钻进深度。此外，钻进工具34可示出，其中支承管4内的附加水平条在操作者的台的监视器上。

作为优选，支承管长度与达到的钻进深度之间的差异也可附加地显示在监视器上作为钻进工具34的位置相对于支承管4的位置的测量值。以此方式，除图形显示之外，设备的驾驶员设有关于钻进利用钻井工具34在相对于支承管4的在先位置或滞后位置执行的量规。在某些地层中，该量规对于确保产生的钻桩的质量极为重要。

在根据图2c的另一个步骤中，支承管4再次与第二驱动器26(可称为旋转驱动头)联接，且进一步螺旋进入地面1中。

深度测量结果的新关系的记录实现，其中设备的驾驶员利用支承管4的上缘上的钻进工具34的下缘重设，或通过借助于第二传感器器件测量穿过给送绞车36上的深度测量达到的引入深度来重设。对于穿过给送绞车36的深度测量的引入的测量结果，特定模式可存在于计算机单元中，以用于由设备的驾驶员输入，或第二驱动器26与支承管4的联接的自动识别可发生。

在第二驱动器26与支承管4断开之后，支承管4内的进一步钻出然后按照图2d实现。这可在一个或若干钻进过程中发生。

以此方式，根据图2b至2d的步骤可相继执行多次。

根据图2e，然后附接附加的支承管元件5，借此形成延伸的支承管4。支承管4的长度在计算机单元中确定，且根据图2e以图形示出。

为此，另外附接的支承管元件5的长度加入支承管4的之前已知的长度。另外附接的支承管元件的长度的识别通过由设备的驾驶员进行的对计算机单元的输入或通过支承管4/支承管元件5例如借助于RFID标签的识别系统的管长度的自动识别来进行。

为了将深度测量结果再次关联至支承管4的上缘，这通过由设备的驾驶员执行利用支承管4的上缘上的钻进工具34的下缘重设来设为零，或通过达到的钻进深度的自动校正，所述深度测量结果由以支承管元件5补充的支承管4的指出或检测长度调整。结果，深度测量结果的校正可自动地发生。

通过延伸的支承管4与第二驱动器26的更新联接，如图2f获取那样，支承管4更深地螺旋进入地面1中。此后，进一步钻出和地面材料从支承管4除去按照图2g实现。延伸的支承管4的拧入和位于其中的地面材料的钻出还可在若干步骤中发生，这可从图2h和2i中得到。

图2a到2i中所示的方法示出了支承管4相对于钻孔4在在先位置。通过图形显示，这可由操作者容易地控制。因此，钻孔也可在相对于支承管的在先位置。

Claims (12)

1.一种用于产生套管钻孔的钻进设备，具有：

用于以旋转方式驱动钻杆的第一钻进驱动器，用于除去地面材料的钻进工具布置在该第一钻进驱动器下端处，

柱，所述第一钻进驱动器可沿该柱与锤一起移动，

第二驱动器，用于钻孔的支承管可利用所述第二驱动器引入地面中，以及

计算机单元，

其特征在于，

在所述计算机单元中指出了所述钻进工具的当前钻进深度和所述支承管的引入的深度，以及

提供了监视器，关于所述支承管的引入的深度的所述当前钻进深度可由所述计算机单元图解显示在该监视器上。

2.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，

所述第二驱动器为输出元件，其由所述第一钻进驱动器的马达驱动。

3.根据权利要求1或2所述的钻进设备，其特征在于，

所述第一钻进驱动器和所述第二驱动器共同地布置在所述锤上。

4.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，

所述第二驱动器为套管机，其安装在所述钻进设备的基础结构上。

5.根据权利要求4所述的钻进设备，其特征在于，

所述套管机具有可枢转的夹头，以用于将所述支承管以旋转方式引入所述地面中。

6.一种用于操作根据权利要求1至5中任一项所述的钻进设备的方法，其中钻孔产生带有支承管，其特征在于，

所述支承管引入所述地面中的深度在计算机单元中指出，

钻进工具的当前钻进深度在所述钻孔的产生期间检测到，且在所述计算机单元中指出，以及

借助于所述计算机单元，关于所述支承管的引入的深度的所述当前钻进深度在监视器上图解显示。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述钻进工具的所述当前钻进深度的检测经由第一传感器器件发生。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，

所述支承管的引入的深度的输入经由操作终端人工地发生或经由第二传感器器件自动地发生。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述当前钻进深度的检测借助于第一钻进驱动器的锤的位置测量和/或钻杆的位置测量而发生，所述钻进工具安装在所述钻杆的下端处。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

通过所述计算机单元，所述支承管的引入的深度和所述当前钻进深度的条形显示在所述监视器上生成。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述支承管由至少两个支承管元件构成，其中提供了引入的深度的附加总体显示。

12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

在所述监视器上，所述支承管或所述支承管元件在引入所述地面中之前和之后显示在所述监视器上。