CN1469964A - 在水平钻孔中使用的钻孔工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于扩大先前钻出的水平钻孔的钻孔工具。该工具具有导向表面，位于钻孔装置前面，用于扩大先前钻出的钻孔；和稳定表面，位于钻孔装置后面，在大钻孔内接合以支撑钻孔装置。导向件和稳定表面可包括筋肋、螺旋型筋肋、环形物或滚轴。在钻孔装置和稳定表面之间可设置泥浆电机。

Description

在水平钻孔中使用的钻孔工具

技术领域

本发明涉及一种在水平钻孔应用中使用的钻孔工具，特别涉及一种稳定性提高的钻孔工具，从而减小作用到钻孔工具切割部件上的侧向载荷。

背景技术

钻孔工具的切割部件或钻头装置的设计能抵抗主要平行于钻孔工具纵向轴线方向的作用力。但是，在水平钻孔时，工具和其他连接在工具上的部件的重量也产生横穿工具纵向轴线的载荷。许多切割部件的设计不能抵抗这种侧向载荷，并导致钻孔不精确。因此，本发明的目的是减小作用到水平钻孔中使用的钻孔工具切割部件上的侧向载荷。

通常，水平钻孔操作包括开始在某一位置形成一个钻孔，该钻孔沿较浅的弧线行进，并在远离入口点的另一个位置出现。一般使用这种水平钻孔技术以在河床、运河或港口下面提供管道。这种管道用于供水、排放污水或电力供应等输送服务。

应当理解，这种水平钻孔还包括钻出孔，这些孔倾斜于水平面。本发明在下述应用中是很有用的，在这些应用中，倾斜角度产生的载荷作用到切割工具上，将可能引起工具损坏。

本发明特别指用于扩大钻孔的设备，该设备利用铰钻作用扩孔。即，将钻孔从先钻出的孔直径扩大为大直径的第二钻孔。

利用第二及后续工序，当钻出基本水平的钻孔后再逐渐将该孔直径扩大，这是一般的做法。

这种已知的水平钻孔工具的缺点是，在第二个扩大的钻孔中，钻孔装置或切割工具支撑钻孔工具。一般而言，使用滚筒锥作为切割工具。轴承组件一般将滚筒锥支持在轴颈或支腿上。通常，滚筒锥的外围稍微突出轴颈或支腿的表面，这使得任一侧向载荷都作用在滚筒锥的外围。

轴承支撑滚筒锥，滚筒锥上的刀片不适于抵抗这些侧向载荷，这导致在相对短的时间后轴承和刀片损坏。并且，侧向载荷导致钻出不圆的孔。这种不稳运动被称为在孔中“走动”，在孔中钻孔工具的中心轴线摆动，导致出现不圆的大型钻孔。钻孔的穿透率下降，切割工具不能高效地工作。

以前已经容忍了这些问题，并且也已接受了由于侧向载荷所导致的现有工具寿命降低。

本发明的目的是提供一种效率提高的装置。

发明内容

在本发明最广泛的形式中，本发明存在于水平钻孔所使用的钻孔工具中，用于扩大先前已钻出的钻孔的直径，该钻孔工具包括：

主体；

钻孔装置，位于所述主体上，用于将先前钻出的钻孔扩大为直径较大的第二钻孔；

导向件，在所述主体前延伸，该导向件位于先前钻出的钻孔内，以便沿着先前钻出的钻孔引导所述钻孔工具；和

至少一个稳定表面，位于所述钻孔装置后面，因此所述稳定表面紧靠所述第二钻孔的孔壁，从而减小作用在钻孔装置上的载荷，所述载荷横穿所述钻孔工具的纵向轴线。

根据本发明，所述钻孔工具使用其直径与先前钻出的钻孔直径相同或略小的导向件。该导向件支撑钻孔工具的前端，保证钻孔工具沿着与先前的钻孔相同的路径行进。

本发明的改进之处在于，提供至少一个位于钻孔装置后面的稳定表面，从而利用导向件和稳定表面将钻孔工具水平支撑在正在钻的钻孔中。由于侧向载荷被支撑在导向件和稳定表面之间，故减小了作用给钻孔装置的侧向载荷，并将钻孔工具基本保持在先前的钻孔的中心线上。这提高了钻孔的效率和速率。

稳定表面可以包括具有多条筋肋的外表面，每条筋肋沿钻孔工具的纵向轴线延伸并围绕钻孔工具的外围间隔排列。或者，稳定表面可包括具有环形物的外表面，该环形物设在钻孔装置的后面，或者可以包括具有多个垫衬的外表面，该垫衬围绕钻孔工具的外围间隔设置并位于钻孔装置的后面。

稳定表面可包括纵向筋肋、一个或多个环形物或垫衬中的一个或多个的组合。

而且，稳定表面可包括多个径向隔开的滚轴，滚轴具有平行于钻孔工具纵向轴线的旋转轴线。

导向件的表面可以是圆柱形，以便进入先前的钻孔中，但还可具有多个围绕导向件外围的纵向筋肋或间隔开的滚轴。另外，在导向件的外表面上可使用螺旋型纵向筋肋，或将该筋肋作为钻孔装置后面的支撑表面。

根据本发明，导向件和稳定表面的组合帮助钻孔工具支承钻孔工具的载荷及其它可与钻孔工具连接的部件施加的载荷。这些部件包括用于旋转钻孔工具的旋转部件，例如泥浆电机，泥浆电机与钻孔工具之间的连接件、接头件，及其它稳定元件。通常，在泥浆电机的外径与钻孔直径间有间隙。在水平钻孔时，电机的重量引起横穿钻孔工具轴线的大量载荷。在压力下向泥浆电机输送流体的钻管也会向钻孔工具施加大量载荷。即使沿着钻孔管使用其它稳定部件支撑泥浆电机，也是这种情况。

本发明的另一方面包括使用上述钻孔工具用于后部铰钻扩孔。在传统钻孔中，当钻孔工具沿着先前的钻孔行进时钻绳的长度逐渐增加。在后部铰扩钻孔的情况下，通过先前的钻孔拖拽钻孔工具，因此，钻孔工具沿先前的钻孔前进时钻杆逐渐脱开连接。

在本发明的这一方面，钻孔工具导向件的末端与一组相连的钻孔管连接。钻孔管向泥浆电机输送压力流体，该压力流体通过钻孔工具内的导管传送，泥浆电机位于钻孔工具的后面。使用泥浆电机来旋转钻孔工具，同时将张力施加给钻孔管的钻绳，以沿着先前的钻孔拖动钻孔工具。

本发明的这一方面具有的优点是，使钻绳受到张力以便进行钻孔，而不像传统钻孔中，在钻绳中使用压缩力。

在本实施例中，导向件和稳定表面仍然支撑钻头上的载荷，从而提高钻孔的精确度。

附图的简要说明

为了更充分理解本发明，现在描述优选实施例。然而，应当认识到，本发明不局限于实施例中的细微特征。

附图中示出实施例，其中：

图1示出水平钻孔操作的横向剖面图；

图2示出根据第一实施例钻孔工具的侧视图；

图3示出图2所示钻孔工具的立体图；

图4示出根据本发明第二实施例钻孔工具的立体图；

图5示出钻孔工具、泥浆电机和螺旋型稳定件的组件；和

图6示出使用滚轴稳定件的钻孔工具与滚轴稳定件的组件。

具体实施方式

图1示出排水沟下的普通水平钻孔过程，其中正在钻用标号10表示的水平钻孔。水平钻孔10从一点开始，并在另一点的表面出来。钻孔10具有弧形路径，使其能通过特定条件，例如图1所示的铁路和河道。如图1所示，钻孔10通常总相对于水平面成一定角度。该角度一般相当小，这导致大量载荷被横向作用在用以形成钻孔10的钻孔设备的纵向轴线上。

从图1中看到，钻孔机11设在钻孔的起点，用于向钻绳施加纵向力以使钻孔工具沿钻孔10前进，并旋转钻绳。

如图1中放大部分更详细所示，已经钻出具有第一直径的第一钻孔9，然后使用钻孔机11在钻孔9外进行钻孔操作，以便操作钻孔机11的钻绳6来使钻孔工具7获得大直径钻孔8。

图2和图3分别示出根据本发明的钻孔工具12的侧视图和立体图。钻孔工具12包括中部主体13，钻孔装置与该主体连接。在该实施例中，钻孔装置包括多个锥形滚轴14。锥形滚轴14是本领域公知的，具有设在每一锥形滚轴表面内的硬化刀片。使用硬化刀片对岩石表面施加压缩冲击载荷，使岩石产生碎片或岩屑。碎片或岩屑的持续产生使钻孔工具12得以前进。

钻孔工具12还包括导向件15，位于钻孔工具12的前端。导向件15位于先前钻出的钻孔16中，钻孔16又被称为导向孔。导向件15用来支持钻孔工具12的前端，还用于确保钻孔工具12沿希望路径行进。

先前钻出的钻孔16被锥形滚轴14扩大成第二直径钻孔17。稳定件表面18在锥形滚轴14之间及其后面，用于将钻孔工具12支撑在先前钻出的钻孔16和大直径第二钻孔17之间。稳定件表面18紧靠第二直径钻孔17的孔壁。

在图2所示的实施例中，稳定件表面18包括多个径向隔开的筋肋20，其中每一筋肋20的外表面包括稳定件表面18。另外，环形物21位于钻孔工具12的后部，并在每一筋肋20的末端。环形物的外表面包括稳定件表面18。

从图2和图3所示的本发明中可以看到，可能施加给钻孔工具12的任何侧向载荷都将被导向件15和稳定件表面18所支承。这会减小施加给位于上述两个部件之间的锥形滚轴14上的侧向载荷。

导向件15包括支撑表面23，该表面或者在筋肋20的伸长部24上形成，或者在沿着导向件15延伸的其它筋肋25上形成。

钻孔工具12具有套管26，套管26具有螺纹连接部27以便使钻孔工具12连接到其它的钻孔设备上，例如泥浆电机或钻绳。钻孔工具12具有中心孔(未示出)，该中心孔穿过螺纹连接部27、套管26、主体13和导向件15。中心孔向导向件15的端部开放，在导向件15端部的孔开口内有凹螺纹耦接合。钻绳(未示出)可从螺纹耦接合延伸到距离钻孔机最远的钻孔末端，并通过钻孔拖出钻孔产物以便进行后部铰钻。

倾斜筋肋19从环形物21延伸到套管26。当撤回钻孔工具12时，筋肋19提供后部铰钻，还帮助钻孔工具12再次进入管状壳体中，该壳体会从其入口点部分地延伸到正被钻的钻孔内。正常情况下，这种壳体在坚固的或加固的地面内终止。正常情况下，钻孔工具再次进入壳体内不是什么问题。然而，如果地面较软或壳体端部的孔被另外扩大，传统的钻孔工具会卡住并防止其进一步的撤回。筋肋19确保将钻孔工具12引导到壳体内，从而不会卡住。在例如稳定件的其它部件中可以使用类似的筋肋。

图4示出本发明的第二实施例。该实施例包括导向件15、主体13和稳定表面18。然而，在这种实施例中，稳定表面18包括纵向筋肋20的外表面和与环形物21连接的垫衬29的外表面。这导致在垫衬29上的表面18与筋肋20上的表面18之间产生间隙。这有助于撤回钻孔工具12，并经过钻孔工具12清除钻孔碎屑，使碎屑不会堆积在钻孔工具12的后部，碎屑堆积可能会引起钻孔工具12堵塞在钻孔内。

图5示出带有泥浆电机30的钻孔工具12的组件。泥浆电机30的直径小于第二钻孔17的直径，因此由钻孔工具12及螺旋型稳定件31支撑，该稳定件的外表面上具有稳定表面33。钻管32从稳定件31延伸到钻孔外部。

泥浆电机悬挂在第二钻孔17内，明显地向钻孔工具12施加大量载荷。然而，由于钻孔工具12被导向件15、钻孔工具12上的稳定表面18及螺旋型稳定件31上的稳定表面支撑，所以有微小的侧向载荷作用在锥形滚轴14上。

图6示出钻孔工具的另一种设置。在这一实施例中，多个滚轴34配置在导向件15上。优选地，滚轴34安装在筋肋20的延伸部24及另外的筋肋25上。

滚轴还可安装在钻孔工具12内，因此滚轴包括稳定件表面18。在这种情况下，滚轴34还将设在筋肋20内。

滚轴34还安装在稳定件31内。图5和图6所示的稳定件31还可设有倾斜筋肋19，当撤回钻孔工具和稳定件31时，倾斜筋肋有助于容易地进入壳体内。

除了纵向筋肋20和另外的筋肋25之外，筋肋20和25可为螺旋形状，以便当钻孔工具12旋转时，确保稳定表面18或支撑表面23一直与第二钻孔17或钻孔16接触。另外，螺旋型凹槽的缠扭可与钻孔工具的旋转结合，沿着导向件15和钻孔工具12将钻孔碎屑向后拖出去。

本发明的另一个方面包括在后部铰钻组件中使用钻孔工具12。在这一实施例中，图2到图4所示的钻孔工具可具有与导向件15前端连接的钻管。泥浆电机可以连接到钻孔工具12的后部，加压的钻孔流体通过钻孔工具12流动以便向泥浆电机提供电能。然后将张力施加给钻管，从而将钻力作用给锥形滚轴14，同时利用泥浆电机使钻孔工具12进行必要的旋转。在这一实施例中，钻管在张力作用下工作，而不是在传统钻孔情形中的压力下工作。张力不会引起钻杆弯曲，而在施加压力的情形下常常会发生钻杆弯曲。因此，可以使用直径更小的钻管，以便撤回相对直径较大的钻孔工具12。

利用这种实施例，首先钻出导向孔。没有撤回钻绳，而是当第一钻孔工具和其它部件露出来时，将它们从钻绳上取下，因此，可以连接后部铰钻钻孔工具12和泥浆电机。然后使用同一钻绳通过导向孔将钻孔工具12拖回来，以产生直径较大的第二钻孔。

从上述说明中会明白，本发明提供了一种改进的钻孔工具，它更好地适用于抵抗在水平钻孔操作中通常会产生的侧向载荷。因此，希望本发明的钻孔工具具有提高的工作寿命，显著提高钻孔工作的效率。

Claims (13)

1.一种在水平钻孔应用中使用的钻孔工具，用于扩大先前钻出的钻孔的直径，所述钻孔工具包括：

主体；

钻孔装置，位于所述主体上，用于将先前钻出的钻孔扩大为直径较大的第二钻孔；

导向件，在所述主体前延伸，该导向件适合位于先前钻出的钻孔内，以便沿着先前钻出的钻孔引导所述钻孔工具的运动；和

至少一个稳定表面，位于所述钻孔装置后面，所述至少一个稳定表面适于紧靠所述第二钻孔的孔壁，借此减小作用在钻孔装置上的载荷，所述载荷横穿所述钻孔工具的纵向轴线。

2.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述导向件的直径与先前钻出的钻孔的直径相同或略小，因此导向件支撑钻孔工具的前端，并确保钻孔工具沿着与先前钻出的钻孔相同的路径行进。

3.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述稳定表面包括多个在其外表面上的筋肋，每一筋肋沿钻孔工具的纵向轴线延伸，并且围绕钻孔工具的外围间隔设置。

4.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述稳定表面包括具有环形物的外表面，该环形物位于钻孔装置的后面。

5.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述稳定表面包括具有多个垫衬的外表面，所述垫衬围绕钻孔工具的外围间隔设置，并位于钻孔装置的后面。

6.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述稳定表面包括纵向筋肋、一个或多个环形物及垫衬中的一个或多个的组合。

7.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述稳定表面包括多个径向隔开的滚轴，所述滚轴具有平行于钻孔工具纵向轴线的旋转轴线。

8.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述导向件的表面为圆柱形，以便配置在先前钻出的钻孔内。

9.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述导向件包括围绕导向件外围设置的纵向筋肋或隔开的滚轴。

10.如权利要求3所述的钻孔工具，其中，所述稳定表面上的纵向筋肋为螺旋型。

11.如权利要求9所述的钻孔工具，其中，所述导向件上的纵向筋肋为螺旋型。

12.如权利要求1所述的钻孔工具，还包括位于钻孔装置和稳定表面之间的泥浆电机。

13.如权利要求1所述的钻孔工具，其中，所述导向件包括用于钻绳的螺纹连接部，从而配置用于后部铰钻的钻孔工具。

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