CN114450465A - 钻具组件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于非开挖地下钻孔的钻具组件(10)，包括：钻靴(20)，所述钻靴的主体具有后部部分(30)和前部部分(22)，后者限定了一个凹部，而前者包括钻头(32)，所述钻头布置在前端(34)、相对的横向侧面、以及侧缘面上，以便帮助所述钻靴(20)既作为导孔钻具又作为扩孔工具；钻具头部(50)，所述钻具头部通过所述凹部可拆卸地安装到所述钻靴(20)上，并与定向引导装置相连通；可连接钻杆的柱(80)，所述钻杆柱在连接时具有尾端(82)和首端(84)，并且钻井液可通过所述钻杆柱被朝向所述钻靴(20)泵送；联接件(86)，所述联接件用于将所述首端(84)链接到所述钻具头部(50)；以及连接器(88)，所述连接器用于将所述尾端(82)连接到车辆。本发明延伸至一种钻靴(20)及其使用方法和制造方法。

Description

钻具组件及其使用方法

技术领域

本发明涉及用于穿过岩石及类似岩石的材料、水泥、沙子和粘土进行作业的地下作业和设备。更具体地说，本发明涉及一种钻具组件，其适用于在地下成分坚硬且难以破开而地表以上结构需要保持完整的地下区域中钻出细长的相对较浅到较深的水平和竖直孔。本发明进一步扩展到一种在地下钻探作业中使用这种钻具组件的方法以及一种制造所述钻具组件的方法。

背景技术

地下陆块并不总是由柔软且容易穿透的土壤或材料组成。经常会遇到坚硬的岩石区域，导致传统的地下钻探设备的损坏。尽管多年来在钻靴方面有所改进，但是这些改进的钻靴仍然很昂贵，而且往往不能用于需要进行相对较浅的钻探或所谓的水平定向钻探的区域。这些区域包括延伸到柏油路下面、铁路和道路隧道下方、桥梁、河流和穿过山脉的通道。

建造相对较浅的通道的普遍使用的技术涉及利用钻具组件，以使用钻管柱钻出相对较浅至较深的通眼，所述钻管柱的钻头位于附接到钻柱的首端的钻靴上。随着钻柱推进(最初以斜角但是后来以水平方式)进入地面时，钻靴会遇到不同的岩层，其中一些岩层可能是不稳定的并且会导致断裂。

钻柱通常利用压缩机借助压缩空气推进到地面，这进一步增加了钻探的总成本。

传统的水平定向钻探机械的另一个缺点是，其需要在获得所需的通眼长度后使用扩孔钻，同时延伸到例如道路下方。扩孔钻在初次钻孔后被可拆卸地安装到钻具头部上，并通过通眼被拉回，从而将通眼扩成更大的直径。

可以理解的是，本发明的钻具组件至少部分地解决了与常用的钻具组件相关联的缺点，其适用于在传统钻具组件无法操作或操作成本太高的区域为光缆、电话、天然气、水或电力公用事业线路提供安全通道。

本发明的另一个目的是介绍一种简化的钻具组件以及一种在地表以上结构需要保持完整的地下环境中的使用方法。

发明内容

从广义上讲，本发明提供了一种用于采矿或非开挖地下钻孔的钻具组件，所述组件包括：钻靴，所述钻靴具有间隔开的钻头，所述钻头布置在所述钻靴的主体的相对侧面以及侧缘面上，以便于既作为导孔钻具又作为扩孔工具；钻具头部，所述钻具头部可拆卸地安装到所述钻靴上并与定向引导装置相连通，所述定向引导装置远离所述钻靴并且易于引导所述钻具头部以倾斜的角度、竖直地和水平地移动进入地面；可连接钻杆的柱，所述钻杆柱在连接时具有尾端和首端，并且钻井液可通过所述钻杆柱被朝向设置在所述钻靴中的钻井液出口泵送；联接件，所述联接件用于将所述首端链接到所述钻具头部；以及连接器，所述连接器用于将所述尾端连接到车辆的D型卸扣和转环，所述车辆通常是但不一定是钻探机械。

此外，钻靴的形状和构造被设计为既可作为导孔钻具又可作为扩孔工具。

在一个实施例中，所述钻靴可以包括关于纵向轴线对称的主体。所述主体可以包括前部部分和后部部分，在所述前部部分中限定了一个用于可释放地定位所述钻具头部的凹部，并且在所述后部部分上可释放地固定多个钻头，或者，所述钻头与所述钻靴一体形成，并与之具有统一的构造。这些钻头可以等距离间隔开。所述凹部可以包括用于定位紧固件的多个间隔开的孔口。

在一个实施例中，所述后部部分可以被分成大致平坦的前段和大致平坦的后段，这两段在所述主体的中心部分处接合，所述中心部分具有最大的宽度和深度。所述后段和前段的平面可以在其间形成190°至230°之间的优角。

所述后段和前段均包括侧缘面，所述侧缘面各自限定了一个以20°至80°之间的锐角倾斜远离所述后段和前段的相应平面的斜切表面，并且随着所述侧缘面接近所述钻靴的相应前端和后端而渐缩。

在所述后段中可以设置多个孔口，用于可释放地容纳紧固件，以配合所述钻具头部中设置的对应孔。

可以为钻靴设置大致平坦的横向侧面，所述侧面通常直接彼此相对地布置在纵向轴线的横向侧面上，并且大致上以直角延伸到相应的大致平坦的后段和前段。

斜面边缘可以设置成与相应的大致平坦的侧面邻接，所述边缘终止于前部部分的平齐表面。所述边缘可以倾斜远离所述大致平坦的横向侧面。

在一个实施例中，随着所述侧缘面、边缘和侧面朝向相应的后端和前端延伸，所述侧缘面、边缘和侧面都成角度地远离所述主体的所述中心部分，所述中心部分具有最大的宽度和深度。在本发明的一个实施例中，设置了四个侧缘面、四个边缘和四个侧面。

在一个实施例中，所述钻具头部可以包括与所述钻管柱相连通的一个或多个通道，钻井液可以通过所述通道被泵送，从而在靠近所述凹部的多个出口处排出。

本发明进一步扩展到一种用于非开挖地下钻孔和扩孔的方法，所述方法包括：

提供上文所述的钻具组件；

将钻靴安装到钻具头部上；

通过联接件将钻管柱的首端链接至所述钻具头部；

通过连接器将所述钻管柱的尾端连接至车辆的动力D型卸扣和转环；

驱动所述D型卸扣和转环的旋转，以使所述钻管柱与所述钻具头部和钻靴一起旋转；

通过远离所述钻具头部的定向引导装置引导所述钻具头部以倾斜的角度、竖直地和水平地移动进入地面，同时通过所述钻具组件泵送钻井液。

本发明进一步扩展到一种制造钻靴的方法，包括以下步骤：

提供适用于地下钻探的金属合金块；

对所述块进行金属加工以形成关于纵向轴线对称的椭圆形钻靴主体，所述钻靴主体的中心横截面部分的宽度和深度大于其前端和后端，并在所述主体上限定多个朝向所述相应前端和后端倾斜的线性平面以及一个用于可释放地定位互补形状的钻具头部的凹部，通过所述钻具头部可以泵送钻井液。

附图说明

现在参照附图中的非限制性示意图，通过举例的方式描述本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的用于非开挖地下钻孔的钻具组件的等距视图；

图2示出了连接到图1的钻具组件的钻具头部上的钻靴的右上前等距视图；

图3示出了图1的钻具组件的钻具头部的右下前等距视图；

图4示出了图2的钻靴的后部部分(其上未连接钻头)的左前等距视图

图5示出了图2的钻靴的前部部分(其上未连接钻头)的左前等距视图；

图6示出了图2的钻靴(其上未连接钻头)的前等距视图；以及

图7示出了图2的钻靴(其上未连接钻头)的后等距视图。

具体实施方式

在附图中，附图标记10指的是根据本发明的用于非开挖地下钻孔的钻具组件。

类似地，如图2中最佳示出的，附图标记20指的是根据本发明在地下钻孔中与钻具组件10一起使用的钻靴。

如图2、图3、图4和图5所描绘的，钻靴20可借助延伸穿过孔口52的螺栓(未示出)可释放地安装到钻具头部50(图3)上。

钻具组件10的部件包括钻靴20和钻具头部50连同定向引导装置(虽然未示出，但通常为操纵杆型)，所述定向引导装置关于钻靴远程定位，并且易于引导钻具头部50以倾斜的角度、竖直地和/或水平地移动进入地面。其他部件包括钻杆柱或钻管柱80、合适的连接器88和联接件86、以及具有旋转动力D型卸扣和转环92的钻探机械90，如图1最佳示出的。

图3的钻具头部50优选地可拆卸地安装到钻靴20上，与定向引导装置相连通，所述定向引导装置用于在钻具头部50进入地面时引导钻具头部初始以倾斜的角度移动，然后竖直地移动以达到合适的钻探深度，最后水平地移动以穿越例如柏油路或铺砌的道路，而不会损坏下面的柏油路或铺砌的道路。

如图所示，钻杆柱80具有尾端82和首端84。连接器88确保尾端82与连接到可旋转动力D型卸扣和转环92的动力输出轴之间的可操作连接，而联接件86确保首端84与钻具头部50之间的可操作链接。

所连接的钻管80是中空的，从而使得能够通过钻管泵送钻井液。钻管80还可操作地与钻具头部50流体连通。

如附图中图2、图4、图5、图6和图7最佳示出的，钻靴主体20的独特形状确保钻具组件10可以同时用作导孔钻具和扩孔工具，其中，所述钻靴主体的形状被示出为通过沿纵向和横向维度伸长而偏离正方形、矩形和三角形形式。

参照图4和图5，钻靴主体20关于纵向轴线y-y对称。如图5最佳示出的，主体20包括前部部分22，所述前部部分具有大致上平齐的表面24，在所述表面中限定了一个用于可释放地定位钻具头部50的凹部26。如图所示，凹部26具有间隔开的孔口21，用于定位紧固件(未示出),以将钻具头部50紧固到凹部26。

钻靴主体20还限定了后部部分30，如图2最佳示出的，多个钻头32可释放地固定在后部部分上。可以设想，在本发明的其他实施例中，钻头32与钻靴20一体形成，并与之具有统一的构造。钻头32通常但不一定是在后部部分30上等距离间隔开。钻头32的形状彼此相同，并且限定了朝向尖端渐缩的圆柱形基部。钻头32通常由冶金结合到碳化钨颗粒上的空气硬化钢制成。这增加了在坚硬岩石条件下使用时钻靴的耐用性。

从图4可以看出，后部部分30被分成大致平坦的前段34和大致平坦的后段36，这两段在主体20的中心部分36处会合，所述中心部分与主体20的其余部分相比具有最大的宽度和深度。此中心部分36表现为的主体20上的一个加宽的腰部。后段36和前段34的平面在其间形成190°至230°之间的优角。

后段36和前段34都进一步限定了侧缘面38.1；38.2，所述侧缘面以20°至80°之间的锐角倾斜远离所述后段36和前段34的相应平面，并且随着所述侧缘面接近钻靴主体20的相应前端和后端而渐缩。

在后段36中设置了多个孔口21，用于可释放地容纳紧固件(如螺栓)，以配合钻具头部50中设置的相应孔52。

仍然参照图4，在钻靴主体20上形成一对大致平坦的横向侧面40.1；以及第二对大致平坦的横向侧面40.2。每对40.1；40.2直接彼此相对地布置在纵向轴线Y-Y的横向侧面上。侧面40通常与相应的后端36和前端34的平面成直角延伸。

两对边缘42.1；42.2与相应的大致平坦的侧面40.1；40.2邻接，终止于前部部分22的平齐表面24。边缘42被形成为在朝向纵向轴线Y-Y的方向上倾斜远离大致平坦的横向侧面40。

如图所示，主体20上形成了两对相对的侧缘面38.1；38.2、两对相对的边缘42.1；42.2以及两对相对的横向侧面40.1；40.2。如图4和图5最佳示出的，随着侧缘面38、边缘42和侧面40朝向相应的后端44和前端46延伸时，它们都成角度地远离主体20的中心部分或加宽腰部36。

参照图3，钻具头部50由与钻管柱80相连通的两个通道54组成，钻井液可以通过所述通道被泵送，从而在靠近凹部26的一个或多个出口处排出。

在使用中，获得如本文所述的钻具组件10连同其相应部件。此后，通过利用可延伸穿过孔口21和52的合适的螺栓，钻具头部50被紧固以配合钻靴主体20的凹部26。这些紧固件优选地用互补的螺母(未示出)进行适当扭紧。

接下来，钻杆柱80的首端84通过联接件86在钻具头部50的后侧处联接到钻具头部上。然后，钻杆柱80的尾端82通过连接器88连接到车辆90的可旋转动力输出轴92。随后驱动动力输出轴92旋转，这进而又允许钻杆柱80与钻具头部50和与附接到其上的钻靴20一起旋转。

最后，通过远离钻具头部的定向引导装置(未显示)引导钻具头部50以倾斜的角度、竖直地并且最终水平地移动进入地面，同时通过钻靴20泵送钻井液。

尽管示出和描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，这并不旨在限制本发明的范围，而是旨在覆盖所有修改和替代方法，包括：用于使用落入本发明的精神和范围内的钻具组件10的方法。

申请人认为，本发明的钻具组件10至少部分地解决了传统非开挖钻探单元的缺陷，因为其提供了一种简洁、坚固、实用和具有成本效益的替代方案，与普遍使用的钻探单元相比，这种替代方案的部件更少且更容易制造，并允许同时进行扩孔和钻孔。

寻求专利保护的本发明在以下一组权利要求中进行了限定。

Claims (24)

1.一种用于非开挖地下钻孔的钻具组件，包括：

钻靴，所述钻靴的主体具有后部部分和前部部分，后者限定了一个凹部，而前者包括多个间隔开的钻头，所述钻头布置在所述后部部分的前端、相对的横向侧面、以及侧缘面上，以便帮助所述钻靴既作为导孔钻具又作为扩孔工具；

钻具头部，所述钻具头部通过所述凹部可拆卸地安装到所述钻靴上并与定向引导装置相连通，所述定向引导装置远离所述钻靴并且易于引导所述钻具头部以倾斜的角度、竖直地和水平地移动进入地面；

可连接钻杆的柱，所述钻杆柱在连接时具有尾端和首端，并且钻井液可通过所述钻杆柱被朝向设置在所述钻靴中的钻井液出口泵送；

联接件，所述联接件用于将所述首端链接到所述钻具头部；以及

连接器，所述连接器用于将所述尾端连接到车辆的D型卸扣和转环。

2.如权利要求1所述的钻具组件，其中，所述车辆是钻探机械。

3.如权利要求3所述的钻具组件，其中，所述钻靴包括关于纵向轴线对称的主体。

4.如权利要求3所述的钻具组件，其中，多个钻头被可释放地固定到所述后部部分。

5.如权利要求3所述的钻具组件，其中，多个钻头与所述后部部分一体形成，并与之具有统一的构造。

6.如权利要求4或权利要求5所述的钻具组件，其中，布置在所述侧缘面上的所述钻头形成等距离间隔开的线性钻头阵列。

7.如权利要求4或权利要求5所述的钻具组件，其中，布置在所述侧面上的所述钻头形成等距离间隔开的线性钻头排列，除了相对于所述线性钻头排列不规则地布置的一个钻头。

8.如权利要求7所述的钻具组件，其中，所述一个钻头被布置成最靠近所述主体的前部部分，位于所述主体相应侧面上的第一钻头与第二钻头之间。

9.如权利要求1所述的钻具组件，其中，多个钻头延伸远离所述主体的前端，每个钻头的相应纵向轴线平行于所述主体的纵向轴线。

10.如权利要求1所述的钻具组件，其中，所述凹部包括用于定位紧固件的多个间隔开的孔口。

11.如权利要求1所述的钻具组件，其中，所述后部部分被分成大致平坦的前段和大致平坦的后段，这两段在所述主体的中心部分处接合，所述中心部分的宽度和深度大于所述主体的其余部分。

12.如权利要求11所述的钻具组件，其中，所述后段和前段的平面在其间形成190°至230°之间的优角。

13.如权利要求12所述的钻具组件，其中，所述后段和前段均包括侧缘面，所述侧缘面以20°至80°之间的锐角倾斜远离所述后段和前段的相应平面，并且随着所述侧缘面接近所述钻靴的相应前端和后端而渐缩。

14.如权利要求13所述的钻具组件，其中，在所述后段中设置多个孔口，用于可释放地容纳紧固件，以配合所述钻具头部中设置的对应孔。

15.如权利要求14所述的钻具组件，其中，所述横向侧面是大致平坦的，并且直接彼此相对地布置在所述纵向轴线的相对侧面上，并且大致上以直角延伸到相应的大致平坦的后段和前段。

16.如权利要求15所述的钻具组件，其中，与相应的大致平坦的横向侧面邻接地设置边缘，每个边缘终止于所述前部部分的平齐表面。

17.如权利要求16所述的钻具组件，其中，所述边缘倾斜远离所述大致平坦的横向侧面。

18.如权利要求16或权利要求17所述的钻具组件，其中，随着所述侧缘面、边缘和横向侧面朝向相应的后端和前端延伸，所述侧缘面、边缘和横向侧面都成角度地远离所述主体的所述中心部分，所述中心部分限定了最大的宽度和深度。

19.如权利要求17至18中任一项所述的钻具组件，其中，所述钻靴主体包括前端、后端、两个朝向所述前端倾斜的相对斜切侧缘面、两个朝向所述后端倾斜的相对斜切侧缘面、两个朝向所述前端倾斜的相对斜面边缘、两个朝向所述后端倾斜的相对斜面边缘、两个朝向所述前端倾斜的相对横向侧面以及两个朝向所述后端倾斜的相对横向侧面。

20.如权利要求19所述的钻具组件，其中，所述钻具头部包括与所述钻杆柱相连通的一个或多个通道，钻井液可通过所述通道被泵送，从而在靠近所述凹部的多个出口处排出。

21.一种钻靴，基本上如本文参照图2所描述并如图2所示，并与附图中的图4至图7一起阅读。

22.一种钻具组件，基本上如本文参照图1所描述并如图1所示，并与附图中的图3和图4至图7一起阅读。

23.一种用于非开挖地下钻孔和扩孔的方法，所示方法包括：

提供如权利要求1至20中任一项所述的钻具组件；

将钻靴安装到钻具头部上；

通过联接件将所连接的钻杆柱的首端链接至所述钻具头部；

通过连接器将所述钻杆柱的尾端连接至动力车辆的D型卸扣和转环；

驱动所述D型卸扣和转环的旋转，以使所述钻杆柱与所述钻具头部和钻靴一起旋转；以及

通过远离所述钻具头部的定向引导装置引导所述钻具头部以倾斜的角度、竖直地和水平地移动进入地面，同时通过所述钻具组件泵送钻井液。

24.一种制造钻靴的方法，包括以下步骤：

提供适用于地下钻探的金属合金块；

对所述块进行金属加工以形成关于纵向轴线对称的椭圆形钻靴主体，所述钻靴主体的中心横截面部分的宽度和深度大于其前端和后端，并在所述主体上限定多个朝向所述相应前端和后端倾斜的线性平面以及一个用于可释放地定位互补形状的钻具头部的凹部，通过所述钻具头部可以泵送钻井液。

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