CN110062834A - 用于产生孔的旋转钻具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在地面中产生孔的旋转钻具和方法，其带有基体、去除机构和用于把去除的土壤材料和钻探泥浆排出的排出管路，所述去除机构具有至少一个锤子单元，该锤子单元包括沿轴向可逆地驱动的锤子部件。根据本发明规定，在所述基体上沿着所述排出管路布置了泵机构，并且所述泵机构被构造用于把去除的土壤材料连同钻探泥浆经由所述排出管路泵出。

Description

用于产生孔的旋转钻具和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于在地面中产生孔的旋转钻具，该旋转钻具带有基体、布置在基体的底面上的去除机构和用于把去除的土壤材料和钻探泥浆排出的排出管路，所述去除机构具有至少一个锤子单元，该锤子单元包括沿轴向可逆地驱动的锤子部件。

本发明此外涉及一种根据权利要求12的前序部分的用于利用旋转钻具在地面中产生孔的方法，其中，利用去除机构在旋转钻具的基体的底面上去除土壤材料，并且借助于排出管路把去除的土壤材料和钻探泥浆排出，其中，所述去除机构具有至少一个锤子单元，其中，锤子部件沿轴向可逆地被驱动。

背景技术

所述类型的旋转钻具从EP 2 592 214 A1中得知。对于该旋转钻具而言，设置了多个锤子单元，这些锤子单元带有能沿轴向可逆地运动的锤子部件，这些锤子部件借助于压缩空气被驱动。由此产生了锤子部件的冲击运动，进而可以去除坚硬的地面，尤其是岩石。在此，用过的压缩空气可以在锤子单元的下部区域处放出，其中，压缩空气用于采用所谓的空气-提升-方法把去除的土壤材料和钻探泥浆输出。在此，释放的压缩空气可以经由排出管路向上流动。土壤材料和钻探泥浆随之向上从钻孔中排出。

从EP 2 703 596 B1中已知一种钻探装置，该钻探装置可以布置在支撑管的内部，并且可以夹紧在钻管的内侧上，用于产生孔。在钻探装置的内部布置了旋转驱动部、进给驱动部、用于把壳体夹紧在支撑管中的夹紧机构以及用于输送和排出泥浆的其他设备。去除土壤材料通过旋转的切割机构来进行。

带有旋转的切割齿的钻具适合于处理硬度很小或中等的地面，其中，土壤材料特别是被剥离。为了处理硬度大的地面，特别是基岩和母岩，需要通过滚轮钻头或者主动驱动的锤子单元进行处理。它们对硬脆材料施加逐点的大的压力载荷，这导致土壤材料的凿开，并且进而导致其被去除。

从EP 2 597 249 A1中得知用于产生竖直孔的钻探设备和方法。为此在下端部处，在钻探装置上设置了偏心地布置的旋转的钻头。

WO 83/00183教导了带有单独的钻头的冲击钻机，该钻头布置在钻探装置的下端部处。

发明内容

本发明的目的在于，提出用于在地面中产生孔的旋转钻具和方法，借此特别是对于坚硬的土壤材料而言能实现特别良好的去除功效。

根据本发明，该目的一方面通过一种具有权利要求1的特征的旋转钻具得以实现，且另一方面通过一种具有权利要求12的特征的方法得以实现。优选的设计变型分别在从属权利要求中给出。

根据本发明的旋转钻具的特征在于，在基体上沿着排出管路布置了泵机构，并且该泵机构被构造用于把去除的土壤材料连同钻探泥浆经由排出管路泵出。

本发明的基本构思基于如下认识：对于具有可逆地驱动的锤子部件的锤子单元而言，为了良好的去除功效，至关重要的是，这些锤子部件尽可能直接地碰击到基础的坚硬的土壤材料上。由此可以把冲击能量有效地转变为土壤材料的逐点的超负荷，这导致凿开或劈开基础的土壤材料。

通过直接在旋转钻具本身上的排出管路处使用泵机构，实现了特别可靠地且快速地把去除的土壤材料连同钻探泥浆从工作面排出。因此实现了：在锤子部件撞击到原生土上时，冲击能量不会因尚未排出的去除的土壤材料而减弱和衰减。通过在旋转钻具本身中的泵机构把去除的土壤材料立即且快速地排出，因此实现了：把尽可能高份额的冲击能量施加到原生土中。由此实现高的去除功效。

原则上，可以按任何方式驱动锤子单元，比如借助于电能或借助于液压流体来驱动锤子单元。根据本发明的一种实施方式，特别有利的是，利用压缩空气来使至少一个锤子单元运行，通过输送管路来输送所述压缩空气。从钻孔外面由压缩机导入压缩空气，该压缩机优选布置在钻探设备上，通过该钻探设备也对旋转钻具施加旋转运动。

本发明的一种优选的改进在于，在至少一个锤子单元的下端区域处设置用于用过的压缩空气的放出开口。用过的压缩空气因而同样放出到下述区域中，在该区域中发生了土壤去除。在此，压缩空气可以在填充有钻探泥浆的钻孔中向上流动，以便排出去除的土壤材料。按照空气-提升-方法，向上流动的压缩空气在一定程度上把去除的土壤材料和钻探泥浆带走。由此可以有助于由泵机构产生的流动。作为泵机构，原则上可以使用任何合适的泵，特别是蜗杆泵。可以设置一个或多个泵。

本发明的另一优选的实施方式在于，锤子部件具有竖直定向的柱塞，该柱塞可移动地安置在锤子单元的柱壳体中。在此，旋转钻具可以具有多个被相同地构造的锤子单元。这些锤子单元尤其可以模块化地由柱壳体形成，该柱壳体带有安置在其中的柱塞。在此，如此控制压缩空气的输送和排出，从而以所希望的频率实现柱塞的上下运动。

在此，锤子单元布置在旋转钻具的基本上柱形的壳体中。本发明的一种优选的设计变型可以在于，泵机构在壳体中布置在去除机构上方。该壳体在此可以使得带有去除机构的柱形基体向上延长。在壳体中的上部分内，泵机构优选布置在中间。从钻孔的外面，可以通过能量输送管路，特别是电线路或压缩流体管路，从钻孔的外面输送用于运行泵机构的能量。

对于转动的钻具而言，能够以基本上已知的方式设置所谓的旋转接头或者带有环形的接触片的旋转触头，从而可以由固定的能量输送件从外面把能量传递到旋转的钻具上。

根据本发明的一种改进，有利的是，在壳体的顶面上布置用于钻杆的连接机构。该连接机构可以特别是用来连接方钻杆（Kelly）-钻杆的所谓的方钻杆盒。也可以使用其他的机械的连接机构，用于使旋转钻具与钻杆抗扭地连接。

根据本发明的一种改进，通过下述方式实现特别有效地吸除被去除的土壤材料：泵机构布置在排出管路的中心区段上，并且在中心区段下方把排出管路分成多个排出管路。泵机构由此在排出管路的大致中间的区段上布置在中心，其中，泵的抽吸功率可以在中心区段下方分配到多个排出管路上。

在此特别有利的是，在基体的底面上布置了至少一个抽吸开口，用于吸除被去除的土壤材料。在此，每个吸除开口都与排出分管路连接，该排出分管路通向带有泵机构的中心区段。通过多个吸除开口，可以特别可靠地在整个孔区段上将处理过的土壤材料吸除并向上排出。

根据本发明的旋转钻具的一种可能的实施方式在于，旋转钻具被构造成全断面-钻具。在此，旋转钻具的向下定向的端面基本上为板形，其中，设置了多个锤子部件，用于去除原生土。于是可以在旋转钻具旋转的同时进行尤其大面积的土壤处理。

替代地，根据本发明的一种改进可以规定，旋转钻具被构造成岩芯钻具。在此，锤子单元作为去除机构沿着基体的环形的边缘区域布置。用于容纳在钻探时形成的钻探岩芯的自由的容纳腔保持在中间。通常，由于在钻探时出现的横向力，从一定的长度起，钻探岩芯可以自行折断。优选地也可以设置用于折断或处理钻探岩芯的主动的机构。钻探岩芯可以利用旋转钻具或单独的取芯钻夹具（Kernfänger）从钻孔中排出。

此外根据本发明的一种设计变型，有利的是，设置能量输送管路，利用该能量输送管路给基体上的泵机构供应能量，特别是电能或液压能。利用这种能量输送，可以使泵机构特别可靠地运行。也可以根据需求容易地调节泵功率。替代地，泵机构也可以截取钻杆的扭矩。

根据本发明的方法的特征在于，在旋转钻具的基体上沿着排出管路布置了泵机构，利用该泵机构把去除的土壤材料连同钻探泥浆经由排出管路朝向钻孔外部泵出。

根据本发明的方法优选地利用根据本发明的如前面已经描述过的那样的旋转钻具来实施。采用根据本发明的方法能够特别是在高的去除功效方面实现前述优点。

根据本发明的方法的一种优选的变型在于，利用在基体的底面处放出的压缩空气使所述锤子单元运行。所放出的压缩空气可以有助于把去除的土壤材料连同钻探泥浆向上输出到排出管路中。

根据本发明的另一种方法变型，以下述方式来实现特别可靠的吸除：去除的土壤材料连同钻探泥浆经由多个吸除开口和多个吸除管路被吸除，所述吸除管路通入到中心区段中，在该中心区段上布置着泵机构。泵的吸除功率于是分配到多个吸除分管路和多个吸除开口上。这促使可靠地且快速地排出所去除的土壤材料。

附图说明

下面借助于优选的实施例进一步介绍本发明，在附图中示意性地示出了这些优选的实施例。在附图中：

图1示出了根据本发明的第一旋转钻具的立体图；

图2示出了图1的旋转钻具的无壳体的立体图；

图3示出了图1的旋转钻具的纵剖视图；

图4示出了根据本发明的第二旋转钻具的立体图；

图5示出了图4的旋转钻具的无壳体的立体图；

图6示出了图4的旋转钻具的纵剖视图；并且

图7示出了图4的旋转钻具的横向于纵轴线的横剖视图。

具体实施方式

下面结合图1至3介绍根据本发明的第一旋转钻具10。该旋转钻具10被构造成岩芯钻具，其去除机构20围绕中间的空心的岩芯容纳部16环形地布置。在所示的实施例中，去除机构20具有六个相同地构造的锤子单元22，这些锤子单元带有圆盘形的锤子部件24。在可沿轴向运动的锤子部件24的底面上，布置了未详细示出的去除部件，这些去除部件优选是逐渐变尖地伸展的硬质合金部件。在各个锤子单元22之间布置了吸除开口38，用于把去除的土壤材料连同周围的钻探泥浆吸除。吸除开口38沿旋转方向倾斜地安放，以便实现尽可能良好的材料吸收。

旋转钻具10具有柱形的壳体14，在该壳体的上端部处安置了用于钻杆的连接机构50。该连接机构50优选构造成所谓的方钻杆盒，用于容纳钻杆的方头。

如图2中清楚地所示，各个锤子单元22具有细长的柱形的柱壳体28，在该柱形壳体内安置着柱塞26，该柱塞能够在下面的冲击位置与上面的回拉位置之间可逆地移动。在仅仅以暗示的方式在图3中示出的柱塞26的下端部处安置了盘形的锤子部件24。

锤子单元22通过输送管路29被供应压缩空气。竖直向上地在钻孔之外伸展的输送管路29在其下端部处通入到横向管路27中，该横向管路通向各个锤子单元22。横向管路27构造在两个盖板之间。在锤子单元22的下端区域处，用过的压缩空气可以在旋转钻具10的基体12的底面上放出。

去除的土壤材料和周围的钻探泥浆以及放出的压缩空气经由倾斜地定向的吸除开口38通过各个排出分管路34排出。在此，这些排出分管路34通过横向通道35与被向上引导的排出管路30的中心区段32连接。布置在壳体14中间的泵机构40定位在所述中心区段32处。通过能量输送管路44从在钻孔之外的便携设备给泵机构40供应驱动能量、特别是电能。所抽吸的土壤材料从中心区段32经由泵机构40向上通过排出管路30输出。泵机构40通过泵壳体42和中心区段32牢固地与旋转钻具10的基体12连接。

在图4至7中示出了根据本发明的第二旋转钻具10，其被构造成全断面-钻具。该旋转钻具10具有柱形的壳体14，在该壳体的下端部处布置了去除机构20，该去除机构基本上横向地在圆盘形的底板18上伸展。去除机构20由多个锤子单元22构成，这些锤子单元带有圆盘形的锤子部件24。此外，在底板18上布置了两个径向地伸展的狭缝形的吸除开口38，用于吸除去除的土壤材料和周围的钻探泥浆。在壳体14的顶面上，如在前述旋转钻具10中那样，安置了方钻杆盒作为用于钻杆的连接机构50。

对于该旋转钻具10而言，柱形的壳体14形成了基体12的主要部分，在该柱形的壳体内部布置了杆形的锤子单元22，这些锤子单元带有其相应的柱壳体28。在柱壳体28内部，沿轴向可逆地安置了通过压缩空气驱动的柱塞26，用于对基础的工作面施加冲击运动。在柱塞26的下端部处，安置了盘形的锤子部件24，这些锤子部件带有未示出的去除部件。

去除的土壤材料经由两个细长的吸除开口38被吸除。在此，在当前的实施例中，泵机构40具有两个分开的泵41，其中，每个泵41都通过自己的排出管路30与吸除开口38以管路连接。

为了把压缩空气输送给锤子单元22，设置了向上伸展的输送管路29，该输送管路在其下部区域中通入到中间的管区段25内，该管区段构造在连接机构50的下方。所导入的压缩空气从管区段25经由构造在盖板17中的横向管路27被转交给各个锤子单元22。

在运行中，旋转钻具10通过未示出的钻杆被旋转地驱动，从而带有锤子单元22的去除机构20扫过整个基础的工作面。

Claims (13)

1. 用于在地面中产生孔的旋转钻具，带有：

- 基体（12）；和

- 用于把去除的土壤材料和钻探泥浆排出的排出管路（30），

- 其中，在所述基体（12）上沿着所述排出管路（30）布置了泵机构（40），并且

- 其中，所述泵机构（40）被构造用于把去除的土壤材料连同钻探泥浆经由所述排出管路（30）泵出，

其特征在于，

- 设置了布置在所述基体（12）的底面上的去除机构（20），该去除机构具有多个锤子单元（22），所述锤子单元分别包括沿轴向可逆地驱动的锤子部件（24）；并且

- 所述锤子部件（24）分别具有竖直定向的柱塞，所述柱塞分别能移动地安置在所述锤子单元（22）的柱壳体中。

2.如权利要求1所述的旋转钻具，其特征在于，利用压缩空气来使至少一个所述锤子单元（22）运行，通过输送管路（29）来输送所述压缩空气。

3.如权利要求2所述的旋转钻具，其特征在于，在至少一个所述锤子单元（22）的下端区域处设置用于用过的压缩空气的放出开口。

4.如权利要求1至3中任一项所述的旋转钻具，其特征在于，所述泵机构（40）在壳体（14）中布置在所述去除机构（20）上方。

5.如权利要求4所述的旋转钻具，其特征在于，在所述壳体（14）的顶面上布置用于钻杆的连接机构（50）。

6.如权利要求1至5中任一项所述的旋转钻具，其特征在于，所述泵机构（40）布置在所述排出管路（30）的中心区段（32）上，并且在所述中心区段（32）下面把所述排出管路（30）分成多个排出分管路（34）。

7.如权利要求1至6中任一项所述的旋转钻具，其特征在于，在所述基体（12）的底面处布置了至少一个吸除开口（38），用于吸除被去除的土壤材料。

8.如权利要求1至7中任一项所述的旋转钻具，其特征在于，所述旋转钻具（10）被构造成全断面-钻具。

9.如权利要求1至7中任一项所述的旋转钻具，其特征在于，所述旋转钻具（10）被构造成岩芯钻具。

10.如权利要求1至9中任一项所述的旋转钻具，其特征在于，设置能量输送管路（44），利用该能量输送管路给所述基体（12）上的所述泵机构（40）供应能量，特别是电能或液压能。

11. 用于利用特别是根据权利要求1至10中任一项所述的旋转钻具（10）在地面中产生孔的方法，其中，

- 利用去除机构（20）在所述旋转钻具（10）的基体（12）的底面处去除土壤材料；并且

- 借助于排出管路（30）把去除的土壤材料和钻探泥浆排出；

- 其中，在所述旋转钻具（10）的基体（12）上沿着所述排出管路（20）布置了泵机构（40），利用该泵机构把去除的土壤材料连同钻探泥浆经由所述排出管路（30）朝向钻孔外部泵出，

其特征在于，

- 布置在所述底面上的去除机构（20）具有多个锤子单元（22），其中，分别沿轴向可逆地驱动锤子部件（24）；并且

- 所述锤子部件（24）分别具有竖直定向的柱塞，所述柱塞分别在所述锤子单元（22）的柱壳体中移动。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，利用在所述基体（12）的底面处所放出的压缩空气使所述锤子单元（22）运行。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述去除的土壤材料和所述钻探泥浆经由多个吸除开口（38）和多个排出分管路（34）被吸除，所述排出分管路通入到中心区段（32）中，在该中心区段上布置着所述泵机构（40）。