CN1383467A - 杆件装载器 - Google Patents

Abstract

一种水平定向钻机,包括一个杆件仓,一个用于向仓内装载杆件或从其中卸出杆件的装载部件,一个用于向地下推进杆件的旋转驱动头,和一个在旋转驱动头和装载部件间移动杆件的传送机构。传送机构包括一个用于握住杆件的握杆器,和一个在旋转驱动头和装载部件间移动握杆器的驱动机构。所述钻机还包括一个提升装置用于提升或降低仓的各竖筒内的杆件。传送机构同提升装置一起提升或降低。

Description

杆件装载器

本申请正以维米尔(Vermeer)制造公司，一个美国国有公司的名义，于2001年6月20日提出做为PCT国际专利申请，指定除美国外的所有国家。

发明领域

本发明一般涉及地下钻机，更具体地，本发明涉及水平定向钻机的杆件装载器。

发明背景

公用管线，诸如水、电、燃气、电话及有线电视电缆等，为了安全和美观起见，通常埋入地下。有时，地下公用管线可以埋入最后覆土的地沟中。但是挖沟可能很耗时，并且可能对现有构筑物或道路产生大量的破坏作用。因此，像水平定向钻孔(HDD)这样的替代技术变得越来越流行。

典型的水平定向钻机具有安装驱动机构的一个机架，驱动机构可沿机架的纵轴线滑动。驱动机构用于绕其纵轴线转动钻具组(即一定长度的互联杆件)。驱动机构沿机架的滑动与钻具组的旋转同时进行，使钻具组沿轴向钻进或移出地下。

通常在水平定向钻孔阶段，水平定向钻机与地面成一定的倾角向地下钻孔。在钻孔过程中，钻液用泵通过钻具组输送到位于钻具组端头的钻头(即切割或钻具)，并通过钻孔返回同时移出切屑和污物。在达到要求的深度后，钻头沿大致水平的方向钻水平孔。在钻孔达到预定的长度后，钻头向上钻出地面。而后拉回步骤开始。在拉回步骤，钻具组装上扩孔器并沿钻孔退回。当钻具组退回以后，扩孔器将钻孔扩大。通常将公用管线或其它导管连接在钻具组上，以便使其随扩孔器一起沿钻孔被牵引出来。

典型的水平定向钻机具有一个杆件箱(即储架或储仓)用于存放构成钻具组的杆件(即管子或其它细长杆件)。杆传输机构用于在定向钻机的驱动机构和杆件箱间传递杆件。在拉回步骤，杆件传输机构将杆件从驱动机构输送到杆件箱。

美国专利第5607280号公开了一种现有技术的用于水平定向钻机的杆件处理装置。如图1所示，杆件处理装置包括一个具有5个竖筒41～45的杆件箱。竖筒41～45的底部为开口，以形成可以装卸杆件的5个单独装卸孔41a～45a。在装卸口41a～45a的下方装有选择部件50。选择部件50具有5个凹坑41b～45b，并具有从杆件箱24提取杆件或向杆件箱装入杆件20的功能。例如，在钻孔阶段，选择部件50从杆件箱24取出杆件20到一个拾取位置，传送臂51从拾取位置将杆件逐个传送到钻机的旋转驱动头16。在拉回步骤，传送臂51将杆件20从旋转驱动头16输送到拾取位置，选择部件50将杆件从拾取位置送回到杆件箱24下部。为了从选择部件50将杆件移回杆件箱，用一个提升件将杆件向上推入杆件箱24的竖筒51～54。

在典型的钻孔过程中，杆件箱从竖筒45开始卸出杆件。在竖筒45卸完以后，竖筒44卸出杆件。而后，竖筒43、42、41依次卸出。在拉回步骤(即杆件从驱动头16传回杆件箱24的阶段)。竖筒从45到41依次装满杆件。一旦竖筒45被装满，则人工向选择部件50的凹坑45b插入一个挡块或挡塞，以阻止其它的杆件被装入竖筒45。然后装载竖筒44。当竖筒44装满以后，人工向选择部件50的凹坑44b插入挡块或挡塞，以防止其它的杆件装入竖筒44。然后再装载竖筒43。当竖筒43装满后，人工向选择部件的凹坑43b插入挡块或挡塞，以阻止其它的杆件被装入竖筒43，之后再装载竖筒42。当竖筒42装满后，人工向选择部件50的凹坑42b插入挡块或挡塞，以防其它的杆件被装入竖筒42，最后装载竖筒41。

发明内容

本发明的一个方面涉及水平定向钻机，包括一个仓，一个向仓内装载或卸出杆件的装载部件，一个向地下推进杆件的旋转驱动头，和一个在旋转驱动头和装载部件之间传送杆件的传送机构。传送机构包括一个抓住杆件的握杆器，和一个在旋转驱动头和装载部件之间移动握杆器的驱动机构。钻机还有一个提升装置用于在仓的竖筒内部提升或降低所装的杆件。传送机构与提升装置同步上升或降低。在一个具体实施例中，装载部件具有多个向上开口的凹坑用于接受杆件。在这样一个具体实施例中由装载部件从仓内取出的杆件，被传送部件的握杆器抓住，然后利用提升装置通过提升传送部件，从装载部件中提升杆件。被传送部件的握杆器抓住的杆件，通过将握杆器对准装载部件的至少一个凹坑，可以返回装载部件中，然后用提升装置降低传送部件。

本发明的各种优点将在下面的描述中明确，一些优点将从描述中得到认识，或可以通过实践本发明而了解到。应该明白的是，前面的一般说明和后续的详细说明只是解释性的，并不限定本发明的权利要求。

附图说明

做为说明书的一部分，附图同说明一起表示了本发明的几个方面，并帮助解释发明的原理。附图简介如下：

图1介绍了现有技术的杆件处理设备；

图2示意地表示了按本发明的原理制造的定向钻机，钻机的传送机构在图中处于低位；

图3表示了图2所示钻机，其传送机构处于高位；

图4A-4G表示了图2和图3所示定向钻机从仓向旋转驱动头转移一个杆件的杆传送步骤；

图5A-5G表示了图2和图3所示定向钻机从旋转驱动头向仓内退回杆件的杆传送步骤；

图6A-6C表示图2和图3的定向钻机的各个挡块位置。

详细说明

现在请参见各附图，在图中相同的部件编号始终相同，以下是本发明的各典型特征在说明。

I.定向钻机

图2和图3表示了按本发明的原理制造的水平定向钻机120。定向钻机120具有一个细长的导杆或导向装置122。该定向装置可由操作者定位在与地面成任意倾角的位置上。旋转驱动器124(即驱动头)安装在导向装置122上。用旋转驱动器124转动钻具组(即一串互联的杆件)，使其沿纵轴线顺时针或逆时针旋转。旋转驱动器124带有一个驱动卡盘123用于连接旋转驱动器和钻具组。扣紧装置(如虎钳夹口或扳钳口)靠近导向装置122。用于将杆件与驱动卡盘相连或脱开。一个推力机构(图中未示出)用于：1)在钻孔操作过程中沿导向装置122推动旋转驱动器124以将钻具组推入地下；2)在扩孔或拉回过程中沿导向装置122将钻具组从地下拉出。

需要指出的是，上述部件在技术上众所周知，并且有各种各样的配置方式。衣啊华州Pella市的维米尔(Vermeer)制造公司生产了含有这种部件的样机。有关适用于定向钻机120的样品部件的更详细情况见2000年3月15日提出申请的美国专利申请第09/525408号，其标题为“定向钻机及定向钻孔的方法”，该专利申请在本说明书中用作参考。

再次参见附图2和3，水平定向钻机120也具有一个可拆卸的杆件箱128(即仓或架)用于存放钻杆。杆件箱128由四个单独的立式杆存储筒130a-133a组成。每个筒130a-133a有一个下部开口，以允许杆件从杆件箱128中卸出或将杆件装回杆件箱128。看完四个竖筒以后，我们知道竖筒的数目在不违背本发明的原理的前提出可以变化。

定向钻机120还具有一个检索(indexing)装置用于从杆件箱128卸出或向杆件箱装入杆件。检索装置有位于杆件箱128下部互相隔开的2个装卸部件144。只表示出一个装载部件，是因为另一个装载部件与此件有间隔并隐藏在图示装载部件144的后面。装载部件144(即检索部件)有多个向上的开口凹坑。每个装载部件144上的凹坑的数量最好与杆件箱128中的竖筒数相等。例如，正如图3所示，图中所描绘的装载部件144有4个凹坑130b-133b对应于杆件箱128的四个竖筒130a-133a。凹坑130b-133b的尺寸正好适合接受并卡住杆件。每一个装载部件144还有一个靠近凹坑133b设置的挡块134。挡块也可以是装在装载部件144内部或沿其边缘安装的单独零件。

装载部件144在杆件箱128(如通过驱动机构)下方前后往复运动来实现：1)在钻孔操作过程中从杆件箱128底部卸出杆件；2)在拉回操作中将杆件装回杆件箱128底部。每一个装载部件144最好可在退回位置(见图4A)和伸展位置(见图4B)间移动，在退回位置，凹坑130b-133b相应位于竖筒130a-133a的下方，在伸展位置装载部件144已向右移动了一个竖筒的位置。在伸展位置，凹坑130b横向与仓126下部间隔开，以便使其位于“中途(Staging)”或“拾取”位置127。

定向钻机120还有一对提升件138(只显示出一个)用于将杆件箱128中各竖筒130a-133a中的杆件提升或降低位置。只表示出一个提升件138是因为，第二个提升件138与图中所示提升件有间隔并隐藏在它的后面。图3所示提升件138处于高位，在此位置，杆件的最下一排位于仓128中，而图2所示提升件138处于低位，在此位置，杆件的最下一排位于仓下方的凹坑130b-133b中。

图中所示提升件138有一个杆件支撑162，它可以通过任何传统结构(如液压缸，机械驱动，电机驱动，液压驱动器，齿轮齿条传动装置)来提升或降低位置。杆件支撑162的长度尺寸至少要能位于所有竖筒130a-133a的下方。而杆件支撑162的上侧可以是平的或任何其它形状，但最好其上侧具有四个杆件接受凹槽130c-133c。当杆件箱128装在定向钻机120中时，管件托架的凹坑130c-133c分别正对于杆件箱128的竖筒130a-133a的下方。

两个传送机构(只显示出一个)用于在定向钻机120的装载部件144和旋转驱动器124间传递杆件。只表示出一个传送机构，是因为另一个传送机构位于所示传送机构的后面。传送机构136与提升件138相连接或成为提升件138的一部分。“相连接”意思是指传送机构可以直接与提升件138相连接，或是通过一个中间结构、框架或连接件相连接。例如，传送机构136可以焊接在杆件支撑162的一侧，或通过传统的方法如螺栓、螺钉、轴承架等固定在支撑162的一侧。在一个具体设备中，传送机构136包括一个液压缸(其缸体部分与支撑162相连)和一个活塞杆(构成一个可伸展的传送部件)。最好是，传送机构136通过任何可使传送机构136与支撑件162同时升高或降低位置的连接型式相连接。

参见附图2和3，图中所示传送机构136包括一个传送部件137(它有一个具有凹坑或大坑来接受杆件的握杆器)。而握杆器可由磁铁(如电磁铁或永久磁铁)或其它任何配置如机械手，吸力型握杆器等构成。传送部件137在伸展位(见图4D)和退回位(见图4C)间通过驱动机构(如与握杆器184相连的液压缸，或任何其它机械传动如电机链式传动、皮带传动或齿轮齿条传动)而移动。因为传送机构136与提升件138相连，所以传送机构136在高位(见图2)和低位(见图3)间通过提升件的移动来提升或降低位置。

应该知道，传送部件137的具体形状可以在某方面与我们理解的不同。例如，在另一个实施例中，传送部件可以轴向运动或沿弧线轨迹运动。

在某些实施例中，定向钻机120可以包括细长挡块145(见图6A-6C)，该挡块安装在装载部件144内或沿其边缘安装，用于挡住一个或多个凹坑131b-133b，最好是在拉回循环中，杆件被装回杆件箱128时。例如，当每个竖筒装满杆件时，与装满竖筒相对的凹坑优先被堵住。在图6A-6C中，假设当竖筒中有2个杆件时为充满状态。因此，图6A表示的是当竖筒133a装满时凹坑133b被挡住的状态，图6B表示的是竖筒132a和133a装满后凹坑132b和133b被挡住的状态，图6C表示的是竖筒131a-133a装满后凹坑131b-133b被挡住的状态。当挡块145退回时，所有凹坑130b-133b是敞开的。

挡块145借助于驱动机构，如在挡块145和装载部件144之间相连接的液压缸(未示出)，可以相对于装载部件144而移动。在竖筒131a-133a的上部可以使用限位传感器以检测每个竖筒是否处于装满状态。最好采用一个控制器，根据传感器的信号自动移动长挡块。关于以上所述挡块系统的详细情况，见美国专利申请第09/602036号，该专利申请标题为“定向钻机的挡块系统”，于2000年6月23日提出。

II.从杆件箱向旋转驱动器传递杆件的次序

图4A-4G表示了在钻孔阶段从杆件箱128向旋转驱动器124传递杆件160的步骤。在图4A中，杆件160位于装载部件144的凹坑130b中，并且装载部件144位于退回位置，在该位置，凹坑130b-133b处于相应竖筒130a-133a的正下方。另外，提升件138下降以使杆件箱128中的最下一排杆件位于装载部件144的凹坑130b-133b中。然后，杆件传递部件137退回以使握杆器184正好位于杆件中途位置127的正下方。

为开始传递步骤，装载部件144从图4A的退回位置移动至图4B所示伸展位置，在伸展位置，凹坑130b位于中途位置127。中途位置距离杆件箱128最好至少为一个杆件的宽度。当凹坑130b和杆件160处于中途位置127时，提升件138上升，如图4C所示。通过升高提升件138，杆件的最下一排被提升到装载部件144的上方并进入杆件箱128(即杆件从凹坑131b-133b中被提升)。与此同时，传递部件137也被提升，使握杆器184将杆件160从凹坑130b中提升起来。

当提升件138升高和握杆器184握住杆件160时，杆件传送部件137从图4C所示退回位移动至图4D所示伸展位，当传递部件137处于伸展位时，握杆器184握住杆件160并与旋转驱动器对准，使得杆件160与旋转驱动器相联接。当杆件160与旋转驱动器相联接时，装载部件144退回到图4E所示杆件箱128的下方，并且提升件138降低到图4F所示位置。通过降低提升件138，传送部件137下降并从握杆器184中接过杆件160。最后，传送部件137回到图4G所示的退回位置，并重复下一个循环将下一个杆件(即凹坑130b中的杆件)传递到旋转驱动器124。

III.从旋转驱动器向杆件箱传递杆件的步骤

图5A-5G表示了在拉回步骤中，从钻具组/旋转驱动器向杆件箱128传递杆件160的过程。如图6A所示，杆件160位于旋转驱动器124上，装载部件144和传递部件137被退回，并且提升件138已降下。为开始这个步骤，传递部件137伸展到如图5B所示杆件160正下方并替换握杆器184。然后，提升件138升高并使握杆器184与杆件160接触，如图5C所示。然后杆件脱离钻具组和旋转驱动器124，并且传递部件137退回到图5D所示位置。接着，装载部件144伸展到图5E所示位置使凹坑130b正好位于杆件160下方的中途位置127。然后提升件138下降使杆件160降至凹坑130b，如图5F所示。最后，装载部件144从伸展位置移动到图5G所示退回位置。以上步骤重复进行，将其它杆件装回杆件箱128。

上述说明和举例给出了本发明的制品和其构造的完整叙述。例如，在某些实施例中，第一提升装置可用于竖向提升或降低传送部件，而第二提升装置可用于在杆件箱内提升或降低杆件的位置。在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以制做出本发明的许多实施例，所以本发明附加以下权利要求。

Claims (20)

1.一种水平定向钻机，包括：

一个装载多个细长杆件的仓，所述仓内包括多个装载所述杆件的竖筒，每一个竖筒具有一个独立的底部开口；

一个从仓内卸出或向仓内装载杆件的装载部件，所述装载部件包括多个向上开口的凹坑，该凹坑的尺寸适于接受杆件，所述装载部件可从退回位置到检索位置间移动，在退回位置上所有凹坑位于仓的下方，而在检索位置上至少有一个凹坑横向偏离杆仓；

一个提升装置，其用于通过从装载部件的凹坑向上提升杆件穿过竖筒的底部开口来装载所述仓；

一个旋转驱动头，其用于向地下推进杆件；以及

一个传送机构，其用于在旋转驱动头和装载部件间移动杆件，所述传送机构包括具有握杆器的传送部件，且所述传送机构在操作上与提升装置相联接以通过提升装置相对于装载部件被提升或降低。

2.按照权利要求1所述钻机，其特征在于：所述提升装置包括一个延伸至所述仓的所有竖筒下方的杆件接合部分。

3.按照权利要求2所述钻机，其特征在于：杆件接合部分限定位于每个竖筒下方支撑管子的凹坑。

4.按照权利要求1所述钻机，其特征在于：所述传送部件可在延伸的位置和退回位置之间移动，在延伸位置上，握杆器位于大致与旋转驱动头对准的位置，而在退回位上，握杆器位于靠近所述仓的位置。

5.按照权利要求4所述钻机，其特征在于：所述提升装置使传送机构在被提升的位置和被降低的位置间移动，在被提升的位置上，握杆器位于所述装载部件的所述凹坑上方，而在被降低位置上，所述握杆器位于所述装载部件的所述凹坑的下方。

6.一种水平定向钻机，包括：

一个装载多个细长杆件的仓，所述仓包括多个装载所述杆件的竖筒，每个竖筒具有一个独立的底部开口；

一个提升装置，其用于通过底部开口向所述仓内装载杆件，所述提升装置包括一个杆件支撑结构，该支撑结构具有位于所述仓的所有竖筒下方的部分；

一个旋转驱动器，其用于向地下推进杆件；和

一个传送机构，其包括具有握杆器的传送部件，所述传送机构通过提升装置上升或下降，并且所述传送部件在第一位置和第二位置间相对于提升装置可移动，在第一位置上，握杆器与旋转驱动器大致对准，在第二位置，握杆器处于靠近所述仓的位置。

7.按照权利要求6所述定向钻机，其特征在于：所述传送部件在第一位置和第二位置间延伸和退回。

8.按照权利要求6所述定向钻机，其特征在于：所述握杆器包括尺寸适合接受杆件的凹坑。

9.一种水平定向钻机，包括：

一个装载多个细长杆件的仓，所述仓内包括多个装载杆件的竖筒，每一个竖筒具有一个独立的底部开口；

一个旋转驱动头，其用于向地下推进杆件；

一个传送机构，其用于在所述仓与所述旋转驱动器间移动杆件，所述传送机构包括具有握杆器的传送部件，所述传送部件可在延伸位置和退回位置间移动，在延伸位置上握杆器位于靠近旋转驱动器的位置，而在退回位置上，握杆器位于靠近所述仓的位置；和

一个提升装置，其竖向相对于所述仓提升或降低所述传送机构。

10.按照权利要求9所述水平定向钻机，其特征在于：所述提升装置包括一个杆件支撑结构，该结构具有位于杆仓所有竖筒的下方的部分。

11.按照权利要求10所述水平定向钻机，其特征在于：所述提升装置可同时提升传送部件和所述仓内的杆件。

12.一种用于从仓向定向钻机的旋转驱动器移动杆件的方法，所述仓包括多个具有底部开口的竖筒，所述定向钻机包括通过底部开口向竖筒内提升杆件的提升装置，所述提升装置包括提升件，该提升件具有位于仓内所有竖筒下方的部分，所述方法包括：

在偏离所述仓的位置定位杆件；

在偏离的杆件下方定位握杆器；

提升所述仓内杆件的同时用握杆器提升偏离的杆件；

将提升的杆件和握杆器移至与旋转驱动器大致对准的位置。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于：所述握杆器由凹坑组成。

14.按照权利要求12所述的方法，其特征在于：所述握杆器和仓内的杆件被提升装置提升。

15.一种向仓内装载杆件的方法，所述仓包括多个具有底部开口的竖筒，所述定向钻机包括通过底部开口向竖筒内提升杆件的提升装置，所述提升装置包括在所述仓的所有竖筒的下部延伸的提升部件，所述方法包括：

从钻具组向横向偏离所述仓的中途位置移动杆件，所述杆件被握住所述杆件的传送部件所移动；

向下移动所述传送部件和所述传送部件握住的所述杆件，并同时降低所述仓内的所述杆件；

从中途位置向所述仓内的一个所述竖筒的所述底部开口之一的下方位置输送降低的杆件；和：

用所述提升装置通过所述竖筒的下部开口提升所述杆件。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：所述方法包括一个凹坑。

17.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：所述握杆器和仓内所述杆件都用提升装置提升。

18.一种用于从仓向定向钻机的旋转驱动器移动杆件的方法，所述仓包括多个具有下部开孔的竖筒，所述定向钻机包括通过底部开孔向竖筒内提升杆件的提升装置，所述提升装置包括提升部件，该提升部件具有位于所述仓的所有竖筒的下方的部分，所述方法包括：

在偏离所述仓的中途位置定位杆件；

在中途位置竖向提升杆件；和

横向传输提升的杆件至与旋转驱动器大致对准的位置。

19.按照权利要求18所述的方法，其特征在于：所述杆件被传送部件的握杆器竖向提升，所述传送部件在退回位置和延伸位置间可移动；在退回位置，握杆器位于靠近中途位置；在延伸位置，握杆器位于靠近旋转驱动器。

20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于：还包括杆件与旋转驱动器相连接，在所述杆件与所述旋转驱动器相连接后，相对于所述杆件竖向降低所述传送部件，然后退回所述传送部件。

Images