CN1863981A - 用于在土壤或岩石材料中钻孔的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法和装置，其中通过一个支承在钻杆(4)上的钻头(1)经由冲击和/或旋转运动形成钻孔，并且将一个套管和/或管状外套((15，18)置入到钻孔里面，在此规定，由钻杆(4)引入的冲击能量部分地尤其是中心地通过钻杆(4)传递到钻头(1)上并且部分地通过一个与钻杆(4)共同作用的冲击座(10)传递到套管和/或管状外套(15，18)上，由此能够实现可靠地把挖掘能量或冲击能量引入到钻头(1)和套管和/或管状外套(15，18)上。

Description

用于在土壤或岩石材料中钻孔的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法，其中通过一个支承在钻杆上的钻头经由冲击和/或旋转运动形成钻孔，并且将一个套管和/或管状外套置入到钻孔里面，本发明还涉及一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的装置，其中一个支承在钻杆上的钻头通过冲击和/或旋转运动形成钻孔，并且可将一个套管和/或管状外套置入到钻孔里面。

背景技术

与用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法和装置相关已知不同的实施例。例如已知，一个用于引入冲击能量的钻头直接与一个钻杆耦联，其中例如将一个套管和/或管状外套在张应力下通过钻头引入到钻孔内部中，在背离挖掘面的端部上实现套管和/或管状外套之间的相应耦联。在这个实施例中的缺陷是，用于置入套管和/或管状外套的能量必需通过钻头加入，套管和/或管状外套例如由于局部地顶靠在孔壁上促使产生摩擦阻力。

还已知其它实施例，其中设有一个相应结实构成的套管，它与钻头尤其是在其外圆周上共同作用，其中在这些实施例中放弃了一个用于引入冲击能量的基本上位于中心的钻杆。这个实施例的缺陷尤其是以下事实，为了引入所需的挖掘能量，必需使用一个非常结实的并因此重的套管，它通常用于在一个短距离上钻孔例如钻井。

发明内容

本发明的目的是，从开头所述形式的方法和装置出发，能够实现将挖掘能量或冲击能量可靠地引入到钻头中而且也引入到套管和/或管状外套中。

为了实现这个目的，一种开头所述形式的方法的基本特征是，由钻杆引入的冲击能量部分地尤其是中心地通过钻杆传递到钻头上并且部分地通过一个与钻杆共同作用的冲击座传递到套管和/或管状外套上。通过将能量或冲击能量分开地尤其是中心地通过钻杆传递到钻头上并且部分地通过一个与钻杆共同作用的冲击座传递到套管和/或管状外套上，由此达到在置入钻头时与在钻孔过程期间附加要置入的套管和/或管状外套去耦联。由此能够使要传递到钻头上的挖掘能量或冲击能量仅限制到为钻孔工作所需的程度上，其中按照本发明还可以使为置入套管和/或管状外套所需的作用力与可能出现的在套管和/或管状外套的外圆周与所产生的孔之间的摩擦阻力分开地考虑。通过钻头与套管和/或管状外套的这种去耦联，以便置入套管和/或管状外套，与已知的实施例相比，不必再将用于置入套管和/或管状外套所需的能量由钻杆引入到钻头上并进而加到管状外套上，由此只需将用于挖掘或钻孔所需的能量传递到钻头上。

为了通过一个具有相对较大外径的冲击座有利地引入用于带动或置入套管和/或管状外套到钻孔内部中的能量，按照一个优选的实施例建议，所述冲击能量由钻杆在中间连接一个冲击环的情况下传递到冲击座上。通过一个这样的冲击环可以使能量从居中或中心地设置的钻杆传递到一个具有大直径的冲击座上，该一般钻杆具有一个相对较小的直径，其中该冲击座基本上适配于与其耦联的套管或管状外套的直径地构成。通过设置分开的冲击环，也可以考虑作用于各个部件上的不同的应力。

为了在使用简单且可经济地制造的部件的情况下特别均匀地将能量引入或传递到钻头上和冲击环以及冲击座上，按照另一优选的实施例建议，通过分别与钻杆的纵轴线形成一锐角或具有球拱形状的止挡面或接触面，冲击能量由钻杆传递到冲击座和/或中间连接的冲击环上和钻头上。这种与钻杆纵轴线形成一个锐角或者具有一个尤其是在钻杆与背离挖掘面的钻头端部之间的球拱形状的贴靠面，能够简单且以对应于按规定传递作用力的公差地产生。

为了简单且可靠地排出挖掘下来的材料，按照另一优选的实施例建议，使挖掘下来的材料通过至少一个在钻头挖掘面中的通孔置入到一个在钻杆的外圆周与套管和连接在套管上的管状外套的内圆周之间限定的环形腔中并从钻孔中带出去。由此能够使挖掘下来的材料直接通过所述至少一个在钻头中设置的挖掘孔进入到在钻杆与连接在钻头上的套管和/或管状外套之间的环形腔里面，由此可以从钻头的挖掘面区域可靠且安全地排出挖掘下来的材料。

为了使挖掘下来的材料能够按规定地通过离钻头一定距离设置的冲击环，该材料通过钻头挖掘面上的所述至少一个通孔排出，该冲击环设置用于将冲击能量从基本上居中或中心地设置的钻杆传递到冲击座上，按照一个优选的实施例规定，冲击环构成有一个与钻头挖掘面的至少一个通孔对应的用于输出材料的通孔，并且与钻杆耦联，以便与钻头一起旋转运动。

在完成一个孔以后，一般至少使钻杆离开钻孔，接着继而例如用一种硬化的物质填充钻孔和保留在钻孔中的套管或管状外套。为了在完成钻孔后特别简单且快速地取下至少钻杆，按照本发明的另一优选的实施例建议，所述钻头和必要时冲击环与钻杆通过插塞连接耦联，其中设有尤其是多边形的、彼此互补的插塞连接表面。一个插塞连接的这种多边形的、彼此互补的表面允许可靠地与钻头耦联并且可靠地将作用力传递到钻头上，而一个这样的插塞连接能够容易地通过简单的回拉使钻杆离开钻头。此外通过设置与冲击座分开的冲击环也能够使冲击环在钻杆离开时保留在钻孔里面，由此通过一个具有比钻杆更大的直径的冲击环不必担心，由于可能在钻杆外圆周与套管和/或管状外套内径之间的环形腔中保留的材料在钻杆离开时产生妨碍。

此外，为了实现上述目的，一种开头所述上述形式的装置的基本特征是，所述钻头在其中心区域内可通过钻杆加载，并且该钻杆对一个与套管和/或管状外套共同作用的冲击座加载。如上所述，通过一个这样的实施例达到，均匀地引入要传递到钻头上的冲击能量和/或挖掘能量，由此加速以及支持钻孔进程以及钻孔过程。此外不涉及用于引入冲击能量和用于将冲击能量分布在整个挖掘面上所需的要优选强化构成的钻头局部区域的特殊措施。此外，通过解除钻头与套管和/或管状外套的耦联可以相应简化地构成钻头，因为用于置入套管和/或管状外套所需的作用力不必通过钻头传递到套管或管状外套上，而是使套管和/或管状外套通过与钻杆共同作用的或者由钻杆加载的冲击座置入到钻孔的内部中。

为了在钻杆与冲击座之间的简单的耦合，并且为了按规定将能量引到冲击座上以便带动套管和/或管状外套到钻杆内部，按照一个优选的实施例规定，所述钻杆在中间连接一个冲击环的情况下与冲击座耦联，以便把冲击能量传递到套管和/或管状外套上。

与此相关按照另一优选的实施例建议，所述冲击环与冲击座和钻杆分开地构成。由此可以使按照本发明装置的各个部件相互分开地并因此更简单地制成并且由此还保证，在完成钻孔以后取出钻杆时，如同下面还要详细描述的那样，除了钻头和套管和/或管状外套以外冲击座可以保留在钻孔里面，由此能够使钻杆方便地拉出或取出，而不必担心，通过具有一个用于与冲击座耦联的较大外部尺寸的冲击环，在钻杆离开钻孔时由于可能保留在钻孔中的挖掘下来的材料在钻杆离开产生妨碍。

为了可靠地将连接在钻头上的套管和/或管状外套置入到钻孔内部，按照另一优选的实施例规定，所述冲击座与套管和/或管状外套焊接。通过套管和/或管状外套与冲击座的耦联或焊接保证，用于引入到钻孔中的尤其是在张应力下要传到套管或管状外套上的冲击能量不会像在已知的实施例中那样首先导入到钻头里面，接着通过钻头使套管和/或管状外套拉进钻孔里面，而是解除钻头的掘进运动与钻头的套管和/或管状外套的带动(同步)运动的耦联。

为了可靠地从钻头区域运出挖掘下来的材料，按照另一优选的实施例规定，所述钻头在其挖掘面上具有至少一个通孔，用于将材料置入到一个在钻杆的外圆周与套管和连接在套管上的管状外套的内圆周之间限定的环形腔里面。通过至少一个这样的通孔可以把挖掘下来的材料直接从钻头的挖掘面区域内可靠地置入到在钻杆与套管和/或管状外套之间限定的环形腔里面。

为了能够将挖掘下来的材料按规定地输送通过冲击环的区域，该冲击环作为一个在居中或中心地设置的钻杆与位于外圆周上的冲击座之间的耦联，按照另一优选的实施例规定，所述冲击环具有至少一个与钻头挖掘面的所述通孔对准的通孔。

为了能够尽可能均匀地将挖掘下来的材料通过钻头的整个挖掘面并接着穿过冲击环运出去，按照另一优选的实施例规定，在钻头和冲击环的外圆周区域上相互间分别以基本相同的角间距许多通孔、尤其是相互间分别以120°的角间距设置三个通孔。

为了在钻杆与钻头之间实现一个可靠且简单的耦联，按照另一优选的实施例规定，所述钻头和冲击环通过插塞连接与钻杆耦联，其中该插塞连接具有尤其是多边形的止挡面或贴靠面。这样的具有多边形止挡面或贴靠面的插塞连接能够实现可靠的力传递，尤其是也在考虑要引入到钻头上的旋转运动的情况下，接着在完成钻孔以后通过简单地拉回钻杆使钻杆与钻头和必要时冲击环分开或松开。

为了可靠地传递或导入在中间连接冲击环以及冲击座的情况下要由钻杆置入到钻头以及套管和/或管状外套上的能量，按照另一优选的实施例规定，所述冲击座和必要时冲击环以及钻杆和钻头具有分别与钻杆的纵轴线形成一锐角或具有球拱形状的止挡面，用于把冲击能量由钻杆传递到钻头和冲击座和/或冲击环上。这样的与钻杆纵轴线形成一锐角或具有球拱形状的止挡面可以相应经济且可靠地设计用于待引入的局部较大的作用力。

为了在制造钻孔时能够实现目标准确的钻孔，按照另一优选的实施例规定，在背离挖掘面的端部上一个搭接冲击座的导向管连接到钻头上，该导向管与钻头共同地可相对于冲击座以及与其连接的套管和/或管状外套旋转。这个导向管具有一个相应短的长度，以便使在导向管的外圆周与产生的钻孔之间的摩擦力不过度加大，而套管和/或管状外套如上所述只承受一个张应力并因此仅仅在钻孔的纵向上置入而没有旋转运动。

为了在导向管与冲击座之间实现一个耦联，按照另一优选的实施例规定，所述导向管和冲击座在轴向上例如通过一个弹簧环固定。

附图说明

下面借助于在附图中简示的一个实施例详细描述本发明。附图中：

图1示出按照本发明的用于实施本发明方法的装置的纵向剖视图，

图2示出按照图1的实施例的钻头向箭头II方向看的正视图，其中图1示出按照图2的截切线I-I截取的剖视图，

图3示出按照本发明的装置的一个侧视图。

具体实施方式

在附图中总体上用1表示一个钻头，它以本身已知的方式具有许多硬质合金或硬质材料刀头(Einsatz)2，用于挖掘未详细示出的材料，以形成一个同样未详细示出的钻孔。

如图1所示，所述钻头1在其背离挖掘面3的一侧上与一个钻杆4耦联，其中在图1中仅示出钻杆4的最前面的区段，其中以公知的方式可使钻杆4例如通过用5表示的螺纹连接相应地延长。该钻杆4基本上居中地或中心地在一个插塞连接6区域内直接与钻头1共同作用，其中在图1中还简示出一个在钻杆4中的冲洗通道7，它通到相应的冲洗孔8，冲洗孔设于钻头1的挖掘面3的区域内。

除了钻杆4与钻头1在插塞连接6区域内的中心耦联以外还设定，钻杆4在离插塞连接6一定距离处与一个冲击环9共同作用，该冲击环还进一步与一个冲击座(Schlagschuh)10共同作用。在中间连接冲击环9的情况下，冲击座10将能量传递到一个套管15上。

为了简单且按规定地将冲击能量从钻杆4传递到冲击环9并且接着传递到冲击座10上，设有止挡面或接触面12和13，其中止挡面或接触面12和13分别与钻杆4的纵轴线14具有一个锐角。在钻头1与中心的钻杆4之间的贴靠面11由一个球拱形状构成，以传递所需作用力。

此外由图1可看出，所述冲击座10与套管15通过一个焊接16连接，由此在沿钻孔或挖掘运动的方向17对冲击座10加载时，同时带动套管15以及与套管15耦联的且连接在其上的管状外套18。对于套管15与连接的管状外套18之间的耦联，通过一个环19设置一个耦联。

由图1还可看出，在钻头1背离挖掘面3的端部上连接一个导向管20，它与钻头1固定连接并且至少局部地搭接冲击环10。在图1中用21表示的弹簧环作为冲击环10与导向管20之间的轴向固定件。

尤其如图3所示，所述导向管20与钻头1共同在一个挖掘过程中在箭头22方向上旋转，而套管15和连接在其上的管状外套18仅仅在钻孔运动的方向17上通过冲击座10被带动到钻孔的内部中而没有任何的旋转运动。

为了钻杆4与钻头1之间的特别可靠且精确的耦联，在插塞连接6区域内设有多边形的连接面或贴靠面。

此外规定，所述冲击环9不仅与冲击座10而且与钻杆4都分开地构成，由此在完成钻孔5以后，可以使钻杆4方便地与钻孔方向17相反地离开钻孔并由此离开套管15和连接在其上的管状外套18的内部，在此不必担心，在套管和/或管状外套15和18内部中的材料阻碍钻杆4的离开，因为冲击环9也保留在钻孔里面，即保留在套管15的内部。

为了按规定地排出未详细示出的挖掘下来的材料而规定，所述钻头1在其挖掘面3上具有至少一个且在所示实施例中为三个通孔23，它们分别以一个基本相同的120°角间距彼此间隔地设置。尤其由图2的示意图中可以看出，冲击环9也具有相应的对准的通孔24，由此能够实现一个大的通道截面，用于直接通过钻头1的挖掘面排出材料并且接着排到在钻杆4的外圆周与套管15以及连接在其上的管状外套18的内圆周之间限定的环形腔25中。

考虑以下的事实，即如上所述冲击环9不仅与冲击座10而且与钻杆4都分开地构成，在环形腔25中出现可能粗大的材料时也可以使钻杆4在完成钻孔以后可靠地离开或拉出，因为除了在图1中右边所示的基本上光滑的钻杆4外圆周之外，具有一个更小横截面的被冲击环9包围的局部区域26不会成为在完成钻孔后钻杆4离开的障碍。

Claims (17)

1.一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法，其中通过一个支承在钻杆(4)上的钻头(1)经由冲击和/或旋转运动形成钻孔，并且将一个套管和/或管状外套(15，18)置入到钻孔里面，其特征在于，由钻杆(4)引入的冲击能量部分地尤其是中心地通过钻杆(4)传递到钻头(1)上并且部分地通过一个与钻杆(4)共同作用的冲击座(10)传递到套管和/或管状外套(15，18)上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冲击能量由钻杆(4)在中间连接一个冲击环(9)的情况下传递到冲击座(10)上。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过分别与钻杆(4)的纵轴线(14)形成一锐角或具有球拱形状的止挡面或接触面(12，13)，将冲击能量由钻杆(4)传递到冲击座(10)和/或中间连接的冲击环(9)上和钻头(1)上。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，挖掘下来的材料通过至少一个在钻头(1)的挖掘面中的通孔(23)被置入到一个在钻杆(4)的外圆周与套管(15)和连接在套管上的管状外套(18)的内圆周之间限定的环形腔(25)中并从钻孔中排出。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冲击环(9)构成有一个与钻头(1)的挖掘面的至少一个通孔(23)对应的、用于排出材料的通孔(24)，并且与钻杆(4)耦联，以便与钻头(1)一起旋转运动。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述钻头(1)和必要时冲击环与钻杆(4)通过插塞连接耦联，其中设有尤其是多边形的、彼此互补的插塞连接表面。

7.一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的装置，其中一个支承在钻杆(4)上的钻头(1)通过冲击和/或旋转运动形成钻孔，并且一个套管和/或管状外套(15，18)被置入到钻孔中，其特征在于，所述钻头(1)在其中心区域可通过钻杆(4)加载，并且该钻杆(4)对一个与套管和/或管状外套(15，18)共同作用的冲击座(10)加载。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述钻杆(4)在中间连接一个冲击环(9)的情况下与冲击座(10)耦联，以便将冲击能量传递到套管和/或管状外套(15，18)上。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述冲击环(9)与冲击座(10)和钻杆(4)分开地构成。

10.如权利要求7、8或9所述的装置，其特征在于，所述冲击座(10)与套管(15)和/或管状外套(18)焊接。

11.如权利要求7至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述钻头(1)在其挖掘面(3)上具有至少一个通孔(23)，用于将材料置入到一个在钻杆(4)的外圆周与套管(15)和连接在套管上的管状外套(18)的内圆周之间限定的环形腔(25)中。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述冲击环(9)具有至少一个与钻头(1)的挖掘面的所述通孔(23)对准的通孔(24)。

13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，在钻头(1)的外圆周区域上和冲击环(9)的外圆周区域上相互间分别以基本相同的角间距设置许多通孔(23，24)，尤其是相互间以120°的角间距设置三个通孔。

14.如权利要求7至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述钻头(1)和冲击环(9)通过插塞连接(6)与钻杆(4)耦联，其中该插塞连接(6)具有多边形的止挡面或接触面。

15.如权利要求7至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述冲击座(10)和必要时冲击环(9)以及钻杆(4)和钻头(1)分别具有一个与钻杆(4)的纵轴线(14)形成一锐角或具有球拱形状的止挡面，用于将冲击能量由钻杆(4)传递到钻头(1)和冲击座(10)以及冲击环(9)上。

16.如权利要求7至15中任一项所述的装置，其特征在于，在背离挖掘面(3)的端部上一个搭接冲击座(10)的导向管(20)连接到钻头(1)上，该导向管与钻头(1)共同地可相对于冲击座(10)以及与其连接的套管和/或管状外套(15，18)旋转。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述导向管(20)和冲击座(10)在轴向上例如通过一个弹簧环(21)固定。

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