CN101363307B - 在多种混合条件下进行定向钻孔的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在可压缩土壤中使用的水平定向钻孔机，具有钻杆组和钻头，所述钻杆组的近端连接定向钻孔机，所述钻头连接所述钻杆组的远端，包括：钻刀头，通常适于钻穿岩石并具有钻穿岩石的结构；检测所述钻刀头角度方位的装置，输出对应所述方位而产生的信号；以及偏移连接件，其第一端连接所述钻杆组，第二端连接所述钻刀头，所述连接件偏离所述钻杆组的纵轴，其中，响应所述产生的信号对所述偏移件定方位以控制所述钻刀头的方向。

Description

在多种混合条件下进行定向钻孔的方法和装置

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。

根据本发明的另一方面，提供一种在同时包括土壤和固体岩石的混合条件下进行定向钻孔的方法。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土壤和岩石，同时用锤撞击刀头；在土壤和岩石中改变钻孔方向之前，采用检测角度方位的装置确定计量器柱的角度方位；在通过重复推动和旋转刀头而在岩石中钻过小于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；以及在通过用钻杆组推动钻头而不旋转钻头而在土壤中钻孔时改变方向，使得钻头沿计量器柱方向并远离跟部偏离。由于钻刀头的主切削面大而平，单是钻杆组的推力使工具不旋转就不足以在松软的地里转向。因此最好用锤撞击刀头同时改变在土壤中的方向。本发明的方法可以在一些地况中进行较好的方向控制。

本发明的另一方面提供一种用于水平定向钻孔机的钻头，包括：检测角度方位的装置；用于检测角度方位的装置的架体，检测角度方位的装置设置在架体中；由流体驱动的锤；锤具有的布置和结构可以产生撞击；以及连接锤的旋转刀头总成，旋转刀头总成具有用于接受撞击的布置和结构，其中通过检测角度方位的装置来确定旋转刀头组件的方位，以便控制刀头方向。

本发明的另一方面提供一种在可压缩土壤中使用的水平定向钻孔机，具有钻杆组和钻头，钻杆组的近端连接定向钻孔机，钻头连接钻杆组的远端，包括：钻刀头，通常适于钻穿岩石并具有钻穿岩石的结构；检测钻刀头角度方位的装置，输出对应方位的信号；以及偏移连接件，其第一端连接钻杆组，第二端连接钻刀头，连接件偏离钻杆组的轴线，其中，响应输出信号对偏移件定方位以使钻刀头转向。

本发明的另一方面提供一种采用水平钻孔机并控制钻孔机的钻头方向而在岩石中进行钻孔的方法，包括：推动钻头穿过介质，钻头位于钻杆组的远端；采用由流体驱动的锤撞击位于钻头远端的钻刀头，其中钻刀头包括用于使钻头转向的有效转向几何形状；采用装在钻头上的检测角度方位的装置定期检测钻刀头角度方位；以及通过重复推动和旋转钻刀头钻过小于刀头一整转所形成的角度而使钻头转向，同时用锤撞击刀头，使得钻头沿有效转向几何形状的切削作用的方向偏离。

本发明的另一方面提供一种采用水平钻孔机并使钻孔机的钻头转向而在介质中进行钻孔的方法，包括：推动位于钻杆组前端的钻头穿过介质，同时用通过流体驱动的锤撞击位于钻头远端的钻刀头，其中钻刀头包括适于使钻头转向的有效转向几何形状和钻头；采用装在钻头上的检测角度方位的装置定期检测钻刀头角度方位；以及通过以下方式使钻头转向：钻入可压缩土壤，在通过推动钻杆组进行钻孔中改变方向，使得钻头沿偏移连接件的方向偏离，连接件由钻杆组纵轴的中心线偏移，而不用锤撞击钻刀头并且不旋转钻杆组；或者如果钻入岩石，则用锤撞击钻刀头，使得钻刀头沿有效转向几何形状偏离。

本发明的另一方面提供一种具有适于钻入岩石和可压缩土壤的钻杆组的水平定向钻孔机，该钻孔机包括由流体驱动的主动冲洗(aggressiveflushing)型锤，一种操作主动冲洗型锤的方法，包括：确定是否起动主动冲洗型锤；如果在岩石中钻孔，并且锤得以起动：将驱动锤的流体流量减小至基本接近零的第一值；通过钻孔机的驱动件向钻杆组施加超过预定阈值的推力，并使锤离开冲洗位置；以及增大流体流量到预定阈值，用起动的锤连续在岩石中钻孔；如果在可压缩土壤中钻孔，并且没有起动锤：将推力减小到预定阈值以下，同时将流体压力保持在锤上的预定阈值以上，由此使锤移动到冲洗位置；以及继续在可压缩土壤中钻孔而不起动锤。

本发明的另一方面提供一种具有适于钻入岩石和可压缩土壤的钻杆组的水平定向钻孔机，该钻孔机包括由流体驱动的标准型锤，一种操作主动冲洗型锤的方法，包括：确定是否起动标准型锤；如果在岩石中钻孔，并且锤得以起动：将驱动锤的流体流量值增大到预定阈值以上；或者将由水平钻孔机的驱动件产生的推力值增大到预定阈值以上；以及用起动的锤连续在岩石中钻孔；如果在可压缩土壤中钻孔，并且没有起动锤：将流体流量的值限制在起动锤所需的预定阈值以下；将推力的值限制在起动锤所需的预定阈值以下；继续在可压缩土壤中钻孔而不起动锤。

本发明的另一方面提供一种在可压缩土壤和岩石中进行水平定向钻孔的系统，包括：连接有钻杆组的水平定向钻孔机，定向钻孔机用于旋转和推动钻杆组钻入要钻孔的介质中，定向钻孔机包括驱动件，驱动件适于连接钻杆组近端的并通常具有用于向钻杆组施加推力的结构；压力源，用于产生工作压力，工作压力通过用于钻孔的流体得以传递；以及控制器，用于控制由驱动件产生的推力并用于控制由压力源输出的工作压力；其中钻杆组的远端包括：检测角度方位的装置；用于检测角度方位的装置的架体，检测角度方位的装置置于架体中；由流体驱动的锤；以及钻刀头；其中，架体、锤和钻刀头沿钻杆组纵轴头尾连接，使架体位于钻头近端，钻刀头位于钻头远端。

本发明的另一目的是提供一种用于水平定向钻孔机的钻头，包括：由液体驱动的锤，由锤驱动的钻刀头，钻刀头具有有效控制方向的几何形状。

本发明的另一目的是提供一种用于水平定向钻孔机的钻头，包括：由液体驱动的锤，所述锤具有可以产生撞击的布置和结构；以及连接所述锤的旋转刀头组件，所述旋转刀头组件具有用于接受撞击的布置和结构，并且具有有效转向的几何形状。

下面详细说明本发明的这些方面。

附图简要说明

在附图中，相同标号表示相同部件：

图1是本发明钻头的第一实施例的侧视图，钻头上省去了硬质合金刀齿；

图2是图1中所示实施例的俯视图，示出了探测装置壳体入口；

图3是图1所示刀头的立体后视图，省去了刀头轴；

图4是本发明第一种可选择的刀头的立体前视图，带有硬质合金刀齿，并安装在刀头轴上；

图5A是图4中所示刀头和刀头轴的立体侧视图；

图5B是沿图5A中的5B-5B的横剖视图；

图6A和6B是沿图3中线6-6的放大的纵向剖视图，其中6A示出了装置的前部，而6B示出了装置的后部；

图7A和7B是沿图3中线7-7的放大的纵向剖视图，其中7A示出了装置的前部，而7B示出了装置的后部；

图8是本发明第二种可选择的刀头和刀头轴组件的俯视图；

图9是图8的刀头和刀头轴组件的立体侧视图；

图10是图8的刀头的前视图；

图11是图8的刀头和刀头轴组件的侧视图；

图12是本发明第三种可选择的刀头和刀头轴组件的俯视图；

图13是图12的刀头和刀头轴组件的立体侧视图；

图14是图12的刀头的前视图；

图15是图12的刀头和刀头轴组件的侧视图；

图16是本发明第四种可选择的刀头的侧视图，省略了其余的刀具，显示了在岩石中的控制方向动作；

图17是图16的刀头的前视图；

图18是本发明第五种可选择刀头的前视图；

图19是图18中刀头的侧视图；

图20是图18中刀头的立体图；

图21是液力钻岩机实施例的后纵向部分的局部剖视图；

图22是液力钻岩机实施例的前纵向部分的局部剖视图；

图23A和图23B是前部设置有锤的岩石钻头第一实施例的后部和前部各自的局部纵剖视图；

图24是对应图23A和23B的、锤位于后部的缩短截断剖视图；

图25是本发明钻头的一个实施例的剖视图；

图25A是本发明钻头的一部分的放大视图；

图25B是本发明钻刀头组件的剖视图；

图26A是本发明探测角度方位装置的架体的剖视图；

图26B是本发明探测角度方位架体的分度器组件部分的立体图；

图26C是本发明包括隔离器的探测角度方位架体的分度器组件部分的剖视图；

图27显示了包括本发明定向钻孔机的系统；

图28是本发明操作方法的流程图；以及

图29是本发明操作方法的流程图。

发明详述

下面详细说明本发明各种实施例的制造和使用，应该理解本发明提出了许多可应用的发明原理，可以在各种特定情况下实施这些发明原理。这里说明的特定实施例仅仅是为制造和使用本发明所采用的特殊说明方式，而不是为了限制本发明的范围。参照以几种选择形式A、B等表示的具有标号的部件，其目的在于指几种可选择的形式，没有这种字母的是指所有可以选择的形式。

参照图1-3、6A-6B和7A-7B，本发明钻头10包括作为通用部件的、如图所示头尾连接的探测装置架体14、气锤16和钻头组件18。如上所述，钻头10还可以包括起动杆12。起动杆12的末端13连接由定向钻孔机带动的普通钻杆组，通过钻杆组、起动杆12和探测装置架体14内的通道输送压缩空气以便操作锤16。刀头组件18包括刀头19A，刀头19A具有一排切削齿20A和刀头轴21A，刀头轴21A用于将刀头19A安装到锤16的前端上。刀头19A通过插入横向孔23的滚销可拆卸地安装在轴21A上。带角度的口部22A设置在头部18中，用于将来自锤16的压缩空气由刀头19A前方喷出。压缩空气中加有泡沫形成的介质，使得在由刀头19A喷射/减压时，自然形成润滑钻孔泡沫。该泡沫用于带走刀头路径上的土屑和/或碎岩石片。

起动杆12、探测装置架体14和气锤16可以为现有技术中已公知类型的。例如锤16可以是Ingersoll-Rand下井锤而不是所示的锤。由EearthTool Corporation ofWisconsin公司提供的以Spline-Lock型号命名的花键类型连接可以用于将探测装置架体14的任一端与锤16和起动杆12连接。省去了花键的相同类型的滚销连接用于将刀头19A安装在轴21A上，如上所述。

图6A-6B和7A-7B显示了起动前的钻头10。由钻杆组压缩的液体沿起动杆12中的中心通道32流动并依次流入探测装置架体14中的纵向通道34，通道34与探测装置腔36隔离。根据一般惯例，通过将探测装置的端部装配在小突起部38而使探测装置(未示)相对于刀头安装在预定方向上。减振器可以设置在探测装置腔的相对端以对探测装置进行隔振。

压力液体接着流出通道34的前端而进入构成一部分锤16的阀杆42中的后部开口40。阀杆42的后环形凸缘44在锤16的管形壳体48的内延伸环形凸缘46和探测装置壳体14的前端面之间固定就位。压力液体由开口40流入具有几个径向口52的歧管50，接着流入在杆42的小直径前部56和撞锤60的后管形部58之间形成的环形后压力腔54。该腔中的压力迫使撞锤60向着所示的位置向前移动，其中撞锤60的前端将冲击传递给刀头轴21A的后砧面62。

穿过后管形部58的径向口66使压力液体流入后部58外侧上的向外打开的环形槽68。如图6A所示，槽68通过纵向槽71与撞锤60中径向向内延伸的口70相通。但是在此处，当撞锤60处于所示位置时，由于口70被小直径部56的前面74盖住，因此阻挡了液体的流动。

刀头轴21A通常为圆筒形，但是具有一系列沿其中剖部分均匀隔开的径向花键72A，它们沿轴21A的纵向伸长。花键72紧密装配并滑动安装在设置于套筒76内部的相应槽74中。套筒76通过螺纹78可拆卸地安装在管形壳体48的前端，并具有通过螺栓81固定于其上的前端盖80。花键72最好包括具有增大宽度的主花键(见图5B中的75B)，该主花键装配在套筒76的相应主槽中。主花键75保证刀头19与探测装置合适对准以便转向，还应该采取步骤以保证套筒76中的主槽处于正确位置。为此，可以设置用于将套筒76安装在前端盖80上的螺栓81的孔79，使得仅能在孔79处于相对于盖80的合适位置时才能插入螺栓81。盖80依次具有一系列花键81，该花键81接合锤壳体前部的槽83，如果需要的话，还包括主花键和槽组合以保证正确的装配。相同槽83如果在径向上较深，则还可用于接合套筒76上的相应花键作为将套筒76锁定在正确位置的另一种方式。

根据本发明目的，主花键和槽的宽度可以大于或小于其它花键，以便提供需要的锁定功能。连接锤16和探测装置架体14的花键接头85具有主花键和槽。一系列锁定的连接保证了刀头19，特别是下述的计量器柱(gage tower)，将关于探测装置正确定位。

当钻杆组沿向前的方向在钻头10上施加压力时，该压力克服压力液体并开始移回刀头19A，缩小刀头19A和前端盖80之间的间隙。这样依次迫使刀头轴21A和撞锤60一前一后地往回移。当发生这样的动作时，口70向后移动，当其到达杆42的小直径前部56中向外打开的环形槽82时打开。此时，压缩液体流过槽82，向外流过类似于口70但由口70向后偏置的第二径向口84，穿过撞锤60外部中的纵向延伸槽86而到达前压力腔88。此时，撞锤60由于腔88中压力的作用而开始向后移动，间隙在撞锤60和刀头轴21A的后砧面62之间打开。但是，安装在刀头轴21A后端内和撞锤60中孔91前端内的阶梯状塑料管89临时防止压缩的液体进入刀头轴21A中的中心孔90内。

当撞锤60继续其向后的冲程时，后口84由杆42的前部56覆盖，撞锤60清理塑料套筒的后端，通过排泄口22A使前腔88泄压。压力液体由刀头喷入孔内并变成泡沫。此时，后压力腔54中的力增大，使撞锤减速并反向开始其向前的冲程。撞锤60后部的腔92最好通过花键连接94内的小通道93进行排气，以便防止在腔92中形成过高的压力。锤16以这种方式连续工作并在通过钻杆组施加预定阈值推力时自动开始工作。

刀头19A具有径向延伸部或计量器柱96A，它带有几个计量器切刀97A，该计量器切刀97A通常类似于其它硬质合金齿或块20A。如图4、5A和5B中所示，其中刀头19B类似于刀头19A，如图所示除了花键72B分成前后段外，刀头轴21B与轴21A相差不大。

最好有至少三个计量器切刀97，即一个位于柱的中部，其它两个与其等距隔开，形成圆弧，通常表示为大于刀头19外圆周的假想圆。但是，即使单个切刀97可以证明满足一些目的，还要求这样的计量器柱96的宽度不大于单个切刀97的宽度。但是最好计量器柱96关于钻头10的纵轴形成大约45至90度的角度A(见图18)，或其长度大约为刀头19宽度的1/2至3/4。计量器切刀97，类似齿20，最好为碳化钨块。

计量尺寸是术语，它表示由刀头19形成的孔的直径。如果刀头旋转一圈，该直径是计量器柱和一个或多个计量器切刀97通过由刀头19相对侧上的跟部98划定的尺寸。根区域98起轴承面的作用，它对计量器钻削动作施加反作用力。包括块20的主钻削面99以与传统的非可控撞击岩石钻孔相同的方式从孔的中心区域去除物质。

图4-5B和8-20显示可以在本发明中使用的几种变化形式的刀头19C、19D、19E、19F。如下所述，根据刀具工作的方式，跟部98可以是较大的斜面(98C)，或具有由后向前的斜度(见98F)。同样地，计量器柱96可以伸出一基本距离(96E、96F)，或仅微微伸出(96C)，或者如果刀头19具有合适的不对称形状则根本不伸出。在图12-15中，设置用于运土和钻削的斜槽101。在图16-20中，每个喷射口22还包括由口22E、22F延伸的并将泡沫输送到刀头19E、19F的外圆周的浅径向槽102E、102F。尽管已经证明刀头19E和19F对有关在土壤和岩石中控制方向的状态是最有效的，但是还已经证明了这些实施例中的每个实施例可成功地进行钻孔。

本发明允许将管或电缆放置在地面之下，处于固体岩石状态中的预定深度处并沿着可以弯曲或方向变化的路径放置。操作者在地面或在已挖掘的小坑中开始所述的过程，借助气体或液体致动撞击锤16迅速穿过岩石进行钻孔，并且在任何平面中慢慢控制方向的改变。操作者能这样保持要求的深度，并正确地在会穿过要求路径的其它已有的埋藏公共设施之间进行操控。

一种改进特别在于撞击钻削过程中刀头的形状和将定向钻孔机与气锤连接的钻杆组的运动之间的相互影响。有关刀头上部件的运动是很重要的。图18-20中所示的刀头19F不取决于操作平面、斜度或角度以引起方向的改变。当刀头19F受到冲击并通过一致的旋转角度和在关于钻杆组的循环方式下以恒定角速度旋转时，由于形成非对称钻孔形状，因而完成方向改变，该角度小于一整转。

旋转速度必须接近恒定，以便使硬质合金撞击切刀20F、97F穿透整个开凿面。旋转角度必须小于一整转，使得钻孔是非对称的。对于多循环转过的角度必须一致，每循环穿透度受到限制，根据岩石条件和旋转速度，每循环为0.05至0.25。该角度必须大于0，否则不能进行钻削，通常为45度以上至240度，180度至240度范围可获得最好的结果。角度扫过的中点必须保持一致，以便引起方向改变。

形成的钻孔将是非对称的，因为刀头形状是非对称的并且它不完全绕钻杆组轴线旋转。采用上述动作进行钻孔而钻到一定距离并进行多个循环，非对称钻孔将引起方向逐渐改变〔见图16〕。该钻孔大于钻头10或钻杆组，使刀头轴线和刀头得以关于钻孔轴线成一角度倾斜。钻头和钻孔壁之间的空间使钻头10通过产生的钻孔力而得以在钻孔中倾斜或复位。计量器柱96的存在使刀头面上的压力中心由(非可操纵锤具有的)钻头中心轴线移向靠近计量器切刀97的一些点。该静推力和质量沿刀头轴线作用。来自撞击钻削作用的反作用力是很重要的，每次冲击的峰值力容易达到50000LB并持续几毫秒。

由于冲击作用力沿着不同于锤质量和推力的轴线作用，因此产生力矩(扭矩)，它会使钻头10和钻杆组在钻孔的间隙内进行弯曲。钻头会趋于旋转而离开计量器柱。该动作表示钻头处于新的方向并进行钻孔，以沿该轴线行进。该轴线连续改变，它形成了弯曲的钻孔路径。

为了在控制方向操作中避免形成圆形的对称钻孔，刀头19决不能在整个回转中进行钻削。为了实现该循环过程，当到达角度边界时，操作者可以沿相反方向旋转，或由钻削面拉回并继续旋转，直到到达开始的点。第三种选择的方式是由钻削面拉回并沿相反方向旋转而回到开始点。已经成功使用了所有这三种方法，但是如果采用小角度旋转并且孔极不对称，则第三种方法会带来麻烦。在这种情况下，刀头不能旋转并且会被卡住。

所示使用良好的所有刀头19的主要部件是安装在计量器柱96上的计量器切刀97。无论在刀头中是否设计有斜跟部或楔形部98，钻头10必须具有计量器柱以在固体岩石中进行良好方向控制。钻头10将不是用计量器柱而是用楔形部在颗粒状松散物质如土壤中进行方向控制。还可以不采用楔形部而采用计量器柱在颗粒状土壤中控制方向。采用两个部件在土壤中转向得最快。

在锤/探测装置壳体组件中放置块体是很重要的。使块体的重心偏向于锤轴线的计量器柱一侧是有害的。可以允许将其放置在中心。使其偏离计量器柱放置是有利的。离心块体的作用力会增大锤的预期偏向，由此提高可以实现的控制方向的最大速度。由于锤16的质量分布基本是对称的，可以通过探测装置壳体14的偏置和任选起动杆12远离计量器柱来非常方便地调整钻头10的质心移动，以便沿有利方向改变钻头10的质心。

旋转角度影响控制方向的速度。较小的旋转角度形成更偏心的钻孔形状并提高转向速度。但是，小旋转角度还形成比大旋转角度小的较小钻孔，并难于由钻孔中向后拉出锤。

一般地，偏心较大的刀头设计会比偏心较小的设计转向的更快。偏心量受限制是通过由滑动刀头轴向锤体传递弯曲力矩而带来的问题。偏心更大的刀头具有大力矩，并且在滑动接合处更易磨损。存在的力矩导致了刀头轴花键上的宽支承面以及花键后面的辅助支承。

本发明的钻头独特之处在于，与土壤这样的可压缩物质相比，尽管出现固体岩石会给操作带来困难，但是操作者可以不受其影响而随心所欲地使钻孔路径偏移(或沿直线行进)。合成运动实现转向或直线钻孔。与钻头几何形状组合的锤的工作特性与各种旋转运动一起应用以对锤进行引导。

笔直钻孔是最容易获得的方向。由于通过钻杆组提供范围为80-350psi的压缩空气，因此在锤上施加推力。推力作用在锤面上，并抵消已施加在往复运动的钻头上的气体压力。锤和钻杆组必须向前运动，向着锤压缩钻头大约1/2至1”。钻头位置关于锤位置的变化改变了内部阀门的配置并开始进行刀具的撞击。一般施加在锤上的压力仅微微大于启动锤时施加的压力。

为了使钻孔笔直，操作者绕钻杆组轴线连续旋转钻机。速度一般为5至200RPM。最大生产率取决于锤速度和旋转速度，锤速度通常为500至1200次撞击/分钟。理想速度为引起碳化钨块(沿切线方向)离开前次撞击连续撞击其直径(一般的块直径为1/2”)的1/2。在该示例中，由每分钟700次撞击的锤形成的6”直径的钻孔应该按下述方式计算：块直径＝.50”，1/2块直径＝.25″，周长＝6.0”＊π＝18.84”，每次撞击的旋转＝.25”/18.84”＊360度＝4.78度，度数＊700撞击数/分钟＝3346度/分钟，3346/360＝9.3RPM。速度常常大于这一速度。当块图形(pattern)中心偏离钻头中心时，围绕理论钻削轴线钻削圆孔。该轴线位于计量器切刀最外面和转向面底部(跟部)之间的中间。

钻圆弧(转向)需要比沿直线行进更复杂的运动。该说明是假定由名义上的水平钻孔轴线向上转向。可以通过重新对转向运动的中点定向来获得任何方向。为了向上转向，计量器切刀必须被定位在上部，转向面或跟部位于下面。假想时钟面位于钻孔面前部，操作者从计量器块位于8点起动。钻杆组被推入钻孔面由此致动锤。一旦运转起来，钻杆组以最佳匹配的笔直钻孔的理想速度顺时针旋转。旋转持续时钟面的8小时，直到计量器块到达4点。此时，使锤退回到足以将块拉离钻孔面，由此使锤停止。钻杆组反时针旋转到8点并重复该过程，或者可以使用返回到上述起始点的另一种方法。

该方法，已知为倾斜的，将钻削出大致的圆形，但是将岩石裂片留在底部上。裂片是底岩。多次重复该过程，每4小时时钟循环可以前进.20”。采用30次/分钟的循环速度，则前进6”/分钟。继续笔直地钻削具有半圆形面的钻孔廓形直到转向面(锥形)接触该底岩。当继续前进时，底岩裂片迫使廓形增大。在6”钻孔中所示的裂片具有的高度为0.12”。偏离轴12度角的转向面将该裂片或底岩向上拱0.12”并移动超过大约.57”。刀头再次用其半圆形轮廓笔直钻削大约2.5”的距离，直到转向面再次接触该平层。

该过程是具有采用圆锥形提升器的阶梯操作，如图16所示的直阶梯。底岩的动作不仅改变了钻头的高度，而且有助于其改变角度倾斜。钻杆组的后部(大约距该面后部30”)作为杠杆支点或铰接点。升高锤的前面而不升高后部则使其倾倒。由于对方向进行足够的改变，操作者现在可以笔直钻孔，实现了转向校正。在仅32”的行进中钻头方向改变3度，即使在可压缩介质中该数字也是可以允许的。

上述转向的方法在岩石中最有效，但是还可以用于土壤或其它松散的介质中。此外，还可以采用停止刀头旋转的技术并依靠刀头侧面上跟部区域以引起沿预期方向偏离来实现在土壤中转向。如上所述，当以该方式转向时，使锤连续运转是最有效的。

由于由本发明过程引起的破坏是最小的，因此恢复工作场所的费用往往是最少的。即使在钻孔中碰到固体岩石，也可以在分成多车道的公路下面形成钻孔，且同时使用该道路。当可以由公路边收回设备时，需要没有破坏或进行交通控制，不使用爆炸物，在钻孔中不断跟踪钻头位置，不需要将笨重的设备运到道路的相对侧去。可以开始在地面钻孔，并且可以通过在目标点形成岩石面而实现钻孔。此外，如果为了到达岩层必须穿过沙地或土壤，则本发明钻头允许在这样的条件下转向。

可供选择的实施例

在可供选择的实施例中，可以用液体介质来使本发明的撞击锤工作，以向钻削工作部传递动力。液体介质可以包括含水的和不含水流体(例如钻用流体溶液、分散物或泥浆)而不是可压缩流体(如空气)。这样液力驱动流体用于使流体驱动锤工作，可以包括含水和不含水流体，该流体可以用具有各种有用特性的添加剂配制。在的钻孔操作中，该钻孔操作包括了提供有助于钻孔操作的钻用流体(通常公知的为钻孔泥浆)，最好使用这样的钻用流体来传递工作压力以驱动流体驱动锤。但是，分别引导的液力驱动流体还可以用于操作流体驱动锤。

适于驱动流体驱动锤的基本成分为水的流体包括水溶液或具有各种类型材料的分散物，如合成聚合物材料或天然或合成粘土，已知它们具有膨胀和润滑特性，如胶质状粘土。还可用于驱动流体驱动锤的其它基本成分为水的流体包括以水为基本成分的钻用流体，含有CaO、CaCO3、石灰和钾化合物和类似的无机材料。流体可以混合小量的聚合物材料，包括优选的未改性聚合物添加剂和硫化聚合物，如苯乙烯马来酐共聚物(styrene-malericanhydride copolymer)和至少一种由丙烯酸、丙烯酸胺或其衍生物制备的水溶聚合物。其它含水钻用流体包括水，水中混合有胶凝剂、去泡沫剂和由包括甘油、聚甘油和其混合物的组中选取的甘油醇。其它包括反乳胶(inver emulsion)钻用流体。基本成分为聚合物的流体可以有有机的或碳水化合物增稠剂配制而成，增稠剂包括纤维素化合物、聚丙烯酰胺、天然乳液甘露聚糖(galactomannan)和各种其它多聚糖。

适于驱动流体驱动锤216的基本成分为不含水的流体包括合成流体，该流体包括聚二醇、合成的碳水化合物流体、有机酯、磷酸酯和硅。

但是要明白，用于驱动流体驱动锤的基本成分为水和基本成分不为水的流体不限于上述这些流体。本领域的技术人员会知道可以采用其它流体作为钻用流体并驱动活塞锤而不背离本发明的范围。

用流体驱动的冲击锤与气力冲击锤相比具有几种额外的特性和优点。例如，流体驱动锤可以在大约800至2000psi工作压力下而不是压缩空气气动锤所使用的80-350psi的工作压力范围下工作。液力驱动锤在较高工作压力下的工作性能产生冲击锤的较高功率，因此提高了用于钻孔的工作能量。

如上所述，通常用于驱动气动锤的最大工作压力限于大约300至500psi。气动锤受较低工作压力的限制，这部分是由当用可压缩流体工作时固有的危害安全的因素所导致的。例如，在几百psi(和更高)工作压力下工作带来由压力管线失效导致的潜在破坏。为了解决这些潜在的安全问题，因此气动锤通常限于大约300至500psi的最大工作压力。

此外，由于气动锤的能量与其速度的平方成正比，而速度与工作压力成正比，因此，用于钻孔的能量与与工作压力的平方成正比。因此，任何对气动锤工作压力的限制直接导致对用于钻孔的工作能量的限制。

液力驱动锤的其它特性是具有高于气动锤的能量传递效率。例如，由于液体的压缩率实际为零，在大多数实际应用中可以忽略，因此由于由压缩引起的热量转换而导致的液力驱动锤中的能量损失实际为零。但是这是与气动锤相对照，气动锤由于用于驱动锤的流体压缩性而损失能量效率。例如，当气体在压缩时温度升高，该热量散发到环境中去，并由此降低气动锤的能量效率。

此外，在钻孔中，由于将流体引导到锤的通道保持充满，因此用于操作流体驱动锤的液体不会降低压力。这与气动锤的情况不同，当将每个新管段加入到钻杆组上时，气体管线通常降压。因此，在继续进行钻孔操作之前，气体管线中的容积必须再增压。可以理解，当钻杆组中的钻杆数量增大时，需要对管线再增压是很麻烦的。

流体驱动锤的另一特征是能从钻杆组前部带走在钻孔工作中产生的围绕钻杆组的钻屑。用完的液体通过设置在钻杆组上的通道流出钻杆组，为此提供了有效的方法而将钻屑由钻头前部带走。反之，在气动锤中用完的空气不能象用完的液体那样有效地带走钻屑。

本领域的技术人员会理解，流体驱动锤216(见图22)通常以与上述参照气锤16相同的原理进行工作。而且如上所述，每种类型的锤，无论是气力驱动还是液力驱动的，都具有只有用于驱动锤的介质(如可压缩流体对流体)才有的显著优点。因此，在本发明的一个实施例中，气锤16可以用流体驱动锤100(见图21和22)、400(见图23和24)或216(见图25)代替。例如，流体驱动锤100、400和216可以用钻用流体或任何其它本领域技术人员所公知的液力驱动流体来驱动，而不会背离本发明的范围。

本领域的技术人员会理解，本发明的流体驱动锤可以是本领域已知的任何类型的锤。例如，流体驱动锤可以是由Gustafsson的US5715897、Eckwall的US5785995、Gustafsson的US5107944和/或Gustafsson的US5014796中公开的类型，本文将这些专利内容作为参考。但是本领域的技术人员会理解，公开在这些参考文献中的锤不能受到控制，不包括探测装置并且不应用在水平钻孔中。

通常，流体驱动锤以及其它流体锤需要一定水平的工作压力并流动以便致动锤。此外，流体驱动锤需要撞击钻杆组的力(如由水平方向钻机的驱动件产生的推力)，它反抗锤的活塞。在该力作用下，锤不会被致动，与施加在锤上的压力或流体无关。

可以对流体驱动锤的设计进行改进以便改变这些参数之间的关系(如推力和工作压力)。因此，流体驱动锤可以设计成在钻刀头上没有任何推力时使通过液体传递的工作压力得以施加在锤上，并在随后顶着钻刀头施加的额定力而使流体驱动锤起动。该设计随后被称为标准(NIN)型流体驱动锤设计。

瑞典的G-Drill制造了一种标准型(NIN)流体驱动锤设计，它由Water PoweredITH Hammer WASSARA W100和W100S指定供商业使用。这里所指的标准型NIN流体驱动锤通常设计成用较清洁的水作为驱动流体来工作。可以理解，当使用用于驱动锤的钻用流体时，可以对标准型NIN流体驱动锤进行改进。例如，可以修改内部间隙和构成NIN锤的材料，使得在钻用流体所通常具有的较高粘性和较高污染下使锤精确地进行操作。

图21和22显示了标准型NIN流体驱动锤100的示例。这里简要说明锤100。但是，为了对锤作更详细的说明必须参考Gustafsson的US5715897。

在图21和22所述实施例中的液力撞击电机的工作中，后驱动腔126的增压引起活塞锤124通过活塞工作面积137的增压而沿其前冲程移动。后驱动腔126的减压使活塞锤124沿其返回冲程移动。通过使前驱动腔134连续增压作用在活塞工作面积136上而形成返回冲程。

后驱动腔126的增压和减压由滑阀140的位置来控制。滑阀140具有两个工作位置。图21显示了第一工作位置，并对后驱动腔126增压。第二工作位置(未示)使滑阀140向后移动到靠在后盖138上。该位置引起后驱动腔126和控制面A1和A2得以减压。由于控制面A3上的连续偏压，尽管控制面A1和A2减压，滑阀140也保持在第二工作位置。

滑阀140由第一位置向第二位置的循环移动由活塞锤124的位置控制。当活塞锤124向前移动以撞击钻刀头114时，控制面A2增压以使滑阀140向着其第二工作位置移动，使控制面A2减压。当活塞锤124到达返回冲程的极限时，控制面A1减压以使滑阀140移动到其第一工作位置。

在启动时，假定机器处于最初的减压状态。增压水通过后盖122进入机器并如上所述使环形空间158增压。多个平行通道157沿轴向穿过阀壳体120并连接前驱动腔134和空间158。因此，前驱动腔134实质上在启动时立即增压。类似地，多个通道将进入环形腔147中的一排口162和增压腔158相连，以便腔147实质上在启动时就立即增压。

在启动时，不能推测滑阀140或活塞锤124处于任何特定结构。因此，将分析不同结构状态，每种分析均假定机器现在具有增压的前驱动腔134和增压的环形腔147，如前所述。

此外，最好能对活塞锤124的限制轴向位置进行限定。可以通过采用管123阻挡而限制活塞锤124的后移，使得口160最好保持打开。另外，采用面A5通过阀壳体120的阻挡而限制活塞锤124的后移。或采用面137通过阀壳体120的阻挡而限制活塞锤124的后移，有效关闭后驱动腔126和关闭口160。由口160泄漏到后驱动腔126中的液体接着根据需要使活塞工作面积137增压。

活塞锤124的前移可以通过目标(钻刀头114)(如图22所示)的撞击而受到限制。在该向前的限制下，在表面A6和导向轴承118和表面A6的活塞工作面积之间产生间隙，保证表面A6的活塞工作面积在启动时增压。

首先，假定滑阀140在启动时是处于向前的位置，如图22所示。环形腔147与环形腔148相通，通过口162、通道159和口160，将使后驱动腔126增压。

如果活塞锤124处于其向后的移动极限位置(未示)，口153和155会关闭。口156会打开。开口156与前驱动腔134相通，并通过通道154和环形腔145使活塞工作面积A1增压，保持滑阀140处于其向前的位置。后驱动腔126的增压将启动活塞锤124进行其向前的冲程，开始工作循环。

如果活塞锤124处于中间轴向位置(使口153关闭)，口155和156可以在启动时打开或关闭。如果口155或156打开，则接着活塞工作面积A1会增压，或者通过经口156的前驱动腔134，或者通过经口部155的后驱动腔126。滑阀140会由此保持在其向前的位置，活塞锤124将完成其向前的冲程，开始工作循环。

如果口155和156在启动时关闭，后驱动腔126的增压会启动活塞锤124向前移动。在初始的向前冲程中，口155随后会打开，在定期的工作循环中会使活塞工作面积A1增压。

如果活塞锤处于或靠近其前移的极限位置，口153和155会在启动时打开。后驱动腔126的增压会(通过口155)使活塞工作面积A1增压，并会(通过口153)使活塞A2增压。滑阀140会移动到其向后的位置使后驱动腔126减压并通过活塞工作面积136的增压使活塞锤124开始进行后冲程。

接着，假定滑阀140处于其向前和向后的稳定位置之间的中间位置。如果滑阀140进行足够的前移，使得环形腔147和环形腔148保持相通，接着启动过程将与上述的完全向前滑阀140的启动过程相同。

如果滑阀140处于或靠近向后的稳定位置，接着肩部149防止环形腔147和环形腔148之间相通。因此，在启动时，后驱动腔126将不立即增压。

如果活塞腔124处于其向后的移动极限位置(未示)，口153和155会关闭。口156会打开。开口156与前驱动腔134相通并通过通道154和环形腔145使活塞工作面积A1增压，驱动滑阀140移动到其向前的稳定位置。环形腔148现在会与环形腔147相通，使后驱动腔126增压。后驱动腔126的增压将启动活塞锤124进行其向前的冲程，开始工作循环。

如果活塞锤124处于中间轴向位置(使口153关闭)，口155和156可以在启动时打开或关闭。如果口155或156打开，接着活塞工作面积A1会增压，或者通过经口156的前驱动腔134，或者通过经口155的后驱动腔126。滑阀140会由此被驱动到其向前的稳定位置，活塞锤124将完成其向前的冲程，开始工作循环。

如果口155和156在启动时关闭，前驱动腔134的增压将启动活塞锤124向后移动以开始工作循环(后驱动腔126仍不会增压)。口156随后在初始的向后冲程中打开，在定期的工作循环中使活塞工作面积A1增压。

如果活塞锤124处于或靠近其前移的极限位置，则口153和155将在启动时打开。但是后驱动腔126不会增压，因此前驱动腔134的增压会启动活塞锤124向后移动以开始工作循环。

可以理解，制造的上述标准型NIN锤命名为Water Powered ITHHammer WASSARA，型号为W100/W100S。该锤包括当没有力作用在钻刀头114上时的特性，压力施加在活塞锤124上，增压流体通过活塞锤124涌出通道。

下面的表1中给出了标准型NIN流体驱动锤的工作限制的一个例子，例如WaterPower ITH Hammer WASSARA型号为W100/W100S。

表1

将力施加在至少300-500lbs.的钻刀头上，需要启动锤的液流将为每分钟5至20加仑(gpm)：

1)如果要求不启动(NOT ACTIVATE)锤，则流体流动将限制在：a)当作用在钻刀头上的力在大约0-500lbs内时，流动速度必须设定为大约10至15gpm；

b)当作用在钻刀头上的力大于约500lbs时，最大流动速度应该设定在最大流动速度(gpm)＝0.03×力(lbs)；

2)如果要求启动(ACTIVATE)锤，则流体流动速度应该设定在最小流速：

a)最小流动速度(gpm)＝0.03×力(lbs)；

另外，可以理解，可以设计一种流体驱动锤，使得钻刀头上没有作用任何力时锤不工作。这通常指的是冲洗(flushing)位置。这样，当锤处于冲洗位置时，向钻刀头施加标定工作范围内的力将不会启动锤。以后该设计指的是主动冲洗型GIN设计，Gustafsson的US5014796专利中描述了一种该类型的设计。

主动冲洗型GIN流体驱动锤由瑞典的G-DrillAB制造，该锤以型号为GINW100/W100S“G2”进行销售。如上所述，参考标准型NIN流体驱动锤设计，这里所指的主动冲洗型GIN流体驱动锤还通常设计成用较清洁的水作为钻用流体来进行操作。可以理解当使用钻用流体来驱动锤时，可以改进标准型GIN流体驱动锤。例如，可以改进内部间隙和构成GIN锤的材料，使得用通常有较高粘度和较高程度污染物的钻用流体来正确操作锤。

图23a、23b和24示出了主动冲洗型GIN流体驱动锤400。尽管这里将简要说明锤400，但是Gustafsson的US5014796中对锤400作了进一步的说明。现在参照图23a和23b，示出了岩石钻410的外壳418，它由一般具有较均匀厚度的长圆筒形管构成，该管具有内环形邻接部413。圆筒411最好与阀门室412成一体，圆筒411容置在外壳418内并由径向分离的环形结构414和415支承，环形结构414和415抵靠在邻接部413上。圆筒411通过管形衬套416沿轴向固定在外壳418内，管形衬套416在阀门室412的后面和后盖(未示)之间延伸。衬套416通过螺纹固定在外壳418的后部，并以普通方式将转动传递给外壳418。

衬套418的内部形成口417，通常提供有使用高压流体最好是水的钻管。水通过后盖和口供应并用于驱动下井钻。

如图23b的截断视图所示，钻刀头420可滑动地容置并保持在套管421内，套管421通过螺纹装配到外壳418的前端上。钻刀头420的砧部419在套管421的环形槽422中伸出。套管421中的导向轴承423设置在槽422的后部。钻刀头420具有贯穿的冲洗通道424，通向其工作端部，在套管421和钻刀头420之间设置通常的花键连接(未示)，由此将旋转由外壳418传递到这里。

由外壳418形成长腔425，长腔418在钻刀头套管421的导向轴承423和圆筒411的分离的环形结构414和415之间延伸。腔425永远保持在低流体压力下，即由于连接腔425和环形槽422的一个或多个减压通道426而减压，环形槽422与钻刀头420中的冲洗通道424相通。

锤428可在外壳418中往复运动，以便重复对钻刀头420的砧419进行撞击。并最好在锤428的后端设置驱动活塞429。锤428的撞击前端具有轴颈430，轴颈430滑动安装在套管421的导向轴承423内，圆筒形放大锤部432以往复运动的方式设置在腔425内。直径增大部432用于增大锤428的撞击能量并且使腔425内具有足够的间隙，以便当锤428往复运动时低压液体在腔425的端部之间基本不受阻碍地进行流动。

活塞429和增大的锤部432之间具有缩小的颈部431，该颈部431的直径等于轴颈430的直径。颈部431由径向分离环结构414、415围绕而密封并在环结构414、415中自由往复运动。

轴向冲洗通道434沿中部延伸穿过锤428，并在其后部活塞429内具有增大的钻孔435，活塞429可以密封的方式在中部低压或泄压导管438上滑动，导管438与圆筒411同轴而构成圆筒411的组成部分或固定在圆筒411上。导管438与中部活塞通道434和阀门室412内部完全相通。

活塞429以滑动和密封的方式安装在形成驱动腔439的圆筒411中，活塞429的后端面440面对该驱动腔439，腔439用于驱动锤428向前移动而进行其工作冲程。

缩小的颈部431周围设置相对的圆筒腔441，环形相对驱动面442面向该腔441，驱动面442小于驱动面440并适于迫使活塞429向后移动以完成锤428返回冲程。

阀门室412具有轴向孔445，管形控制阀446(最好是滑阀)在轴向孔445中往复运动。控制阀446的内部与导管438常通并因此保持在冲洗通道434和424的低流体压力。控制阀446具有以密封和滑动的方式安装在轴向孔445中的差压活塞447，通过螺纹拧在阀门室412上的盖448封闭轴向孔445。盖448以密封和滑动的方式套在控制阀446的上裙部449上。控制阀的相对端形成下裙部451。缩小的腰部452设置在下裙部451和差压活塞447之间。下裙部451的外直径稍微大于上裙部449的外直径，并稍微小于孔445的直径。中间台阶部450是孔445边界。伸出的导向悬垂部454(见图24)设置在下裙部451的轴向面上并当控制阀446在图23a的位置和图24的位置之间往复运动时作为导向件，在图23a的位置中下裙部451紧靠下台阶453而进行密封，在图24所示的位置中，下裙部451紧靠中间台阶450密封。

流体通道458通过分支通道459将高压口417与阀孔445相连，以在差动阀活塞447上施加恒定下侧压力，由此使控制阀446偏向于后部活塞，如图24所示。流体通道460将驱动圆筒腔439的上部与阀门室412中的环形内槽455相连。

在作业中，控制阀446适于响应锤428的移动特别是响应控制槽433在活塞429上的位置而往复运动。为此，如图23a和24所示，控制通道461延伸而将位于阀孔445上端的控制腔480与腔439和441之间的圆筒壁相连。这些腔与活塞控制槽433对准，如图23a位置所示，控制槽433将控制通道461与通向低压腔425的流体通道462连接，由于阀孔445的上端泄流，上述向上的阀偏压使控制阀446向上移动到其图24所示的位置，其中下阀裙部451紧靠中间台阶450密封。

因此，当图23b中的锤428撞击在砧座419上并且阀孔445的上端泄流时，由口417通过通道458和459传递到阀孔445下端的高压将控制阀446移动到图24的位置。此时，并且直到在其向上的偏压作用下的锤428移动到图24的位置，驱动腔439将通过通道460和打开的下台阶453而被排空到导管438。流出的流体被引入通道434和424以冲洗由钻刀头420在岩石中钻出的孔。

当到达图24中的后部位置时，活塞429的控制槽433连接分支通道463而使高压通道458与通道461相通。这使阀孔445端部增压。由于阀裙部449和451之间的直径差，使差动阀活塞447的后表面大于相对的净表面，在阀活塞447上形成了产生了恒定的向后偏压，结果使控制阀移回到图23A的位置。因此，中间阀台阶450打开，驱动圆筒腔439通过通道458和459、阀腰452和通道460与高流体压力相连。结果，迫使锤428完成其工作冲程，以便在钻刀头的砧座419上撞击，见图23B。接着重复上述操作。

在岩石钻的上升位置，钻刀头420会由图23B所示的位置稍微向前下沉。此时，锤428的增大部432被截住，锤被拦住并下降到腔425中的前部孔466内。同时，高压分支通道463与驱动腔439相通。腔439通过(设置在壁导管438中的)孔467泄流以进行彻底的流体冲洗，目的是改变主岩石钻的冲击能量。

腔425可以与锤合作，该锤包括具有可变长度的增大部432。这可以通过图23B中锤468的虚线来表示。

能将180bar(18Mpa)的水输送到口417。在锤往复运动中改变流体的要求通常由具有流体的管输送岩石钻410中的水柱的压缩和再膨胀来平衡，由此避免使用底孔气体加载累积器。

采用180bar(18Mpa)的水压和96mm直径的钻套管，例如，新的阀设计获得大约25-30kW的撞击能量和接近60Hz的鼓风频率。大约为150-200公升/分钟的水消耗量获得了高于0.6米/秒的水冲洗速度，在直径为116mm的孔内该速度足以通过提升而带走垂直钻井中的岩屑。

可以理解，上述的标准型GIN锤具有这样的特性，当没有力作用在钻刀头420上时，压力被施加在活塞锤428上，增压流体通过活塞锤428冲出通道。

上述型号为GIN W100/W100S“G2”标准型GIN流体驱动锤的工作限制的一个实例由下表2给出。

表2

1)如果要求不启动(NOT ACTIVATE)锤，按下面的顺序执行：

a)将力减小至大约为0；

b)向流体锤施加以15gpm的速度流动的流体，结果是使锤移动到冲洗位置；

c)从此时起，控制流体流速和作用在钻刀头上的推力，使得：

最小流速(gpm)＝.025×力(lbs)；或

最大力(lbs)＝40×流速(gpm)。

2)如果要求启动(ACTIVATE)锤，按下面的顺序执行：

a)将流向锤的流体流速减小至大约为0；

b)施加最小力500lbs；

c)应用最小流速15gpm；

d)从此时起进行控制，使得：

最小力(lbs)＝40×流速(gpm)；或

最大流速(gpm)＝.025×力(lbs)。

现在参照图25，在一个实施例中，根据本发明原理构成的钻头210由头至尾包括作为通用部件的探测器架体/壳体214、流体驱动锤216和钻刀头总成218。钻头210还包括起动杆212。起动杆212的末端213连接由定向钻孔机驱动的普通钻杆组。在一个实施例中，钻用流体通过钻杆组、起动杆212并通过探测器架体214中的通道输送。该流体还用于驱动流体驱动锤216。

钻刀头总成218包括钻刀头219A和刀头轴221A，钻刀头219A具有一排切削齿220A，刀头轴221A(见图25B)用于将钻刀头219A安装在流体驱动锤216的前端。钻刀头219A通过插入横向孔223的滚销而可拆卸地安装在轴221A上。在本发明的一个实施例中，带角度的口222A(见图25B)设置在钻刀头总成218中以将来自流体驱动锤216的消耗流体由钻刀头219A的前部射出。在带角度口部222A的钻用流体用于将来自钻刀头路径的包括土和/或岩石碎片的钻屑带走。

在一个实施例中，设置了具有探测器架体214的钻头210，其中探测器架体214包括联接件。在本发明的一个实施例中，该连接件是螺纹件259，它适于连接到流体驱动锤216的螺纹端上。如上所述，可以理解，花键连接可以用于将探测器架体214连接在流体驱动锤216和起动杆212的任一端。省去了花键的相同类型的滚销连接可以用于将钻刀头219A安装在轴221A上。

再参照图25和25A，设置螺纹端250使得螺纹端250的中心线或纵轴“1”(弯曲轴)与钻杆组的纵轴“L”形成角度θ。角度θ可以由大约0.5°至大约2.0°变化，通常大约为1.5°。但是，可以理解，角度θ受到以下条件的限制，即钻头210可以用于钻穿固体岩石和可压缩的土壤。换句话说，当钻入固体岩石时，弯曲轴的角度不超过预定的值，使得钻头210不卡在孔中。还可以理解，钻杆组的指定纵轴L通常可靠近或位于探测器214和起动杆212处。

流体驱动锤216连接探测器架体214，使得流体驱动锤216的长度与钻杆组的纵轴“L”形成角度θ。角度θ形成偏移(或弯曲轴)以使钻头210转向。本领域的技术人员会容易理解气锤216还可以以类似方式连接探测器架体214的螺纹端250。

在可压缩物质如土壤中钻孔时，通过利用由探测器架体210和流体驱动锤216形成的弯曲轴，操作者可沿要求的偏离方向使钻头210由直的路径偏转或转向。例如，尽管沿大体水平方向在土壤中钻孔，也可以要求钻头210沿通常向上的方向偏转。这可以以下方式来实现，即通过首先旋转整个钻杆组，使得由钻杆组纵轴“L”最大程度延伸的流体驱动锤216的部分指向要求的偏转方向。当将钻头210放置在合适的偏转方位上时，通过由定向钻孔机施加钻孔力而使钻头210前进。因此，钻头210的路径根据流体驱动锤216的方位进行偏转。该转向操作类似于当钻头装备有用于使钻杆组偏转或转向的弯曲件时所使用的操作。

本领域的技术人员会理解，钻头210可以根据要钻孔的介质特性通过使用各种技术而沿要求的方向偏转或转向。例如当钻通可压缩土壤时为了使钻头210偏转或转向，钻头210通常不旋转，流体驱动锤21可以或不可以被操作。但是，其它土壤类型具有这样的特性，即为了使钻头210沿合适的方向偏转，单是钻杆组的推力不足以使钻头210偏转。因此，在某些类型的土壤中，会要求采用流体驱动锤216向钻刀头219A传递撞击，同时改变在土壤中的方向。

此外，当钻固体岩石时，钻头210通常不旋转，通过用流体驱动锤216向钻刀头219A传递撞击。钻头210接着采用与上述采用气锤16基本相同的倾斜方法改变在固体岩石中的方向。例如，钻切出大致圆形，但是使岩石裂片或底岩(shelf)留在底部并重复该过程多次。上述的倾斜方法产生具有图16所示的具有锥形的立(riser)台阶和直台阶。如上所述，底岩的动作改变了钻头的高度并有助于其改变倾斜角度。

还有中间型土壤，这种土壤具有这样的特性，即钻头210可以旋转小于360度的圆弧(和/或保持静止)，同时用流体驱动锤216对钻刀头219A撞击，为的是改变在土壤中的方向。而且，该过程可以采用与上述采用气锤16相同的倾斜方法来完成。但是在某些条件下，尽管钻杆组可以在偏转或转向过程中旋转，也可以不需要由流体驱动锤216进行的撞击。

参照图25B，显示了钻刀头总成218的剖视图。在本发明的一个实施例中，钻刀头总成218设置套筒217内，该套筒217具有适于容置钻刀头总成218的内表面221和适于容置在流体驱动锤216末端的外表面223。可以理解套筒217的内表面可具有用于容置钻杆221A的各种部件，如类似于钻杆21A的花键72B的花键，如上所述。此外，套筒217的外表面223可以具有螺纹，用于将钻刀头总成218连接于流体驱动锤216的末端，驱动锤216具有设置在锤216内部的一组配合螺纹。

可以理解，各种钻刀头组件可以用于钻刀头总成218并与其成一体，而不背离本发明的精神和范围。例如，钻刀头总成218可由Esposito的WO9919596和/或US5778991所公开类型的钻刀头或其它钻刀头来替换。本领域的技术人员会理解，选择钻刀头是本领域技术人员容易明白的设计选择问题。

参照图25，会理解在本发明的一个实施例中，钻刀头219A(如设置在钻刀头组件18和218中的计量器柱，或其它“非平衡”钻刀头-例如具有非对称形状和/或布置和结构以便以非对称方式钻切)的有效转向几何形状应该是成直线排列，使得有效转向几何形状是位于距离钻杆组纵轴“L”最远点的位置。此外，钻刀头219A的有效转向几何形状应该是与流体驱动锤216的轴“l”成直线排列。因此，在使用前，探测器246(见图22A)的方位应该与流体驱动锤216的方位和钻刀头219A的有效转向几何形状对应。

现在参照图26A，探测器246设置在探测器架体214内位于探测器吸振件255A-B之间。探测器分度器总成251置于探测器246和吸振件255B之间。

距钻刀头219A有效转向几何形状的纵轴“L”的最外部分和距流体驱动锤216纵轴“l”的最外点必须与探测器246的方位对应。因此，对距纵轴“L”的钻刀头219A有效转向几何形状的最外部和距流体驱动锤216纵轴“l”的最外部进行这样的调整，即，使得它们对准。设置探测器分度器总成251以进行流体驱动锤216和钻刀头219A之间和探测器216的最终方位调整。

现在参照图26B-C，探测器分度器总成251包括阴探测器盖239，该探测器盖239具有分度面242和包括凸起241的分度舌部。分度盖240与阴探测器盖239连接。分度盖240包括分度面253，分度面253与阴探测器盖239的分度面242配合。分度舌部凸起241适于与设置在吸振件255B中的相应槽连接。

探测器分度器总成251的阴探测器盖239包括小凸起238。阴分度盖239通过保持螺栓243连接分度盖240。保持螺栓243包括保持螺母244和保持弹簧245。阴探测器盖239在保持弹簧245的弹力作用下偏向于分度盖240。可以通过保持螺母244来调整保持力。

在使用中，流体驱动锤216和钻刀头210A的有效转向几何形状之间的方位一旦固定，通过对探测器分度器总成251和探测器246同时转换角度(例如旋转)以便对所有三个部件(如探测器246、流体驱动锤216和钻刀头219A的有效几何形状)进行其正确的调正而完成最终调整。一旦三个部件调整了，探测器246的方位就可以用于决定钻杆组的偏转方向，而不论定向钻孔机的操作者利用流体锤216的弯曲轴来偏转钻可压缩土壤的路径，或者不论操作者利用钻刀头219A来偏转钻固体岩石的路径。当然，本领域的技术人员会理解，可以采用其它技术和结构完成三个部件的转换角度而不背离本发明的精神和范围。

现在参照图27，所示用于钻孔的系统300包括定向钻孔机302。定向钻孔机302包括机架体304，它具有驱动件306以使管进给和通过螺纹拧在一起。定向钻孔机302用于将具有管的钻杆组308推入地面下以便钻孔。因此为了将钻杆组308推入地中，定向钻孔机302通过驱动件306形成沿钻杆组轴线的推力。

定向钻孔机302还装备有压力源320，用于产生由流体传递的工作压力以便操作上述类型(如NIN流体驱动锤和/或主动冲洗型GIN流体驱动锤)的流体驱动锤。

用于钻孔的系统300还可包括控制器322，用于检测和控制由驱动件306产生的推力。控制器322还可适于检测和控制压力源320。

可以理解，控制器322可以是计算机控制箱，包括一个或多个微处理器和各种其它控制电路。于1999年9月24日提出的流水号为09/405,889、名称为“用于控制地下钻孔机的实时控制系统和方法(REAL-TIME CONTROL SYSTEM AND METHOD FORCONTROLLING ANUNDERGROUND BORING MACHINE)”的美国专利申请和Bischeld US594412中描述了一种电子控制模块，这里引入其全部内容作为参考。当然本领域的技术人员会理解，定向钻孔机302的操作者324还能通过操作控制阀并观察提供压力和推力度数的参数指示器以手动方式控制推力和压力。

钻孔系统还包括位于钻杆组308末端的钻头310。钻头310包括探具有探测器346的探测器架体314、撞击锤316和钻刀头319。起动杆也可以撞在钻头310内。位于地上的定位器326确定探测器346的位置。

在使用中，增压液体在贯穿钻杆组308的通道中被输送，为的是操作流体驱动锤316。如上所述，流体驱动锤316对钻头319进行撞击以便钻入各种类型的土壤中。但是，可以也可以不要求流体驱动锤316的撞击操作时间。因此，本发明还提供控制撞击锤316的接通/断开(ON/OFF)状态的方法。

现在参照图28和29，示出了用于控制撞击锤(如气动锤或流体驱动锤)的ON/OFF的方法。图28显示了标准型NIN流体驱动锤的ON/OFF控制的实施例，图29显示了主动冲洗型GIN流体驱动锤的ON/OFF控制的实施例。可以理解，假定用可压缩流体来适当调整操作气锤的阈值压力，这些基本原理可以适用于类似于上述气锤16的气锤。

本领域的技术人员会理解以下方法可以由定向钻孔机的操作者或由定向钻孔机的控制模块(下文中称为控制器)来实施。于1999年9月24日提出的名称为“用于控制地下钻孔机的实时控制系统和方法(REAL-TIME CONTROL SYSTEM AND METHOD FORCONTROLLINGAN UNDERGROUND BORING MACHINE)”、流水号为09/405,889的美国专利申请中描述了一种实现这些功能的电子控制模块，本文通过引入其全部内容而作为参考。

图28示出了标准型NIN流体驱动锤的ON/OFF控制方法的一个实施例流程图258。本领域的技术人员会理解，假定用可压缩流体来适当调整操作气锤的阈值压力，这些基本原理适于与上述气锤16类似的气锤。

标准型NIN流体驱动锤的一种操作限制如下：

将力施加在至少300-500lbs的钻杆组上，需要启动锤的液流将为每分钟15至20加仑(gpm)：

1)如果要求不启动(NOT ACTIVATE)锤，则流体流动将限制在：

a)当作用在钻杆组上的力在大约0-500lbs内时，流动速度必须设定为大约15gpm；

b)当作用在钻杆组上的力大于约500lbs时，最大流动速度应该设定在最大流动速度(gpm)＝0.03×力(lbs)；

2)如果要求启动(ACTIVATE)锤，则流体流动速度应该设定在最小流速：

a)最小流动速度(gpm)＝0.03×力(lbs)；

因此，在程序块260，操作者或控制者选择是否使用锤撞击功能。如果不选择撞击功能，在程序块262，操作者或控制者将定向钻孔机的流体流量限制在起动标准NIN流体驱动锤所需的阈值以下。

接着，在程序块264，保持流体流量动处于起动标准NIN流体驱动锤所需的阈值以下的同时，将定向钻孔机的推力调整到低于起动标准型NIN流体驱动锤所需的阈值水平。由于推力和流速之间存在一定关系，如果流速超过预定量，接着推力可以保持低于一定水平，以便保证锤不起动。一种顺序的实例包括将流速设定在要求的水平，然后施加推力。另外，推力可以首先设置到要求的水平，然后设定流速。例如，流速最初设定在15gpm，而没有施加推力。接着一旦推力达到500lbs，例如，流速(gpm)可以按比率0.03×力(lbs)提高。

在程序块266，推力保持在使流体锤不起动的低水平。此外，如果在钻孔过程中要求钻杆组旋转，则将推力限制在低于标准型NIN流体驱动锤起动所需的阈值水平。

如果在程序块260，操作者或控制者选择使用锤撞击功能。则过程切换到程序块270。在程序块270，流体流量提高到流体驱动锤所需的阈值以上的水平。另外，定向钻孔机提供的推力提高到起动流体驱动锤所需的阈值水平以上。

图29是主动冲洗型GIN流体驱动锤的ON/OFF控制方法的一种实施例流程图278。本领域的技术人员会理解，假定用可压缩流体来适当调整操作气锤的阈值压力，这些基本原理适于类似于上述气锤16的气锤。

如上所述，主动冲洗型GIN流体驱动锤的一种操作限制实例如下：

1)如果要求不启动(NOT ACTIVATE)锤，按下面的顺序执行：

a)将力减小至大约为0；

b)向流体锤施加以15gpm的速度流动的流体，结果是使锤移动到冲洗位置；

c)从此时起，控制流体流速和作用在钻刀头上的推力，使得：

最小流速(gpm)＝.025×力(lbs)；或

最大力(lbs)＝40×流速(gpm)。

2)如果要求启动(ACTIVATE)锤，按下面的顺序执行：

a)将流向锤的流体流速减小至大约为0；

b)施加最小力500lbs；

c)应用最小流速15gpm；

d)从此时起进行控制，使得：

最小力(lbs)＝40×流速(gpm)；或

最大流速(gpm)＝.025×力(lbs)。

在程序块280，操作者或控制者选择是否使用锤撞击功能。如果选择撞击功能，在程序块282，操作者或控制者降低定向钻孔机形成的推力，同时保持钻杆组中钻用流体的压力。推力的降低与保持钻用流体的合成作用迫使钻刀头沿向着钻孔方向的前方移动，由此使主动冲洗型GIN流体驱动锤转换到冲洗位置。在冲洗位置，驱动锤316不往复移动，钻用流体仅穿过口222A。

在程序块284，钻孔过程现在以普通方式进行，而不借助主动冲洗型GIN流体驱动锤的撞击动作。可以理解，在钻杆组中没有钻用流体(泥浆流)存在时，可以不施加推力，这是因为施加了推力而不存在钻用流体压力会使钻刀头219A沿定向钻孔机的方向向后移动。此外，钻用流体流量，压力或流速应该控制在将作为推力作用而改变的一定预定限度。可以理解，该限度会由控制器自动控制。

在程序块286，对流体驱动锤进行检测，为的是决定是否不小心起动了。如果没有，继续进行无撞击钻孔。否则，继续执行程序块282的过程，直到驱动锤316停止工作。

如果操作者或控制器在程序块280选择锤的撞击功能，过程转换到程序块288，使钻用流体流量接着基本降低到大约为0。如程序块290所示，接着通过定向钻孔机向钻杆组施加推力，从而迫使钻刀头219A向着定向钻孔机向后移动，由此使主动冲洗型GIN流体驱动锤离开其冲洗位置。

在程序块292，操作者或控制器接着增大钻用流体流量直到主动冲洗型GIN流体驱动锤开始撞击过程并继续进行钻孔过程。操作者或控制器接着控制起推力作用的钻用流体流量，使得如果钻孔推力小，则减小钻用流体流量以避免不小心将主动冲洗型GIN流体驱动锤转换到其冲洗位置。

在程序块296，对主动冲洗型GIN流体驱动锤进行检测，为的是决定是否不小心起动了。如果没有，则继续撞击钻孔。否则，继续执行程序块288的过程，直到主动冲洗型GIN流体驱动锤开始撞击工作。

尽管为了公开本发明而图示说明了本发明的某些实施例，但是本领域的技术人员可以对这里所述的本发明方法和装置进行改变，这些改变在由附加权利要求限定的本发明精神和范围内进行实施。

Claims (7)

1.一种在可压缩土壤中使用的水平定向的钻孔机，所述钻孔机具有钻杆组和钻头，所述钻杆组的近端连接定向钻孔机，所述钻头连接所述钻杆组的远端，所述钻头包括：

钻刀头，所述钻刀头通常适于钻穿岩石并具有钻穿岩石的结构；

检测所述钻刀头角度方位的检测装置，提供对应所述方位而产生的信号；

偏移连接件，所述偏移连接件的第一端连接所述钻杆组，所述偏移连接件的第二端连接所述钻刀头，所述偏移连接件偏离所述钻杆组的纵轴，其中，响应所述产生的信号对所述偏移连接件定方位以控制所述钻刀头的方向，其中偏移连接件形成所述钻杆组的外壳；

流体驱动的锤，所述锤构造成撞击钻刀头，

其中所述钻刀头进一步包括适于控制所述钻刀头方向的有效转向几何形状，以及

所述钻刀头如此安装以便所述钻刀头在使用的过程中相对于所述偏移连接件不转动，其中所述钻头还包括在该检测装置的相对两端的吸振件。

2.如权利要求1所述的钻孔机，其中所述锤由液体驱动。

3.如权利要求1所述的钻孔机，其中所述有效转向几何形状是由远离钻杆组纵轴的最外点径向向外偏移的并且其上设有一个或多个面向前方的计量切削齿的计量器柱，所述一个或多个计量切削齿适于切过小于所述钻刀头一整转限定的角度。

4.一种采用水平钻孔机并控制所述钻孔机的钻头方向而在介质中进行钻孔的方法，包括：

推动位于钻杆组前端的所述钻头穿过介质，同时用流体驱动的锤撞击位于所述钻头远端的钻刀头，其中所述钻刀头包括适于控制所述钻头方向的有效转向几何形状；

采用检测装置定期检测所述钻刀头的角度方位，所述检测装置用于探测设置在钻头上的钻刀头的角度方位；以及

通过以下方式控制钻头方向：

(a)如果钻入可压缩土壤，在通过推动所述钻杆组进行钻孔的过程中改变方向，使得所述钻头沿偏移连接件的方向偏离，所述偏移连接件由所述钻杆组纵轴的中心线偏移一角度，并且不旋转所述钻杆组；或者

(b)如果钻入岩石，则用所述锤撞击所述钻刀头，使得所述钻刀头沿所述有效转向几何形状的方向偏离。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：

如果钻入可压缩土壤，在通过推动所述钻杆组进行钻孔过程中改变方向，使得所述钻头沿所述偏移连接件的方向偏离，并用所述锤撞击所述钻刀头并且不旋转钻杆组。

6.如权利要求4所述的方法，进一步包括确定所述钻头钻入了可压缩土壤还是岩石。

7.如权利要求4所述的方法，进一步包括确定是否起动所述锤。