DE112011101697T5

DE112011101697T5 - Zweirohriges Horizontalbohrsystem

Info

Publication number: DE112011101697T5
Application number: DE112011101697T
Authority: DE
Inventors: Robin W. Carlson; Ryan D. Otis; Michael D. Van Zee; Clint M. Recker; David Wisniewski
Original assignee: Vermeer Manufacturing Co
Current assignee: Vermeer Manufacturing Co
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2013-03-14
Also published as: US9598905B2; CN103069096A; WO2011146490A1; US20130068490A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Bohrantriebseinheit und eine Bohrstrangaufrüst- und -ausgliederungseinheit mit einem Verfahren zur Verwendung mit einer Doppelrohrbohrstrangkonfiguration bereit. Die Bohrantriebseinheit wird an einem einzelnen Wagen angebracht und umfasst eine äußere Antriebsspindel in einer Position, die an dem Wagen befestigt ist, mit einer inneren Antriebsspindel, die dazu ausgestaltet ist, sich unabhängig von der äußeren Antriebsspindel zu drehen, während sie dazu in der Lage ist, sich in Längsrichtung über mindestens 12 Zoll relativ zu der äußeren Antriebsspindel zu bewegen. Das Verfahren beinhaltet ein Verbinden und Trennen von inneren Wellen und äußeren Wellen des Doppelrohrbohrstrangs.

Description

Diese Anmeldung wird am 17. Mai 2011 als internationale PCT-Anmeldung im Namen der Vermeer Manufacturing Company, einem nationalen U.S. Unternehmen, Anmelderin für die Nennung aller Staaten außer den Vereinigten Staaten, und Michael D. Van Zee, Ryan D. Otis, Clint M. Recker, David Wisniewski und Robin W. Carlson, Bürger der Vereinigten Staaten, Anmelder nur für die Benennung der Vereinigten Staaten, eingereicht und beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Patent Application Nr. 61/345 497 , angemeldet am 17. Mai 2010, die hiermit durch Bezugnahme in Gänze aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum gerichteten Bohren zur Verfügung.
Hintergrund
Richtungsbohrmaschine und Verfahren zur Herstellung von unterirdischen Löchern sind bekannt. Eine typische Richtungsbohrmaschine ist allgemein dazu ausgestaltet, eine Reihe von Bohrstangen in den Boden zu bohren, die an ihren jeweiligen Enden miteinander verbunden sind, um einen Bohrstrang zu bilden. Am Ende des Bohrstrangs befindet sich ein sich drehendes Bohrwerkzeug. Typischerweise wird die Rotation des Bohrwerkzeugs durch einen Schmantmotor oder durch axiales Rotieren des Bohrstrangs selbst angetrieben. Verschiedene Techniken und Ausgestaltungen können verwendet werden, um eine Steuerung des Bohrstrangs während des Bohrbetriebs zu ermöglichen. Verbesserungen bei Richtungsbohrmaschinen, Bohrstränge zur Verwendung bei solchen Maschinen und Verfahren zum Richtungsbohren werden benötigt.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Bohrantriebseinheit bereit und ein Verfahren zum Aufrüsten und Auseinandergliedern zur Verwendung mit einer Doppelrohrbohrstrangkonfiguration. Die Bohrantriebseinheit umfasst teleskopierende äußere und innere Antriebswellen, die dazu ausgestaltet sind, unabhängig voneinander zu rotieren. Das Verfahren beinhaltet ein Verbinden und Trennen innerer Wellen und äußerer Wellen des Doppelrohrbohrstrangs.
Kurze Figurenbeschreibung
1A–B sind perspektivische Ansichten einer Ausführungsform einer Bohrmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Seitenansicht einer Bohrstrangantriebsanordnung einer Bohrmaschine ähnlich der Maschine aus 1 mit einer Antriebsanordnung der vorliegenden Erfindung an einem Ende und einem Aufgliederungsmechanismus der vorliegenden Erfindung, mit einem Paar Klemmen, die in einer in Längsrichtung von einer einzelnen unteren Klemme beabstandeten Position eingesetzt sind, am anderen Ende;
3 ist eine Draufsicht der 2;
4 ist eine Draufsicht ähnlich 3 mit einem Ausgliederungsmechanismus der vorliegenden Erfindung, mit einem Paar Klemmen, die in einer zu einer einzigen unteren Klemme benachbarten Position eingestellt sind;
5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 5-5 der 4;
6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 der 3;
7 ist eine Explosionsansicht des Ausgliederungsmechanismus, der in 5 gezeigt ist;
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Antriebseinheit, die in 5 gezeigt ist, wobei der innere Stangenantrieb ausgefahren ist;
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Antriebseinheit ähnlich 8, wobei der innere Stangenantrieb ausgefahren ist;
10 ist eine Explosionsansicht der Bohrstangenantriebseinheit, die in 8 und 9 gezeigt ist;
11 ist ein Teil eines Hydraulikschaltkreises der Bohrstrangantriebsanordnung;
12 ist eine Querschnittsansicht eines Bohrkopfes, der mit den Bohrstrangantrieben der vorliegenden Erfindung verbunden ist;
13 ist ein Querschnitt des Bohrkopfes in einer Explosionsanordnung;
14a–14k illustrieren die Folge von Schritten, um eine Bohrstange mit einem Bohrkopf einer ersten Konfiguration hinzuzufügen;
15a–15j illustrieren die Folge von Schritten, um eine Bohrstange mit einem Bohrkopf einer zweiten Konfiguration hinzuzufügen;
16a–16n illustrieren die Folge von Schritten, um eine Bohrstange mit einem Bohrkopf einer ersten Konfiguration zu entfernen;
17a–17n illustrieren die Folge von Schritten, um eine Bohrstange mit einem Bohrkopf einer zweiten Konfiguration zu entfernen;
18a und 18b illustrieren ein Steuerungssystem;
19 ist eine schematische Zeichnung einer typischen Klemme;
20 ist eine isometrische Zeichnung der Klemmenanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer ersten Ausrichtung; und
21 ist eine isometrische Zeichnung der Klemmenanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer zweiten Ausrichtung.
Detailbeschreibung
1A–B illustrieren ein Beispiel einer Maschine, die verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung umsetzen kann. Dieses illustrierte Beispiel zeigt eine Bohrmaschine, die dazu ausgestaltet ist, primär horizontal an der Oberfläche zu bohren, wobei die Bohrung typischerweise unter einem Winkel von zwischen 10 Grad und 30 Grad, gemessen von der Horizontalen, in den Boden eindringen wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Konfiguration begrenzt und kann auf Bohrmaschinen angewendet werden, die für vertikale Bohrungen ausgestaltet sind, die typischerweise dieselben Maschinengrundelemente enthalten.
Die Grundelemente der Bohrmaschine 10 umfassen ein Chassis 12, das in einigen Ausführungsformen beweglich auf Rädern oder Ketten 13 getragen wird. Das Chassis 12 trägt eine Bohrstrangantriebsanordnung 14 und einen Ausgliederungsmechanismus 20. Die Bohrmaschine 10 umfasst auch eine Bohrstangenladeanordnung 22. In der dargestellten Ausführungsform ist das untere Bohrungsende des Chassis 12 mit einem Ankermechanismus 130 verbunden, der das Chassis auf dem Boden sichert, der als ein Paar Stützen 132, 134 gezeigt ist.
Die Bohrstrangantriebsanordnung 14 ist so ausgestaltet, dass sie den Bohrstrang 24 um eine Bohrachse 15 rotiert und durch längsseitiges Bewegen entlang des Bockes den Bohrstrang 24 schiebt und zieht. Der Bohrstrang 24 wird aus jeder möglichen Anzahl einzelner Bohrstangen 25 zusammengesetzt, die miteinander an ihren jeweiligen Enden verbunden werden. Der Winkel der Bohrstrangantriebsanordnung 14 relativ zu der Bodenoberfläche kann über das Steuern eines Neigungsmechanismus 17 (zum Beispiel eines Hydraulikzylinders) eingestellt werden. Mit anderen Worten kann der Neigungsteuerungsmechanismus 17 dazu verwendet werden, die vertikale Ausrichtung des Bohrstrangs 24 zu steuern, wenn dieser in den Boden eingeführt wird. Die Bohrstangenladeanordnung 24 ist dazu ausgestaltet, Bohrstangen 25 zwischen der Bohrstrangantriebsanordnung 14 und der Bohrstangenspeichereinheit zu transportieren.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Bohrstangenladeanordnung 22 als eine Stangenbox gezeigt, die dazu ausgestaltet ist, die Bohrstangen 25 in mehreren vertikalen Stapeln 23 zu lagern. Ein Paar Ladearme 19, 21 ist an dem unteren Ende der Box angeordnet, um die Bohrstangen 25 aus der Stangenbox während des Einführvorgangs des Bohrstrangs 24 in Flucht mit der Bohrachse 15 zu bewegen (dies wird hierin auch als Stangenhinzufügeprozess bezeichnet) und während des Einholverfahrens des Bohrstrangs 24 aus der Flucht mit der Bohrachse 15 zurück in die Stangenbox (dies wird hierin auch als der Stangenausgliederungsprozess oder Stangenentfernungsprozess bezeichnet).
Noch mit Bezug auf 1A und 1B umfasst die Bohrstrangantriebsanordnung 14 der dargestellten Ausführungsform ferner eine Antriebseinheit 16. Die Bohrstrangantriebseinheit 16 ist dazu ausgestaltet, in Richtung des Ausgliederungsmechanismus 20 angetrieben zu werden, um einen Teil des Bohrstrangs 24 in den Boden zu schieben, und kann von dem Ausgliederungsmechanismus 24 weggefahren werden, um einen Teil des Bohrstrangs 24 aus dem Boden zu ziehen. Während des Schiebens und des Ziehens kann die Bohreinheit 16 den Bohrstrang 24 auch um seine Längsachse rotieren. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Bohrstrangantriebsanordnung 14 einen Wagen 136, der einen Bock 138 auf dem Rahmen 18 kontaktiert. Der Wagen 136 trägt die Antriebseinheit 16 und bewegt die Antriebseinheit 16 in einer axialen Richtung relativ zu dem Rahmen 18. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Wagen 136 zwei Hydraulikmotoren 104, 103, die die Bewegung des Wagens 136 entlang des Bocks 138 antreiben.
Der Ausgliederungsmechanismus 20 ist dazu ausgestaltet, den Bohrstrang 24 an seinem Ort zu halten, während Teile des Bohrstrangs (Bohrstangen 25) hinzugefügt oder entfernt werden. Bei dem Bohrstangenhinzufügeprozess sichert der Ausgliederungsmechanismus 20 das obere Ende des Bohrstrangs 24, während die Bohrstangenladeanordnung 22 die Bohrstange 25, die zu dem Bohrstrang 24 hinzuzufügen ist, in Flucht mit dem oberen Ende des Bohrstrangs 24 und der Antriebseinheit 16 bringt. Für Maschinen ohne Stangenlademechanismen wird die Bohrstange durch ein anderes Verfahren in Flucht gehalten. Wenn das untere Ende der neu hinzugefügten Stange 25 mit dem oberen Ende des Bohrstrangs befestigt wird, löst der Ausgliederungsmechanismus 20 den Bohrstrang 24, was es der Antriebseinheit ermöglicht, zu rotieren und den Bohrstrang 24 weiter in den Boden zu drücken.
Bei dem Bohrstangenentfernungsprozess sichert der Ausgliederungsmechanismus das obere Ende des Bohrstrangs 24, während die zu entfernende Bohrstange von dem Bohrstrang 24 ausgegliedert und durch die Bohrstangenladeanordnung 22 aus der Flucht mit dem Bohrstrang 24 transportiert wird. Für Maschinen ohne Stangenlademechanismen wird die Bohrstange durch ein anderes Verfahren in Flucht gehalten. Wenn die Stange entfernt wurde, bewegt sich die Antriebseinheit 16 nach unten zu dem oberen Ende des Bohrstrangs 24 und wird hiermit verbunden. Der Ausgliederungsmechanismus 20 gibt dann das Ende des Bohrstrangs 24 frei, was es der Antriebseinheit erlaubt, zu rotieren und den Bohrstrang 24 weiter aus dem Boden zu ziehen.
Die vorliegende Offenbarung umfasst Merkmale einer Bohrmaschine, die besonders vorteilhaft für Bohrsysteme sind, wobei der Bohrstrang eine Doppelröhren-, -rohr- oder -stangenkonfiguration ist, wobei es ein äußeres Element und ein inneres Element gibt. Das äußere Element wird manchmal als Gehäuse bezeichnet, aber in dieser Offenbarung wird es als die äußere Stange oder das äußere Rohr bezeichnet, während das innere Element als eine innere Stange oder ein inneres Rohr bezeichnet wird. In diesem Dokument wird das Bohrsystem als ein Doppelstangensystem bezeichnet.
In einigen Fällen umfasst jede einzelne Bohrstange, bevor sie mit dem Bohrstrang verbunden wird, eine innere Stange und eine äußere Stange. Alternative Maschinen werden ausgestaltet, um die äußeren Stangen und inneren Stangen separat zu manipulieren. Die Elemente der vorliegenden Erfindung und Verfahren der Benutzung dieser Komponenten werden im Zusammenhang mit einer Maschine beschrieben, die dazu ausgestaltet ist, die Stangen als eine Anordnung einer äußeren Stange und einer inneren Stange zu manipulieren, aber viele der Merkmale können bei Maschinen verwendet werden, die dazu ausgestaltet sind, die inneren Stangen und äußeren Stangen separat zu manipulieren.
Allgemein in Bezug auf die 2–7 wird eine Ausführungsform der Bohrmaschine 10 gezeigt. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst das Bohrstangenantriebssystem 1000 eine untere Klemmenanordnung 1400 (hierin auch als Ausgliederungsmechanismus bezeichnet), einen Bock 1600 und eine Bohrstangenantriebseinheit 1800.
Die untere Klemmenanordnung 1400 enthält eine untere Klemme 2400, eine mittlere Klemme 2600 und eine obere Klemme 2800. In der abgebildeten Ausführungsform umfassen die mittlere und obere Klemmenanordnung der vorliegenden Ausführungsform Klemmen, die sowohl dazu ausgestaltet sind, zu klemmen und zu lösen, als auch sich in Längsrichtung entlang des Bocks 1600 zu bewegen, wie durch einen Vergleich der 3 und 6, wobei die Klemmen 2600 und 2800 in einer Position angeordnet sind, die von der unteren Klemme 2400 getrennt ist, mit 4 und 7, wobei die Klemmen 2600 und 2800 in eine andere Position, benachbart zu der unteren Klemme 2400 bewegt sind, illustriert ist.
Mit Bezug auf 19, werden die Klemmmechanismen, die in diesen Darstellungen abgebildet sind, mit Klemmarmen ausgestaltet, die durch Klemmzylinder betätigt werden, um Klemmformen in Eingriff mit den Bohrstangen zu drängen. Es gibt viele alternative Gestaltungen für Klemmen, die ähnliche Funktionen ausführen, unter anderem Anordnungen, wo ein Paar Klemmzylinder auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bohrstange positioniert sind, um Klemmformen linear in Eingriff mit einer Bohrstange zu bewegen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht als in irgendeiner Weise auf die Verwendung mit nur dem hierin gezeigten Typ von Klemmen beschränkt zu verstehen.
In 20 und 21 ist die Klemmanordnung der vorliegenden Offenbarung detaillierter abgebildet. Die Klemmanordnung enthält, wie oben diskutiert wurde, eine untere Klemme 2400, eine mittlere Klemme 2600 und eine obere Klemme 2800. Die mittlere Klemme 2600 kann relativ zu den anderen Klemmen rotiert werden. Das Verfahren zum Betreiben der vorliegenden Erfindung, das später detaillierter in diesem Dokument beschrieben werden wird, hat Möglichkeiten, die für verschiedene Maschinentypen nützlich sind. Die Arbeitsschritte werden detaillierter im Zusammenhang mit der Verwendung mit der hierin beschriebenen Stangenantriebseinheit beschrieben, aber die Anwendung dieser Klemmenanordnung ist nicht als auf die Verwendung mit diesem Bohrstangenantriebsmechanismus begrenzt zu verstehen.
Die Bohrstangenantriebseinheit 1800 der vorliegenden Erfindung enthält einen Wagen 3000, der auf dem Bock 1600 fährt, der sowohl eine innere Stangenantriebsanordnung 3200 mit einer inneren Stangenantriebsspindel zum Rotieren innerer Stangen eines Doppelstangenbohrstrangs, als auch eine äußere Stangenantriebsanordnung 3400 mit einer äußeren Stangenantriebsspindel zum Rotieren äußerer Stangen eines Doppelstangenbohrstrangs umfasst. Die Stangenantriebseinheit 1800 umfasst ferner eine Kompensatoranordnung 3600 zum Verlängern der inneren Stangenantriebsspindel in Bezug auf die äußere Stangenantriebsspindel über einen Abstand, der dazu geeignet ist, einen korrekten Betrieb des Gesamtsystems sicherzustellen, wie weiter unten detaillierter erklärt werden wird.
Die Bohrstangenantriebseinheit 1800 der vorliegenden Erfindung ist detaillierter in 5, 8 und 9 illustriert, wobei eine innere Antriebsanordnung 3200 dazu ausgestaltet ist, ein Drehmoment bereitzustellen, um eine innere Stange rotierend anzutreiben, eine äußere Antriebsanordnung 3400, die dazu ausgestaltet ist ein Drehmoment an eine äußere Stangenantriebsspindel 506 anzulegen, die dazu ausgestaltet ist, eine äußere Stange rotierend anzutreiben, und einen Wagen 3000, der dazu ausgestaltet ist, beide in Längsrichtung anzutreiben.
Die Antriebseinheit 1800 enthält ein äußeres Stangentriebsgetriebe 500, das zwei hydraulische Motoren 518 und 520 trägt, eine äußere Stangenantriebswelle 504, eine Kopfwelle 502 und einen Satz Zahnräder 505 und 503. Diese Komponenten sind dazu ausgestaltet, ein Drehmoment an die äußere Stangenantriebsspindel 506 durch eine Anordnung anzulegen, welche die Kopfwelle 502 umfasst, die mit einem Adapter 504 verbunden ist, und die äußere Stangenantriebsspindel 506 umfasst, die dazu ausgestaltet ist, auf das Ende eines äußeren Elements einer Bohrstange eines Bohrstrangs aufgeschraubt zu werden.
Die Bohrstangenantriebseinheit 1800 enthält ferner ein inneres Stangenantriebsgetriebe 516, das einen hydraulischen Motor 515 trägt, der in 10 gezeigt ist. Querschnittsansichten 5, 8 und 9 illustrieren ein Zahnrad 517, das mit einem Zahnrad 519 in Eingriff steht, das durch den Motor 515 angetrieben wird, um ein Drehmoment an das Zahnrad 517 anzulegen, das mit einer hohlen Zahnwelle 501 gekoppelt ist, die in einer Längsrichtung relativ zu der äußeren Bohrstangenantriebsanordnung 3400 gleiten kann. Die hohle Zahnwelle 501 (hierin auch als Ausgleichswelle bezeichnet) ist mit einem hohlen inneren Zahnadapter 512 verbunden. Der innere Stangenadapter 512 enthält eine innere Stangenantriebsspindel 514 an seinem distalen Ende, die dazu ausgestaltet ist, auf das Ende einer inneren Stange einer Bohrstange eines Bohrstrangs aufgeschraubt zu werden. In der abgebildeten Ausführungsform wird die Rotation der Zahnwelle 501 durch ein inneres Stangenantriebsgetriebe 516 angetrieben. In der abgebildeten Ausführungsform wird die hohle Zahnwelle 501 teilweise innerhalb der Kopfwelle 502, die dazu ausgestaltet ist, zu rotieren, und in einer Kolbenröhre 524 aufgenommen. Bohrschmant wird dem rückseitigen Raum 530 der Kolbenröhre 524 zugeführt und durch die Zahnwelle 501 mit mittiger Ausnehmung und den inneren Stangenadapter 512 zu dem Bohrstrang befördert. Zusätzlich kann der Schmant aus einer Öffnung 528 des inneren Stangenadapters 512 in einen Raum 526 zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Stangenadapters 512 und der inneren Oberfläche der Kopfwelle 502 fließen.
In der abgebildeten Ausführungsform beinhaltet der Raum 534 zwischen der äußeren Oberfläche der Zahnwelle 501 und der inneren Oberfläche der Kolbenröhre 524 und der Raum 535 zwischen der äußeren Oberfläche der Zahnwelle 501 und der inneren Oberfläche der Kopfwelle 502 Schmieröl. Das Schmieröl schmiert die Verbindung zwischen der Zahnwelle 501 und dem Getriebe 516. Eine erste Dicht- und Lageranordnung 536 ist an dem proximalen Ende 538 der Zahnwelle 501 vorgesehen. Die erste Dicht- und Lageranordnung 536 ist dazu ausgestaltet, Schmant daran zu hindern, in den Raum 530 einzudringen und das Schmieröl darin zu verunreinigen. Die erste Dicht- und Lageranordnung 536 ist dazu ausgestaltet, es der Zahnwelle 501 zu ermöglichen, relativ zu der Kolbenröhre 524 zu rotieren. Eine zweite Dicht- und Lageranordnung 540 ist an dem distalen Ende der der Zahnwelle 501 vorgesehen. Die zweite Dicht- und Lageranordnung 540 ist dazu ausgestaltet, Schmant daran zu hindern, in den Raum 535 einzudringen und das Schmieröl darin zu verunreinigen. Die zweite Dicht- und Lageranordnung 540 ist dazu ausgestaltet, es der Zahnwelle 501 zu ermöglichen, relativ zu der Kopfwelle 502 zu rotieren. Die seitliche Position der Zahnwelle 501 (das Maß, zu dem die Zahnwelle 501 ausgefahren ist) kann durch ein Vergrößern (oder Verkleinern) des Ölvolumens innerhalb der Räume 534, 535 gesteuert werden. In der abgebildeten Ausführungsform wird die Zahnwelle 501 durch ein Vergrößern des Ölvolumens mit gewünschtem Druck ausgefahren und durch mechanischen Eingriff mit den Bohrstangen des Bohrstrangs zurückgefahren. In der abgebildeten Ausführungsform sind die Räume 534 und 535 in Fluidverbindung miteinander; daher sind die Hydraulikdrücke in beiden Räumen dieselben.
Mit Bezug auf 11 ist ein Teil des Hydraulikschaltkreises für die Kompensationsanordnung 3600 gezeigt. Der Hydraulikschaltkreis ist dazu ausgestaltet, eine Verunreinigung des Hydrauliksystems zu verhindern, die sich ergeben würde, wenn Schmant in den Räumen 530 oder 526 über die erste oder zweite Dicht- und Lageranordnung 536, 540 in die Räume 526 oder 535 übertreten würde. Um diese Verunreinigung zu verhindern. Wird das System so ausgestaltet, dass der Öldruck etwas größer ist als der Schmantdruck. Beim Betrieb kann der Druck in dem Schmant sehr unvorhersehbar und schnell wechseln. Das vorliegende System ermöglicht eine Ausgestaltung, die den Hydraulikdruck in den Räumen 534 und 535 auf einem Niveau hält, das größer als der Schmantdruck ist, selbst wenn der Schmantdruck abrupte Spitzen aufweist.
In der abgebildeten Ausführungsform ist das Verunreinigungsschutzsystem passiv, insofern es nicht auf einem aktiven Steuerungssystem beruht (zum Beispiel Messen des Drucks in dem Schmant und Steuern von Ventilen oder Pumpen, um eine bestimmte Druckdifferenz aufrecht zu erhalten). In der abgebildeten Ausführungsform ist das System unmittelbar, insofern ein Anstieg des Schmantdruckes einen unmittelbaren Anstieg des Hydraulikfluiddrucks bewirkt. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst eine Druckverstärkungsanordnung 544 eine erste Leitung 546 in Fluidverbindung mit der Raum 526, der Schmant enthält, und eine zweite Leitung 548 in Fluidverbindung mit dem Raum 534/535, der Hydraulikfluid enthält. In der abgebildeten Ausführungsform ist die zweite Leitung 548 in Fluidverbindung mit einem Steuerungsventil 549 und einer Pumpe 547, die verwendet wird, um das Volumen des Öls in dem Raum 534/535 zu erhöhen oder zu reduzieren, um die innere Antriebsanordnung 3200 relativ zu der äußeren Antriebsanordnung während des Prozesses des Aufbauens eines Bohrstrangs oder Ausgliedern eines Bohrstrangs auszufahren oder zurückzuziehen. In der abgebildeten Ausführungsform ist die passive Druckverstärkungsanordnung 544 dazu ausgestaltet, unabhängig davon zu funktionieren, ob diese aktive Fluidsteuerungskomponente ausgeschaltet ist, wie während eines typischen Bohrgangs (zum Beispiel Schieben und Rotieren der Bohrstange), oder eingeschaltet ist, wie wenn die innere Stangenantriebsanordnung 3200 während des Aufrüstens oder Ausgliederns eines Bohrstrangs ausgefahren oder zurückgezogen wird.
Die erste Leitung 546 wird auf einen ersten Abschnitt 550 einer Zylinderanordnung 522 mit einer Kolbenoberfläche einer ersten Fläche gerichtet und die zweite Leitung 548 wird auf einen zweiten Abschnitt 554 der Zylinderanordnung 522 einer zweiten Fläche gerichtet. Die erste Leitung 546 ist auch in Fluidverbindung mit einer Schmantpumpe, die Schmant zu dem Bohrstrang über Räume 530 und 526 zuführt. Die erste Fläche 550 ist größer als die zweite Fläche 554, was in einem größeren Druck in dem zweiten Abschnitt 554 resultiert, als in dem ersten Abschnitt 550. Das Verhältnis der ersten Fläche zu der zweiten Fläche des Kolbens ist proportional zur Druckdifferenz zwischen den zwei Abschnitten der Zylinderanordnung 522. Folglich wird ein Druckanstieg (eine Spitze) in dem Schmant in Räumen 530 und 526 zu einem entsprechenden Hydraulikdruckanstieg (Spitze) in dem Raum 534/535 führen. Beispielhafte Kolbengrößen werden in 11 angegeben.
Als eine Folge der Ausgestaltung der Bohrstangenantriebseinheit 1800, die oben beschrieben wurde, kann der innere Stangenantrieb 514 sich in Längsrichtung bewegen, während der äußere Stangenantrieb 506 in einer festen Position relativ zu dem Wagen 3000 sein kann. Der Abstand, über den sich der innere Stangenantrieb 514 bewegen kann, wird durch die Länge der hohlen Zahnwelle 501 und der Kopfwelle 502 bestimmt und ist damit eine Gestaltungsfreiheit. Mit dieser Ausgestaltung kann dieser Abstand bequem mehr als zwölf Zoll betragen. Die illustrierte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine kompakte Anordnung, wobei dieser Abstand auf etwa 24 Zoll eingestellt wird. In anderen Ausführungsformen, durch Modifikation dieser Komponenten, wäre es möglich, diesen Abstand auf ein Minimum von vier Zoll oder alles oberhalb von vier Zoll (zum Beispiel zwölf Zoll) einzustellen.
Wie in 2 illustriert ist, wird die Bohrstangenantriebseinheit auf dem Wagen 3000 angebracht, der dazu ausgestaltet ist, entlang des Bocks 1600 bewegt zu werden. Es sollte verstanden werden, dass es mehrere alternative Möglichkeiten gibt, den Wagen entlang eines Bocks zu bewegen. Das illustrierte System umfasst Hydraulikmotoren 104, die Zahnräder antreiben, die mit einer Zahnstange 3002 in Eingriff stehen. Eine Rotation der Zahnräder bewirkt, dass sich der Wagen entlang des Bocks in einer Richtung bewegt, um die Bohrstange in Längsrichtung zu bewegen, während die äußere Antriebsanordnung 3400 dazu in der Lage ist, die äußere Stangenantriebsspindel 506 unabhängig zu rotieren, und die innere Stangenantriebsanordnung 3200 dazu in der Lage ist, die innere Stangenantriebsspindel 514 unabhängig zu rotieren. Zusätzlich, wie in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben wurde, ermöglicht die Antriebsanordnung ein Verfahren zum Steuern einer relativen Längsposition und Bewegen der äußeren Stangenantriebsspindel 506, verglichen mit der inneren Stangenantriebsspindel 514. Die Wagenanordnung ist zusätzlich dazu ausgestaltet, ein kleines Maß an Relativbewegung zwischen dem Wagen und der äußeren Antriebsanordnung zu ermöglichen. Die illustrierte Ausführungsform enthält Gleitstangen, die eine Bewegungsfreiheit ermöglichen, sodass die äußere Antriebsanordnung und die innere Antriebsanordnung sich in Längsrichtung während der Schrauboperation bewegen können, wobei eine Bewegung des gesamten Wagens nicht erforderlich ist. Mit dieser beschriebenen Fähigkeit ist der Antriebsmechanismus dazu ausgestaltet, mit einem Doppelstangenbohrstrang verbunden zu werden, der mit dem Kopf 160 verbunden ist, der in 12 und 13 illustriert ist, wie detaillierter weiter unten beschrieben wird.
Der Bohrkopf 160 der 12 und 13 ist ähnlich dem Bohrkopf, der als Element 112 in 1 illustriert ist, inklusive einer Schneidestruktur 162, die als Tri-Konus Walzenbohrspitze illustriert ist. Die Bohrspitze 162 ist mit einem Bohrspitzenadapter 162 verbunden, der durch Lager 166 innerhalb eines Gehäuses 172 gehalten wird. Das Gehäuse 172 enthält einen abseits gelegenen gebogenen Abschnitt, wobei die Achse 178 der Lageranbringungsbohrung 174 winkelmäßig abseits von der Hauptseite des Körpers 176 liegt, in einer Ausgestaltung, die als abgewinkelte Welle bekannt ist. Der Bohrspitzenadapter ist auch mit einem Transmissionselement 168 verbunden, das ein Drehmoment von der inneren Antriebswelle 170 zu dem Bohrspitzenadapter 164 überträgt. Mit dieser Ausgestaltung wird die Bohrspitze durch den Hauptkörper positioniert, während sie durch die innere Antriebswelle rotiert wird.
Der Bohrkopf enthält ferner eine Kavität 179, die dazu ausgestaltet ist, eine Elektrodensonde zu tragen, die eine Komponente ist, die Informationen über die Position und Ausrichtung des Gehäuses 172 zur Oberfläche kommunizieren kann. Das Gehäuse 172 ist dazu ausgestaltet, mit einem Adapter 190 verbunden zu werden. Die illustrierte Ausführungsform enthält das Gehäuse mit einem Gewindeende 180, das dazu ausgestaltet ist, in ein Gewindeende 192 des Adapters zu passen. Das gegenüberliegende Ende des Adapters 190 ist dazu ausgestaltet, mit der äußeren Stange 28 verbunden zu werden. Die illustrierte Ausführungsform umfasst den Adapter mit einem männlichen Gewindeende 194, das herkömmlich als ein Stift bekannt ist, wobei die äußere Stange 28 ein weibliches Gewindeende aufweist, das als eine Box bekannt ist. Der Adapter könnte mit einer Box an einem Ende 194 ausgestaltet sein, wobei die Bohrstange 28 einen Stift auf dem passenden Ende benötigen würde. Die gegenüberliegende Seite der Stange 28 ist dazu ausgestaltet, mit einer äußeren Antriebsspindel 506 verbunden zu werden. Das illustrierte Beispiel zeigt das untere Lochende der äußeren Stange mit einer Box und das obere Lochende der äußeren Stange mit einem Stift, wobei die äußere Stangenantriebsspindel eine Box aufweist. Es sollte bemerkt werden, dass die Box/Stiftanordnung umgekehrt werden kann. Die Antriebsspindel kann alternativ ein Stift sein, wobei alle folgenden Verbindungen ebenfalls umgekehrt werden. Mit jeder Ausgestaltung ist das Gehäuse 172 des Bohrkopfes 160 unmittelbar mit der äußeren Antriebsspindel 506 verbunden. Als eine Folge wird die Ausrichtung der abgewinkelten Welle, die Teil des Gehäuses 172 ist, durch das Rotieren der äußeren Stangenantriebsspindel 506 gesteuert. Diese Fähigkeit wird verwendet, um die Richtung des Fortschritts der Bohrung zu steuern. Die Kraft, die dazu erforderlich ist, um die Bohrspitze zu bewegen, die häufig als Gewicht auf der Bohrspitze bezeichnet wird, kann durch die äußere Bohrstange, durch Lager 166 auf den Bohrspitzenadapter 164 übertragen werden. Auf diese Weise ist die äußere Stange dazu in der Lage, die Position des Bohrkopfes, sowohl hinsichtlich seiner Rotationsposition als auch seiner Längsposition zu steuern.
Die Rotation der Bohrspitze 162 wird durch die innere Stange ermöglicht, wobei ein Drehmoment durch die Übersetzung 168 übertragen wird, die an einem Ende mit dem Bohrspitzenadapter und an dem gegenüberliegenden Ende mit der inneren Antriebswelle 170 des Bohrkopfes verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende der inneren Antriebswelle 182 ist dazu ausgestaltet, mit dem inneren Antriebselement 196 des Adapters 190 verbunden zu werden. Eine Verbindung zwischen der inneren Antriebswelle 170 des Bohrkopfes und dem Adapter 190 tritt auf, wenn das Ende 182 mit dem Ende 198 gekoppelt wird. Diese Verbindung kann auf zumindest zwei optionale Wege ausgestaltet werden, umfassend: eine feste Verbindung, so dass beide Enden für eine passende Verbindung mit einem Gewinde versehen sind, oder eine nicht feste Verbindung, wo die Enden in einem gleitenden Eingriff sind, so dass das Ende 182 ein sechseckiges Außenprofil und das Ende 198 eine Öffnung mit einem sechseckigen Innenprofil hat, sodass die Verbindung ein Drehmoment übertragen würde, aber keine Längskräfte übertragen würde. Diese zwei optionalen Ausgestaltungen betreffen die Ausgestaltung der weiteren Komponenten der Maschine, wie später detaillierter beschrieben wird.
In jeder Ausgestaltung ist das gegenüberliegende Ende 200 des inneren Antriebselements 196 dazu ausgestaltet, in einer Gewindeverbindung mit einer inneren Stange zu stehen. Die illustrierte Ausgestaltung umfasst das Ende 200, das als ein Stiftende ausgestaltet ist, wobei das passende Ende der inneren Stange 26 als ein Boxende ausgestaltet ist. Wie oben in der Erklärung der äußeren Stange beschrieben wurde, kann diese Stift-/Boxanordnung ausgetauscht werden und jede Anordnung kann funktionieren. Wenn alle Verbindungen hergestellt wurden, wird der innere Stangenantrieb 516 verbunden werden, um eine Rotationskraft auf die Bohrspitze zu übertragen. Der Effekt der Längsbewegung des inneren Stangenantriebs 514 in Bezug auf den äußeren Stangenantrieb 506 wird durch die Gestaltungswahl der Verbindung zwischen den Enden 182 und 198 beeinträchtigt. Wenn diese Verbindung fest ist, kann, wenn alle Stangenverbindungen hergestellt sind, keine Relativbewegung zwischen dem inneren Stangenantrieb 516 und dem äußeren Stangenantrieb 506 bestehen, und die relative Position dieser zwei Antriebe wird durch die kumulierte Länge der inneren Stangen und der äußeren Stangen beeinflusst. Da sowohl die inneren Stangen als auch die äußeren Stangen eine gewissen inhärente Längenvariation aufweisen, muss die Relativposition des inneren Stangenantriebs 514 und des äußeren Stangenantriebs 506 einstellbar sein, um den Unterschied der Länge des inneren Bohrstrangs verglichen mit dem äußeren Bohrstrang zu kompensieren. Diese Differenz kann signifikant sein, beispielsweise bei einem 500 Fuß Bohrstrang, der aus 10 Fuß langen Bohrstangen zusammengesetzt wird, und mit einer potentiellen Längendifferenz von ¼ Zoll pro Bohrstange kann die Längendifferenz zwischen dem inneren und äußeren Bohrstrang mehr als 10 Zoll betragen. Die Fähigkeit, diese Längendifferenz zu kompensieren, wird durch die Bohrstangenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, wie zuvor beschrieben wurde.
Zusätzlich zur Bereitstellung einer Kompensation für eine Anhäufung von Längendifferenzen ist die Fähigkeit der Bohrstangenantriebseinheit, es dem inneren Stangenantrieb zu ermöglichen, sich relativ zu dem äußeren Stangenantriebs zu bewegen, wie bei der vorliegenden Erfindung, auch erforderlich, um die Klemmen in die Lage zu versetzen, die innere Bohrstange während der Aufrüst- und Ausgliederungsfunktionen zu ergreifen. Um die Flexibilität des Bohrsystems hervorzuheben, werden vier verschiedene Kombinationen illustriert:

a) 14a bis 14k illustrieren eine Folge von Bewegungen der Klemmanordnung der vorliegenden Erfindung, koordiniert mit Bewegungen der inneren und äußeren Stangenantriebe zum Hinzufügen einer Bohrstange in einer Aufrüstfolge, wobei die innere Stange fest mit der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes verbunden ist;
b) 15a bis 15j illustrieren eine Folge von Bewegungen der Klemmanordnung der vorliegenden Erfindung, koordiniert mit Bewegungen der inneren und äußeren Stangenantriebe zum Hinzufügen einer Bohrstange in einer Aufrüstfolge, wobei die innere Stange nicht fest mit der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes verbunden ist.
c) 16a bis 16n illustrieren eine Folge von Bewegungen der Klemmanordnung der vorliegenden Erfindung, koordiniert mit Bewegungen der inneren und äußeren Stangenantriebe, um eine Bohrstange in einer Ausgliederungsfolge zu entfernen, wobei die innere Stange fest mit der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes verbunden ist;
d) 17a bis 17n illustrieren eine Folge von Bewegungen der Klemmanordnung der vorliegenden Erfindung, koordiniert mit Bewegungen der inneren und äußeren Stangenantriebe zum Entfernen einer Bohrstange in einer Ausgliederungsfolge, wobei die innere Stange nicht fest mit der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes verbunden ist.

Die in 14a–14k illustrierte Folge beginnt mit den Stangenantrieben 514 und 506, die mit einem ersten Bohrstrangelement verbunden und an dem Ende des Verfahrwegs entlang des Bocks positioniert sind. 14a illustriert die Antriebe, die mit einem Bohrstrang verbunden sind, der nur den Adapter 190 und den Bohrkopf 160 umfasst. In dieser Position werden die Antriebe häufiger mit der Bohrstange 25 verbunden, aber die Funktion der Klemmen und des Antriebs ist in jedem Fall dieselbe. Der Prozess beginnt, wenn die Verbindung zwischen der äußeren Antriebsspindel und dem Bohrstrang neben der unteren Klemme 2400 angeordnet ist, wie in 14a illustriert ist. In dieser Position, wird die untere Klemme auf die äußere Stange des Bohrstrangs geklemmt, wie in 14b illustriert ist, umfasst der Bohrstrang nur den Adapter und den Bohrkopf. Die korrekte Positionierung des äußeren Stangenantriebs um diesen ersten Schritt des Klemmens zu initialisieren kann entweder manuell durchgeführt werden, wenn ein Benutzer den Prozess beobachtet und die Steuerungen unmittelbar benutzt, oder automatisch, wenn ein Steuerungssystem dazu ausgestaltet ist, Signale von Positionssensoren zu überwachen und Steuerungssignale für die Maschinensysteme einzustellen, um den Schritt unabhängig von einer Benutzereingabe zu steuern. Nachdem der Bohrstrang durch die untere Klemme 2400 geklemmt wurde, wird der äußere Stangenantriebe 506 rotiert und zurückgezogen, wie in 14b gezeigt ist, um die innere Stange freizulegen, und in eine Position, wo die äußere Stange geschmiert werden kann. Die mittlere Klemme 2600 und die obere Klemme 2800 werden dann repositioniert, um in Flucht mit der Verbindung in der inneren Stange zu sein. Ein System, das eine Fähigkeit des Positionierens der Klemme bereitstellt, ist der geeignete Ort, um die obigen Schritte auszuführen, wie in 18a und 18b illustriert ist.
18a illustriert Elemente des Systems inklusive der vorderen Klemme 2400, die an dem Bock 1600 befestigt ist. Die Klemmen 2600 und 2800 sind an einem Klemmenwagen 2200 angebracht, der sich relativ zu dem Bock bewegen kann. Ein Zylinder 2210 wird verwendet, um den Klemmenwagen zu positionieren, und umfasst einen Geber, der mit einer Steuerung 2220 verbunden ist, um die Position der Klemmen 2600 und 2800 zu überwachen. Die Steuerung 2220 ist mit dem System, das ein Ausfahren und Zurückziehen des Zylinders 2210 steuert, wirkverbunden, was ein Hydrauliksystem enthalten kann, wenn der Zylinder in der Form eines Hydraulikzylinders vorliegt, oder ein elektrisches System, wenn der Zylinder in der Form eines elektrischen Linearaktuators vorliegt.
Das System enthält auch die Bohrstangenantriebseinheit 1800, die auf dem Wagen 3000 gehalten wird, wobei das äußere Stangenantriebsgetriebe 500 auf einem Getriebewagen 3010 gehalten wird. Die Position des Wagens 3000 entlang des Bocks 1600 wird durch einen Drehgeber gemessen, der mit der Steuerung 2220 wirkverbunden ist, um die Rotation des Zahnrads zu überwachen und ständig die Position des Wagens zu berechnen. Wie zuvor bemerkt wurde, gibt es viele Möglichkeiten, einen Wagen entlang eines Bocks anzutreiben, wobei das Zahnradgetriebe und die Zahnstange ein beispielhafter Weg sind. Die Verwendung eines Drehgebers ist ebenso eine Option von mehreren alternativen Verfahren zum Überwachen der Position des Wagens. Das Kernmerkmal ist, dass der Geber ein Signal erzeugt, dass die Steuerung 2220 überwachen wird, um die Wagenposition zu bestimmen. Obwohl nicht gezeigt, erzeugt die Steuerung Steuerungssignale für das System, das die Bewegung des Wagens steuert.
Um das Verfahren des Herstellens und Auseinandernehmens der Stangen zuverlässig zu steuern, muss das Steuerungssystem dazu geeignet sein, die Position des äußeren Stangenantriebs und des inneren Stangenantriebs zu bestimmen. Da der innere Stangenantrieb sich relativ zu dem äußeren Stangenantrieb bewegen kann, enthält eine erste Ausführungsform des Steuerungssystems einen Geber 3030, der ein Signal bereitstellt, das die Steuerung 2220 verwenden kann, um diese relative Position zu bestimmen. Da der äußere Stangenantrieb sich über eine Bewegung des Getriebewagens 3010 relativ zu dem Wagen 3000 relativ zu dem Wagen bewegen kann, umfasst das System ebenfalls einen Geber 3020, der ein Signal bereitstellt, das die Steuerung 2220 dazu verwenden kann, diese relative Position zu bestimmen. Mit den Informationen, die durch diese verschiedenen Geber bereitgestellt werden, ist die Steuerung 2220 dazu in der Lage, die relative Position aller Komponenten zu überwachen und die erforderlichen Steuerungsbefehle zu implementieren, um die vorgegebene Folge von Schritten zuverlässig durchzuführen.
Eine alternative Ausführungsform des Steuerungssystems enthält keine Geber 3030 oder 3010, sondern ersetzt eine Steuerungslogik, um den inneren Stangenantrieb an einen bekannten Ort relativ zu dem äußeren Stangenantrieb und den Getriebewagen an einen bekannten Ort relativ zu dem Hauptwagen während bestimmter Zustände des Verfahrens zu positionieren und dann die Informationen, die durch den Drehgeber erzeugt werden zu verwenden, um die Position der Stangenantriebe zu berechnen.
Einer der Zustände in einem beispielhaften Verfahren zur Verwendung mit einem Bohrkopf mit einer festen Verbindung mit dem inneren Bohrstrang, die sich lohnt, speziell genannt zu werden, ist der in 18b illustrierte Zustand. Nachdem die äußere Stange des Bohrstrangs durch die untere Klemme 2400 geklemmt wurde und die äußere Stange der entfernten Stange aufgeschraubt und zurückgezogen wurde, um die innere Stange freizulegen, muss der Klemmwagen positioniert werden, um die Klemmen mit der Verbindung der inneren Stange fluchtend auszurichten. Die Position dieser Verbindung wird durch die Länge des inneren Bohrstrangs beeinflusst, die wegen der Variation der Länge der einzelnen inneren Stangen variieren kann. Der innere Stangenbohrstrang kann von dem illustrierten Beispiel, wo es keine inneren Stangen gibt, wo die Antriebe mit dem Adapter verbunden sind, bis zu Situationen reichen, wo es 20 oder mehr innere Stangen geben kann. Da die Länge der inneren Stangen variieren kann, häufig um bis zu 0,25 Zoll pro Stange, könnte die Position der inneren Stangenverbindung einige Zoll von einer nominellen Position abweichen. Um den Klemmenwagen korrekt zu positionieren, muss das Steuerungssystem diese Variation kompensieren.
Ein Verfahren zur Kompensation ist für die Steuerung 2220, die Ausgabe des Gebers 3030 zu überwachen, wenn die Bohrstangenantriebseinheit 1800 korrekt mit dem Bohrstrang verbunden wird. In dieser Konfiguration kann der Ort des inneren Stangenantriebs 514 relativ zu dem äußeren Stangenantrieb 506 gemessen werden und dazu verwendet werden, einen Kompensationsfaktor zu bestimmen. Dies kann illustriert werden, indem berücksichtigt wird, dass es eine nominelle Stangenabweichung gibt, die als Maß 3032 in 18b illustriert ist. Mit dem inneren Bohrstrang und dem äußeren Bohrstrang in einer nominellen Bedingung wird es einen bekannten Versatz zwischen dem inneren Antrieb und dem äußeren Antrieb geben, die Ausgabe des Gebers 3030 wird bekannt sein. Wenn die Ausgabe des Gebers 3030 anzeigt, dass dieser Versatz weniger als nominell ist, wenn die Bohrstangenantriebseinheit mit dem Bohrstrang verbunden ist, dann ist die innere Stange kürzer als nominell durch den Abstand. In dieser Situation ist es möglich, die geeignete Position des Klemmenwagens für die nachfolgende Klemmoperation zu bestimmen. Daher ist es das Verfahren, den Versatz zwischen dem inneren Stangenantrieb und dem äußeren Stangenantrieb für jede Verbindung zu messen und diese Versatzinformation zu verwenden, um eine geeignete Position des Klemmenwagens für die nachfolgende Ausgliederungsfolge zu berechnen.
Ein alternatives Verfahren ist es, den inneren Stangenantrieb an einer Position zu positionieren, wo er relativ zu dem äußeren Stangenantrieb vollständig ausgefahren ist, wenn der innere Stangenantrieb an den inneren Bohrstrang geschraubt ist, wenn der Getriebewagen an seiner unteren Position ist. In dieser Konfiguration kann die Position des Wagens, gemessen durch den Geber, dazu verwendet werden, die relative Position des inneren Bohrstrangs relativ zu dem äußeren Bohrstrang zu bestimmen. Diese Messung kann für jede einzelne Bohrstange gemacht werden und ein Steuerungsalgorithmus kann einen Kompensationsfaktor für jede Bohrstange berechnen, basierend auf der gemessenen Position des Endes des inneren Bohrstrangs.
Für Bohrköpfe ohne eine feste Verbindung mit dem inneren Bohrstrang ist das Verfahren etwas anders. Es gibt kein Erfordernis in diesem Fall, die Position der Klemmen zu variieren, um die Längenvariation des inneren Stangenbohrstrangs zu kompensieren. Die obere Klemmenanordnung 2600 und 2800 kann auf eine feste Position eingestellt werden. Der innere Stangenantrieb muss positioniert werden, um die innere Stange korrekt mit den Klemmen fluchtend auszurichten, indem entweder die Position des Hauptwagens als eine Funktion der Versätze, gemessen durch Geber 3030 und Geber 3020, ohne Verändern der Position des inneren Stangenantriebs relativ zu dem äußeren Stangenantrieb, oder alternativ kann der innere Stangenantrieb vollständig ausgefahren werden und der Wagen an einem vorbestimmten Ort relativ zu der Position der Klemmenanordnung positioniert werden.
Zurück zu der Beschreibung des Aufrüstverfahrens, das in 14 illustriert ist, wird der Klemmenwagen geeignet positioniert und die mittlere Klemme klemmt den inneren Bohrstrang in 14c. Der Wagen wird in 14d bewegt, um den äußeren Stangenantrieb neben der mittleren Klemme zu bewegen und die innere und äußere Stangenantriebsspindel in Vorbereitung des Hinzufügens einer neuen Bohrstange zu positionieren. Der innere Stangenantrieb wird von dem inneren Bohrstrang in 14e abgeschraubt und zurückbewegt, um Raum freizugeben, um eine neue Bohrstange hinzuzufügen, wie in 14f illustriert ist. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst das illustrierte Verfahren, um den neuen Bohrstrang an seinem Ort zu platzieren, den Schritt des Öffnens der mittleren Klemme und dann des Repositionierens des Klemmenwagens, um die Klemmenanordnung zu bewegen, sodass der Stangenlademechanismus die Klemmenanordnung freigeben kann. Wenn die neue Bohrstange dann in Position ist, bewegt sich der Klemmenwagen, sodass die mittlere Klemme mit der neuen Verbindung fluchtet, und sie klemmt die innere Stange des Bohrstrangs, wie in 14g gezeigt ist. Der innere Stangenantrieb rotiert dann und bewegt sich dann in Längsrichtung, um die neue Stange sowohl auf den Bohrstrang als auch auf den inneren Stangenantrieb zu schrauben, wie in 14h illustriert ist. Wenn die innere Stange einmal korrekt angezogen ist, öffnet sich die mittlere Klemme und der Klemmenwagen bewegt die Klemmenanordnung in ihre unterste Position, wie in 14i illustriert ist. Der Wagen fährt dann vor, um das Aufschrauben der äußeren Stange auf den äußeren Bohrstrang fertigzustellen, wie in 14j illustriert ist, und die untere Klemme wird in 14k geöffnet, um die Aufrüstfolge fertigzustellen.
Die Aufrüstfolge mit einem Bohrkopf, der mit einer nicht festen Verbindung mit dem inneren Bohrstrang ausgestaltet ist, ist in 15a–15j illustriert, beginnend in derselben Konfiguration wie in 14a illustriert ist, wobei die Antriebe neben der unteren Klemme positioniert sind. Die untere Klemme klemmt den äußeren Bohrstrang und der äußere Klemmenantrieb wird in 15b zurückgefahren, um den inneren Bohrstrang freizulegen. Der innere Bohrstrang wird dann durch den inneren Antrieb in 15c zurückgezogen, was wegen der nicht festen Verbindung mit dem Bohrkopf möglich ist, und in Flucht mit der mittleren und oberen Klemme gebracht. In 15d klemmt die mittlere Klemme den inneren Bohrstrang. Der innere Antrieb wird umgekehrt und der Wagen bewegt die Antriebe, um Raum für eine neue Bohrstange in 15e freizugeben. Der neue Bohrstrang wird in 15f hinzugefügt und in 15g bewegt der Wagen die Antriebe nach unten, um die Antriebe mit den inneren und äußeren Stangen der neuen Stangen in Eingriff zu bringen und um die innere Stange der neuen Bohrstange mit dem inneren Bohrstrang in Eingriff zu bringen. 15h illustriert die mittlere Klemmenöffnung und die Antriebe, die die Stange in Richtung des Bohrstrangs bewegen. Der innere Antrieb bewegt den inneren Bohrstrang zurück in Richtung des Bohrkopfes und greift in die nicht feste Kopplung mit dem Bohrkopf ein. 15i illustriert den nachfolgenden Schritt, wo der äußere Stangenantrieb die äußere Stange rotiert und mit dem äußeren Bohrstrang festdreht, und 15j illustriert den letzten Schritt des Öffnens der unteren Klemme.
16a–16n illustrieren die Folge des Ausgliederns einer Bohrstange mit einem Bohrkopf, wobei die innere Stange fest an der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes angebracht ist, beginnend bei 16a, wobei der innere und äußere Stangenantrieb zu der Position zurückgezogen ist, wo die Verbindung zwischen der äußeren Stange der zu entfernenden Bohrstange neben der unteren Klemme positioniert ist, wie zuvor beschrieben wurde. Wenn die äußere Stange in der korrekten Position ist, wird die untere Klemme geklemmt und die mittlere Klemme wird geklemmt und in eine erste Richtung rotiert. Die Rotationsrichtung wird so sein, wie erforderlich ist, um die Bohrstange von dem Bohrstrang abzuschrauben. Bei einem Rechtsgewinde wird sich die mittlere Klemme so drehen, dass die Oberseite aus dem Papier herausdreht, und der Boden der Klemme wird sich in das Papier drehen, wie in dieser Figur illustriert ist. Wenn die Verbindung aufgehoben ist, wird eine umgekehrte Rotation des äußeren Stangenantriebs die äußere Stange rotieren und die Verbindung benachbart zu der unteren Klemme wird sich auftrennen, wenn der äußere Stangenantrieb sich in Längsrichtung zurückbewegt, wie in 16b illustriert ist. Der Klemmenwagen wird repositioniert werden, wie früher beschrieben wurde, um die mittlere und obere Klemme in Flucht mit der Verbindung in der inneren Stange zu positionieren, wie in 16c illustriert wurde, und die Klemmen auf die innere Stange geklemmt, wie in 16d illustriert ist. Wenn die innere Bohrstange Gewinde derselben Richtung aufweist, wie die Gewinde in der äußeren Stange, die illustrierte Ausführungsform weist Rechtsgewinde auf, wird die mittlere Klemme in einer Richtung rotieren, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, die verwendet wird, um die äußere Stange aufzugliedern. 16 illustriert die mittlere Klemme rotierend, sodass die Oberseite in das Papier drehen wird, während der Boden sich aus dem Papier drehen wird. Diese Folge ist vorteilhaft, indem sie unnötige Bewegungen der mittleren Klemme minimiert, was es ihr ermöglicht, von einer Startposition aus zu starten, in einer ersten Richtung zu drehen, um die äußere Stange aufzugliedern, und dann in die entgegengesetzte Richtung zu rotieren, um die innere Stange aufzugliedern, und wieder an der Startposition anzukommen. Dies ist auch vorteilhaft für das Getriebe, in dem während des Schritts des Aufgliederns der inneren Stange das Getriebe und die Antriebsmotoren fest sind, nicht rotiert werden, während der Bohrstrang und die Bohrspitze rotieren können.
Wenn die innere Stange aufgegliedert ist, wird die obere Klemme geöffnet und der äußere Stangenantrieb kann zurück nach unten bewegt werden, um die äußere Stange zurück in Richtung der oberen Klemme zu bewegen, wie in 16e illustriert ist. Der innere Stangenantrieb kann sowohl in Rotationsrichtung als auch in Längsrichtung zurückgefahren werden, um die innere Stange von dem Bohrstrang zu trennen, wie in 16f illustriert ist. Wenn die Bohrstange von dem Bohrstrang getrennt wird, kann die mittlere Klemme geöffnet werden, wie in 16g gezeigt ist, und dann bewegt werden, um mit dem unteren Ende der Bohrstange zu fluchten, wie in 16h gezeigt ist. Wenn sie korrekt in Flucht angeordnet sind, klemmen die mittlere und obere Klemme sowohl die innere als auch die äußere Stange der entfernten Bohrstange, wie in 16i illustriert ist, und die Stangenantriebe werden sowohl in Rotation als auch in Längsrichtung umgekehrt, um sich von der Stange zu trennen. Wenn sie getrennt sind, können sich die Klemmen öffnen, wie in 16j illustriert ist, und das Stangenladesystem wird verwendet werden, um die getrennte oder ausgegliederte Bohrstange zu entfernen. Der Klemmenwagen wird die mittlere und obere Klemme zurück nach unten bewegen, wie in 16k illustriert ist, und die mittlere Klemme wird den inneren Bohrstrang klemmen, wie in den 16l illustriert ist, während der innere Stangenantrieb an den Bohrstrang geschraubt wird. Der äußere Stangenantrieb kann zurück in die Position bewegt werden, wo der innere Stangenantrieb an diesem Punkt vollständig ausgefahren ist, um es dem Steuerungssystem zu erlauben, auf der Grundlage der Daten von dem Geber einen Kompensationsfaktor für eine innere Bohrstranglänge zu berechnen, wie zuvor beschrieben wurde. Wenn der innere Antrieb an dem inneren Bohrstrang befestigt ist, kann sich die mittlere Klemme öffnen, was es dem äußeren Antrieb ermöglicht, mit dem äußeren Bohrstrang in Eingriff zu kommen, wie in 16m illustriert ist. Wenn sie befestigt ist, ist das Verfahren abgeschlossen, wenn die untere Klemme sich öffnet, wie in 16n illustriert ist.
17a–17n illustrieren die Ausgliederungsfolge mit einem Bohrkopf, wobei der innere Bohrstrang nicht fest mit der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes verbunden ist, beginnend, wenn die äußere Stange korrekt mit der Verbindung benachbart zu der unteren Klemme positioniert ist. Die untere Klemme wird dann geklemmt, während die mittlere Klemme geklemmt und in eine erste Richtung rotiert wird, um die äußere Stange aufzugliedern. Die in dieser vereinfachten Schematik illustrierte Folge zeigt die mittlere Klemme, die die äußere Stange in einer Position klemmt, wo sie nicht benachbart zu der unteren Klemme ist. Dies wird für einige Arten äußerer Stangen funktionieren. Bei anderen Arten äußerer Stangen jedoch, die einen aufrechten Teil in der Nähe der Schraubverbindungen aufweisen, wird es nötig sein, die mittlere Klemme während dieses Schritts benachbart zu der unteren Klemme zu positionieren. Obwohl nicht illustriert, ist damit die Klemmenanordnung der vorliegenden Erfindung mit der Möglichkeit, die mittlere und obere Klemme in Längsrichtung zu bewegen, in der Lage, über eine Breite Vielfalt von Stangenarten betrieben zu werden. Wenn die äußere Stange aufgegliedert ist, wird die mittlere Klemme freigegeben, während die Stangenantriebe die Bohrstange zurückziehen, um die innere Stange freizugeben und die innere Stangenverbindung zwischen der mittlere und oberen Klemme in Flucht zu bringen, wie in 17b illustriert ist, was zu einer Trennung der Verbindung zwischen dem inneren Bohrstrang und der innere Antriebswelle des Bohrkopfes führt. Die mittlere und obere Klemme werden geklemmt und die mittlere Klemme in die entgegengesetzte Richtung rotiert, wie in 17c illustriert ist, um die innere Stange auszugliedern. Die obere Klemme wird geöffnet, während die mittlere Klemme geklemmt bleibt, und der innere Stangenantrieb wird in seiner Rotation und Längsrichtung umgekehrt, um die innere Stange zu trennen, wie in 17d illustriert ist. Wenn sie von dem Bohrstrang getrennt ist, wird die obere Klemme auf die innere Stange geklemmt, wie in 17f illustriert ist, und der innere Antrieb wird in seiner Rotation und in Längsrichtung umgekehrt, um den Antrieb von der inneren Stange zu trennen, wie in 17f illustriert ist. Die obere Klemme wird geöffnet und der äußere Stangenantrieb bewegt die äußere Stange zurück nach unten in die obere Klemme, wie in 17g illustriert ist. Die obere Klemme klemmt die äußere Stange, während der äußere Stangenantrieb sowohl die Rotation als auch die Längsrichtung umkehrt, um sich von der Bohrstange zu trennen, wie in 17h illustriert ist. Die obere Klemme wird geöffnet und die Bohrstange kann entfernt werden, wie in 17i illustriert ist. Wenn die Bohrstange entfernt ist, werden die Antriebe sich zurück nach unten bewegen, sodass der innere Antrieb den inneren Bohrstrang wieder ergreifen kann, wie in 17j illustriert ist. Diese Verbindung wird festgezogen, wie in 17k illustriert ist. Die mittlere Klemme wird geöffnet und die Antriebe werden sich zurück nach unten bewegen, während der innere Stangenantrieb verwendet wird, um die Kopplung zwischen dem innere Bohrstrang und der inneren Antriebswelle des Bohrkopfes wieder herzustellen, wie in 17l illustriert ist. Der äußere Stangenantrieb wird dann vorgeschoben und rotiert, um den äußeren Bohrstrang aufzuschrauben, wie in 17m illustriert ist, und die Folge endet, wenn die untere Klemme sich öffnet, wie in 17n illustriert ist.
Die obigen Ausführungen, Beispiele und Daten stellen eine vollständige Beschreibung der Herstellung und der Verwendung der Komposition der Erfindung dar. Da viele Ausführungsformen der Erfindung realisiert werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, liegt die Erfindung in den sich hieran anschließenden Ansprüchen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 61/345497 [0001]

Claims

Richtungsbohrer mit einer Bohrstrangantriebsanordnung, umfassend eine Klemmenanordnung mit einer unteren Klemme, einer oberen Klemme und einer mittleren Klemme, wobei zumindest die mittlere Klemme dazu ausgestaltet ist, sich um eine in Längsrichtung verlaufende Bohrstrangachse zu drehen; eine Antriebseinheit, die dazu ausgestaltet ist, sich in einer Längsrichtung auf die Klemmenanordnung zu und weg von der Klemmenanordnung zu bewegen, wobei die Antriebseinheit eine innere Antriebswelle und eine äußere Antriebswelle aufweist, wobei die innere und äußere Antriebswelle koaxial angeordnet und dazu ausgestaltet sind, unabhängig voneinander zu rotieren, wobei die innere und äußere Antriebswelle der Antriebseinheit dazu ausgestaltet sind, relativ zueinander auszufahren und sich zurückzuziehen.
Richtungsbohrer nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der unteren Klemme, oberen Klemme und mittlere Klemme dazu ausgestaltet ist, sich in der Längsrichtung zu bewegen.
Richtungsbohrer nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Steuerung, die die Längsposition der unteren Klemme, oberen Klemme und/oder mittleren Klemme relativ zu dem Bohrstrang steuert.
Richtungsbohrer nach Anspruch 3, ferner umfassend mehrere Positionssensoren, die mit der Steuerung wirkverbunden sind.
Richtungsbohrer nach Anspruch 4, wobei zumindest einer der mehreren Positionssensoren den Ort der oberen Klemme, unteren Klemme und/oder mittlere Klemme detektiert.
Richtungsbohrer nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Positionsgeber, der mit der Steuerung wirkverbunden ist, wobei der Positionsgeber dazu ausgestaltet ist, zumindest Informationen in Bezug auf die Längsposition der Antriebseinheit bereitzustellen.
Richtungsbohrer nach Anspruch 6, wobei die Steuerung mit einer Steuerungslogik ausgestaltet ist, welche die Steuerung in die Lage versetzt, die Position der inneren und äußeren Stange des Bohrstrangs auf der Grundlage der Position der inneren Antriebswelle und der äußeren Antriebswelle der Antriebseinheit zu bestimmen.
Richtungsbohrer nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Geber, der mit der Steuerung wirkverbunden ist und dazu ausgestaltet ist, Informationen in Bezug auf die Längsposition des Bohrstrangs bereitzustellen.
Richtungsbohrer nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Hydraulikzylinder und einen Geber, wobei der Hydraulikzylinder dazu ausgestaltet ist, die untere Klemme, obere Klemme und/oder mittlere Klemme zu bewegen, die dazu ausgestaltet ist, sich in der Längsrichtung zu bewegen, und wobei der Geber dazu ausgestaltet ist, Daten in Bezug auf die Position der unteren Klemme, oberen Klemme und/oder mittleren Klemme bereitzustellen, die dazu ausgestaltet ist, sich in der Längsrichtung zu bewegen.
Richtungsbohrer umfassend: einen Bockrahmen; einen Wagen, der dazu ausgestaltet ist, sich entlang des Bockrahmens zu bewegen; eine Bohrstrangantriebsanordnung, die auf dem Wagen angebracht ist, die eine Antriebseinheit aufweist, die ein äußeres Antriebssystem mit einer äußeren Antriebsspindel, die in einer festen Position relativ zu dem Wagen ist, und ein inneres Antriebssystem mit einer inneren Antriebsspindel, die koaxial mit der äußeren Antriebsspindel ist, die dazu ausgestaltet ist, unabhängig von der äußeren Antriebsspindel zu rotieren und sich in Längsrichtung relativ zu der äußeren Antriebsspindel um mindestens vier Zoll zu bewegen, umfasst.
Richtungsbohrer nach Anspruch 10, wobei die innere Antriebsspindel dazu ausgestaltet ist, sich in Längsrichtung relativ zu der äußeren Antriebsspindel um mindestens 12 Zoll zu bewegen.
Verfahren zum Steuern einer Bohrmaschine mit einem Bock, einer Klemmenanordnung mit einer ersten Klemme in einer festen Position und zweiten und dritten Klemmen, die beweglich sind, einer Bohrstrangantriebsanordnung mit einem inneren Stangenantrieb, der auf einem Wagen angebracht ist, der sich in Längsrichtung entlang des Bocks bewegt, und einem äußeren Stangenantrieb, der auf einem Wagen angebracht ist, der sich in Längsrichtung entlang des Bocks derart bewegt, dass sich der innere Stangenantrieb in Längsrichtung relativ zu dem äußeren Stangenantrieb und einem Doppelstangenbohrstrang bewegen kann, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen eines Kompensationsfaktors einer inneren Bohrstranglänge auf der Grundlage einer Messung der Position des inneren Stangenantriebs, wenn der innere Stangenantrieb mit dem Bohrstrang verbunden ist; und Positionieren der zweiten und dritten Klemme, zumindest teilweise auf der Grundlage des Kompensationsfaktors der Bohrstranglänge.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Kompensationsfaktor des inneren Bohrstrangs durch Positionieren des inneren Stangenantriebs auf eine bekannte Position in Bezug auf den äußeren Stangenantrieb berechnet wird, wenn der innere Stangenantrieb mit dem inneren Bohrstrang verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Kompensationsfaktor des inneren Bohrstrangs auf der Grundlage der relativen Position des inneren Stangenantriebs zu dem äußeren Stangenantrieb berechnet wird, wenn beide an dem Bohrstrang befestigt sind.
Verfahren zum Entfernen einer Stange aus einem Bohrstrang, umfassend: Klemmen eines unteren Bohrungsendes einer zu entfernenden Bohrstange mit einer ersten Klemme; Klemmen eines oberen Bohrungsendes einer Bohrstange, die benachbart und unmittelbar mit der zu entfernenden Bohrstange verbunden ist, mit einer zweiten Klemme; Rotieren des oberen Bohrungsendes der Bohrstange, die unmittelbar mit der zu entfernenden Bohrstange verbunden ist, mit der zweiten Klemme, während die Rotation der zu entfernenden Bohrstange mit der ersten Klemme verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Rotierens des oberen Bohrungsendes der Bohrstange, die benachbart und unmittelbar mit der zu entfernenden Bohrstange verbunden ist, mit der zweiten Klemme, während eine Rotation der zu entfernenden Bohrstange mit der ersten Klemme verhindert wird, eine Schraubverbindung zwischen dem oberen Bohrungsende der Bohrstange, die benachbart und unmittelbar mit der zu entfernenden Bohrstange verbunden ist, und dem unteren Bohrungsende der zu entfernenden Bohrstange gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt des Lösens einer Klemme des unteren Bohrungsendes einer zu entfernenden Bohrstange nach dem Rotationsschritt und dem Aufschrauben der Verbindung zwischen dem unteren Bohrungsende der zu entfernenden Bohrstange und dem oberen Bohrungsende der Bohrstange, die benachbart und unmittelbar verbunden ist mit der Bohrstange, durch Rotieren der zu entfernenden Bohrstange mit der Antriebseinheit.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Rotierens des oberen Bohrungsendes der Bohrstange, die benachbart und unmittelbar verbunden ist mit der zu entfernenden Bohrstange, mit der zweiten Klemme, während eine Rotation der zu entfernenden Bohrstange verhindert wird, zumindest einen Teil des unteren Bohrungsendes des Bohrstrangs der Bohrstange, die benachbart und unmittelbar verbunden ist mit der zu entfernenden Bohrstange, dazu bringt, zu rotieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Bohrstange, die durch die erste Klemme geklemmt wird, und die Bohrstange, die durch die zweite Klemme geklemmt wird, innere Stangen in einer Bohrstrangkonfiguration sind, die koaxial angeordnete innere Bohrstangen und äußeren Bohrstangen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend den Schritt des Zurückziehens äußerer Stangenelemente zum Freilegen einer Verbindung zwischen dem oberen Bohrungsende der Bohrstange, die benachbart und unmittelbar verbunden ist mit der zu entfernenden Bohrstange, und dem unteren Bohrungsende der zu entfernenden Bohrstange.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend ein Klemmen eines oberen Bohrungsendes eines äußeren Stangenelements mit einer dritten Klemme, wodurch die äußeren Stangen daran gehindert werden, sich zu bewegen, während die Verbindung zwischen den inneren Stangenelementen ausgegliedert wird.