[发明专利]在多种混合条件下进行定向钻孔的方法和装置

说明书

本发明是中国专利号01806027.7、发明名称“在多种混合条件下进行定向钻孔的方法和装置”、申请日为2001年3月2日的发明专利的分案申请。

本申请由美国的Vermeer制造公司(Vermeer ManufacturingCompany)于2001年3月2日申请了PCT国际专利，并指定了除去美国的所有国家。

技术领域

本发明涉及定向钻孔，特别是采用同一设备钻入土壤和岩石的系统。

发明背景

目前，当地下公共设施如天然气、饮用水或生活污水管设置在岩石中时，采用大的硬岩石挖壕设备如Vermeer T-655进行挖沟，或者甚至采用炸药进行爆破。在这些情况下，由于电线、电话线和TV电缆线铺设于地下的困难较大并且费用很高，因此通常沿着电线杆架设在空中。这样在很多场合，由于存在固体岩石层而使在地下进行安装很困难，因此公共设施线路需要设置在地面上。在许多工地，施工开始和结束的情况很复杂，包括要部分穿过固体岩石层和穿过其余的土壤。在这样的场合，岩石钻孔设备或挖壕设备往往不能钻通土壤而到达岩石层。

用于钻入土壤中的定向钻孔机是公知的。定向钻孔机通常包括用于构成钻杆组的首尾相连的一系列钻杆。钻杆组由动力液压装置如液压缸推动或拉动而穿过土壤。参见Malzahn的US4945999和US5070848以及Cherrington的US4697775(RE33793)。如Dunn的US4953633和Deken等的US5242026中所述，同时推动和旋转钻杆组。用于钻孔的铲形物、刀头设置在钻杆组的端部，可以包括喷射水的喷嘴以辅助钻孔。

在传统钻孔系统的一种改进中，一系列钻杆组杆与安装在一系列杆端部的撞击工具组合。这些杆可以施加稳定的撞击推力，杆的内部用于向气动钻输送压缩空气。参见McDonald等的US4694913。但是已经发现该系统由于费用较高而使其应用受到限制，这是因为如果钻孔基本宽于钻杆组的直径，则在推动钻杆组时，钻杆组易弯曲变形。

精确的定向钻孔需要有关钻切或钻探工具的定位和深度的信息，几乎不可避免地要将采用传感器和发送装置(“探测器”)与钻切刀具连接，以便避免误钻孔和重新钻孔。US5633589中公开了一种这样的装置，本文引入其公开的内容。Baker的US4867255公开了利用起动撞击锤的可转向定向钻探工具。

Runquist的US5778991和Cox的EP857852A2和EP857853A2中公开了能进行岩石钻孔的定向钻探工具。但是，尽管同时进行岩石钻孔和土壤穿透的定向钻探工具是公知的，但是现有装置没有一种单一机器能同时具备这两种功能而使工具在土壤和岩石中控制方向。本发明满足了这一要求。

本领域中还需要用于岩石钻孔和土壤穿透的定向钻探工具，它具有由流体驱动的撞击锤，提供检测角度旋转的装置(如探测器)的分度，提供撞击锤(如气动或流体驱动)ON/OFF控制的方法。此外，需要一种具有提高了钻头控制方向能力的装置。

发明概述

一种本发明的用于定向钻孔机的钻头，包括头尾连接的检测角度方位装置如探测器的架体(或壳体)、气锤和旋转刀头总成，使所述角度方位壳体位于一端并使所述刀头位于另一端。钻头还可以包括起动杆，它可连接角度方位探测器壳体。刀头最好具有面向前方的主切削面和计量器柱，多个切削齿设置在主切削面上，计量器柱由主切削面径向向外偏移，具有至少一个面向前方的计量切削齿，所述切削齿适于切过由小于刀头一整转所形成的角度。检测角度方位的装置与计量器柱呈预定的直线排列，以便确定计量器柱关于钻头旋转轴的方位。在一个优选实施例中，主切削面基本为平的圆形，并且其上设有一系列喷射口，钻头具有用于向喷射口输送钻用流体的通道。在另一个实施例中，刀头外侧面上具有跟部，跟部处于与计量器柱相对的位置并由后至前向内侧倾斜。

这样的钻头可以在采用定向钻孔机的本发明定向钻孔方法中使用，该定向钻孔机可以推动并旋转钻杆组，钻杆组上安装有钻头。这样的方法包括步骤：通过用钻杆组推动和旋转钻头而笔直钻入介质，同时用锤撞击刀头；在改变钻孔方向之前，采用检测角度方位的装置确定计量器柱的角度方位；并且在通过重复推动和旋转所述刀头而钻过小于所述刀头一整转所形成的角度时改变方向，同时用锤撞击刀头，使得钻头沿计量器柱切削作用的方向偏离。在钻孔的不同时候，介质可以是土壤、固体岩石或土壤和岩石两种。特别是，在采用相同刀头进行同一钻孔时，可以在土壤和岩石中完成笔直控制方向和改变方向的步骤。